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直立锥滚筒式花生脱壳机脱壳原理与关键技术研究

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学科专业
农业工程
文献出处
沈阳农业大学  年
关键词
花生论文  脱壳论文  直立论文  锥滚筒论文  清选论文
论文摘要

花生是中国乃至世界的重要油料作物与经济作物。中国是花生生产大国,但非花生加工强国,花生收获和加工机械化水平相对较低。我国花生脱壳虽已基本实现机械化,但仍存在着损伤率高和损失严重等问题,不仅造成产量的损失,而且易导致果仁失油、污染、霉变,以及被黄曲霉毒素侵染,造成等品质下降,也影响后续的储藏与加工。因此提高花生脱壳质量对发展我国花生产业具有重要意义。本文结合国家自然科学基金项目(50775151)后续研究,在对国内外花生脱壳技术现状分析基础上,提出一种花生层流脱壳原理,基于花生脱壳和清选特性,建立了直立锥滚筒式花生脱壳机总体方案,利用离散元理论及仿真软件进行了荚果在脱壳区间运动模拟及受力分析,并进行了直立锥滚筒式花生脱壳机设计,最后研制出样机并进行试验与优化。本文的研究内容和结论如下:(1)提出层流花生脱壳原理,研究直立锥滚筒式花生脱壳机方案。在研究国内外花生脱壳技术的基础上,对卧式脱壳和立式脱壳方式进行了比较,通过对花生脱壳原理的研究和分析,提出了薄层流动式脱壳原理,确定了直立锥滚筒式脱壳方案。(2)花生物理特性的试验研究。针对辽宁省当地主栽花生品种,测得不同花生荚果及果仁的几何尺寸及分布规律;通过弹性模量试验得到花生荚果及果仁的弹性模量及其与含水率之间的关系,以及弹性模量与放置方式之间的关系;通过摩擦特性试验得到得到花生品种、接触材质对花生荚果静、动摩擦系数的影响。(3)花生在脱壳区间的力学分析及脱壳装置设计。根据花生在锥环形脱壳区间所处位置,分别进行了力学分析和运动学分析,确定了花生荚果形成层流运行的极限条件,推导出脱壳关键部件直立锥滚筒和锥凹版的参数范围。转速n可取300~400r/min;滚筒半锥角α为30°~60°;筋条倾角β越大,荚果所受剪切力越大,对荚果的螺旋推动作用越小,确定了环形脱壳间隙;根据参数设计了脱壳装置的各部件。(4)花生荚果在脱壳区间状态仿真分析。通过三维建模软件UG建立整机模型,采用离散元方法及EDEM软件以滚筒旋转方式进行花生荚果脱壳的仿真模拟,探索了颗粒物料在不同滚筒半锥角、不同筋条倾角时受到接触力的情况。通过仿真分析可知,在理论计算基础上设计的锥滚筒的半锥角和筋条倾角都可使花生荚果破裂,达到脱壳目的,验证了设计的可行性。(5)花生脱出物在横吸气流中的动力学分析及气吸清选装置设计。通过花生脱出物空气动力特性试验得到各花生脱出物的漂浮系数及空气动力学因数,为确定脱壳机结构参数提供依据;为避免花生脱出物拥堵设计了脱出物三向导流装置,确定了导流盘合理倾角为50°;通过花生脱出物在横吸气流中的运动分析,得到各脱出物运动方程;基于花生脱出物在气流中的不同运动轨迹设计了横流三通道气吸清选系统。(6)直立锥滚筒式花生脱壳机整机研制与性能试验。采用轴线为竖直方向且上大下小的锥形脱壳滚筒和锥形凹板筛作为主要脱壳部件;采用同轴减速方式实现高转速风机和低转速花生脱壳滚筒的同轴、差速传动。通过三向导流装置将脱出物导流至出料口,并经三通道横流气吸清选装置实现壳仁分离。经过初步样机试验、观察表明,锥滚筒、锥凹板形式脱壳部件可加快壳、仁透过凹板筛的速度,减轻果仁损伤和提高脱壳效率。利用响应面试验分析方法,进行了试验及优化,得到了锥滚筒半锥角、滚筒转速和脱壳间隙的最佳参数组合并验证,结果表明在脱壳滚筒转速320r·min-1、锥凹板半锥角30°、棱筋升角45°时脱壳综合指标最优,脱净率为98.84%,破损率为2.27%。横流三通道气吸清选装置能够很好地配合脱壳装置实现壳仁分离,在吸风口高度为80mm时,可得到最优清选指标,清选损失率为2.01%,含杂率为0.98%,均优于行业标准。

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摘要
Abstract
第一章 绪论
  1.1 研究目的及意义
  1.2 国内外花生生产概况
    1.2.1 国内花生生产
    1.2.2 世界花生生产
  1.3 国外花生脱壳技术研究
    1.3.1 美国花生脱壳机及脱壳技术
    1.3.2 其他国家花生脱壳技术现状
  1.4 中国花生脱壳技术及脱壳装备研究
    1.4.1 中国花生脱壳技术
    1.4.2 中国花生脱壳装备发展及现状
    1.4.3 对中国脱壳技术发展的建议
  1.5 研究内容及方法
    1.5.1 主要研究内容
    1.5.2 拟解决的关键问题
    1.5.3 技术路线
  1.6 本章小结
第二章 直立锥滚筒式花生脱壳机结构原理与方案
  2.1 花生脱壳方案分析与比较
    2.1.1 打击式脱壳方案
    2.1.2 碾搓式脱壳方案
    2.1.3 挤搓式脱壳方案
  2.2 花生层流原理研究
  2.3 立式脱壳方案分析及其与卧式脱壳的比较
    2.3.1 立式脱壳方案
    2.3.2 脱壳方案比较
    2.3.3 直立锥滚筒式花生脱壳机预期特点
  2.4 直立锥滚筒式花生脱壳机总体方案
    2.4.1 花生脱壳基本流程
    2.4.2 总体结构及传动方案
    2.4.3 各装置主要工作原理
    2.4.5 直立锥滚筒式花生脱壳机结构特点
  2.5 本章小结
第三章 花生脱壳特性研究
  3.1 花生荚果及果仁几何特性研究
    3.1.1 荚果几何特性分析
    3.1.2 果仁几何特性分析
  3.2 花生荚果及果仁弹性模量
    3.2.1 试验原理
    3.2.2 试验方法
    3.2.3 试验结果及分析
  3.3 花生荚果摩擦特性试验
    3.3.1 试验材料和方法
    3.3.2 试验结果与分析
  3.4 本章小结
第四章 直立锥滚筒式花生脱壳装置工作原理与仿真分析
  4.1 花生在锥环形脱壳室中力学及运动分析
    4.1.1 未与滚筒筋条接触时荚果受力分析
    4.1.2 与滚筒筋条接触后的受力分析
    4.1.3 花生在锥环形脱壳区间的运动分析
  4.2 花生荚果在脱壳区间运动状态仿真分析
    4.2.1 花生荚果脱壳模型建立
    4.2.2 仿真计算
    4.2.3 仿真模拟
    4.2.4 不同滚筒半锥角的仿真分析
    4.2.5 不同筋条倾角的仿真分析
  4.3 锥形脱壳滚筒设计
    4.3.1 锥形脱壳滚筒结构设计
    4.3.2 脱壳筋条设计
  4.4 环形脱壳间隙确定
    4.4.1 脱壳室形式确定
    4.4.2 脱壳间隙设计
  4.5 锥凹板设计
    4.5.1 锥凹板材质确定
    4.5.2 筛条间隙设计
    4.5.3 筒筛几何尺寸
  4.6 均布喂料装置设计
  4.7 脱壳间隙调整结构设计
  4.8 本章小结
第五章 横流三通道气吸清选装置工作原理及设计
  5.1 花生脱出物漂浮速度与空气动力因数
    5.1.1 物料空气动因数与漂浮速度的关系
    5.1.2 花生脱出物漂浮速度试验
    5.1.3 花生脱出物空气动力因数
  5.2 横流气吸清选临界条件确定
    5.2.1 花生脱出物受力与运动规律分析
    5.2.2 横吸气流作用下的花生脱出物水平位移
    5.2.3 临界气流速度和吸风口高度
  5.3 气吸清选装置关键部件设计
    5.3.1 吸风口及出料槽与分离仓
    5.3.2 集料仓与导流盘
    5.3.3 清选风机选型
    5.3.4 气吸装置主要参数
  5.4 本章小结
第六章 直立锥滚筒式花生脱壳样机试验
  6.1 试验材料与方法
    6.1.1 试验材料
    6.1.2 试验仪器设备
  6.2 脱壳装置性能试验研究
    6.2.1 试验指标与试验方法
    6.2.2 试验方案
    6.2.3 试验结果与分析
  6.3 脱壳装置主要参数优化及性能试验
    6.3.1 主要参数的优化
    6.3.2 脱壳装置优化后的性能试验
  6.4 清选装置性能试验
    6.4.1 清选性能试验指标与试验方法
    6.4.2 清选性能试验方案
    6.4.3 清选性能结果分析
  6.5 本章小结
第七章 结论与展望
  7.1 结论
  7.2 创新点
  7.3 展望
参考文献
附录
致谢
攻读博士学位期间的学术成果
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