核桃剥壳机导向机构的设计
5.4 导向分析
5.4.1 一级导向
为了保证核桃有一个高的导向率，一次导向角与水平面夹角γ应小于或等于导向辊对核桃的支持力与水平面的夹角β，这样，支持力N1就形成了主动力矩而不是阻力矩，其一级导向受力图如图22所示。
图23 一次导向受力图 1导向槽 2核桃 3导向辊
核桃在与导向辊接触的瞬时姿态是随机的，即长轴P1P2与辊轴的夹角在0°～90°范围内变化，但是可以分为3大类即：导向摆角α=0°、α=90°和0°<α<90°或90°<α<180°。当α为 0°时已实现了自然导向，不必考虑。
当α=90°时受力如图20所示。
当导向辊静止时有：N1=Gsinβ-N2sinγ (13)
N2cos(β-γ)=Gcosβ (14)
β-γ)) (15) 所以N=G(sinβ-cosβtan(辊轴转动时将对核桃产生一滑动摩擦力F，在核桃与辊轴接触的瞬间
F=μN=μG(sinβ-cosβtan(β-γ))，此力与支持力N1一起形成了使核桃向上转动的主
动力矩，重力G产生一个使核桃向下转动的力矩，而且γ越小N所产生的主动力矩越大，越易于导向。此时若核桃的重力线与两支点连线，即导向槽5及导向辊3对核桃的支撑点不在同一竖直面上的话，两力矩就会形成一对扭转力矩，使核桃产生侧滑，直到P1P2与辊轴线平行后进入二次导向槽，否则，一次导向时就可能出现核桃两端不在同一水平面上同时下落，造成一次导向失败的情况，因此还需进行二次导向。
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核桃分级、剥壳及分离一体机设计
若0°
一次调向后已经实现了a=0°,但如果核桃的重力线与两支点连线不在同一竖直面上的话,重力G就会形成以两支点连线为转动轴线的转动力矩出现核桃倾翻现象。因此对一次导向后的核桃还有必要进行二次导向,经一次导向后的核桃其一端 ,设为O端,首先触及二次导向槽,此时核桃以O为转动中心,在重力G形成的主动力矩和摩擦力F形成的旋转力矩共同作用下,核桃另一端下落至两端在同一水平面上后进入破壳装置。 但是进行二次导向时要注意:为防止己导向的核桃在二次导向槽内滚动时改变方向,二次导向槽要尽可能的短;二次导向槽与水平面夹角不能过大,否则将引起核桃来不及调向而沿导向槽下滑,没有进行第二次调向直接进入破壳装置。
5.5 导向装置参数的确定
从实验结果来看：各个参数的最佳组合是：一次导向槽水平导向角Φ=21°，二次导向槽水平导向角Ψ=37°，导向辊转速ω=32转/分。一次导向角Φ越小越易导向，但是如果Φ过小，则核桃在一次导向槽内下滑的速度减小，降低了生产率，如果要提高核桃的下滑速度，则需让一次导向槽在一定范围内作往复运动。但这样做会加大设计难度以及增大生产成本，为此选取Φ=21°作为一次导向槽水平导向角的下限。对于导向辊轴，若辊轴转速高，进入导向机构的单个核桃就会被辊轴带动而弹起，从而降低导向率。在实际生产中，由于采用的喂入方式是群体喂入而不是单个喂入。 为了提高生产率辊轴转速可取比32转/分钟略大些，取ω=35转/分钟。
另外可将一级导向槽和分级滚筒合并成一个结构,这样即可以减少设备的体积重量还可以大大简化设备的设计过程。
由上面的结果分析可知,一次导向槽水平导向角Φ不大。由于核桃与转动的导向辊轴之间存在摩擦力,若辊轴不转动或转速很小的话,可能会出现核桃一端与辊轴接触后静止不动的情况无法实现调向,为此需给辊轴提供一定转速。为了使辊轴在低速下也能很好的调向,在辊轴设计制造时,应尽量加大导向辊的表面粗糙度,以提高导向辊与核桃之间的摩擦力。在本设计中采用塑胶滚轮。
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核桃剥壳机导向机构的设计
6 核桃剥壳机剥壳机构设计
6.1 核桃剥壳的力学分析
对于整个核桃，除了结合线上的壳厚较大，约为2～4mm以外。其它各个位置的壳厚基本上是一样的。但靠近结合线处，壳的厚度比远离结合线处壳的厚度大些，壳顶端的厚度要比底端大些。因此，对于每个核桃分别测量四个位置的厚度，随机测量了30个核桃，故样本n=30对测量值进行统计处理。其结果列于表1。
表1 核桃的厚度
位置 顶端 h/mm 底端 h/mm h σ30 1.24 0.153 结合线处 h/mm h σ30 1.41 0.164 最凸出处 h/mm h σ30 1.18 0.145 厚度 h σ30 1.32 0.159 由实验数据可知核桃三维尺寸和不同位置的壳厚差异不显著。因此,可将核桃壳简化为各向同性、均匀厚度的薄壳球。
根据实验及理论分析可知核桃在集中力处弯曲力矩及横向剪力均趋于无穷大，事实上由于力不是作用在一个单纯的点上而是一个区域上，所以弯曲力矩及横向剪力不可能
成为无穷大，而是一个很大的值。由于核桃的抗弯能力远小于抗压能
图24 一对和两对压缩力下核桃的破裂形式
力，而在远离集中力作用点区域只有薄膜力没有弯矩，所以壳的破裂首先从集中力处开始，集中力处就是一个破裂源。
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对于韧脆性断裂的核桃来说，在裂纹扩展过程中，裂纹顶端附近一部分塑性区发生卸载，随着核桃挤压转动又进一步加载，这样就等于给核桃施加了一个交变应力。由材料力学知，交变应力易于使壳破裂。
Craggcs通过研究给出了裂纹扩展速度公式：
1?v?v???v??K2G? (16) ???1????E?c2???c1??D?V?????V??4?1???c???1?22212D?V?????12??V??1???c???2?22????V?????2??? (17)
c2????????122即瞬时裂纹扩展力G与动态应力强度因子K有关， 其中：
G—瞬时裂纹扩展力 K—动态瞬时强度因子
?v?K???a?1?? (18)
?cR?c1、c2—弹性波速
D?V?—裂纹扩展速度的通用函数
cR雷利表面波的速度
σ一应力 a一裂纹长度 V一裂纹扩展速度 υ一洎桑系数
从上式可以看出，裂纹扩展力G的大小和应力σ的大小有关，σ越大,G越大。裂纹越易扩展，核桃越易破裂。
由以上对核桃进行的分析可得出以下几点结论：1.法向集中力作用区域，内力值远大于其它位置的内力值。因而法向集中力作用处将首先出现破裂裂纹。2.适当增加法向集中力的对数，法向集中力作用点处的位移较一对时大,因而有利于破壳。但过多的法向集中力反而使集中力处的位移减小，不易使壳破裂。这主要是因为过多地集
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中力作用在壳上，提高了壳体刚度，降低了内力值。但较小的位移，可减少碎仁。3.两对法向集中力作用在壳上，较易使壳破裂。4.核桃在滚动挤压时更易于破裂。这是由于滚动挤压增加了法向集中力作用频次，在壳上施加了交变应力的缘故。
6.2 三种挤压方式的比较
挤压破裂核桃基本上有以下三种方式。图中圆盘半径r，圆盘和圆盘（板）之间的间隙均为s，偏心圆弧板的半径为R，偏心距e=R-r-s。核桃简化为直径为d的圆。
图25 三种破裂核桃的方式
6.2.1 核桃的旋转角度
采用第一种方式，核桃在圆盘之间没有旋转，故β=0。采用第二、三种方式，核桃则绕接触点D2?D3?旋转。由于核桃表面粗糙，可认为向下无滑移，运动过程简化为绕瞬心D2?D3?点作向下纯滚动；可分解为绕质心(圆心)的匀速转动和质心的匀速平动。匀速转动的角速度???v/2?/?d/2??v/d式中υ为圆盘线速度。
当核桃开始受挤压时，旋转的圆盘带动核桃一边转动一边向下平动。当圆盘转过角时，核桃向下平动的圆弧长度l：
l???r?d/2? (19)
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