Определение производительности и мощности устройства для раскалывания скорлупы орехов
Петров Владимир Константинович,
аспирант Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета).
При промышленной переработке орехов путем отделения скорлупы от ядра возникает технологическая проблема сохранения ядра без повреждения и разрушения. Существующие устройства для разрушения скорлупы орехов за один проход осуществляют разрушение на 60 – 70 %, причем около 30 % очищенных ядер выходят после машинного разрушения скорлупы поврежденными.
Потребность в создании подобного оборудования обусловлена тем, что орех является ценной орехоплодной культурой и незаменимым сырьем для кондитерской промышленности.
Для исследования процесса очистки ореха фундука в лабораторных условиях была сконструирована и реализована специальная установка (Патент № 2454897) [3]. Схема устройства для раскалывания скорлупы орехов представлена на рисунке 1.
Принцип действия данного очищающего устройства [1] заключается в следующем (рис. 1). В емкость бункера засыпается неочищенный орех. Затем включается электродвигатель и вращение с ведущего шкива, установленного на валу червячного редуктора, через двойной ремень передается на ведомый шкив, установленный на валу, закрепленном в подшипниковом узле. На валу расположен фланец, на котором жестко закреплен транспортирующий барабан. Вращаясь, барабан транспортирует орехи в зону колки, при этом удерживая их в своих ячейках. Орехи увлекаются в зазор между внешней прижимной пластиной и барабаном, где подвергаются разрушению. Орех, приближаясь к внешней прижимной пластине, начинает сдавливаться, тем самым отодвигая от себя пластину. Жесткая пружина, оказывая давление на внешнюю прижимную пластину, постепенно разрушает скорлупу ореха. После разрушения скорлупы ореха, ядро остается нетронутым, благодаря правильно выставленному зазору между прижимной пластиной и барабаном. Оставшиеся в ячейках скорлупа и шелуха, выталкиваются и вычищаются жесткой щеткой закрепленной на внутренней щеке. Расколотые орехи ссыпаются в приемный бункер для последующей обработки.
Рис. 1. Схема устройства для раскалывания скорлупы орехов: 1-станина; 2-корпус; 3-лоток; 4-резиновые вставки; 5-бункер для подачи орехов; 6-виброопоры; 7-вибрирующая установка; 8-крепления для виброопор; 9-заслонки; 10-барабан; 11-ячейки; 12-шарниры; 13-внутренняя прижимная пластина; 14-внешняя прижимная пластина; 15-прижимной регулируемый винт; 16- бункер для приема разрушенных орехов.
Производительность [2] устройства для раскалывания скорлупы можно вычислить, если представить процесс раскалывания, как определенное количество орехов выходящих из зоны дробления в виде ленты шириной, равной длине L барабана, и толщиной, равной ширине а выходной щели. Тогда за один оборот барабана объем (м3) ленты, прошедший через выходную щель,
, (1)
где D – диаметр барабана, м; L – длина барабана, м; a – расстояние выходной щели, м.
Значит, при ω (об/мин),
производительность 
устройства для раскалывания скорлупы орехов
, (2)
где ω – количество оборотов барабана, об/мин.
Необходимо иметь в виду, что при раскалывании орехов пружина, поджимающая прижимную пластину к барабану несколько сжимается, и расходится. При этом ширина выходной щели может существенно измениться, что нужно учитывать, особенно при раскалывании скорлупы орехов, т.к. это может повлиять на качество (количество целых ядер орехов), т.е. при а = 0. Значит Q = 0.
Фактически производительность не равна нулю, т.к. прижимная пластина отодвигается на ширину с, зависящую от фактических усилий дробления и степени жесткости пружины. Тогда
(3)
На основании практических данных b =0,25ac (рис. 2.), т.е. в расчете производительности ширину выходной щели с учетом деформации пружины принимаем равной 1,25 ac.
Рис. 2. Зазоры, влияющие на качество получаемого ядра, а также производительность устройства для раскалывания скорлупы орехов.
Также необходимо учитывать количество
ячеек барабана nяч, плотность перерабатываемого ореха ρ 
, коэффициент выхода количества целых неповрежденных
ядер ореха kвых. Тогда окончательно производительность устройства для раскалывания скорлупы орехов примет
вид
(4)
где ρ – плотность перерабатываемого
ореха, кг/м3; 
– коэффициент выхода количества целых неповрежденных
ядер ореха, 
; 
– количество ячеек в барабане, шт.
Необходимую установочную мощность 
электродвигателя устройства [2] для раскалывания
скорлупы орехов можно определить, если учесть затраты мощности на раскалывание
орехов и трение в подшипниках, т.е. на преодоление всех сопротивлений при
работе устройства:
(5)
где 
- мощность, расходуемая на раскалывание орехов; 
- мощность, расходуемая на преодоление трения в
подшипниках; η – КПД передачи, η = 0,95.
Раскалывание орехов осуществляется определенными усилиями (Н), среднее значение которых (рис.3.)
(6)
где 
– предел прочности ореха при сжатии, Па; 
- длина
барабана, м; 
- длина дуги на участке раскалывания ореха, м; 
- коэффициент,
учитывающий измельчение скорлупы 0,3÷0,5.
Рис. 3. Схема - Зона раскалывания орехов между барабаном и прижимной пластиной: 1-зона контакта ореха с прижимной пластиной; 2 - длина дуги на участке раскалывания ореха; 3 - количество одновременно раскалывающихся орехов.
Фактическое количество орехов, подвергающихся раскалыванию в какой-либо момент, значительно меньше количества орехов, находящихся в зоне дробления. Поэтому при определении усилия дробления в расчетную формулу необходимо дополнительно ввести коэффициент λ, учитывающий одновременность раскалывания, λ = 0,01-0,02.
Тогда среднее усилие (Н) дробления
(7)
При попадание ореха в зону раскалывания
(рис. 3.) между барабаном и прижимной пластиной среднее суммарное усилие 
дробления вызывает силу трения, равную 
(где f – коэффициент трения, f
=0,3÷0,45). Произведение этой силы на радиус R барабана представляет
собою момент силы, на преодоление которого расходуется мощность двигателя.
Произведение момента силы трения и
угловой скорости барабана 
(где n – частота вращения барабана, об/с)
определяет мощность , необходимую для дробления,
(8)
Подставив значение , получим
(9)
Мощность, необходимая на преодоление силы трения в подшипниках барабана,
(10)
где z – диаметр шейки вала, м; 
– коэффициент трения качения, приведенный к валу, = 0,001; G – нагрузка на подшипники, Н,
(11)
(Q – сила тяжести барабана, Н).
В существующих методиках расчета
мощности кроме момента силы трения 
дополнительно учитывается действие силы на дуге l. Силы, создающие момент относительно
оси барабана являются препятствующими его вращению, и эти силы полностью
учитываются в приведенных выражениях для определения и .
Тогда окончательно формула для определения установочной мощности электродвигателя устройства для раскалывания скорлупы орехов
(12)
При перемножении рекомендуемых значений всех входящих в формулу коэффициентов и постоянных величин, а также исключить незначительный расход мощности на преодоление трения в подшипниках, то получим формулу установочной мощности (Вт) электродвигателя устройства для раскалывания скорлупы орехов:
(13)
Из анализа полученного выражения следует, что установочная мощность привода зависит от следующих параметров: радиуса и длины барабана; частоты вращения барабана; от прочностных свойств раскалываемого ореха.
Литература
1. Выскребенец А.С., Петров В.К. Совершенствование технологии и оборудования для разрушения скорлупы различных видов ореха // Научно-технический вестник Поволжья.№6, 2012-Казань, 193-196с.
2. Клушанцев Б.В., Косарев А.И., Муйземнек Ю.А. Дробилки. Конструкция, расчет. Особенности эксплуатации // М.Машиностроение,1990.-С.177-204.
3. Патент № 2454897 Россия, МПК 2454897 A23N5/00. Устройство для раскалывания скорлупы орехов / В.К.Петров, А.С.Выскребенец.– № 2011105451/13; заявл. 14.02.2011; опубл.10.07.2012.
Поступила в редакцию 25.11.2013 г.