Исследование основных параметров устройства для раскалывания скорлупы орехов

При промышленной переработке орехов путем отделения скорлупы от ядра возникает технологич еская проблема сохранения ядра без повреждения и разрушения [1]. Существующие устройства для разрушения скорлупы орехов за один проход осуществляют разру-шениие 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 кондитерсокй промышленности.

Целью экспериментальных исследований являлась проверка достоверности теоретических предпосылок и разработок по вопросу процесса очистки ореха фундука от его скорлупы; выявление новых закономерностей процесса дробления ореха, а также определение основных его параметров.

Технология очистки ореха фундука от скорлупы [2], в свою очередь, ставит новые важные задачи: повысить производительность дробильной установки, сократить число стадий переработки, повысить качество и увеличить выход полезного продукта очистки, снизить удельную энергоемкость процесса.

Расход электроэнергии будет зависеть от многих основных факторов таких, как, во-первых, производительность установки, во-вторых, результаты дробления, в-третьих, свойства перерабатываемого сырья (влажность, степень зрелости и т.д.), в-четвертых, конструкция и режим работы установки.

При проведении экспериментальных исследований были поставлены следующие задачи:

• -    определить производительность устройства для раскалывания скорлупы орехов;

• -    определить оптимальный скоростной режим, при котором будет минимальный расход энергии и максимальная производительность;

• -    определить рабочий режим, при котором достигается максимальное количество цельных ядер очищенных от скорлупы орехов.

Для исследования процесса очистки ореха фундука в лабораторных условиях была сконструирована и реализована специальная установка (Патент № 2454897) [4]. Схема устройства для раскалывания скорлупы орехов представлена на рисунке 1.

Рисунок 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-прижимнойрегулируемый винт; 16- бункер для приемаразрушенных орехов.

При проектировании данного устройства необходимо выполнять следующие требования:

• - минимальное расстояние между внешней прижимной щекой и барабаном установки должно быть выставлено таким образом, чтобы ядро ореха после раскалывания скорлупы вышло неповрежденным;

• - минимальное расстояние между внутренней прижимной щекой и барабаном установки должно быть выставлено таким образом, чтобы ядро ореха после раскалывания скорлупы вышло неповрежденным;

  -пружина, работающая на сжатие, должна оказывать такое влияние на внешнюю прижимную щеку, при котором скорлупа ореха начинает деформироваться (разрушаться).

Эти требования полностью были реализованы в указанном дробильном устройстве за счет оригинально выполненной конструкции узла дробления.

Принцип действия данного очищающего устройства заключается в следующем.

В емкость бункера [3]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.

Далее был проведен математически спланированный лабораторный эксперимент по оптимизации основных параметров процесса раскалывания скорлупы орехов. Анализ литературных источников и проведенные нами предварительные эксперименты позволили нам установить основные факторы, влияющие на процесс раскалывания скорлупы орехов.

Испытания проводились по следующей методике. Частота вращения барабана составляла 16 и 30 оборотов в минуту; для лабораторных испытаний был принят лесной орех фундук с влажностью 14 и 22 %; размеры орехов были приняты диаметром в диапазоне - 19... + 22 и 22 + мм.

После обработки экспериментальных данных мы получили следующие математические модели:

• -    для определения производительности устройства для раскалывания скорлупы орехов:

у = 86,1 + 2,22 • X 1 + 6,18 • X ₂ - 5,03 • X ₃ ( 1 )

• -    для определения качества переработанных орехов, получения цельных ядер орехов после переработки:

у = 36,3 - 1.33 • X 1 - 8.33 • X ₂ + 7,33 • X ₃ ( 2 )

• -    для определения количества затрачиваемой электроэнергии:

у = 55,9 - 1,62 • X 1 + 2,25 • X ₂ + 2,67 • X ₃ ( 3 )

На рисунке 2 приведены графики зависимостей факторов:

• а    - зависимость производительности Y=f (X₂; X₃) от частоты вращения барабана Х₂ и влажности перерабатываемых орехов Х₃;

• б    - влияние частоты вращения барабана Х₂ и влажности перерабатываемого ореха Х₃ на параметр оптимизации качество,Y=f (X₂; X₃);

в - влияние диаметра и влажности перерабатываемого ореха Х 1 , Х₃ на параметр оптимизации мощность Y=f (X 1 ; X₃).

б

а

в

Рисунок 2 - Графики зависимостей факторов при проведении экспериментов на производительность, качество и расход электроэнергии.

Анализ уравнения (1) показывает, что на параметр оптимизации (производительность, кг/ч) при раскалывании скорлупы орехов крупностью — 19... + 22 и 22 + мм наибольшее влияние оказывают частота вращения барабана и влажность ореха, причем с увеличением частоты вращения барабана и низком содержании влаги производительность устройства возрастает.

Анализ уравнения (2) показывает, что на параметр оптимизации (качество, % полученных цельных ядер орехов) при раскалывании скорлупы орехов крупностью — 19... + 22 и 22 + мм наибольшее влияние оказывают частота вращения барабана и влажность ореха, причем при переработке орехов влажностью 14 % и размером 22+ на высоких оборотах выход цельных ядер увеличивается. С увеличением процента влажности возрастает количество поврежденных ядер орехов после их переработки.

Анализ уравнения (3) показывает, что на параметр оптимизации (мощность – количество потребляемой энергии, Вт) при раскалывании скорлупы орехов крупностью — 19... + 22 и 22 + мм наибольшее влияние оказывает влажность, причем с увеличением влажности возрастает количество потребляемой энергии. Также при раскалывании скорлупы орехов с влажностью, превышающей 22%, на высоких оборотах увеличивается мощность, затрачиваемая на переработку орехов.

Таким образом, на переработку орехов наибольшее влияние оказывают такие параметры как скорость вращения барабана, влажность и размеры перерабатываемого ореха, что было доказано в проведенных нами экспериментами.

Выводы: по результатам математически спланированного лабораторного эксперимента определена корреляционно-регрессионная взаимосвязь между параметрами и режимами работы устройства. Установлены режимы, при которых достигается максимальная производительность, высокое качество выхода цельных ядер орехов после механического воздействия, а также режим, при котором будет рас-ходовано минимальное количество электроэнергии. Технологически е параметры, оптимизированные в результате вычислительного и лабораторного экспериментов, легли в основу разработанного устройства для раскалывания скорлупы орехов : производительность устройства – 100 кг/ч и качество ц ельных неповрежденных ядер ореха – 90 %.