摘要：针对椰子（Cocos nucifera L.）壳质地坚硬、难以粉碎的特点，结合目前中国南方热带城市的椰子加工现状，设计了一种椰壳粉碎设备，介绍了其挤压装置、液压传动装置、粉碎刀的设计。结果表明，设计的椰壳自动粉碎机粉碎率为93%，粉碎时间不到人工粉碎时间的1/5。该设备的实现可降低人工劳动强度，操作简便，可靠性高，提高了椰子产品的综合利用率，符合目前椰子综合处理的需求。
关键词：椰子（Cocos nucifera L.）；椰壳；粉碎机
中图分类号：S226.4；S667.4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）07-1739-03
椰子（Cocos nucifera L.）属棕榈科椰子属单子叶多年生常绿乔木，其主要产物为椰子果，简称椰子。海南享有“椰岛”的美誉，其椰子产量占中国椰子总产量的80%[1]。椰子表皮由革质粗纤维组成，强度大，韧性高，木质素含量较高[2]。由于椰子壳质地坚硬，冷热不变形，很难粉碎，目前普遍采取用刀具人工粉碎的方法[3]，但这种方法不仅效果不佳，人工劳动强度高，还容易导致工人误伤自己。
目前海南省有椰子加工企业近300家，但是大部分企业规模小、技术薄弱，产品加工的机械化水平较低，难以提高椰子的经济效益和资源利用率[4]。国内外市场粉碎机种类繁多，中国粉碎设备主要应用于矿山、建设、饲料、药材、秸秆等行业，如广泛应用于食品、医药、饲料等行业的中小规模粉碎的齿爪式粉碎机，即“万能粉碎机”[5]。但是鲜有专门为椰壳这种较为特殊的原料设计的粉碎机，为此，设计了一种可以有效粉碎椰壳的机械装置，以期为中国热带椰子产区椰子的综合处理打下基础。
1 椰壳粉碎机总体结构及工作原理
1.1 总体结构
机构主要由粗粉碎装置、挤压装置和细粉碎装置组成。粗粉碎装置为类似于鄂式粉碎机的钉板机构，活动钉板连接凸轮机构用来实现目标运动；挤压装置为液压传动系统，推杆连接液压冲头实现左右运动；细粉碎装置由伺服电机加粉碎刀具构成，实现二次粉碎。图1为椰壳粉碎机整体结构。
1.2 工作原理
椰壳自动粉碎机主要由两部分构成。基于椰壳外表面为近似椭圆型结构，上半部分设计为改装后的鄂式粉碎机，这样的装置挤压椰壳圆形表面时不易打滑；下半部分为主要的粉碎装置；椰壳由上方的入料口进入机体内，经过鄂式粉碎机挤压变形，使它大大减小弧度结构，这样更利于粉碎。底部的液压结构主要用于改变椰壳的粉碎速度，如果仅仅由重力作用使椰壳经过粉碎刀粉碎，必然粉碎得不是很完全。经过液压装置的推动，不仅能提高机械效率，更能控制椰壳的粉碎率。
1.3 工作流程图
废弃椰壳由进料口进入粗粉碎装置，凸轮挤压活动钉板对椰壳进行一次粉碎。完成一次粉碎后，活动钉板后移，椰壳下落进入细粉碎通道，推杆连接液压活塞将椰壳向刀具方向传送挤压。粉碎刀具后方连接还田出料口，刀具在此完成二次粉碎。工作流程图如图2。
2 椰壳粉碎机主要结构设计
2.1 挤压装置
为了确定椰壳挤压后实际变形尺寸，进行了相关的试验，研究椰壳在不同力的挤压下可达到的最大变形尺寸，分为横向挤压和纵向挤压两组试验，结果如表1。
由表1可知，椰壳横向压缩基本无法实现，这主要因为椰壳自身的结构与硬度所致。基于此类情况，在压缩板与椰壳的接触面上安装了许多尖锐的钉状物，这样不仅能起到一定的粉碎效果，还能破开椰壳坚韧的表面，使后续的粉碎过程更加容易。纵向椰壳压缩率取88%较为合适，压缩出料口设计为23 mm（不包含钉状物长度），钉状物之间最小间距为1.5 mm左右。由于椰壳含水量较低，在钢材的选择方面不用考虑腐蚀性问题，应侧重耐磨性能与抗拉性能，所以压缩板与钉状物的材料建议选用ZG310-570。压缩频率不宜过低，否则将给后续的粉碎装置带来麻烦，过高则会浪费不必要的机械效率。经试验测定，压缩频率应控制在200～300 Hz。另外，由于装置的封闭式滚子推杆凸轮机构，在其外壳上应延伸一段弧形挡板，防止卡料。
2.2 液压传动装置
2.2.1 液压传动系统 液压传动是以液体为工作介质来进行能量传递的传动方式，传递能量的方式主要是利用液体的压力能。液压传动相比其他传动，众多优点在近几年逐年显现，因此，它被广泛应用于各行各业。在自动化机械设备中，液压传动系统是极为重要的控制系统结构，利用液压传动可完成数据系统程序下达的信号指令，保证了数控设备按照原先设计好的指令完成加工处理。
相比其他传动方式，液压传动有以下优点：①液压传动可以输出大的推力，实现大吨位运动，这样可保证椰壳顺利传送至粉碎刀具，不会产生阻塞等问题；②相同功率条件下，液压传动元件体积小，结构紧凑，在机构中的布局、安装将会有很大的灵活性；③液压传动反应速度快，可以实现频繁换向，保证了机械在椰壳推递中不会因传动系统的不稳定而产生大的故障；④操作简单，机电联合使用时可以更方便地实现自动工作循环；⑤机构在进行椰壳粉碎工作中，由于椰壳投入量不同，机器极有可能会过载运行；而液压系统便于实现过载保护，使用安全可靠。
综上所述，液压系统安全实用，更适合作为椰壳粉碎机构的传动系统。
2.2.2 液压系统工作原理 图3为椰壳粉碎机液压系统。从图3可以看出，液压泵在电动机的带动下旋转，油液由油箱经过滤器被吸入液压泵。由液压泵输入的压力油经过电磁换向阀、节流阀进入液压缸一侧推动活塞带动推杆运动，液压缸另一腔的油液经过换向阀流回油箱。同时在连杆的带动下，夹板向内收缩夹紧椰子。推杆的移动速度可通过节流阀来调节。当节流阀开大时，进入液压缸的油液增多，推杆的移动速度增大；当节流阀关小时，推杆的移动速度减小。液压泵输出的压力油除了进入节流阀外，其余的打开溢流阀流回油箱。 2.3 粉碎刀
2.3.1 粉碎刀转速 粉碎装置为椰壳粉碎机设计的核心，合理的粉碎刀转速不仅能最大限度地粉碎椰壳，还能降低功率，提高机械效率。目前，一般的大型粉碎机粉碎刀转速为200～400 r/min，中小型粉碎机为750～1 600 r/min。结合椰壳粉碎机的综合设计，粉碎刀转速取850 r/min较合适。粉碎刀具为弯齿状，以便于粉碎，三维图如图4。
2.3.2 粉碎刀具的钢种选择 用于粉碎的刀具必须具有良好的耐磨性、良好的冲击韧性且不易变形，以及很高的硬度。由于椰壳含水量较低，如同挤压装置一样，不用考虑其防腐蚀性能。考虑经济因素与实用因素，选用T12A比较合理，并在其表面做渗碳处理。
3 试验结果
接受试验的椰壳基本条件为：椰壳平均纵径220 mm，平均横径40 mm，含水率9%，每组质量为3 kg，单个椰壳平均重250 g。每组12个椰子，3次重复，试验共用了36个椰子，主要测试其粉碎率、机械粉碎时间与人工粉碎时间。
从试验结果（表2）可知，设计的椰壳粉碎机粉碎率高于90%，粉碎时间不到人工粉碎时间的1/5，且试验测试期间椰壳粉碎机运转流畅，异动小，粉碎较均匀。表明设计的椰壳自动粉碎机符合椰壳粉碎的技术要求，大大提高了粉碎效率，可以用于实际生产操作中。
4 小结
研究表明，设计的椰壳粉碎机平均粉碎率为93%，粉碎时间不到人工粉碎时间的1/5，说明椰壳自动粉碎机能够较好地完成粉碎工序；且运转流畅，生产率高，可连续作业，结构简单，操作方便，避免人工粉碎时误伤自己，提高了机械化程度，缩短了劳动时间，为之后椰壳烘干、揉丝等工序提供了理想的原料，在椰子主要产区具有广阔的推广前景和很大的利用价值[6]。
参考文献：
[1] 郑淑娟.中国椰子产业发展分析[J].热带农业工程，2009，33（6）：32-34.
[2] 李秀娟，李小慧.新鲜椰子的综合加工[J].食品科技，1999（1）：47-49.
[3] 张馨月，张 燕，李朋伟，等.椰壳自动粉碎机的设计与ANSYS分析[J].广东农业科学，2013（7）：175-177.
[4] 夏秋瑜，李 瑞，赵松林，等.椰子的利用价值及综合加工技术[J].中国热带农业，2007（3）：37-38.
[5] 戴林坤，曹念正.齿爪式粉碎机及其在水产饲料行业中的应用[J].饲料工业，2010，31（17）：1-6.
[6] 李昌如.国外椰子加工和利用[J].热带作物研究，1987（1）：78-81.
