对影响核桃破壳力大小因素的探究

对影响核桃破壳力大小因素的探究
高警;郑甲红;闫茹;刘梦飞;路平
【摘要】With the quasi-static compression test , through measuring walnut ’ s shelled force with the influence of press-ing direction,loading speed,walnut’s size,pretreatment and other factors,we obtain the best of broken shell pressing di-rection,loading speed as well as the relationship between changing in the size and breaking strength .The results showed that along a direction perpendicular to the X-axis at the speed of 10
mm/min is the best way .At the same time ,with the increase in the size of walnut shell breaking force will increase ,what’s more,it can be seen through the experimental data that pretreatment walnut can reduce shell breaking force ,this paper will provide a reference to Walnut shell breaking ma-chiner y ’ s structural design or research .%用准静态压缩实验，通过对破壳挤压方向、加载速率、核桃尺寸、预处理等因素影响下的破壳力进行测定，得出最佳的破壳挤压方向、加载速率以及核桃尺寸的变化与破壳力的关系。

结果表明：沿垂直于 X 轴方向以15 mm/min的速度加载效果最好，随着核桃尺寸的增加破
壳力也会增加。

通过实验数据可以看出，对核桃破壳前进行预处理可以减小破壳力，这为核桃破壳机械的结构设计提供了参考。

【期刊名称】《农机化研究》
【年(卷),期】2014(000)009
【总页数】4页(P186-189)
【关键词】准静态压缩实验;挤压方向;加载速率;尺寸;预处理;破壳力
【作者】高警;郑甲红;闫茹;刘梦飞;路平
【作者单位】陕西科技大学机电学院，西安 710021;陕西科技大学机电学院，西安 710021;陕西科技大学机电学院，西安 710021;陕西科技大学机电学院，西安710021;陕西科技大学机电学院，西安 710021
【正文语种】中文
【中图分类】S12
0 引言
我国是核桃生产大国，虽然已有许多研究表明核桃的深加工产品具有很高的附加值，但无论何种形式的深加工，破壳取仁都是首要的工序。

目前，核桃破壳取仁有以下几种方法:①离心碰撞式破壳法；②化学腐蚀法；③真空破壳取仁法；④超声波破
壳法；⑤定间隙挤压破壳法[1]。

但是，前4种方法不能满足整仁率高、破壳率高、操作方便、设备便宜等特点，特别是第2种方法在实际操作中不好控制,核桃仁易
受到腐蚀,处理不好还会造成对环境的污染,所以在现实中很少被应用。

现在应用最
多的主要是定间隙挤压破壳法[2]。

利用定间隙挤压破壳法的原理制造的破壳机械
主要有挤压破碎式和气动击打式两种：挤压破碎式的结构相对简单,只有电动工作
部件,但是破壳率比较低；而气动击打式的除了电动工作部件以外还有气动工作部件,在工作中要求气动、电动速度要相对准确[3]。

利用定间隙挤压破壳法设计核桃破壳机械，首先要确定破壳力的大小以及影响破壳力大小的因素。

为此，将对影响核桃破壳力大小的因素进行探究，找出最佳的破壳挤压方向以及最适合破壳的条件，为以后利用间隙挤压破壳法设计机器提供理论基
础。

1 材料与方法
1.1 实验材料
本实验以陕西省商洛市种植面积较大的核桃品种香玲为研究对象。

香玲坚果呈卵圆形，单果质量9.5～15 g，平均单果质量12.2g；壳面光滑美观，商品性好，缝合线紧，不易开裂；壳厚0.9mm，取仁极易[4]。

现随机取同一批次烘干过的核桃150颗，分别用游标卡尺测量核桃的纵径a、横径b，如图1所示[5]。

测量后以核桃的纵径a为标准将核桃分为3类：Ⅰ类(35mm以下)，Ⅱ类(35～40mm)，Ⅲ类(40mm以上)。

其中Ⅱ类占74%。

图1 核桃的基本尺寸
1.2 实验设备
本实验采用PT-1036PC 万能材料实验机。

该仪器主要用于材料的拉伸、压缩、弯曲等测试，并且本实验仪器的测试范围在2 000kg左右，测试精度比较高，满足本实验的要求。

另外，精度为0.02mm的游标卡尺1把。

1.3 试验方法
使用万能材料试验机的平板式压头进行实验，如图2所示。

测试的压力值传送到电脑上被记录下来，然后将所得到的数据导入到origin软件得到破壳力随时间变化的曲线；以核桃的中心为原点，由原点指向横轴方向为X轴，由原点指向缝合线方向为Y轴，由原点指向纵轴方向为Z轴[6]。

图2 万能材料试验机的平板式压头
2 破壳挤压方向对破壳力的影响
取Ⅱ类(35～40mm)核桃30颗分3组，分别沿垂直于X、Y、Z方向以
15mm/min的速度进行挤压直到核桃破裂，得出破壳力随时间变化的曲线如图3所示。

图3 不同方向加载时破壳力F与时间T的关系图
从图3中可以看出，沿垂直于X轴方向挤压时破壳力最小，沿垂直于Z轴方向挤压时破壳力居中，沿垂直于Y轴方向挤压时破壳力最大。

核桃在准静态压缩试验刚开始时，破壳力随着时间的增加而增大，当压缩至某一载荷时，核桃的果壳开始出现裂纹；此时核桃壳的强度降低，图3中的曲线开始下降，这时核桃所承受的载荷称为“破裂载荷”[7]。

当经过这一点之后，破壳力急剧减小。

在对核桃进行不同方向挤压时，裂纹产生的部位和扩展方式也不同：沿垂直于X 轴方向挤压时，裂纹会以核桃的上、下挤压面为中心向四周扩散，使核桃破裂比较充分，为后期的取仁等提供方便；沿垂直于Z轴方向挤压时，由于核桃呈卵圆形使得对核桃的两端进行挤压时受力面比较小，且核桃的两端的壳厚比较厚，在挤压的过程中就会产生崩溃现象，即核桃的某一很小的部分从核桃上分离下来，但是由于核桃壳的大部分还没有破裂而不利于后期的取仁；沿垂直于Y轴方向挤压时，由于核桃的结合缝处的壳最厚，在挤压的过程中破壳力也最大，同时结合缝处的结合力较周围的破壳力比较小，在挤压的过程中核桃会因破壳力的作用而分成两半，也不利于壳仁的分离。

根据沿不同方向的加载实验,计算各个方向的破壳率、整仁率以及破壳力均值。

实验分析结果如表1所示。

表1 沿不同方向加载时核桃的破壳力均值加载方向参数破壳率/%整仁率/%破壳力均值/kg壳仁间隙均值/mm垂直于X轴909024.451.66垂直于Y轴908039.251.24垂直于Z轴809031.361.78
经实际测量可知，核桃壳仁之间的间隙沿垂直于Y方向最小，沿垂直于X轴方向的间隙其次，沿垂直Z轴方向的间隙最大；但是，沿垂直于X轴和Z轴方向的间隙差别不大。

考虑到沿垂直于X轴方向进行挤压时，破壳率和整仁率都比较高，特别是破壳力的均值也比较小，所以选择沿垂直于X轴方向作为挤压方向。

3 加载速率对核桃破壳力的影响
一般农业物料静压缩实验时加载速率的范围为2～100mm/min,本实验选择的加载速率的范围为5～30mm/min。

在这个范围内等分成6个不同的速率,分别为5、10、15、20、25、30mm/min[8]。

在每一种速率下各取Ⅱ类核桃各10粒进行破壳试验，沿垂直于X方向进行挤压直到核桃破裂，得到破壳力和时间的曲线如图4所示。

从图4中可以看出，随着加载速率的增加，核桃的破壳力变化不大，说明加载速率对核桃的破壳力影响不大。

根据不同的加载速率实验,计算核桃的破壳率，整仁率以及破壳力均值。

实验分析结果如表2所示。

图4 不同加载速度对破壳力的影响
表2 不同的加载速率时核桃的破壳率、整仁率以及破壳力的均值加载速率
/mm·min-1 破壳率/%整仁率/%破壳力均值
/kg5809024.9710809025.4815909024.4520908024.9925908023.873090702 3.59
由表2可以看出，虽然加载速率对核桃的破壳力影响不大，在不同的加载速率下核桃的破壳力处在23.59～25.48kg之间；但是从破壳效果分析,在不同的加载速率下,每种加载速率下的10粒核桃的破壳率依次为80%,80%,90%,90%,90%,90%;整仁率依次为90%,90%,90%,80%,80%,70%。

可知,加载速率对于核桃的破壳率和整仁率的影响比较显著：加载速率低时,由于核桃受力的过程比较缓慢，使得破壳率下降,整仁率提高;增加加载速率,核桃破壳率提高,但是由于受力的过程比较短，使得整仁率降低。

综合考虑,应该选择合适的加载速率,故在其他单因素实验中,所选的加载速率均为15mm/min。

4 核桃尺寸对破壳力的影响
分别取Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类核桃各10颗进行试验，沿垂直于X轴方向以
15mm/min的速度进行挤压直至核桃破裂，得出核桃破壳力与时间的关系如图5
所示。

图5 核桃尺寸不同时破壳力F与时间T的关系图
从图5中可以看出，核桃的尺寸对核桃破壳力的影响比较显著，随着核桃尺寸的
增加，破壳的时候所需要的破壳力也就越大，说明核桃的尺寸也是影响核桃破壳力的主要因素。

所以，在设计核桃破壳取仁机的时候，为了得到高的破壳率和整仁率，在对核桃破壳前进行分类是必要的。

5 预处理对破壳力的影响
取Ⅱ类核桃10颗放在沸水中10min，然后将核桃捞出之后立即放入自来水中进行冷却，将冷却好的核桃再进行烘干直到含水量达到未处理前的水平；把经过预处理过的核桃沿垂直于X方向以15mm/min的速度进行挤压，直到核桃破裂，得出破壳力和时间的曲线,并与之前为进行预处理的曲线进行对比，如图6所示。

由图6可以看出，经过预处理之后核桃所需要的破壳力有了明显的下降。

未经过
预处理的核桃破壳力峰值的平均值为24.45kg，经过预处理的核桃破壳力峰值的
平均值为15.64kg。

所以应该在对核桃进行破壳之前对核桃进行预处理环节。

图6 核桃预处理前后破壳力F与时间T的关系图
6 结论
1)通过实验得出破壳挤压方向、核桃尺寸、预处理等因素对核桃破壳力的影响比较显著；加载速率虽然对核桃的破壳力影响不大，但会影响破壳率和整仁率。

2)加载速率对核桃的破壳力影响不大，但是考虑到其对破壳率和整仁率的影响，所选的加载速率为15 mm/min。

3)分别沿垂直于X、 Y、 Z 3个方向对核桃施加载荷时,破壳力的大小为Fy>Fz>Fx，
沿垂直于X向加载时最省力，且破壳率和整仁率也比较高。

4)核桃尺寸对破壳力的影响比较显著，随着核桃尺寸的增加所需要的破壳力也会增加。

5)在对核桃破壳前进行预处理可以较大程度地降低破壳力，所以在核桃破壳前应增加预处理环节。

【相关文献】
[1] 史建新,辛动军.国内外核桃破壳取仁机械的现状及问题探讨[J].新疆农机化，2001(6):29-32.
[2] 史建新,赵海军,辛动军.基于有限元分析的核桃脱壳技术研究[J].农业工程学报，2005(3): 185.
[3] 王冰,裴新民,李忠新,等.我国核桃初加工现状及发展前景的分析研究[J].中国农机化,2010(5):43-45.
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[7] 周祖锷.农业物料学[M].北京:中国农业出版社，1994:5,40-41.
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