基于核桃特性分析的核桃破壳装置设计

基于核桃特性分析的核桃破壳装置设计
侯朝雷;相海;王俊海;杨潇;刘增革;于洋;陈东坡;韩博
【摘要】针对核桃加工过程中存在的人工破壳效率低、成本高等问题,分析了核桃的物理特性,探究了核桃挤压破壳的影响因素,得到核桃的最大破壳应力为580 N.在此基础上,设计了一种气动式核桃破壳机,并利用复动式气缸的特点实现了高效破壳.设计了核桃破壳机的总体结构和关键部件,并开展了验证试验,结果表明,在破壳气缸单个行程耗时2 s条件下,核桃高露仁率和一次破壳率分别为91.5％和90.7％,处理量为108 kg/h.此设备可为核桃破壳的规模化发展提供借鉴和参考.
【期刊名称】《农业工程》
【年(卷),期】2019(009)002
【总页数】6页(P45-50)
【关键词】核桃;特性;破壳机;结构设计
【作者】侯朝雷;相海;王俊海;杨潇;刘增革;于洋;陈东坡;韩博
【作者单位】中国农业机械化科学研究院,北京100083;中国农业机械化科学研究院,北京100083;中国农业机械化科学研究院,北京100083;中粮营养健康研究院有限公司,北京102209;中国农业机械化科学研究院,北京100083;北京飞机强度研究所有限公司,北京100083;北京玖瑞科技有限公司,北京100103;北京天顺长城液压科技有限公司,北京100083
【正文语种】中文
【中图分类】S226.4
0 引言
核桃破壳取仁设备一直是核桃产业规模化发展的制约因素。

近年来，国内外学者围绕核桃破壳开展了一些研究，如乔园园等[1]研究了核桃内部结构和不同破壳方式
对壳仁分离效果的影响，分析对比了不同品种核桃适宜的破壳方式；丁冉等[2]模
仿人工敲击破壳的方式，发明了一种针对山核桃的仿生敲击式核桃破壳机；李明政等[3]考虑到刚性破壳元件对核桃仁损伤率高且适应性差等特点，另辟蹊径设计了
一种柔性带剪切挤压核桃破壳机；SUN Y K[4]设计了一种单辊挤压式破壳机，利
用摩擦板和转动辊的转动挤压完成破壳。

虽然目前已有许多相关的文献资料，但我国市场上一直未出现真正成熟的核桃破壳设备，市场上的核桃仁仍主要采用人工砸取和手工挑选的方法取得，生产效率低下，无法满足核桃产业快速增长的需求[5]。

美国的核桃加工业发达，目前已发展出较成熟的大型核桃破壳加工生产线，其中MDI公司发明的气动式破壳机应用最广，但它只适用于外形规则呈长椭圆形的美
洲山核桃，不适合我国的核桃品种[6-8]。

因此，对核桃破壳装置进行研究设计，
开发出破壳效果良好的设备，对于破解核桃精深加工难题，提高核桃的营养价值和经济价值具有重要意义，具有很好的应用前景。

基于上述研究，通过对核桃物料特性进行分析，设计了一种全新的气动式破壳装置，并以高露仁率和一次破壳率为考核指标进行了试验验证，以期为实际生产和未来核桃破壳的规模化发展提供借鉴和参考。

1 核桃物料特性试验
1.1核桃物理特性
1.1.1几何尺寸
核桃的几何尺寸可以用横径、纵径和棱径表示[9]。

如图1所示为核桃尺寸示意图，横径指核桃沿短轴方向上的最大尺寸，纵径指核桃沿长轴方向上的最大尺寸，棱径
指核桃沿缝合线棱轴方向上的最大尺寸。

考虑到破壳机设计与核桃的最大直径(即纵径)有关，因此应重点关注核桃纵径的离散程度。

图1 核桃尺寸示意Fig.1 Schematic diagram of walnut size
选用从河北绿蕾农林科技有限公司购买的河北本地薄皮核桃为研究对象，随机选取50个，用游标卡尺测量其三维尺寸，进行数理统计分析，分别计算其平均值、标准差和变异系数。

经计算，76%的核桃纵径处于其平均值左右1倍标准差范围之内，94%核桃纵径处于其平均值左右2倍标准差范围(32.3～39.9 mm)内。

且横径、纵径和棱径3者的变异系数接近，说明3者的相对变异程度相差很小。

1.1.2核桃壳厚度
核桃壳越厚，完成破壳所需的力越大，不同部位壳厚度的差异程度与破壳机的设计密切相关。

因此需要对不同部位核桃壳厚进行测量，并进行方差分析，验证不同部位壳厚度的差异性。

将测量完尺寸的核桃进行手工破壳，用游标卡尺分别测量核桃的顶端、底端、缝合线处和最凸出处4个部位的壳厚度，如图2所示，并进行方差分析[10]。

核桃壳厚度方差分析结果如表1所示。

图2 核桃壳厚度位置示意Fig.2 Schematic diagram of thickness position of walnut shell表1 核桃壳厚度方差分析Tab.1 Variance analysis of walnut shell thickness
变异来源平方和自由度均方F值组间3.451 4431.150 4833.04∗∗组内4.038 7471160.034 817总变异7.490 187119
注：F值右上方标记“**”表示F检验差异极显著。

根据方差分析表可知，在α=0.01水平下，F=33.04>F0.99(3，116)[11]。

说明核桃不同部位的壳厚差异极显著，说明核桃不同部位破裂所需的最大应力明显不同。

因此，核桃破壳必须考虑外力加载方向的影响，研究不同加载方向条件下的破壳效果差异。

1.2核桃破壳效果影响因素试验
试验仪器使用深圳三思纵横科技股份有限公司生产的UTM4304型电子万能试验机，该仪器可通过微机控制，记录核桃破壳过程中位移、速度和力的变化数据。

试验材料为河北绿蕾农林科技有限公司提供的河北本地生产的薄皮核桃。

1.2.1外力加载方向对破壳效果的影响
根据核桃壳厚度测量结果，核桃不同部位的壳厚度有显著差异，因此需要研究不同的外力加载方向对核桃破壳效果的影响。

对应于核桃的4个部位，分别研究纵向正立、纵向倒立、横向和棱向4个加载方向的影响，加载方向如图3所示。

图3 加载方向Fig.3 Loading direction
试验以高露仁率为指标评价破壳效果[12]。

高露仁率是指破壳后大于等于1/4仁的质量占测定核桃仁总质量的百分比，其计算公式如式(1)所示。

(1)
式中 Y1——核桃高露仁率(以质量分数计)， %
m1——大于等于14仁的质量，g
m2——测定核桃仁总质量，g
试验模具使用万能试验机自带的平头式模具，每个加载方向各选取50个核桃进行试验，计算各次试验的高露仁率平均数。

计算结果显示，纵向正立、纵向倒立、横向和棱向的加载方向得到的高露仁率分别为76.5%、74.4%、56.5%和67.8%。

因此，纵向正立和纵向倒立的加载方向得到的破壳效果较好。

1.2.2模具形状对破壳效果的影响
查阅文献发现核桃的受力情况与模具形状密切相关，不同模具挤压下核桃壳裂纹分
布情况不同[13-14]。

因此在充分考虑单点受力和多点受力的情况下，试验依据核桃尺寸设计了平头式、凹槽式、四点式和八点式4对不同形状的模具进行试验分析，模具形状如图4所示。

图4 破壳模具形状Fig.4 Fixture shape
根据加载方向试验结果，选用纵向正立的加载方向，每对模具各选取50个核桃进行试验，计算各次试验的高露仁率平均数。

计算结果显示，使用平头式、凹槽式、四点式和八点式的模具形状得到的高露仁率分别为76.3%、81.2%、90.5%和87.7%。

因此，使用四点式模具得到的破壳效果最好，八点式次之，平头式效果最差。

1.3核桃的最大破壳应力
核桃的破壳应力是指使核桃壳破裂所需施加的力的大小，破壳应力大小关系到核桃破壳机的动力选择，最合理的动力选择应该既能满足核桃破壳对力的需求又能最大限度降低成本。

因此，需要对核桃的最大破壳应力进行研究。

如图5是核桃破壳应力与位移关系曲线图，每条曲线表示单个核桃的应力变化。

由图5可以看出，核桃破壳应力都遵循着同样的规律，即随着位移的增加，破壳应力逐渐变大，当达到某一临界点后，破壳应力在很短的位移时间里迅速减小，而后随着位移的增加，破壳应力又缓慢上升，最终达到一定水平后保持小幅震荡。

通过多次试验比较所有试验次数中出现的最大应力，最终得到核桃的最大破壳应力为580 N。

图5 核桃破壳应力与位移关系曲线Fig.5 Curve of relationship between stress and displacement
2 核桃破壳机设计
2.1总体结构和工作原理
2.1.1总体结构
核桃破壳机主要由机架、底板、进料机构、破壳机构、气动系统和电气控制系统等组成，其中底板固定在机架上，进料机构和破壳机构固定在底板上，气动系统提供破壳动力，电气控制系统控制气动系统的运动。

核桃破壳机的总体结构如图6所示。

设计的破壳机主要用于验证该设备结构的稳定性、可靠性以及破壳效果。

该机动力由气缸提供，其中运料气缸选用亚德客S E80×80S型气缸，破壳气缸选用亚德客SE100×80S型气缸。

1.机架
2.运料气缸
3.料仓
4.运料板
5.振动电机
6.限位块一
7.导轨
8.破壳气缸
9.静模固定板 10.限位块二 11.动模12.动模固定板 13.减震器一 14.减震器二 15.进气孔 16.滑块图6 核桃破壳机总体结构Fig.6 Structure of walnut shell-cracking device
2.1.2工作原理
在研究核桃特性的基础上，受美国MDI公司研发的气动式破壳机的启发，设计了一种新型气动式破壳机。

与美国气动式破壳机不同的是，研究的核桃破壳机使用复动式气缸，在气缸活塞杆伸长和收缩过程中各完成一次挤压破壳，两次破壳挤压过程方向相反，交替进行。

与之对应，进料和卸料过程也分两组交替循环进行，因此可显著提高破壳效率。

2.1.3工作过程
进料过程：料仓中的核桃首先落入料仓安装板的4个轴套中，每个轴套内各有1颗核桃，运料气缸推动运料板运动，当运料板上一组料槽与安装板轴套对齐时，核桃落入料槽中，随后，运料板带动核桃移动至底板进料口，核桃落入破壳机构，与此同时，另4颗核桃落入运料板的另4个轴套中，此时运料板开始反向移动，带动核桃移至底板另一组进料口，如此往复循环进料。

破壳过程：与进料的往复循环动作相对应，核桃自进料口落入静模固定板内部，动
模和静模之间，动模在气缸推动下挤压核桃完成破壳，此时，第2组核桃自另一组进料口落入另一组静模固定板，动模开始反向运动挤压第2组核桃，如此往复循环破壳。

卸料过程：当动模挤压第2组核桃时，由于动模移动出料口打开，压缩空气从静模尾端进气口吹出，破裂的核桃从出料口落下，完成卸料。

2.2主要部件设计
2.2.1进料机构
进料机构从上到下依次由料仓、振动电机、料仓安装板、运料板和底板组成。

振动电机安装在料仓外侧，目的是防止搭料，料仓通过安装板和橡胶减震器安装在机架上，运料板可以在气缸带动下沿导轨往复运动。

为提高设备稳定性和安全性，设备设计有机械限位装置和橡胶减震装置。

根据核桃尺寸的测量结果，约94%的核桃纵径尺寸处于32～40 mm，据此，设计的进料孔道直径为42 mm。

由于少部分核桃尺寸不在此范围内，因此在进行破壳之前需要先进行核桃分级。

进料机构如图7所示。

2.2.2破壳机构
破壳机构是破壳机的核心机构，主要包括动模具、静模具以及模具固定板等。

破壳机构如图8所示。

根据核桃力学试验的研究结果，设备采用四点式模具。

静模具尾端设计有进气口，用于实现核桃卸料。

静模固定板内部进料孔道与竖直方向呈30°角，有利于核桃在下落过程中调整姿态，使之最终呈平躺状，实现纵向挤压破壳。

2.2.3气动系统
气动系统主要包括运料气缸、破壳气缸以及通气管道等。

根据前文测得的单个核桃的最大破壳应力为580 N，破壳气缸的选型应该满足输出力大于核桃最大破壳应力，此外还需要考虑摩擦阻力等影响因素。

图7 进料机构Fig.7 Feeding mechanism
1.静模具
2.静模固定板
3.出料口
4.动模具
5.进料孔
6.进气口图8 破壳机构Fig.8 Shell-cracking mechanism
设计的核桃破壳机运料气缸选用亚德客SE80×80S型气缸，在0.6 MPa气源压力下输出力可达3 000 N，破壳气缸选用亚德客SE100×80S型气缸，在0.6 MPa
气源压力下输出力可达4 500 N，完全满足设计要求。

2.2.4电控系统
电控系统是核桃破壳机的关键，由电源和各类电磁开关等元件组成，同时控制着喂料(进料)、砸料(破壳)和吹气(卸料)3个过程，3个过程必须密切协调才能使设备正常工作。

将3个过程整合到一个电控系统中，只需一人操作，即可使设备正常运行。

3 核桃破壳试验
3.1试验材料
试验选用河北绿蕾农林科技有限公司提供的河北本地生产的薄皮核桃为试验材料，核桃仁含水率为6.27%。

3.2试验仪器与设备
试验仪器与设备有自制核桃破壳机和电子天平(赛多利斯科学仪器北京有限公司)等。

3.3评价指标
核桃破壳机破壳效果的评价指标主要有高露仁率和一次破壳率[12]。

在核桃特性的测定试验中，使用仪器测定核桃的各项物理参数，所试验核桃均需完成一次破壳，故无需考虑一次破壳率。

一次破壳率是指完成一次破壳的核桃质量占核桃总质量的百分比，其计算公式如式(2)所示。

式中 Y2——核桃一次破壳率(以质量分数计)，%
m3——完成一次破壳的核桃质量，g
m4——测定核桃的总质量，g
3.4试验与结果
在设备调试过程中发现，除了模具形状和外力加载方向之外，设计的核桃破壳机的破壳效果还与模具击打核桃的速度有关，为方便操作，试验使用破壳气缸单个行程所耗时间代替模具击打核桃的速度。

经测试，核桃破壳机气缸单个行程所耗时间为2 s以及更长时间时具有良好的工作稳定性。

因此，分别将气缸行程时间调节为2、3和4 s进行试验，每组试验重复3次取平均值，试验计算结果如表2所示。

由表2可知，在破壳气缸单个行程耗时2 s条件下，核桃高露仁率和一次破壳率分别为91.5%和90.7%，可处理核桃108 kgh。

试验过程中设备运行良好、性能稳定，可满足实际生产需要。

表2 核桃破壳试验结果Tab.2 Test results of walnut shell-cracking气缸单个行程耗时∕s高露仁率∕%一次破壳率∕%291.590.7388.386.0485.682.0
4 结论
对核桃物料特性的研究发现，核桃不同部位的壳厚有显著差异，采用纵向的外力加载方向和四点式模具可以提高核桃破壳高露仁率，核桃的最大破壳应力为580 N。

基于对核桃特性的分析，设计了一种气动式核桃破壳机，该机结构简单、操作方便、性能稳定可靠，并且使用复动式气缸显著提高了破壳效率。

核桃破壳试验表明，在破壳气缸单个行程耗时2 s条件下，核桃高露仁率和一次破壳率分别为89.7%和87.3%，可处理核桃108 kgh，可满足实际生产需要。

设备的研制可为未来核桃破壳的规模化发展提供借鉴和参考。

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