核桃剥壳机

第一章绪论1.1引言我国的核桃栽培面积约130万hm2以上,主要种植区域在西南和西北。

在国际市场上,核桃与杏仁、腰果、榛子一起并列为世界4大干果,核桃作为保健食品早已被国外所认识。

我国核桃总产量约31万吨,全国人均占有0. 24kg。

这与国际上一些国家相比相差甚远,如美国人均占有核桃1. 5kg,是我国的6倍。

针对核桃加工存在的问题和市场的需求,确定核桃加工工艺,除脱青皮、分级、清洗、脱水、烘干、去壳、仁壳分离与包装外,还可进一步深加工。

在加工中,存在的问题是核桃脱壳比较困难,主要由人工完成。

人工剥壳难以满足生产发展的要求,故研制高效剥壳机已成当务之急。

核桃也是我国干果类传统出口商品之一, 加工和出口的季节性比较强。

核桃取仁我国历来靠手工, 一人一天平均仅能砸30斤核桃, 取仁约12斤, 以天津口岸年出口核桃仁5000吨计,仅取仁一项需占用劳力80多万个劳动日, 而且, 加工和出口的时间正值三秋和农田基本建设大忙季节, 任务重, 时间紧, 形成与农业争劳力的局面, 所以, 实现核桃取仁机械化, 对解放劳动力, 支援农业生产有重要意义。

核桃出口国家较多, 进口国家比较集中, 国际市场斗争十分激烈, 实现核桃加工机械化, 有利于我们抢时间, 争速度, 支援外贸。

从经济上说, 国际市场核桃仁各质量等级的差价甚大。

机械取仁有希望提高取仁质量,增加外汇, 同时, 大规模集中加工, 便于综合利用。

核桃仁中约占5%的碎末可以集中榨油,大量的核桃壳是做活性炭的好原料。

手工分散加工, 这些碎末和壳都浪费了。

研制核桃取仁机的具体任务是寻找适当的、特别是保证取仁质量的破壳工艺方法,研究实现这一工艺方法所要求的机器。

1.2研究目的及意义为了了使坚果食品增值，近年来各国都在加工制造成品方面想办法。

目前整体核桃仁在国际市场上的价格是带壳核桃的几十倍，且核桃带壳保存容易霉烂。

因此，寻求效率高.质量好的脱壳方法，是发展的必然。

我国核桃资源丰富，1993年全国产量达到21.3万吨，如何有效去壳，对满足人们生活需要和换取外汇都有着重要的意义。

坚果类破壳问题的研究，如联专利破裂松果的仿佛，日本专利破除栗壳的方法，我国对棉核桃壳剥取仁机理的研究，在理论和实践方面都做了有益的探讨，但均未解决好核桃去壳取仁的问题。

在我国，如、的核桃剥壳机，性能不甚好，我国出口的核桃仁全都是手工砸取，劳动生产率低，且菌感染指数高于国际食品卫生法规定的标准，影响了桃仁的品质，降低了换汇率。

在国的市场销售，对人民不利。

第二章核桃的基本性能2.1核桃的分类2.1.1类群形态特征和生态类型具有统一性的品种群称为类群。

我国核桃品种分为核桃类群和铁核桃累群。

通常称前者为北方核桃，后者为南方核桃。

2.1.1.1核桃类群各品种群的核桃外表近似球形。

壳表面沿纵径方向分布着长条沟纹，结合线下半部平，上半部微隆起，约1~2mm2.1.1.2铁核桃类群个品种群的核桃外表近似球形，壳表面分布较深的坑点，结合线宽而隆起约2~3mm 2.1.2品种群核桃壳厚薄，含仁率高低相近似的一些品种称为品种群。

我国核桃品种基本上可划为四个种群，划分标准件表2-1及图2-42.1.2.1品种品种的命各主要是依据坚果大小形状、核桃壳表面特性、产品地等。

表2-1 核桃品种群的划分标准注：1、横隔膜是指分隔开两半仁的十字架式的薄膜。

2、褶壁式指凹凸不平的壁。

从表中可见，纸皮核桃、薄壳核桃和中壳核桃品种群易于用机械剥壳取仁剥壳比较完整。

而厚壳核桃品种群难以剥壳取仁，起原因是横膈膜成故知，褶壁发达，把仁夹嵌在壳里。

人工取仁只能用锥子挑出桃仁，机械只能取碎仁。

因此，根据核桃图2-4 核桃的部结构剥壳难易程度，可将各品种核桃分为两类：（1）绵核桃指核桃壳厚小于2mm，横膈膜退化或成膜质、革质，褶壁退化或不发达，可取得1/4或半仁。

它包括纸皮、薄壳和中壳核桃品种群。

（2）夹核桃指核桃壳厚超过2mm，横膈膜呈骨质，褶壁发达的厚壳核桃品种群。

目前，绵核桃的总量占全部核桃的80%~90%,随着无性繁殖的推广和品种的进一步改良，夹核桃的机械剥壳取仁。

由于绵核桃品种很多，对于本课题不能全部都进行试验研究，只能选取若干种有代表性的绵核桃品种。

本课题先用郧阳地区的核桃作为研究对象。

2.2绵核桃的测定和分析2.2.1三维尺寸用游标卡尺测量出100个绵核桃的三维尺寸，统计处理后得出均值、方差等见表2-2，直方图如图2-6，对三维尺寸进行方差分析见表2-3图2-5 绵核桃的三维尺寸图2-6三维尺寸直方图位置均差均方差变异系数近似球体直径球度纵径32.33 2.64 8.1% 31.86 0.979 横径31.82 2.64 8.3%棱径31.24 2.35 7.5%平方和自由度均方F值临界值方差来源对测量结果进行分析，可得出如下结论：（1）绝大多数绵核桃的三维尺寸都在27~37之间，其数量占总绵核桃量的95%左右。

（2）绵核桃的三维尺寸存在纵径、横径、棱径，但在α=0.001水平下三维尺寸有高度显著变化，可近似简化为球。

（3）绵核桃外形近似为球，近似程度用球度来表示，球度的定义为球度=DE DC式中，DE---是与物体体积相同的球体直径DC---最小外接球体直径。

假定绵核桃的体积等于截距为A、B、C的三维尺寸椭球的体积，外接球的直径是椭球的最大截距A，则球度表达式为：球度=()1/2ABCA= 几何平均直径/最大直径=近似球体直径/最大直径2.2.2绵核桃的厚度对于整个绵核桃，除了结合线上的壳厚度较大以外，其它各个位置的壳厚基本上是一样的。

为了说明问题，对于每个绵核桃，我们测量了四个位置的壳厚，即顶端1、底部2、结合线附近3及最凸处4，随机测量了20个绵核桃，故样本N=20，对测量值进行统计处理，结果见表2-4。

对表面2-4进行方差分析，当显著性水平α=0.10时，不同位置间的壳厚差异不是显著的，因此，可以认为绵核桃的厚度是均匀的。

图2-8棉核桃壳厚容 均值 均方差 变异系数 最小间隙 0．67 0．385 57．5% 最大间隙1．860．54629．6%2.2.3壳、仁的含水率壳碾压成碎粒，仁切成薄片，各称取5克，在105度下烘干至衡重W ，则含水率为5100%5W-⨯，根据这种测定方法，对壳，仁各测定了5次，统计平均值见表2-7 容 均值（%） 均方差（%） 变异系数（%） 壳 10．4 0．98 9．4 仁4．30．424．02.2.4压碎绵核桃仁所需的挤压变形量随机地取出20个绵核桃，砸取出两个完整的半仁，再随机地取出30个半仁，半仁竖直地放置在单轴压力测定仪的上下平台之间，测定仁上出现裂纹所需的挤压变形量，挤压时由于仁中间部位弯距大，因而仁都在中间位置出现裂纹。

手摇转速为1转/秒。

对挤压变形量进行统计处理，结果见表面2-8。

因此，当仁上承受的挤压变形量大于0.7~1时，仁将破碎。

表2-8 仁破裂时的挤压变形量2.3绵核桃机械特性的测定和分析2.3.1静刚度为了测定绵核桃的静刚度，只需测出绵核桃在一定压力下的变形即可，为此，我们用单轴压力测定仪。

上平台与钢环连接成一体，当摇动手柄使下平台上升挤压绵核桃时，钢环受到压缩，压缩量由千分表读出，换算成相应的压力P ，绵核桃壳的压缩变形量φ决定于摇动圈数N ，而φ与N 的关系为φ=0.2N-C ，在挤压破裂之前，压力和压缩变形基本上保持线性关系，即P K φ=，K 称为压缩刚度，相同的K ，意味着力学性质基本相同。

为了说明问题，挤压方向选取四个水平，即横径、纵径、棱径和任意方向，静刚度K 的方差、均值和变异系数见表，当显著性水平α=0.10时，不同位置间的静刚度差异不是显著的，因此，可以认为绵核桃壳的静刚度是均匀的，静刚度为23.47第三章绵核桃剥壳的力学分析前面对绵核桃的物理机械特性进行了测定和分析，认为绵核桃可简化为各向同性的均匀的薄球壳，为了找到绵核桃剥壳取仁最合理的挤压方式、集中力的对数、挤压速度及挤压块结构参数等。

需分析绵核桃受力时的力和位移规律。

3.1均匀薄球壳在一对法向集中力作用下的力图3-1表示一对法向集中力P作用在均匀薄球壳上，球壳的每一个微小截面上都存在着两类力，即薄膜力Nϕ，Nθ，弯曲力矩Mϕ，Mθ及横向剪力Qϕ。

它们的正方向示于图3-2中。

图3-1 一对法向力集中作用在球壳上图3-2 两类力示意图当均匀薄球壳受到一对法向集中力作用时，在远离集中力作用点的区域中主存在的是薄膜力，弯曲力矩很小，可不加考虑。

但在集中力作用点附近区域弯曲力矩很大，不能忽略。

因此，整个球壳分两个区域计算力，对于远离集中力作用点的区域采用无矩理论计算薄膜力N ϕ，N θ。

在集中力作用点附近区域采用弯矩理论计算力N ϕ，N θ，M ϕ，M θ，Q ϕ。

3.1.1远离集中力作用点区域的薄膜力取出球心角为φ的圆截面及顶部。

在圆截面上的力N ϕ可由静力平衡关系得。

在圆截面上的力总和为2202N Sin rSin d rN Sin πϕϕϕϕθπϕ-••=-⎰应等于外力P ，即 22p rSin N ϕπϕ=-•所以22pN rSin ϕπϕ=-(3-1)根据无矩理论可得,0N N N ϕθϕθ=-=因此22pN rSin θπϕ=(3-2)任意过上，下极点的圆截面上的薄膜力N ϕ与球心角φ的关系曲线。

当 φ= 2π时，即最大圆截面 上的2p N N rθϕπ=-=。

当φ=0时，即集中力作用处的N ϕ，N θ均趋于无穷大，这与实际是不相符的，这是因为没有考虑弯矩作用的缘故，这也说明了无矩理论在集中力处是不适用的。

3.1.2集中力作用点附近区域的力根据弯矩理论的基本方程可推出22112pl u N Ker r l ϕξξπξξ⎛⎫'=-•-+ ⎪⎝⎭(3-3)2221112pl u N Kei Ker Ker Kei rl θξξξξπξξξ⎡⎤⎛⎫''=+++-⎢⎥ ⎪⎝⎭⎣⎦(3-4)()112pM Ker u Kei ϕξξπξ⎡⎤'=---⎢⎥⎣⎦(3-5) ()112pM uKer u Kei θξξπξ⎡⎤'=-+-⎢⎥⎣⎦(3-6)22u Q Ker Kei l ϕξξ⎫''=-⎪⎭(3-7) 式中Ker ξ'，Ker ξ，Kei ξ'，Kei ξ都是零阶汤姆生函数，无为复杂的无穷级数展开式。

这些函数的展开式及其导数的递推关系：ξ=2l =式中μ，h 分别为壳的柏松比和厚度因为绵核桃壳是脆性材料，几乎没有塑性变形，μ值接近于零，故可认为μ=0，于是式（2-3）~（2-7）可简化为2211pl N Ker r ϕξπξξ⎛⎫'=-•+ ⎪⎝⎭ （3-10）2211pl N Kei Ker rθξξπξξ⎡⎤'=++⎢⎥⎣⎦ （3-11）12pM Ker Kei ϕξξπξ⎡⎤'=--⎢⎥⎣⎦（3-12） 12p M Kei θξπξ'=-（3-13）Q Ker ϕξ'=（3-14）2ρ=（3-15）因此，当均匀薄壳的r,h 给定时，在集中力附近区域任一角的圆截面上的力就可以算出。