对国内外巴旦木破壳机具的分析

刘延彬，吐鲁洪…吐尔迪，杨会民，王学农

（1.新疆农业大学机电工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆农业科学院农业机械化研究所/农业部林果棉与设施农业设备科学观测试验站）

0 前言

巴旦木且具有很高营养及药用价值，其主要分布在美国、地中海和我国新疆地区。巴旦木种植在新疆已有1 300多年的历史。传统的巴旦木破壳以人工方式为主，破壳效率低。巴旦木破壳装置是一种利用机械代替人工，将巴旦木破壳的装置，该项技术可减轻劳动强度，缓解繁忙季节的用工压力，提高工作效率，能够大大提高巴旦木的破壳效率[1]。

1 技术概况说明

国内外坚果的破壳机械方法从狭义上分类，主要分为撞击法、挤压法、碾搓法、撕搓法、剪切法等，但以上5种单独原理装置不能破巴旦木。

巴旦木与杏核相比较，硬度低、韧性强，因此破壳难度大，通过挤压原理无法实现巴旦木破壳。国内近十年由新疆农业科学院农业机械化研究所、新疆林业科学院经济林研究所和塔里木大学机械电气化工程学院开始进行巴旦木破壳机具的研制，研制出了利用揉搓和剪切原理、摩擦和挤压原理等多种原理组合的多功能巴旦木破壳机。而国外，美国除重视高新生物技术在巴旦木栽培、品种改良、开发以外，十分重视巴旦木的机械化生产与加工环节，已形成了巴旦木加工工艺为破壳—壳仁分离—分级—成品的先进完备的生产工艺[1]。

2 数据来源

本文数据统计以专利公开日为准，使用大为软件公司的PatentEX专利信息创新平台，检索下载了中国专利局、欧洲专利局世界专利数据库和美国专利商标局的专利数据，共检索出484件专利。专利数据包含了世界上6个主要国家的公开专利数据，2007年至今的所有中国专利，1983年至今的所有美国专利。

对这484件专利进行研究，对巴旦木破壳没有关系的专利去除，相关的核心专利仅剩36件。主要由美国、中国、德国、西班牙、法国、英国和希腊等国公布，其中美国的公布件数为14件，占总公布量的39%，居世界第一；公布量第二大国是中国，占总公布量的33%。

3 国外巴旦木破壳装置发展历程

通过专利分析，第一台巴旦木破壳装置运用了撞击法。1926年LOUIS K.VAUGHAN设计了一个外表面上具有摩擦机构的往复滚筒，利用摩擦以及挤压力使巴旦木破壳的破壳机更适用于生产（图1），此机构具有筛选机构，壳仁自动分离，机构简单、成本低、效率高，适用于不同尺寸的巴旦木。

图1 巴旦木破壳机

30、40和80年代都没有专利的公布，直到21世纪之前其它年份专利公布数量均匀，且多个国家都有专利的公布。破壳装置都利用2～3种原理相结合的破壳方法，运用最多的是对辊装置。工作时，首先根据待破壳巴旦木的尺寸，调节对辊之间的水平距离及挤压辊与凹板之间的间隙。两个挤压辊的旋转方向相反，进料箱内的巴旦木在2个相对旋转辊子的挤压、剪切力作用下实现巴旦木壳破裂，达到巴旦木破壳目的。

图2 破壳装置

步入21世纪后，巴旦木破壳装置专利公布数量高于之前任何时期，美国专利公布数量居世界第二。破壳装置由简单的对辊装置演变成挤压辊与皮带相结合（图2）、破壳辊中设定位凹坑与刀架等的破壳装置，提高了破壳效率、装置的安全性及使用的方便性，降低了果仁的破碎率。破壳装置演变成多次破壳、壳仁分离一体和适用于多种坚果破壳的破壳装置。

4 国内巴旦木破壳装置工作原理

对各个专利申请国的公布量变化分析，21世纪之前巴旦木破壳装置的专利公布主要集中在美国，21世纪后，巴旦木破壳装置的公布重心偏移，中国成为专利件数公布最多的国家，其中新疆农业科学院农业机械化研究所专利数量为5件，数量不多，这与巴旦木大面积种植的历史短有关，本文对以上5件专利的工作原理进行分析。

图3 巴旦木破壳机

2007年研制了一种巴旦木破壳机。结构如图3所示。作业时将巴旦木放入进料斗中，破壳辊和输送带运转由电动机带动，破壳辊转动时巴旦木分别各填入定位凹坑内，随着破壳辊的转动和挤压，伸入到凹槽内锋利的月牙形刀刃的破壳刀将果壳切出一条裂缝并被挤裂，破壳刀刀刃与环形凹槽之间产生挤压力把壳挤出落到输送带上，即可取出果仁。本实用新型结构简单，易于制造，用机械代替人工制取巴旦木仁，能够有效地对巴旦木进行机械破壳，破壳速度快，工作效率高，降低了工人的劳动强度，使用方便，易于推广[2]。

2009年研制了一种新式核桃、巴旦木破壳机。结构如图4所示。作业时减速器的动力由电动机通过带轮传递，然后经轴带动主动破壳壳体，主动破壳壳体上方通过轴与减速器连接，下方通过轴承与间隙调节装置连接，间隙调节装置由调距手柄、蜗轮蜗杆、刻度尺组成，两壳体之间最佳的破壳间隙也是通过调距手柄来调节。工作时，主动破壳壳体做旋转运动，由减速器通过轴带动，两壳体间的巴旦木因为主动破壳壳体配重的惯性会受到摩擦力和挤压力，最终巴旦木外壳破裂并壳仁分离。此机构的优点是果仁破碎率低，破壳时果壳不会四处飞溅，该机使用安全、可靠、方便[3]。

图4 一种新型核桃、巴旦木破壳机

图5 多功能巴旦木破壳机

2010年研制了一种多功能巴旦木破壳机。结构如图5所示。作业时喂料辊、输送带、齿形辊和托辊运转由电动机带动，喂料辊将放入入料斗的巴旦木均匀地输送到输送带上，巴旦木通过输送带输送到浮动剪切板装置中，剪切板会根据巴旦木的大小来进行剪切破壳，然后巴旦木被输送带输送到齿形辊破壳装置中破壳，可使巴旦木壳仁分离。此装置结构简单，制造方便，破壳速度快，效率高，人工破壳被机械破壳代替，此装置能够对巴旦木高效率进行机械破壳，人工劳动强度降低，方便使用，推广容易[4]。

2016年研制了一种高效多功能巴旦木破壳机。结构如图6所示。作业时巴旦木进入破壳主动辊与破壳从动辊之间的间隙中，两辊的速度不一样，有速度差，会对巴旦木产生揉搓作用，使巴旦木外壳破裂从而完成破壳。然后壳仁通过振动筛分离装置进行分离，未破壳的巴旦木进入下一个破壳装置再进行破壳。通过三组破壳装置把巴旦木破壳并进行壳仁分离。此装置破壳速度快，功效率高，果仁破碎率低，破壳率高，结构简单，制造方便，还解决了破壳辊间隙不均匀，坚果破壳间隙调整不方便的问题[5]。

图6 一种高效多功能巴旦木破壳机

图7 组合式巴旦木破壳机和壳仁分离机

2017年研制了一种组合式巴旦木破壳机和壳仁分离机，结构如图7所示。作业时巴旦木通过提升机构输送到振动送料器，振动均匀的送入一级破壳器中进行破壳，破壳后的巴旦木落到输送带后通过输送带输送到二级破壳器中，对未分离的巴旦木揉搓，使壳仁进一步分离。分离后的壳、仁通过输送带送入负压风机进风管，负压风机因壳轻、仁重把壳抽吸排出，未排出的壳、仁混合物经过进风管下端落至振动分级机上，壳仁继续分离，仁通过振动分级机下端果仁出料口落下，无法分离的果壳通过振动分级机出料端送入垂直提升机，其出料管与振动送料器相衔接，巴旦木壳、仁反复循环进行破壳、分离。此装置结构简单，破壳和分离效果理想，降低了人工劳动力，破壳效率高[6]。

5 总结

通过以上分析，可以看出，全球巴旦木破壳装置的专利公开量并不多，且专利的公开从19世纪90年代初开始。美国巴旦木破壳机具经过数十年的发展已日趋成熟，目前，正朝着机电一体化方向发展。我国巴旦木破壳机具发展缓慢，远远落后于美国。但近几年巴旦木在新疆的种植面积扩大，市场需求量增大，增加了巴旦木机械化破壳的需求，巴旦木破壳技术及装置在中国得到迅速发展，从原先人工破壳方式到现在部分机械破壳，巴旦木破壳装置的结构在不断变化，技术在不断成熟。

目前巴旦木破壳机具存在破壳率低、损失率高、核仁完整性差、通用性差、作业性能不稳定及作业成本高的问题，存在农机与农艺尚未有效结合的问题，还存在技术创新能力低的问题[7～8]。为解决以上问题，需坚持自主创新，提高破壳率，降低破损率，提高机具通用性，降低制造成本[9]，增强农机与农艺的有效结合，加大科研投资，引荐人才，不断在技术方面进行突破，更需在前期基本物理特性、力学特性入手，为巴旦木破壳机械设计提供重要的理论依据[10]。

[1] 吐鲁洪…吐尔迪，刘小龙，刘旋峰，杨会民，郭磊.新疆巴旦木加工机械现状及解决的技术问题[J].农机化研究，2015，37（1）：254～257.

[2] 吐鲁洪，刘向东，马月虹，阿依木妮沙.巴旦姆破壳机[P].新疆：CN201094265，2008-08-06.

[3] 杨莉玲，马俊贵，杨军，李忠新，刘奎，刘佳，沈晓贺，杨忠强.一种新式核桃、巴旦木破壳机[P].新疆：CN201509581U,2010-06-23.

[4] 吐鲁洪…吐尔迪，阿依木妮莎…拜克热，任红松.多功能巴旦木破壳机[P].新疆：CN201709362U,2011-01-19.

[5] 吐鲁洪…吐尔迪，杨会明，乔园园，阿依木妮莎…拜克热，刘向东，牛长河，王学农.一种高效多功能巴旦木破壳机[P].新疆：CN205431977U，2016-08-10.

[6] 吐鲁洪…吐尔迪，王学农，杨会民，阿依木妮莎…拜克热.一种组合式巴旦木破壳和壳仁分离机[P].新疆：CN106723119A，2017-05-31.

[7] 张林泉，龚丽.剥壳机具的现状及效果改进方法的探讨[J].食品与机械，2006（4）：72～74.

[8] 王涛，李粤，符志宏，张喜瑞，梁栋，马庆芬.果壳分离机械研究发展状况综述[J].中国农机化，2012（5）：27～29.

[9] 袁巧霞.我国坚果脱壳机现状及亟待解决的技术问题[J].农机化研究，2001（3）：9～10+27.

[10] 袁越锦，徐英英，党新安，李瑞虎，张盛海，刘俊生.板栗脱壳技术与破壳机理研究现状及发展趋势[J].食品工业科技，2008（10）：301～305.