基于划口预处理的不同品种核桃破壳分析研究

张恩铭，郑 霞，丑维新 ，张宏文，李红斌

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000；2.农业部西北农业装备重点试验室，新疆 石河子 832000；3.新疆科神农业装备科技开发股份有限公司，新疆 石河子 832000 )

0 引言

核桃是营养价值很高的滋补品，具有润肺补脑、养血补气的功效[1]。我国的核桃种植数量和种植面积居世界首位[2]，新疆核桃产量排全国第2位，仅次于云南[3]，并且具有果仁口感好、含油率高、品质优等特点。

破壳取仁加工是核桃深加工关键的加工环节。人工破壳虽然可以保证核桃的破壳率和高露仁率，但人工成本高、生产率低，不能满足市场的需求。目前，核桃破壳设备在提高生产率方面有了较大提升，但核仁损伤问题仍然是核桃破壳过程中的瓶颈。为了有效保证核桃在破壳过程中的高破壳率和高露仁率，研究核桃破壳前的预处理方法具有十分重大的意义。

近些年，研究发现划口预处理有利于坚果的破壳。陕西科技大学郑甲红[4]等人研究发现，对核桃锯口可减小核桃的破壳力。中国农业大学的肖红伟[5]等人研究一种板栗划口机可提高板栗的爆壳率，但对划口处理的理论分析研究报道较少。本文采用ANSYS有限元分析软件，以大量简化设计和试验过程，分析对比划口处理对新疆两种不同核桃品种的破壳特性的影响，再通过静态压力试验和划口预处理对破壳影响的正交试验进一步研究划口预处理对新丰和新早丰核桃破壳特性的影响。

1 有限元受力分析

1.1 三维建模的设备

采用便携式3D扫描仪，精度0.05mm，可以快速地完成准确、高分辨率的3D扫描。

1.2 建立核桃三维模型

1.2.1 试验材料

新丰核桃和新早丰核桃是目前新疆核桃种植面积最广泛的两种壳较厚的核桃品种。新丰核桃的果形是短卵形，缝合线结合很紧密且凸起十分明显，核仁十分饱满却不易破壳取仁。新早丰的果形是椭圆形，缝合线虽然平但结合十分紧密，核仁饱满，同样不易破壳取仁[6-7]，如图1所示。

图1 新丰核桃和新早丰核桃

1.2.2 利用3D扫描仪建立三维模型

国内的史建新[8]、闫茹[9]等人和国外的Guner[10]、Mohsenin[11]等人通过构建有限元模型对未处理核桃的破壳过程进行了分析研究。

随机选取新丰核桃和新早丰核桃各100个，从中各选出1个接近平均尺寸大小的核桃，用便携式3D扫描仪对选出的核桃进行扫描，再对核桃扫描数据进行补洞处理，然后对扫描的核桃网格进行平面优化和平滑等精处理的操作，最后在SolidWorks中生成三维模型。通过测量，求出新早丰核桃的壳厚平均值为1.31mm，新丰核桃的壳厚为1.47mm。在此，将新早丰核桃模型的壳厚设为1.31mm，将新丰核桃模型的壳厚设为1.47mm。

1.2.3 设定三维坐标系

为了让读者更好地理解本文，以核桃中心为原点建立坐标系，以核桃长轴为Z轴，以核桃垂直缝合线的短轴为X轴，以原点指向沿缝合线的短轴为Y轴，如图2所示。

图2 核桃坐标系图

新丰核桃的缝合线在Z轴方向凸起十分明显，不宜在Z轴方向划口和加载力；新早丰核桃是长椭圆体，也不宜在Z轴方向划口和加载力。所以，不对这两种核桃进行Z轴方向划口和加载力的研究。在SolidWorks软件中把建好的三维模型分别在核桃壳表面进行平行X轴方向划口和平行Y轴方向划口，建立两种不同划口方向的三维模型。将在核桃壳表面进行平行X轴方向的划口定义为划肚，将在核桃壳表面进行平行Y轴方向的划口定义为划棱。

1.3 建立有限元受力模型

1.3.1 设立有限元物理特性参数

将建好的三维模型分别导入到ANSYS Workbench模块进行静力学分析。对于核桃壳类比木材，把核桃壳的泊松比设定为0.3，核桃壳的密度设定为470kg/m3，核桃壳的弹性模量设定为10MPa[8-9,12-13]。

1.3.2 网格划分

有限元分析的关键一步是划分网格，对分析结果影响很大[14]。对核桃壳体进行自由网格划分之后，生成有限元模型。新丰核桃的节点数为6 545，单元数为3 510；新早丰核桃的节点数为6 101，单元数为3 114。

1.3.3 施加载荷及约束

在核桃Z轴方向两端各指定一个约束，限制核桃沿Z轴方向发生位移，先后在核桃X轴方向和Y轴方向分别施加一对挤压力进行对比分析。为了更好地对新早丰核桃和新丰核桃的有限元分析结果进行对比，挤压加载力统一设为300N。

1.4 有限元静力学分析

将核桃三维模型导入到ANSYS Workbench模块进行静力学分析，得到核桃的应变云分析图、应力云分析图和总变形云分析图。

1.4.1 对新丰核桃有限元模型静力学分析

首先将新丰核桃三维模型导入到ANSYS Workbench模块进行静力学分析，得到新丰核桃的应变云分析图、应力云分析图和总变形云分析图。以下有限元分析的图表中，第1列为应变云分析图，第2列为应力云分析图，第3列为总变形云分析图，如图3所示。

图3 新丰云分析图

由图3(a)可以看出：当沿X轴方向对未处理的新丰核桃加载力时，核桃模型在加载力的位置出现最大应力、应变和形变，应力、应变和形变以加载点为中心向四周逐渐扩散并且减小。也就是说，核桃会最先从加载点开裂，然后以加载点为中心向外，开裂面积逐渐增大。

由图3(b)中可以看出：当沿Y轴方向对未处理的新丰核桃加载力时，在加载力的位置出现最大应力、应变和形变，应力、应变和形变以加载点为中心向四周逐渐扩散并且减小。也就是说，核桃会最先从加载点开裂，然后以加载点为中心向外，开裂面积逐渐增大。

对未处理的新丰核桃进行有限元分析，结果表明：核桃会从加载力的位置向四周开裂，没有太明显的方向性，故不利于破壳后壳仁分离，高露仁率较低。

由图3(c)中可以看出：当沿X轴方向对划肚的新丰核桃加载力时，加载点与划口位置重合，在加载力的位置出现最大应力、应变和形变，应力、应变和形变以加载点为中心沿划口形状向四周逐渐扩散并且减小。也就是说，核桃会以加载点为中心沿着划口的形状向外开裂，开裂的范围比较大，有利于核桃破壳取仁时提高高露仁率。

由图3(d)可以看出：当沿Y轴方向对划肚的新丰核桃加载力时，加载力的方向和划口所在方向垂直，在加载力的位置和划口同时出现最大应力、应变和形变，应力、应变和形变以加载点和划口所在的位置为中心向外逐渐扩散减小，并扩散方向逐渐靠拢。核桃会从加载力的位置或划口位置开裂，从加载点向划口位置逐渐开裂或者从划口位置向加载点逐渐开裂，开裂范围也较大，有利于核桃破壳取仁时提高高露仁率。

对划肚预处理的新丰核桃进行有限元分析，结果表明：划口后的核桃破壳方向明显，开裂范围增大，有利于核桃破壳取仁时提高高露仁率。

由图3(e)可以看出：当沿X轴方向对划棱的新丰核桃加载力时，加载力的方向和划口所在方向垂直，在加载力的位置和划口同时出现最大应力、应变和形变，应力、应变和形变以加载点和划口所在的位置为中心向外逐渐扩散减小，并扩散方向逐渐靠拢。核桃会从加载力的位置或划口位置开裂，从加载点向划口位置逐渐开裂或者从划口位置向加载点逐渐开裂，开裂范围也较大，有利于核桃破壳取仁时提高高露仁率。

由图3(f)可以看出：当沿Y轴方向对划棱的新丰核桃加载力时，加载点也在划口位置上，在加载力的位置出现最大应力、应变和形变，应力、应变和形变以加载点为中心沿划口形状向四周逐渐扩散并且减小。也就是说，核桃会以加载点为中心沿着划口的形状向外开裂，开裂的范围比较大，有利于核桃破壳取仁时提高高露仁率。

对于划棱预处理的新丰核桃有限元分析，结果表明：划口后的核桃，壳体破裂的方向明显，开裂范围增大，有利于核桃破壳取仁时提高高露仁率。

1.4.2 对新早丰核桃三维模型静力学分析

将新早丰核桃三维模型导入到ANSYS Workbench模块进行静力学分析，得到新早丰核桃的应变云分析图、应力云分析图和总变形云分析图。以下有限元分析的图表，第1列为应变云分析图，第2列为应力云分析图，第3列为总变形云分析图，如图4所示。

图4 新早丰云分析图

由图4(a)可以看出：当沿X轴方向对未处理的新早丰核桃加载力时，核桃模型在加载力的位置出现最大应力、应变和形变，应力、应变和形变以加载点为中心向四周逐渐扩散并且减小。也就是说，核桃会最先从加载点开裂，然后以加载点为中心向外开裂面积逐渐增大。

由图4(b)可以看出：当沿Y轴方向对未处理的新早丰核桃加载力时，在加载力的位置出现最大应力、应变和形变，应力、应变和形变以加载点为中心向四周逐渐扩散并且减小。也就是说，核桃会最先从加载点开裂，然后以加载点为中心向外开裂的面积逐渐增大。

对未处理的新早丰核桃进行有限元分析，结果表明：核桃会从加载力的位置向四周开裂，没有太明显的方向性，故不利于破壳后壳仁分离，高露仁率就会较低。

由图4(c)可以看出：当沿X轴方向对划肚的新早丰核桃加载力时，加载点与划口位置重合，在加载力的位置出现最大应力、应变和形变，应力、应变和形变以加载点为中心沿划口形状向四周逐渐扩散并且减小。也就是说，核桃会以加载点为中心沿着划口的形状向外开裂，开裂的范围比较大，有利于核桃破壳取仁时提高高露仁率。

由图4(d)可以看出：当沿Y轴方向对划肚的新早丰核桃加载力时，加载力的方向和划口所在方向垂直，在加载力的位置和划口同时出现最大应力、应变和形变，应力、应变和形变以加载点和划口所在的位置为中心向外逐渐扩散减小并扩散方向逐渐靠拢。核桃会从加载力的位置或划口位置开裂，从加载点向划口位置逐渐开裂或者从划口位置向加载点逐渐开裂，开裂范围也较大，也有利于核桃破壳取仁时提高高露仁率。

新早丰核桃划肚预处理的有限元分析结果表明：划口后的核桃破壳方向明显，开裂范围增大，有利于核桃破壳取仁时提高高露仁率。

由图4(e)可以看出：当沿X轴方向对划棱的新早丰核桃加载力时，加载力的方向和划口所在方向垂直，在加载力的位置和划口同时出现最大应力、应变和形变，应力、应变和形变以加载点和划口所在的位置为中心向外逐渐扩散减小， 并扩散方向逐渐靠拢。核桃会从加载力的位置或划口位置开裂，从加载点向划口位置逐渐开裂或者从划口位置向加载点逐渐开裂，开裂范围也较大，也有利于核桃破壳取仁时提高高露仁率。

由图4(f)可以看出：当沿Y轴方向对划棱的新早丰核桃加载力时，加载点也在划口位置上，在加载力的位置出现最大应力、应变和形变，应力、应变和形变以加载点为中心沿划口形状向四周逐渐扩散并且减小。也就是说，核桃会以加载点为中心沿着划口的形状向外开裂，开裂的范围比较大，有利于核桃破壳取仁时提高高露仁率。

划棱预处理的新早丰核桃的有限元分析结果表明，核桃实施划棱加工处理后，破壳方向明显，开裂范围增大，有利于核桃破壳取仁时提高高露仁率，与核桃品种无关。

1.4.3 有限元静力学分析数据讨论

有限元分析结果的准确性与核桃物理特性参数的选取密不可分[15]。类比木材设定参数，分析结果的大小和试验所得结果差异在正常范围内，核桃物理特性的变化趋势可以通过有限元分析准确表达。

将新丰核桃有限元分析后的结果填在表1中，将新早丰核桃有限元分析后的结果填在表2中 。未处理沿X轴方向加载力记为1号，未处理沿Y轴方向加载力记为2号，划肚处理沿X轴方向加载力记为3号，划肚处理沿Y轴方向加载力记为4号，划棱处理沿X轴方向加载力记为5号，划棱处理沿Y轴方向加载力记为6号。

表1 新丰核桃有限元分析结果

表2 新早丰核桃有限元分析结果

由表1和表2可以看出：当对新丰和新早丰核桃两个对比品种的加载力相同时，其破壳时产生的最大应变、应力和形变量值由大到小排列顺序均为：3号>5号>1号，6号>4号>2号，且3号>6号。

分析以上数据，不论是新丰核桃，还是新早丰核桃，可以得出以下结论：①划口预处理的核桃所产生的最大应力、最大应变和最大形变都比未处理的新丰核桃所产生的最大应力、最大应变和最大形变大，因此划口预处理更有利于核桃破壳；②当加载力的位置与划口位置重合时，加载力所产生的最大应力、最大应变和最大形变量相比加载力的方向与划口所在方向垂直时的相应值均较大，因此在划口位置加载力，更有利于核桃破壳；③当加载力位置和划口位置均在肚部时所产生的最大应变、应力和形变量最大，在核桃肚部划口时，沿X轴方向加载力能使划口预处理后的破壳效果最好。

1.5 有限元分析结果的讨论

有限元分析结果表明：在划口位置加载力，沿X轴方向加载力比沿Y轴方向加载力产生应力、应变和形变更大，说明划口预处理使核桃壳产生局部缺陷，局部缺陷改变了核桃壳体的破坏强度，使变形集中在划口区域内的某一薄弱位置，这一薄弱位置发生显著收缩，由于原截面积减小，应力、应变增大，使核桃破壳更加容易。这是由于核桃壳是薄球壳体[16-17]，则核桃表面的划口就可以看作薄球壳的初始缺陷，而有初始缺陷的球壳其破坏位置往往是从初始缺陷处开始发生的，且局部初始缺陷对球壳的破坏强度有很大的影响[18]。这也与美国海军等研究人员的球壳试验[19]的验证和分析结果一致，即初始缺陷可以改变球壳的破坏强度。因此，提高核桃壳体表面的破裂程度和增大破裂面积，一方面可以降低破壳所需加载力，减少能耗；另一方面可使得后续壳仁分离更加容易，从而减少碎仁。这与本文的有限元分析的结果也十分吻合。

2 核桃破壳试验

通过有限元静力学分析可知，划口预处理再破壳可以提高核桃的破壳率，同时减少对核桃仁的损伤。下面通过静态压力试验和划口处理对破壳影响的正交试验来进一步研究划口预处理对核桃破壳的影响。

2.1 静态压力试验

选取同一级别大小的新丰核桃和新早丰核桃各60个，分为6组。将分组后的核桃进行不同方式的划口处理，并在DF-9000动静态万能材料试验机进行不同方向静态压力试验，可以得到核桃破壳时的最大破壳力和核桃壳所发生的最大形变量。未处理沿X轴方向加载力记为1组，未处理沿Y轴方向加载力记为2组，划肚处理沿X轴方向加载力记为3组，划肚处理沿Y轴方向加载力记为4组，划棱处理沿X轴方向加载力记为5组，划棱处理沿Y轴方向加载力记为6组。

为了更直观地对两种核桃破壳力的变化进行分析和比较，通过柱状图来表达新丰核桃和新早丰核桃破壳力的数据变化情况，如图5所示。

图5 破壳力对比图

由图5可看出：无论是新丰核桃，还是新早丰核桃，1组、3组和5组均是沿X轴方向加载力，2组、4组和6组均是沿Y轴方向加载力1组和2组是未预处理的核桃，3组、5组、4组和6组均是划口预处理后的核桃。这说明，相同加载力方式，经过划口预处理的核桃所需破壳力明显比未处理的核桃破壳力小。3组的破壳力比5组的破壳力小，6组的破壳力比4组的破壳力小，说明当划口位置与加载力位置重合时比划口所在方向与加载力方向垂直时所需的破壳力小；3组的破壳力比6组的破壳力小，说明当划口位置与加载力位置在肚部重合时比当划口位置与加载力位置在棱部重合时所需的破壳力更小。

为了更直观地对两种核桃破壳形变量的变化进行分析和比较，通过柱状图来表达新丰核桃和新早丰核桃破壳形变量的数据变化情况，如图6所示。

图6 破壳形变量对比图

由图6可看出：无论是新丰核桃还是新早丰核桃，1组、3组和5组均是沿X轴方向加载力，2组、4组和6组均是沿Y轴方向加载力，1组和2组是未预处理的核桃，3组、5组、4组和6组均是划口预处理后的核桃，说明相同加载力方式，经过划口预处理的核桃所需破壳形变量明显比未处理的核桃破壳形变量小；3组的破壳形变量比5组的破壳形变量小，6组的破壳形变量比4组的破壳形变量小，说明当划口位置与加载力位置重合时比划口所在方向与加载力方向垂直时所需的破壳形变量小；3组的破壳形变量比6组的破壳形变量小，说明当划口位置与加载力位置在肚部重合时比当划口位置与加载力位置在棱部重合时所需的破壳形变量更小。

静态压力试验结果显示：①划口预处理后的核桃破壳力和破壳形变量均比未预处理的核桃小，说明划口预处理后核桃更易破壳；②划口位置与加载力位置重合时比划口所在方向与加载力方向垂直时所需的破壳力和破壳形变量小，说明划口位置与加载力位置重合时比划口所在方向与加载力方向垂直时核桃更易破壳；③当划口位置与加载力位置在肚部重合时，所需的破壳力和破壳形变量最小，说明划口位置与加载力位置在肚部重合时核桃最易破壳，与核桃品种无关。

2.2 划口预处理对破壳影响的正交试验

通过上文研究发现，划口预处理可以提高核桃的破壳率并减少核桃仁的损伤。为了确定划口位置、划口的宽度、划口的长度分别对破壳率和高露仁率影响的主次顺序，利用对辊挤压核桃破壳机来验证划口处理对核桃破壳的影响。对核桃的破壳因素有很多，如核桃的品种、核桃的尺寸大小、含水率[20]、划口的位置、划口的宽度、划口的长度、划口的位置、辊子的转速，辊子表面的粗糙度及喂料的速度等[21]。测得这批核桃含水率均在11.6%左右，可忽略含水率不同对试验结果的影响。将分级后的新丰核桃和新早丰核桃在肚部划口预处理后分别进行正交试验，将其他影响因素设置为同一水平，以避免其他影响因素对试验结果的影响。因素水平如表3所示。

表3 正交试验因素及水平 mm

表3是一个三因素三水平的试验，不考虑各因素各水平之间的交互作用，因此选用的L9(34)正交试验。具体试验安排如表4所示。

表4 正交试验方案

新丰核桃在对辊挤压核桃破壳机内破壳后的试验结果如表5所示。

表5 新丰核桃正交试验结果

通过分析新丰核桃正交试验结果可知：划口深度1.5mm、划口宽度3mm、划口长度17mm为一次性破壳率的最优方案；划口深度1.5mm、划口宽度2.55mm、划口长度19mm为高露仁率的最优方案。采用最优平衡法的最优方案为划口深度1.5mm、划口宽度2.55mm、划口长度19mm，一次性破壳率达86.9%，高露仁率达75.2%。

新早丰核桃在对辊挤压核桃破壳机内破壳后的试验结果如表6所示。

表6 新早丰正交试验结果

通过分析新早丰核桃正交试验结果可知：划口深度1.5mm、划口宽度2.55mm、划口长度19mm为一次性破壳率的最优方案；划口深度1.5mm、划口宽度2.55mm、划口长度19mm为高露仁率的最优方案。采用最优平衡法的最优方案为划口深度1.5mm、划口宽度2.55mm、划口长度19mm，一次性破壳率达87.9%，高露仁率达75.1%。

表7为3个试验因素在不同水平下新丰核桃划口预处理对破壳影响的正交试验的极差分析。由极差分析结果可以看出影响核桃一次破壳率因素和高露仁率的主次顺序[22]。

表7 新丰核桃极差分析

由表7可以看出：划口预处理影响新丰核桃一次破壳率因素的主次顺序是：A划口深度>C划口长度>B划口宽度。划口预处理影响新丰核桃高露仁率因素的主次顺序是：A划口深度>C划口长度>B划口宽度。

表8为3个试验因素在不同水平下新早丰核桃划口预处理对破壳影响的正交试验的极差分析。

表8 新早丰核桃极差分析

由表8可以看出：划口预处理影响新早丰核桃一次破壳率因素的主次顺序是：A划口深度>C划口长度>B划口宽度；划口预处理影响新丰核桃高露仁率因素的主次顺序是：A划口深度>C划口长度>B划口宽度。

3 结论

1)有限元分析结果表明：划口预处理可以使核桃更易破壳，尤其是提高了高露仁率。

2)静态压力试验结果显示：划口预处理后核桃更易破壳；划口位置与加载力位置重合时比划口所在方向与加载力方向垂直时核桃更易破壳；划口位置与加载力位置在肚部重合时核桃最易破壳。

3)划口预处理对破壳影响的正交试验分析结果显示：无论是新丰核桃还是新早丰核桃，当划口深度1.5mm、划口宽度2.55mm、划口长度19mm时，可以得到较好的破壳效果。极差分析结果显示，影响新丰和新早丰核桃一次破壳率因素的主次顺序均是A划口深度>C划口长度>B划口宽度。极差分析结果显示：影响新丰和新早丰核桃高露仁率因素的主次顺序是A划口深度>C划口长度>B划口宽度。