核桃分级破壳取仁及壳仁分离关键技术与装置研究进展

刘明政，李长河，曹成茂，吐鲁洪·吐尔迪，李心平，车 稷，杨会民，张效伟，石明村，赵华洋，高连兴，何光赞，贾东洲，李寒松

·农产品加工工程·

核桃分级破壳取仁及壳仁分离关键技术与装置研究进展

刘明政1，李长河1※，曹成茂2，吐鲁洪·吐尔迪3，李心平4，车 稷5，杨会民3，张效伟1，石明村1，赵华洋6，高连兴7，何光赞8，贾东洲6，李寒松9

（1.青岛理工大学机械与汽车工程学院，青岛 266520；2.安徽农业大学工学院，合肥 230036；3.新疆农业科学院农业机械化研究所，乌鲁木齐 830011；4.河南科技大学农业装备工程学院，洛阳 471003；5.新疆疆宁轻工机械工程技术有限责任公司，乌鲁木齐 830011；6. 内蒙古民族大学工学院，通辽 028042；7.沈阳农业大学工程学院，沈阳 110866；8. 四川洁能干燥设备有限责任公司，成都 610041；9. 山东省农业机械科学研究院, 济南 250200）

中国是世界核桃种植面积和产量第一大国，高营养和经济附加值的核桃精深加工产品需求量日益增加，因而核桃具有广阔的综合开发利用前景。核桃分级、破壳取仁和壳仁分离是初加工流程中最为关键的3个环节，而且是核桃精深加工必备的前道工序。然而传统的手工作业方式及功能简单的核桃初加工装置无法满足食品工业对核桃高品质及批量化要求，严重制约核桃产业的发展。因此，加大核桃初加工关键技术及装置的研发力度势在必行。对于核桃分级，以尺寸特征为基础，锥辊式、栅条式、筛网式、视觉成像式是分级装置的4种原理。基于分级原理，分类总结分级装置现状及其应用特点；不同类型装置的多因素性能试验可得到各自优化参数组合。对于重点环节破壳取仁，核桃相应物理特性是破壳装置设计的重要依据，如球度、壳厚、含水率等直接影响核桃壳、仁的机械性能，分类总结表征不同物理特性的参数值范围。基于物理特性，挤压式、碰撞式、气爆式是核桃破壳的3种主要原理，分类总结核心破壳机构特征及其应用，并重点介绍了3种创新型破壳装置与工作原理。多因素性能试验可优化各类型装置主要影响因素的参数组合。对于壳仁分离，风选式是目前相关装置的主要应用原理，核桃混合壳仁形态特征及物理参数是设置风速和风向的主要依据；在风选式壳仁分离机理的基础上，分类总结多种壳仁分离装置及各自多因素性能试验下的优化参数组合。该研究通过对核桃初加工3个关键环节各自对应的核桃物理特性、工作机理、装置及其性能优化试验进行系统性总结和综述，期望加深对核桃初加工过程的理解，为提升核桃加工水平提供理论依据与技术支持。

物料特性；裂纹扩展；柔性破壳；破壳取仁；壳仁分离；装置；核桃；分级

0 引 言

核桃，属胡桃科植物，是世界上重要的坚果和木本粮油树种，与杏仁、腰果、榛子并称为“四大干果”。近年来，随着中国经济迅猛发展和人民生活水平逐渐提高，核桃的营养和药用价值愈发引起人们的重视，国内外市场对核桃精深加工产品的需求量也日益增长。这极大促进了中国核桃栽培区域集中、种植面积增加、品种结构改善、产量稳步增长、质量不断提升，不仅为核桃产业提供了巨大的发展空间，也对中国核桃加工生产线配套装置的研发提出了更为严格的要求。

核桃因其极强的适应性，目前在中国已经形成四大栽培区域，遍布全国20多个省，是种植范围广阔的经济树种之一[1]。至2017年末，核桃种植总面积约554.7万hm2，占全国经济林总面积的14.5%，有10个省的种植面积超10万hm2[2]。中国核桃品种多达300种，其中普通核桃和山核桃是栽培最为广泛的2个种属[3]。普通核桃拥有多种类型，较为常见的有漾濞核桃、薄皮核桃、香玲、辽核、西林、温185、新丰等。普通核桃和山核桃主要用于制作食品、榨取核桃油等，是消费市场上的主流品种[4]。

中国核桃产量逐年增加，年均增长率达11.1%，超过世界平均水平[5]。2017年中国核桃产量约为384.5万t，比2011年增长了49.4%，约占全球产量的47%，位居世界第一[2]。这得益于国家政策的正确引导，地方财政的大力支持，核桃品种的不断改良以及种植模式的创新优化[6]。但是受自然灾害影响，2018年中国核桃产量为326.8万t，同比下降15.2%。经过产业调控，2019年核桃产量约为362.7万t，同比增长10.9%，预计至2025年国内核桃产量可达510万t[7]。虽然核桃产量不断增加，但是2019年市场终端需求量整体趋于平稳，再加上核桃产地收购价、批发价逐渐走低，导致核桃销售价格已由36～40元/kg下跌到15～20元/kg[8]。然而，在核桃坚果价格下行的情况下，核桃仁价格却依然保持稳定[8]。由此可见，对核桃进行高质量加工将有助于提升核桃价值，这也要求核桃产业进行从提高产量到提升品质的转型升级[9]。

核桃果实主要由核桃壳、核桃仁组成，核桃仁作为食用部分一直是研究热点，在食品和医药领域广泛应用[10-14]。随着科技进步，经过深入研究发现，核桃壳同样具有极高经济附加值[15-19]。这体现出核桃具有综合开发利用的广阔前景。在对核桃综合深加工之前，需要对核桃进行一系列的初加工，其中最为重要的环节为核桃尺寸分级、破壳取仁及壳仁分离。核桃尺寸分级是破壳取仁工序前的关键步骤，尤其是针对依靠部件间隙挤压类的破壳装置。批量核桃处于同一尺寸大小等级，既可以防止破壳程度不足，难以取仁而导致的破壳率、露仁率低，更有助于防止核桃过度破碎而对核桃仁造成机械损伤，有效提高整仁率。破壳取仁是核桃深加工前的核心环节，破壳率、整仁率的高低更是直接影响核桃仁品质，因此，合理设计破壳取仁机构显得尤为重要。壳仁分离是破壳取仁的后续工序，既要有效将碎壳和果仁分离，又能同时保证核桃仁的完整性，是提升品质的关键。3道工序功能依次递进、环环相扣，合理的协同调控可以实现对核桃仁和核桃壳高质高效的分类、收集。

核桃分级、破壳取仁及壳仁分离的配套装置是核桃深加工产业发展的重要基础，目前，传统手工作业方式不仅成本高昂、效率低下，而且可能导致核桃仁机械损伤，甚至污染，无法适应食品加工业大批量核桃高质高效的生产模式，严重制约核桃产业的发展。采用机械装置进行加工，可以大幅提高生产效率，保证加工质量，使原料升值。然而中国核桃加工技术及装置水平滞后于发达国家。为提高中国核桃产业化加工水平，国内农业机械科研部门、大专院校等众多科研人员分析研究国外先进的核桃加工技术，自主创新设计了部分相关机械装备并已在生产中初步应用，但基本都无法形成大规模效益，缺乏适合中国国情的核桃加工生产线配套机械装备，许多关键技术还有待进一步研究。本文通过对核桃初加工中核桃分级、破壳取仁及壳仁分离3个关键环节各自对应的核桃物理特性、工作机理、装置及其性能优化试验进行系统性总结和综述，期望对核桃初加工过程的关键技术优化和创新型装置研发提供理论依据与技术支持，进一步提升中国核桃加工水平。

1 核桃尺寸分级

核桃收获并经过去青皮、烘干工序之后，不同尺寸的核桃混合在一起。为了便于后续处理，提高核桃附加值，须对其进行尺寸分级处理。按尺寸大小分级符合人们在日常生活中对分级概念的理解，通过分级选出的核桃尺寸和形状基本一致，既利于包装贮存和加工处理，也可以作为市场销售过程中定价的重要依据。另外，为了核桃深加工，往往需对核桃进行破壳处理，再对核桃仁和核桃壳进行收集利用。目前大部分核桃破壳装置的设计都将核桃尺寸作为主要依据之一，因而对核桃进行尺寸分级具有重要意义。

1.1 核桃物理特性及分级原理

1）核桃物理特性

核桃的形状特性有3个重要参数：纵径—核桃沿长轴方向上的最大尺寸；横径—核桃沿短轴方向上的最大尺寸；棱径—核桃沿缝合线短轴方向上的最大尺寸，如图1所示。其次是球度，绝大多数核桃外形近似椭球型，滚动性较好。

1. 核桃仁 2. 核桃壳 a. 纵径 b. 横径 c. 棱径

2）核桃分级原理

机械式分级装置以核桃尺寸为主要依据，通过某种驱动方式使核桃以一定位姿和速度按等级通过分级间隙或筛孔；核桃椭球度越高，越易通过机构调整保持位姿一致，提高分级精度。按核心部件结构及其工作原理，核桃分级机构主要可分为锥辊式、栅筒式和筛网式3种，如表1所示。

表1 不同类型核桃分级装置原理

1.2 核桃分级装置

1）锥辊式核桃分级。对辊间隙渐变是锥辊式分级装置的主要结构特点，工作过程中分级辊相对旋转，核桃在双辊摩擦力作用下完成位姿的调整，其纵径与分级辊轴线平行。核桃在分级辊上滑落过程中，横径或棱径小于对辊间隙时下落到相对应尺寸的接料箱中[20]。核桃在分级过程中逐个前进，不会造成堆积挤压，不仅能够保证分级精度，也避免了核桃机械损伤[21]。由于有相当部分核桃并非椭球形，所以核桃滚动时会因为姿态不同而引起分级误差；如果核桃喂入量过大，易导致核桃堆叠而降低分级精度。

2）栅条滚筒式核桃分级。滚筒依据筒体形状可分为圆柱形筒和锥形筒2种。

为实现分级，圆柱形滚筒的结构主要有分段式和分层式2种：分段式滚筒倾斜一定角度，由3段滚筒组成，每段滚筒的栅条间隙不同，由高到低栅条间隙逐渐增大[22-23]，如图2a所示；分层式滚筒倾斜一定角度，由3层滚筒组成，每层滚筒的栅条间隙不同，由内到外栅条间隙逐渐减小[24]，如图2b所示。

锥形筒自身结构特点是栅条间隙随筒径变大而逐渐变大。核桃进入锥形筒在螺旋叶片的推动作用下前进，不同尺寸大小的核桃从锥形筛筒中对应的间隙落下，实现核桃分级[25-26]。利用倾斜旋转滚筒分级，一定程度上解决了堵塞问题，但核桃随滚筒旋转时会不断坠落，易导致相互撞击而造成壳体破碎，影响品质。

3）筛网式核桃分级。振动筛式分级装置是常见类型，分级筛网的倾角可调节，由高到低网孔尺寸等级逐渐变大；筛网以一定频率振动，实现核桃位姿不断变换。在沿筛面前进的过程中，符合对应尺寸等级筛孔的核桃落下，实现核桃分级[27-28]。但是大批量核桃喂入时易导致堵塞固定大小的筛孔，无法进行分级作业，可靠性降低。

4）基于视觉成像核桃分级。随着智能化的发展，视觉成像技术在农产品分级中的应用越来越普遍，研究人员按等级提取果实的尺寸、形状等数字特征，采用智能方法进行分级，取得了良好的效果[29-30]。视觉识别系统如图3所示，传送带输运核桃从图像采集箱内穿过，CCD摄像头实时采集每个核桃的外形图像，分选主控制器计算出其投影大小，与储存信息相匹配，通过电磁阀控制的多组拨片将符合尺寸等级的核桃挑出，完成分级[31]。但这种方式对实体识别精度、图像处理准确度、软件控制性能等具有极高要求；批量核桃输入且识别后，后续的分级机构尚需合理设计才可满足工业化高效率和高精度要求。因此视觉成像核桃分级关键技术仍需要进一步研究。

图2 圆柱形滚筒结构形式

1.CCD相机 2.条形光源 3.图像采集处理 4.下机位处理器 5.不同等级电磁阀

1.3 核桃分级装置性能试验

目前，针对不同类型核桃分级装置性能的试验研究相对较少，学者对3种典型装置分级精度的影响因素进行了试验探究[21,26-27]，如表2所示，得到了较优参数，为同类型装置的研发提供了数据基础。

合适的间隙或孔径是提高机械式核桃分级精度的关键。不同品种核桃，其尺寸级别、球度具有明显差异，难以适应不同类型分级装置。因此，核桃品种类型化种植、核心分级机构针对式研发或将有助于提高分级精度。目前的核桃分级机构，对于小批量核桃能够实现良好的分级效果，但是对于大批量核桃易出现输运不及时而导致的堵塞问题，合理设计大批量核桃快速输运及位姿调整机构是提高分级效率和精度的有效方法。通过获取核桃形状和尺寸特征来综合评定核桃尺寸等级的数字图像处理方法，为核桃分级提供了新思路，但尚需要高速、高灵敏度检测系统的开发及其他综合性分级因素的评定，更为重要的是大批量核桃快速分选装置的研发，因此，图像识别方式有待于在其通用性和推广方面进一步的研究和探讨。

表2 核桃尺寸分级优化试验

2 核桃破壳取仁

要进一步提升核桃的经济价值，需要对核桃进行深加工。传统意义上核桃仁是最主要的应用部位，但随着学者对核桃的研究不断加深，核桃壳同样具有极为重要的应用价值，因此核桃破壳取仁是深加工之前最重要的工序。核桃壳主要由木质素、纤维素和半纤维素组成，果壳硬而厚、形状不规则、内有多段隔膜，核桃仁嵌在隔段中且壳仁间隙小。所以，将核桃壳破碎且不损伤核桃仁，再将仁从碎壳中取出较为困难。传统的核桃破壳取仁方式为手工砸壳后人工取仁，不仅劳动强度大、效率低，而且卫生状况难以保证，严重影响核桃仁品质，这也成为制约中国核桃精深加工能力的瓶颈[32]。因此，市场对核桃破壳取仁装置的需求急迫，而性能优异装置的研发已成为热点课题。

2.1 核桃物理特性及破壳机理

1）核桃物理特性

核桃壳的几何特征直接影响破壳装置性能，同时也为相关破壳装置核心部件的设计提供重要基础参数和依据。核桃坚果的缝合线结构及沿缝合线的剖面结构如图4所示。

图4 核桃几何结构

壳厚、缝合线结构以及含水率影响核桃壳体的机械强度，进而影响破壳所需载荷，依据破壳载荷，可合理设计核心破壳机构以及实现工艺参数（如相对转速、挤压速度、加载位置、撞击速度等）的精准可控。依据核桃的尺寸、球度及壳仁间隙，可合理设计破壳间距，多级可调式或自适应式机构或将有利于提高不同核桃的适应性。与破壳相关的核桃物理特性如表3所示（表中数值均为平均值）。

表3 与破壳相关核桃物理特性

2）核桃破壳取仁机理

核桃壳坚硬而核桃仁质脆，因此为有效破壳且降低核桃仁破损程度，应以合理的加载方式施于核桃壳上。基于核桃壳物理特性，运用相关理论及方法分析核桃破壳取仁机理，探究适于破壳的最佳方式，进而为破壳设备研发提供理论参考。根据受力形式，核桃破壳形式主要可分为挤压式、撞击式及气爆式。

对于挤压式，薄壳理论、力学试验和有限元等方法，可应用于分析不同品种核桃受载时应力分布及形变规律[43]。吴子岳[44]通过压缩试验发现不同加载方向和壳体厚度对压缩刚度影响不显著，可将核桃壳设为各向同性球壳，运用薄壳理论进行力学分析。核桃在1对集中力作用下的内力、位移分析，如图5所示。核桃壳体受外力时会产生内力，由于球形薄壳抗压能力弱于抗弯能力，随着外力增大壳体达到临界失稳状态而破裂，因而破裂源首先从集中力处出现。沿横径方向施加载荷，应力主要出现在核桃曲面顶部且沿加载点向四周扩展，范围变小，同时壳体最大变形也在加载点的圆域，因此加载点处为最先破裂位置且裂纹沿圆域扩展。沿棱径方向施加载荷，载荷加载点处应力最大且沿核桃缝合线向两边扩展，逐渐减小，在沿核桃缝合线短轴方向顶部出现最大变形，因此缝合线短轴方向顶部为最先破裂的位置且裂纹沿着缝合线方向扩展。沿纵径方向施加载荷，最大应力在核桃缝合线和其纵轴顶端的位置且沿着长轴顶端载荷加载点向两侧扩展，但是扩展范围很小，出现应力集中现象。裂纹沿加载点向四周扩张，易出现只有小片核桃壳从核桃脱离下来的情况，即“崩溃”现象。但是只从1个方向对核桃施加载荷，裂纹扩展范围有限，而交变应力有利于裂纹的产生和扩展。核桃滚动可以实现单一方向载荷变为交变载荷，任一点所受载荷实现压缩/拉伸的交替变换，即壳体受到多对集中力作用。

注：Qθ为纬面横向剪力，N；Qφ为经面横向剪力，N；Nφ为纬面薄膜力，N；Nθ为经面薄膜力，N；Nθφ=Nφθ为沿壳厚薄膜力，N；Mφθ为纬面弯曲力矩，N·m；Mθφ为经面弯曲力矩，N·m；Mφ为纬面沿壳厚弯曲力矩，N·m；Mθ为经面沿壳厚弯曲力矩，N·m；h为核桃壳厚，mm；P为集中力，N；r为核桃球体半径，mm；θ为纬角，(°)；φ为经角，(°)；UT为切向位移，mm；WN为法向位移，mm；E为弹性模量，N·m-2。

核桃在多对集中力作用下，壳体实际受力并不是各对集中力单独作用，而是多对集中力的叠加作用[45]。采用线性叠加的方法使2、3、4对集中力与第1对集中力作用点等效：1对集中力处的形变为-（负号表示受压），等效后，2、3、4对集中力处的形变分别为-1.337mm、-1.166mm、-1.135mm，如图6所示。

在2对法向集中力作用下，壳体位移最大，壳体最易发生破裂。但过多集中力作用在壳体上，分布曲线越陡，弯曲应力越大，导致壳体刚度提高，位移减小，降低了内力值，反而不易使壳破裂。因此，2对集中力作用在壳上，要比1对、3对、4对集中力作用在壳上，更有利于壳完全破裂。

为了直观显示核桃壳在1对、2对集中力下的内力和位移变化规律，沈柳杨[23]对核桃在平板压头和V型压头作用下的压缩破壳过程进行静力学仿真分析。结果显示核桃壳体在2对集中作用力下，壳体受到的应力、应变呈对称分布且数值均低于1对集中力作用情况，既满足破壳条件，对核桃仁损伤程度也相对较低，故2对集中力更利于核桃破壳。

为探究核桃尺寸、加载方向对破壳力的影响，高警等[46]利用力学测量装置分别沿不同方向对不同尺寸的核桃试样进行挤压试验并对数据统计分析，如图7所示。结果表明不同方向核桃破壳力差异明显，破壳力大小依次为：纵向、棱向、横向，并且破壳力随核桃尺寸等级增加而增大。因此，为实现有效的破壳取仁，最理想情况为沿核桃棱向和横向施加载荷，既能以相对较低挤压力使壳体沿缝合线分离并破裂，又能对核桃仁造成最低影响。另外，核桃破壳之前进行尺寸分级，有利于同批次核桃所受载荷均匀，提高破壳效果和整仁率，这也为挤压式破壳机构设计提供理论依据。

注：d为集中力作用下核桃壳体形变，mm；φ为相邻集中力夹角，(°)；δ为1对集中力下核桃壳体形变，mm；P1、P2、P3、P4为集中力，N；A、B、C、D分别为1对、2对、3对、4对集中力下的核桃壳体形变曲线。

核桃壳破裂时需要一定的能量[47]，挤压式是通过压力使壳体形变做功，而撞击式是将动能转化为破壳能量。核桃壳受到外力并发生形变，壳体破裂时外力所作的功即为破壳所需能量，如图8a所示。对于撞击破壳，核桃以一定速度撞击筒壁或者冲头以一定速度敲击核桃，依据能量守恒定律，碰撞瞬间动能转化为破壳能，当其超过极限值时，壳体发生破裂[48-49]。同时，通过图8b中关系式可以得到使壳体破碎时核桃或者冲头的初速度，这也为相应装置研发提供理论依据。

图7 不同加载方向和尺寸等级下核桃破壳力变化趋势[46]

注：E0为破壳所需能量，J；F为核桃壳所受外载荷，N；h0为核桃壳形变，mm；E1为核桃初始动能，J；E2为碰撞后动能，J；ΔE0为碰撞过程损失动能，J；v为入射速度，m·s-1；vn为入射法向分速度，m·s-1；vτ为入射切向分速度，m·s-1；u为反射速度，m·s-1；un为反射法向分速度，m·s-1；λ为入射角，(°)；φ0为反射角，(°)；e为恢复系数。

对于气爆法，核桃壳呈现木质性质，气密性良好，核桃壳、仁间隙可容纳一定体积气体。在核桃壳体上钻孔，向核桃内部注入高压空气，当载荷超过核桃壳强度极限时，壳体爆裂破碎，受力情况如图9所示。核桃缝合线紧密度对气密性至关重要，直接影响气爆效果[52]。

图9 气爆式核桃壳体受力示意图

2.2 核桃破壳取仁装置

核桃破壳取仁，以往学者更多地关注如何消耗更小的能量使其破壳，而忽视在破壳的同时使其果仁保持完整[37]。核桃破壳装置的核心性能要求是破壳率高、碎仁率低。目前，国内科研机构依据不同原理设计了类型多样的破壳装备，但是由于核桃品种繁多，其物理特性多样化、差异化也较为明显，这也导致不同破壳装备的适应性、破壳效果不尽理想，特别是破壳率与整仁率之间的矛盾已成为亟待解决的瓶颈。挤压式是应用最为广泛的核桃破壳方式，不同类型挤压式核桃破壳核心机构及其应用，如表4所示。

基于上述不同类型的核心机构，多位研究者对破壳装置又进行了创新设计。青岛理工大学设计的自定位预破壳同向螺旋柔性挤压核桃破壳取仁装置主要由V型块自定位预破壳系统和同向双螺旋柔性破壳系统2部分组成[66]，如图10a所示。不同大小的核桃自行固定在V型嵌槽的相应位置，实现无需分级的挤压。通过对凸轮转速及形状设计，实现行程可控的挤压；利用凸轮的远休止错位，带动V型块实现2次挤压，实现预破壳，如图10b所示。橡胶双辊螺距相同、直径不同，利用相对运动产生的剪切力F1、F2和挤压力F1、F2进一步柔性破壳[67]，如图 10c所示。

表4 不同类型挤压式核桃破壳核心机构及其应用

注：S为挤压行程，mm；θ'为圆弧角，(°)；θ0~θ4为不同弧段对应圆心角，(°)；r'为从动轮半径，mm；r0为驱动轮半径，mm；r1为凸轮大圆弧半径，mm；r2为凸轮小圆弧半径，mm；ω为角速度，rad·s-1；Fp为推进力，N；Ft1、Ft2为剪切力，N；Fn1、Fn2为挤压力，N；A'B'C'D'E'为凸轮不同弧段点。

此外，为提高脱壳率和降低碎仁率，李长河团队设计了柔性带剪切挤压破壳取仁装置，如图11a所示。装置破壳部分主要由破壳区和脱壳区组成，如图11b所示。在破壳区，辊板机构对核桃产生的剪切力F1、F2和挤压力F1、F2使核桃在旋转过程中壳体发生破裂如图11c所示。但批量核桃势必存在一定程度尺寸和形状差异，易出现破壳不完全现象，并且破裂后的壳体结合力骤降，再进行脱壳不能施力过大，以防对核桃仁造成损伤[68]。因此，在脱壳区采用上下具有速度差（0−1）且成楔形布置的柔性带以揉搓方式（破碎核桃受到剪切力F3、F4和挤压力F3、F4）进行脱壳，当破裂核桃旋转过一定的角度后，壳体即可全部脱除[69]，如图11d所示。

注：Fn1、Fn2、Fn3、Fn4为挤压力，N；Ft1、Ft2、Ft3、Ft4为剪切力，N；v0为上带速度，m·s-1；v1为下带速度，m·s-1。

对于工件撞击核桃的类型，需要合理设计冲头形状，以使核桃壳受到有效撞击，确保壳体充分破碎；冲头冲程也需合理设置，过小无法有效破壳，过大易导致核桃仁破碎[70]。对于核桃撞击工件的类型，需要合理控制核桃冲击速度，防止壳体过度破碎导致核桃仁撞碎；实际工作会出现破壳无效的情况，由于出现裂纹的核桃机械性能大幅下降，因此此种撞击类型适用于二次破壳的场合。不同类型撞击式核桃破壳核心机构及其应用，如表5所示。

表5 不同类型撞击式核桃破壳核心机构及其应用

基于上述对撞式核心机构，青岛理工大学设计的相向对撞式核桃破壳取仁装置主要由齿爪式定位定量喂入系统和冲程可控式气冲对撞系统组成[78]，如图12a所示。定位圆筒通道截面形状类似核桃，可实现核桃喂入过程中保持位姿恒定，便于以合适姿态破壳；定位滑块设有6个具有定位功能的通孔，在气缸带动下做恒定周期往复运动，以实现核桃定量喂入[79]，如图12b所示。仿形冲头由气缸驱动，冲程可依据核桃尺寸等级和品种壳体厚度进行设置和调控，以保证有效破壳且不损伤核桃仁[80]，如图12c所示。

气爆式是核桃破壳的一种新思路，已有学者对其工艺进行了系统性研究[81]。但是气爆式局限性太强，对核桃品种、壳体厚度、缝合线紧密度要求太高；操作难度太大，钻孔过程难以保证壳体稳定性，无法对气密性实现可控；需要对单个核桃导向、输送、钻孔、施加气压载荷，因此工作效率低，难以满足工厂生产线高效破壳要求。

图12 对撞式核桃破壳取仁装置

为提高生产效率，核桃分级、破壳一体化是新的设计思路，这避免了单独分级工序后的收集工作。通过分级装置与破壳装置相连接，分级后的核桃按等级落入相应破壳位置，实现短流程高效加工。相关科研机构设计研发了多种类型的核桃分级破壳装置[82-84]。

2.3 核桃破壳取仁装置性能试验

针对各种类型的核桃破壳装置，学者通过试验探究了不同因素对破壳率、整仁率或碎仁率的影响，如表6所示，并通过优化得出了较佳参数，为同类型装置的研发提供数据基础。

表6 核桃破壳优化试验

对于辊压式，破壳间隙是关键影响因素，间隙距离直接影响核桃壳体形变程度，当壳体形变值处于壳仁间隙值之间时破壳，对核桃仁损伤程度最低；相对速度差直接影响裂纹扩展速度，快速扩展有利于脱壳。在各自最优参数组合前提下，辊板式拥有相对较高破壳率和较低碎仁率，性能优于另外2种。对于碰撞式，工件或者核桃速度是关键影响因素，直接影响核桃所受冲击力大小，合适的速度域可提高破壳率、降低碎仁率。在各自最优参数组合前提下，敲击式破壳效果优于离心式。

目前，针对核桃破壳取仁装置尚存需要改进的难题。首先，核心机构对不同品种核桃适应性有待于提高，这主要是因为当前的破壳机构自适应性较低，对于尺寸差异度明显的核桃或破壳率低、或过度破碎，且核心部件多为刚性体，易导致核桃仁破坏程度高。因此设计柔性破壳取仁机构，探索核桃品种-机构特性匹配式种植、研发模式，或将有效提高破壳装置的自适应性。其次，核桃破壳装置集成化程度低、功能单一，导致长流程化生产，效率低下。将核桃分级机构与破壳取仁机构有机结合，实现不同尺寸等级核桃针对性进入相对应破壳区域，将显著提高破壳质量和生产效率。再者，中国现有核桃破壳装备种类繁多、缺少产品标准、目标针对性差，因此，面对不同应用群体，进行层次化研发，针对农户、小企业发展通用性强的小型化专用破壳装备，针对大型企业发展多功能、产线化的连续作业装备，有助于加速核桃加工业规模化发展。

3 核桃壳仁分离

核桃经过相应机械装置破壳取仁之后，输出的壳仁物料混杂在一起。为对核桃壳仁进行后续深加工，需要将两者进行分离处理，但目前多数加工企业依旧是采取手工分选的方法。有学者依据核桃壳仁磁导性差异，提出了磁选式壳仁分离方式，但对体积相对较大的壳仁分离不理想，且磁选式需事前将磁流体固定在核桃壳上，易导致造成核桃仁污染[89]。另有学者依据核桃壳仁摩擦系数差异利用绒带式装置实现分离，但由于破壳后壳仁混合形态差异巨大，难以有效分离[90]。因此，研制一种结构合理、工作可靠、效果理想的核桃壳仁分离装置，实现机械化高效作业，对于促进核桃产业健康持续发展具有重要的意义。

3.1 核桃壳仁物理特性及分离机理

1）核桃壳仁物理特性

核桃破壳等级很大程度影响后续壳仁分离的效果，不同等级壳仁物料其几何形态、物理特征差异明显，而核桃壳仁的物理参数是分离装置的重要设计依据。核桃壳仁等级及其物料特性，如表7和表8所示（表中数值均为平均值）。

2）壳仁分离机理

针对硬壳类坚果壳仁混合物料，如莲子[92]、巴旦木[93]、核桃[94]等，风选式是应用最为广泛的壳仁分离方法。风选式分离原理是利用核桃壳仁因外形特征差异及气流场中姿态各异而具有不同的空气动力学特性，在风力的作用下，壳仁所受合力差异而产生不同的运动轨迹，进而实现分离。依据风道结构不同，风向可以分为竖直和倾斜2种。

对于竖直风向，风速是实现核桃壳仁分离的关键因素，悬浮速度是在确定风速时物料所具有的重要空气动力学特征参数，风速超过悬浮速度才足以使壳或仁悬浮于气流并以不同轨迹移动[95]。在达到悬浮速度的稳定状态下，物料向上或向下运动取决于物料相对于气体的密度大小，而核桃壳仁密度有差异，所以要分离核桃壳仁需要确定各自悬浮速度，进而确定风速[96]。由于不规则体阻力系数大于球体阻力系数，所以同级别的球体悬浮速度要高于不规则体悬浮速度，因此将不规则体转换为与其特征面积、质量相同的球体进行分析[97]，受力分析如图13所示。

表7 破壳后核桃壳仁混合物料等级及形态特征[86]

表8 核桃壳仁物料特性[91]

注：Fk为核桃壳所受风力，N；FR为核桃仁所受风力，N；GK为核桃壳所受重力，N；GR为核桃仁所受重力，N。

在同一流体介质中，不规则形状的核桃混合物料与其同当量球的体积和密度保持不变，经过修正可得壳仁物料的悬浮速度[91]，如式（1）所示。依据不同核桃品种壳仁物理参数，可计算出不同形态壳仁的悬浮速度，为风选装置的设计和改进提供了理论依据。

式中v为悬浮速度，m/s；k为球形系数；d为当量球直径，m；ρ为物料密度，kg/m3；为空气密度，kg/m3；为阻力系数；为重力加速度，9.8 m/s2。

曹成茂等[97]采用仿真与实验相结合的方式分析了竖直风向条件下核桃壳仁的运动轨迹规律，研究发现通过控制含水率使核桃壳仁处于一种“壳干仁湿”的特殊状态，可减小壳仁悬浮速度的重叠区间，有利于主动调控风速增大壳仁分离度。因此，含水率对破壳后壳仁形态及其分离具有一定程度的影响。对于倾斜风向，有效分离的关键在于壳仁迎风面大小和形状。对于同等质量的壳仁，壳体迎风面积大于碎仁，因而壳体所受风力大于碎仁，在同一风速下核桃壳的水平运动距离大于核桃仁进而实现分离。杜小强等[98]分析了轴向气流场中气相速度分布和固相运动轨迹，结果显示气流速度存在水平分层现象，能使不同形态物料呈现出不同水平距离的弧形下落轨迹，且合理风速区间能使运动轨迹区别明显。

3.2 核桃壳仁分离装置

竖风式核桃壳仁分离装置依据风道数量可分为单风道式和多风道并联式[94]。单风道装置的典型结构布局如图14a所示，主要由给料机、风机与风道组成，当风速大于核桃壳悬浮速度时，核桃壳被吹出，核桃仁沉降收集。朱占江等[99]研制的核桃壳仁分选装置其核心部件为单式短风道，该设备风选腔与沉降箱直接相连，实现设备小型化。并联式壳仁分离装置主要由分级机、并联风道、沉降箱和风机组成，如图14b所示。工作时先将破壳后壳仁混合物料经分级机分为不同等级，当同等级混合物料经过对应风速的吸风口时，核桃壳被吸走，核桃仁则落入料箱收集，这也直接反映了核桃壳仁等级差异对分离效果产生直接影响。新疆农业科学院农业机械化研究所[100]、陕西省农业机械研究所[101]、青岛理工大学[102]设计的风选式核桃壳仁分离装置利用此模式。

图14 单、多风道核桃壳仁分选装置流程图[94]

斜风式壳仁分离装置是利用倾斜风机产生气流场，使混合物料在风力作用下以不同轨迹下落，为提升分离效果，往往需要辅助装置。辅助装置主要有振动筛板[91]和螺旋叶片[86]2种形式。对于振动筛板式，核桃壳仁在振动筛作用下翻跳输运，气流场中壳仁受力不同，壳体被风力带离核桃仁实现分离，如图15a所示。青岛理工大学[103]、新疆农业科学院农业机械化研究所[104]利用此机理设计了风筛式装置。对于螺旋叶片式，混合物料落入滚筒并随着转动，在滚动下落过程中，壳仁在风力作用下落向前端出口，且核桃壳水平距离远大于核桃仁；再次落入滚筒后，核桃仁在螺旋叶片输送作用下移向后端出口，经过螺旋叶片输送和气力的耦合反复作用下实现核桃壳仁双向分离，如图15b所示。青岛理工大学[105]利用此原理设计了气力与柔性螺旋叶片耦合的核桃壳仁滚筒双向分离装备。

图15 不同辅助形式斜风式核桃壳仁分离装置

除了风选式之外，智能化视觉识别也是一种应用于核桃壳仁分离的方式。将核桃壳仁特征参数存入计算机数据库，通过图像处理系统对壳、仁各自物理特征进行分类、识别，筛选出符合等级要求的核桃仁[106]。智能化视觉识别系统主要由图像采集与视觉检测系统组成，基于图像处理技术对所需进行分离的核桃壳仁颜色、纹理及形态特征构建识别特征模型；工作时，通过环形光源照射，CCD传感器对壳仁特征信息采集，识别出不同等级的核桃仁，进而分离处理，如图16所示。

注：L1为透光位置1；L2为透光位置2。

Cetin等[108]利用振动分析的方法设计了一种核桃壳仁分离系统。通过提前采集不同品种核桃壳仁的振动冲击信号，从中提取相关特征参数录入计算机数据库。工作时核桃壳仁滑落到装有振动传感器的金属盘上，当核桃壳振动参数与系统中数据相匹配时，高压气冲将核桃壳吹出，落入收集槽；核桃仁振动参数在反馈数据范围之外，不会触发气冲工作，进而滑落到收集槽中。振动分析核桃壳仁分离系统如图17所示。

3.3 核桃壳仁分离装置试验

目前针对不同类型风选式核桃壳仁分离装置的试验研究相对缺乏，部分学者研究了不同因素参数对分离性能的影响，如表9所示。

1.振动喂料 2.激光探测仪 3.计算机 4.振动传感器 5.金属盘 6.气冲喷头

表9 不同类型核桃壳仁分离优化试验

对于风选式核桃壳仁分离，风速是影响分离精度的关键因素。针对不同结构装置，合理的风速范围有助于提高壳仁分离率。其次，核桃壳仁的尺寸（迎风面积）决定所受风力大小，影响壳仁的运动轨迹，因此对于核桃破壳效果，提高核桃仁与碎壳尺寸等级分布度均匀，有助于分离分级，这也对破壳装置提出了更高要求。

核桃壳仁分离作为核桃机械化加工的重要组成部分，能有效提高分离率及核桃仁完整度，使深加工企业大幅降低生产成本，有利于提升核桃经济价值以及企业效益。风选式作为极具推广前景的技术，需要结合中国不同品种核桃特性开展基础理论研究，提高技术装备适应性，实现核桃壳仁高效分离。对于智能化视觉识别及冲击振动感应的新型技术，同样需要提高对不同品种核桃壳仁的适应性，这需要大量的数据统计工作；进一步，提高准确度是这2种技术的核心，研制高灵敏度传感器及高处理性能软件是解决这一问题的关键；更进一步，实现批量化高效高质量加工生产是最终目标。

4 结论与展望

本文通过对核桃初加工尺寸分级、破壳取仁及壳仁分离3个关键工序各自对应的核桃物理特性、工作原理、装置及其性能优化试验等方面的研究进展进行系统性分析总结，得到以下结论：1）对于核桃尺寸分级，机械式装置合理设计分级间隙和孔径、防止堵塞是提高分级精度和降低壳体破碎率的关键。因此，设计大批量核桃条件下的快速输送和姿态调整机构是解决这些问题的有效方法。提高识别精度和效率是视觉成像技术推广应用的关键。2）核桃破壳取仁技术和装置研究较多，但缺乏产品规格和标准。因此，制定标准，统一产品类型，有利于实现标准化生产。核桃破壳率和整仁率是破壳取仁装置的2个核心要求，提高装置适应性是关键，柔性化机构或核桃品种-机构特性匹配式种植、研发模式将是未来有效解决的方式。此外，加强对核桃壳、仁结构和物理特征进行深入研究是下一步装置创新设计的重要基础。3）对于壳仁分离，高分离精度对收集壳、仁有显著帮助。风选技术因其损伤小、便于高效机械操作而广泛应用。然而，目前分离区气流场分布规律及核桃壳、仁在气流场中的动力学规律仍有待于进一步研究，风选式核桃壳仁分离装置设计基本理论尚不完善，还需要进行大量的理论和实验研究。

虽然核桃初加工领域的关键技术和装置研究已取得一定成果，但仍存在需要解决的问题。为提高核桃初加工水平，未来需要在以下几个方面加强研究：1）随着研发力度加大，核桃初加工各环节相应装置类型也多样化，但对不同品种核桃适应性差，难以实现核心机构与核桃特性有效匹配，导致效果不佳。这是由于中国尚无相应的行业标准，以致装置类型、质量参差不齐，因此相关部门应尽快依据核桃各加工环节机理，制定产品标准，统一产品类型；2）采取企业与农场联合，进行区域化、种质标准化育苗，规模化种植，针对性装置研发，实现核桃品种-机构特性匹配式种植、研发、加工模式，或将极大改善适应性差的难题；3）若每种核桃初加工工序独立作业，在收集、转运、储存过程中，核桃势必会出现一定程度失鲜、损伤甚至污染的现象，将严重影响核桃产品品质，造成经济损失。而中国核桃产业的现状是未形成大规模集约化产业链模式，独立式加工生产模式造成大量核桃资源丢弃、浪费，远未实现其附加值有效发挥。因此，大力促进核桃收获后初加工连续化、产线化，实现各环节对应装置有效组合、串联，全流程机械化、智能化协同加工，自动化收集副产品，不仅提升核桃价值，还大幅提高工作效率、节省劳动力；4）利用工业互联网运行平台，将核桃行业的科研院所、农场、加工企业、用户需求互联互通与上下游产业对接结合，实现科研-种植-加工-销售产业智慧化与新模式，将极大推动中国核桃产业发展。

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Research progress of key technology and device for size-grading shell-breaking and shell-kernel separation of walnut

Liu Mingzheng1, Li Changhe1※, Cao Chengmao2, Turruhon Turdi3, Li Xinping4, Che Ji5, Yang Huimin3, Zhang Xiaowei1, Shi Mingcun1, Zhao Huayang6, Gao LianXing7, He Guangzan8, Jia Dongzhou6, Li Hansong9

(1.,,266520,; 2.,,230036,; 3.,,830011,; 4.,,471003,; 5.,830011,; 6.,,028042,; 7.,,110866,; 8.,610041,; 9.,250200,)

Walnut varieties are rich with the wide planting area in China, and the high yield ranked in the world. The walnut kernel is the most important edible part of walnut fruit. The by-products of walnut, such as walnut shell, have also great application potential to serve as cheap raw materials for the extraction of some important medical ingredients and the production of industrial products. However, the by-products are often burned or discarded as wastes in the processing process, leading to environmental pollution. The intensive processing of walnut products is increasing daily demanding with high nutrition and economic added value, indicating the walnut has a broad prospect of comprehensive development and utilization. Walnut size-grading, shell-breaking and kernel-fetching, as well as shell-kernel separating are the most critical the links in the primary processing, which are the prerequisite before the intensive processing of walnut. However, the traditional manual operation mode and the primary processing equipment with simple functions cannot meet the high quality and quantitative requirements of the food industry, which seriously restricts the development of the walnut industry. Therefore, it is imperative to strengthen the research and development of key technologies and devices for walnut primary processing. Based on the size characteristics, four devices were used in walnut size-grading, including the type of taper roller, grid cylinder, sieve, and visual imaging. The status quo and application characteristics of devices were summarized in this review. The combinations of optimized parameters can be obtained from the multi-factor performance tests for different types of devices. The physical characteristics of walnut were important basis for the design of shell-breaking device, such as sphericity, shell thickness, and moisture content, due to they directly determine the mechanical properties of walnut shell and kernel. The specific ranges of parameters were determined to represent different physical characteristics. Three main principles of walnut shell-breaking were then classified, including extrusion, collision, and gas explosion. The characteristics and applications of core shell breaking were reviewed, with emphasis on three innovative shell-breaking devices. The multi-factor performance test can be used to optimize the parameter combination of main influencing factors in each type of device. In shell-kernel separation, the winnowing type was the main application in the relevant devices at present. The morphological characteristics and physical parameters of walnut mixed shell-kernel were the main basis for setting the wind speed and direction. An attempt was made on the separation mechanism of shell-kernel by winnowing type, the optimization parameters of various shell-kernel separation devices and their respective multi-factor performance tests. This review systematically summarized the physical characteristics, working mechanism, device, and performance optimization test, corresponding to the key links of walnut primary processing. The finding can be expected to deepen the understanding of walnut primary processing, and further provide theoretical basis and technical support for improving walnut processing level.

materials properties; crack propagation; flexible shell-breaking; shell-breaking kernel-fetching; shell-kernel separation; device; walnut; size grading

刘明政，李长河，曹成茂，等. 核桃分级破壳取仁及壳仁分离关键技术与装置研究进展[J]. 农业工程学报，2020，36(20)：294-310.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.035 http://www.tcsae.org

Liu Mingzheng, Li Changhe, Cao Chengmao, et al. Research progress of key technology and device for size-grading shell-breaking and shell-kernel separation of walnut[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(20): 294-310. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.035 http://www.tcsae.org

2020-06-30

2020-10-10

国家自然科学基金项目（52075003、51475002、51665058、51865046）

刘明政，博士生，工程师，主要从事农业机械装备设计研究。Email：lmzzz654321@163.com

李长河，二级教授，博士生导师，主要从事精密加工与智能制造研究。Email：sy_lichanghe@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.035

S233.5

A

1002-6819(2020)-20-0294-17