多工位定向挤压鲜核桃破壳装置设计与试验

李康　李长河　刘明政　王乐意　曹成茂　赵华洋　车稷　何光赞　坎杂

摘要：鮮核桃破壳是核桃初加工过程中的关键环节，针对鲜核桃破壳过程中存在的定位困难、碎仁率高等技术瓶颈，通过对鲜核桃物理特性与壳体力学分析，设计了多工位定向挤压鲜核桃破壳装置，并对喂料机构和多工位定向破壳机构进行了结构设计。通过单因素实验法确定了破壳装置参数的调节范围，以激振力、拨料杆角度、凸轮轴转速、核桃周径为试验因素进行正交试验。结果表明：最优水平组合为激振力0.49 kN、拨料杆角度0°、凸轮轴转速10 r/min、核桃平均周径31.5 mm；在最优组合下，破壳装置的一露仁率为94.44%、二露仁率为2.77%、碎仁率为0%、破壳率为97.22%。试验结果证明设计的破壳装置能满足核桃初加工行业的需求，并为鲜食坚果类破壳提供理论借鉴与技术支持。

关键词：鲜核桃；破壳；物料特性；装置设计；多工位；定向挤压

中图分类号：S226.4文献标志码：A文献标识码

Design and experiment of multi-station directional extrusion shell breaking

device for fresh walnut

LI  Kang1，LI  Changhe1*，LIU  Mingzheng1，WANG  Leyi1，CAO  Chengmao2，ZHAO  Huayang3，

CHE  Ji4，HE  Guangzan5，KAN  Za6

（1 School of Mechanical and Engineering，Qingdao University of Technology，Qingdao，Shandong 266520，China;

2 School of Engineering，Anhui Agricultural University，Hefei，Anhui 230036，China;

3 School of Engineering， Inner Mongolia Minzu University，Tongliao，Inner Mongolia 028042，China;

4 Xinjiang Jiangning Light Industry Mechanical Engineering Technology Co.Ltd.，Urumchi，Xinjiang 830011，China;

5 Sichuan Clean Energy Drying Equipment Co.Ltd.，Chengdu，Sichuan 610041，China;

6 College of Mechanical and Electrical Engineering，Shihezi University，Shihezi，Xinjiang 832003，China）

Abstract：  Fresh walnut shelling is a key link in the initial processing of walnuts，and there are technical bottlenecks in the process of fresh walnut shelling such as difficult positioning and high rate of broken kernels.Through analysis the physical characteristics and shell mechanics of fresh walnuts，a multi-station directional extrusion fresh walnut shelling device was designed.And the structural design of feeding mechanism and multi-station directional shell breaking mechanism was carried out.The adjustment range of the parameters of the shell-breaking device was determined by single-factor experiments.The orthogonal test was conducted with excitation force，feeding rod angle，camshaft speed and circumference of walnut as the test factors.The results showed that the optimized combination was as follows：the excitation force was 0.49 kN，the feeding rod angle lever was 0°，the camshaft speed was 10 r/min，and the average circumference of walnut was 31.5 mm.In this case，one kernel rate was 94.44%，two kernel rate was 2.77%，kernel cracking rate was 0%，and shell-broken rate was 97.22%.The test results prove that the designed shell breaking device meets the needs of the walnut primary processing industry，and provide theoretical reference and technical support for fresh nuts shell breaking.

Key words： fresh walnut;shell breaking;material characteristics;device design;multi-station;directional extrusion

核桃作为食用价值和药用价值兼备的坚果，具有极高经济价值［1］。近年来，鲜核桃因口感清甜、营养丰富市场需求量增长迅速，但是鲜核桃仁在空气中极易变质，为了保证鲜核桃仁品质，从冷库中取出后需及时对鲜核桃进行破壳取仁并进行密封加工保鲜［2］。为取整仁，传统的方式主要依赖于手工破壳，效率低且成本高［3］。加工周期加长会影响鲜核桃仁的品质，严重制约核桃加工产业的发展。因此，为缩短加工周期，提高农产品附加值［4］，急需研发鲜核桃破壳取整仁装置。

目前，科研人员基于核桃的物理化学特性进行了大量研究并设计了挤压式［5-7］、剪切式［8-9］、气爆式［10］、锥篮式［11］和击打式［12-13］等不同种类的核桃初加工设备；石明村等［7］设计了凸轮摇杆挤压式破壳装置，通过U形塊结构简化了核桃自定位结构；刘明政等［8］通过刚度分析和裂纹扩展条件计算对核桃破壳进行了机理分析并研究了对破壳最有效的带速差和挤入夹角；马秋成等［9］根据剪切式原理设计了楔形定向破壳装置，实现了核桃的周径方向定向破壳；李忠新等［11］基于挤压摩擦机理设计了锥篮式破壳装置，研究了对不同核桃品种、尺寸、含水率的破壳效果。但是因核桃含水量、壳体厚度，球度等因素的制约，现有设备存在难以产生龟裂纹等问题，适应性差等问题［14］，并不能得到很好的推广应用。

为解决制约鲜食坚果产业发展的技术瓶颈，分析现有破壳装置存在的问题，本文基于鲜核桃含水量高、核桃仁柔性大等特点，对鲜核桃物理特性进行研究分析，依据鄂式破碎原理设计出适用于鲜核桃的破壳装置。

1 鲜核桃物理特性与破壳机理分析

1.1 鲜核桃物理特性

鲜核桃指去青皮后未经干燥过程的核桃，其物理特性是决定装置设计和工作参数的重要因素。随机选取并测量100枚样本，得到三径尺寸分布如图1所示，符合正态分布。

鲜核桃的主要尺寸，平均质量和球度对破壳设备的设计至关重要［15］，其数值列于表1。核桃球度计算公式为

式（1）中为球度;L为核桃长径，mm;W为核桃周径，mm;T为核桃棱径，mm。

由表1可知：鲜核桃平均壳厚为3.03 mm，球度为0.941，呈椭球形。核桃壳由硬质层和木质层组成，厚度与水分含量线性相关。水分含量高时木质层吸水膨胀紧贴于核桃仁表面与分心木连接，并与核桃壳之间形成多微气囊结构起到保护作用。与干核桃相比鲜核桃果仁韧性更大，在外力作用下不易损坏，因此可取整仁，但是含水量增高的同时，缝合线处结合力减小［16］，破壳时易从缝合线处裂开导致后期取仁困难，通过增加施力对数可以有效提高果壳表面裂纹分布，提高破壳质量。

1.2 破壳机理

1.2.1 壳体力学分析

核桃在多对集中力作用下壳体逐渐被压缩，当集中力超过临界值时，核桃壳首先在集中力作用点附近破裂，同时裂纹随着力进一步扩展［8］。根据弹性力学理论，壳体破裂的临界压力为

式（2）中Pcr为临界压力，MPa;E为核桃壳弹性模量，GPa;r为核桃平均半径，mm;μ为泊松比;h为核桃壳平均厚度，mm。

经测量，核桃壳体顶部厚度>缝合线处厚度>周径处厚度>核桃底部厚度，核桃三维形态如图2所示。

由表1可知：平均厚度h为3.03 mm，平均半径r为18.24 mm；E=0.18 GPa，μ=0.3。将已知参数代入式（2）可得核桃的平均临界压力为6.01MPa，通过式（2）可知：壳体临界压力与核桃壳厚度线性相关，随着核桃壳厚度增加，破壳所需要的力逐渐增大，因此，周径方向是核桃破壳的理想方向。

1.2.2 壳体裂纹扩展

裂纹随着外力到达临界值时会继续扩展，主要分为Ⅰ型（张开型）和Ⅱ型（撕裂型）［17］，如图3所示。

图3a为试验产生裂纹实物图，在挤压初期，核桃壳体受到正压力作用变形，在壳体内部远离正压力作用区域产生拉应力，裂纹面与拉应力正交，产生Ⅰ型裂纹；在正压力作用区域，裂纹两部分壳体在平行于裂纹面切应力作用下相互撕扯，产生Ⅱ型裂纹并进一步扩展，直至外力消失。裂纹扩展的临界应力为

式（3）中σc为裂纹扩展临界应力，MPa;γ为单位面积表面能，kJ/m2;a为裂纹长度，mm。

1.2.3 不同对数集中力作用处位移分析

如图4所示，在一对集中力P作用下壳体上任意一个微小的单元a存在着薄膜力Nφ、Nγ和横向剪力Qφ，宏观上表现为裂纹扩展区域壳体的相互撕扯、张裂（图3a）。壳体上任一点的位置可由球心角φ和圆心角γ确定［7］。

集中力作用处球心角为0，故切线方向位移U0=0，即破裂的主要原因是法向位移W0引起的［8］，在集中力处位移关系如下

根据无矩理论可推导出远离集中力作用处切线方向位移U和法线方向位移W的计算公式

式（5）中P为集中力，N;chφ为双曲余弦函数;thφ为双曲正弦函数。

为了更直观的体现出不同φ角时集中力作用点处与远离集中力作用点处法向位移的关系，引入法向位移相对比值Φ=W0/W。Φ与式（5）中C的计算结果如表2所示。

在法向集中力作用下核桃壳体会产生压缩变形量，设一对集中力作用下位移为δ，根据表2，使用线性叠加方法，可计算得出二、三、四对集中力处位移分别为1.44δ、1.22δ、1.18δ。在两对集中力作用下壳体裂纹根源增加，所产生的位移量最大，壳最易破裂，因此采用两对集中力进行破壳。

2 工作原理与关键机构设计

2.1 工作原理

核桃破壳装置如图5所示，其长度为1410 mm，宽度为640 mm，高度为1150 mm。由直振送料系统、喂料系统、多工位定向破壳系统和动力系统组成。直振送料系统与喂料系统作为装置的前端作用是保证核桃姿态可控、喂料量可控，分别设置8个工位与多工位定向破壳系统对应。

工作时，将分级后的核桃倒入喂料箱中，通过直振送料系统中振动电机产生的激振力和V形轨道作用下核桃沿长径方向运动并落入喂料系统，在喂料系统V形槽的作用下实现二次定位，后在拨料装置与导料杆作用下核桃被单果喂入破壳系统。其中，当拨料装置开始拨动核桃时，破壳动板在凸轮带动下进入预紧状态，破壳动板与破壳定板之间形成一定夹角，核桃在破壳动板与破壳定板作用下定位自锁，实现定向挤压。随着凸轮先后进入一次破壳阶段、二次破壳阶段、回程阶段，对核桃进行两次定向挤压，挤压完成核桃在重力作用下经出料装置落出。

2.2 喂料机构设计

喂料机构的结构及受力分析如图6所示。

喂料机构的主要工作参数包括拨料齿长度、V型倾斜送料板倾角和拨料杆调整角度。V形倾斜送料板底端与导料杆前端相连，导料杆底端与破壳定板相连，V型槽底部设置8个开口，拨料机构设置于导料杆底部并通过轴承固定于机架上，其上设置8个拨料齿，与破壳定板上8个破壳工位对应，通过链传动旋转拨动排列在V型倾斜送料板V型槽内的核桃实现单果喂料。核桃经V型槽机构定位和导料杆导向以长径方向落入破壳机构。

根据鲜核桃的几何特征，为保证拨料齿转动一周仅可拨入单个核桃，拨料齿长度应大于44.82 mm，考虑到整体的配合关系，最终确定拨料齿长度为60 mm、直径为8 mm。

将核桃简化为球形，核桃在V形槽中受力如图6c所示，为确保核桃可以顺利运动到V形倾斜送料板底端，有

式（6）中m1为核桃质量，g;β为V形倾斜送料板倾斜角，°。

核桃与V槽的摩擦系数μ=0.2，由式（7）可知当β>arctanμ時，即β>11.3°时，核桃可运动至V形倾斜送料板底端，通过预试验取β=15°。

拨料杆角度调整机构如图7所示，在拨料杆一端设置指示线，链轮一侧设置有刻度尺并通过紧定螺丝固定于拨料杆上。需要调整拨料杆角度时，通过放松紧定螺丝，对照指示线与刻度尺的位置转动拨料杆进而调节角度。拨料杆角度影响核桃落入破壳区间的位置，从而影响破壳时的挤压间隙。根据前期试验，每个刻度线之间角度设置为15°，可在0°～60°之间进行精确调整。

2.3 多工位定向挤压破壳机构设计

多工位定向挤压破壳机构是核桃破壳装置的关键部件，如图8所示。主要结构参数包括啮合角θ、破壳动板底端到旋转中心距离l、板间距离B。为提高装置生产效率，可设置多个破壳工位。破壳定板固定于机架上，破壳动板通过凸轮驱动，在两板下部形成破壳区。为实现核桃定位与周径方向定向挤压，从喂料机构落下的核桃经导料杆导向以长径方向落入破壳定板和凸轮驱动的破壳动板形成的V型间隙中。

啮合角θ指核桃进入破壳区域定位时的预紧角。如果啮合角θ取值过大，虽然核桃的破壳率增加，但是会造成破碎程度过大，碎仁率增加，还会造成物料和两板之间摩擦力变小，从而导致物料向上跳出；如果啮合角θ的取值偏小，在摩擦力提高的同时破壳率却降低了，且使破壳腔的高度增加。因此，设计合适的啮合角θ对于破壳装置有重要的意义。

核桃的形状近似为椭球形，其与V形块接触为点接触，随着集中力的作用，接触区域从圆点变为圆形接触面。核桃在破壳装置中处于受力平衡状态，受到破壳定板与破壳动板的挤压受力情况如图9所示，在破壳时受到两对集中力作用，核桃本身重力与之受到的压力相比极小，故忽略不计。图9中，P1和P2分别为破壳定板以及破壳动板对核桃正压力的合力，N；fP1和fP2为物料由于挤压受到两块板的摩擦力，N；f为物料与两板间的摩擦系数，0.2；θ为两板的啮合角，（°）；θ1和θ2分别为破壳定板和破壳动板与y轴夹角，（°）；ω为凸轮转速，r/min。

要保证核桃在破壳时不向上挤出，需满足以下力学平衡条件：

P1、P2将分解产生向上的分力，将使核桃产生向上的运动趋势，此时系统将产生与该趋势相反的静摩擦力以平衡该趋势［11］，此时有

根据鄂式破碎原理，啮合角角度θ取65%。破壳系统中破壳定板垂直与水平面，故θ=θ2。由式（8）、（9）、（10）、（11）即可确定啮合角θ取值范围为0°～14.8°，因正弦函数对θ变化较为明显，θ取值过小时静摩擦力将不能阻止核桃向上挤出趋势，因此试验装置破壳时啮合角θ=10°。

式（12）中Dmax为核桃最大周径，mm;Dmin为核桃最小周径，mm;B为破壳定板与破壳动板之间的距离，mm;θ3为破壳动板最大摆角，°。

通过对鲜核桃外形尺寸测量可知，核桃周径在35.63～41.44 mm内，同时为保证核桃在破壳区破壳，通过试验观察核桃经导料杆导向后自由落体至破壳区。经计算，确定破壳定板和破壳动板长度为200mm，破壳装置中破壳动板底端到旋转中心的距离l=160 mm，θ3=15°，核桃最大周径Dmax和最小周径Dmin由表1给出。由式（12）可得出两板之间距离B的取值范围41.4 mm

为降低漏破率，采用两次挤压破壳，分为落料定位、一次挤压破壳、二次挤压破壳、落料四个阶段。破壳过程中凸轮运动状态如图10所示。

3 试验条件与方法

3.1 试验条件

为检测装置的破壳性能，采用单因素试验和正交试验对影响装置破壳性能的因素进行试验分析与验证。试验材料选用济宁邹城种植的鲜核桃作为试验对象，试验前人工剔除畸形，坏损的核桃，并用游标卡尺测量将核桃分为30～33 mm、33～36 mm和36～39 mm三级范围。

试验设备及仪器有破壳装置、游标卡尺、电子秤等。

3.2 试验方法

3.2.1 破壳性能测定

核桃破壳后，按核桃仁的完整度不同可分为：整仁、1/2仁、1/4仁、1/8仁。其中大于等于1/4仁的为一露仁，小于1/4大于1/8的为二露仁，小于1/8的为碎仁［8］。将破壳率记为y1，一露仁率为y2，二露仁率为y3，碎仁率为y4。

3.2.2 装置参数的确定

根据鲜核桃物理特性与破壳机理分析，影响破壳效果的主要因素是激振力A，拨料杆角度B，凸轮转速C，核桃周径D，其中A、B、C为破壳装置的关键参数，激振力的大小影响核桃轴向运输的速度；拨料杆角度影响核桃落入破壳区间的位置，从而影响破壳时的挤压间隙；凸轮转速同样对落料位置与挤压间隙产生影响。根据前期预实验，激振力的调整范围为0.25～0.49 kN，凸轮轴转速调整范围为10～30 r/min，可通过调频器显示具体数值并进行调整；拨料杆角度调整范围为0～60°；经测量核桃周径取值分布在30～39 mm之间，分为30～33 mm，33～36 mm，36～39 mm三级。为确定装置参数，在单因素试验中取周径在33～36mm范围内的鲜核桃，以A、B、C作为试验因素，破壳率y1、一露仁率y2、二露仁率y3和碎仁率y4作为试验指标进行单因素试验，确定破壳装置的参数取值。

4 结果与讨论

4.1 不同因素对装置性能影响

不同因素水平对装置性能影响的试验结果如图11、图12、图13所示，图中水平坐标为每个因素的水平，垂直坐标为测试的评价指标。

由图11可见：在激振力小于0.4 kN时，破壳率和一露仁率随着激振力增大逐渐减小，超过0.4 kN时急剧减小，说明当激振力超过一定数值时，送料速度过快，而凸轮轴转速一定，导致物料在输送过程中堆积，产生漏破现象，然而虽然较小的激振力可以避免物料堆积，但是破壳效率显著降低；激振力的变化对碎仁率的影响较小，表明鲜核桃仁含水量高，韧性大，不易产生碎仁。因此，激振力的取值范围选定为0.35～0.49 kN。

由图12可见：破壳率和一露仁率随着拨料杆角度增加呈先增大后减小的趋势；二露仁率和碎仁率整体呈现缓慢增加趋势；当拨料杆角度在15°～20°范围内时，破壳效果最好，表明在此区间内对同一级别的核桃有更好的破壳效果，每一种级别的核桃在与之对应的拨料杆角度区间内将会取得更好的破壳效果。表明拨料杆的角度影响核桃在破壳装置中的破壳位置，破壳间隙存在差异性，并导致破壳效果产生变化。因此，确定拨料杆的调整范围为0°～60°。

由图13可知：随着凸轮转速增加，破壳率和一露仁率先增大再减小，壳体表面裂纹扩展程度与一露仁率随凸轮转速增大而增大，当凸轮转速超过20 r/min时呈线性下降趋势；二露仁率先减小后增大；三者随凸轮转速变化明显。结果表明，随着凸轮转速增加，加载速率增大，破壳时间减小，而落料时间固定不变，导致部分核桃未进入有效破壳区域，破壳率因此降低。当凸轮转速大于20 r/min时，核桃在破壳装置停留时间太短，破壳效果差；当凸轮转速为10～20 r/min时，破壳效果更好。因此，凸轮转速的参数定在10～20 r/min之间。

4.2 正交试验

通过单因素试验可知，破壳装置的性能受激振力、拨料杆角度、凸轮轴转速和核桃周径的影响。选取L9（34）正交试验表进行试验［18］，试验效果如图14所示，核桃破壳性能试验水平如表3所示，试验结果列于表4。

从表4可以看出四种因素对破壳率y1、一露仁率y2、二露仁率y3、碎仁率y4的影响。

ki的数值表示对相应指标的影响情况，对于一露仁率、二露仁率和破壳率，ki越大越好，但对于碎仁率，ki越小越好。由表5可知：因素A与因素C对破壳指标的影响程度最大且两者相近，B和D次之。当核桃的周径D范围为30～33 mm时，A1B1C1组合效果最好，此时一露仁率、二露仁率、碎仁率、破壳率分别达到了94.44%、2.77%、0%、97.22%；当核桃周径D范围为33～36 mm时，取A1B2C2组合效果最好，此时一露仁率、二露仁率、碎仁率、破壳率分别达到了92.85%、2.86%、1.43%、97.14%；当核桃周径D范围为36～39 mm时，A1B3C3组合效果最好。此时一露仁率、二露仁率、碎仁率、破壳率分别达到了81.97%、4.91%、3.28%、91.8%。

由表5试验结果极差分析可知，其中影响一露仁率的主次因素为A>C>D>B，影响二露仁率的主次因素为A>C>D>B，影响碎仁率的主次因素为C>A>D>B，影响破壳率的主次因素为A>C>B>D。

4.3 讨论

与干核桃相比，鲜核桃在破壳力、缝合线结合力、含水率和核桃仁力学特性存在显著差异。刘奎等［19］研究了含水率、加载速度和破壳方向对核桃破壳性能的影响，结果表明核桃在周径方向更易破壳，且对核桃仁损伤更小；同时因缝合线处结合力小，更易直接裂开导致取仁困难。马秋成等［9］测试了核桃三个方向的破壳力，结果表明沿周径方向破壳，破壳力更小，碎仁率更低。本研究通过对鲜核桃物理特性分析、壳体力学分析得出破壳力与核桃壳厚度线性相关，随着核桃壳厚度增加，破壳所需要的力逐渐增大，核桃的最佳破壳方向为周径方向，为装置定向结构的设计提供了理论依据。

此外沈柳杨等［20］对不同含水率的核桃仁力学特性进行了试验研究，结果表明在周径方向上核桃仁受载与抗变形能力更强。本试验通过裂纹扩展与集中力作用位移分析得出最佳破壳位置为周径方向，最佳破壳力为两对集中力破壳；另外，通过正交试验分析表明两对集中力作用下沿周径方向破壳时破殼率最高达97.22%，碎仁率更低。

5 结论

（1）研究了鲜核桃的物理特性，得出了鲜核桃壳体顶部厚度>缝合线处厚度>周径处厚度>核桃底部厚度的几何特征。通过核桃壳体力学分析得到了壳体临界压力与核桃壳厚度线性相关，鲜核桃的平均临界压力为6.01 MPa。进行了核桃壳体集中力作用处位移分析，研究了不同对数集中力作用下核桃壳体的位移，得出在两对集中力作用下壳体产生的位移最大，核桃壳容易破裂。

（2）设计了多工位定向挤压鲜核桃破壳装置，并对装置中喂料机构和多工位定向挤压破壳机构进行了理论设计。通过拨料机构和导料杆对核桃进行喂料并导向，实现了单果喂料。通过多工位定向挤压破壳机构中双V形结构自定位实现核桃的周向挤压破壳。

（3）通过单因素试验确定了激振力、拨料杆角度和凸轮转速三种因素对破壳装置破壳性能的影响规律，确定了激振力参数的调整范围0.35～0.49 kN，拨料杆角度参数的調整范围0°～60°，凸轮转速参数的调整范围10～20 r/min。

（4）正交试验结果表明：当核桃的周径范围为30 mm～33 mm，即平均周径为31.5mm时，A1B1C1组合效果最好，即当激振力为0.49 kN、拨料杆角度为0°、凸轮轴转速为10 r/min时，一露仁率、二露仁率、碎仁率、破壳率分别达到了94.44%、2.77%、0%、97.22%。鲜核桃破壳装置满足破壳作业要求。

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（责任编辑：编辑张忠）

收稿日期：2022-10-17

基金项目：国家自然科学基金（52105264，51475002）

作者简介：李康（1999—），男，硕士研究生，专业方向为农业机械装备设计，e-mail：likang_1999@163.com。

*通信作者：李长河（1966—），男，教授，主要从事精密加工与智能制造研究，e-mail：sy_lichanghe@163.com。