四點(diǎn)擠壓式核桃破殼機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

閆　茹 趙奎鵬 王亞雄 李　均 陳　靜

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安　710021)

?

四點(diǎn)擠壓式核桃破殼機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

閆茹 趙奎鵬 王亞雄 李均 陳靜

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安710021)

針對于現(xiàn)有核桃破殼機(jī)兩點(diǎn)受力破殼原理易造成破殼率低，高路仁率低的現(xiàn)象，研制“四點(diǎn)擠壓式”核桃破殼機(jī)，并進(jìn)行了“四點(diǎn)受力破殼”和“兩點(diǎn)受力破殼”的對比試驗(yàn)，以及四點(diǎn)擠壓式破殼機(jī)的初步試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：“四點(diǎn)擠壓式”核桃破殼機(jī)的破殼效果明顯優(yōu)于兩點(diǎn)受力破殼，且可適用于不同尺寸大小的核桃。破殼效果和擠行程有很大關(guān)系，但和核桃本身大小尺寸關(guān)系并不明顯。核桃的含水率為10%的條件下，當(dāng)擠壓行程為6 mm時(shí)，核桃的破殼效果最好，破殼率為100%，高路仁率為96.8%。

核桃；破殼機(jī)；擠壓

核桃果仁營養(yǎng)價(jià)值高，含有大量的蛋白質(zhì)、脂肪和人體必備的氨基酸、維生素、微量元素等[1-2]。核桃適于深加工。發(fā)達(dá)國家80%的核桃以其深加工產(chǎn)品的形式投入市場。在核桃初加工中，中國仍以人工破殼為主，機(jī)器破殼為輔(不足10%)[3]。人工破殼，勞動(dòng)量大、效率低，而且污染指數(shù)高，影響核桃品質(zhì)，極大地降低了核桃的附加值[4-5]。

中國現(xiàn)有核桃破殼機(jī)的主要破殼原理是擊打或者擠壓原理。董詩韓等[6]設(shè)計(jì)的多輥擠壓式核桃破殼機(jī)，利用破殼主輥和輔助輥之間的間隙進(jìn)行擠壓破殼，通過正交試驗(yàn)，得到了最佳的工作參數(shù)，破殼輥轉(zhuǎn)速80 r/min，輔助破殼輥轉(zhuǎn)速50 r/min時(shí)，破殼質(zhì)量較好。王維等[7]設(shè)計(jì)了與之相似的變間距擠壓式核桃破殼機(jī)，將周圍輔輥設(shè)計(jì)為可調(diào)節(jié)式的，根據(jù)不同的核桃大小調(diào)節(jié)輥?zhàn)娱g的擠壓間隙，當(dāng)輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速 65 r/min、喂入量 20 kg/min、含水率 35%時(shí)，破殼效果最佳。李忠新等[8]根據(jù)擠壓原理設(shè)計(jì)了錐籃式核桃破殼機(jī)，破殼時(shí)，核桃分別與錐籃和機(jī)體內(nèi)壁接觸，核桃在破殼裝置中受正壓力和摩擦力的綜合作用，從而使核桃殼破裂。同時(shí)，還研究了在不同含水率、錐角、核桃尺寸等因素影響下，錐籃式核桃破殼裝置的破殼性能。

上述核桃破殼機(jī)的破殼方式都是讓核桃殼兩點(diǎn)受力，當(dāng)受力超過核桃殼的受力極限時(shí)，核桃殼自行破碎。然而，一點(diǎn)受力或者兩點(diǎn)受力都存在核桃殼受力不均勻的問題，當(dāng)施加的破殼力小時(shí)，核桃殼容易局部破碎，導(dǎo)致破殼率低下。當(dāng)施加的破殼力大時(shí)，核桃殼破碎了，但是內(nèi)部的核桃仁也受損嚴(yán)重，使高路仁率降低。

基于此，本研究研制了四點(diǎn)擠壓式核桃破殼機(jī)，從4個(gè)擠壓點(diǎn)同時(shí)施加擠壓力進(jìn)行破殼，并進(jìn)行了破殼試驗(yàn)。該破殼機(jī)對核桃破殼時(shí)，破殼效果與前期自主設(shè)計(jì)加工的偏心式核桃破殼機(jī)[9]的效果相比，有很大的改善。

1　核桃破殼機(jī)的設(shè)計(jì)與原理

1.1四點(diǎn)擠壓式核桃破殼機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

四點(diǎn)擠壓式核桃破殼機(jī)主要由喂料斗、單個(gè)送料裝置、擠壓裝置、傳動(dòng)裝置、出料斗、機(jī)架等部分組成，見圖1。

1.2工作原理

當(dāng)核桃破殼機(jī)工作時(shí)，核桃靠自身重力從喂料斗底部的出料口中落下，落在出喂料斗下方的上料板上，此時(shí)，核桃上半部還在喂料斗中，下半部由上料板支撐。出于在樣機(jī)測試階段的安全考慮，采用人工給力的方法讓設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，以手推動(dòng)搖桿擺動(dòng)，搖桿帶動(dòng)整個(gè)擠壓裝置做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。上料板開有圓孔，跟隨搖桿一起做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)上料板5的圓孔和料斗上的出料口重合時(shí)，核桃從料斗出料口落下，落到擋料板上，核桃中間正好卡在上料板的圓孔里，隨上料板往復(fù)移動(dòng)。當(dāng)上料板的圓孔和擠壓裝置進(jìn)料口對齊時(shí)，擠壓裝置底部的擋料板關(guān)閉，核桃落進(jìn)擠壓裝置中，擠壓裝置對其進(jìn)行四點(diǎn)擠壓破殼，隨著擠壓裝置擠壓塊的放開，底部擋料板打開，被擠壓破殼的核桃在自身重力作用下從擠壓裝置中掉落。

1. 機(jī)架　2. 擠壓機(jī)構(gòu)　3. 搖桿　4. 料斗　5. 上料板　6. 導(dǎo)軌 7. 擋料板

1.3核桃破殼機(jī)的設(shè)計(jì)

1.3.1單個(gè)送料裝置的設(shè)計(jì)如圖2所示，單個(gè)送料裝置主要包括一塊帶有圓孔的上料板、料斗、擠壓裝置頂板。上料板在料斗和擠壓裝置之間，與料斗的底部和擠壓裝置上部的距離均為20 mm，上料板一邊安裝在擠壓裝置的搖桿上，另一邊安裝在擠壓裝置的另一個(gè)擠壓機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌上。當(dāng)搖桿擺動(dòng)時(shí)，上料板隨擠壓裝置做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，左右的運(yùn)動(dòng)極限為分別與推料板的圓孔、喂料斗和擠壓裝置進(jìn)料口對齊，保證單個(gè)核桃正確進(jìn)出料。料斗設(shè)計(jì)成漏斗狀，用于儲(chǔ)存待破殼的核桃，其底部有直徑為45 mm的圓孔，能夠保證一次性通過一個(gè)核桃。上料板一邊固定于導(dǎo)軌上，另一邊和搖桿銷釘鏈接，搖桿擺動(dòng)帶動(dòng)上料板往復(fù)移動(dòng)。

核桃靠自身重力從喂料斗底部的出料口中落下，落在出喂料斗下方的上料板上，由于核桃直徑大于上料板與料斗頂部的距離，因此，核桃上半部還在喂料斗中，下半部由上料板支撐。搖桿帶動(dòng)上料板左右擺動(dòng)，當(dāng)其向右擺到極限位置時(shí)，推料板的孔正好和喂料斗底部的孔相重合，喂料斗內(nèi)的核桃通過孔落入上料板的孔中，然后隨該上料板向左擺動(dòng)，當(dāng)上料板的孔正好與擠壓機(jī)構(gòu)的核桃擠壓孔重合時(shí)，核桃落入擠壓機(jī)構(gòu)的擠壓孔內(nèi)，進(jìn)行擠壓動(dòng)作。

1.3.2擠壓裝置的設(shè)計(jì)如圖3所示，擠壓裝置主要由壓塊固定板、擠壓裝置頂板、搖桿、擠壓塊、轉(zhuǎn)盤等組成。根據(jù)核桃的尺寸大小，設(shè)計(jì)擠壓塊長為70 mm，寬為30 mm，擠壓接觸板寬為30 mm時(shí)，可以保證核桃破殼過程中擠壓接觸板和核桃的充分接觸，同時(shí)，也是一個(gè)“省力杠桿”。擠壓塊的前端通過銷釘，連接在壓塊固定板上，可以繞銷釘轉(zhuǎn)動(dòng)。另一端固定有銷子，銷子在轉(zhuǎn)盤的導(dǎo)向槽內(nèi)，擠壓裝置頂板設(shè)計(jì)一向下突出的圓環(huán)用于支撐轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤的往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)擠壓塊內(nèi)外擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)核桃的破殼動(dòng)作。

1. 擠壓裝置頂板　2. 搖桿　3. 料斗　4. 上料板

1. 擠壓塊安裝板2. 擠壓裝置頂板3. 轉(zhuǎn)盤4. 擠壓塊5. 搖桿

圖3擠壓機(jī)構(gòu)

Figure 3The extrusion device

1.3.3出料裝置的設(shè)計(jì)出料裝置包括擠壓塊安裝板、導(dǎo)軌、搖桿、擋料板。擋料板安裝在擠壓塊安裝板的下方，與其距離2 mm，當(dāng)待破殼核桃落入擠壓裝置時(shí)，核桃正好被擋料板擋住。如圖4所示，擋料板一側(cè)安裝在導(dǎo)軌上，另一側(cè)通過銷釘與搖桿相連，由搖桿帶動(dòng)擋料板的往復(fù)移動(dòng)。當(dāng)搖桿向左擺動(dòng)時(shí)，核桃擠壓裝置打開，出料口被擋料板擋住，待破殼核桃落入；當(dāng)搖桿向右擺動(dòng)時(shí)，擠壓塊對核桃進(jìn)行擠壓，此時(shí)，出料口打開，由于核桃處于被擠壓狀態(tài)，不會(huì)掉落，當(dāng)搖桿再次向左開始擺動(dòng)時(shí)，擠壓裝置松開，核桃在自身重力作用下掉落。搖桿繼續(xù)向左擺動(dòng)，此時(shí)出料口又被擋料板擋住，下一個(gè)待破殼核桃落入，如此循環(huán)，完成破殼。

1. 擠壓塊安裝板　2. 搖桿　3. 導(dǎo)軌　4. 擋料板

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1試驗(yàn)材料

在兩種破殼方式的對比試驗(yàn)中，用陜西本地核桃做試驗(yàn)。由前期對物理參數(shù)的測量計(jì)算可知，陜西核桃長度、棱徑較為接近，核桃圓度較高，直徑在37 mm左右，圓度可達(dá)0.95±0.03。選取陜西本地核桃，尺寸大小為32～35 mm，每組核桃取20個(gè)。

在四點(diǎn)擠壓式核桃破殼機(jī)的初步試驗(yàn)中，由于核桃尺寸大小不同，先對核桃進(jìn)行一個(gè)初步的分級。陜西本地核桃圓度較高，故根據(jù)核桃短徑尺寸大小，將核桃分為30，35，40 mm三級。同時(shí)，將擠壓行程定為4，6，8 mm。每組選取20顆核桃進(jìn)行試驗(yàn)。在前期的研究[10-11]中發(fā)現(xiàn)含水率對核桃破殼影響很大，故在四點(diǎn)擠壓式破殼機(jī)的初步試驗(yàn)中采用核桃的含水率為10%。

2.2試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)

選取核桃的破殼率、整仁率和高路仁率作為評價(jià)指標(biāo)。根據(jù)核桃殼的破碎面積，確定破殼率。破殼率為核桃殼破碎率達(dá)總面積3/4的核桃數(shù)量占破殼核桃總數(shù)的數(shù)量比；高路仁率為1/4及以上的核桃仁重量占核桃仁總重量的比例。

2.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1“四點(diǎn)受力”和“兩點(diǎn)受力”破殼對比試驗(yàn)當(dāng)核桃四點(diǎn)受力破殼力時(shí)，分A、B、C三種受力情況進(jìn)行試驗(yàn)。A施力方法：兩對力都施加在核桃表面，避開核桃棱；B施力方法：其中一對力施加在核桃表面，另一對力施加在核桃棱上；C施力方法：兩對力都施加在核桃棱上。核桃的物理參數(shù)見圖5。

由表1可知，在X軸方向破殼效果相對較好，破殼率達(dá)到80%，高路仁率只有33.9%，核桃在破殼的同時(shí)，又將核桃仁擠碎了，造成了高路仁率偏低；Y軸和Z軸方向的擠壓破殼率相對較小，然而，其高路仁率最大可到49.5%，這是由于核桃破殼后，沒有破開的核桃由人工再次剝殼，雖然高路仁率增高，但是也增加了人工成本。三種破殼方式的整仁率為0，高路仁的平均值為41.4%。兩點(diǎn)破殼試驗(yàn)的結(jié)果和有限元分析結(jié)果一致，X軸方向破殼相對最好，但是三種破殼方式的總體破殼效果有待提高[12-14]。

圖5　核桃物理參數(shù)圖

Table 1　　　　The result of shell breaking of walnut at two points%

用自制的四點(diǎn)擠壓式核桃破殼裝置進(jìn)行四點(diǎn)受力破殼試驗(yàn)。采用含水率為10%的核桃進(jìn)行不同方向的破殼試驗(yàn)。將每組核桃按試驗(yàn)設(shè)計(jì)方向放入試驗(yàn)裝置進(jìn)行破殼，結(jié)果見表2。由表2可知，A、B兩種方案的破殼率都達(dá)到了100%，且A方案的整仁率提高到了75.1%。三種方案的整仁率平均值為35.5%，高路仁率平均值為78.4%。結(jié)合表1可知，四點(diǎn)擠壓式破殼方式的破殼效果明顯優(yōu)于兩點(diǎn)擠壓式破殼。

表2　四點(diǎn)受力核桃破殼試驗(yàn)結(jié)果

2.3.2四點(diǎn)擠壓式核桃破殼機(jī)初步試驗(yàn)由表3可知，當(dāng)擠壓行程為4 mm時(shí)，核桃破殼率較低，當(dāng)擠壓行程為6 mm和8 mm時(shí)，破殼率都可達(dá)100%，但是擠壓行程為8 mm時(shí)，核桃高路仁率相對較低。

核桃擠壓破殼是利用外力對核桃殼進(jìn)行擠壓，當(dāng)核桃殼內(nèi)部的應(yīng)力達(dá)到核桃殼的強(qiáng)度極限時(shí)，核桃殼產(chǎn)生裂紋，從而達(dá)到破殼目的。無論核桃尺寸的大小，當(dāng)擠壓行程為4 mm時(shí)，核桃破殼率并不太高，這是由于核桃殼本身存在一定的韌性，當(dāng)擠壓塊向內(nèi)擠壓核桃殼時(shí)，根據(jù)“應(yīng)力集中”原理，在核桃殼與擠壓塊接觸的地方首先發(fā)生形變，當(dāng)形變達(dá)到變形的極限時(shí)，核桃開始產(chǎn)生裂紋，但是，4 mm的擠壓行程并不足以使核桃殼裂紋擴(kuò)展到整個(gè)核桃，僅僅是接觸部分的破殼，故破殼效果不理想。

表3　試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果

當(dāng)擠壓行程為6 mm，4個(gè)擠壓塊從4個(gè)點(diǎn)同時(shí)向內(nèi)擠壓核桃殼時(shí)，核桃殼在接觸部分開始產(chǎn)生裂紋，且6 mm的擠壓行程足以使核桃殼的形變擴(kuò)及整個(gè)核桃殼，從而使核桃破殼完全，故核桃殼破碎率高。

當(dāng)擠壓行程為8 mm時(shí)，核桃殼在接觸部分開始產(chǎn)生裂紋，且伴隨著極高的破殼率，核桃的高路仁率也在降低。因?yàn)楹颂覛ぴ谕耆扑楹螅瑪D壓塊還在進(jìn)一步擠壓核桃，以至于將完整的核桃仁擠碎，從而降低了高路仁率。

為了提高破殼率和高路仁率，以陜西本地核桃為例，在四點(diǎn)擠壓式核桃破殼機(jī)中，最優(yōu)的擠壓行程為6 mm，此時(shí)，核桃殼完全破碎，破殼率為100%，高路仁率為96.8%。

3　結(jié)論

本試驗(yàn)研制的“四點(diǎn)擠壓”式核桃破殼機(jī)適用于不同尺寸大小的核桃，且破殼效果明顯優(yōu)于“兩點(diǎn)受力”破殼的機(jī)械?！八狞c(diǎn)擠壓“式破殼機(jī)的破殼率為100%，高路仁率為96.8%。四點(diǎn)受力破殼為提高核桃破殼率、整仁率提供了一定的思路。

在前期的偏心式核桃破殼機(jī)的參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)中，不同的擠壓行程對核桃破殼有一定影響[11]，本試驗(yàn)中不同尺寸大小的核桃在破殼時(shí)，擠壓行程為4 mm時(shí)，破殼率都不好。當(dāng)擠壓行程為6 mm時(shí)，所有尺寸核桃的破殼效果明顯提高，也進(jìn)一步說明破殼效果和擠壓行程有大關(guān)系，但和核桃本身大小尺寸關(guān)系并不明顯。

本次試驗(yàn)只采用了一個(gè)品種的核桃，將來還應(yīng)進(jìn)一步用多個(gè)品種核桃進(jìn)行破殼試驗(yàn)，以檢驗(yàn)核桃破殼效率。在核桃破殼試驗(yàn)的過程中，力的加載位置對破殼效果有一定的影響，將來在改進(jìn)“四點(diǎn)擠壓”式核桃機(jī)時(shí)，應(yīng)該加上核桃的定向裝置。

[1] 鐘海雁, 李忠海, 袁列江, 等. 核桃生產(chǎn)加工利用研究的現(xiàn)狀與前景[J]. 食品與機(jī)械, 2002, 18(4): 4-6.

[2] 陸俊, 趙安琪, 成策, 等. 核桃營養(yǎng)成分與生理活性及開發(fā)利用[J]. 食品與機(jī)械, 2014, 30(6): 238-242.

[3] KHIR Ragab, PAN Zhong-li, ATUNGULU Griffiths G, et al. Size and moisture distribution characteristics of walnuts and components[J].Food and Bioprocess Technology, 2013, 6(3): 771-782.

[4] FAROOGH S, MOHAM M, HADDAD D. Mechanical behavior of walnut under cracking conditions[J]. Journal of Applied Sciences, 2008, 8(5): 886-890.

[5] 李忠新, 劉奎, 楊莉玲, 等. 錐籃式核桃破殼裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2012(1): 146-152.

[6] 董詩韓, 史建新. 多輥擠壓式核桃破殼機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2011(1): 62-65.

[7] 王維, 賀功民, 田智輝, 等. 變間距擠壓式核桃破殼機(jī)的研制[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào), 2014(6): 174-176.

[8] 李忠新, 劉奎, 楊莉玲, 等. 錐籃式核桃破殼裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2012(1): 146-152.

[9] 高警, 鄭甲紅, 安碾糧, 等. 偏心擊打式核桃破殼機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 食品與機(jī)械, 2014, 30(5): 133-136.

[10] 趙奎鵬, 鄭甲紅, 王亞妮, 等. 擠壓式核桃破殼機(jī)的正交試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2016(2): 153-157.

[11] 閆茹, 趙奎鵬, 鄭甲紅, 等. 擠壓式核桃破殼機(jī)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2016(6): 219-224.

[12] 張宏, 馬巖, 李勇, 等. 基于遺傳BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核桃破裂功預(yù)測模型[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2014(18): 78-84.

[13] SEZAI E, MAZHAR K, ISMAIL O, et al. Comparison of some physical mechanical nut and kernel properties of two walnut cultivars[J]. Notulae Botanicae Horti Agrobotanici Cluj -Napoca, 2011, 39(2): 227-231.

[14] 鄭少華, 姜奉化. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M]. 北京: 中國建材工業(yè)出版社, 2004: 169-173.

Design and test of walnut shell creaking machine with four extrusion forces

YAN RuZHAOKui-pengWANGYa-xiongLIJunCHENJing

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,Shaanxi710021,China)

According to the problems of low shell breaking rate and whole kernel rate caused by exerting two forces, a four forces shell creaking machine was designed and made. The contrast shell breaking experiment of ‘two forces and four forces’ and preliminary test were conducted, which showed the four forces shell breaking machine that apply to all over the size of walnuts had a better result than the two forces machine. The extrusion length has a significant impact on the shell cracking situation, but less on the walnut size. With the moisture content 10%, extrusion length 6 mm , cracking effect was the best, and the shell creaking rate and whole kernels rate were 100% and 96.8%, respectively.

walnut; shelling creaking machine; extrusion

陜西省教育廳2015年科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(編號：15JK1104)

閆茹(1980—)，女，陜西科技大學(xué)副教授。

E-mail：24873693@qq.com

2016-03-09

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.08.021