柔性帶差速擠壓核桃脫殼性能試驗(yàn)

劉明政　李長(zhǎng)河　張彥彬　楊　敏　侯亞麗　高連興

(1.青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 青島 266520； 2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110866)

?

柔性帶差速擠壓核桃脫殼性能試驗(yàn)

劉明政1李長(zhǎng)河1張彥彬1楊敏1侯亞麗1高連興2

(1.青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 青島 266520； 2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110866)

設(shè)計(jì)了核桃破殼取仁分離裝置，但存在破殼不完全、碎殼未脫落的現(xiàn)象。為此利用裝置中的柔性帶差速擠壓脫殼系統(tǒng)對(duì)核桃進(jìn)一步脫殼取仁并對(duì)其效果進(jìn)行分析。采用單因素試驗(yàn)方法分別探究上下帶間距A、上下帶速度差B及上工作帶張緊力C對(duì)核桃脫殼效果的影響，進(jìn)而設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，分析試驗(yàn)因素對(duì)脫殼取仁效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于一露仁率和二露仁率，影響順序?yàn)镃、A、B；對(duì)于碎仁率和未露仁率，影響順序?yàn)锳、C、B。在上下帶間距為14 mm、上下帶速度差為0.19 m/s、上工作帶張緊力為231 N的參數(shù)下脫殼效果最為理想，一露仁率、二露仁率、碎仁率、未露仁率分別為77%、16.7%、4.3%、2%，即脫殼率為98%，整仁率為93.7%。

核桃； 脫殼； 柔性帶； 性能試驗(yàn)

引言

我國(guó)核桃栽培面積大，產(chǎn)量高，具有極高的食用[1]和藥用價(jià)值[2]。采用傳統(tǒng)的核桃破殼取仁方式，加工效率低、成本高，衛(wèi)生無(wú)法保證。機(jī)械破殼法設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，破殼效果可通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)提升。但是多數(shù)核桃機(jī)械剝殼存在的主要問(wèn)題是漏剝或破殼不完全、剝殼率低；部分核桃仁夾帶在碎殼中難以取出，核桃仁損失率高、整仁率低；對(duì)不同形狀尺寸核桃的適應(yīng)性差[3]。核桃破殼不完全，殼體上會(huì)存在很多裂紋或者只在某個(gè)部位外殼破碎，其殼體整體的強(qiáng)度就會(huì)大幅度下降，碎殼之間的結(jié)合力較小，因此，再對(duì)核桃進(jìn)行脫殼處理就不能施力過(guò)大。

當(dāng)前核桃機(jī)械脫殼主要有5種方式：擠壓式、剪切式、磨削式、撞擊式及揉搓式。李忠新等[4]在剪切擠壓的基礎(chǔ)上建立了“錐籃式破殼模型”，研究了對(duì)核桃破殼最有效的施力方向和位置。但以上脫殼方式均采用剛性原理對(duì)核桃進(jìn)行擠壓、剪切、磨削及揉搓，易導(dǎo)致核桃仁損壞，高露仁率降低。針對(duì)目前機(jī)械破殼取仁技術(shù)的瓶頸，結(jié)合研究現(xiàn)狀[5]，筆者設(shè)計(jì)了核桃破殼取仁分離裝置[6-7]，并進(jìn)行了破殼效果、破殼機(jī)理分析與性能試驗(yàn)[8]。本文依據(jù)剪切擠壓原理設(shè)計(jì)柔性帶核桃脫殼取仁裝置[9]，并進(jìn)行核桃脫殼理論分析與試驗(yàn)研究。

1　試驗(yàn)裝置

圖1　核桃破殼取仁分離裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Walnut shell crushing, kernel taking and shell-kernel separating device1.上從動(dòng)托輥　2.上工作帶　3.上擠壓托輥　4.下擠壓托輥　5.上驅(qū)動(dòng)托輥　6.下驅(qū)動(dòng)托輥　7.下工作帶　8.下從動(dòng)托輥　9.工作帶松緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)　10.托板

試驗(yàn)裝置如圖1所示。柔性帶差速擠壓破殼取仁系統(tǒng)(圖1中虛線a以上部分)，包含上下兩部分。上部分：直徑均為100 mm的上驅(qū)動(dòng)托輥和上從動(dòng)托輥，直徑均為30 mm的上擠壓托輥和下擠壓托輥。上從動(dòng)托輥位置，可通過(guò)改變軸承座位置，有效調(diào)節(jié)破殼區(qū)和脫殼區(qū)間隙和楔形角度，以適合各種尺寸的核桃。上工作帶的尺寸為1 590 mm×350 mm，厚度為4 mm。下部分：下驅(qū)動(dòng)托輥和下從動(dòng)托輥直徑為100 mm，下工作帶尺寸為2 200 mm×350 mm，厚度為4 mm。上下工作帶均為PVC帶，其膠面材質(zhì)為聚氯乙烯。

柔性帶差速擠壓核桃破殼取仁系統(tǒng)分為破殼區(qū)(圖2中虛線左側(cè))和脫殼區(qū)(圖2中虛線右側(cè))，如圖2所示。在破殼區(qū)，部分核桃經(jīng)過(guò)上擠壓托輥與托板的間隙受到擠壓剪切，能夠有效破殼并脫殼，取得較完整的核桃仁，但是部分核桃由于受力不均或者破殼間距不合適等因素，殼體只產(chǎn)生裂紋或者只在部分位置破碎，碎殼不能脫離核桃仁，露仁程度較低，這部分核桃就會(huì)進(jìn)入脫殼區(qū)。本文主要對(duì)脫殼區(qū)進(jìn)行機(jī)理分析及其不同因素對(duì)核桃脫殼取仁效果的影響分析。

圖2　柔性帶剪切擠壓核桃破殼取仁系統(tǒng)示意圖Fig.2　Shell crushing and hulling system using flexible belt shearing-extrusion1.上擠壓托輥　2.上工作帶　3.下擠壓托輥　4.下工作帶5.托板　6.核桃

2　核桃脫殼理論分析

2.1脫殼區(qū)核桃受力分析及脫殼機(jī)理

核桃在脫殼取仁區(qū)中的受力分析如圖3所示。

圖3　脫殼區(qū)核桃受力分析圖Fig.3　Diagram of walnut deformation under stress in hulling zone1.上工作帶　2.核桃　3.下工作帶

從圖3中可以看出，產(chǎn)生撓度的上工作帶與水平方向呈一定角度α，其最高點(diǎn)與未發(fā)生形變的上工作帶的水平距離為l，垂直距離為h，因此角度α與h、l以及h與直徑d、e之間的關(guān)系為

(1)

核桃A、B點(diǎn)受到上下工作帶的擠壓力和剪切力分別為

(2)

式中Fn1、Fn2——上、下工作帶對(duì)核桃的擠壓力，N

Ft1、Ft2——上、下工作帶對(duì)核桃的剪切力，N

F——上工作帶張緊力，N

μ——核桃與工作帶之間的摩擦因數(shù)，取0.4

n——沿下工作帶寬度方向上核桃個(gè)數(shù)

在不同的上下帶間距下，h、l的測(cè)量值和α的計(jì)算值如表1所示。

表1　h、l和α之間的數(shù)值關(guān)系Tab.1　Numerical relationship among h， l and α

圖4　柔性帶核桃脫殼取仁過(guò)程示意圖Fig.4　Process of hulling and kernel taking by flexible belt1.上工作帶　2.核桃殼　3.核桃仁　4.下工作帶　5.下剪切力 6.下擠壓力　7.上擠壓力　8.上剪切力

脫殼區(qū)的基本工作構(gòu)件是一對(duì)富有柔性的PVC工作帶，且兩工作帶進(jìn)行同向不等速的傳動(dòng)。破殼不完全的核桃進(jìn)入脫殼區(qū)后，受到上下工作帶的剪切擠壓力。由于上下工作帶呈一定的楔形角度，核桃受到的剪切擠壓力不斷增大。核桃進(jìn)入水平間隙后，如圖4a所示，剪切擠壓力增大到大于裂紋繼續(xù)擴(kuò)大的臨界力時(shí)，核桃殼會(huì)進(jìn)一步破碎，隨著核桃滾動(dòng)，裂紋會(huì)均勻擴(kuò)展到整個(gè)外殼。由于上工作帶對(duì)核桃的剪切力大于下工作帶，因而在接觸上工作帶一邊的核桃碎殼首先開(kāi)始脫去，如圖4b所示。隨著核桃繼續(xù)前進(jìn)，接觸上工作帶一側(cè)的核桃碎殼隨著上工作帶向前移動(dòng)，與核桃仁逐漸脫離，上工作帶開(kāi)始與核桃仁接觸，此時(shí)與下工作帶接觸的核桃碎殼開(kāi)始相對(duì)下工作帶向后運(yùn)動(dòng)。當(dāng)核桃旋轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度后，核桃殼體基本破碎并脫去，取得核桃仁，如圖4c。

2.2裂紋擴(kuò)展條件

裂紋分為3種類(lèi)型，分別為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，如圖5所示。Ⅰ型是張開(kāi)型，Ⅱ型是滑開(kāi)型，Ⅲ型是撕開(kāi)型[10]。核桃破殼后，裂紋的擴(kuò)展形式主要為Ⅰ型和Ⅲ型。

圖5　裂紋類(lèi)型Fig.5　Crack styles

在外力作用下，裂紋附近產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，裂紋雖有擴(kuò)張趨勢(shì)，但當(dāng)外力沒(méi)達(dá)到一定值時(shí)，它并不擴(kuò)展，僅當(dāng)外力加到一個(gè)臨界值時(shí)，它才會(huì)擴(kuò)展。裂紋長(zhǎng)度與臨界應(yīng)力之間的關(guān)系為

(3)

式中σc——臨界應(yīng)力，MPa

γ——單位面積的表面能，kJ/m2

a——裂紋長(zhǎng)度，mm

E1——核桃外殼的彈性模量，MPa

木料的單位面積表面能為0.12 kJ/m2，核桃的彈性模量為0.18 GPa。利用柔性刻度尺對(duì)所用試驗(yàn)核桃殼體的裂紋進(jìn)行測(cè)量和統(tǒng)計(jì)，其平均長(zhǎng)度為20 mm。利用以上已知參數(shù)，通過(guò)式(3)求得裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力為σc=0.23 MPa。裂紋擴(kuò)展需要的外力為

(4)

式中F1——裂紋擴(kuò)展需要的外力，N

S1——裂紋表面積，mm2

試驗(yàn)所用核桃平均殼厚hv=1.15 mm，經(jīng)計(jì)算裂紋表面積為S1=hva=23 mm2。裂紋擴(kuò)展所需外力可通過(guò)式(4)求得，為σc=19.1 N，即核桃外殼破裂后，作用在外殼上擠壓力和剪切力超過(guò)19.1 N，就可使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大。

3　脫殼性能試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所選核桃為云南漾濞核桃[11]，隨機(jī)選取50個(gè)樣本，用游標(biāo)卡尺測(cè)量樣本的三維尺寸。由于核桃近似球體，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，核桃平均直徑為25 mm。

核桃在經(jīng)過(guò)破殼區(qū)后，部分核桃能夠得到有效破殼并脫殼，但仍有部分核桃并沒(méi)有充分破殼，只是殼體產(chǎn)生裂紋或者部分破碎，碎殼沒(méi)有脫離核桃仁，露仁率很低。試驗(yàn)裝置中的脫殼區(qū)就是針對(duì)此類(lèi)核桃，如圖6所示。

圖6　試驗(yàn)核桃樣品Fig.6　Experimental walnut samples

3.2上工作帶張緊力測(cè)量及結(jié)果分析

要使工作帶正常有效工作，必須使工作帶保持一定的張緊力：張緊力過(guò)小，容易出現(xiàn)打滑，不能有效傳動(dòng)；張緊力過(guò)大，工作帶剛性太大，張緊裝置起不到緩沖作用，同時(shí)工作帶與托輥之間的摩擦力會(huì)增加，造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失以及加快工作帶的磨損速度[12]。因此張緊力需要選擇合適的范圍。

在工作帶的線彈性范圍內(nèi)，上工作帶受到拉伸后，其中的應(yīng)力σ與應(yīng)變?chǔ)懦烧龋瑵M足廣義胡克定律[13]

σ=E2ε

(5)

式中σ——應(yīng)力，MPaε——應(yīng)變,με

E2——工作帶彈性模量，MPa

上工作帶中的張緊力計(jì)算式為

F=σS2

(6)

式中S2——上工作帶截面面積，mm2

為探究上工作帶張緊力對(duì)核桃脫殼效果的影響，需要對(duì)上工作帶張緊力進(jìn)行測(cè)量。工作帶張緊后，其張緊力無(wú)法直接測(cè)得，試驗(yàn)利用應(yīng)變片組成“半橋單補(bǔ)”線路測(cè)量帶的張力，上工作帶張緊力測(cè)量系統(tǒng)如圖7所示。

圖7　上工作帶張緊力測(cè)量系統(tǒng)Fig.7　Measurement system of upper working belt tension1.靜態(tài)電阻應(yīng)變儀　2.溫度補(bǔ)償片　3.電阻應(yīng)變片

通過(guò)改變工作帶張緊裝置的位置讀取顯示器上相應(yīng)的電阻應(yīng)變值。工作帶松緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在不同位置的示意圖如圖8所示。

圖8　工作帶松緊調(diào)節(jié)范圍Fig.8　Working belt tightness regulator in different locations1.工作帶松緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)　2.軸承座　3.上從動(dòng)托輥　4.上工作帶

PVC帶彈性模量為E2=2.41 GPa，上工作帶截面尺寸為350 mm×4 mm，則面積S=1 400 mm2，通過(guò)式(6)計(jì)算可得到上工作帶在不同位置的張緊力，如表2所示。位置A和E的張緊力分別為工作帶能有效工作的最小和最大張緊力。

表2　不同應(yīng)變對(duì)應(yīng)的張緊力Tab.2　Different strain values corresponding to the tension

裂紋擴(kuò)展所需的臨界外力Fcr=19.1 N，沿下工作帶寬度方向上核桃個(gè)數(shù)為n=10個(gè)，當(dāng)擠壓力Fn1、Fn2和剪切力Ft1、Ft2分別為19.1 N時(shí)，所需要的上工作帶張緊力F1、F2、F3、F4由式(2)計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表3　不同間距下裂紋擴(kuò)展所需張緊力Tab.3　Crack propagation required tension under different spacings　N

通過(guò)表3可以看出，上下工作帶間距在14～18 mm范圍內(nèi)，擠壓力Fn1、Fn2和剪切力Ft1所對(duì)應(yīng)的張緊力F1、F2、F3均在工作帶有效工作的張緊力范圍內(nèi)，而剪切力Ft2所對(duì)應(yīng)的張緊力F4過(guò)大，超過(guò)了工作帶有效工作的最大張緊力，因此，在裝置正常工作情況下，剪切力Ft2并不能有效擴(kuò)展裂紋，通過(guò)調(diào)節(jié)上工作帶的松緊和上下帶的間距，擠壓力Fn1、Fn2和剪切力Ft1均能有效擴(kuò)展裂紋。

3.3核桃脫殼效果試驗(yàn)方案

3.3.1試驗(yàn)指標(biāo)

為了更細(xì)致地表達(dá)核桃脫殼程度和核桃仁完整水平，將核桃整仁率進(jìn)行分類(lèi)表達(dá)。核桃脫殼后，把1/2個(gè)和1/4個(gè)的核桃仁記作“一露仁” ，小于1/4個(gè)且大于1/8個(gè)的核桃仁記作“二露仁” ，小于1/8個(gè)的核桃仁記作“碎仁” ，沒(méi)有從殼中脫落出來(lái)的核桃仁記作“未露仁”[14]。試驗(yàn)指標(biāo)為一露仁率η1，二露仁率η2，碎仁率η3，未露仁率η4。將脫殼率記為η5，整仁率記為η6。

(7)

式中N0——核桃仁總個(gè)數(shù)

N1——一露仁個(gè)數(shù)

N2——二露仁個(gè)數(shù)

N3——碎仁個(gè)數(shù)

N4——未露仁個(gè)數(shù)

3.3.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

要得到高質(zhì)量的核桃仁，剛采摘的核桃必須要去掉外層綠皮并進(jìn)行干燥，核桃殼干燥的標(biāo)準(zhǔn)含水率為8%。核桃破殼取仁分離裝置所針對(duì)的核桃為干核桃，所選的試驗(yàn)核桃樣本的外殼含水率基本為8%。較小的含水率差異對(duì)核桃外殼的力學(xué)性能影響不大。

試驗(yàn)選取平均直徑為25 mm的核桃，不考慮核桃含水率、核桃形狀等因素的影響，選取上下工作帶間距A、上下帶速度差B以及上工作帶張緊力C為試驗(yàn)的3個(gè)因素進(jìn)行研究。

試驗(yàn)分兩步進(jìn)行：

單因素試驗(yàn)：通過(guò)固定其他因素，變動(dòng)一個(gè)試驗(yàn)因素的方法，研究A、B、C3個(gè)因素對(duì)核桃脫殼率、整仁率性能指標(biāo)的影響規(guī)律，每個(gè)參數(shù)均選50顆核桃進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。

正交試驗(yàn)：根據(jù)單因素試驗(yàn)，對(duì)脫殼性能指標(biāo)的影響規(guī)律進(jìn)行正交試驗(yàn)。試驗(yàn)選用L9(34)正交試驗(yàn)表，共進(jìn)行9組試驗(yàn)[15]，每組試驗(yàn)各取核桃50個(gè)。將A、B、C3個(gè)試驗(yàn)因素，分別取3個(gè)因素水平進(jìn)行三因素正交試驗(yàn)。其中A分別是14、16、18 mm(記為A1、A2、A3)，B分別是0.14、0.19、0.23 m/s(記為B1、B2、B3)，C分別是89.6、231、337.4 N(記為C1、C2、C3)。

4　試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1單因素試驗(yàn)

4.1.1上下工作帶間距對(duì)脫殼效果的影響

為了研究上下工作帶間距對(duì)脫殼效果的影響，在其他因素不變時(shí)，分別取上下工作帶間距14、15、16、17、18 mm 5個(gè)因素水平進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和比較，得出間距對(duì)露仁率和脫殼率、整仁率的影響，如圖9、10所示。

圖9　核桃在不同間距下的露仁率Fig.9　Kernel exposing rates under different spacings

圖10　核桃在不同間距下的脫殼率和整仁率Fig.10　Walnut hulling rate and kernel-unbroken rate under different spacings

由圖9中5種不同間距下核桃露仁率可知，間距為16 mm時(shí)獲得了最高的一露仁率和最低的二露仁率，分別為84%和4%。當(dāng)間距小于16 mm時(shí)，一露仁率隨著間距的增大而升高，二露仁率隨著間距的增大而降低；當(dāng)間距大于16 mm時(shí)，一露仁率隨著間距的增大而降低，二露仁率隨著間距的增大而升高。間距為14 mm時(shí)，一露仁率最低，達(dá)到69%，二露仁率最高，為14%，碎仁率最高，為14%，未露仁率最低，為3%。當(dāng)間距大于14 mm時(shí)，碎仁率隨著間距的增加而降低，未露仁率隨著間距的增加而增加。

由圖10中5種不同間距下核桃脫殼率、整仁率可知，間距為14 mm時(shí)，核桃脫殼率最高，達(dá)到97%，隨著間距增加而降低。間距為16 mm時(shí)，整仁率最高，達(dá)到87%，間距過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)導(dǎo)致整仁率下降。這是由于當(dāng)間距為14 mm時(shí)，已經(jīng)產(chǎn)生裂紋或破碎的核桃外殼受到的上下工作帶擠壓力和剪切力遠(yuǎn)大于其結(jié)合力，隨著核桃滾動(dòng)，外殼迅速進(jìn)一步破碎并脫離，留在碎殼中的核桃仁極少，露出核桃仁就會(huì)直接受到工作帶的擠壓力和剪切力，導(dǎo)致核桃仁大量斷裂，同時(shí)產(chǎn)生較多的碎仁。間距為16 mm時(shí)，核桃外殼受到擠壓力而產(chǎn)生的形變基本等于殼仁間距，外殼能夠充分均勻破碎，同時(shí)剪切力使碎殼脫離核桃仁，只有少部分的核桃仁仍嵌在殼中。脫殼后核桃仁受到合適的擠壓力，不會(huì)造成過(guò)多的損害，由于核桃仁形狀的不均勻性，在滾動(dòng)過(guò)程中，也會(huì)受到一定的破壞而產(chǎn)生碎仁。間距增大，核桃受到上下工作帶的擠壓剪切作用減弱，核桃殼體上的裂紋擴(kuò)展不夠均勻和充分，整體脫殼率下降，未露仁率升高，碎仁率降低。

4.1.2上下帶速度差對(duì)脫殼效果的影響

為了研究上下帶速度差對(duì)脫殼效果的影響，在其他因素不變時(shí)，分別取上下帶速度差0.14、0.16、0.19、0.21、0.23 m/s 5個(gè)因素水平進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和比較，得出上下帶速度差對(duì)脫殼率和整仁率的影響，如圖11、12所示。

圖11　核桃在不同速度差下的露仁率Fig.11　Kernel exposing rates under different speed differences

圖12　核桃在不同上下帶速度差下的脫殼率和整仁率Fig.12　Walnut hulling rate and kernel-unbroken rate under different speed differences

由圖11中5種不同上下帶速度差下核桃露仁率可知，速度差為0.19 m/s時(shí)獲得了最高的一露仁率和最低的碎仁率，分別為82%和5%。當(dāng)速度差小于0.19 m/s時(shí)，一露仁率隨著速度差的增大而升高，二露仁率隨著速度差的增大而降低；當(dāng)速度差大于0.19 m/s時(shí)，一露仁率隨著速度差的增大而降低，二露仁率隨著速度差的增大而升高。速度差為0.14 m/s時(shí)，一露仁率最低，為75%，二露仁率最高，為15%，碎仁率最低，為6%，未露仁率最高，為13%。當(dāng)速度差大于0.14 m/s時(shí)，碎仁率隨著速度差的增大而升高，未露仁率隨著速度差的增大而降低。

由圖12的5種不同上下帶速度差下核桃脫殼率、整仁率可知，當(dāng)速度差大于0.14 m/s時(shí)，核桃脫殼率隨著速度差增加而增加，速度差達(dá)到0.23 m/s時(shí)，核桃脫殼率最高，達(dá)到97%。速度差為0.19 m/s時(shí)，整仁率最高，達(dá)到87%，上下帶速度差過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)導(dǎo)致整仁率下降。

這是由于在揉搓范圍內(nèi)，當(dāng)上下帶速度差較小時(shí)，核桃在間隙內(nèi)滾動(dòng)速度較小，受力過(guò)程較長(zhǎng)，脫殼后核桃仁與上下工作帶接觸時(shí)間較長(zhǎng)而受到較多的擠壓和剪切，造成較多的損害，導(dǎo)致一露仁率較低，二露仁率較高。核桃受到上下工作帶揉搓的強(qiáng)度較小，不利于外殼上的裂紋擴(kuò)展，殼體破裂不完全，碎殼不能有效脫離核桃，較多的核桃仁仍然留在未破碎的殼中，導(dǎo)致未露仁率較高。但是速度差較小，工作帶的震動(dòng)較輕，對(duì)核桃仁損害減輕，產(chǎn)生的碎仁少，碎仁率較低。提高上下帶速度差，核桃滾動(dòng)速度提高，核桃與上下工作帶接觸點(diǎn)處受力過(guò)程減短，脫殼后核桃仁與上下工作帶接觸時(shí)間縮短而受到的擠壓剪切減小，損害程度降低，一露仁率提高，二露仁率下降，同時(shí)上下工作帶揉搓的強(qiáng)度增強(qiáng)，有利于裂紋擴(kuò)展，殼體破裂范圍擴(kuò)大，破碎充分，未露仁率下降。但是工作帶的震動(dòng)加強(qiáng)，對(duì)核桃仁損害增加，碎仁率升高。如果速度差過(guò)大，揉搓作用過(guò)強(qiáng)，工作帶的震動(dòng)強(qiáng)度較大，對(duì)核桃仁損害較大，一露仁率較低，二露仁率較高，碎仁率較高，但是殼體破裂充分，未露仁率較低。

4.1.3上工作帶張緊力對(duì)脫殼效果的影響

為了研究上工作帶張緊力對(duì)脫殼效果的影響，在其他因素不變時(shí)，分別取上工作帶張緊力89.6、162.4、231、299.6、337.4 N 5個(gè)因素水平進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和比較，得出張緊力對(duì)露仁率和脫殼率、整仁率的影響，如圖13、14所示。

圖13　核桃在不同張緊力下的露仁率Fig.13　Kernel exposing rates under different tensions

圖14　核桃在不同張緊力下的脫殼率和整仁率Fig.14　Walnut hulling rate and kernel-unbroken rate under different tensions

由圖13的5種不同張緊力下核桃露仁率可知，張緊力為231 N時(shí)獲得了最高的一露仁率和最低的二露仁率，分別為85%和4%。當(dāng)張緊力小于231 N時(shí)，一露仁率隨著張緊力的增大而升高，二露仁率隨著張緊力的增大而降低；當(dāng)張緊力大于231 N時(shí)，一露仁率隨著張緊力的增大而降低，二露仁率隨著張緊力的增大而升高。張緊力為89.6 N時(shí)，碎仁率最低，為4%，未露仁率最高，為15%。當(dāng)張緊力大于89.6 N時(shí)，碎仁率隨著張緊力的增大而提高，未露仁率隨著張緊力的增大而降低。

由圖14的5種不同張緊力下核桃脫殼率、整仁率可知，當(dāng)張緊力大于89.6 N時(shí)，核桃脫殼率隨著張緊力增大而增加，張緊力達(dá)到337.4 N時(shí)，核桃脫殼率最高，達(dá)到97%。張緊力為231 N時(shí)，整仁率最高，為89%，上工作帶張緊力過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)導(dǎo)致整仁率下降。

在脫殼范圍內(nèi)，當(dāng)張緊力較小時(shí)，作用在核桃上的擠壓力和剪切力較小，接近或者低于核桃外殼上裂紋擴(kuò)展的臨界力，導(dǎo)致核桃外殼得不到進(jìn)一步有效破碎，殼體破裂不充分，未露仁率較高，因而核桃仁受到工作帶的損害會(huì)較低，碎仁率較低，但是碎殼不能脫離核桃仁，在上下帶的揉搓作用下，碎殼會(huì)對(duì)核桃仁產(chǎn)生擠壓作用，從而造成核桃仁受到損害而斷裂，一露仁率降低，二露仁率升高。提高上工作帶的張緊力，作用在核桃上的擠壓力和剪切力會(huì)增大，當(dāng)超過(guò)裂紋擴(kuò)展的臨界力時(shí)，核桃外殼能進(jìn)一步破碎，碎殼能及時(shí)脫離核桃仁，減少對(duì)核桃仁的擠壓損害，從而一露仁率升高，二露仁降低。由于殼體破裂充分，未露仁率降低，但核桃仁由于上下工作帶的剪切擠壓，會(huì)受到一定程度損害，產(chǎn)生一定數(shù)量的碎仁，碎仁率會(huì)升高。如果張緊力過(guò)大，作用在核桃上的擠壓力和剪切力就會(huì)過(guò)大，揉搓作用過(guò)強(qiáng)，不僅遠(yuǎn)超過(guò)殼體裂紋擴(kuò)展的臨界力，也遠(yuǎn)超過(guò)核桃仁的結(jié)合力，對(duì)核桃仁損害較大，一露仁率較低，二露仁率相對(duì)較高，碎仁率較高，但是殼體破裂充分，未露仁率較低。

為了驗(yàn)證上述理論及核桃脫殼效果，利用相機(jī)采集5種不同間距下核桃樣本脫殼后的核桃仁完整情況以及脫殼情況，如圖15所示。

圖15　3種不同影響因素下的核桃脫殼效果Fig.15　Walnut shell-broken effects under different factors

4.2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

脫殼效果正交試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表5為3種試驗(yàn)因素在不同的水平因素組合下的核桃脫殼指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果分析。從表中可以看出，一露仁率的極差RC>RA>RB，各因素從主到次的順序?yàn)椋篊、A、B；二露仁率的極差RC>RA>RB，各因素從主到次的順序?yàn)椋篊、A、B；碎仁率的極差RA>RC>RB，各因素從主到次的順序?yàn)椋篈、C、B；未露仁率的極差RA>RC>RB，各因素從主到次的順序?yàn)椋篈、C、B。

表4　脫殼性能正交試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果Tab.4　Orthogonal experimental scheme of hulling effect and experimental results

對(duì)于4個(gè)指標(biāo)：一露仁率越大越好；二露仁率越大越好；碎仁率越小越好；未露仁率越小越好。從表5中可以看出，對(duì)于不同的指標(biāo)而言，不同因素的影響程度是不同的。張緊力對(duì)一露仁率和二露仁率的影響程度最大，間距對(duì)碎仁率和未露仁率的影響程度最大，而上下帶速度差對(duì)各個(gè)指標(biāo)的影響程度最低。當(dāng)上下帶間距取14 mm、上下帶速度差取0.19 m/s、上工作帶張緊力為231 N時(shí)，即A1B2C2，這4項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了最優(yōu)的水平，脫殼效果最好。此時(shí)一露仁率、二露仁率、碎仁率、未露仁率分別為77%、16.7%、4.3%、2%，即脫殼率為98%，整仁率為93.7%。

5　結(jié)論

(1)單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，上下帶間距為14 mm時(shí)，脫殼率最高，為97%，隨間距增大，脫殼率下降；間距為16 mm時(shí)，整仁率最高，為87%，間距增大或減小，整仁率下降。上下帶速度差為0.23 m/s時(shí)，脫殼率最高，為97%，隨上下帶速度差減小而降低；上下帶速度差為0.19 m/s時(shí)，整仁率最高，為87%，上下帶速度差增大或減小，整仁率下降。上工作帶張緊力為337.4 N時(shí)，脫殼率最高，為97%，隨著張緊力的減小而降低；張緊力為231 N時(shí)，整仁率最高，為89%，張緊力增大或減小，整仁率下降。

表5　脫殼性能正交試驗(yàn)結(jié)果分析Tab.5　Orthogonal experimental results analysis of hulling effect

(2)正交試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)上下帶間距取14 mm、上下帶速度差取0.19 m/s、上工作帶張緊力為231 N時(shí)，脫殼效果最好，一露仁率、二露仁率、碎仁率、未露仁率分別為77%、16.7%、4.3%、2%，即脫殼率為98%，整仁率為93.7%。

1周明亮, 王鴻飛, 趙丹. 山核桃油的提取工藝及其特性研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2007,38(3):95-98.

ZHOU Mingliang, WANG Hongfei, ZHAO Dan. Studies on extracting technology and properties of carya kernel oil[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2007,38(3):95-98. (in Chinese)

2陳向明, 徐濤, 查甫本. 山核桃外果皮黃酮提取與純化[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2011,42(12):177-181.

CHEN Xiangming, XU Tao, ZHA Fuben. Extraction and purification of flavone inC.cathayensisexocarp[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2011,42(12):177-181. (in Chinese)

3張林泉, 龔麗. 剝殼機(jī)具的現(xiàn)狀及效果改進(jìn)方法的探討[J]. 食品與機(jī)械, 2006,22(4):72-74.

ZHANG Linquan, GONG Li. Status quo about shelling machine and discussing about improving methods[J].Food and Machinery, 2006,22(4):72-74. (in Chinese)

4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), 2012,43(增刊):146-152.

LI Zhongxin, LIU Kuiyang, LI Ling, et al. Design and experiment of walnut-cracking device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012,43(Supp.):146-152. (in Chinese)

5LIU Mingzheng, LI Changhe, ZHANG Yanbin, et al. Advances and recent patents about cracking walnut and fetching kernel device[J]. Recent Patents on Mechanical Engineering, 2014,8(1):44-58.

6劉明政,李長(zhǎng)河,張彥彬，等.核桃剝殼取仁裝置:中國(guó), 201210277037.X[P]. 2014-10-08.

7張彥彬,劉洋,劉明政.核桃剝殼取仁機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014(4):132-136.

ZHANG Yanbin, LIU Yang, LIU Mingzheng. Design and experimental study of a walnut decorticating and kernel taking out machine[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2014(4):132-136. (in Chinese)

8劉明政,李長(zhǎng)河,張彥彬,等. 柔性帶剪切擠壓核桃破殼機(jī)理分析與性能試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2016,47(7)：266-273.

LIU Mingzheng, LI Changhe, ZHANG Yanbin, et al. Flexible-belt shearing extrusion walnut shell crushing mechanism analysis and performance test[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016,47(7)：266-273. (in Chinese)

9劉明政,李長(zhǎng)河,張彥彬.核桃剪切擠壓破殼柔性錘擊取仁設(shè)備:中國(guó), 201320779979.8[P]. 2014-05-14.

10王麗宇. 木材裂紋擴(kuò)展及其斷裂行為的研究[D]. 北京：北京林業(yè)大學(xué), 2002.

WANG Liyu. Study on wood crack propagation and facture behavior[D]. Beijing: Beijing Forestry University,2002. (in Chinese)

11劉慧. 核桃品種介紹與評(píng)述[J]. 西北園藝:果樹(shù), 2012 (1): 34-36.

LIU Hui. Introduction and review of walnut varieties[J]. Northwest Horticulture, 2012(1):34-36. (in Chinese)

12孫艷, 羅宏亮. 發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶張緊力檢測(cè)儀[J]. 汽車(chē)工藝與材料, 2003(1):24-26.

SUN Yan, LUO Hongliang. Engine belt tensiometer[J]. Automobile Technology and Material, 2003(1):24-26. (in Chinese)

13程堯舜. 彈性力學(xué)基礎(chǔ)[M]. 上海:同濟(jì)大學(xué)出版社, 2009.

14何義川, 史建新. 核桃殼力學(xué)特性分析與試驗(yàn)[J]. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 32(6): 70-75.

HE Yichuan, SHI Jianxin. Analysis and experiment on mechanical characteristic of walnut shell[J]. Journal of Xinjiang Agricultural University, 2009, 32(6): 70-75. (in Chinese)

15任露泉. 試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析[M]. 北京：高等教育出版社, 2003.

Performance Test of Walnut Shelling Using Flexible-belt and Differential Velocity Extrusion

Liu Mingzheng1Li Changhe1Zhang Yanbin1Yang Min1Hou Yali1Gao Lianxing2

(1.CollegeofMechanicalEngineering,QingdaoTechnologicalUniversity,Qingdao266520,China2.CollegeofEngineering,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang110866,China)

A walnut shelling machine with functions of shell crushing, kernel taking and shell-kernel separating was designed, which could increase the shell-broken rate and kernel-unbroken rate. However, the problems of incomplete broken-shell and unhulling crushed-shell were also remained. Thus, the flexible-belt and differential velocity extrusion system was used to make the walnut kernel out and the effect of that operation was analyzed. The results showed that when the mean crack length was 20 mm and the critical external force for crack extension was 19.1 N, the cracks could be further extended. One-factor test was carried out to explore the influences of the top and low section belt spacing (A), top and low section speed difference (B) and upper belt tension (C) on hulling, and the orthogonal experiment was carried out to analyze the influence of the above three factors. According to the experimental results, the influences on the first grade kernel rate and the second grade kernel rate wereC>A>B, and for kernel-breaking rate and kernel-unseen rate,A>C>B. When the top and low section belt spacing was 14 mm, top and low section speed difference was 0.19 m/s and upper belt tension was 231 N, the hulling effect was optimal(hulling rate was 98% and kernel-unbroken rate was 93.7%).

walnut; shelling; flexible-belt; performance test

10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.015

2016-01-18

2016-02-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50775151、51075284)

劉明政(1989—)，男，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備設(shè)計(jì)研究，E-mail： lmzzz654321@163.com

李長(zhǎng)河(1966—)，男，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備設(shè)計(jì)研究，E-mail: sy_lichanghe@163.com

S226.4； S664.1

A

1000-1298(2016)09-0099-09