核桃破殼及其裝備研究進(jìn)展

沈柳楊 張宏 唐玉榮+劉揚 李勇

摘要：破殼是核桃精深加工的首要環(huán)節(jié)，對提升核桃經(jīng)濟(jì)附加值及其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要作用。在介紹目前核桃破殼發(fā)展概況的基礎(chǔ)上，重點闡述國內(nèi)外有關(guān)核桃破殼及其裝備的研究成果，分析相關(guān)破殼裝備的結(jié)構(gòu)與性能特點，并指出核桃破殼研究中存在的不足，對核桃破殼提出相應(yīng)的建議。

關(guān)鍵詞：核桃；破殼；破殼裝備；產(chǎn)業(yè)化

中圖分類號： S226.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）10-0016-04[HS）][HT9.SS]

核桃是我國栽培歷史悠久、分布較為廣泛的重要干果和經(jīng)濟(jì)樹種之一，被列為世界四大干果之首[1]。核桃含有豐富的對人體有特殊生理功效的生物活性物質(zhì)，具有很高的營養(yǎng)與食用價值[2]，而核桃仁所含的磷脂具有補(bǔ)腦作用，被譽為“天然腦黃金”[3]，深受國內(nèi)外市場和消費者的青睞。

核桃破殼一直是制約核桃產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一。新疆維吾爾自治區(qū)作為我國核桃的重要生產(chǎn)基地之一，2014年核桃總產(chǎn)量為50.14萬t[4]，且產(chǎn)量呈逐年增長趨勢，市場潛力巨大，亟待開發(fā)。然而，目前新疆維吾爾自治區(qū)核桃的加工率僅為2%，幾乎全部以原果形式出售，靠人工破殼已經(jīng)無法適應(yīng)核桃的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展需求[5]。破殼是核桃精深加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是提升核桃品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)附加值的重要技術(shù)手段，因此研發(fā)破殼效率高、破殼效果好的核桃破殼裝備具有重要的現(xiàn)實意義。

1當(dāng)前核桃破殼作業(yè)的發(fā)展概況

我國的核桃破殼作業(yè)經(jīng)歷由傳統(tǒng)人工作業(yè)向現(xiàn)在機(jī)械式作業(yè)的轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的核桃破殼作業(yè)主要依靠人工來進(jìn)行，直接敲打核桃及借助簡單的輔助工具來完成，這種作業(yè)方式不僅作業(yè)效率低、勞動和生產(chǎn)成本高，而且無法滿足當(dāng)前核桃加工企業(yè)對核桃仁的用量需求，因此對大規(guī)模的核桃破殼作業(yè)，傳統(tǒng)破殼方式無法進(jìn)行推廣應(yīng)用。

隨著核桃仁及其深加工產(chǎn)品的增值，市場對核桃仁的需求日益增大，越來越多的果農(nóng)意識到核桃破殼取仁能帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益，利用機(jī)械破殼裝備代替?zhèn)鹘y(tǒng)破殼作業(yè)方式勢在必行。然而，當(dāng)前我國使用的核桃破殼裝備尚存在不足，主要表現(xiàn)在破殼效率不高、核桃仁完整率較低、核仁表皮損傷率較高等，這直接關(guān)系到核桃仁的經(jīng)濟(jì)價值，而破殼方法及破殼參數(shù)將直接影響核桃的破殼效率和核桃仁完整率[6]。目前，國內(nèi)外對核桃破殼裝備進(jìn)行了一些研究，而破殼效率與核桃仁完整率相對較低是核桃破殼亟待解決的關(guān)鍵問題，如這些問題得到解決，一方面將極大地推動核桃機(jī)械化作業(yè)和核桃產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，另一方面可為其他堅果破殼提供一定的理論借鑒，具有重要的現(xiàn)實意義。

2核桃破殼的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1核桃破殼特性的研究

國內(nèi)外學(xué)者對核桃破殼特性開展了大量研究工作，主要集中在核桃的物理機(jī)械特性、破殼力學(xué)特性及破殼工藝參數(shù)等方面。趙超等對核桃的物理機(jī)械特性進(jìn)行了測定和分析，結(jié)果表明，核桃球殼可以抽取為厚度均勻且各向同性的薄球殼，利用薄殼理論進(jìn)行內(nèi)力和變形分析，兩對法向集中力作用較有利于核桃殼的完全均勻破裂，破殼所需的果殼變形量減少，整個破殼的效果得以改善[7-9]。Braga等研究了澳洲堅果在壓縮載荷下的機(jī)械特性，對其在不同加載方向下的破殼力、變形量及能量進(jìn)行了比較，同時找出了不受含水率影響的加載位置[10]。喬園園等通過對新疆幾種主產(chǎn)核桃外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、殼體厚度及內(nèi)褶面積等物理特性的研究，分析了影響核桃殼、仁脫離特性的主要因素，為設(shè)計合理的核桃殼、仁分離機(jī)械提供了理論依據(jù)[11]。

核桃破殼力學(xué)特性及參數(shù)是設(shè)計核桃破殼裝備的重要理論依據(jù)。辛動軍利用薄殼理論和動態(tài)裂紋擴(kuò)展理論對核桃的破殼原理進(jìn)行分析，結(jié)果表明，在兩對法向集中力的作用下核桃容易破裂，在破殼時給核桃殼施加一交變力，有利于殼的破裂和裂紋的擴(kuò)展，從而更有利于核桃的破裂[12]。高警等研究影響核桃破殼力大小的因素，得出破殼因素與破殼力之間的關(guān)系，在破殼前進(jìn)行預(yù)處理可以減小破殼力，為核桃破殼機(jī)的設(shè)計提供參考[13]。Koyuncu等利用壓縮萬能試驗機(jī)對胡桃殼壁厚度和幾何平均直徑在不同壓縮位置進(jìn)行力學(xué)特性試驗，結(jié)果表明，破裂功隨殼體厚度的增大（除長度位置）呈線性增加，隨幾何平均直徑的增加呈線性下降[14]。Liu等利用薄殼理論及有限元法對有裂紋的澳洲堅果和核桃進(jìn)行分析，結(jié)果表明，壓力強(qiáng)度隨殼體厚度的變化呈現(xiàn)線性變化，并找出了核桃殼變形量不大且產(chǎn)生局部裂紋點多、裂紋點易擴(kuò)展的最佳的施力方式[15-16]。Aviara等研究含水率對埃及堅果破殼力學(xué)特性的影響，結(jié)果表明，容積密度與含水率呈線性關(guān)系，靜摩擦系數(shù)隨含水率的增加而增大[17]。何義川等利用有限元方法對核桃在3種載荷加載方式下的受力狀態(tài)進(jìn)行應(yīng)力與應(yīng)變分析，得出了最佳的破殼方式[18-19]。

核桃破殼工藝參數(shù)為核桃破殼裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了依據(jù)。Sharifian等研究含水率、加載速度、加載方向?qū)颂移茪さ挠绊懀Y(jié)果表明，含水率21%、加載速度為500 mm/min、沿X方向（長徑）加載時的破殼效果較好[20]。張宏等通過試驗得出，溫185核桃的破殼工藝參數(shù)為加載變形量12 mm、核桃含水率8%、加載速度為300.15 mm/min、沿C向加載，在此條件下核桃的整仁得率最高可達(dá)60.28%[21]。涂燦等對澳洲堅果破殼整仁得率的影響因素進(jìn)行研究，通過正交試驗優(yōu)化出適宜澳洲堅果破殼的最佳工藝參數(shù)為加載速率 45 mm/min、沿水平向加載、果殼含水率6%～9%，整仁率最高可達(dá)93%，這為澳洲堅果破殼機(jī)的研制提供了理論基礎(chǔ)[22]。[JP]

2.2核桃破殼裝備的研究

國外對核桃加工機(jī)械的研究起步相對較早，目前對核桃初、精加工已實現(xiàn)了生產(chǎn)線作業(yè)，破殼效率和自動化生產(chǎn)程度較高。核桃破殼裝備典型的破殼機(jī)構(gòu)主要有平板擠壓式、單滾子輥動擠壓式、雙輥子滾動擠壓式等。Eisel發(fā)明的平板擠壓式破殼機(jī)構(gòu)[23]工作時，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變偏心輪的運動，完成動、定破殼板對核桃的擠壓作用，進(jìn)而實現(xiàn)破殼（圖1）。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、造價成本低，但破殼效率不高，較難推廣到大規(guī)模核桃破殼生產(chǎn)中。Kim發(fā)明的單輥子擠壓式破殼機(jī)構(gòu)[24]工作時，當(dāng)核桃落入到由轉(zhuǎn)動輥子與被動摩擦板形成的破殼間隙時，在兩者的擠壓下實現(xiàn)對核桃的破殼，而通過調(diào)節(jié)間隙調(diào)節(jié)手輪，可以實現(xiàn)對不同大小核桃的破殼（圖2）。該機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，但在破殼前須要對核桃進(jìn)行分級，調(diào)節(jié)好轉(zhuǎn)動輥子與摩擦板之間的間隙才能實現(xiàn)破殼，否則不同大小的核桃無法一次性完成破殼。McSwain發(fā)明的雙輥子滾動擠壓式破殼機(jī)構(gòu)[25]工作時，利用重力和摩擦力的共同作用，將核桃?guī)氲?個運動的輥子間隙之間來實現(xiàn)破殼（圖3）。該機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但其破殼效率低、效果差，且在破殼前也須要預(yù)先調(diào)節(jié)好2個滾輪之間的間隙。Ghafari等針對傳統(tǒng)的手工破殼方式設(shè)計了一款核桃破殼機(jī)，該機(jī)主要由進(jìn)料裝置、破殼裝置、分級裝置及動力裝置等部分組成，其破殼的整仁率為 66.66%，破殼效率為25.2 kg/h[26]。

與國外相比，我國的核桃破殼裝備研究起步相對較晚，目前雖存在很多技術(shù)問題亟待解決，但在借鑒和吸收國外核桃破殼裝備的基礎(chǔ)上，也研制出形式多樣的破殼裝備。朱德泉等設(shè)計的一款6HS-6型山核桃破殼機(jī)（圖4）工作時，可通過調(diào)節(jié)敲擊臂扭簧限位銷釘?shù)奈恢脕砜刂拼驌袅Γ蛇m應(yīng)不同大小和含水率的核桃破殼要求，此外，還可通過改變橡膠減振墊的厚度，來調(diào)節(jié)打擊的慣性力；通過3因素5水平二次回歸正交試驗表明，選擇合適的轉(zhuǎn)速、扭簧力、敲擊臂與滾筒間隙，可以較好地提高破殼效率[27]。奉山森等設(shè)計的新型滾壓式核桃破殼機(jī)[28]工作時，將核桃從進(jìn)料口倒入，通過動螺旋槽筒的圓周運動，核桃自上而下并受到滾壓作用，隨著擠壓間

隙逐漸減小，其滾壓變形程度越來越大，最終實現(xiàn)核桃的破殼（圖5），這種破殼方式由于核桃受力較均勻，因此破殼效果較

好，核桃仁的完整率也較高。

圍繞新疆維吾爾族自治區(qū)核桃的特點，新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)機(jī)所和新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位相關(guān)科研人員對核桃破殼裝備進(jìn)行了大量研究，并試驗研制出一些核桃加工生產(chǎn)裝備。2011年，新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)機(jī)所研制的6PK-500型核桃破殼機(jī)（圖6），其生產(chǎn)率可達(dá)到500～600 kg/h，破殼率達(dá)到90%以上，頭仁率達(dá)70%，果仁破損率為2%，但在實際生產(chǎn)中，仍出現(xiàn)大量核桃仁表皮磨損的現(xiàn)象，對核桃品質(zhì)造成影響[29]。同年，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)董詩韓等設(shè)計出一種多輥擠壓式核桃破殼裝置（圖7），該機(jī)采用間斷性擠壓式破殼方法，當(dāng)最小破殼間距小于核桃橫徑2 mm、破殼輥轉(zhuǎn)速80 r/min、輔助破殼輥轉(zhuǎn)速 50 r/min 時的破殼質(zhì)量較好[30]。2012年，新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所何義川等研制出對輥擠壓式核桃破殼裝置（圖8），核桃在摩擦和剪切力作用下實現(xiàn)破殼，具有較好的破殼效果，通過正交試驗表明，當(dāng)擠壓輥Ⅰ的轉(zhuǎn)速為95 r/min、擠壓輥Ⅱ的轉(zhuǎn)速為75 r/min、擠壓間隙為33 mm時，可取得較好的破殼效果[31]。2013年，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)王曉萱等進(jìn)行離心式核桃二次破殼機(jī)（圖9）的設(shè)計與試驗研究，通過正交試驗初步確定其最優(yōu)參數(shù)為撞擊桶的錐角為30°、離心板轉(zhuǎn)速為 420 r/min、撞擊桶間距為273 mm，此時離心式核桃二次破殼機(jī)的有效破殼率≥80%，損失率≤1.89%[32]。

3核桃破殼及裝備研究中存在的不足及改進(jìn)建議

目前，我國的核桃破殼裝備雖然在數(shù)量和種類方面較多，但在破殼效果方面仍參差不齊。因此，除對現(xiàn)有破殼裝備進(jìn)

行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化外，還須應(yīng)用新技術(shù)、新理論、新方法研發(fā)新的核桃破殼裝備。核桃破殼裝備的不足和建議主要有：一是我國現(xiàn)有的核桃破殼裝備普遍存在適應(yīng)性差、效率低、破殼效果不理想等問題，嚴(yán)重影響核桃破殼技術(shù)的發(fā)展與推廣，制約了核桃加工水平的提高；而國外的核桃破殼裝備在國內(nèi)適應(yīng)性相對較差，也需要進(jìn)行較大的改進(jìn)才能使用。因此，需要對現(xiàn)有破殼裝備在使用過程中存在的問題進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。二是盡管對核桃破殼機(jī)理進(jìn)行了一些的研究，但研究的方向過于分散，較難融合共有的研究成果在核桃破殼裝備研制中進(jìn)行應(yīng)用，如王維等采用ANSYS板殼結(jié)構(gòu)有限元分析法，從加載方式、核桃大小、加載方向、受力點等對核桃的力學(xué)特性進(jìn)行試驗，以尋找破殼的最佳條件[33]；張宏等利用掃描電子顯微鏡和脆性斷裂原理對核桃的裂紋斷面進(jìn)行觀察和分析，找出核桃殼體受載后裂紋產(chǎn)生的原因[34]。因此，核桃破殼特性的研究有待進(jìn)一步深入，須加強(qiáng)對核桃破殼機(jī)理共性問題的研究。三是在核桃破殼方法研究中，對新技術(shù)、新理論、新方法的應(yīng)用較少，即使有學(xué)者應(yīng)用了一些新技術(shù)、新方法，但其應(yīng)用深度和廣度還不夠，如楊銳等利用激光技術(shù)對核桃破殼進(jìn)行了嘗試和研究[35]；張宏等利用逆向工程技術(shù)對新疆溫185核桃進(jìn)行了殼體重構(gòu)，為核桃破殼受力過程的模擬仿真奠定了基礎(chǔ)[36]；周軍等提出了一種全新的破殼方法，即利用氣爆原理和核桃本身的氣密性，在核桃外部開小孔向其內(nèi)部注入高壓空氣，使核桃內(nèi)外部產(chǎn)生壓力差，從而實現(xiàn)核桃殼體爆開破裂[37]。今后，在核桃破殼及裝備的研究中應(yīng)加強(qiáng)對新技術(shù)、新理論、新方法的應(yīng)用，深入研究核桃破殼機(jī)理，為研制出破殼效率高、破殼效果好的破殼裝備奠定基礎(chǔ)。

我國是核桃產(chǎn)業(yè)大國，核桃產(chǎn)量一直位居世界首位[38]。然而核桃機(jī)械加工率卻很低，對高效、優(yōu)質(zhì)的核桃機(jī)械加工裝備存在很大的需求缺口，嚴(yán)重制約了核桃產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。針對當(dāng)前我國核桃破殼及裝備的研究現(xiàn)狀及其存在問題，須充分結(jié)合核桃的結(jié)構(gòu)特性和特點，積極開展對核桃破殼機(jī)理及裝備的研究，大膽嘗試新技術(shù)、新理論、新方法在核桃破殼研究中的應(yīng)用，找出核桃破殼的最佳特性參數(shù)，為高效的破殼裝備設(shè)計與研制提供參考和理論借鑒。

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