對國內(nèi)外巴旦木破殼機(jī)具的分析

劉延彬，吐魯洪…吐爾迪，楊會民，王學(xué)農(nóng)

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所/農(nóng)業(yè)部林果棉與設(shè)施農(nóng)業(yè)設(shè)備科學(xué)觀測試驗站）

0 前言

巴旦木且具有很高營養(yǎng)及藥用價值，其主要分布在美國、地中海和我國新疆地區(qū)。巴旦木種植在新疆已有1 300多年的歷史。傳統(tǒng)的巴旦木破殼以人工方式為主，破殼效率低。巴旦木破殼裝置是一種利用機(jī)械代替人工，將巴旦木破殼的裝置，該項技術(shù)可減輕勞動強(qiáng)度，緩解繁忙季節(jié)的用工壓力，提高工作效率，能夠大大提高巴旦木的破殼效率[1]。

1 技術(shù)概況說明

國內(nèi)外堅果的破殼機(jī)械方法從狹義上分類，主要分為撞擊法、擠壓法、碾搓法、撕搓法、剪切法等，但以上5種單獨原理裝置不能破巴旦木。

巴旦木與杏核相比較，硬度低、韌性強(qiáng)，因此破殼難度大，通過擠壓原理無法實現(xiàn)巴旦木破殼。國內(nèi)近十年由新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所、新疆林業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)林研究所和塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院開始進(jìn)行巴旦木破殼機(jī)具的研制，研制出了利用揉搓和剪切原理、摩擦和擠壓原理等多種原理組合的多功能巴旦木破殼機(jī)。而國外，美國除重視高新生物技術(shù)在巴旦木栽培、品種改良、開發(fā)以外，十分重視巴旦木的機(jī)械化生產(chǎn)與加工環(huán)節(jié)，已形成了巴旦木加工工藝為破殼—殼仁分離—分級—成品的先進(jìn)完備的生產(chǎn)工藝[1]。

2 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)統(tǒng)計以專利公開日為準(zhǔn)，使用大為軟件公司的PatentEX專利信息創(chuàng)新平臺，檢索下載了中國專利局、歐洲專利局世界專利數(shù)據(jù)庫和美國專利商標(biāo)局的專利數(shù)據(jù)，共檢索出484件專利。專利數(shù)據(jù)包含了世界上6個主要國家的公開專利數(shù)據(jù)，2007年至今的所有中國專利，1983年至今的所有美國專利。

對這484件專利進(jìn)行研究，對巴旦木破殼沒有關(guān)系的專利去除，相關(guān)的核心專利僅剩36件。主要由美國、中國、德國、西班牙、法國、英國和希臘等國公布，其中美國的公布件數(shù)為14件，占總公布量的39%，居世界第一；公布量第二大國是中國，占總公布量的33%。

3 國外巴旦木破殼裝置發(fā)展歷程

通過專利分析，第一臺巴旦木破殼裝置運用了撞擊法。1926年LOUIS K.VAUGHAN設(shè)計了一個外表面上具有摩擦機(jī)構(gòu)的往復(fù)滾筒，利用摩擦以及擠壓力使巴旦木破殼的破殼機(jī)更適用于生產(chǎn)（圖1），此機(jī)構(gòu)具有篩選機(jī)構(gòu)，殼仁自動分離，機(jī)構(gòu)簡單、成本低、效率高，適用于不同尺寸的巴旦木。

圖1 巴旦木破殼機(jī)

30、40和80年代都沒有專利的公布，直到21世紀(jì)之前其它年份專利公布數(shù)量均勻，且多個國家都有專利的公布。破殼裝置都利用2～3種原理相結(jié)合的破殼方法，運用最多的是對輥裝置。工作時，首先根據(jù)待破殼巴旦木的尺寸，調(diào)節(jié)對輥之間的水平距離及擠壓輥與凹板之間的間隙。兩個擠壓輥的旋轉(zhuǎn)方向相反，進(jìn)料箱內(nèi)的巴旦木在2個相對旋轉(zhuǎn)輥子的擠壓、剪切力作用下實現(xiàn)巴旦木殼破裂，達(dá)到巴旦木破殼目的。

圖2 破殼裝置

步入21世紀(jì)后，巴旦木破殼裝置專利公布數(shù)量高于之前任何時期，美國專利公布數(shù)量居世界第二。破殼裝置由簡單的對輥裝置演變成擠壓輥與皮帶相結(jié)合（圖2）、破殼輥中設(shè)定位凹坑與刀架等的破殼裝置，提高了破殼效率、裝置的安全性及使用的方便性，降低了果仁的破碎率。破殼裝置演變成多次破殼、殼仁分離一體和適用于多種堅果破殼的破殼裝置。

4 國內(nèi)巴旦木破殼裝置工作原理

對各個專利申請國的公布量變化分析，21世紀(jì)之前巴旦木破殼裝置的專利公布主要集中在美國，21世紀(jì)后，巴旦木破殼裝置的公布重心偏移，中國成為專利件數(shù)公布最多的國家，其中新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所專利數(shù)量為5件，數(shù)量不多，這與巴旦木大面積種植的歷史短有關(guān)，本文對以上5件專利的工作原理進(jìn)行分析。

圖3 巴旦木破殼機(jī)

2007年研制了一種巴旦木破殼機(jī)。結(jié)構(gòu)如圖3所示。作業(yè)時將巴旦木放入進(jìn)料斗中，破殼輥和輸送帶運轉(zhuǎn)由電動機(jī)帶動，破殼輥轉(zhuǎn)動時巴旦木分別各填入定位凹坑內(nèi)，隨著破殼輥的轉(zhuǎn)動和擠壓，伸入到凹槽內(nèi)鋒利的月牙形刀刃的破殼刀將果殼切出一條裂縫并被擠裂，破殼刀刀刃與環(huán)形凹槽之間產(chǎn)生擠壓力把殼擠出落到輸送帶上，即可取出果仁。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，用機(jī)械代替人工制取巴旦木仁，能夠有效地對巴旦木進(jìn)行機(jī)械破殼，破殼速度快，工作效率高，降低了工人的勞動強(qiáng)度，使用方便，易于推廣[2]。

2009年研制了一種新式核桃、巴旦木破殼機(jī)。結(jié)構(gòu)如圖4所示。作業(yè)時減速器的動力由電動機(jī)通過帶輪傳遞，然后經(jīng)軸帶動主動破殼殼體，主動破殼殼體上方通過軸與減速器連接，下方通過軸承與間隙調(diào)節(jié)裝置連接，間隙調(diào)節(jié)裝置由調(diào)距手柄、蝸輪蝸桿、刻度尺組成，兩殼體之間最佳的破殼間隙也是通過調(diào)距手柄來調(diào)節(jié)。工作時，主動破殼殼體做旋轉(zhuǎn)運動，由減速器通過軸帶動，兩殼體間的巴旦木因為主動破殼殼體配重的慣性會受到摩擦力和擠壓力，最終巴旦木外殼破裂并殼仁分離。此機(jī)構(gòu)的優(yōu)點是果仁破碎率低，破殼時果殼不會四處飛濺，該機(jī)使用安全、可靠、方便[3]。

圖4 一種新型核桃、巴旦木破殼機(jī)

圖5 多功能巴旦木破殼機(jī)

2010年研制了一種多功能巴旦木破殼機(jī)。結(jié)構(gòu)如圖5所示。作業(yè)時喂料輥、輸送帶、齒形輥和托輥運轉(zhuǎn)由電動機(jī)帶動，喂料輥將放入入料斗的巴旦木均勻地輸送到輸送帶上，巴旦木通過輸送帶輸送到浮動剪切板裝置中，剪切板會根據(jù)巴旦木的大小來進(jìn)行剪切破殼，然后巴旦木被輸送帶輸送到齒形輥破殼裝置中破殼，可使巴旦木殼仁分離。此裝置結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，破殼速度快，效率高，人工破殼被機(jī)械破殼代替，此裝置能夠?qū)Π偷┠靖咝蔬M(jìn)行機(jī)械破殼，人工勞動強(qiáng)度降低，方便使用，推廣容易[4]。

2016年研制了一種高效多功能巴旦木破殼機(jī)。結(jié)構(gòu)如圖6所示。作業(yè)時巴旦木進(jìn)入破殼主動輥與破殼從動輥之間的間隙中，兩輥的速度不一樣，有速度差，會對巴旦木產(chǎn)生揉搓作用，使巴旦木外殼破裂從而完成破殼。然后殼仁通過振動篩分離裝置進(jìn)行分離，未破殼的巴旦木進(jìn)入下一個破殼裝置再進(jìn)行破殼。通過三組破殼裝置把巴旦木破殼并進(jìn)行殼仁分離。此裝置破殼速度快，功效率高，果仁破碎率低，破殼率高，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，還解決了破殼輥間隙不均勻，堅果破殼間隙調(diào)整不方便的問題[5]。

圖6 一種高效多功能巴旦木破殼機(jī)

圖7 組合式巴旦木破殼機(jī)和殼仁分離機(jī)

2017年研制了一種組合式巴旦木破殼機(jī)和殼仁分離機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖7所示。作業(yè)時巴旦木通過提升機(jī)構(gòu)輸送到振動送料器，振動均勻的送入一級破殼器中進(jìn)行破殼，破殼后的巴旦木落到輸送帶后通過輸送帶輸送到二級破殼器中，對未分離的巴旦木揉搓，使殼仁進(jìn)一步分離。分離后的殼、仁通過輸送帶送入負(fù)壓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)管，負(fù)壓風(fēng)機(jī)因殼輕、仁重把殼抽吸排出，未排出的殼、仁混合物經(jīng)過進(jìn)風(fēng)管下端落至振動分級機(jī)上，殼仁繼續(xù)分離，仁通過振動分級機(jī)下端果仁出料口落下，無法分離的果殼通過振動分級機(jī)出料端送入垂直提升機(jī)，其出料管與振動送料器相銜接，巴旦木殼、仁反復(fù)循環(huán)進(jìn)行破殼、分離。此裝置結(jié)構(gòu)簡單，破殼和分離效果理想，降低了人工勞動力，破殼效率高[6]。

5 總結(jié)

通過以上分析，可以看出，全球巴旦木破殼裝置的專利公開量并不多，且專利的公開從19世紀(jì)90年代初開始。美國巴旦木破殼機(jī)具經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展已日趨成熟，目前，正朝著機(jī)電一體化方向發(fā)展。我國巴旦木破殼機(jī)具發(fā)展緩慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美國。但近幾年巴旦木在新疆的種植面積擴(kuò)大，市場需求量增大，增加了巴旦木機(jī)械化破殼的需求，巴旦木破殼技術(shù)及裝置在中國得到迅速發(fā)展，從原先人工破殼方式到現(xiàn)在部分機(jī)械破殼，巴旦木破殼裝置的結(jié)構(gòu)在不斷變化，技術(shù)在不斷成熟。

目前巴旦木破殼機(jī)具存在破殼率低、損失率高、核仁完整性差、通用性差、作業(yè)性能不穩(wěn)定及作業(yè)成本高的問題，存在農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝尚未有效結(jié)合的問題，還存在技術(shù)創(chuàng)新能力低的問題[7～8]。為解決以上問題，需堅持自主創(chuàng)新，提高破殼率，降低破損率，提高機(jī)具通用性，降低制造成本[9]，增強(qiáng)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的有效結(jié)合，加大科研投資，引薦人才，不斷在技術(shù)方面進(jìn)行突破，更需在前期基本物理特性、力學(xué)特性入手，為巴旦木破殼機(jī)械設(shè)計提供重要的理論依據(jù)[10]。

[1] 吐魯洪…吐爾迪，劉小龍，劉旋峰，楊會民，郭磊.新疆巴旦木加工機(jī)械現(xiàn)狀及解決的技術(shù)問題[J].農(nóng)機(jī)化研究，2015，37（1）：254～257.

[2] 吐魯洪，劉向東，馬月虹，阿依木妮沙.巴旦姆破殼機(jī)[P].新疆：CN201094265，2008-08-06.

[3] 楊莉玲，馬俊貴，楊軍，李忠新，劉奎，劉佳，沈曉賀，楊忠強(qiáng).一種新式核桃、巴旦木破殼機(jī)[P].新疆：CN201509581U,2010-06-23.

[4] 吐魯洪…吐爾迪，阿依木妮莎…拜克熱，任紅松.多功能巴旦木破殼機(jī)[P].新疆：CN201709362U,2011-01-19.

[5] 吐魯洪…吐爾迪，楊會明，喬園園，阿依木妮莎…拜克熱，劉向東，牛長河，王學(xué)農(nóng).一種高效多功能巴旦木破殼機(jī)[P].新疆：CN205431977U，2016-08-10.

[6] 吐魯洪…吐爾迪，王學(xué)農(nóng)，楊會民，阿依木妮莎…拜克熱.一種組合式巴旦木破殼和殼仁分離機(jī)[P].新疆：CN106723119A，2017-05-31.

[7] 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（4）：72～74.

[8] 王濤，李粵，符志宏，張喜瑞，梁棟，馬慶芬.果殼分離機(jī)械研究發(fā)展?fàn)顩r綜述[J].中國農(nóng)機(jī)化，2012（5）：27～29.

[9] 袁巧霞.我國堅果脫殼機(jī)現(xiàn)狀及亟待解決的技術(shù)問題[J].農(nóng)機(jī)化研究，2001（3）：9～10+27.

[10] 袁越錦，徐英英，黨新安，李瑞虎，張盛海，劉俊生.板栗脫殼技術(shù)與破殼機(jī)理研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].食品工業(yè)科技，2008（10）：301～305.