青核桃脫皮技術及裝備發(fā)展研究*

連文香，席海亮，展靖華，包爾慨

(蘭州工業(yè)學院，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

我國核桃資源豐富，根據(jù)不完全統(tǒng)計，種植資源已達380多種，種植范圍廣泛，主要栽培區(qū)域為：云貴地區(qū)、西北地區(qū)、華北地區(qū)[1]。尤其近幾年核桃產業(yè)快速發(fā)展，形成核桃種植熱潮，但我國核桃加工產業(yè)化發(fā)展速度緩慢，技術力量薄弱，國內的核桃加工企業(yè)技術水平大多都停留在初加工階段，核桃加工產品單一，附加值較低，大部分采用人工砸取和手工挑選[2-3]。自然成熟的青果皮與硬果殼并不粘連，且青皮脆性青果皮的脆性大、抗壓強度小，很容易將其青皮脫離。但青果皮和果肉成熟時間不一致，為了防止果肉過熟及青皮變黑發(fā)生霉變影響核桃品質，在青皮未成熟時開始采摘，青核桃提前上市，對脫皮技術要求更高[4]，青核桃脫皮技術是一項瓶頸，它對保證商品核桃的品質有重要的作用。筆者主要從脫皮技術及脫皮裝備兩方面對我國青核桃脫皮裝置的發(fā)展現(xiàn)狀進行分析，對我國青核桃脫皮技術歸納總結，為青核桃脫皮裝備的進一步改進和研制提供參考。

1 青核桃脫皮技術

1.1 青核桃力學特性研究

我國許多學者分析青核桃的物理特性[5-6]，包括青皮組織特征、外觀特征，將青核桃的成熟度、品種、外形、大小、青皮厚度、硬度、含水率、開裂度及硬殼厚度等作為影響果皮分離的主要因素進行了大量的試驗研究，得出不同產地、不同品種的青核桃外形尺寸差異。青核桃外形從北向南由長橢圓、卵圓、倒卵圓、扁圓形向圓形過渡，整果質量40～66 g重量不等，青皮核桃外形尺寸長徑：42～68 mm，短徑：33～70 mm。硬殼厚度范圍0.9～2.5 mm，且青皮厚度沿三徑方向大小不一，平均厚度居于3～7.5 mm之間[7-8]。

王斌等[9]主要通過萬能拉伸試驗機，對山西具有代表性的核桃品種作為研究對象，研究青核桃力學特性；鄭甲紅等[10]通過萬能材料實驗機分析了“香玲”核桃脫皮過程中青皮破裂力及不同加載方式下的壓力實驗。他們通過準靜態(tài)壓縮試驗，得出沿著不同方向擠壓核桃的破殼力和壓縮位移的不同的，沿著垂直于縱徑方向最小的，沿著垂直于橫徑方向最大的；朱占江[5]在文獻中通過擠壓實驗分析青核桃壓力-位移特性曲線的基礎上，結合預處理方法，提出采用刀片劃切輸送、鋼絲刷擠壓摩擦相結合的脫皮的效果比較好。黃波等人[11-14]得出青核桃三徑方向對應擠壓力值范圍在100～250 N之間，青皮裂紋只有一條且裂紋的起源是隨機的，沿青核桃短軸方向施力，破損率更低、脫皮效果更好。還有學者研究催熟方式[15]、采收時間對核桃青皮的影響[16-17]，得出催熟核桃青皮與果殼并不粘連，破裂的青皮呈現(xiàn)塊狀，且稍加振動即與果殼分離，對環(huán)境污染??；青皮核桃果實采后生理代謝活性與耐貯性主要與采收時期有關，受品種影響較小。

1.2 脫皮技術及研究方法

(1) 脫皮技術

根據(jù)文獻[11]按照脫皮機械外力的施加方式不同，現(xiàn)有的脫皮技術主要有刮削脫皮、擠壓脫皮、切割脫皮和碰撞脫皮，各種方式利用青核桃與工作部件之間的相對運動，借助工作部件對青果皮的刮削摩擦、擠壓、切割、高速碰撞作用，逐漸使青果皮與核桃堅果分離。其原理簡單，但其工作過程中，由于我國核桃品種多，外形尺寸相差大，其缺點也比較突出。刮削式在脫皮過程中，青核桃在轉動過程中會出現(xiàn)長軸兩端青果皮未脫干凈的現(xiàn)象，脫皮效率較低。脫凈率受青核桃成熟度影響較大，對于一些未成熟，外形尺寸較小的的青核桃破碎率影響較大。切割脫皮其結構簡單利用，對青核桃外形尺寸的要求低，但工作過程中核桃堅果容易被割刀割破果殼現(xiàn)時青皮脫離不完全。高速碰撞脫皮利用青核桃與工作部件的接觸次數(shù)來脫皮，其工作過程中，對于青核桃的剝凈率與破殼率與其青皮的成熟度有很大的關系，同時工作效率較低，處于間歇式工作模式。

(2) 研究方法

青核桃脫皮技術的研究，主要從脫皮實驗方面和有限元模型分析[5，18-19]兩個方面。大部分學者對所設計的脫皮機構主要依據(jù)實驗方法獲得最佳組合，也有學者用軟件結合實驗分析。新疆大學的石章成[6]對青核桃脫青皮機建立三維模型，利用有限元分析軟件對核桃脫青皮機脫皮輥在工作過程中的受力情況進行靜力分析。石河子大學的張恩銘等人[18]對基于劃口預處理的不同品種核桃破殼分析研究，利用有限元軟件通過準壓縮過程，得出劃口預處理后核桃更易破殼，同時通過正交設計得出影響破殼主要因素為劃口深度>劃口長度>劃口寬度。

2 青核桃脫皮裝備發(fā)展現(xiàn)狀

由于我國核桃外形尺寸差異較大，物理特性也不盡一致，近年來在機械化脫皮分離技術方面，利用上述刮削脫皮、擠壓脫皮、切割脫皮和碰撞脫皮四種方式[12]，研制了幾臺青核桃脫皮分離機。

2.1 青核桃脫皮裝置類型

(1) 滾刷型青核桃脫皮裝置如圖1所示，是劉東琴[8]等人設計的可調間隙脫皮滾筒，通過調節(jié)機構調節(jié)彈簧預緊力，有效控制下柵板在機器運轉過程可浮動距離，使得下柵板與螺旋毛刷輥之間的間距呈漸變趨勢，具有一定的通用性，設計的毛刷沿軸向螺旋排布，依次采用粗鋼絲段、細鋼絲段和尼綸毛刷段，減少毛刷對核桃硬質果殼的損傷并提高出料速度。圖2所示為楊忠強等人[20]設計的鏈板輸送帶核桃脫青皮機構，其板刷上密布許多鋼絲刷，同鏈板輸送帶間隙可調整，鏈板輸送帶表面有規(guī)律排列固定了許多凸起的刀片，增加鏈板輸送帶對物料的摩擦力及剪切力，通過計算當鋼絲板刷與青皮核桃接觸點的豎直夾角θ=12°時能實現(xiàn)間隙從大到小的脫皮擠壓過程，但這種結構復雜，占地面積較大。

圖1 滾刷型青核桃脫皮機結構簡圖1.螺旋毛刷輥 2.上柵板 3.銷軸 4.下柵板 5.彈簧調節(jié)機構

圖2 核桃脫青皮機結構簡圖1.喂料口 2.板刷 3.鏈板輸送帶 4.間隙調節(jié)裝置 5.傳動系統(tǒng) 6.角度調節(jié)裝置 7.出料口

(2) 切割脫皮

圖3～6為切割脫皮的幾種類型，圖3為割刀切割脫皮機構，此結構與圖2楊忠強等人設計的鏈板輸送帶核桃脫青皮機構結構類似，只是將圖2的鋼絲刷改為割刀[18]，同樣此類裝備占地面積較大，結構相對較復雜等問題。如圖4為新疆大學的石章成[6]等人設計的青核桃脫皮機,根據(jù)青核桃大小對其分級，然后再對其進行脫皮，將滾刀改為螺旋葉片結構，而后利用螺旋鋼絲刷對其進行表面清理，同時利用樣機通過正交設計確定主要因素為脫皮輥轉速，彈簧預緊力及彈性系數(shù)對青核桃脫皮性能的影響次序。但在整個脫皮過程中，對青核桃與脫皮部件接觸過程損傷沒有進行分析。圖5為石鑫等人[21]設計的立式旋切滾筒式青核桃脫皮機，滾刀按螺旋線排列，利用旋切滾筒轉動時帶動青核桃沿滾筒切線方向運動并摩擦格柵，在滾刀的切割和滾筒與格柵之間的擠壓、摩擦作用下將核桃青皮剝離。確定旋切滾筒轉速、滾刀與格柵間的間隙大小和滾刀高度為影響脫皮性能的主要因素，主要問題是間歇運動，工作效率低。圖6為梁金生等人[15]設計的切削式脫青皮機，其結構設計在轉速上A、B、C段依次為螺旋滾刀、鋼刷和毛刷，對核桃青皮進行切削和刷除殘渣，但對擠壓過程脫青皮方式未深入分析。

圖3 割刀切割脫皮機構

圖4 脫皮軸結構示意圖1.螺旋鋼絲刷 2.鋼絲 3.主軸 4.葉片支桿 5.螺旋葉片 6.軸應

圖5 旋切滾筒式青核桃脫皮機

圖6 切削式脫青皮機械工作原理圖

(3) 擠壓脫皮

擠壓脫皮原理的應用主要是王亞妮[22]、吳東澤等人[23]設計的青核桃塊狀去皮過程，圖7是王亞妮等人設計的青核桃去皮機，采用脫皮滾筒與外筒間產生擠壓及摩擦對青核桃進行滾動、擠壓，實現(xiàn) 揉搓，破壞青皮與核桃的結合面，使之分離。壓板設計為柵條形式，增大摩擦阻力，工作過程中，對青皮成熟度要求比較高，其核心原理但其工作過程中，核桃個體差異影響其脫皮效果。

圖7 青核桃去皮機結構示意圖

(4) 碰撞脫皮

圖8～12為利用碰撞脫皮的各種裝置，圖8為梁勤安等人[4]研制的 6BXH-800核桃青皮剝離機，該機采用由柵條滾筒與凹板鋼絲刷構成的青果皮剝離工作部件，結構簡單，但適應性差。圖9為新疆農業(yè)大學石鑫[24]等人設計的旋轉滾筒-清洗組合式青核桃脫皮機，基工作原理與洗衣機類似，需先注水，利用滾筒的高速旋轉及摩擦力脫皮，但其卸料較麻煩，不斷向旋轉滾筒內注水，能耗較高，同時間歇工作，生產率低。圖10所示工作原理也與圖9類似，其主要區(qū)別是在旋轉滾筒內安裝一偏心鋼刷，利用碰撞原理脫皮的同時，結合刮削脫皮，對其進行清理。

圖8 核桃青果皮剝離部件

圖9 旋轉滾筒-清洗組合式脫皮機結構示意圖

圖10 滾筒式脫青皮機械工作原理圖

(5) 復合脫皮

青核桃脫皮裝置主要利用復合脫皮法，主要有兩種：一是刀片與鋼絲刷相結合；二是刮削脫皮與碰撞相結合。

(1) 青核桃剝皮機(刀片與鋼絲刷相結合)

目前市面上主要使用刀片與鋼絲刷相結合的復合脫皮原理而設計的青核桃脫皮裝置，其原型是由帕合爾鼎等人[25]設計的 6TXH-600 型青核桃脫皮清洗機，如圖11所示。

圖11 6TXH-600 型青核桃脫皮清洗機1.出雜口 2.篩網 3.鋼絲毛刷 4.定位銷 5.旋切滾筒 6.柵條 7.滾刀 8.柵條圓筒 9.機架 10.電動機 11.傳動軸12.擋料斗 13.入料斗 14.噴淋管 15.防護罩 16.出料口

該脫皮裝備配置 0.75 kW電動機，固定柵條的螺栓上套有彈簧，通過調節(jié)彈簧的預緊力，可實現(xiàn)對不同外形尺寸、不同品種青核桃的脫皮作業(yè)，滾刀在旋切滾筒外圓柱面上呈螺旋線分布，目前市場上脫皮機將其后端的鋼絲毛刷改為普通毛刷輥和螺旋毛刷輥兩種形式，可連續(xù)脫皮作業(yè)形成生產線。此類裝備機械結構簡單、成本低廉，對于農戶、經銷商和小型核桃加工企業(yè)均適用。另一種使用較廣泛的機型青核桃與旋切滾刀相互作用的同時，在筒內壁一周布置一圈毛刷輥，在運轉過程中進一步增大于核桃與毛刷輥的作用面積，提高剝凈率，但其主要用來集中脫皮，不適用個體農戶使用。

(2) 立式青核桃剝皮機(刮削脫皮與碰撞相結合)

立式青核桃脫皮機，主要利用刮削脫皮與碰撞相結合的復合脫皮法，利用中心十字鋼刷轉運過程帶動青核桃與筒壁發(fā)生碰撞，結構簡單。

3 結 語

我國青核桃品種大，外形特征差異較大，青皮性能與采收時期有關，且青核桃破殼力各個方向有顯著的區(qū)別?，F(xiàn)有的青核桃脫皮裝置，主要利用復合脫皮方式，采用集中脫皮，同時用水清洗，一方面浪費水資源，另一方面在脫青皮過程中過將青皮打成液汁狀，污染環(huán)境，可以從青核桃脫皮裝置結構性能方面出發(fā)，設計塊狀去皮機，保證產品的有效利用。

核桃脫青皮裝置種類繁多，但產品適應性差，尤其對于薄殼核桃在青果皮剝離過程中破率高的問題，要解決其通用性與脫皮效果之間、破殼率與剝凈率之間的矛盾，通過各種方法組合，找出最優(yōu)方法。后續(xù)核桃脫皮技術發(fā)展方向主要針對現(xiàn)有裝置對小型農戶不適用及機械化水平低，解決散戶與集中脫皮的矛盾，智能化與低成本之間的矛盾，對于智能化裝備的研究及核桃產業(yè)發(fā)展有很大的空間。