凸輪搖桿雙向擠壓核桃破殼裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

石明村 劉明政 李長(zhǎng)河 曹成茂 李心平

(1.青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院， 青島 266520； 2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 合肥 230036；3.河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院， 洛陽(yáng) 471003)

0 引言

中國(guó)核桃種植面積居世界首位。目前，傳統(tǒng)破殼方式采用手工敲擊的方法，不僅效率低，同時(shí)存在嚴(yán)重的衛(wèi)生安全問(wèn)題，不利于核桃產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展。因此，急需研發(fā)核桃機(jī)械化破殼取仁裝置。

脫青皮、干燥、分級(jí)、破殼取仁、殼仁分離、去種皮是核桃初加工流程中的6個(gè)工序，對(duì)核桃初加工產(chǎn)品質(zhì)量有著不同程度影響，其中破殼取仁階段對(duì)初加工產(chǎn)品質(zhì)量有著直接影響[1]。研究人員依據(jù)不同原理設(shè)計(jì)了類(lèi)型多樣的破殼裝置[2-17]，但由于核桃品種繁多，導(dǎo)致不同破殼裝置的適應(yīng)性、破殼效果不盡理想，特別是高露仁率與碎仁率之間的矛盾已成為亟待解決的技術(shù)難題。尤其是核桃破殼、裂紋擴(kuò)展臨界條件需要明確；破殼裝置需要進(jìn)一步提升自定位、自適應(yīng)功能；破殼擠壓行程與核桃力學(xué)特性，擠壓裝置幾何尺寸的量化需要揭示。針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)凸輪搖桿雙向擠壓自定位核桃破殼裝置，將擠壓、落料凸輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為擠壓、落料U形塊的雙向擠壓運(yùn)動(dòng)，采用沿核桃周徑方向定間隙單果擠壓破殼的方式，實(shí)現(xiàn)在破殼過(guò)程中對(duì)核桃外形差異的自適應(yīng)、自定位，在提高脫殼率的同時(shí)降低碎仁率。

1 破殼機(jī)理分析與工作原理

1.1 破殼機(jī)理分析

1.1.1破殼臨界條件

如圖1所示，核桃的三維尺寸包括：長(zhǎng)徑、周徑、棱徑。核桃球度為

圖1 核桃外形尺寸圖Fig.1 Outline dimensions of walnut

(1)

式中S——球度a——長(zhǎng)徑，mm

b——周徑，mmc——棱徑，mm

根據(jù)文獻(xiàn)[18]，當(dāng)沿周徑擠壓可簡(jiǎn)化為各向同性均質(zhì)彈性體。由彈性力學(xué)可知，核桃破殼臨界壓力為[19]

(2)

式中pcr——臨界壓力，MPa

E——彈性模量，MPa

μ——泊松比

h——核桃殼厚度，mm

核桃外殼厚度在縫合線附近最大，最突出處最小。由式(2)可知，沿棱徑方向施加外力，所需外力最大，最終核桃沿縫合線一分為二，不利于后續(xù)殼仁分離工作；沿周徑方向施加外力破殼所需的外力最小；沿長(zhǎng)徑施加外力，由于核桃兩頭比較尖，在加載過(guò)程中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致頂端和底端的小塊殼體發(fā)生脫落，產(chǎn)生崩潰現(xiàn)象，一次破殼效果不佳，還需二次破殼，從而增加生產(chǎn)成本[20]。綜合以上因素，最為理想的加載方式為沿周徑方向施力破殼。

利用楔形放置U形塊的自定位功能，核桃擠壓過(guò)程受力如圖2所示。

圖2 核桃破殼受力分析圖Fig.2 Walnut shell force analysis diagram

核桃在擠壓過(guò)程中處于自鎖狀態(tài)，水平、垂直方向受力平衡，即

(3)

式中Fn1——落料U形塊法向力，N

Fn2——擠壓U形塊法向力，N

Ff1——落料U形塊摩擦力，N

Ff2——擠壓U形塊摩擦力，N

α——U形塊與水平方向夾角，(°)

m——核桃質(zhì)量，kg

g——重力加速度，m/s2

μ′——滑動(dòng)摩擦因數(shù)

在破殼過(guò)程中，核桃同時(shí)受到擠壓U形塊與落料U形塊的雙向擠壓作用，核桃與U形塊之間的接觸面積為S0，核桃發(fā)生破殼時(shí)，落料U形塊法向力需滿(mǎn)足

Fn1>pcrS0

(4)

1.1.2裂紋擴(kuò)展臨界條件

裂紋擴(kuò)展主要分為Ⅰ型(張開(kāi)型)和Ⅱ型(撕開(kāi)型)，如圖3所示[21]。

圖3 裂紋類(lèi)型Fig.3 Crack styles

根據(jù)文獻(xiàn)[22]，假設(shè)核桃為理想彈性材料，在外力作用下，當(dāng)施加應(yīng)力大于裂紋擴(kuò)展臨界應(yīng)力時(shí)，裂紋擴(kuò)展貫通實(shí)現(xiàn)破殼，其臨界應(yīng)力為

(5)

式中σc——裂紋擴(kuò)展臨界應(yīng)力，Pa

γ——單位面積的表面能，kJ/m2

l——裂紋長(zhǎng)度，mm

由斷裂力學(xué)可知核桃裂紋擴(kuò)展貫通實(shí)現(xiàn)破殼的臨界外力為

(6)

或

(7)

S1——裂紋表面積，m2

1.1.3核桃破殼位移分析

如圖4所示，φ為緯線上任意一點(diǎn)與z軸正向之間的球心角，θ為同一條緯線上任意一點(diǎn)與x軸正向之間的圓心角。殼體上任一點(diǎn)的位置均可由θ、φ確定。

圖4 薄殼截面內(nèi)力簡(jiǎn)圖Fig.4 Diagram of internal force of thin shell section

在一對(duì)集中壓力P下，核桃產(chǎn)生法向位移W與切向位移U的關(guān)系為[23]

(8)

式中Nφ——球心角為φ的圓截面內(nèi)力，N

Nθ——圓心角為θ的圓截面內(nèi)力，N

在集中力處φ=0，代入式(8)得

(9)

1.2 工作原理

凸輪搖桿雙向擠壓自定位核桃破殼裝置如圖5所示，由動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、雙螺桿定量喂料機(jī)構(gòu)、機(jī)架、凸輪搖桿雙向擠壓破殼機(jī)構(gòu)、卸料倉(cāng)、調(diào)速器等組成。采用雙螺桿定量喂料機(jī)構(gòu)，第一螺桿、第二螺桿交錯(cuò)排列，通過(guò)動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)第一螺桿、第二螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，將螺距內(nèi)的單個(gè)核桃旋轉(zhuǎn)至棱徑與螺桿軸向平行的位置，落入下方擠壓破殼機(jī)構(gòu)工位。擠壓破殼機(jī)構(gòu)有9個(gè)破殼工位，每個(gè)破殼工位為兩組相對(duì)布置的凸輪搖桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)核桃的雙向擠壓破殼，同時(shí)利用U形塊的自定位功能實(shí)現(xiàn)沿核桃周徑擠壓，且可保證不同大小的核桃無(wú)論定位位置如何均受到相同的擠壓間隙，從而有效減小了碎仁率。當(dāng)核桃開(kāi)始落下時(shí)，對(duì)應(yīng)工位的落料凸輪、擠壓凸輪同時(shí)處于第一遠(yuǎn)休止工作段，擠壓/落料U形塊之間形成V形間隙且相對(duì)位置保持不變；然后，擠壓凸輪與落料凸輪以等速傳動(dòng)比同向轉(zhuǎn)動(dòng)，依次進(jìn)入第二推程工作段、第二遠(yuǎn)休止工作段，擠壓/落料U形塊分別繞各自旋轉(zhuǎn)中心運(yùn)動(dòng)，完成沿核桃周徑方向雙向擠壓破殼動(dòng)作，使核桃表面產(chǎn)生裂紋且進(jìn)一步擴(kuò)展，直至殼體完全破碎；然后擠壓凸輪、落料凸輪進(jìn)入回程工作段，擠壓/落料U形塊底部形成倒V形開(kāi)口，完成破殼后的核桃在重力下落入卸料倉(cāng)。最后擠壓凸輪、落料凸輪轉(zhuǎn)過(guò)第一推程運(yùn)動(dòng)角，進(jìn)入下一破殼流程。通過(guò)調(diào)速器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)調(diào)速，調(diào)整凸輪輪廓曲線可以實(shí)現(xiàn)對(duì)擠壓間隙的控制。凸輪搖桿雙向擠壓自定位核桃破殼裝置配套動(dòng)力為1.2 kW。

圖5 凸輪搖桿雙向擠壓自定位核桃破殼裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagrams of cam rocker bidirectional extrusion self-positioning walnut shell breaking device1.動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 2.雙螺桿定量喂料機(jī)構(gòu) 3.機(jī)架 4.凸輪搖桿雙向擠壓破殼機(jī)構(gòu) 5.卸料倉(cāng) 6.調(diào)速器 7.第二螺桿V形擋板 8.第一螺桿V形擋板 9.第一螺桿 10.第二螺桿 11.可調(diào)彈簧隔板 12.擠壓凸輪 13.滾子軸承 14.落料凸輪 15.落料U形塊 16.擠壓U形塊 17.拉簧

2 主要工作部件設(shè)計(jì)

2.1 雙螺桿定量喂料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖6所示，第一螺桿、第二螺桿分別通過(guò)固定在喂料機(jī)構(gòu)箱體側(cè)壁的軸承安裝在喂料機(jī)構(gòu)箱體內(nèi)部。在第二螺桿底部設(shè)有可調(diào)彈簧隔板，其一側(cè)開(kāi)有9個(gè)均勻排布的U形口，其寬度與擠壓/落料U形塊寬度相同，另一側(cè)通過(guò)兩顆螺母與喂料機(jī)構(gòu)箱體相連，通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺母可以調(diào)整彈簧壓縮量進(jìn)而調(diào)節(jié)喂料機(jī)構(gòu)出料口大小。

圖6 喂料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagrams of feeding mechanism1.第二螺桿V形擋板 2.喂料機(jī)構(gòu)箱體 3.第二螺桿 4.螺母 5.可調(diào)彈簧隔板 6.軸承 7.第一齒輪 8.同步帶輪 9.第二齒輪 10.第一螺桿 11.第一螺桿V形擋板

喂料機(jī)構(gòu)采用非嚙合型雙螺桿定量螺旋輸送機(jī)，實(shí)現(xiàn)核桃位姿可控、定量喂料的目的，即保證在每個(gè)破殼工位中沿周徑方向擠壓?jiǎn)蝹€(gè)核桃。喂料機(jī)構(gòu)動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)同步帶輪帶動(dòng)第一螺桿旋轉(zhuǎn)，其中，第一/二螺桿通過(guò)軸端固定且相互嚙合的大、小齒輪，實(shí)現(xiàn)向下反向轉(zhuǎn)動(dòng)，利用第一/二螺桿螺旋葉片對(duì)核桃的向下?lián)軇?dòng)作用，將核桃從上方喂料箱撥離到下方破殼機(jī)構(gòu)。

雙螺桿輸送機(jī)滿(mǎn)足幾何關(guān)系

(10)

其中

L=d-A

(11)

式中L——兩驅(qū)動(dòng)軸軸心距，mm

d1——驅(qū)動(dòng)軸直徑，mm

bmax——核桃最大周徑，mm

bmin——核桃最小周徑，mm

cmax——核桃最大棱徑，mm

cmin——核桃最小棱徑，mm

t——螺距，mm

d——螺旋葉片直徑，mm

A——螺旋葉片間交疊量，mm

錯(cuò)位量S′的選取對(duì)于喂料效果影響較大，錯(cuò)位量S′過(guò)小往往會(huì)導(dǎo)致較大核桃無(wú)法下落，錯(cuò)位量S′過(guò)大會(huì)造成破殼機(jī)構(gòu)擠壓/落料U形塊之間同時(shí)落入多個(gè)核桃，影響破殼效果。

2.2 凸輪搖桿雙向擠壓破殼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

破殼機(jī)構(gòu)主要由U形塊和凸輪兩部分組成，如圖7所示。從喂料機(jī)構(gòu)落下的核桃在自身重力作用下，落入擠壓U形塊與落料U形塊之間的V型間隙，完成自動(dòng)定位。擠壓凸輪、落料凸輪同時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)第二推程運(yùn)動(dòng)角和第二遠(yuǎn)休止角，在擠壓凸輪、落料凸輪的推動(dòng)下，擠壓U形塊、落料U形塊同時(shí)對(duì)核桃擠壓，使核桃表面產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，直至殼體完全破碎。最后，擠壓凸輪、落料凸輪同時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)回程運(yùn)動(dòng)角，完成卸料。完成破殼后的薄皮核桃在自身重力下落入卸料倉(cāng)，進(jìn)入下一步殼、仁分離工序。

圖7 擠壓破殼機(jī)構(gòu)示意圖Fig.7 Sketch of crushing and breaking mechanism1.擠壓凸輪 2.擠壓凸輪固定軸 3.滾子軸承 4.擠壓U形塊 5.落料U形塊鉸接軸 6.落料U形塊 7.拉簧 8.落料凸輪 9.落料凸輪固定軸 10.銷(xiāo)軸 11.擠壓U形塊鉸接軸 12.擠壓破殼機(jī)構(gòu)箱體 13.菱形帶座軸承 14.同步帶輪

2.2.1擠壓/落料U形塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖8所示，擠壓U形塊結(jié)構(gòu)參數(shù)包括擠壓U形塊旋轉(zhuǎn)中心與拉簧掛點(diǎn)垂直距離L1，與滾子軸承旋轉(zhuǎn)中心垂直距離L2，與擠壓U形塊頂部的垂直距離L3，以及擠壓U形塊整體長(zhǎng)度L4，滾子軸承半徑rr，擠壓U形塊厚度t1，寬度W1，擠壓U形塊內(nèi)圓弧面半徑R1；落料U形塊結(jié)構(gòu)參數(shù)包括落料U形塊旋轉(zhuǎn)中心與拉簧掛點(diǎn)垂直距離L5，與滾子軸承旋轉(zhuǎn)中心垂直距離L6，與落料U形塊底部垂直距離L7，以及落料U形塊長(zhǎng)度L8，落料U形塊厚度t2，寬度W2，落料U形塊內(nèi)圓弧面半徑R2。

圖8 擠壓/落料U形塊結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.8 Sketch of structural parameters of extrusion/blanking U-shaped plate

云南省漾濞核桃具有果大、皮薄、核仁肥厚、出仁率高、出油率高的特點(diǎn)，栽培面積廣，具有非常高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，漾濞核桃周徑在31～40 mm之間。凸輪搖桿雙向擠壓自定位核桃破殼裝置采用一對(duì)集中力進(jìn)行擠壓破殼的方式，需保證R1=R2>bmax/2=20 mm，取R1=R2=25 mm。為防止在擠壓過(guò)程中，擠壓U形塊和落料U形塊發(fā)生碰撞，令W1=W2<(bmin-ΔX)/2=(31-7)/2=12 mm，其中ΔX為擠壓間隙，取W1=W2=10 mm。其它參數(shù)為：L3=L7=160 mm，L4=L8=170 mm，L1=L5=90 mm，L2=L6=120 mm，t1=t2=6 mm。

2.2.2凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)角及位移確定

為保證薄皮核桃準(zhǔn)確落入擠壓U形塊與落料U形塊之間，需滿(mǎn)足

(12)

LO′O″——投影點(diǎn)O′、O″之間距離，mm

α1——擠壓U形塊與x軸正向初始夾角，(°)

β1——落料U形塊與x軸負(fù)向初始夾角，(°)

如圖2所示，為保證核桃在擠壓過(guò)程中不被彈出，需滿(mǎn)足條件

(Fn1+Fn2)cosα1≤(Ff1+Ff2)sinα1

(13)

將式(3)代入式(13)中，得

μ′≥arctanα1

(14)

設(shè)核桃外殼與擠壓U形塊內(nèi)腔任意接觸點(diǎn)為A，與落料U形塊內(nèi)腔面任意接觸點(diǎn)為B，核桃的擠壓間隙為

(15)

式中 ΔxA——核桃在點(diǎn)A的擠壓間隙，mm

ΔxB——核桃在點(diǎn)B的擠壓間隙，mm

α2——擠壓U形塊在擠壓階段結(jié)束位置與x軸正向夾角，(°)

β2——落料U形塊在擠壓階段結(jié)束位置與x軸負(fù)向夾角，(°)

LAO′——點(diǎn)A與點(diǎn)O′之間的距離，mm

LBO″——點(diǎn)B與點(diǎn)O″之間的距離，mm

整理得到

(16)

為保證核桃在卸料階段，能夠完全從擠壓U形塊與落料U形塊之間落下，需保證

(17)

式中β3——落料U形塊在卸料階段結(jié)束位置與x軸負(fù)向夾角，(°)

2.2.3搖桿位移方程確定

凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)如圖9、10所示，擠壓破殼裝置完成一套擠壓破殼流程需經(jīng)過(guò)準(zhǔn)備階段、喂料階段、擠壓階段和卸料階段。其中，準(zhǔn)備階段：擠壓/落料U形塊分別在凸輪EF段輪廓曲線推動(dòng)下旋轉(zhuǎn)α1-α3，使擠壓U形塊與落料U形塊之間形成V形間隙；喂料階段：凸輪轉(zhuǎn)過(guò)FG段輪廓曲線，擠壓U形塊與落料U形塊相對(duì)位置保持不變；擠壓階段：擠壓/落料U形塊分別在凸輪GH段輪廓曲線推動(dòng)下旋轉(zhuǎn)α2-α1，在此階段核桃受一對(duì)集中力作用，核桃殼表面產(chǎn)生裂紋，部分裂紋開(kāi)始拓展，然后，凸輪轉(zhuǎn)過(guò)HI段輪廓曲線，核桃表面裂紋進(jìn)一步向外圍拓展；卸料階段：凸輪轉(zhuǎn)過(guò)IE段輪廓曲線，在拉簧作用下，擠壓/落料U形塊同時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)α2-α3，底部形成開(kāi)口，實(shí)現(xiàn)落料。

圖9 擠壓破殼裝置各工作階段示意圖Fig.9 Sketch of each working stage of crushing and breaking device

圖10 凸輪轉(zhuǎn)角示意圖Fig.10 Sketch of cam rotation

(1)第一推程工作段采用二次多項(xiàng)式與正弦加速度的組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如圖11a所示，其運(yùn)動(dòng)曲線由6段組成。其搖桿位移的計(jì)算公式為

圖11 凸輪組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖Fig.11 Regular diagram of cam combination motion

(18)

式中ψ1——第一推程工作段內(nèi)搖桿角位移，rad

δ1——第一推程工作段內(nèi)凸輪轉(zhuǎn)角，rad

ψ′01——第一推程工作段內(nèi)搖桿行程角，rad

δ01——第一推程工作段內(nèi)凸輪推程運(yùn)動(dòng)角，rad

ψ′1——第一修正區(qū)段內(nèi)搖桿角位移，rad

ψ′2——第二修正區(qū)段內(nèi)搖桿角位移，rad

ψ′3——第三修正區(qū)段內(nèi)搖桿角位移，rad

ψ′4——第四修正區(qū)段內(nèi)搖桿角位移，rad

ψ′5——第五修正區(qū)段內(nèi)搖桿角位移，rad

φ1——第一修正區(qū)段內(nèi)凸輪推程運(yùn)動(dòng)角，rad

φ2——第二修正區(qū)段內(nèi)凸輪推程運(yùn)動(dòng)角，rad

φ3——第三修正區(qū)段內(nèi)凸輪推程運(yùn)動(dòng)角，rad

φ4——第四修正區(qū)段內(nèi)凸輪推程運(yùn)動(dòng)角，rad

φ5——第五修正區(qū)段內(nèi)凸輪推程運(yùn)動(dòng)角，rad

(2)第一遠(yuǎn)休止工作段搖桿位移ψ2=α1-α3。

(3)第二推程工作段采用一次多項(xiàng)式與正弦加速的組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律，由圖11b所示，其運(yùn)動(dòng)曲線由3段組成。其搖桿位移方程為

(19)

式中ψ3——第二推程工作段內(nèi)搖桿角位移，rad

δ3——第二推程工作段內(nèi)凸輪轉(zhuǎn)角，rad

ψ′03——第二推程工作段內(nèi)搖桿行程角，rad

δ03——第二推程工作段內(nèi)凸輪推程運(yùn)動(dòng)角，rad

ψ′6——第六修正區(qū)段內(nèi)搖桿角位移，rad

ψ′7——第七修正區(qū)段內(nèi)搖桿角位移，rad

φ6——第六修正區(qū)段內(nèi)凸輪推程運(yùn)動(dòng)角，rad

φ7——第七修正區(qū)段內(nèi)凸輪推程運(yùn)動(dòng)角，rad

為保證兩段運(yùn)動(dòng)規(guī)律在銜接點(diǎn)處運(yùn)動(dòng)參數(shù)的連續(xù)性，同時(shí)還應(yīng)滿(mǎn)足關(guān)系

(20)

(4)第二遠(yuǎn)休止工作段搖桿位移ψ4=α2-α1。

(5)回程工作段采用二次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其搖桿位移方程為

(21)

式中ψ5——回程工作段內(nèi)搖桿角位移，rad

δ5——回程工作段內(nèi)凸輪轉(zhuǎn)角，rad

ψ′05——回程工作段內(nèi)搖桿行程角，rad

δ05——回程工作段內(nèi)凸輪運(yùn)動(dòng)角，rad

2.2.4凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)

如圖12所示，根據(jù)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律、凸輪基本尺寸，用反轉(zhuǎn)法求解凸輪輪廓曲線。擠壓凸輪有兩段推程和一段回程，其中滾子軸承中心點(diǎn)D即為擠壓凸輪的理論輪廓線，在坐標(biāo)系中對(duì)應(yīng)位置為D(x,y)，運(yùn)用解析法求解擠壓凸輪理論輪廓線，其方程為[24]

圖12 擠壓凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)Fig.12 Design of extrusion cam profile curve

(22)

式中a1——擠壓凸輪旋轉(zhuǎn)中心與搖桿的中心距，mm

ψ0——搖桿初始位置角，rad

δ——凸輪運(yùn)動(dòng)角，rad

ψ——搖桿角位移，rad

(23)

式中r0——基圓半徑，mm

凸輪工作輪廓線對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)為

(24)

其中

(25)

將相應(yīng)從動(dòng)件角位移ψ和凸輪轉(zhuǎn)角δ代入式(22)、(24)，可得凸輪工作輪廓線每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)材料選用云南省種植的漾濞核桃，含水率為14.55%～16.35%，周徑為31～40 mm。試驗(yàn)設(shè)備及儀器等包括：凸輪搖桿雙向擠壓自定位核桃破殼裝置、電子秤、游標(biāo)卡尺等。

3.2 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

凸輪搖桿雙向擠壓自定位核桃破殼裝置試驗(yàn)效果如圖13所示。選取L9(34)正交表安排試驗(yàn)，每組試驗(yàn)選取1 000 g核桃。試驗(yàn)因素水平如表1所示。如圖14所示，將殼仁未分離、核桃表面有裂紋及整體完整的核桃稱(chēng)為“未脫殼”。核桃脫殼后，核桃仁體積大于或等于整個(gè)核桃仁1/4的稱(chēng)為一露仁，大于或等于1/8小于1/4的稱(chēng)為二露仁；小于1/8的稱(chēng)為碎仁[11]。

圖13 破殼裝置作業(yè)效果Fig.13 Operation effects of shell breaking device

表1 試驗(yàn)因素水平Tab.1 Experimental factors and levels

圖14 核桃仁等級(jí)特征Fig.14 Grade characteristics of walnut kernel

由表2(表中A、B、C為因素水平值)可知各因素對(duì)一露仁率η1、二露仁率η2、碎仁率η3、脫殼率η4的影響情況。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的極差分析(表3)，得到影響一露仁率的主次順序?yàn)镃、A、B，各因素的最優(yōu)水平分別為A2、B3、C3；影響二露仁率的主次順序?yàn)镃、B、A，各因素的最優(yōu)水平為A1、B2、C1；影響碎仁率的主次順序?yàn)镃、A、B，各因素的最優(yōu)水平分別為A2、B3、C3；影響脫殼率的主次順序?yàn)镃、A、B，各因素的最優(yōu)水平為A3、B2、C2。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.2 Results of experiment

表3 試驗(yàn)結(jié)果極差分析Tab.3 Range analysis of experimental results

通過(guò)表3可以看出，核桃周徑對(duì)4個(gè)指標(biāo)影響程度最大；凸輪軸轉(zhuǎn)速對(duì)一露仁率、脫殼率、碎仁率影響程度最低；擠壓間隙對(duì)二露仁率影響程度最低。

通過(guò)方差分析，對(duì)各因素影響一露仁率、二露仁率、碎仁率、脫殼率進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，如表4所示。核桃周徑對(duì)一露仁率影響極顯著，擠壓間隙對(duì)一露仁率影響顯著，主次順序?yàn)镃、A、B；擠壓間隙、凸輪軸轉(zhuǎn)速、核桃周徑對(duì)二露仁率、碎仁率、脫殼率皆無(wú)顯著性影響，其影響的主次順序分別為C、B、A，C、A、B，C、A、B，這與極差分析的主次因素結(jié)論一致。

表4 一露仁率、二露仁率、碎仁率和脫殼率方差分析Tab.4 Variance analysis of the first grade kernel rate, the second grade kernel rate, kernel cracking rate and hulling rate

根據(jù)凸輪搖桿雙向擠壓自定位核桃破殼裝置性能要求，試驗(yàn)結(jié)果中各試驗(yàn)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)組合并不相同，為了達(dá)到兼顧平衡各項(xiàng)指標(biāo)的目的，采用綜合加權(quán)評(píng)分法確定4個(gè)指標(biāo)下的最優(yōu)組合[25]?？紤]到3個(gè)因素對(duì)衡量指標(biāo)的重要程度，以100分作為總“權(quán)”，對(duì)4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行賦值：一露仁率30分、二露仁率20分、碎仁率20分、脫殼率30分。試驗(yàn)的綜合加權(quán)結(jié)果如表5所示。

表5 綜合加權(quán)結(jié)果Tab.5 Result of integrated weighted

通過(guò)表5可得，各試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)(一露仁率、二露仁率、碎仁率、脫殼率)影響的最優(yōu)組合。綜合影響因素的大小順序?yàn)镃、A、B，最優(yōu)組合為A3B2C2，即擠壓間隙為7 mm，凸輪軸轉(zhuǎn)速為53 r/min，核桃周徑范圍為34～37 mm時(shí)，試驗(yàn)效果最佳。

3.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

為檢驗(yàn)最優(yōu)組合在破殼機(jī)中的工作效果，將最優(yōu)組合A3B2C2進(jìn)行3次動(dòng)態(tài)驗(yàn)證性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。對(duì)3次試驗(yàn)結(jié)果取平均值后，經(jīng)過(guò)工作參數(shù)優(yōu)化后的凸輪搖桿雙向擠壓自定位核桃破殼裝置一露仁率平均值為61.39%；二露仁率平均值為23.30%；碎仁率平均值為15.31%；脫殼率平均值為92.36%。在滿(mǎn)足高脫殼率的同時(shí)具有較高露仁率，與傳統(tǒng)型核桃剝殼取仁裝置相比，高露仁率提高了14.69個(gè)百分點(diǎn)，滿(mǎn)足核桃產(chǎn)業(yè)初加工的需求[26]。

表6 核仁損傷率驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Verification test results of kernel damage rate

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了凸輪搖桿雙向擠壓自定位核桃破殼裝置，采用定間隙單果擠壓破殼的方式，在提高脫殼率的同時(shí)，降低了碎仁率，并對(duì)該裝置主要工作系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)。采用L9(34)正交表進(jìn)行試驗(yàn)，利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到核桃周徑對(duì)一露仁率影響極顯著，擠壓間隙對(duì)一露仁率影響顯著，影響的主次順序?yàn)镃、A、B，擠壓間隙、凸輪軸轉(zhuǎn)速、核桃周徑對(duì)二露仁率、碎仁率、脫殼率皆無(wú)顯著性影響，其影響的主次順序分別為C、B、A，C、A、B，C、A、B。

(2)采用綜合加權(quán)評(píng)分法得到凸輪搖桿雙向擠壓自定位核桃破殼裝置的最優(yōu)水平組合為：核桃周徑范圍34～37 mm、擠壓間隙7 mm、凸輪軸轉(zhuǎn)速53 r/min，并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到一露仁率為61.39%，二露仁率為23.30%，碎仁率為15.31%，脫殼率為92.36%，與傳統(tǒng)型核桃剝殼取仁裝置相比，高露仁率提高了14.69個(gè)百分點(diǎn)，在滿(mǎn)足高脫殼率的同時(shí)具有較高露仁率，滿(mǎn)足核桃產(chǎn)業(yè)初加工需求。