核桃定向破殼裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

馬秋成，陳 強(qiáng)，盧安舸，莊自云，劉 健，曹允盛

（湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105）

【研究意義】核桃是一種傳統(tǒng)的營養(yǎng)食品，含鋅、錳、鉻等對人體有益的微量元素[1]?；诤颂业慕?jīng)濟(jì)價(jià)值，核桃在我國云南、新疆等地廣泛種植，已成為西部地區(qū)鄉(xiāng)村振興重要的經(jīng)濟(jì)作物，目前，我國核桃種植面積和產(chǎn)量均位居世界前列[2]。核桃屬于堅(jiān)果，在食用之前需將其外殼去除，核桃破殼是核桃生產(chǎn)中的重要工序。由于核桃大小不同、形狀不規(guī)則，且其外殼堅(jiān)硬，在其破殼取仁過程中，容易造成核桃仁破碎而降低其品質(zhì)。為保證核桃仁完整，長期以來，核桃破殼采用手工作業(yè)。這種生產(chǎn)方式，工作效率低、勞動強(qiáng)度大，隨著我國農(nóng)村剩余勞動力的減少，核桃機(jī)械破殼已成為核桃加工業(yè)發(fā)展的必然方向[3-5]。【前人研究進(jìn)展】為實(shí)現(xiàn)核桃破殼的機(jī)械化和自動化，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。目前，核桃破殼方法主要有擠壓、撞擊、揉搓等[6-11]，這些方法均是利用破殼部件與核桃之間的相互作用使核桃外殼破裂。王維等[12]研制的錐籃式破殼機(jī)，將核桃置于動筒與定筒所形成的錐形空間，利用動筒的旋轉(zhuǎn)對核桃進(jìn)行擠壓破殼；劉海江等[13]研制的漾濞核桃定向破殼設(shè)備，通過主軸帶動傳動機(jī)構(gòu)做上下往復(fù)運(yùn)動，利用與傳動機(jī)構(gòu)聯(lián)接的壓頭對核桃施加載荷進(jìn)行破殼；鄭霞等[14]研制的揉搓式核桃破殼取仁裝置，利用擠壓輪之間的擠壓使核桃破殼，然后再利用兩個(gè)速度不同的工作帶之間形成的剪切力使核桃脫殼?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】上述核桃破殼方法，均為固定通道破殼，只適合一定尺寸的核桃。為滿足不同大小核桃的破殼要求，需要在破殼前對核桃按尺寸大小進(jìn)行篩選分級，然后對不同大小的核桃，用不同參數(shù)的破殼設(shè)備加工。篩選分級不僅增加了生產(chǎn)工序，而且還會因?yàn)楹Y選分級存在的誤差而影響破殼質(zhì)量。另外，由于核桃形狀不規(guī)則，現(xiàn)有核桃破殼方法，核桃在破殼工具之間的運(yùn)動是隨機(jī)的、容易造成核桃仁破碎?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為解決核桃在破殼過程需要篩選分級的問題，并防止核桃在破殼過程中作隨機(jī)運(yùn)動而引起核桃仁破碎，本文基于核桃的外形特征和力學(xué)特性，并參考人工破殼時(shí)的施力方向，提出一種核桃定向破殼方法。該方法首先通過直線振動器調(diào)整核桃姿態(tài)，使核桃在進(jìn)入破殼工位前其軸線與運(yùn)動方向垂直，然后采用一種由皮帶與壓板機(jī)構(gòu)組合而成的破殼裝置，保證核桃在破殼過程中所受到的破殼力隨核桃的大小不同自動調(diào)整。設(shè)計(jì)了定向破殼試驗(yàn)裝置，對該方法的相關(guān)工藝參數(shù)對破殼率、高路仁率和碎仁率的影響開展了試驗(yàn)研究。所研究的方法及獲得的參數(shù)，對核桃破殼設(shè)備研發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

1 核桃外廓尺寸及破殼力測試

1.1 試驗(yàn)材料

本文選擇云南省楚雄州種植的大姚103核桃為試驗(yàn)對象。試驗(yàn)中，隨機(jī)選取無明顯殘次且含水率≤10%的核桃作為試驗(yàn)樣本。

1.2 外廓尺寸測量

核桃外廓尺寸測量工具選用游標(biāo)卡尺，所測量的外廓尺寸包括橫徑、縱徑、棱徑，如圖1 所示。測量時(shí)，每個(gè)方向測量3次，取其平均值作為測量結(jié)果。對200顆核桃樣本的測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如表1所示。

表1 云南大姚103核桃尺寸分布Tab.1 Size distribution of Yunnan Dayao 103 walnut

圖1 核桃?guī)缀纬叽鐪y量Fig.1 Geometric dimension measurement drawing of walnut

1.3 破殼力與破殼位移

破殼力和破殼位移測試采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)（型號：UTM4204X），如圖2所示。試驗(yàn)時(shí)，分別沿核桃橫徑、縱徑、棱徑3個(gè)方向?qū)颂疫M(jìn)行靜態(tài)加載試驗(yàn)，獲得核桃在不同方向上的壓縮力學(xué)性能參數(shù)。測試時(shí)，先線性加載，當(dāng)載荷加大到核桃殼破裂、并出現(xiàn)載荷突變時(shí)，記錄其最大載荷作為核桃的破殼力，此時(shí)的位移為破殼位移，并觀察記錄外殼破裂后核桃仁的損傷情況，計(jì)算不同加載方向的碎仁率。每個(gè)方向測量100個(gè)樣本，所測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

圖2 電子萬能試驗(yàn)機(jī)Fig.2 Electronic universal testing machine

1.4 測試結(jié)果分析

由表1可知，核桃橫徑、縱徑的分布范圍較寬，棱徑的分布范圍相對較窄；橫徑、縱徑、棱徑的均值分別為31.88，36.34，27.77 mm，其大小依次為縱徑、橫徑、棱徑?；诤颂依鈴匠叽缱钚〉倪@一形狀特點(diǎn)，可知核桃在棱徑方向上的質(zhì)心位置最低，根據(jù)最小勢能原理，核桃在受到外界擾動后更易以中縫線朝上的姿態(tài)靜止在水平面上，因此，核桃在形狀上具有定向破殼的基礎(chǔ)。

由表2可知，核桃沿橫徑、縱徑、棱徑3個(gè)方向的破殼力均值分別為：134.01，165.46，142.60 N，其大小依次為縱徑、棱徑、橫徑。由此可以看出，沿橫徑方向施力，破殼力最小，更容易使核桃破殼；另外，在表2中，核桃沿橫徑、縱徑、棱徑3 個(gè)方向靜態(tài)加載的碎仁率分別為7%、20%、16%，可以看出，核桃沿橫徑方向加載時(shí)的碎仁率最低?；诤颂业膬?nèi)部結(jié)構(gòu)，核桃兩半仁的接合面與橫徑截面平行，沿橫徑方向施力，更容易保證核桃兩半仁的完整。因此，核桃沿橫徑方向破殼，是核桃破殼的理想方向。

表2 云南大姚103核桃破殼力及破殼位移Tab.2 Shell crushing force and shell crushing displacemen Dayao 103 walnut

2 定向破殼試驗(yàn)裝置

2.1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

基于核桃的外形特征和破殼參數(shù)測量結(jié)果，為實(shí)現(xiàn)核桃能沿橫徑方向施力進(jìn)行定向破殼，并滿足不同大小核桃的破殼要求，本文設(shè)計(jì)了一種用于核桃定向破殼的試驗(yàn)裝置，其整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。試驗(yàn)裝置由機(jī)架、送料裝置、振動調(diào)姿裝置、破殼裝置和變頻器等部分組成。

圖3 定向破殼試驗(yàn)裝置整體結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall structure of directional shell crushing test device

為滿足不同大小核桃的破殼要求，破殼裝置設(shè)計(jì)了三組壓板，其與輸送平帶之間的間隙逐次減小，大的核桃前端在入口處破殼，小的核桃在后端狹窄處破殼，根據(jù)所測得的核桃棱徑分散范圍，確定兩組壓板機(jī)構(gòu)的入口間隙差值為3 mm，保證不同大小的核桃均能進(jìn)入破殼區(qū)域并完成破殼（圖4）。

圖4 破殼裝置結(jié)構(gòu)Fig.4 Shell crushing device structure

2.2 破殼工作原理

核桃經(jīng)由物料輸送裝置落入振動調(diào)姿裝置中?；谧钚菽茉?，核桃在受到外界擾動后呈中縫線朝上的姿態(tài)。在直線振動器的激振作用下，核桃姿態(tài)得到調(diào)整，使核桃的中縫線與核桃的前進(jìn)方向垂直，通過皮帶輸送至破殼區(qū)域。核桃進(jìn)入破殼工作區(qū)域后，其棱徑與壓板接觸，如圖5a所示，在皮帶和壓板的作用下，核桃發(fā)生翻滾，由于橫徑大于棱徑，核桃在翻滾過程中，壓板以鉸接處為中心作平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，此時(shí)彈簧伸長，施加給核桃的外力不斷加大，當(dāng)橫徑與壓板接觸時(shí)，如圖5b所示，核桃所受外力最大，而橫徑為核桃受力薄弱部位。因此，只要設(shè)計(jì)好彈簧剛度參數(shù)，可使核桃所受外力大于破殼力而實(shí)現(xiàn)對核桃的破殼。當(dāng)核桃繼續(xù)前進(jìn)時(shí)，在皮帶和壓板的揉搓作用下完成殼仁分離，如圖5c所示。

以下分3個(gè)階段對核桃破殼過程進(jìn)行力學(xué)分析，如圖5所示。

圖5 破殼過程受力分析Fig.5 Stress analysis diagram of shell crushing process

（1）接觸階段。如圖5a所示。由于皮帶具有彈性且由滾輪排支撐，核桃在楔形區(qū)域移動并與壓板接觸時(shí)會產(chǎn)生正壓力和摩擦力，對核桃中心O 點(diǎn)求矩，如式（1）。分析可知，此時(shí)核桃受到一個(gè)順時(shí)針力矩，且壓板與核桃之間的作用力FN2小于核桃的破殼力，核桃在順時(shí)針力矩和皮帶摩擦力的作用下向皮帶運(yùn)動方向順時(shí)針滾動。

式中∑MO(F)核桃中心合力矩，N/mm；FN1皮帶對核桃的作用力,N；FN2壓板對核桃的作用力,N；FS1核桃受到皮帶的摩擦力,N；FS2核桃受到壓板的摩擦力,N；μ1核桃與皮帶之間的摩擦因數(shù)，μ2核桃與壓板之間的摩擦因數(shù)，b核桃棱徑尺寸的半值,mm；θ壓板傾角，（°）。

（2）破殼階段。由于核桃的橫徑尺寸大于棱徑尺寸，核桃在滾動過程中，彈簧被拉伸，壓板施加給核桃的力不斷增大，當(dāng)所受外力大于核桃殼破力時(shí)，則核桃殼破裂，破殼瞬時(shí)的受力圖如5b 所示，對核桃進(jìn)行受力分析，此時(shí)的受力情況如式（2）、（3）所示，分析可知，核桃的受力與破殼裝置的壓板傾角、彈簧的剛度系數(shù)有關(guān)。壓板傾角θ越大，核桃受到的壓力越大，越有利于破殼，但過大的傾角會使核桃受到的壓力過大，可能會損傷核桃仁。當(dāng)核桃外殼發(fā)生破裂時(shí)，若彈簧的伸長量過大，彈簧在恢復(fù)過程中會對核桃施加過大的力，對核桃仁造成損傷。因此，壓板傾角與彈簧剛度系數(shù)均為影響破殼的關(guān)鍵因素。

式中∑Fx核桃在水平方向合力，N；∑Fy核桃在豎直方向合力，N；P核桃所受的重力，N；k彈簧剛度系數(shù)，N/mm；m核桃的質(zhì)量，kg；Δx彈簧伸長量，mm；Fk施加給壓板的彈簧力，N。

（3）脫殼階段。核桃外殼破裂后，核桃自身所能承受的外力降低，壓板回落，彈簧逐漸恢復(fù)原長，壓板對核桃的壓力逐漸變小，核桃繼續(xù)在破殼區(qū)域內(nèi)翻滾，如圖5c 所示。由斷裂理論[20]可知，當(dāng)裂紋產(chǎn)生后，交變力更易使裂紋擴(kuò)展，在核桃滾動過程中，其受力方向不斷變化，因此更易使裂紋擴(kuò)展，有利于核桃殼仁分離。另外，受力方向變化也可避免核桃在一個(gè)方向過度受力而損傷核桃仁的情況。

理想的破殼過程為：核桃進(jìn)入破殼區(qū)域，發(fā)生翻滾，在翻滾至橫徑方向時(shí)達(dá)到最大破殼力，外殼發(fā)生破裂，繼續(xù)在皮帶和壓板的揉搓作用下完成破殼。

3 破殼裝置關(guān)鍵參數(shù)確定

3.1 壓板機(jī)構(gòu)

壓板機(jī)構(gòu)是試驗(yàn)裝置的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，核桃在壓板與皮帶之間組成的楔形區(qū)域內(nèi)完成破殼，壓板兩側(cè)對稱分布拉伸彈簧。壓板機(jī)構(gòu)與皮帶組成的楔形破殼區(qū)域示意圖如圖6所示。

圖6 破殼區(qū)域示意圖Fig.6 Schematic diagram of shell crushing area

由圖6可知，為保證核桃能順利進(jìn)入破殼區(qū)域，第一塊壓板前端與皮帶的間隙d1應(yīng)大于核桃的棱徑尺寸最大值31.92 mm；為保證核桃能與壓板接觸，且避免在破殼完成后，壓板的回落損傷核桃仁，第三塊壓板的末端與皮帶的間隙d2應(yīng)不大于核桃棱徑尺寸的最小值24.71 mm，初步確定d1＞d2＞24 mm。

為確定壓板的長度，將核桃橫徑截面看作一個(gè)類似橢圓，如圖7 所示，根據(jù)橢圓周長計(jì)算公式[22]，如式（4）、（5），估算出核桃橫徑截面周長。

圖7 核桃破殼區(qū)域橫徑截面Fig.7 Cross section of walnut shell crushing area

式中L核桃橫徑截面的周長，mm；a核桃橫徑尺寸的半值，mm；b核桃棱徑尺寸的半值，mm；ε誤差值。

為保證核桃在翻滾的過程中，壓板長度足夠，以核桃橫徑尺寸與棱徑尺寸的最大值為參考，計(jì)算核桃橫徑截面的周長最大值L。取a的值為19.22 mm，b的值為15.96 mm，誤差ε為10-5，帶入式（5），得出n=2，即在公式（4）中需取和式前兩項(xiàng)即可滿足誤差要求，計(jì)算得出核桃橫徑截面周長L≈110.7 mm。考慮到核桃在破殼區(qū)非純滾動情況，并根據(jù)試驗(yàn)裝置的整體布局，確定壓板長度為200 mm。

3.2 輸送裝置

輸送裝置由電機(jī)、減速機(jī)、動力輸入軸、張緊輪、軸承座等組成，如圖8 所示。動力由電機(jī)通過減速機(jī)輸入，皮帶下方設(shè)置有張緊輪，防止皮帶打滑。皮帶下方的滾輪可以在核桃破殼時(shí)，為皮帶提供支撐力。核桃三徑尺寸中，最大值為43.13 mm，皮帶的寬度設(shè)置為50 mm。壓板長度為200 mm，一條皮帶上布置三組壓板機(jī)構(gòu)，設(shè)置動力輸入軸到從動軸的距離H為785 mm。

圖8 輸送裝置Fig.8 Transportation device

4 定向破殼試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)材料為完成脫青皮、晾曬工序的云南大姚103核桃。由于含水率較高的核桃在受力后呈彈性變形，不利于破殼[23-24]，故選取含水率≤10%的核桃作為試驗(yàn)樣本。試驗(yàn)設(shè)備為自主研制的定向核桃破殼試驗(yàn)裝置，該裝置有兩組破殼工位，如圖9所示。該裝置通過變頻調(diào)速的方法，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來獲得不同的皮帶速度；通過定制方法，獲得不同剛度系數(shù)的彈簧；通過設(shè)置不同的支點(diǎn)位置，來獲得不同傾角的壓板。

圖9 核桃定向破殼試驗(yàn)裝置Fig.9 Walnut directional shell crushing test device

4.2 評價(jià)指標(biāo)

核桃破殼后，按核桃仁完整度的不同可分為：整仁、半仁、1/4 仁、1/8 仁和殘仁。其中價(jià)值較高的整仁、半仁和1/4 仁，為高路仁；1/8 仁和殘仁的價(jià)值較低，為碎仁[25]。本文以破殼率與碎仁率作為衡量破殼效果的評價(jià)指標(biāo)。按式（6）計(jì)算破殼率；按式（7）計(jì)算碎仁率。

式中y1破殼率，%；y2碎仁率，%；N高路仁質(zhì)量，g；N1碎仁質(zhì)量，g；N2未完成破殼核桃質(zhì)量（將未完成破殼核桃人工去殼后稱量），g。

4.3 單因素試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.3.1 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)前述破殼原理分析，皮帶速度、彈簧剛度系數(shù)和壓板傾角是影響破殼效果的3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。以破殼率和碎仁率為評價(jià)指標(biāo)，測試皮帶速度（因素A）、彈簧剛度系數(shù)（因素B）、壓板傾角（因素C）對破殼效果的影響。結(jié)合前期預(yù)試驗(yàn)，皮帶速度的選取范圍為50～130 mm/s；設(shè)計(jì)彈簧的剛度系數(shù)選取范圍為24～56 N/mm；設(shè)計(jì)壓板傾角的選取范圍為1°～5°。

4.3.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析（1）皮帶速度。根據(jù)圖10a（皮帶速度對破殼率和碎仁率的影響）可知，隨著皮帶速度的增加，破殼率會有顯著的提升，但皮帶速度過大，碎仁率會有較大的增加。因?yàn)槠俣冗^小時(shí)，核桃與壓板機(jī)構(gòu)接觸之前本身動能較小，核桃在前進(jìn)過程中會卡在破殼區(qū)域，無法破殼。而皮帶速度過大時(shí)，過大的沖擊力致使核桃整體碎裂。因此，皮帶速度選取在70～110 mm/s，對破殼有利。

（2）彈簧剛度系數(shù)。根據(jù)圖10b（彈簧剛度系數(shù)對破殼率和碎仁率的影響）可知，當(dāng)彈簧剛度系數(shù)較小時(shí)，破殼率較低，隨著彈簧剛度系數(shù)的增加，破殼率會有顯著的提升，但彈簧剛度系數(shù)過大，碎仁率會有較大的增加。因?yàn)閺椈蓜偠容^小時(shí)，核桃在破殼區(qū)域受到的外力小于其最大破殼力而無法破殼；但如果彈簧剛度太大，彈簧在恢復(fù)過程中會直接把核桃壓碎，碎仁率顯著增加。因此，彈簧剛度系數(shù)選取在32～48 N/mm，對破殼有利。

（3）壓板傾角。根據(jù)圖10c（壓板傾角對破殼率和碎仁率的影響）可知，隨著壓板傾角的增加，破殼率逐漸增加，同時(shí)碎仁率也增加。因?yàn)閴喊鍍A角較小時(shí)，會出現(xiàn)尺寸較小的核桃通過破殼區(qū)域不與壓板接觸的情況，此時(shí)破殼率較低。當(dāng)壓板傾角較大時(shí)，核桃在破殼區(qū)域受到壓板的壓力較大，破殼率提升，但是也容易對核桃仁造成損傷。因此，壓板傾角選擇在2°～4°，對破殼有利。

圖10 單因素試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Single factor test result

4.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

4.4.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 通過單因素試驗(yàn)得到了各因素對評價(jià)指標(biāo)影響的顯著范圍，擬通過正交實(shí)驗(yàn)分析，獲得破殼試驗(yàn)裝置的最優(yōu)工作參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)。3 個(gè)試驗(yàn)因素的取值如表3 所示，利用Design Expert 11軟件進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表4所示。

表3 試驗(yàn)因素水平表Tab.3 Test factor level table

4.4.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析 根據(jù)表4 試驗(yàn)結(jié)果，分別得到破殼率、碎仁率的二次回歸模型如式（8）、（9），并進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果如表6、表7。

表4 核桃破殼正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Orthogonal experiment results of walnut shell crushing

表5 破殼率二次回歸模型方差分析Tab.5 Variance analysis of quadratic regression model of broken shell rate

表6 碎仁率二次回歸模型方差分析Tab.6 Variance analysis of quadratic regression model of broken kernel rate

式中A：皮帶速度，mm/s；B：彈簧剛度系數(shù)，N/mm；C：壓板傾角，（°）。

由表5可知，破殼二次回歸模型P值為0.001 6，小于0.05，失擬項(xiàng)P值為0.244 6，大于0.05，說明模型顯著，失擬項(xiàng)不顯著，該回歸模型的擬合程度高，不存在其他影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素。其中，B 對破殼率的影響極顯著，A、AB、AC 對破殼率的影響顯著，影響順序?yàn)锽、A、AC、AB，即皮帶速度與彈簧剛度系數(shù)對破殼率的交互影響顯著，皮帶速度與壓板傾角對破殼率的交互影響顯著，彈簧剛度系數(shù)與壓板傾角對破殼率的交互影響不顯著。

由表6可知，碎仁率二次回歸模型P值為0.007 3，小于0.01，失擬項(xiàng)P值為0.119 6，大于0.05，說明模型極顯著，失擬項(xiàng)不顯著，該回歸模型的擬合程度高，不存在其他影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素。其中，B 對碎仁率的影響極顯著，C、AC 對碎仁率的影響顯著，影響順序?yàn)锽、C、AC，即皮帶速度與壓板傾角對碎仁率的交互影響顯著。

4.4.3 響應(yīng)曲面分析 通過破殼率和碎仁率方差分析表可知，交互作用存在不顯著項(xiàng)，利用Design Expert 11軟件得出顯著交互作用對破殼率和碎仁率的響應(yīng)曲面，如圖11所示。

（1）試驗(yàn)因素對破殼率的影響。由圖11a可知，當(dāng)壓板傾角為3°時(shí)，隨著彈簧剛度系數(shù)和皮帶速度的增加，破殼率呈逐漸增加的趨勢。皮帶速度約為90 mm/s時(shí)，隨著彈簧剛度系數(shù)的增加，破殼率最大可達(dá)到98%。

圖11 交互效應(yīng)3D響應(yīng)曲面Fig.11 Interaction 3D response surface

由11b 可知，當(dāng)彈簧剛度系數(shù)不變時(shí)，隨著壓板傾角和皮帶速度的增加，破殼率呈逐漸增加的趨勢。當(dāng)壓板傾角約為3°時(shí)，隨著皮帶速度的增加，破殼率最大可達(dá)到96%。皮帶速度小于80 mm/s時(shí)，壓板傾角增加，破殼率呈下降趨勢。

（2）試驗(yàn)因素對碎仁率的影響。由圖11c可知，當(dāng)彈簧剛度系數(shù)不變時(shí)，隨著壓板傾角和皮帶速度的增加，碎仁率增加。皮帶速度在90～100 mm/s，隨著彈簧剛度系數(shù)的增加，碎仁率增大，最大時(shí)超過17%。

綜合以上分析，在滿足破殼率要求的前提下，應(yīng)優(yōu)選較大的皮帶速度、較小的彈簧剛度系數(shù)和較小的壓板傾角，以降低碎仁率。

4.5 優(yōu)化參數(shù)試驗(yàn)

為獲得核桃定向破殼試驗(yàn)裝置的最佳性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文以破殼率的最大值及碎仁率的最小值為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其目標(biāo)函數(shù)與約束條件為：

使用Design Expert 11 軟件進(jìn)行求解，得出最優(yōu)參數(shù)組合：皮帶速度為92.56 mm/s，彈簧剛度系數(shù)為41.32 N/mm，壓板傾角為2.69°，此時(shí)模型預(yù)測破殼率為96.11%，碎仁率為13.90%。

基于軟件分析得出的破殼最優(yōu)參數(shù)，對參數(shù)圓整后，以皮帶速度93 mm/s，彈簧剛度系數(shù)42 N/mm，壓板傾角2.5°為工作參數(shù)，采用本文所研制的核桃定向破殼裝置，開展定向破殼試驗(yàn)。試驗(yàn)分3 組進(jìn)行，每組試驗(yàn)完成后，將核桃殼去除，所獲核桃仁如圖12所示。對核桃仁進(jìn)行分揀，按整仁、半仁、1/4 仁和碎仁4 種類型，進(jìn)行分類匯總并稱量，試驗(yàn)結(jié)果如表7 所示，由表可以看出，定向破殼裝置的破殼率為97.2%，高路仁率為86.5%，碎仁率為13.5%，破殼效果良好，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[25]。因此，本文提出的核桃定向破殼方法是可行的，所獲工藝參數(shù)是有效的。

圖12 破殼效果Fig.12 Shell crushing effect

表7 試驗(yàn)破殼情況統(tǒng)計(jì)Tab.7 Statistics of test shell crushing

5 結(jié)論

（1）本文測試了云南大姚103 核桃的外廓尺寸和沿3 個(gè)方向的破殼力，測試結(jié)果表明：核桃破殼時(shí)，沿橫徑方向施力，不僅所需的破殼力小，而且核桃的碎仁率低。

（2）基于核桃的外形特征和力學(xué)特性，并參考人工破殼時(shí)的施力方向，提出了一種適用于不同大小核桃的定向破殼方法，并設(shè)計(jì)了由皮帶和壓板組成的楔形定向破殼裝置，可實(shí)現(xiàn)對核桃沿橫徑方向破殼。

（3）對核桃定向破殼過程進(jìn)行了力學(xué)分析，采用單因素試驗(yàn)方法，測得了皮帶速度、彈簧剛度系數(shù)、壓板傾角對核桃破殼效果的影響規(guī)律，優(yōu)選出皮帶速度的選取范圍為70～110 mm/s，彈簧剛度系數(shù)為32～48 N/mm，壓板傾角為2°～4°。

（4）基于單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用Design Expert 11 軟件開展正交試驗(yàn)，獲得了各影響因素的最優(yōu)參數(shù)組合?；谄茪ぷ顑?yōu)參數(shù)，采用本文所研發(fā)的定向破殼裝置，開展定向破殼試驗(yàn)。結(jié)果表明：當(dāng)皮帶速度為93 mm/s，彈簧剛度系數(shù)為42 N/mm，壓板傾角為2.5°時(shí)，破殼率為97.2%，高路仁率為86.5%，碎仁率為13.5%，破殼質(zhì)量滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（5）本文提出的核桃定向破殼方法，仍存在有碎仁現(xiàn)象，且核桃破殼后殼仁分離不徹底，這些問題仍需進(jìn)一步研究。