核桃及其機械破殼后主要組分懸浮速度理論計算與試驗研究

朱占江，康 敏，劉 奎，馬文強，沈曉賀

（1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機械化研究所，烏魯木齊 830091；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，南京 210031）

截至2020年底，新疆核桃種植面積41.42×104hm2，產(chǎn)量 115.02×104t[1]。核桃仁富含多種人體所需微量元素，具有較高營養(yǎng)價值，殼與分心木均可入藥，具有較高的綜合利用價值[2-4]。收獲后的干核桃初加工一般包含3種，第一種核桃清選去除空癟核桃，第二種對核桃進行大小分級或品種分選，第3種為核桃破殼取仁。前兩種主要為了獲得優(yōu)良原果核桃，提高其商品性，后一種則主要為核桃精深加工及副產(chǎn)品綜合利用提供原料。氣力分選具有低成本，對核桃仁損傷小的特點，其在第一種與第三種初加工核桃清選及殼仁分離方面具有較高的推廣應(yīng)用價值[5-6]，而核桃及其破殼后殼、仁和分心木懸浮速度是設(shè)計和優(yōu)化核桃清選裝置、殼仁氣流分離裝置的重要依據(jù)，因此，開展核桃及其破殼后各組分殼、仁和分心木懸浮速度研究具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，國內(nèi)外對谷物類物料懸浮速度研究較多[7-11]，而對核桃及其破殼后各組分懸浮速度研究相對較少。在核桃懸浮速度方面李光新、劉佳等[12-13]開展了核桃物料空氣動力學(xué)特性研究，并開展了核桃清選試驗。在破殼后殼仁物料懸浮速度方面王維等[14]以陜西香玲核桃為試驗材料開展了機械破殼后各級物料懸浮速度的試驗研究；馬豪[15]對新疆主栽品種核桃機械破殼后殼、仁、半截核桃、破開不完全核桃物料懸浮速度進行了計算；牛浩[16]對185核桃手工破殼后的各等級殼、仁、分心木單顆粒物料懸浮速度進行了試驗測量；曹成茂等[17]以山核桃為試驗材料仿真分析了山核桃機械破殼后各組分物料物理特性，測定了各組分物料懸浮速度。此外邊博等[18]對巴旦木殼仁物料及空氣動力學(xué)特性進行了分析；高連興等[19]對花生脫殼機脫出物主要成分以及雜質(zhì)空氣動力學(xué)特性進行了試驗。以上學(xué)者對核桃與核桃殼仁以及其他堅果殼仁懸浮特性開展的系列研究為本課題開展提供了技術(shù)方案參考，但上述研究中對核桃相關(guān)物料顆粒群懸浮速度研究很少，對顆粒懸浮速度計算并沒有考慮物料自旋影響。同時核桃清選受物料品種、自身物理參數(shù)的影響，核桃機械破殼后各等級物料分選受破殼方式、殼仁物料分級情況的影響，故進一步開展核桃及其機械破殼后各主要組分懸浮速度研究對于更廣泛深入了解核桃相關(guān)物料特性具有重要意義。本文擬以新疆新新2核桃為試驗材料，對核桃以及機械破殼分級后主要組分進行基本物理參數(shù)測量，計算各物料懸浮速度，并重點對顆粒與顆粒群物料懸浮速度開展試驗測定與研究分析，明確核桃及機械破殼后主要組分殼、仁和分心木懸浮速度分布，為核桃清選裝置與殼仁氣流分離裝置設(shè)計與優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗設(shè)備

1.1.1 懸浮速度試驗臺

團隊設(shè)計的懸浮速度試驗臺如圖1所示，該試驗臺由3個管徑不同的測試單元組成，每個測試單元由變頻風(fēng)機、集流管、整流管、喂料管、第一穩(wěn)流管、錐形測試管（或測試直管）、散流罩和測試孔橡膠塞構(gòu)成。第一穩(wěn)流管、錐形測試管、測試直管沿管壁側(cè)面豎向開設(shè)有測試孔。在第一穩(wěn)流管下端連接有整流管，測試單元最上端連接帶有整流作用的散流罩。試驗臺配套SENG825-1溫濕度風(fēng)速風(fēng)壓風(fēng)量儀。本試驗采用中間帶有錐管的測試單元測量核桃及機械破殼后主要組分顆粒物料的懸浮速度、分離風(fēng)速。

圖1 懸浮速度測試臺Figure 1 Suspension velocity test bed

1.1.2 其他試驗設(shè)備

主要包括用于獲取各等級殼仁的核桃破殼、殼仁分離加工成套設(shè)備[20]、精度0.02 mm游標卡尺、精度0.01 g高精度電子秤、邊長為0.5 cm的透明方格紙面積測量器、YD-120C型全自動密度計以及XY-105MW型水分儀。

1.2 試驗用物料

原果核桃：新疆主栽核桃品種新新2薄殼核桃，產(chǎn)地為新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣；空癟核桃：通過空癟核桃風(fēng)選機[21]對新新2核桃分選獲得。兩種原料均儲存于冷庫中。

1.3 試驗方法

1.3.1 物料幾何尺寸、質(zhì)量測定

隨機取新新2原果核桃50顆（非空癟核桃），如圖2所示，對其幾何尺寸、單果重等進行測定；由于空癟核桃與原果核桃在幾何形態(tài)上并無明顯差別，故只隨機選取空癟核桃50顆測定其單果重，空癟核桃內(nèi)部情況如圖3所示。原果核桃長徑、棱徑和橫徑分別記為l、b和h，計算均值，球度為幾何平均徑與長徑的比值，見式（1）。采用前述破殼、殼仁分離設(shè)備以額定生產(chǎn)率10 kg/min速度喂料進行機械破殼分選，各等級殼仁物料、分心木如圖4、5所示，從破殼分離后的每一等級殼仁物料、分心木中隨機選出50顆，對其長、寬、高以及單顆物料質(zhì)量進行測量，并求平均值。由于碎料不進行殼仁分離，可直接用于壓油或者做其他用處，這里不做研究。

圖2 新新2原果核桃Figure 2 Xinxin 2 original walnut

圖3 空癟核桃內(nèi)部Figure 3 Internal of hollow walnut

圖4 各等級核桃仁、殼Figure 4 Different grade walnut kernel

圖5 分心木與碎料Figure 5 Distracted wood and chips

1.3.2 物料迎風(fēng)面積測定

這里的迎風(fēng)面積為各物料最大投影面積。隨機選取核桃及各等級物料20顆，利用方格紙面積測量器測量。對于不規(guī)則的顆粒將其投影圖形描于白紙上，然后再用方格紙進行面積測量，計算均值。

1.3.3 物料密度、含水率測定

采用全自動密度計分別對核桃以及破殼后的殼、仁和分心木密度進行測量，由于薄殼核桃縫合線緊密性較差，為了防止水從核桃縫合線處進入，事先用微量502膠水將縫合線粘連密封；采用水分儀對核桃含水率測試時事先將核桃手工破殼并將破殼后的殼仁混合物料用剪刀剪為均勻小顆粒，對殼、仁和分心木含水率測試時也剪為小顆粒。各物料密度與含水率各測試5次，求均值。

1.3.4 核桃各物料懸浮速度理論計算

考慮管壁對不規(guī)則物料顆粒運動狀態(tài)的影響以及顆粒運動中繞重心旋轉(zhuǎn)的存在，垂直管內(nèi)氣力輸送非球形物料顆粒懸浮速度按照如下公式計算[22]：

式中：d當為物料顆粒當量直徑，m；D為管徑，m；r物為物料顆粒的重度，N/m3；r氣為氣流重度，N/m3；c2為受管壁條件限制的旋轉(zhuǎn)形顆粒阻力系數(shù)。

根據(jù)式（3）、（4）可將式（2）簡化為：

物料顆粒當量直徑按下式計算：

根據(jù)式（3）、（8），式（7）簡化為下式：

不規(guī)則形狀物料顆粒阻力系數(shù)比球形顆粒阻力系數(shù)大，物料顆粒的形狀對懸浮速度有較大影響?？紤]到顆粒形狀影響，懸浮速度采用下式進行修正：

式中k形為形狀修正系數(shù)，取值為[22-23]：原果核桃與空癟核桃按試驗測定計算的物體形狀系數(shù)表圓球計算，數(shù)值為1；1/2仁、1/4仁按國外資料物體形狀系數(shù)表橢圓體計算，數(shù)值為3；1/8仁按國外資料物體形狀系數(shù)表表面不光滑的近似圓球計算，數(shù)值為2.25；1/16仁按試驗測定計算的物體形狀系數(shù)表棱形體計算，數(shù)值為1.76；1/2殼、1/16殼、分心木按國外資料物體形狀系數(shù)表圓板片計算，數(shù)值為5；1/4殼、1/8殼按國外資料物體形狀系數(shù)表方板片計算，數(shù)值為5。氣體密度按常溫標準大氣壓下ρ氣=1.205 kg/m3計算，管徑D=0.015 m。從而由式（6）、（9）、（10）可計算出各物料理論懸浮速度。

1.3.5 單顆粒物料懸浮速度的試驗測定

首先進行懸浮速度測試點的確定，通過試驗發(fā)現(xiàn)在錐形管第一測試孔上下位置核桃各物料最容易處于相對穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，尤其是A-A截面與B-B截面之間，所以選取錐形管第一測試孔進行核桃相關(guān)物料懸浮速度測量，如圖6所示。由于采用了L型皮托管進行風(fēng)速測量，測量截面位于測量孔下部A-A截面，其直徑為152 mm，測量點的位置（點1、2、3、4、5、6）依據(jù)等面積圓環(huán)法確定，各圓環(huán)測點至管壁的距離c根據(jù)測點位置計算系數(shù)計算得到[23]。為了便于采用皮托管風(fēng)速儀器測量，依據(jù)錐管平面圖形測孔處對應(yīng)B-B截面上的位置點（點1′、2′、3′、4′、5′、6′）距管壁的距離c′，在皮托管上進行位置標記，如圖7所示。

圖6 測孔位置Figure 6 Measuring hole position

圖7 測量點的位置Figure 7 Location of measuring points

其次對單顆粒物料懸浮速度測定：先對選取的單顆粒物料采用高精度電子秤稱重，然后放入測試臺料網(wǎng)上，啟動風(fēng)機改變風(fēng)機頻率使物料進入錐形管且穩(wěn)定在第一測試孔上下移動時，記錄風(fēng)機頻率，調(diào)低風(fēng)機頻率至物料下落至料網(wǎng)上，取出物料，然后將風(fēng)機調(diào)至前述頻率，利用風(fēng)速儀對A-A截面6個測量點風(fēng)速進行測量，并求平均值，每種物料連續(xù)測量20顆，再求平均值作為單顆粒物料的懸浮速度，如圖8所示。

圖8 懸浮速度測定Figure 8 Measurement of suspension velocity

1.3.6 顆粒群懸浮速度的試驗測定

在實際生產(chǎn)中，物料以顆粒群存在，故有必要研究顆粒數(shù)量對物料懸浮速度的影響，利用懸浮速度測試臺，在測定單顆物料懸浮速度基礎(chǔ)上，對原果核桃、空癟核桃以及1/2、1/4、1/8、1/16各等級殼仁物料、分心木5顆、10顆、15顆、20顆的懸浮速度進行測量。5顆、10顆、15顆和20顆分別測5組，然后計算懸浮速度均值，采用Microsoft Excel軟件生成同等級不同顆粒數(shù)量下懸浮速度散點折線圖，并進行分析研究。

1.3.7 各混合物料分離風(fēng)速試驗測定

核桃空癟率按10%計[21]，隨機取180顆非空癟原果核桃、20顆空癟核桃，將空癟核桃進行標記，然后將兩者混合，隨機取適量混合物料單層均勻放置于懸浮速度試驗臺物料網(wǎng)上，試驗臺料網(wǎng)直徑150 mm，單層放置一次可放核桃10～13顆，每次至少保證選中一顆空癟核桃，然后進行核桃清選試驗；隨機分別取1/2、1/4、1/8和1/16各等級殼仁混合物物料適量均勻單層布料依次開展分離試驗。待輕物料空癟核桃、核桃殼進入試驗臺錐形管內(nèi)，且重物料原果核桃、核桃仁停留在穩(wěn)流管第一測試孔截面以下位置并穩(wěn)定后，參照單顆粒物料懸浮速度測試方法選擇穩(wěn)流管中部測試孔測量此時的管內(nèi)風(fēng)速作為各混合物料分離風(fēng)速，同時進行物料清選率與誤選率測量計算[17]，進行5組重復(fù)試驗，求均值。分離風(fēng)速測定如圖9、10所示。

圖9 殼仁分離示意Figure 9 Separation of shell and kernel

圖10 分離風(fēng)速測孔位置Figure 10 Location of measuring hole for separating

2 結(jié)果與分析

2.1 核桃氣力清選與機械破殼后各主要組分氣流分離的可行性分析

物料懸浮速度與物料質(zhì)量、密度、含水率正相關(guān)，與物料迎風(fēng)面積負相關(guān)[10,19,24]。如表1～5所示，盡管空癟核桃含水率大于原果核桃，但原果核桃質(zhì)量、密度明顯大于空癟核桃，而兩者迎風(fēng)面積并無差別，故原果核桃懸浮速度大于空癟核桃懸浮速度；雖然核桃殼含水率高于核桃仁含水率，但同等級的核桃仁質(zhì)量、密度均高于核桃殼質(zhì)量，且同等級核桃仁迎風(fēng)面積小于核桃殼迎風(fēng)面積，故同等級核桃仁懸浮速度大于殼懸浮速度。平均質(zhì)量差和平均迎風(fēng)面積差越大越有利于風(fēng)選分離[14]，本試驗中4個等級的核桃仁質(zhì)量與同等級核桃殼質(zhì)量差值分別為1.54、1.13、0.48和0.04 g，4個等級核桃殼迎風(fēng)面積與同等級核桃仁迎風(fēng)面積差值分別為1.49、0.37、0.13和0.11 cm2，平均質(zhì)量差與平均迎風(fēng)面積差均隨著尺寸等級減小而減小，說明隨著各等級物料幾何尺寸變小，物料分離難度有增加的趨勢。對于分心木，其單顆重、密度均比核桃殼、仁小，易被分離。

表1 新新2核桃基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of Xinxin 2 walnut

表2 各等級核桃仁基本物理參數(shù)Table 2 Basic physical parameters of different grade walnut kernel

表3 各等級核桃殼基本物理參數(shù)Table 3 Basic physical parameters of different grade walnut shell

表4 分心木基本物理參數(shù)Table 4 Basic physical parameters of walnut distraction wood

表5 各物料密度和含水率Table 5 Density and moisture content of each material

從計算和試驗結(jié)果明顯可以看出原果核桃懸浮速度大于空癟核桃懸浮速度、同等級的核桃仁懸浮速度大于核桃殼懸浮速度，說明核桃及破殼后各等級物料適宜氣力分選，見表6。試驗測得的4個等級殼與仁懸浮速度均值差分別為4.46、4.85、4.54和3.79 m/s，可以看出1/4殼仁懸浮速度差值最大，1/16殼仁懸浮速度差值最小，說明在4個等級物料分離難易程度不同，1/4殼仁最易分離，而1/16殼仁分離相對困難。測得的分心木懸浮速度遠小于各等級殼仁懸浮速度，從破殼后物料中分離相對容易。

2.2 核桃各組分單顆粒懸浮速度試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果的比較分析

表6表明，試驗測得的懸浮速度與計算得到的懸浮速度大小并不完全一致，除空癟核桃、分心木外試驗獲得的原果核桃、殼以及仁懸浮速度數(shù)值均大于計算得到的數(shù)值。一方面是因為核桃各物料懸浮速度計算過程引入了顆粒變形系數(shù)，可能存在一定的誤差；另一方面顆粒懸浮速度與其幾何形狀與運動姿態(tài)有著密切關(guān)系，顆粒上下浮動、遷移、旋轉(zhuǎn)以及與管壁的碰撞導(dǎo)致其迎風(fēng)面積不斷變化，懸浮速度隨之發(fā)生變化，測得的懸浮速度值為一區(qū)間值。同時由計算結(jié)果與試驗結(jié)果也可以看出，兩種方法獲得的懸浮速度數(shù)值較為接近，說明理論計算與試驗均可作為獲取核桃各物料懸浮速度數(shù)據(jù)的途徑。由于顆粒幾何形態(tài)以及在氣流作用下運動的特殊性，理論計算并不能周全考慮各種因素的影響，而試驗?zāi)軌蛘鎸嵎从愁w粒的運動與懸浮情況，測得的數(shù)據(jù)更為可靠[22]。本試驗單顆粒物料懸浮速度測試時，僅存在物料與管壁的碰撞，不存在物料間的碰撞，運動劇烈程度較低，一定程度說測得的懸浮速度更接近單顆粒物料真實懸浮速度。

表6 主要組分單顆物料懸浮速度Table 6 Suspension velocity of single material of main components m·s-1

2.3 顆粒群懸浮速度分析

從圖11可以看出，隨著物料顆粒數(shù)的增加，原果核桃、空癟核桃與核桃仁、殼、分心木顆粒群懸浮速度均呈現(xiàn)增加趨勢，主要原因在于隨著顆粒數(shù)量的增加，顆粒在測試管內(nèi)所占體積分數(shù)增加，增大了物料懸浮過程顆粒間以及顆粒與管壁碰撞的機率，對于殼、仁物料還增加了物料顆粒尤其是核桃殼疊加貼合增重的機率[25]，造成能量損失，要克服這些因素的影響，需要適當增加風(fēng)速。從懸浮速度與顆粒數(shù)量擬合函數(shù)以及擬合度看，各物料懸浮速度與物料顆粒數(shù)量呈三次擬合函數(shù)關(guān)系(表7)，式中y為顆粒群懸浮速度、x為顆粒數(shù)量。設(shè)備設(shè)計與應(yīng)用過程，喂料機構(gòu)要適宜設(shè)備生產(chǎn)率要求，應(yīng)盡可能保證物料單層通過喂料機構(gòu)，從而減少物料碰撞以及殼疊加增重沉降概率，同時也減小核桃仁被殼夾帶吸走的可能；另一方面根據(jù)喂料速度，可以適當調(diào)整風(fēng)速大小，以適應(yīng)物料分選。

圖11 物料顆粒數(shù)對顆粒群懸浮速度的影響Figure 11 Effect of particle number on particle group suspension velocity

表7 顆粒群懸浮速度與顆粒數(shù)量的擬合關(guān)系式Table 7 Fitting relationship between particle group suspension velocity and particle number

2.4 核桃各物料分離風(fēng)速分析

從表8可以看出，核桃以及1/2殼仁、1/4殼仁、1/8殼仁混合物料在對應(yīng)分離風(fēng)速下可以獲得較好的分離效果，清選率達到95%以上，1/16殼仁混合物物料清選率可以達到90%以上，誤選率均較低。此時各物料分離風(fēng)速為試驗測得的對應(yīng)輕物料空癟核桃或核桃殼懸浮速度均值的1.1～1.2倍。在物料機械化分選過程中，物料連續(xù)喂入，勢必對分離腔內(nèi)部流場以及先前進入分離腔的物料產(chǎn)生影響，分離風(fēng)速的選擇要大于該分離風(fēng)速。實際生產(chǎn)中，核桃及其破殼后主要組分相關(guān)物料采用稀相氣力分選輸送，依據(jù)分離風(fēng)速以及松散物料在垂直管中輸送風(fēng)速要求[24]，進行分選設(shè)備設(shè)計時，建議風(fēng)機選擇以及分離腔結(jié)構(gòu)能夠滿足在分離腔截面風(fēng)速調(diào)節(jié)至最大時，風(fēng)速能夠達到被分離輕物料懸浮速度均值的1.5～2.0倍，而在設(shè)備運行過程中，可通過風(fēng)速調(diào)節(jié)機構(gòu)將分離腔截面風(fēng)速調(diào)節(jié)至被分離輕物料懸浮速度均值的1.2～1.5倍，觀察分選效果再進行適當微調(diào)節(jié)。

表8 分離風(fēng)速測量Tab.8 Separation wind speed measurement of shell kernel

3 討論

計算與試驗所得到的核桃各物料懸浮速度數(shù)值與已有研究結(jié)果[12-14,17]存在一定的差異，可能存在的原因：首先試驗所選核桃在品種、幾何尺寸、果仁飽滿度和含水率等方面與已有研究存在不同；其次本試驗所用殼仁物料通過采用核桃破殼、殼仁分離加工成套設(shè)備破殼與殼仁分級獲得，其破殼方式、分級方式不同，各主要組分在獲取過程存在機械破碎與損傷，使得試驗用的殼仁物料在幾何形態(tài)方面與已有研究存在不同；此外采用的懸浮測定試驗臺、懸浮速度計算公式、物料形狀修正系數(shù)與已有研究不同，本研究在計算過程考慮了物料在運動過程中受管壁的影響以及物料自旋影響，并結(jié)合各等級殼仁幾何外形選擇了系列對應(yīng)的形狀修正系數(shù)。

從試驗測得的懸浮速度數(shù)值看，仁中懸浮速度最小的1/16仁懸浮速度大于1/4殼、1/8殼、1/16殼懸浮速度，僅與1/2殼懸浮速度有部分重疊，說明核桃機械破殼后殼與仁懸浮速度重疊區(qū)間較小，破殼后殼仁混合物料在不分級的情況下進行氣流分離具有可行性，這為改進核桃破殼分選加工工藝提供了基礎(chǔ)。如破殼后可先對物料進行氣流分離，然后采用視覺分選等低損化智能分級方式對獲得的核桃仁進行大小分級，從而不采用振動篩分方式對核桃殼仁進行分級，避免或減輕振動篩分過程對核桃仁尤其是對經(jīng)濟價值較高的1/2仁、1/4仁造成損傷。此工藝后續(xù)有待進一步研究。

4 結(jié)論

理論計算和試驗均可作為獲取核桃各物料懸浮速度的重要方法，相對而言，試驗?zāi)軌颢@得更加接近物料真實懸浮速度的數(shù)據(jù)，更具參考價值。

核桃及破殼后各主要組分適宜氣力分選，機械破殼后各主要組分氣流分離難易度不同。試驗得到原果核桃、空癟核桃懸浮速度分布區(qū)間分別為17.37～21.15、11.65～13.73 m/s；1/2、1/4、1/8和1/16各等級核桃仁懸浮速度區(qū)間分別為11.71～13.16、11.51～12.72、10.68～11.97和9.21～11.11 m/s，各等級核桃殼懸浮速度區(qū)間分別為6.33～9.33、6.36～8.29、5.50～7.64、5.19～6.85 m/s，分心木懸浮速度區(qū)間為1.76～4.55 m/s。

核桃各物料顆粒群懸浮速度與顆粒數(shù)量呈三次擬合函數(shù)關(guān)系，各物料分離風(fēng)速為對應(yīng)輕物料空癟核桃或核桃殼懸浮速度均值的1.1～1.2倍。進行核桃各物料分選設(shè)備設(shè)計時，建議風(fēng)機選擇以及分離腔結(jié)構(gòu)能夠滿足在分離腔截面風(fēng)速調(diào)節(jié)至最大時，風(fēng)速可達到被分離輕物料懸浮速度均值的1.5～2.0倍，而在設(shè)備運行過程中，可將分離腔截面風(fēng)速調(diào)節(jié)至被分離輕物料懸浮速度均值的1.2～1.5倍，依據(jù)分選效果再進行適當調(diào)節(jié)。