偏心击打式核桃破壳机的设计与试验

高 警 郑甲红 安碾粮 闫 茹 刘梦飞

（1.陕西科技大学机电工程学院，陕西 西安 710021；2.西北有色地质勘查局七一二总队，陕西 咸阳 712000）

核桃具有很高的营养价值。无论何种形式的核桃深加工，破壳取仁都是首要的工序［1］。现在核桃破壳取仁的方式基本上都是采用人工砸取，效率极为低下，随着人工成本的提高，使得破壳取仁的成本也随之增加。

国内外已经对核桃破壳进行了一些研究。在中国，何义川［2］、史建新［3］等根据核桃的物理参数，从破壳力和有限元分析方面着手，探讨核桃受挤压时应力和应变的关系以及力的加载方位与破壳效果等问题。梁莉［4］、杨锐［5］等还分别研究了微波作用和激光技术对核桃破壳的影响。乔园园等［6］还通过对新疆主产的几种核桃的外形、内部结构、壳厚度及内褶面积等物理特性的研究，分析了影响核桃壳仁脱离特性的主要因素。除核桃外，山核桃［7］、板栗［8］、莲子［9］、银杏［10］等坚果的破壳机理和设备也有了一些研究成果。在国外，Sezai等［11］通过研究不同核桃品种、核桃棱长、厚度等，分析核桃破壳过程中其对核桃的影响；还有一些研究人员［12，13］构建有限元模型分析了核桃破壳过程中的力学特性；Faroogh Sharifian等［14］通过力学测试仪器检测分析了破壳过程中破壳力及破壳角度。

国内外的研究人员对核桃的破壳机理方面研究得比较多，但对核桃破壳机械的设计研究比较少。比较成熟的核桃破壳机械主要有史建新等［15］设计的6HP-150型核桃破壳机和多辊挤压式核桃破壳机，李忠新等［16］设计的锥篮式核桃破壳装置。6HP-150型核桃破壳机实现了分级、导向、破壳的自动化，提高了劳动生产率，降低了生产成本，但也存在一些缺点，如分级滚筒是由4个滑轮支撑，调整困难，运转阻力大，转动不平稳，原导向机构起不到应有的导向作用等［17，18］。多辊挤压式核桃破壳机和锥篮式核桃破壳装置也可以实现分级、导向、破壳的自动化，但是这两种破壳设备的结构比较复杂，且破壳率和整仁率还有待提高。

为解决核桃破壳机械结构复杂、破壳设备价格昂贵、核桃的破壳率和整仁率不高等问题，本课题组拟根据定间隙挤压破壳原理设计偏心击打式核桃破壳设备，并根据试验结果确定破壳机械的主要参数。

1 破壳力以及最佳挤压方向的确定

在陕西省种植的核桃品种中，香玲的种植面积较大，所以本试验以香玲为研究对象。以核桃的中心为原点，以原点指向短轴方向定义为X轴，以原点指向缝合线方向定义为Y轴，以原点指向长轴方向定义为Z轴，见图1。使用万能材料试验机的平板式压头分别沿核桃X、Y、Z轴进行挤压，得到的破壳力的数据被导入origin软件得到破壳力随时间变化的曲线，见图2。

图1 核桃的三维模型Figure 1 Three dimensional model of walnut

图2 不同方向加载时破壳力F与时间T的关系Figure 2 Relationship between shelled force Fand time T when different direction loading

由图2可知，沿X轴方向（横轴方向）进行挤压时所需要的破壳力最小，其平均值为24.45kg（239.61N），并且在挤压的过程中，核桃会以被挤压点为中心向四周扩散，这样就使得核桃破裂比较充分，为后期的取仁提供了方便。同时，沿X轴（横轴）挤压比沿其它两个方向进行挤压时的破壳率和整仁率高。所以，在设计破壳机械的时候要对核桃进行导向，使核桃在X轴方向（横轴方向）进行挤压以保证小的破壳力和高的破壳率和整仁率。同时，由于在准静态压缩试验中平板压头的下降速度为1mm/s，由图2可以看出核桃外壳被挤压破裂时的压缩距离处于5～10mm。当压缩距离小于5mm时，由于核桃果壳的弹性而使核桃未被压破；当压缩距离大于10mm时，核桃的果壳会对果仁产生挤压而破坏果仁的完整性。

2 核桃破壳机总体方案

2.1 总体结构设计

偏心击打式核桃破壳机主要由进料口、上盖、下盖、滚子、传动轴、端盖、击打装置等部件组成，见图3。

图3 偏心击打式核桃破壳机的结构示意图Figure 3 Schematic diagram of eccentric-hitting style walnut broken shell machine

2.2 工作原理

在工作时，核桃由上盖2的进料口1进入破壳机中，核桃在随着滚子滚动的过程中进入滚子4，同时滚子上面的弧形凸起推动挤压装置里面的挤压杆9，当挤压杆的底端脱离滚子上面的弧形凸起时，挤压杆在弹簧的作用下对核桃进行击打，在左、右端盖的内侧也焊接有弧形的凸起，在滚子转动的过程中，滚子两侧的挤压杆因为被推动而对核桃的两侧进行挤压，最后，被挤压的核桃随着滚子的转动经过下盖的开口处脱离核桃破壳机。

该偏心击打式核桃破壳装置的结构简单，可以根据核桃的物理特性和力学特性调节击打装置中挤压杆的击打力和击打距离，以保证核桃破壳时有较高的整仁率和破壳率。

3 核桃破壳机关键部件的设计

3.1 滚子的结构设计

核桃破壳机的滚子部分的主要任务是使核桃有规律地放在凹槽里面，并且推动击打装置对核桃进行击打。经过对香玲核桃品种的测量，得到其平均横径为32.8mm，平均纵径为39.4mm。由核桃的压缩试验可知：沿核桃的横径方向对核桃施加力的时候破壳率和整仁率比较高，为了保证核桃能够沿横径方向被击打，将滚子的凹槽部分的长设为4 5mm，宽设为36mm，凹槽的深度为18mm，滚子的机构示意图如图4所示。

图4 滚子的结构示意图Figure 4 Schematic diagram of the roller

滚子的上侧焊接有圆弧形的凸起，在滚子转动的过程中，圆弧形的凸起会推动击打装置里面的挤压杆，使得挤压杆上面的弹簧被压缩，当挤压杆与圆弧形的凸起脱离时，挤压杆就会在弹簧的作用下对核桃进行击打。滚子上面凹槽的两侧开有圆孔并焊接有圆管，圆管的内部也装有弹簧和挤压杆，由于在两侧端盖上也焊接有弧形的凸起，在滚子两侧的挤压杆随着滚子转动的过程中也会对核桃的两端进行挤压，这样对核桃进行3个方向的挤压可以保证高的破壳率。

3.2 击打装置的结构设计

击打装置主要负责对核桃沿横径方向进行击打，击打装置由挤压杆、螺母、挤压架、弹簧组成，击打装置的机构如图5所示。由核桃的压缩试验得，在沿核桃的横径方向进行挤压时所需要的破壳力的平均值为24.45kg，滚子上面圆弧形的凸起的最大高度为20mm。由于挤压杆对核桃的击打为冲击载荷，当在击打的过程中满足假设：① 核桃和弹簧的惯性忽略不计；② 核桃的变形和作用力成正比，而不是时间的函数；③ 击打时没有能量损失，那么击打时作用在核桃表面的载荷所产生的最大应力，是同样大静载荷所产生的最大应力的2倍［19］。由胡克定律：

式中：

F——弹力，N；

K——弹性模量，N/mm；

Δx——弹簧长度变化量，mm；

取F＝24.45（kg）×10（kg/N）×0.5＝122.25（N），Δx＝20mm，所以弹簧的弹性系数取为7N/mm。

挤压杆的上端带有螺纹，并且和螺母进行配合，这样便于调节挤压杆对核桃的打击行程，挤压杆的中间焊接有圆形铁片，弹簧的下端与圆形铁片接触，铁片对弹簧起到支撑作用。

图5 击打装置的结构示意图Figure 5 Schematic diagram of the hitting device

3.3 端盖的结构设计

核桃破壳机的端盖部分由3mm厚的钢板构成，其结构示意图见图6。端盖通过螺栓和核桃破壳机的上、下盖连接，在端盖的内侧焊接有一块圆弧形的凸起，圆弧形的凸起的高度呈渐增趋势，其最高处的高度为6mm，端盖上开有轴承孔，轴承孔的中心和端盖的中心不在同一点，这样使得滚子在转动的过程中与上、下盖之间的距离先变小后变大，有利于核桃可以按照一定的规律有序的排列。

图6 端盖的结构示意图Figure 6 Schematic diagram of the end cap

4 试验结果与分析

由于核桃的大小存在差异，所以在对核桃破壳之前需进行分级处理。以核桃纵径的长度作为分级标准可以将核桃分为三类，见表1。

表1 各类核桃所占比例Table 1 The proportion of various types of walnuts

由前期的核桃破壳试验可知，当对核桃沿横轴方向进行挤压时，核桃壳是在集中力的施加位置最先破裂，然后裂纹从加载点向四周扩展。当对核桃挤压5～8mm时破壳效果最好，且破壳率和整仁率最高。由于处于第Ⅱ类的核桃占的比例比较大，先对第Ⅱ类核桃进行试验，取第Ⅱ类核桃中纵径尺寸为35mm的核桃100颗，通过拧动击打装置上面的螺母将挤压距离分别设定为5，6，7，8，9mm进行试验，以破壳率和整仁率作为评价标准，结果挤压距离为6mm时效果最好。再分别取第Ⅱ类核桃中其他纵径尺寸的核桃进行试验得到挤压距离与核桃纵径尺寸满足关系式（2）：

为了提高破壳机械的工作效率，并且兼顾核桃破壳时有高的破壳率和整仁率，对每一组核桃进行破壳时需要设定一个固定的挤压距离，通过拧动击打装置上面的螺母来调剂挤压距离，参考挤压距离与核桃纵径尺寸满足的关系，并通过试验观察在不同距离下核桃的破壳率和整仁率来确定最佳的挤压距离。试验结果见表2。

表2 不同挤压距离下破壳率和整仁率的对比Table 2 Shell breaking rate and the whole rate comparison under different extrusion distance

由表2可知，当挤压距离为7mm时，核桃的破壳率和整仁率都比较高。同样，参考挤压距离与核桃纵径尺寸满足的关系，并对第Ⅰ类和第Ⅲ类核桃进行试验，得到最佳的挤压距离分别为5mm和9mm。

5 结论

用准静态压缩试验，对核桃进行不同方向的挤压破壳，测得核桃破壳时需破壳力的大小，得出沿横径方向为最佳的破壳挤压方向。

根据击打原理设计了偏心击打式核桃破壳装置，依据核桃横径尺寸的大小将核桃分为三类，然后根据不同的类别拧动击打装置上面的螺母来调剂挤压距离，并分别对核桃进行破壳，当挤压距离与核桃纵径尺寸满足式（2）时，三类核桃的破壳率和整仁率都在90%以上。

在对核桃进行击打破壳时，为了得到更高的破壳率及整仁率，对核桃进行预处理是十分必要的。

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