仿生敲击式山核桃破壳机的设计与试验

丁 冉，曹成茂，詹 超，娄帅帅，孙 偲



仿生敲击式山核桃破壳机的设计与试验

丁 冉，曹成茂※，詹 超，娄帅帅，孙 偲

（安徽农业大学工学院，合肥 230036）

针对目前国内山核桃破壳机实用机型少，破壳率较低，果仁损伤率较高等情况，提出了一种仿生敲击（即模仿人工加工山核桃的方式）破壳方式，研制一款仿生敲击式山核桃破壳机。根据山核桃的物料特性以及破壳时所需的各项力学特性参数，建立了破壳机构设计的数学模型。确定了敲击臂的结构尺寸，优化了凸轮结构，并最终得到了凸轮的实际轮廓曲线。该文阐述了破壳机的总体结构与性能，建立了整机的三维实体模型，并根据建模制造了样机。该样机通过现场试验，结果表明：山核桃的含水率为14.55%～16.35%，大小为直径18 ～22 mm（沿缝合线方向）时，破壳率为99.41%，果仁损伤率为6.25%，生产率为94.93 kg/h，满足生产要求。该研究丰富与完善了坚果类果实的破壳机理与方法，为含隔坚果类的破壳机具设计与开发提供系统的理论依据和应用基础。

农业机械；模型；试验；山核桃；破壳机；仿生敲击；破壳率；果仁损伤率

0 引 言

山核桃是胡桃科山核桃属植物，又名小胡桃，由于具有极高的营养价值和独特的口感风味，近年来受到消费者的青睐。对于山核桃的深加工，无论何种方式，破壳取仁都是首要的工序，山核桃的果壳硬而厚，形状不规则，内有多个分隔，壳仁间隙小，加工难度大[1]。

对于核桃等坚果的机械化破壳取仁，国内外学者进行了大量研究，主要集中于两个方向：破壳机理的研究以及破壳机的研制。其中，关于破壳机理的研究主要从加载的方向以及核桃的物理性质如核桃的体积大小，果壳壁厚，含水率等几方面进行讨论。Faroogh Sharifian、Koyuncu、Kocturk、Ragab等[2-6]，发现适当的含水率与加载方向，可极大提高核桃的加工效率与加工质量；史建新、闫茹、刘奎、涂灿等[7-13]，通过计算机软件模拟有限元分析的方法，研究了核桃在受外力作用破壳过程中的一系列性能参数的变化过程，为破壳机具的研发提供了重要的理论依据；董远德等[14]通过对不同种类的核桃进行破壳试验，发现击打式的破壳方式最有利于机械化实现。在破壳机械的研究：Oluwole等[15]研制了一款圆盘式坚果破壳机，利用圆盘自转产生的离心力带动坚果撞击破壳；Ojolo等[16]设计了一款转轮式破壳机，利用转轮带动坚果与破壳壁进行挤压破壳，但由于坚果的个体差异性较大，破壳效果参差不齐。郑甲红[17]研制了一款锯口挤压式核桃破壳机，利用自行设计的锯口装置获得了较高的破壳率和露仁率。李忠新等[18]研制了一种锥篮式核桃破壳装置，加工效果优良。陈超超等[19]研制了一种击打式山核桃破壳机，使用击打式原理对山核桃进行快速破壳加工，结构简单加工效率高。刘明政等[20]提出了一种柔性带剪切挤压的山核桃破壳系统，可获得高的破壳率与整仁率。

对于山核桃破壳机理的研究以及破壳机械的研制都主要关注于壳体的破碎，而对于如何在得到高破壳率的同时，保持果仁的低损伤率以及获得较高的加工效率方面却鲜有报道。针对这一现状，本课题组研发了一款仿生敲击式（即模仿人工加工山核桃的方式）山核桃破壳机。根据山核桃的物料特性以及破壳时所需的各项力学特性参数，建立了破壳机构设计的数学模型，确定了关键部位的结构尺寸，建立了整机的三维实体模型。根据建模制造了样机，并通过了现场试验，对样机的性能进行了测试，以期为同类研究提供参考。

1 整机的工作原理

如图1所示，山核桃破壳机主要工作原理采用敲击式破壳方式，使用自主设计的仿生机械臂，模仿人工加工山核桃时的动作特点，对山核桃进行破壳加工。整机的性能设计参数如表1所示。

1. 机架 2.破壳机构 3. 喂料机构 4. 传动机构 5. 电动机 6. 减速器 7. 破壳辊 8. 果臼槽 9.敲击锤 10. 仿生机械臂 11. 减震棒 12. 减震螺钉 13. 拉力弹簧 14. 支撑座15. 压杆滚子16. 凸轮轴

表1 破壳机技术参数表

Tab.1 Technical parameters of shell breaker

工作时，凸轮轴受电机带动开始转动，凸轮轮廓曲面与压杆滚子接触，带动敲击锤向上提升，随着凸轮转动，滚子沿凸轮轮廓面滚动，经过远端点时，与凸轮分离，敲击锤受自重与弹簧拉力作用下落，完成一次重敲击。凸轮轴继续转动，凸轮轮廓曲面再次与压杆滚子接触，小幅度压动敲击臂，完成一次轻敲击。同时，凸轮轴与喂料辊配套转动，其速比为8，凸轮轴每转动一圈（即一次工作循环）喂料辊转动1/8圆周，向喂料管中输送一颗山核桃料籽，完成一次喂籽，同时破壳辊完成一次步进角为60°的工进，转换工位。至此，完成一次完整的工作循环。动作时序如图2所示。

图2 整机动作时序图

2 整机结构设计

2.1 破壳机构设计

如图1b所示，仿生敲击臂通过支撑座固定于机架上，敲击臂可绕支撑座上下转动，在敲击臂的后端安装有一个压杆滚子，前端固定敲击锤。在动作时，压杆滚子受到凸轮的压力作用，沿着凸轮的轮廓曲线滚动，所设计的凸轮为一个可升离式的凸轮，在凸轮的推程阶段敲击锤受压上升，当压杆滚子与凸轮升离时，敲击锤受自重以及敲击臂上的弹簧的拉力作用获得向下的冲击力，进而完成整个敲击破壳动作。敲击力的大小由敲击锤的提升高度与弹簧的拉力大小共同作用决定，故而，在凸轮轮廓曲线确定的情况下可通过调节弹簧的拉力大小来对敲击力进行微调。

凸轮并排固定于凸轮轴上，位于仿生敲击臂的正后方，凸轮轴通过轴承座固定在机架上，凸轮每转动一周，带动仿生敲击臂完成一个敲击破壳循环。

在敲击锤前下端位置设计有一个破壳辊，作为敲击破壳的工作平台。所设计的破壳辊为一个正六棱柱，每一个端面均为一个工位，每个工位上并排固定有若干果臼槽，在更换工位时，可从喂料管中勾取山核桃料籽为敲击破壳进行备料。

敲击锤的底端与果臼槽都采用了一种内附窝眼式的凹槽型结构，由前期的试验结果表明，该种结构可以在保证高破壳率的前提下极大程度的减少果仁的损伤率，破壳质量高，且由于该结构所具备的保护果仁的特性可以使在加工时在一定程度上忽略山核桃的加载方向因素，使得整机的工作原理更为简便，易于实现。

破壳机构的结构如图1b所示，采用了凹槽式的结构，在破壳时山核桃的形变较小，果仁损伤低。同时在凹槽上均匀附有数个小型的窝眼，窝眼之间的交接处凸起的棱边在冲击时可从多个方向对山核桃进行挤压加载，将原来破壳时的面接触变换为线接触，同时引导裂纹的产生以及裂纹延生方向，使得破壳时的裂纹密集且均匀。

通过前期实验台上的试验证明，在对山核桃进行敲击破壳时该种结构可有效保护果仁不受损伤。

2.1.1 仿生机械臂的参数设计

仿生机械臂的动作原理如图3所示，水平面为零势能面，动作时，点受压向下运动，带动锤头向上提升，转过一个角度，点处压力消失，锤头在重力与弹簧拉力的作用下向下运动。整个系统为保守系统，重力势能与弹性势能转化为动能，即可获得所需的破壳能量[21-22]。

注：A点为锤头质点；B点为敲击臂质点；C点为压杆滚子质点；D点为弹簧拉力点；O点为支撑座；m1为敲击臂质量，g；m2为锤头质量，g；F为弹簧拉力，N；θ为敲击臂的摆角，(°).

敲击臂在运动的过程中，忽略摇臂在运动过程中的空气阻力，敲击臂仅受到重力矩及弹簧力矩的作用。整个敲击臂在绕支撑点摆动的过程中满足能量守恒方程[23]，则物体转动动能关系如式（1）所示。

由式得：

由式（4）可知，敲击锤的能量与敲击臂的摆动角度呈正相关。因此，在弹簧规格型号确定的情况下，通过对凸轮轮廓曲线的设计便可控制敲击锤的能量。

表2 机械臂几何参数

2.1.2 凸轮轮廓曲线的参数设计

凸轮的轮廓曲线形状取决于从动件的运动规律，选取合适的从动件运动规律是设计合理凸轮轮廓曲线的关键[24]。在本设计中，对山核桃的破壳过程分为两次，包括一次重敲击与一次轻敲击，故而凸轮设计为一个间歇式的凸轮曲线，包含两个升程段与两个远休止段。

由整机的动作时序图（如图2），凸轮重敲击段的轮廓线长度约为1/3动作周期，即凸轮转角为120°，轻敲击段轮廓线长度约为1/12动作周期，即凸轮转角为30°。

考虑到凸轮处于低中速运行状态，故而此处设计的凸轮机构为典型的“力锁合”凸轮机构[25]。使用反转法求解异摆式摆动从动件盘型凸轮机构的凸轮轮廓曲线如图4所示[26-29]。因为此处设计的凸轮为间歇式可升离凸轮，故设计重点为升程段与远休止段的轮廓曲线。滚子的中心点即为凸轮的理论轮廓曲线，其方程如下：

式中为凸轮轴心与摆杆轴心的中心距，mm；为摆动推杆的长度，mm；为凸轮转角，(°)；为重拍击段升程时所对应的摆杆转角，(°)；为轻拍击段升程时所对应的摆杆转角，(°)。

摆动从动件盘型凸轮机构的缺省参数如表3所示。

表3 摆动从动件盘型凸轮机构几何参数

2.2 喂料机构设计

1.4 统计学方法 应用SPSS 20.0统计软件进行数据分析，计数资料比较采用χ2 检验，P<0.05为差异有统计学意义。

喂料机构由料斗，喂料辊以及喂料管等三个主要部分组成。山核桃籽料在料斗中堆砌，经由喂料辊输送至喂料管中，再由果臼槽勾取至工作位，为破壳动作备料。

由于喂料管为一段弧形圆管，当山核桃籽料过多时，由于自重，相互挤压而卡死在喂料管中，需要人工疏通才能继续作业，会极大影响整机的工作效率。故而，在本次设计中，使用一种窝眼轮式喂料辊辅助喂籽，它可以保证喂料管中的匀速充种，通过窝眼轮式喂料辊，料斗中的山核桃籽料可以实现以每次一颗节奏匀速被输送至喂料管中。并与果臼槽勾取的速度相匹配，使得喂料管中的山核桃籽料始终处在一个流动的状态中，从而避免了山核桃籽料在喂料管中卡死的情况发生。

2.2.1 喂料辊的设计

窝眼轮式喂料辊如图5a，为一个开有若干排窝眼的圆柱体，每两组窝眼中间装有一个环形导流槽，其直径大于窝眼轮的直径，侧段为光滑的圆弧面。导流槽可随窝眼轮一同转动，动态的导流槽可以对堆积在导流槽入口处的山核桃籽料进行扰动，从而避免了卡籽现象的产生，同时，光滑的侧弧面配合料斗自身的倾斜角可以将山核桃籽料平稳的导流至窝眼中。每排窝眼上环形分布有8个窝眼，喂料辊以1 : 8的配套转速比与凸轮轴同时转动。

2.2.2 喂料管的参数设计

喂料管下端与果臼槽的勾籽杆相匹配，完成山核桃从喂料管中勾取出到果臼槽中的动作，为下一步的敲击破壳作业做准备，是关键设计单元之一。

如图5b所示，管口端面与工作面前一工位的破壳辊端面相平行，与水平面所呈角度为，使得山核桃可在喂料管中受重力作用滚动。管口端面与果臼槽上端面预留间隙为3，mm；在不影响勾取效果的同时尽可能减少勾籽杆长度，以减少破壳辊的回转半径。管口底部的勾籽槽与勾籽杆相互匹配，长度为1，mm；宽为1，mm；勾籽槽与勾籽杆的长度关系有：

勾籽杆长度不宜过长，否则在破壳辊转换工位时会与破壳管底部发生磕碰，影响机器的使用寿命。喂料管几何参数如表4所示。

a. 窝眼轮式喂料辊

a. Structure diagram of cell feed wheel

b. 喂料管底部结构

b. Structure diagram of bottom of feed pipe

1. 轴承座2. 导流槽3. 窝眼轮4. 链轮

1. Bearing block 2. Diversion trench 3. Cell feed wheel 4. Chain wheel

注：为喂料管与水平面夹角，(°)；1为勾籽槽的长度，mm；2为勾籽杆的长度，mm；3为喂料管与果臼槽的间隙，mm；1为勾籽槽的宽度，mm；1为喂料管外径，mm；2为喂料管内径，mm。

Note:s included angle between pipe and horizontal plane, (°);1is length of trough, mm;2is length of stick, mm;3is length of gap, mm;1is width of trough, mm;1is outside diameterof feed pipe, mm;2is inner diameterof feed pipe, mm

图5 喂料机构结构示意图

Fig.5 Structure diagram of feeding system

表4 喂料管几何参数

2.3 传动机构设计

设计使用电动机作为驱动，动力由电动机引出，经过减速器后，引出到凸轮轴上，带动凸轮轴旋转。凸轮轴作为中间动力源装置，一方面带动棘轮棘爪机构，完成对破壳辊的步进推动旋转动作。另一方面通过一组链轮组，带动喂料辊与凸轮轴以相匹配的转速比进行运动。整机传动结构的简图如图6所示。

注：P为电动机输出轴；Q为减速器输入轴；V为减速器输出轴；E为凸轮轴；T轴为链轮轴；F为喂料辊转轴；R为敲击臂支座；S为棘轮轴。

整个传动系统内含五级传动，第一级传动为电动机输出轴（P）到减速器的输入轴（Q），第二级为减速器输入轴（Q）到减速器输出轴（V），第三级为减速器输出轴（V）到凸轮轴（E），第四级为凸轮轴（E）到链轮轴（T），第五级为链轮轴（T）到喂料辊转轴（F）。其中第四级传动包含另一组棘轮机构，为凸轮轴（V）到棘轮轴（S）。故有下列关系式：

式中1为电动机输出轴到凸轮轴的减速比；i为电动机输出轴与减速器输入轴传动比；i为减速器传动比；i为减速器输出轴与凸轮轴传动比。

按照山核桃破壳的加工要求，单台破壳机的生产效率应>70 kg/h，则凸轮轴的转速应>48 r/min，即当1<60时即可满足加工要求。则取1为50，为了保持传动平稳，在分配传动比时，第一级传动设为1:1，二级传动与三级传动分别设为20:1与2.5:1，即i=1，i=20，i=2.5；

式中2为凸轮轴与喂料辊转轴的减速比；i为凸轮轴与链轮轴传动比；i为链轮轴与喂料辊转轴传动比。

喂料辊与凸轮轴的转速比2设定为8，四级传动设为2:1，五级传动设为4:1，即i=2，i=4。

根据计算结果，如图6所示，一级传动（P—Q）选用的是直径相等的带传动，二级传动（Q—V）选用的是减速比为20的涡轮蜗杆减速器，三级传动（V—E）选用的是直径比为2.5:1的带传动，四级传动（E—T）选用的是2:1的链传动，齿数分别为24与12齿，五级传动（T—F）为是4:1的链传动，齿数分别为48齿与12齿。i为凸轮轴与棘轮轴的传动比,比值为6:1。

3 试验结果与分析

3.1 试验材料

试验所用的材料为产于天目山脉的宁国山核桃。山核桃籽料的大小为直径18～22 mm（沿缝合线方向），圆度系数0.98[30]，根据加工工艺的要求，为保证山核桃的高破壳率与低伤仁率，对待加工的山核桃进行蒸煮处理，破壳加工前晾置一段时间，使其含水率达到14.55%～16.35%。试验时间为2016年7月6日，地点为宁国市胡乐镇红星山核桃加工基地。

试验开始前，将料斗中注满山核桃料籽，然后手动转动喂料辊，向喂料管中喂入3～5颗籽料，使得喂料管中处于有少量料籽的工况下，开始进行破壳加工试验。

3.2 破壳率的测算

对被破壳的山核桃进行分类，初步可分为四类：A类，果壳未被破开或者表面有裂纹分布但整体完整的山核桃为未破壳山核桃；B类，果壳被破开，但有果仁被夹在果壳间未脱落的为不完全破壳山核桃；C类，核桃壳小于1/2但大于1/4的为较大核桃壳；D类，核桃壳小于1/4的为较碎核桃壳。

为了便于测算统计，将A类山核桃归类为未破壳山核桃，将B，C，D类山核桃归类为破壳山核桃。破壳率的计算如式(10)所示。

破壳效果如表5所示。

表5 样机试验的破壳效果情况

从表5的分析结果可以看出，山核桃破壳机在三组试验组的破壳率分别为99.59%，99.40%以及99.31%，平均值为99.41%。同时，未破壳的山核桃多为表面裂纹密集，且果仁果壳结合紧密而未分离的个体。

3.3 果仁损伤率的测算

破壳后，将所有已破壳山核桃的果仁用人工的方式小心与果壳进行剥离，最后将所有的果仁收集后进行分类测算。按照果仁的完整程度及大小分为3类：第一类：大于整个核桃仁1/2的，为一路仁；第二类：小于整个核桃仁1/2但大于1/4的，为二路仁；第三类，小于整个核桃仁1/4的，为碎仁。

按照加工的实际要求，一个整核桃仁有四瓣，在生产时取每一瓣为一个单独的加工单位，即整仁（一整个核桃仁称之为团仁）。此处，一路仁与二路仁均符合整仁的要求，归类为果仁不损伤，碎仁归类为果仁损伤。则，果仁损伤率的计算如式(11)所示。

果仁损伤情况如表6所示。

表6 样机试验的果仁损伤情况

由表6的分析数据可知，果仁损伤率分别为5.77%，7.00%与6.01%，平均值为6.25%，在合理范围之内。剥离出的山核桃整仁中，果仁表面光洁，无明显伤痕，团仁较多，样机的低果仁损伤率满足了设计指标，样机的破壳质量得到了验证。

3.4 加工效率的测算

对加工过程进行计时测算，机器运作为开始，以最后一颗山核桃加工完成为结束。以试验组为样本，测算出样机的加工效率。则，山核桃破壳机的加工效率如式（12）所示。

加工效率测算如表7所示。三组试验组的加工效率依此为95.54，98.00与91.25 kg/h，平均值为94.93 kg/h。随着料斗中籽料逐渐较少，喂料辊的充种速度会逐渐放慢，使得加工速度降低，在正常加工过程中，料斗中多保持在满籽的状态，故而，实际加工效率应大于测算值，样机的高加工效率得到了验证，满足产业加工需求。

表7 样机试验的加工效率测算

4 结 论

1）山核桃破壳机的作业特点是仿人工加工的方式，运用机械臂对山核桃进行破壳加工，每个破壳过程包括一次重敲击与一次轻敲击，完成破壳与初步的壳仁分离。

2）建立了破壳机构设计的数学模型，根据模型确定了关键部位的结构尺寸，并制造了样机。

3）对样机进行了现场试验，试验结果表明:山核桃的含水率为14.55%～16.35%，大小为直径18～22 mm（沿缝合线方向）时，破壳率为99.41%，果仁损伤率为6.25%，生产率为94.93 kg/h，破壳机参数的准确性与稳定性得到了验证，其加工质量与加工效率可以满足当前山核桃加工产业的实际要求。

本项研究丰富与完善坚果类果实的破壳机理与方法，并为山核桃加工产业的全程机械化提供了有效的装备支撑。

[1] 李夕勃，赵书岗，王红霞，等. 核桃坚果硬壳结构与木质素和纤维素的相关性研究[J]. 湖北农业科学. 2012，51(22)：5076－5079. Li Xibo, Zhao Shugang, Wa Hongxia, et al. Relationship between walnut shell structures and the content and cellulose[J]. Hubei Agricultural Sciences, 2012, 51(22): 5076－5079. (in Chinese with English abstract)

[2] Froogh Sharifian, Mohammadali Haddad Derafshi. Mechanical behavior of walnut under cracking conditions[J]. Journal of Applied Sciences 2008,8(5): 886－890.

[3] Koyuncu M A, Ekinci K, Savran. Cracking charateristics of walnut[J]Biosystems Engineering. 2004, 87(3): 305－311.

[4] Kocturk B O, Gurhan R. Determination of mechanical properties of various walnut according to different moisture levels[J]. Journal of Agricultural Science. 2007, 13(1): 69－74.

[5] Ragab Khir, Pan Zhongli,Griffiths G, Atungulu. Size and moisture distribution characteristics of walnut and their components[J].Food Bioprocess Technol, 2013, 6(3): 771－782.

[6] 朱德泉，曹成茂，丁正耀，等. 山核桃坚果热风干燥特性及其工艺参数优化[J]. 农业工程学报，2011，27(7)：364－369. Zhu Dequan, Cao Chengmao, Ding Zhengyao, et al. Hot-air drying characteristics and technical parameters optimization of kernel hickory (Carya cathayensis Sarg.)[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(7): 364－369. (in Chinese with English abstract)

[7] 史建新，赵海军，辛动军. 基于有限元分析的核桃脱壳技术研究[J]. 农业工程学报. 2005，21(3)：185－188. Shi Jianxin, Zhao Haijun, Xin Dongjun. Technology for breaking walnut shell based on finite element analysis [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2005, 21(3): 185－188. (in Chinese with English abstract)

[8] 闫茹，高警，郑甲红，等. 基于Workbench的核桃破壳力学特性分析[J]. 农机化研究. 2014, 36(10)：38－41.Yan Ru, Gao Jing, Zheng Jiahong, et al. Analysis of mechanical properties of walnut shell based on workbench[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research. 2014, 36(10): 38－41. (in Chinese with English abstract)

[9] 刘奎，李忠新，杨莉玲，等. 机械破壳时核桃仁损伤特性研究[J]. 农产品加工. 2014(16)：41－44. Liu Kui, Li Zhongxin, Yang Liling, et al. The walnut kernel damage characteristics during the walnut mechanical shelling process[J]. Academic Periodical of Farm Products Processing. 2014(16): 41－44. (in Chinese with English abstract)

[10] 涂灿，杨薇，尹青剑，等. 澳洲坚果破壳工艺参数优化及压缩特性的有限元分析[J]. 农业工程学报，2015，31(16)：272－277. Tu Can, Yang Wei, Yin Qingjian, et al. Optimization of technical parameters of breaking Macadamia nut shell and finite element analysis of compression characteristics[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(16): 272－277. (in Chinese with English abstract)

[11] 张宏，马岩，李勇，等. 基于遗传BP神经网络的核桃破裂功预测模型[J]. 农业工程学报，2014，30(18)：78－84.Zhang Hong, Ma Yan, Li Yong, et al. Rupture energy prediction model for walnut shell breaking based on genetic BP neural network[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(18): 78－84. (in Chinese with English abstract)

[12] 李建欢，杨薇. 澳洲坚果热风干燥过程中果壳收缩特性[J]. 农业工程学报，2012，28(11)：268－273.Li Jianhuan, Yang Wei. Shrinkage characteristics of macadamia nuts shell during hot-air drying[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(11): 268－273. (in Chinese with English abstract)

[13] 王云阳，张丽，王绍金，等. 澳洲坚果果壳解吸等温线与吸附等温线拟合模型[J]. 农业机械学报，2012，43(5)：103－107. Wang Yunyang, Zhang Li, Wang Shaojin,et al.Fitting models of water desorption and adsorption isotherms of macadamia nut shell[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(5): 103－107. (in Chinese with English abstract)

[14] 董远德，史建新，乔园园. 核桃不同破壳方式的破壳取仁效果[J]. 农产品加工. 2007，9(9)：4－9.Dong Yuande, Shi Jianxin, Qiao Yuanyuan. Effect of the shell- breaking and kernel-taking about walnut for vary shell- breaking methods[J]. Academic Periodical of Farm Products Processing. 2007, 9(9): 4－9. (in Chinese with English abstract)

[15] Oluwole F A, Aviara N A, Haque M A. Development and performance tests of a sheanut cracker[J]. Journal of Food Engineering, 2004, 65(1): 117－123.

[16] Ojolo S J, Damisa O, Orisaleye J I, et al. Design and development of cashew nut shelling machine [J]. Journal of Engineering, Design and Technology, 2010, 8(2): 146－157.

[17] 郑甲红，赵奎鹏，王娅妮，等. 锯口挤压式核桃破壳机[J].木材加工机械. 2015，26(2)：5－7. Zheng Jiahong, Zhao Kuipeng, Wang Yani, et al. Design on Walnut shelling-breaking machine with sawing and extrusion.[J]. Wood Processing Machinery. 2015, 26(2): 5－7. (in Chinese with English abstract)

[18] 李忠新，刘奎，杨莉玲，等. 锥篮式核桃破壳装置设计与试验[J]. 农业机械学报2012，43(10)：146－152. Li Zhongxin, Liu Kui, Yang Liling, et al. Design and experiment of walnut-cracking device[J]. Transaction of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(10): 146－152. (in Chinese with English abstract)

[19] 陈超超. 击打式山核桃破壳机的设计与研究[D]. 泰安：山东农业大学. 2014 Chen Chaochao. Design and Research of Impact mountain Walnut Shell-breaking Machine.[D]. Taian: Shandong Agricultural University. 2014. (in Chinese with English abstract)

[20] 刘明政，李长河，张彦彬，等. 柔性带剪切挤压核桃破壳机理分析与性能试验[J]. 农业机械学报，2016，47(7)：266－273. Liu Mingzheng, Li Changhe, Zhang Yanbin, et al. Shell crushing mechanism analysis and performance test of flexible-belt shearing extrusion for walnut[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(7): 266－273. (in Chinese with English abstract)

[21] 刘德顺，陈夕兵. 冲击机械系统动力学[M]. 北京：科学出版社，1999. 186－195.

[22] 哈尔滨工业大学理论力学教研室. 理论力学(I)[M]. 北京：高等教育出版社，2009.

[23] 汤攀，李红，陈超，等. 考虑配重的垂直摇臂式喷头摇臂运动规律及水力性能[J]. 农业工程学报，2015，31(2)：37—44. Tang Pan, Li Hong, Chen Chao, et al. Arm movement law and hydraulic performance of vertical impact sprinkler with counterweight[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(2): 37—44. (in Chinese with English abstract)

[24] 王枫，崔建坤，胡昌志. 变等效摆杆长度摆动双滚子从动件盘形凸轮解析设计法[J]. 机械传动，2014，28(12)：73－76. Wang Feng, Cui Jiankun, Hu Changzhi. Analytical design method of swing double rollers follower disc cam with variable length of equivalent pendulum rod.[J]. Journal of Mechanical Transmission. 2014, 28(12): 73－76(in Chinese with English abstract)

[25] 叶秉良，李丽，俞高红，等. 蔬菜钵苗移栽机取苗臂凸轮机构的设计与试验[J]. 农业工程学报，2014，30(8)：21－29. Ye Bingliang, Li Li ,Yu Gaohong, et al. Design and test on cam mechanism of seedling pick-up arm for vegetable transplanter[J]. Transaction of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014, 30(8): 21－29. (in Chinese with English abstract)

[26] 温建民，付本国. 摆动滚子从动件盘形凸轮的自动化设计[J]. 中国工程机械学报，2006，10(4)：465－473. Wen Jianming, Fu Benguo. Parametric design of oscillating- roller-followed disk cam.[J].Chinese Journal of construction machinery, 2006, 10(4): 465－473. (in Chinese with English abstract)

[27] 常勇，杨富富. 关于凹圆弧底摆动从动件盘形凸轮机构的系统研究[J]. 机械设计，2010，27(1)：41－44. Chang Yong, Yang Fufu. Research about the system of disc cam mechanism with convex arc bottomed swinging follower[J]. Journal of Machine Design. 2010, 27(1): 41－44. (in Chinese with English abstract)

[28] 常勇，杨富富，李延平. 摆动从动杆盘形凸轮机构最小尺寸的完全解法[J]. 农业机械学报，2013，44(3)：237－245. Chang Yong, Yang Fufu, Li Yanping, Thorough solution of the minimum size of disc cam mechanism with oscillating follower[J]. Transaction of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(3): 237－245. (in Chinese with English abstract)

[29] 付鹏洋，胡建平，刘发，等. 齿轮连杆凸轮组合式栽植机构仿真与试验[J]. 农业机械学报，2014，45(增刊1)：52－56. Fu Pengyang, Hu Jianping, Liu Fa, et al. Simulation analysis and experiment for gear-linkage-cam combination planting mechanism[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(Supp.1): 52－56. (in Chinese with English abstract)

[30] 赵超. 山核桃破壳力学分析[J]. 西南大学学报(自然科学版)，2012，9(12)：123－127. Zhao Chao. Mechanical analysis of cracking hickory[J]. Journal of Southwest University (Natural Science Edition). 2012, 9(12): 123－127. (in Chinese with English abstract)

Design and experiment of bionic-impact type pecan shell breaker

Ding Ran, Cao Chengmao※, Zhan Chao, Lou Shuaishuai, Sun Si

(230036,)

At present, extruding crack and centrifugal shell-breaking methods are adopted as the main strategies for pecan shell-breaking equipment. But the low production rate is hard to be improved. Meanwhile, the bad processing quality will affect the further processing, which restricts the development of the pecan processing industry. To solve such problems, this study proposed a bionic knock method, which imitated the artificial processing to shell pecan, and developed a bionic knock type shell breaker. Design and experiments were both mainly focused on the structure and parameters of the shell breaker. The paper described the overall structure of prototype and introduced the technical parameters of shell breaker, and the three-dimensional model was built by Pro/Engineer software. In this study, cell feed wheel was designed to translate pecan into feed pipe from hopper one by one like water flow, and thus the method could avoid pecans plugging the feed pipe. The bottom of the pipe was linked with shelling system, which was one of the most important parts during the study. In order to figure out a more efficient shelling method, a bionic knock structure was designed based on the particle properties and mechanical behavior of pecan rupturing under knock loading, and the mathematical model of designing the shelling system was built. The system included 3 parts: disk-cam, support point and mechanical arm. The mechanical arm could roll around the support point in a certain angle range, and through the profile curve of disk-cam, the movement of mechanical arm could be controlled to finish shelling process. The groove structure was designed, which could reduce the deformation of pecan under the knock to protect the kernel from damage, and within a few sockets on the inner wall of groove, it could change the surface load into linear load and achieve a better shell-breaking quality. According to the movement requirements of shelling system, the structure dimension of mechanical parts was built, the push movement angle of the cam was optimized by the inverse method and the practical cam profile curve was designed. What was more, the transmission system and the time sequence relationship on all the actions were both introduced, and the transmission system diagram and the one time sequence diagram on shell breaker were showed in the paper. After the physical prototype of mechanism was manufactured, the field test was performed, and 3 groups of pecans were selected. The results showed that the prototype working performance was stable and high-quality. While the rotating speed of camshaft was 52 r/min, the pecan moisture content was set nearly to 14.55%-16.35%, and the diameter volume was from 18 to 22 mm, the shell-breaking rates of the 3 test groups were 99.59%, 99.40% and 99.31% respectively, which were high, and the kernel damage rates were 5.77%, 7.00% and 6.01% respectively, which were low. The processing efficiency was also higher than the traditional shelling equipment, which could reach 95.54, 98.00 and 91.25 kg/h respectively for the 3 groups of pecans. The test performance of prototype could basically meet the production demands. The research can enrich and perfect the mechanism and method for shell-breaking of walnut, and provide the technology and equipment support to realize the mechanization of pecan processing industry.

agricultural machinery; models; experiments; pecan; shell breaker; bionic-impact; break shell rate; kernel damaged rate

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.035

S226.4

A

1002-6819(2017)-03-0257-08

2016-07-31

2016-12-19

国家自然资金面上项目（51475002）

丁 冉，男，安徽人，从事机械设计及其自动化研究。合肥安徽农业大学工学院，230036，Email：dr910621@126.com

曹成茂，男，汉族，安徽六安人，教授，博士生导师。主要研究方向：农业机械化工程，智能检测与控制技术。合肥 安徽农业大学工学院，230036，Email：caochengmao@sina.com

中国农业工程学会会员：曹成茂（会员号: E041300001M）

丁 冉，曹成茂，詹 超，娄帅帅，孙 偲.仿生敲击式山核桃破壳机的设计与试验[J]. 农业工程学报，2017，33(3)：257－264. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.035 http://www.tcsae.org

Ding Ran, Cao Chengmao, Zhan Chao, Lou Shuaishuai, Sun Si.Design and experiment of bionic-impact type pecan shell breaker[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(3): 257－264. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.035 http://www.tcsae.org