核桃物理力学特性参数的试验研究

王 斌，刘德华，张淑娟

(1.山西农业大学信息学院，山西 太谷 030801；2. 山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801)



核桃物理力学特性参数的试验研究

王 斌1，刘德华2，张淑娟2

(1.山西农业大学信息学院，山西 太谷 030801；2. 山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801)

为掌握核桃分级破壳机的设计参数与物理特性参数之间的关系，为今后研制核桃分级破壳机关键装备提供基础理论依据，通过对3种核桃进行准静态压缩试验可知：①不同品种样本的外形有较大差异，三维尺寸大致为27.16～42.22mm；同时，样本的球度较高，故可近似为球形。②沿着不同方向挤压核桃的破壳力和压缩位移是不同的，沿着垂直于纵径方向挤压核桃的破壳力和压缩位移是最小的，沿着垂直于棱径方向挤压核桃的破壳力和压缩位移处于中间，沿着垂直于横径方向挤压核桃的破壳力和压缩位移是最大的；破壳时的压缩位移平均值为1.03mm。该研究为核桃分级破壳机的设计及优化提供了必要的基础参数。

核桃；分级破壳机；物理特性；试验研究

0 引言

影响核桃壳仁脱离的主要因素是核桃的物理特性和核桃破壳方式[1]。为了设计出破壳效率高、破壳效果好的核桃破壳机械，必须要进行破壳对象(核桃)自身特性的研究。我国许多学者对核桃的外形尺寸、外壳厚度及破壳力等物理特性参数进行了大量的试验研究[2-4]。吴子岳第一个提出了核桃破壳取整仁原理，并制作出双齿盘—弧齿板式的破壳装置和绵核桃破壳取仁机，最终通过试验验证了核桃破壳机的最优参数[5]。史建新等人采用结构静力分析的有限元分析方法对核桃破壳技术进行研究，通过对核桃样本施加不同的外载荷来分析相应的应力分布的规律，从而确定出最优的破壳方式[6]。吴斌芳和周国柱等人测定了绵核桃的三维尺寸，应用薄壳理论和断裂理论对其进行力学方面的分析研究，并采用带有铣齿纹的滚刀进行滚动挤压，这种作用方式非常有利于核桃的破壳取仁[7]。

为掌握核桃分级破壳机的设计参数与物理特性参数之间的关系，需对核桃的物理特性参数进行试验研究。本文通过对3种核桃进行准静态压缩试验，确定不同品种样本的三维尺寸范围；同时，得出沿着不同方向挤压核桃的破壳力和压缩位移是不同的。该试验为核桃分级破壳机传动系统及整体结构的设计、性能改进及优化提供了必要的基础参数。

1 试验对象、仪器

1.1 试验对象

本试验选择山西省的3种具有代表性(产量多且品种纯正)的核桃作为研究对象，分别是太谷县的纸皮核桃(Z)、绵核桃(M)和汾阳的绵核桃(F)。

1.2 试验仪器

图1为万能试验拉伸试验机，测试范围在2 000kg左右。该装置可进行拉伸、压缩、剪切、弯曲、剥离和撕裂等多种力学性能试验。另需一把测试精度为0.02mm的游标卡尺。

图1 万能试验拉伸仪图

2 试验方法

2.1 核桃外形特性的测定方法

为保证试验质量，每个品种核桃分别挑选30个样本，使用游标卡尺按图2测量出各个样本的三维尺寸(横径a、棱径b、纵径c)[8]；然后，将所得的原始数据用Origin绘制成3条折线图，如图2所示。

图2 核桃的三维尺寸图

采用近似球度公式[9]来表示核桃的外观特征，3个品种核桃的三维尺寸及球度为

(1)

式中 a—横径即核桃沿着短轴方向的最大尺寸(mm)；

b—纵径即核桃沿着长轴方向的最大尺寸(mm)；

c—棱径即核桃沿着缝合线短轴方向的最大尺寸(mm)。

2.2 核桃挤压破壳载荷和压缩变形量的测定方法

为了设计出破壳效果更好的核桃分级破壳机，需要进行核桃的准静压缩试验，从而得到核桃压缩的破壳力和压缩位移两个基本数据。

试验时，通过计算机软件控制万能试验拉伸仪，如图3所示。第1步，调取压缩试验程序，设置试验的加载速率为15mm/min[10]。第2步，先将核桃样本按照一定方向分别放在平板式压头上，并调节上平板压头将核桃样本置于两板中间；然后对软件进行位移置零和压缩力置零处理，点击开始按钮即开始压缩试验；试验结束后，将生成的数据文件拷贝出来，在计算机中应用Origin软件绘制出压缩的破壳力随压缩位移变化的二维图像。

图3 万能试验拉伸仪测试核桃破壳试验

3 试验结果和分析

3.1 核桃外形特性测定的结果与分析

将测定出的核桃三维(横径、棱径和纵径)尺寸值用Origin8.5软件绘出三类核桃外径分布图，结果如图4～图6所示。

图4 纸皮核桃(Z)三维尺寸

图5 绵核桃(M)三维尺寸

图6 绵核桃(F)三维尺寸

观察核桃三维尺寸图可知：纸皮核桃(Z)的三维尺寸范围为28.74～42.22mm；绵核桃(M)的三维尺寸范围为29.88～40.44mm；绵核桃(F)三维尺寸范围为27.16～37.12mm。所以，3类核桃的三维尺寸为27.16～42.22mm，如表1所示。为了保证核桃样本都能从分级装置进入破壳装置进行破壳处理，需要将核桃分级破壳机的分级装置两杆的间距设计为20～60mm。

由表1可见：对于同一品种的核桃而言其三维尺寸相差较大，不同品种的核桃的却各有各的特点。纸皮核桃(Z)三维尺寸的差异是3种核桃中最大的(1.41)，绵核桃(M)三维尺寸的差异是0.91，绵核桃(F)三维尺寸的差异是0.39；球体近似直径中绵核桃(M)最大34.37，纸皮核桃(Z)与之相近(33.67)，绵核桃(F)的球体近似直径最小为31.60；绵核桃(M)与绵核桃(F)的球度相等均为0.85，但是纸皮核桃(Z)的球度最小为0.80。因此，3种核桃的尺寸相近并且球度都比较大。

表1 3个品种核桃的三维尺寸及球度

3.2 核桃挤压破壳载荷和压缩变形量测定的结果与分析

图7为准静压缩试验生成的压缩位移和破壳力图像。其中，横轴表示核桃样本的压缩位移，纵轴表示核桃的压缩力。当压缩平板与核桃表面从接触开始向下压缩时，压缩位移和压缩力均从零点开始成线性增长，直致达到核桃的破壳力时核桃瞬间发生破裂，此时处于弹性变形阶段；平板式压头继续压缩样本，压缩力瞬间降低，之后会缓慢增长，直到计算机自动控制万能试验拉伸仪停止压缩为止。

图7 破壳力和压缩位移的关系曲线图

由表2、表3可知：相同品种样本、不同挤压方式的破壳力和压缩位移是有较大差别：核桃(Z)受到垂直于a向的破壳力为558.88N，压缩位移是1.28mm；受到垂直于b向的破壳力为369.79N，压缩位移是0.59mm；受到垂直于c向的破壳力为425.85N，压缩位移是1.14mm。核桃(M)受到垂直于a向的破壳力为441.92N，压缩位移是1.17mm；受到垂直于b向的破壳力为223.31N，压缩位移是0.85mm；受到垂直于c向的破壳力为406.85N，压缩位移是1.03mm。核桃(F)受到垂直于a向的破壳力为644.04N，压缩位移是1.46mm；受到垂直于b向的破壳力为233.60N，压缩位移是0.61mm；受到垂直于c向的破壳力为561.95N，压缩位移是1.18mm。由此可知：沿着垂直于a向受到的破壳力和压缩位移最大，这是因为在垂直横径的方向上没有缝隙，压缩力作用在垂直横径的面上需要压破核桃两侧的外壳，因此需要较大的破壳力；沿着垂直于c向作用压缩力，由于结合缝隙的方向正好有一部分沿着作用力的方向，所以需要较小的破壳力和压缩位移；最小破壳力和压缩位移是沿着垂直于b的方向，因为核桃的果梗处最薄弱，也最容易被压破。

另外，不同品种核桃样本的破壳力和压缩位移是不同的。分别对每个品种不同作用方向的破壳力和压缩位移求平均值得到：核桃(Z)为451.51N和1.00mm，核桃(M)为357.36N和1.02mm，核桃(F)为479.86N和1.08mm。

表2 3种核桃压缩试验破壳力的测试数据统计表

表3 3种核桃压缩试验破壳位移的测试数据统计表

4 结论

1)不同品种样本的外形有较大差异，三维尺寸大致为27.16～42.22mm；同时，样本的球度较高，故可近似为球形。

2)沿着不同方向挤压核桃的破壳力和压缩位移是不同的:沿着垂直于纵径方向挤压核桃的破壳力和压缩位移是最小的，沿着垂直于棱径方向挤压核桃的破壳力和压缩位移处于中间，沿着垂直于横径方向挤压核桃的破壳力和压缩位移是最大的；破壳时的压缩位移平均值为1.03mm。

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Experimental Research on Physical and Mechanical Properties Parameter of Walnut

Wang Bin1, Liu Dehua2, Zhang Shujuan2

(1.College of Information，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China；2.College of Engineering，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China)

To master the relationship between design parameters and physical properties parameters within walnut grading and shell-breaking machine, provide the basic theoretical reference to development critical equipment of walnut grading and shell-breaking machine. Through the study of the quasi static compression test of three kinds of walnut shows:①the appearance of samples of different varieties have bigger difference, the three dimensional size roughly 27.16-42.22 mm.At the same time, the sample ball degree is higher, it can approximate to spherical.②along the direction of different walnut of breaking force and compression displacement is different, along the direction perpendicular to the longitudinal diameter of walnut breaking force and compression displacement is the smallest, along the direction perpendicular to the rib size of walnut breaking force and compression displacement in the middle, along the direction perpendicular to the horizontal diameter extrusion walnut shell strength and the compression displacement is one of the biggest.Breaking compression displacement when the average of 1.03 mm. The study of walnut grading and shell-breaking machine design and parameter optimization provides the necessary foundation.

walnut; shell breaking machine; physical properties; experiment research

2016-06-22

国家自然科学基金项目(31271973)；山西省自然科学基金项目(2012011030-3)

王 斌(1988-)，男，山西襄汾人，助教，硕士，(E-mail)wangbin1759@126.com。

张淑娟(1963-)，女，山西襄汾人，教授，博士生导师，博士，(E-mail)zsujuan@263.net。

S226.9

A

1003-188X(2017)08-0165-05