巴旦木壳仁分离机械国内外研究现状

边 博，吐鲁洪·吐尔迪，张 丽，禚红竹，王学农※

（1. 新疆农业大学机电工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2. 新疆农业科学院农业机械化研究，3.山东凯益食品有限公司）

0 引言

巴旦木学名为扁桃或薄壳杏仁，起源于中亚的山区，分为甜的可食用杏仁和苦杏仁两种类型[1-2]，属蔷薇科桃属植物，属抗旱、耐瘠薄树种，是世界上著名的干果之一[3-6]。巴旦木具有很高的营养及药用价值，它的营养比同重量的牛肉高6 倍，含少量维生素和微量元素[7-8]；国外有研究表明，巴旦木果仁可降低人体胆固醇，对降低冠心病（CHD）风险有有益的影响[9-10]。世界范围内巴旦木种植集中在美国和地中海地区，我国巴旦木种植主要分布于新疆喀什莎车县等地，2010年莎车县巴旦木面积达到433.3 km2，占全县耕地总面积的1/3 以上，挂果面积达到0.47 万hm2[11]；随着新疆维吾尔自治区林果由粗放式向优质高效发展，巴旦木的种植面积呈现爆炸式增长，从2005年的不足0.33 万hm2（5 万亩），增长至2019年的6.51 万hm2（97.71 万亩），占新疆特色林果栽培总面积的4.4%。预计5～10年内，新疆巴旦木种植面积将达到7.33 万hm2（110 万亩）。随着巴旦木产量逐年增长，传统加工方式已经无法满足生产需要，实现机械化收获和加工将成为关键。本文对巴旦木以及其他坚果类壳仁分离机械的方法、原理、特点进行介绍，并探讨了目前巴旦木壳仁分离机械所存在的问题，为以后巴旦木壳仁分离机械的设计和改进提供参考。

1 国外巴旦木壳仁分离机发展历程

国外巴旦木种植地区主要分布在美国的加利福尼亚州和地中海附近，其中美国的种植面积最大。2001年统计显示，美国的巴旦木产量约为37 万t，占当时世界巴旦木总产量的77%左右[12]，2004年，世界巴旦木产量达到50 万t/年，其中美国依然是主要生产国[13]。美国农业部最新数据统，2020年美国加州地区巴旦木种植面积达5 099 km2，相当于我国种植面积的8 倍。对于巴旦木的机械化加工技术，美国也十分重视。

1925年，Louisk. Vaughan 设计一种巴旦木破壳筛选一体机[14]，该机具利用了撞击挤压和真空气流筛选两种原理，具有破壳筛选效率高的特点。1926年，Louisk. Vaughan 设计了一台巴旦木破壳筛选机（图1），其原理是利用摩擦力、挤压力使巴旦木破壳。工作时，物料由入料口进入破壳装置，受的往复滚筒表面摩擦与挤压的作用果壳破裂，破壳后的碎壳和果仁掉落在振动筛上，振动筛往复运动使果壳和果仁分离。它的特点是机构较简单，破壳效率高，但是壳仁分离效果一般[15]。

2009年Jose Vicente Roig Borrell 设计一款对巴旦木和其它坚果的破壳机（图2），运行时，电机驱动容器内的转子组件，带壳的巴旦木及坚果从喂料口放入容器，容器内的叶片以850 r/min 的速度旋转使坚果破壳，破壳后的物料穿过容器，从出口处出来，进入一个可以接住杏仁的斜槽，斜槽将杏仁导向一个筛板，通过筛孔的杏仁被送入传送带进行进一步加工[16]。该装置操作简单，但是分选效果不够理想。

2 国内坚果壳仁分离机现状研究

巴旦木壳仁分离是巴旦木加工关键环节之一。目前国内巴旦木种植规模越来越大，这就给巴旦木核加工带来了不小的挑战。传统的且简单的加工机械已经无法满足大规模生产需要，为节约劳动成本，提高生产加工效率，保证产品质量，设计一款高效率的巴旦木壳仁分离机具已经迫在眉睫[17]。目前国内市场上巴旦木壳仁分离机械较少，通过借鉴核桃、杏核、莲子等坚果壳仁分离机械的设计方法和思路，为设计适用巴旦木的壳仁分离机提供一定的理论依据和分析。

2011年新疆农业大学史建新等人研发了一种坚果壳仁风选机（图3）。该机具工作时，坚果壳仁混合物料由喂料斗进入二次破壳装置后被抖开，没有完全破壳的坚果在二次破壳装置进行再次破壳，壳仁混合物由破壳滑板流向喂料淌板，再由物料入口通道输送到R 型风选装置，风机输出的分选气流首先通过网筛式节流器，之后流入R 型分选装置的中空通风腔内，此时坚果的碎壳和果仁受到分选气流以及重力的作用，处于上下运动的状态，由于悬浮速度的不同，壳仁进入仁出口通道，碎壳进入壳出口通道。这台坚果壳仁风选机对壳仁损伤较小，且分选效率高[18]。

2011年新疆机械研究院研发了一种坚果破壳清选机（图4）。工作时，物料升运器把物料从清选机的喂料口运输到破壳器内，在电动机的作用下内磨转动与外磨相互作用，物料受到挤压力后破裂，破壳后的壳仁混合物料由破壳器的出料口进入振动筛，振动电机带动振动筛往复振动，较大的果壳从大果壳出料口排出，小果壳以及果仁碎末从碎渣出料口排出，其他的碎壳和核仁从振动筛的出料口掉落到导流槽中，比重较大的果仁从导流槽末端掉进接料装置，而果壳受到变频风机的作用进入闭风器，其中碎末和灰尘通过排尘器排尘管排出，剩余的果壳在排料辊的作用下由闭风器出料口排出。该机具集输送、破壳、清选于一体，适应性较好[19]。

2013年新疆农业大学机械交通学院设计了一款比重式杏核壳仁风选机（图5）。机具启动后，喂料装置不断地均匀加料到平面冲孔单层筛面。电动机带动曲柄连杆机构和风机转动，此时壳仁物料在一定的振动和风力作用下达到松散状态并且分层。相较于杏仁而言，碎壳具有悬浮速度小、质量轻的特点，在振动过程中会浮在物料的上层，受到气流、惯性力以及重力的作用相对于筛面向下运动；而比重较大的杏仁会沉在底层和筛面相互接触，直线振动筛往复振动，杏仁相对筛面向上运动至杏仁出料口，从而实现了杏核壳仁分离[20]。这台机具操作简单，分选效果理想。

2014年陕西省农业机械研究所发明了一种风选式核桃壳仁分离机，其结构如图6。工作时，把完全破壳的核桃壳仁混合物装在料斗内，由振动给料器输送到进料口，当给予合适的风速时，核桃仁、核桃壳以及隔膜开始分离。核桃仁会下落至仁出口进行收集；碎壳和隔膜会沿着风管向上运动进入核桃壳卸料箱，此时核桃壳下落至壳卸料器排出收集；核桃隔膜较轻，随着风管上调节阀的改变，核桃隔膜由壳卸料箱上方进入风管，最后核桃隔膜沉降由隔膜卸料器排出收集，含有少量浮尘的气流经风管、风机排出进入大气，至此核桃壳仁风选分离过程完成[21]。

2015年马秋成等人设计研制了一种莲子负压风力壳仁分离装置，整机结构如图7。该分离装置工作时，风机启动，分离通道内部形成负压流场，气流速度大小可调节，莲子破壳后的壳仁混合物料被吸进分离通道，当物料到达分离通道叉型区域时莲壳与莲仁开始分离，莲仁顺着分离通道下管落至莲仁出口并排出；莲子碎壳和一些莲仁碎渣在气流作用下从分离管道的上管进入旋风分离器内，经气固两相分离之后碎壳和仁渣进入底部的收集容器中。该装置具有设备结构简单，分离效果好的特点[22]。

2015年新疆农业机械化研究所研制了一种风筛式坚果壳仁风选机（图8），设备启动之前，先把物料均匀地铺在鱼鳞筛面上，厚度大约3～5 cm。工作时，在鱼鳞筛面的中间部位连续喂料，动力由电机通过皮带传递至风机再到偏心传动机构，风箱、摆杆在偏心传动机构的作用下带动鱼鳞筛面往复振动。由于风力和振动的作用，碎壳和果仁开始分层，悬浮速度和比重较小的碎壳向物料上层运动，相比之下较重的核仁会沉在物料下层与鱼鳞筛面接触。在惯性力、重力、风力的作用下，浮在上层的碎壳相对鱼鳞筛面向下运动至限料板处，超出限料板的高度后碎壳会通过出壳口被收集。下层的仁会在风力和惯性力的作用下相对鱼鳞筛面向上运动，从出仁口限料板和鱼鳞筛面之间的间隙到达收集装置[23]。2017年吐鲁洪·吐尔迪等人研制了一种组合式巴旦木破壳和壳仁分离机（图9）。工作时，由提升机将巴旦木送入振动送料器，在送料器的振动作用下巴旦木被均匀地送到一级破壳器，破壳后的混合物料和部分未破壳的整核由输送带送到二级破壳器，物料达到充分破壳。输送带把破壳后的碎壳和果仁输送到负压风机进风管，质量轻的碎壳被负压风机抽吸进入壳收集装置，较重的果仁和部分未被负压风机吸走的碎壳落至振动分级机上进一步分离，果仁通过振动分级机下端仁出料口排出，剩余无法分离的物料会被送入提升机，提升机出料口与振动送料器相接，实现循环破壳、分离。该机具破壳和分离效果理想，效率高且结构简单[24]。

3 存在的问题

3.1 机具问题

（1）通用性差。目前市面上有不少的坚果壳仁分选机，但其加工对象却非常的局限，不能适用大多数坚果壳仁分选，单一加工对象的分选机加工其他坚果会导致分选效果不理想、含杂率高。

（2）分离效率不高。一些破壳机加工后的果仁粘住碎壳，需要多次循环分离，才能使果仁中的含壳率降低，如此便会增加分离所需要的时间，降低效率。

（3）制造成本偏高。目前我国巴旦木壳仁分离机械并未形成一定规模[25]，大多以单机制造为主且制造的工艺水平不高，制造成本偏高。

3.2 技术问题

目前，我国国内研制出一些坚果壳仁分离机械，但大多数机具技术含量不够高，通用性差，没有达到批量生产的要求，因此不能满足市场需求。从国外引进先进的巴旦木壳仁分离设备，却受制于巴旦木品种太多而无法适应。由此可见，国内技术尚不成熟且还有很大的提升空间，巴旦木机械加工设备的技术水平远落后于发达国家[26]。

4 措施和对策

（1）巴旦木壳仁分离技术对巴旦木产品质量有非常重要的影响。首先观察分析各个品种巴旦木破壳后壳仁混合物料的特点和区别，针对不同特点提出相应的壳仁物料分离方案，不同品种的巴旦木壳仁分离效果存在差异，建立各影响因素和巴旦木壳仁分离指标的合理关系，糅合前期提出的各种方案，设计一种可作用于多品种巴旦木壳仁分离的机械，提高壳仁分离机具的通用性。

（2）提高巴旦木壳仁分离的效率。重点攻克巴旦木壳仁分离的关键技术与工作部件的难题，进一步改进和完善巴旦木壳仁分离机械，使壳仁分离机械的分离效率提高而不增加壳仁中的含杂率。以减少制造成本为前提，同时提高机电一体化水平与自动化水平[27]，以适应更加广阔的市场需要。

（3）在自主研发的基础上，要不断引进和学习国外的先进设备和技术；注重科研投资和人才培养，争取在技术方面有新的突破；优选巴旦木种植品种，降低壳仁分离机械的研发难度。