青核桃脱皮技术及装备发展研究*

连文香，席海亮，展靖华，包尔慨

(兰州工业学院，甘肃 兰州 730050)

0 引 言

我国核桃资源丰富，根据不完全统计，种植资源已达380多种，种植范围广泛，主要栽培区域为：云贵地区、西北地区、华北地区[1]。尤其近几年核桃产业快速发展，形成核桃种植热潮，但我国核桃加工产业化发展速度缓慢，技术力量薄弱，国内的核桃加工企业技术水平大多都停留在初加工阶段，核桃加工产品单一，附加值较低，大部分采用人工砸取和手工挑选[2-3]。自然成熟的青果皮与硬果壳并不粘连，且青皮脆性青果皮的脆性大、抗压强度小，很容易将其青皮脱离。但青果皮和果肉成熟时间不一致，为了防止果肉过熟及青皮变黑发生霉变影响核桃品质，在青皮未成熟时开始采摘，青核桃提前上市，对脱皮技术要求更高[4]，青核桃脱皮技术是一项瓶颈，它对保证商品核桃的品质有重要的作用。笔者主要从脱皮技术及脱皮装备两方面对我国青核桃脱皮装置的发展现状进行分析，对我国青核桃脱皮技术归纳总结，为青核桃脱皮装备的进一步改进和研制提供参考。

1 青核桃脱皮技术

1.1 青核桃力学特性研究

我国许多学者分析青核桃的物理特性[5-6]，包括青皮组织特征、外观特征，将青核桃的成熟度、品种、外形、大小、青皮厚度、硬度、含水率、开裂度及硬壳厚度等作为影响果皮分离的主要因素进行了大量的试验研究，得出不同产地、不同品种的青核桃外形尺寸差异。青核桃外形从北向南由长椭圆、卵圆、倒卵圆、扁圆形向圆形过渡，整果质量40～66 g重量不等，青皮核桃外形尺寸长径：42～68 mm，短径：33～70 mm。硬壳厚度范围0.9～2.5 mm，且青皮厚度沿三径方向大小不一，平均厚度居于3～7.5 mm之间[7-8]。

王斌等[9]主要通过万能拉伸试验机，对山西具有代表性的核桃品种作为研究对象，研究青核桃力学特性；郑甲红等[10]通过万能材料实验机分析了“香玲”核桃脱皮过程中青皮破裂力及不同加载方式下的压力实验。他们通过准静态压缩试验，得出沿着不同方向挤压核桃的破壳力和压缩位移的不同的，沿着垂直于纵径方向最小的，沿着垂直于横径方向最大的；朱占江[5]在文献中通过挤压实验分析青核桃压力-位移特性曲线的基础上，结合预处理方法，提出采用刀片划切输送、钢丝刷挤压摩擦相结合的脱皮的效果比较好。黄波等人[11-14]得出青核桃三径方向对应挤压力值范围在100～250 N之间，青皮裂纹只有一条且裂纹的起源是随机的，沿青核桃短轴方向施力，破损率更低、脱皮效果更好。还有学者研究催熟方式[15]、采收时间对核桃青皮的影响[16-17]，得出催熟核桃青皮与果壳并不粘连，破裂的青皮呈现块状，且稍加振动即与果壳分离，对环境污染小；青皮核桃果实采后生理代谢活性与耐贮性主要与采收时期有关，受品种影响较小。

1.2 脱皮技术及研究方法

(1) 脱皮技术

根据文献[11]按照脱皮机械外力的施加方式不同，现有的脱皮技术主要有刮削脱皮、挤压脱皮、切割脱皮和碰撞脱皮，各种方式利用青核桃与工作部件之间的相对运动，借助工作部件对青果皮的刮削摩擦、挤压、切割、高速碰撞作用，逐渐使青果皮与核桃坚果分离。其原理简单，但其工作过程中，由于我国核桃品种多，外形尺寸相差大，其缺点也比较突出。刮削式在脱皮过程中，青核桃在转动过程中会出现长轴两端青果皮未脱干净的现象，脱皮效率较低。脱净率受青核桃成熟度影响较大，对于一些未成熟，外形尺寸较小的的青核桃破碎率影响较大。切割脱皮其结构简单利用，对青核桃外形尺寸的要求低，但工作过程中核桃坚果容易被割刀割破果壳现时青皮脱离不完全。高速碰撞脱皮利用青核桃与工作部件的接触次数来脱皮，其工作过程中，对于青核桃的剥净率与破壳率与其青皮的成熟度有很大的关系，同时工作效率较低，处于间歇式工作模式。

(2) 研究方法

青核桃脱皮技术的研究，主要从脱皮实验方面和有限元模型分析[5，18-19]两个方面。大部分学者对所设计的脱皮机构主要依据实验方法获得最佳组合，也有学者用软件结合实验分析。新疆大学的石章成[6]对青核桃脱青皮机建立三维模型，利用有限元分析软件对核桃脱青皮机脱皮辊在工作过程中的受力情况进行静力分析。石河子大学的张恩铭等人[18]对基于划口预处理的不同品种核桃破壳分析研究，利用有限元软件通过准压缩过程，得出划口预处理后核桃更易破壳，同时通过正交设计得出影响破壳主要因素为划口深度>划口长度>划口宽度。

2 青核桃脱皮装备发展现状

由于我国核桃外形尺寸差异较大，物理特性也不尽一致，近年来在机械化脱皮分离技术方面，利用上述刮削脱皮、挤压脱皮、切割脱皮和碰撞脱皮四种方式[12]，研制了几台青核桃脱皮分离机。

2.1 青核桃脱皮装置类型

(1) 滚刷型青核桃脱皮装置如图1所示，是刘东琴[8]等人设计的可调间隙脱皮滚筒，通过调节机构调节弹簧预紧力，有效控制下栅板在机器运转过程可浮动距离，使得下栅板与螺旋毛刷辊之间的间距呈渐变趋势，具有一定的通用性，设计的毛刷沿轴向螺旋排布，依次采用粗钢丝段、细钢丝段和尼纶毛刷段，减少毛刷对核桃硬质果壳的损伤并提高出料速度。图2所示为杨忠强等人[20]设计的链板输送带核桃脱青皮机构，其板刷上密布许多钢丝刷，同链板输送带间隙可调整，链板输送带表面有规律排列固定了许多凸起的刀片，增加链板输送带对物料的摩擦力及剪切力，通过计算当钢丝板刷与青皮核桃接触点的竖直夹角θ=12°时能实现间隙从大到小的脱皮挤压过程，但这种结构复杂，占地面积较大。

图1 滚刷型青核桃脱皮机结构简图1.螺旋毛刷辊 2.上栅板 3.销轴 4.下栅板 5.弹簧调节机构

图2 核桃脱青皮机结构简图1.喂料口 2.板刷 3.链板输送带 4.间隙调节装置 5.传动系统 6.角度调节装置 7.出料口

(2) 切割脱皮

图3～6为切割脱皮的几种类型，图3为割刀切割脱皮机构，此结构与图2杨忠强等人设计的链板输送带核桃脱青皮机构结构类似，只是将图2的钢丝刷改为割刀[18]，同样此类装备占地面积较大，结构相对较复杂等问题。如图4为新疆大学的石章成[6]等人设计的青核桃脱皮机,根据青核桃大小对其分级，然后再对其进行脱皮，将滚刀改为螺旋叶片结构，而后利用螺旋钢丝刷对其进行表面清理，同时利用样机通过正交设计确定主要因素为脱皮辊转速，弹簧预紧力及弹性系数对青核桃脱皮性能的影响次序。但在整个脱皮过程中，对青核桃与脱皮部件接触过程损伤没有进行分析。图5为石鑫等人[21]设计的立式旋切滚筒式青核桃脱皮机，滚刀按螺旋线排列，利用旋切滚筒转动时带动青核桃沿滚筒切线方向运动并摩擦格栅，在滚刀的切割和滚筒与格栅之间的挤压、摩擦作用下将核桃青皮剥离。确定旋切滚筒转速、滚刀与格栅间的间隙大小和滚刀高度为影响脱皮性能的主要因素，主要问题是间歇运动，工作效率低。图6为梁金生等人[15]设计的切削式脱青皮机，其结构设计在转速上A、B、C段依次为螺旋滚刀、钢刷和毛刷，对核桃青皮进行切削和刷除残渣，但对挤压过程脱青皮方式未深入分析。

图3 割刀切割脱皮机构

图4 脱皮轴结构示意图1.螺旋钢丝刷 2.钢丝 3.主轴 4.叶片支杆 5.螺旋叶片 6.轴应

图5 旋切滚筒式青核桃脱皮机

图6 切削式脱青皮机械工作原理图

(3) 挤压脱皮

挤压脱皮原理的应用主要是王亚妮[22]、吴东泽等人[23]设计的青核桃块状去皮过程，图7是王亚妮等人设计的青核桃去皮机，采用脱皮滚筒与外筒间产生挤压及摩擦对青核桃进行滚动、挤压，实现 揉搓，破坏青皮与核桃的结合面，使之分离。压板设计为栅条形式，增大摩擦阻力，工作过程中，对青皮成熟度要求比较高，其核心原理但其工作过程中，核桃个体差异影响其脱皮效果。

图7 青核桃去皮机结构示意图

(4) 碰撞脱皮

图8～12为利用碰撞脱皮的各种装置，图8为梁勤安等人[4]研制的 6BXH-800核桃青皮剥离机，该机采用由栅条滚筒与凹板钢丝刷构成的青果皮剥离工作部件，结构简单，但适应性差。图9为新疆农业大学石鑫[24]等人设计的旋转滚筒-清洗组合式青核桃脱皮机，基工作原理与洗衣机类似，需先注水，利用滚筒的高速旋转及摩擦力脱皮，但其卸料较麻烦，不断向旋转滚筒内注水，能耗较高，同时间歇工作，生产率低。图10所示工作原理也与图9类似，其主要区别是在旋转滚筒内安装一偏心钢刷，利用碰撞原理脱皮的同时，结合刮削脱皮，对其进行清理。

图8 核桃青果皮剥离部件

图9 旋转滚筒-清洗组合式脱皮机结构示意图

图10 滚筒式脱青皮机械工作原理图

(5) 复合脱皮

青核桃脱皮装置主要利用复合脱皮法，主要有两种：一是刀片与钢丝刷相结合；二是刮削脱皮与碰撞相结合。

(1) 青核桃剥皮机(刀片与钢丝刷相结合)

目前市面上主要使用刀片与钢丝刷相结合的复合脱皮原理而设计的青核桃脱皮装置，其原型是由帕合尔鼎等人[25]设计的 6TXH-600 型青核桃脱皮清洗机，如图11所示。

图11 6TXH-600 型青核桃脱皮清洗机1.出杂口 2.筛网 3.钢丝毛刷 4.定位销 5.旋切滚筒 6.栅条 7.滚刀 8.栅条圆筒 9.机架 10.电动机 11.传动轴12.挡料斗 13.入料斗 14.喷淋管 15.防护罩 16.出料口

该脱皮装备配置 0.75 kW电动机，固定栅条的螺栓上套有弹簧，通过调节弹簧的预紧力，可实现对不同外形尺寸、不同品种青核桃的脱皮作业，滚刀在旋切滚筒外圆柱面上呈螺旋线分布，目前市场上脱皮机将其后端的钢丝毛刷改为普通毛刷辊和螺旋毛刷辊两种形式，可连续脱皮作业形成生产线。此类装备机械结构简单、成本低廉，对于农户、经销商和小型核桃加工企业均适用。另一种使用较广泛的机型青核桃与旋切滚刀相互作用的同时，在筒内壁一周布置一圈毛刷辊，在运转过程中进一步增大于核桃与毛刷辊的作用面积，提高剥净率，但其主要用来集中脱皮，不适用个体农户使用。

(2) 立式青核桃剥皮机(刮削脱皮与碰撞相结合)

立式青核桃脱皮机，主要利用刮削脱皮与碰撞相结合的复合脱皮法，利用中心十字钢刷转运过程带动青核桃与筒壁发生碰撞，结构简单。

3 结 语

我国青核桃品种大，外形特征差异较大，青皮性能与采收时期有关，且青核桃破壳力各个方向有显著的区别。现有的青核桃脱皮装置，主要利用复合脱皮方式，采用集中脱皮，同时用水清洗，一方面浪费水资源，另一方面在脱青皮过程中过将青皮打成液汁状，污染环境，可以从青核桃脱皮装置结构性能方面出发，设计块状去皮机，保证产品的有效利用。

核桃脱青皮装置种类繁多，但产品适应性差，尤其对于薄壳核桃在青果皮剥离过程中破率高的问题，要解决其通用性与脱皮效果之间、破壳率与剥净率之间的矛盾，通过各种方法组合，找出最优方法。后续核桃脱皮技术发展方向主要针对现有装置对小型农户不适用及机械化水平低，解决散户与集中脱皮的矛盾，智能化与低成本之间的矛盾，对于智能化装备的研究及核桃产业发展有很大的空间。