强迫振动下核桃定向输送方法及仿真试验

陈健,王应彪,刘海江,张赛,杨谭

强迫振动下核桃定向输送方法及仿真试验

陈健,王应彪*,刘海江,张赛,杨谭

西南林业大学机械与交通学院, 云南 昆明 650224

为了提高核桃破壳效率，改善核桃破壳取仁效果，为后续核桃加工提供新方法，文章通过在强迫振动下提出一种核桃纵径定向输送方法；首先对核桃的外观及三维尺寸进行测量分析，据此研究核桃纵径振动定向的机理及规律；将强迫振动条件下建立的核桃定向输送装置的三维模型导入到Adams，并以输送过程的核桃稳定输送作为标准得出了定向滑槽倾角和振幅合理的预取值范围，同时以平行于定向滑槽方向的输送速度及核桃纵径定向成功率作为标准进行正交试验设计并进行仿真试验，试验得出最佳的工作条件为：=1.1 mm，=1°；最后以此最优条件在Adams中进行动态仿真，结果显示在强迫振动下核桃成功实现定向输送。在50 Hz激振频率下，速度可达63.8 mm/s，为后续核桃的定向破壳加工提供新方法。

核桃; 定向输送; 动态仿真

据美国农业部公开的数据表明，土耳其、加拿大、美国、中国是世界上几个核桃的生产大国，其中中国是最大的核桃生产国，但是中国核桃、核桃仁的出口量远不及这几个国家，这其中既有核桃品质差的问题，还有核桃深加工行业不够发达的原因。而核桃的深加工对核桃产业发展有很大影响，国外对核桃深加工的研究早在19世纪已经开始[1-4]，Michael通过正锥形破壳体的旋转挤压作用，实现对核桃的破壳。Ghafari等针对传统的手工破壳效率低等问题，设计了一款核桃破壳机，该机主要由进料装置、破壳装置、分类装置以及动力装置等部分组成，破壳整仁率为66.66%，破壳效率为25.2 kg/h。云南是中国核桃的重要产地之一，随着人们的生活水平提高，愈加重视养生，核桃仁含丰富的蛋白质、多不饱和脂肪酸、磷脂、维生素E、钾、等营养素以及多酚、黄酮类保健成分，具有提高记忆力等功效，因此对核桃的深加工工艺就愈加重视。如何高破壳率、高整仁率的破壳就成为了关键技术，核桃的定向输送在实际生产中可以起到让核桃有序规范输送的作用，为接下来的定向破壳工序提供支持，有利于实现对核桃进行高效率的破壳。由于核桃形状在严格意义上来说是头部比较尖的椭球体，需对核桃的三维尺寸进行测量才能对核桃的振动定向输送进行理论分析。根据振动输送理论，强迫振动下定向输送装置主要由振动电机、定向滑槽、振动台面、主振弹簧、减震弹簧、机架等共同组成[5]，该装置可对核桃进行纵径定向，核桃的纵径定向成功率及核桃在定向滑槽上的输送速度是评判本装置工作性能优劣的标准，同时还要保证核桃在输送过程中不可出现太大的跳跃或翻滚。据文献报导，沈柳杨[6]设计的冲压式破壳机虽然利用仿生压杆实现对核桃二次破壳，但因没有定向装置而一定程度上影响破壳效果。郑霞[7]对核桃在不同位置划口，且在不同位置施加载荷后得出了最佳划口位置和施加载荷的位置均在核桃的肚部，但划口位置的确定与核桃姿态的固定需人工完成。张恩铭[8]设计的全自动核桃划口机可实现对核桃进行随机位置的划口处理，若能对核桃进行定向输送后划口，而后破壳，破壳效果会更佳。但目前对核桃定向输送的研究较少，所以，本研究从预处理视角出发可为后续核桃的破壳加工提供新的理论与方法，具有一定的研究意义。

本研究首先测量得到核桃横径、纵径、棱径的值及摩擦角等重要的物理参数，然后通过理论分析核桃振动定向输送机理，并在Adams中导入强迫振动下核桃定向输送装置的参数化三维模型，以输送过程的核桃是否稳定为标准进行仿真试验，得出其影响因素定向滑槽倾角和振幅的合理取值范围。然后又以完成核桃纵径定向的成功率和输送速度为指标，在强迫振动条件下进行核桃振动定向输送的二次仿真试验，最后利用正交试验得出了定向滑槽倾角和振幅对核桃纵径定向成功率和输送速度的影响，并在最优参数下进行仿真试验验证。

1 材料与方法

1.1 试验的材料

随机选取十个长势良好且无畸形的云南漾濞核桃，如图1所示，测量核桃的三径长度，数据如表1所示，核桃的横径、纵径、棱径三者长短差异明显，但考虑到仅测量出漾濞核桃的三径长度差异明显可能不具一般性，所以同时取十个长势良好且无畸形的大姚县三台核桃进行三径长度的测量，得出三台核桃的三径长度同样差异明显。核桃的横径和纵径可以看做是椭圆的长轴和短轴，壳仁间隙取0.5 mm、据此绘制壳仁间隙的剖面图，如图2（a）所示，泊松比取0.3、密度取470 kg/m3[9]，利用以上数据在Solid works中建立核桃的三维模型，如图2（b）所示。

图1 核桃的三径图

图2 核桃轮廓示意图

表1 漾濞核桃的几何尺寸

1.2 核桃摩擦角测量

核桃在振动输送过程中与振动台面之间的摩擦系数对振动定向过程有重要的影响，目前对核桃外壳摩擦系数的确定尚未见有报道，因此本研究通过自制摩擦测试试验台测量核桃与振动台面的摩擦角度，从而为后续仿真提供试验参数。振动台面材料选择Q235，如图3所示，将用作实验的Q235钢板固定安装在实验台架上，并将导轨角度调整到预定的角度，同时检查平台的牢固性。测试时用双面胶固定将Q235钢板固定在倾斜的角钢导轨上以防止Q235钢板的脱落。根据文献[10]可知，逐渐增加钢板的倾斜角度，当物料匀速下滑时的倾斜角度即为核桃的摩擦角，而摩擦角的正切值是摩擦系数，用五颗核桃依次进行测量并取平均值，测量结果如表2所示，其摩擦系数平均值为0.571。

图3 摩擦系数测量平台

表2 核桃滑动速度试验结果

1.3 核桃振动定向输送原理分析

图4 核桃的质心测量计算图

通过观察与实际测量横径、纵径、棱径的值可知，核桃可以近似看做是椭球体，以缝合线为对称轴，故核桃为对称的椭球体。如图1所示，核桃在沿纵径方向的尖端一侧是比较“鼓”的圆弧形，另一端是比前者“扁”的圆弧形，质心的测量计算如下：如图4（a）所示，以球形体的质心作为参照可推出核桃的质心的相对位置，根据球体的对称性，将球形体分割成无数个细环，细环半径为，球体半径为，球体密度为，其中任意细环的质量为：=(2π‧)(2‧)=2π2sin。

半球体质心坐标即为（0,1/2），可知半球体质心在1/2处，整球体质心在球心处。如图4（b）所示，以核桃的纵径为轴在坐标系中绘制核桃模型，以纵径的中点作为坐标原点，轴正半轴的核桃形态因为比较“鼓”，且在轴正半轴方向上，原点到核桃壳体的最大距离大于纵径的一半，可看作核桃实际的半径比球体半径略大，故质心位置相较于半球体质心1/2处偏上。同理，轴负半轴的核桃形态比较“扁”，且在轴负半轴方向上，原点到核桃壳体的最大距离小于纵径的一半，可看作核桃实际的半径比球体半径略小，故质心位置相较于半球体质心应靠上。综上，核桃在坐标系中的质心位置在原点靠上的位置；此外，农业物料本就形状不规则，只能作近似处理，而且其他品种核桃外形轮廓与漾濞核桃大致相同，由此也可以得出其质心也在靠前位置。因而利用核桃输送时受到定向滑槽底部的摩擦力和定向滑槽两侧挡板的摩擦力不同，使核桃绕着自身质心的转动，最终完成核桃的纵径定向。

图5 核桃在定向滑槽上的受力图

-定向滑槽倾角，（°）；-激振力，（N）；-激振力沿斜面方向的分力，（N）；-激振力垂直斜面的分力，（N）；mg-重力，（N）；-定向滑槽对核桃的支持力，（N）；-核桃短轴的半径，（mm）；-核桃的质心；-激振力沿斜面方向的二次分解的力，（N）；-激振力垂直斜面方向的二次分解的力，（N）；M-挡板对核桃的转动摩擦力矩，（N·m）；N-定向滑槽挡板对核桃的支持力，（N）；-核桃在定向滑槽底部受到的摩擦力，（N）；f-核桃在定向滑槽挡板处受到的摩擦力，（N）；-核桃的摩擦角，（°）；-挡板与输送方向所成的夹角，（°）；-激振力与水平面的夹角，（°）。

核桃在定向滑槽底部所受摩擦力形成的力矩：M，在定向滑槽挡板处对质心O形的摩擦力矩为：

核桃绕质心O转动的条件：tan‧1‧的值大于M，但因为定向滑槽底部材料一旦确定，摩擦力矩M则为定值，所以理论上只要滑槽两侧粘有较大摩擦系数材料使得挡板处摩擦力增大，利用核桃质心靠近纵径尖端一侧就可以实现核桃转动，从而实现纵径定向。定向过程中前面的核桃偶尔受到后面核桃的轻微碰撞，本就尖部朝前的核桃因质心靠前且受到的碰撞力小，其依旧沿着斜面下滑，对于还未定向或正在定向的核桃可能会导致其定向所需时间延长，但由于振动台面的尺寸足够长，定向仍可以完成。

1.4 振动定向输送装置的设计与模型的建立

应用Solid works软件建立振动定向输送装置的三维模型，如图6（a）所示，设置材料参数后导入到Adams View，如图6（b）所示。通过在定向滑槽与核桃外表面之间设置接触关系以及主振弹簧和减震弹簧的刚度、自由长度等参数，同时对定向滑槽的倾角、振幅和激振力进行参数化设置。当定向滑槽倾角和振幅选择合理时，原本头部朝后的核桃会发生转动，头部朝前的核桃仍然保持原来的姿态，因而原本杂乱无序的核桃都以头部朝前的方向输送。振动台面上共有三条逐渐变窄的定向滑槽轨道，振动电机类型是电源频率为50 Hz的单轴惯性式激振器，该类型的振动电机对弹簧的刚度要求低、结构也简单、适用范围广泛。类比其他物料输送设备[11]，采用振动电机中心轴线与水平面平行的安装方式，同时根据本试验要求确定的振动次数大约为800次，取电机振幅A大约取1.5 mm（双振幅），选取Q235钢作为振动台面的材料，核桃及定向滑槽1的质量约为45 kg，振动电机、振动台面、主振弹簧等2的质量约为55 kg，因此参振总质量为100 kg。

1.核桃2.振动台面3.振动平台4.主振弹簧5.隔振板6.机架7.减震弹簧

1.5 强迫振动下核桃定向输送的模拟仿真试验

本试验以定向成功率、输送速度为指标来衡量装置性能的优劣，但输送过程中核桃的稳定性仍是一个不可忽视的因素，因而先进行初次仿真实验来确定定向滑槽倾角和振幅合理的取值范围，然后在此范围内进行核桃定向输送的仿真试验，得出最佳试验条件。

通过前文核桃尺寸测量分析可知，核桃可以近似的当做椭球体，自激振条件下核桃既可做翻滚运动还可做滑动运动，但为了得到稳定的定向输送过程，核桃在定向滑槽中输送时应尽可能保证它以滑动的方式前行。为避免核桃过高跳跃及翻滚而影响定向效果，设定的竖直位移标准值不宜过大，所以预试验以10 mm作为核桃是否发生过高跳跃的标准来确定定向滑槽倾角和振幅取值范围。

图7 核桃在定向滑槽竖直方向位移随时间的变化关系

1.5.1 振幅初次仿真试验选取振幅为0.7～1.5 mm的振动电机，将核桃放置于定向滑槽的起点处，核桃头部的朝向无序，并保证定向滑槽倾角始终为0°，以振幅作为单因素的自变量。本试验借鉴文献[11]中关于振幅的预选取范围，在0.7～1.5 mm的范围内取9个值完成预实验，若采用过大的水平差值会使得每个水平的振幅值增大，最终导致总体振幅范围过大，又因核桃是椭球体，如果振幅取值范围过大，易发生滚动，造成实验结果不准确，故振幅的范围为0.7 mm～1.5 mm。在Adams的后处理模块PostProcessor中记录下核桃在定向滑槽上的竖直位移，如图7所示，当振幅取1.3 mm、1.4 mm、1.5 mm时，核桃在定向滑槽上的竖直位移均明显超过了10 mm，导致输送时会发生较大的翻滚甚至跳跃，所以振幅的值应当小于等于1.2 mm。通过图7还可看出振幅=0.7 mm、=0.8 mm时核桃的竖直位移较小，大致为6.2 mm左右，位移幅度较小，所以振幅的值理应舍弃0.7、0.8 mm。综上，二次仿真试验时振幅取值范围是0.9～1.2 mm。

1.5.2 定向滑槽倾角定向滑槽倾斜角度的改变对核桃的运动速度有一定程度的影响，在合理的倾斜角度范围内，提高定向滑槽倾角能增加重力沿定向滑槽水平方向的分力，进而增加了核桃在定向滑槽上的输送速度；同时随着倾角在合理的范围内增加，从而增加核桃自身的扭矩。

将核桃放置于定向滑槽起点，头部的朝向为杂乱无序，并保证振幅不变，且取最小值=0.9 mm，定向滑槽倾角为自变量开始进行二次仿真实验，从0°开始依次增加1来增加倾角，仿真过程中发现0°时，核桃在滑槽上均未完成纵径定向，但是超过5°时，核桃发生滚动甚至跳跃幅度较大的现象。当取=1.2 mm时，定向滑槽倾角也从0°开始依次增加1°，核桃的运动规律仍与=0.9 mm时的一致，所以定向滑槽倾角取1～4°。

2 结果与分析

2.1 二次仿真及正交试验设计

通过前文的初次仿真试验得到了影响核桃定向的定向滑槽倾角和振幅的合理取值范围，因而本实验采用4水平2因素的正交试验表进行设计，选取因素及水平如表3所示。由于振动电机频率为50 Hz，振动电机的振动周期为0.02 s，为将整个定向过程记录下来，将仿真时长设定为2 s。开始正交设计试验，将一颗核桃模型放置于定向滑槽的起点处，核桃头部的朝向为杂乱无序，取另外九个形态有各有少许差异的核桃模型依次进行同样的试验，记录下每次试验中核桃的输送速度和定向是否成功的情况，最后进行方差分析。

表3 正交设计实验的因素水平表

2.2 试验及仿真验证

将仿真试验中完成定向的核桃输送速度数值进行正交分析，振幅和定向滑槽倾角对核桃输送速度的影响如表4所示，振幅和定向滑槽倾角对核桃的输送速度均有影响，振幅和定向滑槽倾角的增大与核桃输送速度成正比，振幅的影响程度比倾角高，且两因素之间的交互作用对输送速度的显著性并不高。如表5所示，振幅对定向成功率的影响更为显著，两个因素之间的交互作用对定向成功率的显著性并不高。如表6所示，优化参数为31，即振幅=1.1 mm，定向滑槽倾角=1°，输送速度也达到了最大：=63.8 mm/s。

表4 输送速度V的实验结果

注意：显著性水平取0.05，下同。

表5 定向成功率的实验结果

表6 试验结果的极差分析

将振幅=1.1 mm，定向滑槽倾角=1°在Adams中设置好，由于三条定向滑槽各参数均一致，因此以中间的定向滑槽为例，在该定向滑槽上放置四个核桃模型。如图8所示，进行仿真试验验证，前文提到二次仿真设置的仿真时间为2 s，为了便于观察核桃定向前后姿态的变化，将定向过程分为两个时间段，即：0～1 s和1～2 s两个时间段。通过观察整个振动定向过程可得：核桃在0～1 s时间段，核桃在前进过程中纵径的方向为杂乱无序，且每个核桃都与定向滑槽挡板发生接触，在1～2 s时间段，杂乱的核桃逐渐在平行于定向滑槽的平面上发生顺时针或逆时针转动，直至沿纵径方向的核桃头部朝前转动，而原本头部朝前的核桃依旧向前平稳运动。

图8 核桃的振动仿真结果

3 讨论

核桃是我国重要的农产品之一，现有的核桃破壳加工方法中大部分都需对核桃的位姿进行固定处理，比如核桃摩擦破壳、核桃柔性挤压破壳，核桃划口预处理破壳等等，但现有核桃预处理方法未能实现核桃的位置和方向的固定，从而使后续的核桃破壳加工技术未能实现或者破壳效果不理想，在核桃破壳时无法保证低碎仁率和高破壳率。本研究通过理论分析及动力学仿真得出核桃定向输送在理论上是可行的，为后续的核桃破壳加工提供了一种新思路和新方法，在实际生产中可以为核桃深加工产业创造经济价值，针对后续的研究还需进一步的改进：（1）理论模型的建立与实际核桃存在细微偏差，需对核桃模型进一步改进，可考虑针对其他品种的核桃进行外观尺寸测量后统计分析得出更为普遍的核桃模型；（2）下一阶段研究可考虑通过设计机械定向结构实现核桃定向；同时考虑核桃定向输送与破壳加工相结合，最终实现核桃破壳低损伤率和高露仁率。

4 结论

本研究在Adams建立强迫振动下核桃定向输送装置的仿真三维模型基础之上，先进行初次实验确定了影响核桃输送稳定性的振幅和定向滑槽倾角两个因素合理的取值范围，然后在二次仿真试验中记录下输送速度和定向成功率，最后利用正交分析的方法得出振幅和定向滑槽倾角对定向成功率和输送速度的影响，最佳的工作条件为：振幅=1.1 mm，定向滑槽倾角=1°。将此参数又进行了仿真实验来验证，在保证定向成功的同时，定向输送速度也达到：=63.8 mm/s，验证了理论分析的正确性。

[1] Andereasen MS. Application publication: nutcracker: USA, 0,193,984 [P]. 2009-01-27

[2] 韩本勇,陈朝银,杨薇,等.桃破壳取仁机械的研发动态[J].农业机械,2011(2):151-155

[3] 李忠新,杨军,杨莉玲,等.核桃破壳,壳仁分离生产线的研发[J].新疆农机化,2010(4):16-17

[4] Ghafari A, Chegini GR, Khazaei J,. Design, construction and performance evaluation of the walnut cracking machine [J]. International Journal of nuts and Related Sciences, 2011,2(1):11-16

[5] 尚久浩,李淳,李思益,等.自动机械设计[M].北京:中国轻工业出版社,2003:231

[6] 沈柳杨.冲压式核桃破壳机的设计及试验研究[D].塔里木:塔里木大学,2017:28-37

[7] 郑霞,张恩铭,坎杂,等.适宜核桃壳划口位置改善其破壳特性提高整仁率[J].农业工程学报,2018,34(19):300-308

[8] 张恩铭,郑霞,丑维新,等.全自动核桃划口机的设计研究[J].新疆农机化,2018(4):16-18

[9] 洪翎.手剥山核桃破壳机械及烘制自动控制系统的设计研究[D].合肥:安徽农业大学,2010:22-23

[10] 邓春香.谷物清选风车运动学和动力学特性研究及参数优化[D].长沙:湖南农业大学,2005:23-24

[11] 高星星.淡水鱼鱼体头尾与腹背定向整理设备的研究[D].武汉:华中农业大学,2011:16-31

The Method and Simulation Experiment of Walnut Directional Transportation under Forced Vibration

CHEN Jian, WANG Ying-biao*, LIU Hai-jiang, ZHANG Sai, YANG Tan

650224,

In order to improve the efficiency of walnut cracking, improve the effect of walnut cracking and kernel extraction, and provide a new method for subsequent walnut processing, this paper puts forward a walnut long axis directional transportation method under forced vibration. Firstly, the appearance and three-dimensional dimension of walnut were measured and analyzed to study the mechanism and law of vibration orientation of walnut long. Is to be established under the condition of forced vibration of walnut directional transmission device of the three-dimensional model into Adams,and the transportation process of walnut stability as standard obtained the directional chute Angle theta and amplitude of A reasonable value range, at the same time in parallel to the direction of the directional chute conveyor speed V and success rate as A standard of walnut long axis in simulation experiment,orthogonal experiment design and obtains the best working conditions for the test: A=1.1 mm, θ=1°. Finally, dynamic simulation was carried out in Adams under this optimal condition. The results showed that under forced vibration, walnut successfully realized directional transportation, and under 50 Hz excitation frequency, the speed could reach 63.8 mm/s, providing A new method for subsequent oriented shell cracking of walnut.

Walnut; directional transmission; dynamic simulation

S233.5

A

1000-2324(2021)06-1035-07

2019-12-20

2020-05-27

国家自然科学基金(52165038);云南教育厅科学研究基金(2019J0186)

陈健(1994-),男,硕士研究生,研究方向:农业机械化工程. E-mail:1095953980@qq.com

通讯作者:Author for correspondence. E-mail:wybjob@163.com