陳健,王應彪,劉海江,張賽,楊譚

強迫振動下核桃定向輸送方法及仿真試驗

陳健,王應彪*,劉海江,張賽,楊譚

西南林業(yè)大學機械與交通學院, 云南 昆明 650224

為了提高核桃破殼效率，改善核桃破殼取仁效果，為后續(xù)核桃加工提供新方法，文章通過在強迫振動下提出一種核桃縱徑定向輸送方法；首先對核桃的外觀及三維尺寸進行測量分析，據(jù)此研究核桃縱徑振動定向的機理及規(guī)律；將強迫振動條件下建立的核桃定向輸送裝置的三維模型導入到Adams，并以輸送過程的核桃穩(wěn)定輸送作為標準得出了定向滑槽傾角和振幅合理的預取值范圍，同時以平行于定向滑槽方向的輸送速度及核桃縱徑定向成功率作為標準進行正交試驗設計并進行仿真試驗，試驗得出最佳的工作條件為：=1.1 mm，=1°；最后以此最優(yōu)條件在Adams中進行動態(tài)仿真，結果顯示在強迫振動下核桃成功實現(xiàn)定向輸送。在50 Hz激振頻率下，速度可達63.8 mm/s，為后續(xù)核桃的定向破殼加工提供新方法。

核桃; 定向輸送; 動態(tài)仿真

據(jù)美國農(nóng)業(yè)部公開的數(shù)據(jù)表明，土耳其、加拿大、美國、中國是世界上幾個核桃的生產(chǎn)大國，其中中國是最大的核桃生產(chǎn)國，但是中國核桃、核桃仁的出口量遠不及這幾個國家，這其中既有核桃品質差的問題，還有核桃深加工行業(yè)不夠發(fā)達的原因。而核桃的深加工對核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展有很大影響，國外對核桃深加工的研究早在19世紀已經(jīng)開始[1-4]，Michael通過正錐形破殼體的旋轉擠壓作用，實現(xiàn)對核桃的破殼。Ghafari等針對傳統(tǒng)的手工破殼效率低等問題，設計了一款核桃破殼機，該機主要由進料裝置、破殼裝置、分類裝置以及動力裝置等部分組成，破殼整仁率為66.66%，破殼效率為25.2 kg/h。云南是中國核桃的重要產(chǎn)地之一，隨著人們的生活水平提高，愈加重視養(yǎng)生，核桃仁含豐富的蛋白質、多不飽和脂肪酸、磷脂、維生素E、鉀、等營養(yǎng)素以及多酚、黃酮類保健成分，具有提高記憶力等功效，因此對核桃的深加工工藝就愈加重視。如何高破殼率、高整仁率的破殼就成為了關鍵技術，核桃的定向輸送在實際生產(chǎn)中可以起到讓核桃有序規(guī)范輸送的作用，為接下來的定向破殼工序提供支持，有利于實現(xiàn)對核桃進行高效率的破殼。由于核桃形狀在嚴格意義上來說是頭部比較尖的橢球體，需對核桃的三維尺寸進行測量才能對核桃的振動定向輸送進行理論分析。根據(jù)振動輸送理論，強迫振動下定向輸送裝置主要由振動電機、定向滑槽、振動臺面、主振彈簧、減震彈簧、機架等共同組成[5]，該裝置可對核桃進行縱徑定向，核桃的縱徑定向成功率及核桃在定向滑槽上的輸送速度是評判本裝置工作性能優(yōu)劣的標準，同時還要保證核桃在輸送過程中不可出現(xiàn)太大的跳躍或翻滾。據(jù)文獻報導，沈柳楊[6]設計的沖壓式破殼機雖然利用仿生壓桿實現(xiàn)對核桃二次破殼，但因沒有定向裝置而一定程度上影響破殼效果。鄭霞[7]對核桃在不同位置劃口，且在不同位置施加載荷后得出了最佳劃口位置和施加載荷的位置均在核桃的肚部，但劃口位置的確定與核桃姿態(tài)的固定需人工完成。張恩銘[8]設計的全自動核桃劃口機可實現(xiàn)對核桃進行隨機位置的劃口處理，若能對核桃進行定向輸送后劃口，而后破殼，破殼效果會更佳。但目前對核桃定向輸送的研究較少，所以，本研究從預處理視角出發(fā)可為后續(xù)核桃的破殼加工提供新的理論與方法，具有一定的研究意義。

本研究首先測量得到核桃橫徑、縱徑、棱徑的值及摩擦角等重要的物理參數(shù)，然后通過理論分析核桃振動定向輸送機理，并在Adams中導入強迫振動下核桃定向輸送裝置的參數(shù)化三維模型，以輸送過程的核桃是否穩(wěn)定為標準進行仿真試驗，得出其影響因素定向滑槽傾角和振幅的合理取值范圍。然后又以完成核桃縱徑定向的成功率和輸送速度為指標，在強迫振動條件下進行核桃振動定向輸送的二次仿真試驗，最后利用正交試驗得出了定向滑槽傾角和振幅對核桃縱徑定向成功率和輸送速度的影響，并在最優(yōu)參數(shù)下進行仿真試驗驗證。

1 材料與方法

1.1 試驗的材料

隨機選取十個長勢良好且無畸形的云南漾濞核桃，如圖1所示，測量核桃的三徑長度，數(shù)據(jù)如表1所示，核桃的橫徑、縱徑、棱徑三者長短差異明顯，但考慮到僅測量出漾濞核桃的三徑長度差異明顯可能不具一般性，所以同時取十個長勢良好且無畸形的大姚縣三臺核桃進行三徑長度的測量，得出三臺核桃的三徑長度同樣差異明顯。核桃的橫徑和縱徑可以看做是橢圓的長軸和短軸，殼仁間隙取0.5 mm、據(jù)此繪制殼仁間隙的剖面圖，如圖2（a）所示，泊松比取0.3、密度取470 kg/m3[9]，利用以上數(shù)據(jù)在Solid works中建立核桃的三維模型，如圖2（b）所示。

圖1 核桃的三徑圖

圖2 核桃輪廓示意圖

表1 漾濞核桃的幾何尺寸

1.2 核桃摩擦角測量

核桃在振動輸送過程中與振動臺面之間的摩擦系數(shù)對振動定向過程有重要的影響，目前對核桃外殼摩擦系數(shù)的確定尚未見有報道，因此本研究通過自制摩擦測試試驗臺測量核桃與振動臺面的摩擦角度，從而為后續(xù)仿真提供試驗參數(shù)。振動臺面材料選擇Q235，如圖3所示，將用作實驗的Q235鋼板固定安裝在實驗臺架上，并將導軌角度調整到預定的角度，同時檢查平臺的牢固性。測試時用雙面膠固定將Q235鋼板固定在傾斜的角鋼導軌上以防止Q235鋼板的脫落。根據(jù)文獻[10]可知，逐漸增加鋼板的傾斜角度，當物料勻速下滑時的傾斜角度即為核桃的摩擦角，而摩擦角的正切值是摩擦系數(shù)，用五顆核桃依次進行測量并取平均值，測量結果如表2所示，其摩擦系數(shù)平均值為0.571。

圖3 摩擦系數(shù)測量平臺

表2 核桃滑動速度試驗結果

1.3 核桃振動定向輸送原理分析

圖4 核桃的質心測量計算圖

通過觀察與實際測量橫徑、縱徑、棱徑的值可知，核桃可以近似看做是橢球體，以縫合線為對稱軸，故核桃為對稱的橢球體。如圖1所示，核桃在沿縱徑方向的尖端一側是比較“鼓”的圓弧形，另一端是比前者“扁”的圓弧形，質心的測量計算如下：如圖4（a）所示，以球形體的質心作為參照可推出核桃的質心的相對位置，根據(jù)球體的對稱性，將球形體分割成無數(shù)個細環(huán)，細環(huán)半徑為，球體半徑為，球體密度為，其中任意細環(huán)的質量為：=(2π?)(2?)=2π2sin。

半球體質心坐標即為（0,1/2），可知半球體質心在1/2處，整球體質心在球心處。如圖4（b）所示，以核桃的縱徑為軸在坐標系中繪制核桃模型，以縱徑的中點作為坐標原點，軸正半軸的核桃形態(tài)因為比較“鼓”，且在軸正半軸方向上，原點到核桃殼體的最大距離大于縱徑的一半，可看作核桃實際的半徑比球體半徑略大，故質心位置相較于半球體質心1/2處偏上。同理，軸負半軸的核桃形態(tài)比較“扁”，且在軸負半軸方向上，原點到核桃殼體的最大距離小于縱徑的一半，可看作核桃實際的半徑比球體半徑略小，故質心位置相較于半球體質心應靠上。綜上，核桃在坐標系中的質心位置在原點靠上的位置；此外，農(nóng)業(yè)物料本就形狀不規(guī)則，只能作近似處理，而且其他品種核桃外形輪廓與漾濞核桃大致相同，由此也可以得出其質心也在靠前位置。因而利用核桃輸送時受到定向滑槽底部的摩擦力和定向滑槽兩側擋板的摩擦力不同，使核桃繞著自身質心的轉動，最終完成核桃的縱徑定向。

圖5 核桃在定向滑槽上的受力圖

-定向滑槽傾角，（°）；-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）；-定向滑槽對核桃的支持力，（N）；-核桃短軸的半徑，（mm）；-核桃的質心；-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-擋板對核桃的轉動摩擦力矩，（N·m）；N-定向滑槽擋板對核桃的支持力，（N）；-核桃在定向滑槽底部受到的摩擦力，（N）；f-核桃在定向滑槽擋板處受到的摩擦力，（N）；-核桃的摩擦角，（°）；-擋板與輸送方向所成的夾角，（°）；-激振力與水平面的夾角，（°）。

核桃在定向滑槽底部所受摩擦力形成的力矩：M，在定向滑槽擋板處對質心O形的摩擦力矩為：

核桃繞質心O轉動的條件：tan?1?的值大于M，但因為定向滑槽底部材料一旦確定，摩擦力矩M則為定值，所以理論上只要滑槽兩側粘有較大摩擦系數(shù)材料使得擋板處摩擦力增大，利用核桃質心靠近縱徑尖端一側就可以實現(xiàn)核桃轉動，從而實現(xiàn)縱徑定向。定向過程中前面的核桃偶爾受到后面核桃的輕微碰撞，本就尖部朝前的核桃因質心靠前且受到的碰撞力小，其依舊沿著斜面下滑，對于還未定向或正在定向的核桃可能會導致其定向所需時間延長，但由于振動臺面的尺寸足夠長，定向仍可以完成。

1.4 振動定向輸送裝置的設計與模型的建立

應用Solid works軟件建立振動定向輸送裝置的三維模型，如圖6（a）所示，設置材料參數(shù)后導入到Adams View，如圖6（b）所示。通過在定向滑槽與核桃外表面之間設置接觸關系以及主振彈簧和減震彈簧的剛度、自由長度等參數(shù)，同時對定向滑槽的傾角、振幅和激振力進行參數(shù)化設置。當定向滑槽傾角和振幅選擇合理時，原本頭部朝后的核桃會發(fā)生轉動，頭部朝前的核桃仍然保持原來的姿態(tài)，因而原本雜亂無序的核桃都以頭部朝前的方向輸送。振動臺面上共有三條逐漸變窄的定向滑槽軌道，振動電機類型是電源頻率為50 Hz的單軸慣性式激振器，該類型的振動電機對彈簧的剛度要求低、結構也簡單、適用范圍廣泛。類比其他物料輸送設備[11]，采用振動電機中心軸線與水平面平行的安裝方式，同時根據(jù)本試驗要求確定的振動次數(shù)大約為800次，取電機振幅A大約取1.5 mm（雙振幅），選取Q235鋼作為振動臺面的材料，核桃及定向滑槽1的質量約為45 kg，振動電機、振動臺面、主振彈簧等2的質量約為55 kg，因此參振總質量為100 kg。

1.核桃2.振動臺面3.振動平臺4.主振彈簧5.隔振板6.機架7.減震彈簧

1.5 強迫振動下核桃定向輸送的模擬仿真試驗

本試驗以定向成功率、輸送速度為指標來衡量裝置性能的優(yōu)劣，但輸送過程中核桃的穩(wěn)定性仍是一個不可忽視的因素，因而先進行初次仿真實驗來確定定向滑槽傾角和振幅合理的取值范圍，然后在此范圍內(nèi)進行核桃定向輸送的仿真試驗，得出最佳試驗條件。

通過前文核桃尺寸測量分析可知，核桃可以近似的當做橢球體，自激振條件下核桃既可做翻滾運動還可做滑動運動，但為了得到穩(wěn)定的定向輸送過程，核桃在定向滑槽中輸送時應盡可能保證它以滑動的方式前行。為避免核桃過高跳躍及翻滾而影響定向效果，設定的豎直位移標準值不宜過大，所以預試驗以10 mm作為核桃是否發(fā)生過高跳躍的標準來確定定向滑槽傾角和振幅取值范圍。

圖7 核桃在定向滑槽豎直方向位移隨時間的變化關系

1.5.1 振幅初次仿真試驗選取振幅為0.7～1.5 mm的振動電機，將核桃放置于定向滑槽的起點處，核桃頭部的朝向無序，并保證定向滑槽傾角始終為0°，以振幅作為單因素的自變量。本試驗借鑒文獻[11]中關于振幅的預選取范圍，在0.7～1.5 mm的范圍內(nèi)取9個值完成預實驗，若采用過大的水平差值會使得每個水平的振幅值增大，最終導致總體振幅范圍過大，又因核桃是橢球體，如果振幅取值范圍過大，易發(fā)生滾動，造成實驗結果不準確，故振幅的范圍為0.7 mm～1.5 mm。在Adams的后處理模塊PostProcessor中記錄下核桃在定向滑槽上的豎直位移，如圖7所示，當振幅取1.3 mm、1.4 mm、1.5 mm時，核桃在定向滑槽上的豎直位移均明顯超過了10 mm，導致輸送時會發(fā)生較大的翻滾甚至跳躍，所以振幅的值應當小于等于1.2 mm。通過圖7還可看出振幅=0.7 mm、=0.8 mm時核桃的豎直位移較小，大致為6.2 mm左右，位移幅度較小，所以振幅的值理應舍棄0.7、0.8 mm。綜上，二次仿真試驗時振幅取值范圍是0.9～1.2 mm。

1.5.2 定向滑槽傾角定向滑槽傾斜角度的改變對核桃的運動速度有一定程度的影響，在合理的傾斜角度范圍內(nèi)，提高定向滑槽傾角能增加重力沿定向滑槽水平方向的分力，進而增加了核桃在定向滑槽上的輸送速度；同時隨著傾角在合理的范圍內(nèi)增加，從而增加核桃自身的扭矩。

將核桃放置于定向滑槽起點，頭部的朝向為雜亂無序，并保證振幅不變，且取最小值=0.9 mm，定向滑槽傾角為自變量開始進行二次仿真實驗，從0°開始依次增加1來增加傾角，仿真過程中發(fā)現(xiàn)0°時，核桃在滑槽上均未完成縱徑定向，但是超過5°時，核桃發(fā)生滾動甚至跳躍幅度較大的現(xiàn)象。當取=1.2 mm時，定向滑槽傾角也從0°開始依次增加1°，核桃的運動規(guī)律仍與=0.9 mm時的一致，所以定向滑槽傾角取1～4°。

2 結果與分析

2.1 二次仿真及正交試驗設計

通過前文的初次仿真試驗得到了影響核桃定向的定向滑槽傾角和振幅的合理取值范圍，因而本實驗采用4水平2因素的正交試驗表進行設計，選取因素及水平如表3所示。由于振動電機頻率為50 Hz，振動電機的振動周期為0.02 s，為將整個定向過程記錄下來，將仿真時長設定為2 s。開始正交設計試驗，將一顆核桃模型放置于定向滑槽的起點處，核桃頭部的朝向為雜亂無序，取另外九個形態(tài)有各有少許差異的核桃模型依次進行同樣的試驗，記錄下每次試驗中核桃的輸送速度和定向是否成功的情況，最后進行方差分析。

表3 正交設計實驗的因素水平表

2.2 試驗及仿真驗證

將仿真試驗中完成定向的核桃輸送速度數(shù)值進行正交分析，振幅和定向滑槽傾角對核桃輸送速度的影響如表4所示，振幅和定向滑槽傾角對核桃的輸送速度均有影響，振幅和定向滑槽傾角的增大與核桃輸送速度成正比，振幅的影響程度比傾角高，且兩因素之間的交互作用對輸送速度的顯著性并不高。如表5所示，振幅對定向成功率的影響更為顯著，兩個因素之間的交互作用對定向成功率的顯著性并不高。如表6所示，優(yōu)化參數(shù)為31，即振幅=1.1 mm，定向滑槽傾角=1°，輸送速度也達到了最大：=63.8 mm/s。

表4 輸送速度V的實驗結果

注意：顯著性水平取0.05，下同。

表5 定向成功率的實驗結果

表6 試驗結果的極差分析

將振幅=1.1 mm，定向滑槽傾角=1°在Adams中設置好，由于三條定向滑槽各參數(shù)均一致，因此以中間的定向滑槽為例，在該定向滑槽上放置四個核桃模型。如圖8所示，進行仿真試驗驗證，前文提到二次仿真設置的仿真時間為2 s，為了便于觀察核桃定向前后姿態(tài)的變化，將定向過程分為兩個時間段，即：0～1 s和1～2 s兩個時間段。通過觀察整個振動定向過程可得：核桃在0～1 s時間段，核桃在前進過程中縱徑的方向為雜亂無序，且每個核桃都與定向滑槽擋板發(fā)生接觸，在1～2 s時間段，雜亂的核桃逐漸在平行于定向滑槽的平面上發(fā)生順時針或逆時針轉動，直至沿縱徑方向的核桃頭部朝前轉動，而原本頭部朝前的核桃依舊向前平穩(wěn)運動。

圖8 核桃的振動仿真結果

3 討論

核桃是我國重要的農(nóng)產(chǎn)品之一，現(xiàn)有的核桃破殼加工方法中大部分都需對核桃的位姿進行固定處理，比如核桃摩擦破殼、核桃柔性擠壓破殼，核桃劃口預處理破殼等等，但現(xiàn)有核桃預處理方法未能實現(xiàn)核桃的位置和方向的固定，從而使后續(xù)的核桃破殼加工技術未能實現(xiàn)或者破殼效果不理想，在核桃破殼時無法保證低碎仁率和高破殼率。本研究通過理論分析及動力學仿真得出核桃定向輸送在理論上是可行的，為后續(xù)的核桃破殼加工提供了一種新思路和新方法，在實際生產(chǎn)中可以為核桃深加工產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟價值，針對后續(xù)的研究還需進一步的改進：（1）理論模型的建立與實際核桃存在細微偏差，需對核桃模型進一步改進，可考慮針對其他品種的核桃進行外觀尺寸測量后統(tǒng)計分析得出更為普遍的核桃模型；（2）下一階段研究可考慮通過設計機械定向結構實現(xiàn)核桃定向；同時考慮核桃定向輸送與破殼加工相結合，最終實現(xiàn)核桃破殼低損傷率和高露仁率。

4 結論

本研究在Adams建立強迫振動下核桃定向輸送裝置的仿真三維模型基礎之上，先進行初次實驗確定了影響核桃輸送穩(wěn)定性的振幅和定向滑槽傾角兩個因素合理的取值范圍，然后在二次仿真試驗中記錄下輸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傾角對定向成功率和輸送速度的影響，最佳的工作條件為：振幅=1.1 mm，定向滑槽傾角=1°。將此參數(shù)又進行了仿真實驗來驗證，在保證定向成功的同時，定向輸送速度也達到：=63.8 mm/s，驗證了理論分析的正確性。

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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

國家自然科學基金(52165038);云南教育廳科學研究基金(2019J0186)

陳健(1994-),男,碩士研究生,研究方向:農(nóng)業(yè)機械化工程. E-mail:1095953980@qq.com

通訊作者:Author for correspondence. E-mail:wybjob@163.com