李康　李長河　劉明政　王樂意　曹成茂　趙華洋　車稷　何光贊　坎雜

摘要：鮮核桃破殼是核桃初加工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，針對鮮核桃破殼過程中存在的定位困難、碎仁率高等技術(shù)瓶頸，通過對鮮核桃物理特性與殼體力學(xué)分析，設(shè)計了多工位定向擠壓鮮核桃破殼裝置，并對喂料機構(gòu)和多工位定向破殼機構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過單因素實驗法確定了破殼裝置參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍，以激振力、撥料桿角度、凸輪軸轉(zhuǎn)速、核桃周徑為試驗因素進行正交試驗。結(jié)果表明：最優(yōu)水平組合為激振力0.49 kN、撥料桿角度0°、凸輪軸轉(zhuǎn)速10 r/min、核桃平均周徑31.5 mm；在最優(yōu)組合下，破殼裝置的一露仁率為94.44%、二露仁率為2.77%、碎仁率為0%、破殼率為97.22%。試驗結(jié)果證明設(shè)計的破殼裝置能滿足核桃初加工行業(yè)的需求，并為鮮食堅果類破殼提供理論借鑒與技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：鮮核桃；破殼；物料特性；裝置設(shè)計；多工位；定向擠壓

中圖分類號：S226.4文獻標志碼：A文獻標識碼

Design and experiment of multi-station directional extrusion shell breaking

device for fresh walnut

LI? Kang1，LI? Changhe1*，LIU? Mingzheng1，WANG? Leyi1，CAO? Chengmao2，ZHAO? Huayang3，

CHE? Ji4，HE? Guangzan5，KAN? Za6

（1 School of Mechanical and Engineering，Qingdao University of Technology，Qingdao，Shandong 266520，China;

2 School of Engineering，Anhui Agricultural University，Hefei，Anhui 230036，China;

3 School of Engineering， Inner Mongolia Minzu University，Tongliao，Inner Mongolia 028042，China;

4 Xinjiang Jiangning Light Industry Mechanical Engineering Technology Co.Ltd.，Urumchi，Xinjiang 830011，China;

5 Sichuan Clean Energy Drying Equipment Co.Ltd.，Chengdu，Sichuan 610041，China;

6 College of Mechanical and Electrical Engineering，Shihezi University，Shihezi，Xinjiang 832003，China）

Abstract： ?Fresh walnut shelling is a key link in the initial processing of walnuts，and there are technical bottlenecks in the process of fresh walnut shelling such as difficult positioning and high rate of broken kernels.Through analysis the physical characteristics and shell mechanics of fresh walnuts，a multi-station directional extrusion fresh walnut shelling device was designed.And the structural design of feeding mechanism and multi-station directional shell breaking mechanism was carried out.The adjustment range of the parameters of the shell-breaking device was determined by single-factor experiments.The orthogonal test was conducted with excitation force，feeding rod angle，camshaft speed and circumference of walnut as the test factors.The results showed that the optimized combination was as follows：the excitation force was 0.49 kN，the feeding rod angle lever was 0°，the camshaft speed was 10 r/min，and the average circumference of walnut was 31.5 mm.In this case，one kernel rate was 94.44%，two kernel rate was 2.77%，kernel cracking rate was 0%，and shell-broken rate was 97.22%.The test results prove that the designed shell breaking device meets the needs of the walnut primary processing industry，and provide theoretical reference and technical support for fresh nuts shell breaking.

Key words： fresh walnut;shell breaking;material characteristics;device design;multi-station;directional extrusion

核桃作為食用價值和藥用價值兼?zhèn)涞膱怨?，具有極高經(jīng)濟價值［1］。近年來，鮮核桃因口感清甜、營養(yǎng)豐富市場需求量增長迅速，但是鮮核桃仁在空氣中極易變質(zhì)，為了保證鮮核桃仁品質(zhì)，從冷庫中取出后需及時對鮮核桃進行破殼取仁并進行密封加工保鮮［2］。為取整仁，傳統(tǒng)的方式主要依賴于手工破殼，效率低且成本高［3］。加工周期加長會影響鮮核桃仁的品質(zhì)，嚴重制約核桃加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，為縮短加工周期，提高農(nóng)產(chǎn)品附加值［4］，急需研發(fā)鮮核桃破殼取整仁裝置。

目前，科研人員基于核桃的物理化學(xué)特性進行了大量研究并設(shè)計了擠壓式［5-7］、剪切式［8-9］、氣爆式［10］、錐籃式［11］和擊打式［12-13］等不同種類的核桃初加工設(shè)備；石明村等［7］設(shè)計了凸輪搖桿擠壓式破殼裝置，通過U形塊結(jié)構(gòu)簡化了核桃自定位結(jié)構(gòu)；劉明政等［8］通過剛度分析和裂紋擴展條件計算對核桃破殼進行了機理分析并研究了對破殼最有效的帶速差和擠入夾角；馬秋成等［9］根據(jù)剪切式原理設(shè)計了楔形定向破殼裝置，實現(xiàn)了核桃的周徑方向定向破殼；李忠新等［11］基于擠壓摩擦機理設(shè)計了錐籃式破殼裝置，研究了對不同核桃品種、尺寸、含水率的破殼效果。但是因核桃含水量、殼體厚度，球度等因素的制約，現(xiàn)有設(shè)備存在難以產(chǎn)生龜裂紋等問題，適應(yīng)性差等問題［14］，并不能得到很好的推廣應(yīng)用。

為解決制約鮮食堅果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸，分析現(xiàn)有破殼裝置存在的問題，本文基于鮮核桃含水量高、核桃仁柔性大等特點，對鮮核桃物理特性進行研究分析，依據(jù)鄂式破碎原理設(shè)計出適用于鮮核桃的破殼裝置。

1 鮮核桃物理特性與破殼機理分析

1.1 鮮核桃物理特性

鮮核桃指去青皮后未經(jīng)干燥過程的核桃，其物理特性是決定裝置設(shè)計和工作參數(shù)的重要因素。隨機選取并測量100枚樣本，得到三徑尺寸分布如圖1所示，符合正態(tài)分布。

鮮核桃的主要尺寸，平均質(zhì)量和球度對破殼設(shè)備的設(shè)計至關(guān)重要［15］，其數(shù)值列于表1。核桃球度計算公式為

式（1）中為球度;L為核桃長徑，mm;W為核桃周徑，mm;T為核桃棱徑，mm。

由表1可知：鮮核桃平均殼厚為3.03 mm，球度為0.941，呈橢球形。核桃殼由硬質(zhì)層和木質(zhì)層組成，厚度與水分含量線性相關(guān)。水分含量高時木質(zhì)層吸水膨脹緊貼于核桃仁表面與分心木連接，并與核桃殼之間形成多微氣囊結(jié)構(gòu)起到保護作用。與干核桃相比鮮核桃果仁韌性更大，在外力作用下不易損壞，因此可取整仁，但是含水量增高的同時，縫合線處結(jié)合力減?。?6］，破殼時易從縫合線處裂開導(dǎo)致后期取仁困難，通過增加施力對數(shù)可以有效提高果殼表面裂紋分布，提高破殼質(zhì)量。

1.2 破殼機理

1.2.1 殼體力學(xué)分析

核桃在多對集中力作用下殼體逐漸被壓縮，當集中力超過臨界值時，核桃殼首先在集中力作用點附近破裂，同時裂紋隨著力進一步擴展［8］。根據(jù)彈性力學(xué)理論，殼體破裂的臨界壓力為

式（2）中Pcr為臨界壓力，MPa;E為核桃殼彈性模量，GPa;r為核桃平均半徑，mm;μ為泊松比;h為核桃殼平均厚度，mm。

經(jīng)測量，核桃殼體頂部厚度>縫合線處厚度>周徑處厚度>核桃底部厚度，核桃三維形態(tài)如圖2所示。

由表1可知：平均厚度h為3.03 mm，平均半徑r為18.24 mm；E=0.18 GPa，μ=0.3。將已知參數(shù)代入式（2）可得核桃的平均臨界壓力為6.01MPa，通過式（2）可知：殼體臨界壓力與核桃殼厚度線性相關(guān)，隨著核桃殼厚度增加，破殼所需要的力逐漸增大，因此，周徑方向是核桃破殼的理想方向。

1.2.2 殼體裂紋擴展

裂紋隨著外力到達臨界值時會繼續(xù)擴展，主要分為Ⅰ型（張開型）和Ⅱ型（撕裂型）［17］，如圖3所示。

圖3a為試驗產(chǎn)生裂紋實物圖，在擠壓初期，核桃殼體受到正壓力作用變形，在殼體內(nèi)部遠離正壓力作用區(qū)域產(chǎn)生拉應(yīng)力，裂紋面與拉應(yīng)力正交，產(chǎn)生Ⅰ型裂紋；在正壓力作用區(qū)域，裂紋兩部分殼體在平行于裂紋面切應(yīng)力作用下相互撕扯，產(chǎn)生Ⅱ型裂紋并進一步擴展，直至外力消失。裂紋擴展的臨界應(yīng)力為

式（3）中σc為裂紋擴展臨界應(yīng)力，MPa;γ為單位面積表面能，kJ/m2;a為裂紋長度，mm。

1.2.3 不同對數(shù)集中力作用處位移分析

如圖4所示，在一對集中力P作用下殼體上任意一個微小的單元a存在著薄膜力Nφ、Nγ和橫向剪力Qφ，宏觀上表現(xiàn)為裂紋擴展區(qū)域殼體的相互撕扯、張裂（圖3a）。殼體上任一點的位置可由球心角φ和圓心角γ確定［7］。

集中力作用處球心角為0，故切線方向位移U0=0，即破裂的主要原因是法向位移W0引起的［8］，在集中力處位移關(guān)系如下

根據(jù)無矩理論可推導(dǎo)出遠離集中力作用處切線方向位移U和法線方向位移W的計算公式

式（5）中P為集中力，N;chφ為雙曲余弦函數(shù);thφ為雙曲正弦函數(shù)。

為了更直觀的體現(xiàn)出不同φ角時集中力作用點處與遠離集中力作用點處法向位移的關(guān)系，引入法向位移相對比值Φ=W0/W。Φ與式（5）中C的計算結(jié)果如表2所示。

在法向集中力作用下核桃殼體會產(chǎn)生壓縮變形量，設(shè)一對集中力作用下位移為δ，根據(jù)表2，使用線性疊加方法，可計算得出二、三、四對集中力處位移分別為1.44δ、1.22δ、1.18δ。在兩對集中力作用下殼體裂紋根源增加，所產(chǎn)生的位移量最大，殼最易破裂，因此采用兩對集中力進行破殼。

2 工作原理與關(guān)鍵機構(gòu)設(shè)計

2.1 工作原理

核桃破殼裝置如圖5所示，其長度為1410 mm，寬度為640 mm，高度為1150 mm。由直振送料系統(tǒng)、喂料系統(tǒng)、多工位定向破殼系統(tǒng)和動力系統(tǒng)組成。直振送料系統(tǒng)與喂料系統(tǒng)作為裝置的前端作用是保證核桃姿態(tài)可控、喂料量可控，分別設(shè)置8個工位與多工位定向破殼系統(tǒng)對應(yīng)。

工作時，將分級后的核桃倒入喂料箱中，通過直振送料系統(tǒng)中振動電機產(chǎn)生的激振力和V形軌道作用下核桃沿長徑方向運動并落入喂料系統(tǒng)，在喂料系統(tǒng)V形槽的作用下實現(xiàn)二次定位，后在撥料裝置與導(dǎo)料桿作用下核桃被單果喂入破殼系統(tǒng)。其中，當撥料裝置開始撥動核桃時，破殼動板在凸輪帶動下進入預(yù)緊狀態(tài)，破殼動板與破殼定板之間形成一定夾角，核桃在破殼動板與破殼定板作用下定位自鎖，實現(xiàn)定向擠壓。隨著凸輪先后進入一次破殼階段、二次破殼階段、回程階段，對核桃進行兩次定向擠壓，擠壓完成核桃在重力作用下經(jīng)出料裝置落出。

2.2 喂料機構(gòu)設(shè)計

喂料機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及受力分析如圖6所示。

喂料機構(gòu)的主要工作參數(shù)包括撥料齒長度、V型傾斜送料板傾角和撥料桿調(diào)整角度。V形傾斜送料板底端與導(dǎo)料桿前端相連，導(dǎo)料桿底端與破殼定板相連，V型槽底部設(shè)置8個開口，撥料機構(gòu)設(shè)置于導(dǎo)料桿底部并通過軸承固定于機架上，其上設(shè)置8個撥料齒，與破殼定板上8個破殼工位對應(yīng)，通過鏈傳動旋轉(zhuǎn)撥動排列在V型傾斜送料板V型槽內(nèi)的核桃實現(xiàn)單果喂料。核桃經(jīng)V型槽機構(gòu)定位和導(dǎo)料桿導(dǎo)向以長徑方向落入破殼機構(gòu)。

根據(jù)鮮核桃的幾何特征，為保證撥料齒轉(zhuǎn)動一周僅可撥入單個核桃，撥料齒長度應(yīng)大于44.82 mm，考慮到整體的配合關(guān)系，最終確定撥料齒長度為60 mm、直徑為8 mm。

將核桃簡化為球形，核桃在V形槽中受力如圖6c所示，為確保核桃可以順利運動到V形傾斜送料板底端，有

式（6）中m1為核桃質(zhì)量，g;β為V形傾斜送料板傾斜角，°。

核桃與V槽的摩擦系數(shù)μ=0.2，由式（7）可知當β>arctanμ時，即β>11.3°時，核桃可運動至V形傾斜送料板底端，通過預(yù)試驗取β=15°。

撥料桿角度調(diào)整機構(gòu)如圖7所示，在撥料桿一端設(shè)置指示線，鏈輪一側(cè)設(shè)置有刻度尺并通過緊定螺絲固定于撥料桿上。需要調(diào)整撥料桿角度時，通過放松緊定螺絲，對照指示線與刻度尺的位置轉(zhuǎn)動撥料桿進而調(diào)節(jié)角度。撥料桿角度影響核桃落入破殼區(qū)間的位置，從而影響破殼時的擠壓間隙。根據(jù)前期試驗，每個刻度線之間角度設(shè)置為15°，可在0°～60°之間進行精確調(diào)整。

2.3 多工位定向擠壓破殼機構(gòu)設(shè)計

多工位定向擠壓破殼機構(gòu)是核桃破殼裝置的關(guān)鍵部件，如圖8所示。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括嚙合角θ、破殼動板底端到旋轉(zhuǎn)中心距離l、板間距離B。為提高裝置生產(chǎn)效率，可設(shè)置多個破殼工位。破殼定板固定于機架上，破殼動板通過凸輪驅(qū)動，在兩板下部形成破殼區(qū)。為實現(xiàn)核桃定位與周徑方向定向擠壓，從喂料機構(gòu)落下的核桃經(jīng)導(dǎo)料桿導(dǎo)向以長徑方向落入破殼定板和凸輪驅(qū)動的破殼動板形成的V型間隙中。

嚙合角θ指核桃進入破殼區(qū)域定位時的預(yù)緊角。如果嚙合角θ取值過大，雖然核桃的破殼率增加，但是會造成破碎程度過大，碎仁率增加，還會造成物料和兩板之間摩擦力變小，從而導(dǎo)致物料向上跳出；如果嚙合角θ的取值偏小，在摩擦力提高的同時破殼率卻降低了，且使破殼腔的高度增加。因此，設(shè)計合適的嚙合角θ對于破殼裝置有重要的意義。

核桃的形狀近似為橢球形，其與V形塊接觸為點接觸，隨著集中力的作用，接觸區(qū)域從圓點變?yōu)閳A形接觸面。核桃在破殼裝置中處于受力平衡狀態(tài)，受到破殼定板與破殼動板的擠壓受力情況如圖9所示，在破殼時受到兩對集中力作用，核桃本身重力與之受到的壓力相比極小，故忽略不計。圖9中，P1和P2分別為破殼定板以及破殼動板對核桃正壓力的合力，N；fP1和fP2為物料由于擠壓受到兩塊板的摩擦力，N；f為物料與兩板間的摩擦系數(shù)，0.2；θ為兩板的嚙合角，（°）；θ1和θ2分別為破殼定板和破殼動板與y軸夾角，（°）；ω為凸輪轉(zhuǎn)速，r/min。

要保證核桃在破殼時不向上擠出，需滿足以下力學(xué)平衡條件：

P1、P2將分解產(chǎn)生向上的分力，將使核桃產(chǎn)生向上的運動趨勢，此時系統(tǒng)將產(chǎn)生與該趨勢相反的靜摩擦力以平衡該趨勢［11］，此時有

根據(jù)鄂式破碎原理，嚙合角角度θ取65%。破殼系統(tǒng)中破殼定板垂直與水平面，故θ=θ2。由式（8）、（9）、（10）、（11）即可確定嚙合角θ取值范圍為0°～14.8°，因正弦函數(shù)對θ變化較為明顯，θ取值過小時靜摩擦力將不能阻止核桃向上擠出趨勢，因此試驗裝置破殼時嚙合角θ=10°。

式（12）中Dmax為核桃最大周徑，mm;Dmin為核桃最小周徑，mm;B為破殼定板與破殼動板之間的距離，mm;θ3為破殼動板最大擺角，°。

通過對鮮核桃外形尺寸測量可知，核桃周徑在35.63～41.44 mm內(nèi)，同時為保證核桃在破殼區(qū)破殼，通過試驗觀察核桃經(jīng)導(dǎo)料桿導(dǎo)向后自由落體至破殼區(qū)。經(jīng)計算，確定破殼定板和破殼動板長度為200mm，破殼裝置中破殼動板底端到旋轉(zhuǎn)中心的距離l=160 mm，θ3=15°，核桃最大周徑Dmax和最小周徑Dmin由表1給出。由式（12）可得出兩板之間距離B的取值范圍41.4 mm

為降低漏破率，采用兩次擠壓破殼，分為落料定位、一次擠壓破殼、二次擠壓破殼、落料四個階段。破殼過程中凸輪運動狀態(tài)如圖10所示。

3 試驗條件與方法

3.1 試驗條件

為檢測裝置的破殼性能，采用單因素試驗和正交試驗對影響裝置破殼性能的因素進行試驗分析與驗證。試驗材料選用濟寧鄒城種植的鮮核桃作為試驗對象，試驗前人工剔除畸形，壞損的核桃，并用游標卡尺測量將核桃分為30～33 mm、33～36 mm和36～39 mm三級范圍。

試驗設(shè)備及儀器有破殼裝置、游標卡尺、電子秤等。

3.2 試驗方法

3.2.1 破殼性能測定

核桃破殼后，按核桃仁的完整度不同可分為：整仁、1/2仁、1/4仁、1/8仁。其中大于等于1/4仁的為一露仁，小于1/4大于1/8的為二露仁，小于1/8的為碎仁［8］。將破殼率記為y1，一露仁率為y2，二露仁率為y3，碎仁率為y4。

3.2.2 裝置參數(shù)的確定

根據(jù)鮮核桃物理特性與破殼機理分析，影響破殼效果的主要因素是激振力A，撥料桿角度B，凸輪轉(zhuǎn)速C，核桃周徑D，其中A、B、C為破殼裝置的關(guān)鍵參數(shù)，激振力的大小影響核桃軸向運輸?shù)乃俣?；撥料桿角度影響核桃落入破殼區(qū)間的位置，從而影響破殼時的擠壓間隙；凸輪轉(zhuǎn)速同樣對落料位置與擠壓間隙產(chǎn)生影響。根據(jù)前期預(yù)實驗，激振力的調(diào)整范圍為0.25～0.49 kN，凸輪軸轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍為10～30 r/min，可通過調(diào)頻器顯示具體數(shù)值并進行調(diào)整；撥料桿角度調(diào)整范圍為0～60°；經(jīng)測量核桃周徑取值分布在30～39 mm之間，分為30～33 mm，33～36 mm，36～39 mm三級。為確定裝置參數(shù)，在單因素試驗中取周徑在33～36mm范圍內(nèi)的鮮核桃，以A、B、C作為試驗因素，破殼率y1、一露仁率y2、二露仁率y3和碎仁率y4作為試驗指標進行單因素試驗，確定破殼裝置的參數(shù)取值。

4 結(jié)果與討論

4.1 不同因素對裝置性能影響

不同因素水平對裝置性能影響的試驗結(jié)果如圖11、圖12、圖13所示，圖中水平坐標為每個因素的水平，垂直坐標為測試的評價指標。

由圖11可見：在激振力小于0.4 kN時，破殼率和一露仁率隨著激振力增大逐漸減小，超過0.4 kN時急劇減小，說明當激振力超過一定數(shù)值時，送料速度過快，而凸輪軸轉(zhuǎn)速一定，導(dǎo)致物料在輸送過程中堆積，產(chǎn)生漏破現(xiàn)象，然而雖然較小的激振力可以避免物料堆積，但是破殼效率顯著降低；激振力的變化對碎仁率的影響較小，表明鮮核桃仁含水量高，韌性大，不易產(chǎn)生碎仁。因此，激振力的取值范圍選定為0.35～0.49 kN。

由圖12可見：破殼率和一露仁率隨著撥料桿角度增加呈先增大后減小的趨勢；二露仁率和碎仁率整體呈現(xiàn)緩慢增加趨勢；當撥料桿角度在15°～20°范圍內(nèi)時，破殼效果最好，表明在此區(qū)間內(nèi)對同一級別的核桃有更好的破殼效果，每一種級別的核桃在與之對應(yīng)的撥料桿角度區(qū)間內(nèi)將會取得更好的破殼效果。表明撥料桿的角度影響核桃在破殼裝置中的破殼位置，破殼間隙存在差異性，并導(dǎo)致破殼效果產(chǎn)生變化。因此，確定撥料桿的調(diào)整范圍為0°～60°。

由圖13可知：隨著凸輪轉(zhuǎn)速增加，破殼率和一露仁率先增大再減小，殼體表面裂紋擴展程度與一露仁率隨凸輪轉(zhuǎn)速增大而增大，當凸輪轉(zhuǎn)速超過20 r/min時呈線性下降趨勢；二露仁率先減小后增大；三者隨凸輪轉(zhuǎn)速變化明顯。結(jié)果表明，隨著凸輪轉(zhuǎn)速增加，加載速率增大，破殼時間減小，而落料時間固定不變，導(dǎo)致部分核桃未進入有效破殼區(qū)域，破殼率因此降低。當凸輪轉(zhuǎn)速大于20 r/min時，核桃在破殼裝置停留時間太短，破殼效果差；當凸輪轉(zhuǎn)速為10～20 r/min時，破殼效果更好。因此，凸輪轉(zhuǎn)速的參數(shù)定在10～20 r/min之間。

4.2 正交試驗

通過單因素試驗可知，破殼裝置的性能受激振力、撥料桿角度、凸輪軸轉(zhuǎn)速和核桃周徑的影響。選取L9（34）正交試驗表進行試驗［18］，試驗效果如圖14所示，核桃破殼性能試驗水平如表3所示，試驗結(jié)果列于表4。

從表4可以看出四種因素對破殼率y1、一露仁率y2、二露仁率y3、碎仁率y4的影響。

ki的數(shù)值表示對相應(yīng)指標的影響情況，對于一露仁率、二露仁率和破殼率，ki越大越好，但對于碎仁率，ki越小越好。由表5可知：因素A與因素C對破殼指標的影響程度最大且兩者相近，B和D次之。當核桃的周徑D范圍為30～33 mm時，A1B1C1組合效果最好，此時一露仁率、二露仁率、碎仁率、破殼率分別達到了94.44%、2.77%、0%、97.22%；當核桃周徑D范圍為33～36 mm時，取A1B2C2組合效果最好，此時一露仁率、二露仁率、碎仁率、破殼率分別達到了92.85%、2.86%、1.43%、97.14%；當核桃周徑D范圍為36～39 mm時，A1B3C3組合效果最好。此時一露仁率、二露仁率、碎仁率、破殼率分別達到了81.97%、4.91%、3.28%、91.8%。

由表5試驗結(jié)果極差分析可知，其中影響一露仁率的主次因素為A>C>D>B，影響二露仁率的主次因素為A>C>D>B，影響碎仁率的主次因素為C>A>D>B，影響破殼率的主次因素為A>C>B>D。

4.3 討論

與干核桃相比，鮮核桃在破殼力、縫合線結(jié)合力、含水率和核桃仁力學(xué)特性存在顯著差異。劉奎等［19］研究了含水率、加載速度和破殼方向?qū)颂移茪ば阅艿挠绊?，結(jié)果表明核桃在周徑方向更易破殼，且對核桃仁損傷更?。煌瑫r因縫合線處結(jié)合力小，更易直接裂開導(dǎo)致取仁困難。馬秋成等［9］測試了核桃三個方向的破殼力，結(jié)果表明沿周徑方向破殼，破殼力更小，碎仁率更低。本研究通過對鮮核桃物理特性分析、殼體力學(xué)分析得出破殼力與核桃殼厚度線性相關(guān)，隨著核桃殼厚度增加，破殼所需要的力逐漸增大，核桃的最佳破殼方向為周徑方向，為裝置定向結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

此外沈柳楊等［20］對不同含水率的核桃仁力學(xué)特性進行了試驗研究，結(jié)果表明在周徑方向上核桃仁受載與抗變形能力更強。本試驗通過裂紋擴展與集中力作用位移分析得出最佳破殼位置為周徑方向，最佳破殼力為兩對集中力破殼；另外，通過正交試驗分析表明兩對集中力作用下沿周徑方向破殼時破殼率最高達97.22%，碎仁率更低。

5 結(jié)論

（1）研究了鮮核桃的物理特性，得出了鮮核桃殼體頂部厚度>縫合線處厚度>周徑處厚度>核桃底部厚度的幾何特征。通過核桃殼體力學(xué)分析得到了殼體臨界壓力與核桃殼厚度線性相關(guān)，鮮核桃的平均臨界壓力為6.01 MPa。進行了核桃殼體集中力作用處位移分析，研究了不同對數(shù)集中力作用下核桃殼體的位移，得出在兩對集中力作用下殼體產(chǎn)生的位移最大，核桃殼容易破裂。

（2）設(shè)計了多工位定向擠壓鮮核桃破殼裝置，并對裝置中喂料機構(gòu)和多工位定向擠壓破殼機構(gòu)進行了理論設(shè)計。通過撥料機構(gòu)和導(dǎo)料桿對核桃進行喂料并導(dǎo)向，實現(xiàn)了單果喂料。通過多工位定向擠壓破殼機構(gòu)中雙V形結(jié)構(gòu)自定位實現(xiàn)核桃的周向擠壓破殼。

（3）通過單因素試驗確定了激振力、撥料桿角度和凸輪轉(zhuǎn)速三種因素對破殼裝置破殼性能的影響規(guī)律，確定了激振力參數(shù)的調(diào)整范圍0.35～0.49 kN，撥料桿角度參數(shù)的調(diào)整范圍0°～60°，凸輪轉(zhuǎn)速參數(shù)的調(diào)整范圍10～20 r/min。

（4）正交試驗結(jié)果表明：當核桃的周徑范圍為30 mm～33 mm，即平均周徑為31.5mm時，A1B1C1組合效果最好，即當激振力為0.49 kN、撥料桿角度為0°、凸輪軸轉(zhuǎn)速為10 r/min時，一露仁率、二露仁率、碎仁率、破殼率分別達到了94.44%、2.77%、0%、97.22%。鮮核桃破殼裝置滿足破殼作業(yè)要求。

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（責(zé)任編輯：編輯張忠）

收稿日期：2022-10-17

基金項目：國家自然科學(xué)基金（52105264，51475002）

作者簡介：李康（1999—），男，碩士研究生，專業(yè)方向為農(nóng)業(yè)機械裝備設(shè)計，e-mail：likang_1999@163.com。

*通信作者：李長河（1966—），男，教授，主要從事精密加工與智能制造研究，e-mail：sy_lichanghe@163.com。