6HS-6型山核桃破殼機的實驗研究

朱德泉，曹成茂，*，方家文，江家伍，李 兵，丁正耀

（1.安徽農業大學工學院，安徽合肥230036；2.安徽省寧國市長樂林產品開發有限公司，安徽寧國242300）

6HS-6型山核桃破殼機的實驗研究

朱德泉1，曹成茂1，*，方家文2，江家伍1，李 兵1，丁正耀1

（1.安徽農業大學工學院，安徽合肥230036；2.安徽省寧國市長樂林產品開發有限公司，安徽寧國242300）

為了使山核桃易于手工剝殼和食用方便，設計了6HS-6型山核桃破殼機，對其破殼性能進行了實驗研究。通過單因素實驗，確定了山核桃主滾筒轉速、扭簧力和敲擊臂與主滾筒間隙的適宜工作參數范圍；通過3因素5水平二次回歸正交實驗，建立了各實驗指標與實驗因素間的回歸數學模型，并利用多目標非線性優化方法，確定了山核桃破殼機最佳工作參數。實驗結果表明：根據山核桃的大小和破殼前的含水率，選擇最佳的破殼機主滾筒轉速、扭簧力和敲擊臂與滾筒間隙，可以提高山核桃破殼機的破殼效率，保證山核桃破殼質量。

破殼機，實驗，工作參數，山核桃

山核桃（Carya cathayensis Sarg）是胡桃科（Juglandaceae）胡桃屬植物，又名小胡桃、核桃楸，集中產于安徽寧國、績溪、歙縣和浙江臨安、安吉、淳安等地［1-2］。山核桃仁中含有豐富的油脂、蛋白質和氨基酸以及大量的鎂、磷、鋅、銅、硒等礦物質元素［3-4］，具有較高的營養價值及調節血脂、預防冠心病、抑制腫瘤等藥用價值，還兼有保健、美容等功效［5-6］。由于山核桃結構復雜、果殼堅硬，食用時難以用手剝開，需借助于專用工具，食用非常不方便。手剝山核桃的問世備受消費者的青睞，但現有手剝山核桃的加工主要靠人工采用專用工具把山核桃的外殼敲裂而不碎，同時保證果仁不開裂或破碎，達到“手剝”要求。這種方法生產效率低，成本高，而且易造成果仁破碎，加工質量難以保證［7］。目前市場上出現的山核桃破殼機械，主要采用沖床工作原理，逐個進行沖壓破殼，在一定程度上降低了人工勞動強度。但由于沖壓力不能調節，機具適應性差，對山核桃分級要求高，效率較低，加工后的山核桃破碎率較高［8］。為了克服現有手剝山核桃加工落后的現象，設計了一種6HS-6型手剝山核桃破殼機，并對其進行了實驗研究。實驗結果表明，該機對山核桃分級要求不高，加工后的山核桃破殼率高，仁破碎率低，保證了破殼質量，而且破殼效率高，大大提升了手剝山核桃破殼機械化生產水平。

1 機具結構與工作原理

1.1 結構

手剝山核桃主要由喂入、破殼、排料和傳動等部分組成。喂入部分主要是料斗和喂入輥，為了提高喂料效果，在喂入輥表面開有溝槽。破殼部分由主滾筒、敲擊臂、壓桿滾筒組成，在主滾筒上有8行軸向半球形凹槽，每行有14個半球形凹槽，壓桿滾筒有10個壓桿；在敲擊臂上有扭簧。傳動部分由主動齒輪、皮帶輪、三角皮帶、從動齒輪、過橋齒輪等組成。6HS-6型山核桃破殼機結構如圖1所示。

圖1 6HS-6型山核桃破殼機結構示意圖

1.2 工作原理

電機動力經減速器減速，經一級帶傳動帶動壓臂滾筒旋轉；同時經過齒輪傳動帶動主滾筒旋轉，壓桿滾筒與主滾筒通過兩個過橋齒輪傳遞動力，傳動比為1∶1，以保證壓桿滾筒與主滾筒的轉速相同，轉向相反。山核桃在喂入輥作用下由加料斗進入主滾筒的半球形凹槽中，壓桿滾筒與主滾筒等角速度反向旋轉，壓桿滾筒上的壓桿與敲擊臂接觸后帶動敲擊臂轉過一定角度，同時壓縮敲擊臂扭簧，當壓桿與敲擊臂脫離接觸時，敲擊臂在敲擊臂扭簧回復力的作用下擊打半球形凹槽中的山核桃，改變敲擊臂扭簧的限位銷釘位置可調節敲擊臂扭簧的初始壓縮量，從而調節擊打力，也可以更換不同彈性系數的彈簧，適應不同含水率和大小山核桃破殼要求，保證加工后的山核桃有許多裂紋但又不破碎，便于手剝食用；加工后的山核桃由出料口滑出，為防止敲擊噪聲太大在敲擊臂頭部與山核桃接觸部分安裝了橡膠減振墊。為適應不同大小和含水率的山核桃破殼要求，可以增加或減少橡膠減振墊的厚度，改變敲擊臂頭部與山核桃接觸部分的間隙大小，從而調節打擊的慣性力，使山核桃殼破裂而仁不碎。

2 材料與方法

2.1 材料與儀器

山核桃 產自中國山核桃之鄉—安徽省寧國市南極鄉。

萬用電爐 浙江上虞市通州實驗儀器廠生產；TG725C型單盤分析天平 惠州市精匯電子科技有限公司生產，測量精度為±0.01g；HS881型電熱恒溫干燥箱 吳江精華烘箱電爐制造有限公司生產。

2.2 實驗方法

先將采摘下來的山核桃去除青莢，蒸煮后在干燥箱內80℃下預烘干5min，使外殼含水率降到初始含水率的70%，從而使山核桃外殼和果仁具有一定的彈性變形和塑性變形的差異，這樣在機械外力作用下殼更易破裂而仁不碎。選擇短徑方向尺寸為18.5±5.0mm，在長徑方向尺寸為21.5±5.0mm的山核桃進行破殼實驗。測得山核桃殼的平均厚度為1mm，山核桃梗的平均厚度為0.92mm，山核桃果殼和果仁之間的間隙平均值為0.2mm。破殼前的山核桃殼的平均含水率為 16.57%，仁的平均含水率為23.47%。

實驗通過破殼速度、扭簧力和敲擊臂與主滾筒間隙對山核桃破殼率、破碎率和合格率三個指標的影響，確定了山核桃破殼機主滾筒轉速、扭簧力以及敲擊臂與主滾筒間隙等工作參數。

2.3 破殼質量評價指標

破殼率：破殼山核桃質量占山核桃總質量之比。

破碎率：破碎山核桃質量占山核桃總質量之比。其中破碎山核桃是指施力過大，造成殼仁分離的山核桃。

合格率：破殼后符合手剝要求的山核桃質量占山核桃總質量之比。符合生產手剝要求的山核桃是指加工后不需借助于工具，能用手剝開殼，使殼仁能分離的山核桃。

3 結果與分析

3.1 單因素實驗

3.1.1 主滾筒轉速對破殼性能的影響 分別取主滾筒速度為3、9、15、21、27r/min五個因素水平，扭簧力為24N，敲擊臂與滾筒間隙為110mm，在每一速度下各取山核桃200粒進行破殼實驗。根據實驗的破殼率、破碎率和合格率情況，綜合評價破殼效果。主滾筒轉速對破殼性能的影響如表1所示。

表1 主滾筒轉速對破殼性能的影響

從表1可知，主滾筒轉速越小，破殼率和破碎率越大，但主滾筒轉速過小，會導致破碎率明顯增加，從而影響產品總體質量。可能是主滾筒轉速越小，敲擊臂作用于山核桃的時間越長的緣故。所以主滾筒轉速在9r/min與15r/min之間為宜。

3.1.2 扭簧力對山核桃破殼效果的影響 分別取扭簧力為12、18、24、30、36N五個因素水平，主滾筒速度為15r/min，敲擊臂與滾筒間隙為110mm，在每一速度下各取山核桃200粒進行破殼實驗。根據實驗的破殼率、破碎率和合格率，綜合評價破殼效果。扭簧力對破殼性能的影響如表2所示。

表2 扭簧力對破殼性能的影響

從表2可知，扭簧力越大，破殼率和破碎率越大，但扭簧力過大，會導致破碎率明顯增加，產品合格率下降，主要是因為扭簧力越大，破殼力越大。在恰當的扭簧力作用下，使殼變形達到破裂而仁不碎。所以扭簧力在24N與30N之間為宜。

3.1.3 敲擊臂與主滾筒間隙對山核桃破殼效果的影響 根據經驗分別取敲擊臂與主滾筒間隙為50、80、110、140、170mm五個因素水平，主滾筒速度為15r/min，扭簧力為24N，在每一速度下各取山核桃200粒進行破殼實驗。根據實驗的破殼率、破碎率和合格率進行綜合評價。間隙對破殼性能的影響如表3所示。

從表3可知，敲擊臂與主滾筒間隙越大，破殼率和破碎率越大，但敲擊臂與主滾筒間隙過大，會導致破碎率明顯增加，合格率下降。主要原因是間隙越大，敲擊臂慣性力越大，使接觸山核桃時的敲擊臂速度越大，從而作用于山核桃上的破殼力越大。因此，敲擊臂與主滾筒間隙在80mm與110mm之間為宜。

表3 間隙對破殼性能的影響

3.2 二次回歸正交實驗結果與分析

根據上述單因素實驗以及分析結果，選取主滾筒轉速（X1）、扭簧力（X2）和敲擊臂與主滾筒間隙（X3）為實驗因素，以破殼率（Y1）、破碎率（Y2）和合格率（Y3）為指標，進行3因素3指標二次回歸正交實驗，分析各指標與各個因素之間的量化關系，建立數學模型。將各因素按其水平及取值范圍進行編碼，得其因素水平表，如表4所示。二次回歸正交實驗結果如表5所示，實驗重復三次，取各處理的平均值。

表4 正交實驗因素水平表

根據3因素5水平正交實驗結果，利用統計軟件求解出回歸數學模型，剔除一些不顯著項，得出如下回歸方程。

利用計算機對各指標與因素間的回歸數學模型的擬合情況進行分析，得到方差分析結果，通過F檢驗得出各指標回歸方程在各自的因素水平上是顯著或極顯著的，實驗數據與回歸數學模型擬合性比較好。F檢驗結果如表6所示。

表5 二次回歸正交實驗結果

通過對3指標回歸系數進行檢驗，得出影響破殼率主次順序為扭簧力（極顯著）、敲擊臂與主滾筒間隙（極顯著）和主滾筒轉速（顯著）；影響破碎率主次順序為敲擊臂與主滾筒間隙（極顯著）、扭簧力（極顯著）和主滾筒轉速（顯著）；影響合格率主次順序為扭簧力（極顯著）、敲擊臂與主滾筒間隙（極顯著）和主滾筒轉速（顯著）。

表6 F檢驗結果

3.3 工作參數的優化與分析

為了得到破殼機的最優工作參數，利用多目標非線性優化方法，編制計算機優化程序進行計算，對所得的回歸模型進行優化分析。

3.3.1 目標函數的確定 破殼率、破碎率和合格率在各自對應的約束條件下應達到最大值，能耗應達到最小值，即滿足MaxY1，MaxY2和MaxY3，為多目標決策問題。

3.3.2 約束條件 破殼率、破碎率和合格率的值均應大于或等于零，且小于或等于100%，其對應的實驗因素編碼值限制在實驗設計范圍內取值。

3.3.3 優化結果及分析 根據已建立的回歸數學模型，利用多目標決策理論及非線性優化方法，采用計算機規劃求解分析方法，對模型優化求解。優化結果如表7。

由表7得，在較低的主滾筒轉速、較大的扭簧力和敲擊臂與主滾筒間隙的條件下，山核桃破殼率最高，達到98.4%；在較高的主滾筒轉速、較小的扭簧力和敲擊臂與滾筒間隙的條件下，山核桃破碎率最低，達到1.7%；而獲得較高的山核桃產品合格率則需適當的工作參數，即在主滾筒轉速為10r/min、扭簧力為29N、敲擊臂與滾筒間隙為105mm時，產品合格率最高，達95.8%。

表7 優化結果

3.3.4 綜合優化分析 本實驗屬于多指標正交實驗，為便于分析采用加權評分法將指標化為綜合加權計算指標。利用公式Y=λ1Y1+λ2Y2+λ3Y3計算綜合加權評分值。根據山核桃產品加工要求，優先保證產品質量，其次考慮加工效率，取Y1、Y2和Y3的加權值λ1、λ2和λ3分別為0.20、0.40和0.40，對上述優化計算結果進行綜合優化，得綜合優化結果為：主滾筒轉速為9r/min、扭簧力為25N、敲擊臂與主滾筒間隙為95mm時得到3個目標函數綜合最優值。經實驗驗證，山核桃的破殼率為98%、破碎率為2%、產品合格率為95%，綜合評分為0.865。

4 結論

4.1 通過單因素實驗與分析，確定了山核桃破殼機主滾筒轉速、扭簧力和敲擊臂與主滾筒間隙的適宜的工作參數范圍。

4.2 經過3因素5水平二次回歸正交實驗與分析，確定主滾筒轉速、扭簧力和敲擊臂與主滾筒間隙對破殼率、破碎率和合格率有明顯影響，而且不同因素對不同指標的影響程度不同。

4.3 破殼前果殼和果仁含水率不同，破殼機工作參數不同。利用多目標非線性優化方法，對破殼機工作參數進行綜合優化，得到短徑方向尺寸為18.5± 5.0mm、長徑方向尺寸為21.5±5.0mm的山核桃，破殼前果殼的平均含水率為16.57%，果仁的平均含水率為23.47%時，其破殼最優工作參數為主滾筒轉速為9r/min、扭簧力為 25N、敲擊臂與滾筒間隙為95mm。

4.4 6HS-6型山核桃破殼機對山核桃分級要求不高，適應性強，破殼效率高，果仁破碎率低，破殼效果好，提高了手剝山核桃加工機械化水平，已通過農業機械產品和省級科技成果鑒定，并在皖南和浙西北地區山核桃加工企業推廣應用。

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Experimental research on 6HS-6 type walnut shell cracking equipment

ZHU De-quan1，CAO Cheng-mao1，*，FANG Jia-wen2，JIANG Jia-wu1，LI Bing1，DING Zheng-yao1
（1.College of Engineering，Anhui Agricultural University，Hefei 230036，China；2.Ningguo Langlelin Product Development Limited Company of Anhui，Ningguo 242300，China）

6HS-6 type walnut shell cracking equipment was designed to improve shell rind and eating convenience of walnut.lts shell cracking experiment was conducted.Through the single factor experiment，the proper working ranges of rotating velocity of roller，spring force and clearance between acting arm and roller were set up.By using the twice regression orthogonal experimental method with three factors and five levels，the regression mathematical models about experimental indices and factors were established.At last，the optimal combination of the parameters for walnut shell cracking was obtained through nonlinear optimization method with many targets.Experimental results showed that according to dimensions and water content of walnuts，optimal rotating velocity of roller，spring force and distance between acting arm and roller were selected to improve the shell cracking productivity and the quality of processed walnut.

shell cracking equipment；experiment；working parameter；walnut

TS255.6

A

1002-0306（2010）11-0304-04

2009-10-09 *通訊聯系人

朱德泉（1969-），男，博士生，副教授，研究方向：農業機械化工程。

安徽省高等學校省級自然科學研究重點項目（KJ2010D254ZD）。