堅果剝殼機具的研究現狀與分析

呂小蓮，呂小榮，張孝瓊

(1.滁州學院電子信息工程系，安徽滁州 239000;

2.四川農業大學信息與工程技術學院，四川雅安 625014)

堅果剝殼機具的研究現狀與分析

呂小蓮1，呂小榮2，張孝瓊1

(1.滁州學院電子信息工程系，安徽滁州 239000;

2.四川農業大學信息與工程技術學院，四川雅安 625014)

剝殼一直是堅果進行深加工所面臨的一個首要的技術難題。對現有機械剝殼方法、剝殼原理及特點進行了介紹，系統闡述了我國堅果剝殼機具的研究現狀及影響剝殼機具工作性能的堅果力學特性的研究。分析了目前堅果剝殼設備存在的問題，并對其發展提出了建議，以便為帶殼物料的剝殼技術及剝殼設備的開發研究提供參考。

堅果，剝殼，現狀，力學特性，問題

堅果是農業物料的一種，主要是指具有堅硬或柔韌外殼的果實。人們食用的堅果通常有核桃、板栗、杏仁、蓮子、白果、松籽、夏威夷果、澳洲堅果、瓜子等。堅果營養豐富，且具有一定的藥用價值，深受人們的喜愛，其市場需求逐年大幅度增加。堅果的外層包裹著一層較硬的外殼，主要由木素、纖維素和半纖維素組成，外形不規則、堅硬，難以剝離，因此剝殼成為堅果開發與加工的重要環節，也是現代堅果類食品開發與深加工的質量保證措施之一。由于各種堅果外殼性質不同，采用的剝殼方法也各不相同，其中開發出的絕大部分剝殼設備是采用機械方式來實現的。下面將在現有機械剝殼方法、原理及特點介紹的基礎上，對堅果剝殼機具的研究現狀與存在的問題進行探討，為堅果剝殼機具的開發與研制提供參考。

1 堅果機械剝殼方式

機械剝殼法是通過機械施加外力，使果實外殼受力破裂，并采用機械方式來實現滾、搓、碾等動作，進而完成殼與仁的分離?，F有堅果機械剝殼方法分為以下幾類:撞擊法、擠壓法、碾搓法、撕搓法、刀片切割法等［1－3］。

撞擊法是通過離心力的作用，使高速運動的物料撞擊到固定擋板上，使其外殼受力產生變形與裂縫，當其離開固定擋板時，由于殼、仁具有的不同彈性變形，使殼破裂達到剝殼目的。這種方式脫殼適合于仁、殼間隙較大、結合力小，且外殼較脆的物料。采用這種方法剝殼時，當撞擊力過大，易使仁殼均被破碎，進而使其碎屑相互粘附，難以分離;撞擊力過小，則外殼不易破碎，無法實現剝殼。此外，由于剝殼物料的大小、形狀、輕重均有一定差異，使得撞擊力難以確定，因此，這種方法的剝殼率不高。

擠壓法剝殼是利用物料外殼的脆性，僅僅通過擠壓力來完成物料的破殼。典型設備是對輥式杏核脫殼機。通常采用一對直徑相同的圓柱輥，使其轉向相反，轉速相同，并將其間隙調整到適當大小，使籽粒通過間隙時受到輥的擠壓而破殼。剝殼時，籽粒在兩擠壓輥間被擠壓破殼時首先必須被夾持住，因此兩擠壓輥間的間隙大小是影響籽粒破碎率和脫殼率高低的重要因素。該種剝殼方法適合外殼較堅硬且殼、仁間隙較大的物料。但這種方法仁、殼及其碎屑相互粘附的現象較為嚴重。

碾搓法剝殼是通過碾壓和搓擦的方法完成對物料的剝殼。典型應用是物料籽粒在固定磨片和運動著的磨片間受到強烈的碾搓作用，使籽料的外殼被撕裂而實現脫殼。當籽粒經進料口進人定磨片和動磨片的間隙中，動磨片轉動的離心力使籽粒沿徑向向外運動，也使籽粒與定磨片間產生方向相反的摩擦力，同時，磨片上的牙齒不斷對外殼進行切裂，在摩擦力與剪切力的共同作用下使外殼產生裂紋直至破裂，并與籽仁脫離，達到脫殼的目的。影響剝殼效果的主要因素有:籽粒的水分含量、圓盤的直經、轉速高低、磨片之間工作間隙的大小、磨片上槽紋的形狀和籽粒的均勻度等。

撕搓法剝殼是利用相對轉動的橡膠輥筒對籽粒進行撕搓作用而進行脫殼的。進行撕搓的橡膠輥筒，分別以不同轉速相對轉動，輥面之間存在一定的線速差，由于橡膠輥具有一定的彈性，其摩擦系數較大，當籽粒進入膠輥工作區時，與兩輥面相接觸，當籽粒嚙入角小于其摩擦角時，便順利進入兩輥間，同時受到兩個不同方向的摩擦力的撕搓作用及兩輥面法向擠壓力的作用產生破裂，并在上述反向撕搓力的作用下完成脫殼過程。影響剝殼效果的主要因素有:軋輥的線速差、硬度、半徑、相互間間隙及軋入角等。

刀片切割法剝殼一般有兩種方式，一種是利用刀片在待破殼的籽粒表面劃痕來切割外殼，同時運用揉、搓等作用來完成剝殼;另一種是直接利用刀片切割開果殼，實現外殼與籽仁的分離。例如武漢工業學院研制開發的多聯輥刀式蓮子剝殼機［4］，殼蓮經分級后，分置于剝殼機各個不同的進料斗內，在同向轉動的螺桿和光輥組成的送料機構作用下，殼蓮按序排列著從機座上的出料孔中推出，蓮子一經排出就進入由雙托輥和螺旋輥刀構成的剝殼通道，雙托輥平行布置且同向轉動，輥面切制螺旋槽并滾花處理，蓮子由托輥摩擦帶動邊轉動邊前行，逐漸為輥刀所切割，螺旋輥刀既完成切割蓮殼，又帶動蓮子轉動翻滾并不斷向出料口移行，最終從出口排出已剝殼蓮子和蓮殼。該種方法由于工作面較小，易發生漏籽現象，重剝率較高。影響剝殼效果的主要因素有:籽粒含水率、轉輥轉速、切割間隙等。

2 堅果剝殼機具的研究現狀

國外早在20世紀60年代初，就著手研制堅果剝殼機具，至80年代初，美國、意大利、法國等已相繼推出了各種堅果剝殼機。經過數十年的發展，堅果剝殼機具已日趨成熟，目前正朝著機電一體化方向發展。我國堅果剝殼機具發展遠遠落后于種植業的發展，近幾年國內一些企業、科研院所在傳統剝殼機具的基礎上，積極研制和開發了各種類型剝殼機具，但其發展還是相當緩慢。

吉林農業大學田耘等依據松籽的結構特點，設計了松籽破殼機單粒定向喂入裝置和鉗夾式破殼部件，并對破殼部件進行了實驗研究，結果表明，影響鉗夾式破殼裝置工作性能的因素很多，除與松籽的物理特性有關外，直接影響性能的還有鉗夾的?？仔螤?、擠壓位移、擠壓速度和夾板傾角等參數，為剝殼機具的設計和技術參數的確定提供了依據［5］。

河北農業技術師范學院曹榮娟對杏核破殼機的主要部件擠壓輥進行了設計研究，分析了杏核在壓輥間的受力情況與導入條件，給出了擠壓輥之間間隙、直徑、長度的確定方法［6］。

中國農業大學楊德勇等針對目前杏核破殼機存在的問題，根據杏核的物理特性對杏核物理分級裝置和破殼裝置分別進行了實驗研究，確定了杏核破殼機的有關結構參數和運動參數［7］。

新疆農業大學史建新等介紹了核桃破殼機的結構特點，主要參數的確定，對核桃分級滾筒的運動參數、幾何參數以及擠壓破殼滾筒的參數進行了分析，最后給出了整機參數［8］。辛動軍在分析6PH－150型核桃破殼機的結構特點和缺陷的基礎上，對分級滾筒和導向裝置進行了改進設計，并對導向裝置進行了實驗，并給出了改進前后整機的對比參數［9］。

浙江大學鄭傳祥設計了一種實用的高效青蓮子剝殼機，利用高速刀具對蓮子外殼進行切割和擠壓使其剝殼，同時增加了剝殼切割的刀具數量，并對蓮子大小、蓮子切削時間、刀具的切削速度等參數之間的關系進行了分析與實驗［10］。

長江大學劉守祥等針對蓮子加工的現狀，設計了蓮子自動穿芯、剝殼機械，并對主要運動參數如輸送攪龍螺距、轉速，分度圓盤運動及轉速進行了分析［11］。

江南大學周一屆等進行了西瓜子破殼開口設備的研制，并通過西瓜子破殼開口的性能實驗，優選出合適的參數，為西瓜子開口設備的改進提供依據［12］。

3 堅果力學特性的研究現狀

堅果作為農業物料的一種，其力學性質的研究對于剝殼機具的開發研究十分重要。國內外對各種堅果的物理和力學特性等進行了大量研究，為堅果脫殼機具的設計研究提供了可靠的依據。

3.1 國外研究現狀

Makanjuola、Ramakrishna和Teotia對瓜子和南瓜子的力學特性進行研究［13］，得出含水率和加載位置對破殼力均有一定影響。Gilberto等研究了澳洲堅果在壓縮載荷下的機械特性［14］，在不同的加載方向下對力、變形量以及能量的不同進行了比較，同時找出不受含水率影響的加載位置。Aydin對杏核及仁的物理特性進行研究［15］，指出核及仁的破裂力都隨含水率的增加而減小，最大的破裂強度出現在X加載方向。KubilayVursavus和Farukozguven對杏核在壓縮載荷下的機械特性進行研究［16］，結果表明:沿X方向(長度方向)加載時需要的破殼力和產生的變形量最大，Y方向(寬度方向)的小于另外兩個方向;沿Z方向(厚度方向)加載時杏仁通常具有破裂趨勢。Vursavus和ozguven對松籽的物理特性及壓縮載荷下的破殼進行研究［17］，研究結果表明，沿垂直方向(寬度方向)加載時的破殼力、變形量和需要的能量較小;沿水平方向(長度方向)加載松仁的破損率較大，因此松籽破殼時沿垂直方向比水平方向破殼的效果好。Guner等比較了壓縮載荷下三種不同榛籽的力學特性［18］，得出含水率對榛籽的破裂力、變形量及破裂能量的大小影響顯著，且不同加載方向對以上因素也有不同的影響。

3.2 國內研究現狀

楊志良等對松籽的幾何、力學特性及剝殼方式進行了研究［19］，根據松籽破殼前受力及變形狀態，建立了松籽力學模型，通過分析確定了受力狀態下松籽外殼可能斷裂的方位。奕玉振和袁月明對松籽殼體的幾何特征和壓縮破殼進行了實驗研究［20］，結果表明，在同一含水率下對于不同部位的松籽沿同一軸向進行加載，松籽殼體破殼力差異很小，沿三個不同軸向加載破殼力差異卻非常顯著;破殼力在沿X向(長度方向)加載時最大，Y向(寬度方向)次之，Z向最小，但是沿Y向(厚度方向)殼仁間隙大、變形量小、整仁率高，這與K.Vursavus等人的研究結果一致。謝麗娟采用壓縮實驗對蓮子的機械特性進行了研究［21］，得出了蓮子破殼力與等級大小成線性正相關，加載速率與破殼力之間沒有明確的關系，其應力－應變曲線的斜率隨加載速率的增加而增大，而應變隨之減小，此外她還通過有限元軟件對三種不同情況下的蓮子破殼進行受力分析，確定了蓮子最佳施力位置和方式。楊雪銀在對板栗的壓縮力學特性進行研究的過程中也指出板栗大小是影響破殼力的顯著因素［22］。吳子岳對核桃殼的物理機械特性進行了研究［23］，將其簡化成各向同性的均勻厚度的薄球殼，利用薄殼理論進行內力和變形分析，結果表明，兩對法向集中力作用有利于殼的完全均勻破裂。史建新、趙海軍等利用有限元對核桃脫殼技術進行研究［24］，采用結構靜力分析的有限單元法，通過所建核桃的幾何模型和破殼的有限元模型，對核桃在幾種載荷作用下的應力分布規律進行了分析，找出了核桃殼變形量不大且產生局部裂紋點多、裂紋點易擴展的最佳的施力方式。王靈軍等用有限元法對銀杏脫殼進行受力分析［25］，建立了銀杏的幾何受力模型，通過有限元分析方法對銀杏在各種施力狀態分布進行分析，找出了最佳的施力方向與施力方式。董永利、周一屆等對西瓜子破殼載荷的影響因素進行研究，通過西瓜子擠壓破殼實驗，研究了西瓜子破殼開口過程中西瓜子寬度、含水率和加載速率對破殼力、壓縮變形量的影響，結果表明:加載位置應位于西瓜子最大寬度兩側，西瓜子的含水率是影響破殼載荷的顯著因素，適當增加可以減小破殼載荷并降低能耗［26］。張榮榮、李小昱等根據板栗的幾何尺寸和物理參數，用ANSYS軟件建立了板栗的有限元分析模型，對板栗在3種加載方式下的受力狀態進行了應力和應變分析，結果表明，在板栗YZ平面的Y方向和Z方向施加載荷的破殼效果優于在XZ平面的Z方向施加載荷的方式，但兩種方式都能達到破殼目的，只是最大應力和應變產生的位置和波及范圍不同［27］。

4 存在的問題

目前，我國盡管在剝殼機具的研究上做了大量的工作，也研制出了一些類型的堅果剝殼機具，但能夠真正用于生產且批量加工的不多，遠遠落后于種植業的發展，不能滿足產品深加工的生產需求，在技術上還存在如下問題:

剝殼率低、損失率高。大多數剝殼機漏剝或剝殼不完全，果仁的除雜率低，且破碎的果仁難以從碎殼回收，造成果仁損失率增大，這也是是堅果剝殼機難以推廣的主要原因。

籽粒的破仁率高。為了減少漏剝或剝殼不完全的問題，一些機具在提高剝殼率的同時卻使果仁的破碎率加大，從而降低了產品的市場價格。

通用性差，作業成本偏高?，F存的多數剝殼機具一般僅適用于某種堅果的剝殼作業，通用性較差，使機具的利用率低，且不能形成系列化制造，從而也加大了制造成本，致使加工堅果的作業成本增加。

機具性能不穩定，適應性差。同臺專用機具，當堅果品種、大小規格、外殼形狀和含水量等因素出現變化時，其剝殼性能會產生很大差異，進而使整體剝殼效果變差。此外，部分機具僅進行了樣機試制或少量試生產，在實際生產過程中作業性能、可靠性、壽命等還存在許多問題。

5 結束語

綜上可知，我國在堅果剝殼機具研制方面做了大量的研究，但還存在較多的問題，與實際生產和產品的產業化應用還存在一定的差距，要解決這些問題關鍵在于，必須對剝殼機的關鍵技術與工作部件進行深入研究，研究新的剝殼機理。筆者認為今后剝殼機具的發展還需考慮如下幾個方面:

在提高機具剝殼率的同時，降低破仁率及損失。在剝殼機具傳統結構的基礎上，優化結構設計;研究新的脫殼機理，在提高機具工作性能的同時，簡化其結構。

提高機具的通用性、穩定性及適應性。加強對物料剝殼機理共性的研究，研制通用性較強的柔性工作部件以適應物料物理性能變化引起的問題，或通過變換主要工作部件即能滿足不同堅果脫殼作業需要的脫殼機具，并注意機具的加工工藝性，降低制造成本。

自動化、系統化的發展。通過采用機電一體化的手段，提高機具工作部件的自動化程度，減少人為因素的干擾，提高作業精確性和速度，提高產品質量與生產率，同時設計研制的機具能夠一次性完成對物料分級、剝殼、除雜、分選等一系列加工過程，提高生產效率，降低加工作業成本，滿足企業的需求。

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Research and analysis of nuts shelling machines

LV Xiao－lian1，LV Xiao－rong2，ZHANG Xiao－qiong1
(1.Department of Electricity＆ Information，Chuzhou University，Chuzhou 239000，China;
2.College of Information ＆ Engineering，Sichuan Agricultural University，Yaan 625014，China)

Shelling has been facing a primary technical problem in the deep processing of nuts.Existing methods of mechanical shelling，shelling principle and characteristics were introduced，and research status of nut shelling machinery in China was systematically expounded，mechanical properties of the nuts were studied.Problems of current nuts shelling equipment were analyzed and recommendations were made for its improvement.It provided a reference for shelling technology of shell materials and development of shelling devices.

nuts;shelling;status;mechanical properties;problem

TS255.6

A

1002－0306(2011)08－0485－04

2010－08－02

呂小蓮(1974－)，女，博士，副教授，研究方向:農業裝備工程技術。

滁州學院科研啟動基金項目(2008D001)。