山核桃破殼機(jī)加載錘頭設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

曹成茂 蔣 蘭 吳崇友 李 正 汪天宇 丁 冉

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥 230036； 2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

山核桃破殼機(jī)加載錘頭設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

曹成茂1蔣 蘭1吳崇友2李 正1汪天宇1丁 冉1

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥 230036； 2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

針對現(xiàn)有的山核桃破殼機(jī)多采用點(diǎn)、線等單一的加載接觸形式進(jìn)行破殼，使得工作過程中山核桃受力大小分布不均，從而導(dǎo)致低破殼率、高果仁損傷率的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了多種不同加載接觸形式的錘頭類型，以山核桃破殼后破殼率、果仁損傷率、露仁率、裂紋分布為評價(jià)指標(biāo)，通過試驗(yàn)探究了不同加載接觸形式下的破殼效果。通過有限元分析探究了不同窩眼個(gè)數(shù)的錘頭對破殼過程中裂紋分布和擴(kuò)展的影響，并以錘頭結(jié)構(gòu)參數(shù)和加載方向?yàn)樵囼?yàn)因素進(jìn)行了正交試驗(yàn)，確定了最佳錘頭結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。試驗(yàn)結(jié)果表明，凹槽式錘頭結(jié)構(gòu)能夠降低加載方向因素對破殼效果影響的顯著性；凹槽中附加的窩眼能夠使破殼后的果殼產(chǎn)生大量局部裂紋點(diǎn)，并沿窩眼棱線擴(kuò)展產(chǎn)生裂紋，具有裂紋引導(dǎo)作用；窩眼個(gè)數(shù)增加，山核桃破殼后的裂紋數(shù)增加且裂紋分布均勻、范圍廣，有效提高了山核桃的破殼質(zhì)量；當(dāng)凹槽直徑為28 mm，窩眼個(gè)數(shù)為7時(shí)，破殼效果最理想，破殼率、一露仁率、二露仁率、果仁損傷率的均值分別為98.88%、37.05%、57.24%、5.71%。

山核桃； 破殼； 加載錘頭； 窩眼凹槽式； 裂紋引導(dǎo)

引言

山核桃屬胡桃科山核桃屬[1-3]。由于其極高的營養(yǎng)價(jià)值和獨(dú)特的口感風(fēng)味，得到了消費(fèi)者的認(rèn)可，隨著需求量的增大，山核桃破殼取仁作為深加工的首要工序變得十分重要[4-5]。但由于其果殼硬而厚，形狀不規(guī)則，內(nèi)有多個(gè)分隔，殼仁間隙小，使得破殼過程十分困難[6]。

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對堅(jiān)果破殼機(jī)理做了大量的研究[7-10]。學(xué)者更多的是對破殼方式、破殼原理進(jìn)行設(shè)計(jì)與改進(jìn)，而忽視了對每種破殼方式中破殼機(jī)構(gòu)與堅(jiān)果的加載接觸形式進(jìn)行研究。目前，無論是對堅(jiān)果破殼機(jī)理、方式或破殼機(jī)具的研究與設(shè)計(jì)，堅(jiān)果受載的接觸形式多為單一的點(diǎn)、線加載，當(dāng)受力超過果殼的破殼極限時(shí)，外殼破碎。然而，單一的受載接觸形式都存在果殼受力不均勻、波及范圍小、裂紋擴(kuò)展效果差的問題，局部相對集中的破殼載荷極易引起內(nèi)部果仁的嚴(yán)重受損，從而引起低破殼率、高果仁損傷率。在施加集中載荷破殼的研究中，不同加載方向?qū)ζ茪ばЧ酗@著的影響[11]，而在實(shí)際加工過程中，對山核桃破殼機(jī)導(dǎo)向裝置的設(shè)計(jì)成為研究難點(diǎn)。

針對現(xiàn)有山核桃破殼機(jī)械研究中存在的問題，本文根據(jù)擊打原理設(shè)計(jì)落錘式堅(jiān)果破殼力學(xué)特性參數(shù)測試試驗(yàn)臺(tái)，利用該試驗(yàn)臺(tái)以錘頭類型與加載方向?yàn)樵囼?yàn)因素進(jìn)行破殼試驗(yàn)，以破殼后山核桃的破殼率、果仁損傷率、露仁率、裂紋分布為評價(jià)指標(biāo)，對不同錘頭結(jié)構(gòu)作用下的接觸形式進(jìn)行分析，找出最適合破殼的接觸形式。通過有限元分析探究不同錘頭窩眼個(gè)數(shù)對破殼過程中裂紋的分布和擴(kuò)展的影響，以錘頭結(jié)構(gòu)參數(shù)和加載方向?yàn)樵囼?yàn)因素設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，確定最佳錘頭結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，為山核桃破殼機(jī)具的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供系統(tǒng)的理論依據(jù)和應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)與原理

堅(jiān)果破殼力學(xué)特性參數(shù)的測定對堅(jiān)果破殼取仁裝置的研制具有理論指導(dǎo)意義[12]。設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)具有較高的自動(dòng)化水平，以自主搭建的落錘試驗(yàn)臺(tái)為載體，以LabVIEW為軟件平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)檢測與控制過程，所搭建的高速攝像機(jī)平臺(tái)可記錄下試品破殼產(chǎn)生裂紋的全過程，其結(jié)構(gòu)如圖1a所示。

圖1 落錘式堅(jiān)果破殼力學(xué)特性參數(shù)測試試驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Test platform for mechanical characteristic of drop-hammer nut breaking1.底座 2.龍門支架 3.下限位開關(guān) 4.錘身連接板 5.滾珠絲杠模塊 6.上限位開關(guān) 7.滑動(dòng)導(dǎo)桿 8.步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 9.上蓋板 10.滑塊 11.下蓋板 12.紅外測距傳感器 13.錘頭 14.錘身 15.限位螺栓 16.提錘架橫梁 17.提錘架豎板 18.轉(zhuǎn)向角件 19.電磁吸盤 20.傳感器底盤工裝 21.果臼槽 22.沖擊力傳感器

落錘試驗(yàn)臺(tái)主要由龍門架、滑動(dòng)模塊、提錘架、沖擊錘、沖擊座與防二次沖擊裝置等部分組成。如圖1b所示，其工作原理為：當(dāng)沖擊錘從某一沖擊高度落下時(shí)，重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，可實(shí)現(xiàn)一定的沖擊速度對試驗(yàn)樣品的動(dòng)態(tài)加載[13]。試驗(yàn)時(shí)，通過步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)提錘架將沖擊錘提高至設(shè)定的沖擊高度，利用軟件程序控制電磁鐵斷電失磁將沖擊錘釋放。為保持沖擊錘底面的加載位置不變，用滑動(dòng)導(dǎo)桿加以導(dǎo)向。錘頭與錘身通過螺紋副連接固定，方便更換。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 材料與設(shè)備

選用產(chǎn)于安徽省皖南山區(qū)天目山脈的寧國山核桃，采摘時(shí)間為2016年9月初。詳細(xì)試驗(yàn)設(shè)備包括：落錘式堅(jiān)果破殼力學(xué)特性參數(shù)測試試驗(yàn)臺(tái)，電子天平(MP502型，上海民橋緊密科學(xué)儀器有限公司)，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9243S-Ⅲ型，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司)，游標(biāo)卡尺(武漢信斯特精密儀器有限公司)等。

2.2 試驗(yàn)指標(biāo)

從山核桃破殼率、果仁損傷率、露仁率3方面分析破殼效果和破殼質(zhì)量。對破殼后的山核桃進(jìn)行分類，將所有已破殼山核桃的果仁人工進(jìn)行殼仁剝離并收集稱量測算。如圖2所示，把大于整仁1/2的記作“一露仁”，小于整仁1/2且大于1/4的記作“二露仁”，小于整仁1/4的記作“碎仁”。按照實(shí)際加工要求，一個(gè)整核桃仁有4瓣，在生產(chǎn)時(shí)以每一瓣為最小加工單位，即一露仁與二露仁均符合加工要求，歸類為果仁不損傷，碎仁歸類為果仁損傷。試驗(yàn)指標(biāo)為一露仁率η1、二露仁率η2、碎仁率η3，將破殼率記為η4，果仁損傷率即為碎仁率η3[14-15]，計(jì)算式為

(1)

式中S0——果仁總質(zhì)量，g

S1——“一露仁”總質(zhì)量，g

S2——“二露仁”總質(zhì)量，g

S3——“碎仁”總質(zhì)量，g

M1——未破殼山核桃質(zhì)量，g

M0——每組試驗(yàn)樣本總質(zhì)量，g

圖2 山核桃仁試驗(yàn)指標(biāo)Fig.2 Grades index of pecan nut

2.3 初始條件設(shè)定

試驗(yàn)均采用落錘沖擊破殼方式。如圖3所示，山核桃按照長軸、短軸、縫合線分別記為X、Y、Z3個(gè)加載方向[16]。山核桃圓度系數(shù)為0.952，圓度較高，選取山核桃直徑為(20±2)mm[17]。

圖3 破殼加載方向Fig.3 Loading direction of shell breaking

前期試驗(yàn)中分析了不同含水率、破殼能量的破殼效果，得出了含水率達(dá)到14.55%～16.35%時(shí)，所需的破殼能量集中在0.7～1.1 J，山核桃有較好的綜合破殼質(zhì)量。含水率的測定采用烘干法[18-19]，計(jì)算公式為

W=(M-m0)/M×100%

(2)

式中W——含水率，%

M——干燥前總質(zhì)量，g

m0——山核桃絕干物質(zhì)量，g

忽略外界阻力等因素的影響，整個(gè)破殼過程滿足能量守恒定律，能量轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(3)

式中m——沖擊錘質(zhì)量，kg

H——破殼高度，m

const——破殼能量常數(shù)，取0.9 J

v——破殼臨界速度，m/s

沖擊錘質(zhì)量為0.375 kg，由此得出敲擊錘破殼高度H=0.24 m。

3 錘頭類型與加載方向的破殼試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

擊打式破殼方式中，錘頭與山核桃的接觸形式對山核桃破殼效果有直接影響。設(shè)計(jì)擊打式破殼方式中的錘頭結(jié)構(gòu)，對提高山核桃破殼率，降低果仁損傷率，削弱加載方向?qū)ζ茪ばЧ挠绊懹兄种匾淖饔谩㈠N頭類型和加載方向作為2個(gè)因素。錘頭類型分為平頭式、凹槽式、內(nèi)附窩眼凹槽式3個(gè)水平，控制錘頭質(zhì)量為(0.375±0.01) kg，果臼槽與錘頭一一對應(yīng)，如圖4所示，內(nèi)附窩眼凹槽式錘頭的結(jié)構(gòu)形式為在圓弧凹槽面上均勻分布7個(gè)窩眼并充滿整個(gè)凹槽，凹槽直徑28 mm、凹槽深度6 mm，中心和環(huán)布窩眼直徑分別為8.4、12 mm。加載方向分為長軸、短軸、縫合線方向3個(gè)水平。共計(jì)9組試驗(yàn)，每組取50個(gè)山核桃進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。

圖4 錘頭結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Diagrams of hammerhead structure

3.2 結(jié)果與分析

經(jīng)過對試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析和比較，得出3種錘頭類型和加載方向?qū)ζ茪ぢ省⒐蕮p傷率以及露仁率的綜合影響情況，如圖5、6所示。

從圖5可以看出，平頭錘頭表現(xiàn)為傳統(tǒng)的點(diǎn)加載，山核桃在各方向都具有最高的破殼率，但其果仁損傷率同樣很高，在Z加載方向上達(dá)到14.58%。破殼過程果仁破碎嚴(yán)重，裂紋在接觸部位局部產(chǎn)生；凹槽式錘頭和內(nèi)附窩眼凹槽式錘頭均具有較低的果仁損傷率，介于5%～7%之間。但凹槽式錘頭破殼率最低，包裹式的破殼接觸形式很大程度不能滿足山核桃破殼的臨界應(yīng)力，破殼過程中產(chǎn)生大量未破殼樣本，破殼效果不能滿足實(shí)際生產(chǎn)要求；內(nèi)附窩眼凹槽式錘頭結(jié)構(gòu)兼具較高的破殼率和較低的果仁損傷率。

圖5 不同錘頭類型和加載方向下的破殼效果Fig.5 Effects of shell breaking under different hammerhead types and loading directions

圖6 不同錘頭類型和加載方向的露仁率Fig.6 Exposure nut rate under different hammerhead types and loading directions

從圖6可以看出：平頭錘頭加載時(shí)，集中載荷作用下接觸部位的果仁破碎情況嚴(yán)重，故一露仁率較低，分別為26.53%、24.29%、21.44%，果仁集中在“二露仁”且碎仁率較高，破殼質(zhì)量差。內(nèi)附窩眼凹槽式錘頭破殼的山核桃果殼裂而果仁不碎，在3個(gè)加載方向上均有最高的一露仁率，分別為36.71%、36.89%和37.54%，破殼質(zhì)量最好。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，平頭錘頭在X方向加載的果仁損傷率為8.75%，而Z方向加載達(dá)到了14.58%，說明采用平頭結(jié)構(gòu)破殼，加載方向因素對其破殼效果具有顯著影響。凹槽式與內(nèi)附窩眼凹槽式結(jié)構(gòu)在X、Y、Z3個(gè)方向上所得的破殼率、果仁損傷率結(jié)果相近，由此可以預(yù)測采用凹槽包裹式破殼類型一定程度上削弱了加載方向因素的影響，且在凹槽式錘頭中內(nèi)附帶窩眼對破殼效果起重要作用。

3.3 裂紋分布

破殼后山核桃表面的裂紋分布情況是破殼質(zhì)量的重要參考指標(biāo)。如圖7所示，采用平頭錘頭加載，接觸部位的果殼產(chǎn)生大量裂紋并小幅度下凹，裂紋分布不具有方向性，使得受載后的山核桃呈扁平狀，果仁被擠壓破碎，在短軸和縫合線方向表現(xiàn)最為明顯；凹槽式錘頭破殼后的山核桃表面裂紋較少，對后期的殼仁分離難度較大，破殼質(zhì)量較差；內(nèi)附窩眼凹槽式錘頭結(jié)構(gòu)，3個(gè)方向上破殼的山核桃表面裂紋基本呈頂部和底部對稱分布，波及范圍廣，分布均勻，具有明顯的方向性。果殼裂而果仁不碎，果殼碎片易剝離，破殼質(zhì)量最好。

4 山核桃破殼動(dòng)力學(xué)仿真

4.1 山核桃破殼力學(xué)理論分析

4.1.1失穩(wěn)破殼臨界條件

由彈性力學(xué)可知，山核桃殼承受外界載荷時(shí)，當(dāng)載荷增大到某個(gè)值，殼體會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破殼[20]。該臨界壓力為

(4)

式中p——臨界壓力，MPa

E——彈性模量，MPaν——泊松比

δ——山核桃殼厚度，mm

r——山核桃半徑，mm

山核桃近似球體，r=10.75 mm，頂端、底端、縫合線3個(gè)位置殼厚δ為 2.78、2.29、2.03 mm[17]。根據(jù)試驗(yàn)測定,山核桃殼的彈性模量E=10 MPa,ν=0.3[10]。將上述參數(shù)代入式(4) 中，得3個(gè)部位的臨界壓力，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同位置處的失穩(wěn)臨界壓力Tab.1 Instability critical pressure at different locations

4.1.2裂紋擴(kuò)展臨界條件

山核桃破殼時(shí)，受載的外殼表面由裂紋點(diǎn)擴(kuò)展產(chǎn)生裂紋。裂紋按其受力特點(diǎn)和位移特點(diǎn)，可抽象化為3種基本類型：Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型。如圖8所示，Ⅰ型為張開型，Ⅱ型為滑移型，Ⅲ型為撕裂型。山核桃破殼后，裂紋擴(kuò)展形式主要表現(xiàn)為張開、撕裂型[21]。

圖8 裂紋類型Fig.8 Crack styles

國外學(xué)者研究得出[22]：在外力作用下，裂紋附近產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，裂紋就會(huì)發(fā)生擴(kuò)展。裂紋長度與臨界應(yīng)力之間的關(guān)系為

(5)

式中γ——單位面積的表面能，kJ/m2

C——裂紋長度，mm

類比木料，單位面積表面能γ=0.12 kJ/m2[23]，山核桃裂紋點(diǎn)產(chǎn)生時(shí)取其裂紋長度平均值為2 mm。將已知參數(shù)代入式(5)，求得裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力為σc=0.648 MPa。即山核桃外殼發(fā)生破殼后，外殼附加應(yīng)力超過0.648 MPa才可使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。

4.2 山核桃有限元分析

4.2.1山核桃有限元模型的建立

基于有限元軟件Abaqus對山核桃進(jìn)行有限元分析，將山核桃(殼，仁)、錘頭、果臼槽實(shí)體三維模型導(dǎo)入到Abaqus軟件環(huán)境中，為方便計(jì)算，果殼頂端厚度取2.8 mm,其余部位取2.3 mm。山核桃殼和果仁纖維化不明顯，因此將二者的材質(zhì)近似假定為各項(xiàng)同性材料[24-27]。對于含水率為14.55%～16.35%的山核桃果殼，果殼表現(xiàn)為脆性材料，因此破壞準(zhǔn)則采用脆性斷裂破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則。山核桃殼、果仁密度為470 kg/mm3，類比木材，泊松比取0.3,果殼彈性模量為10 MPa，果仁彈性模量近似為果殼的1/10,取1.1 MPa[10]。

4.2.2山核桃有限元結(jié)果分析

上述破殼試驗(yàn)表明，窩眼個(gè)數(shù)對果殼表面裂紋的產(chǎn)生有顯著的影響，為此選擇4種窩眼個(gè)數(shù)，作為山核桃受力有限元分析的主要分析條件。以長軸方向進(jìn)行加載，對比4種條件下山核桃破殼時(shí)的應(yīng)力分布情況，結(jié)合山核桃果殼臨界失穩(wěn)條件與裂紋擴(kuò)展條件，探究內(nèi)附窩眼凹槽式錘頭結(jié)構(gòu)對破殼后山核桃果殼的裂紋分布和擴(kuò)展規(guī)律。通過Abaqus軟件對山核桃三維殼體模型的應(yīng)力分析可以看出：

(1)如圖9a、9b，一窩眼的錘頭結(jié)構(gòu)在沿長軸方向加載時(shí)，果殼在頂部和底部的應(yīng)力均呈環(huán)形分布，由中心向四周擴(kuò)散并逐漸減小，沒有明確的方向性，可以預(yù)測接觸部位只能導(dǎo)致果殼的局部裂開，裂紋較少，故不利于殼仁分離。

圖9 不同窩眼個(gè)數(shù)的錘頭加載下山核桃的等效應(yīng)力分布Fig.9 Equivalent stress distributions of pecan produced by hammerhead with different number of sockets

(2)如圖9c、9d，三窩眼的錘頭結(jié)構(gòu)在頂部和底部的應(yīng)力分布情況差別較大，山核桃頂部產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這樣會(huì)導(dǎo)致山核桃在果尖處發(fā)生畸變，壓碎果仁，這是由于果尖部分的特殊形狀所造成，果殼頂部只有局部破裂，果仁損傷率較大。但果殼底部出現(xiàn)“人”字形應(yīng)力分布情況，這是由于窩眼邊線直接與果殼接觸，使果殼沿接觸部位受載產(chǎn)生應(yīng)力?？梢灶A(yù)測裂紋會(huì)沿接觸部位產(chǎn)生并擴(kuò)展，接觸部位對裂紋的擴(kuò)展具有一定的引導(dǎo)作用。

(3)如圖9e、9f，五窩眼錘頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行破殼，果殼所受應(yīng)力波及整個(gè)表面，頂部和底部的應(yīng)力對稱分布且出現(xiàn)明顯的方向性。以頂部方向來看，應(yīng)力環(huán)形分布，并有部分應(yīng)力由環(huán)形向四周延展，分布范圍較廣。環(huán)形分布區(qū)域應(yīng)力在2.19 MPa左右,滿足果殼失穩(wěn)破殼的臨界應(yīng)力值(1.103 MPa)，延展區(qū)域應(yīng)力在0.74 MPa左右，大于裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力(0.648 MPa)。可以預(yù)測在此加載情況下，山核桃的破殼形式為沿窩眼棱邊產(chǎn)生的線加載破裂。山核桃殼體首先在環(huán)形應(yīng)力分布區(qū)域產(chǎn)生較多的局部裂紋點(diǎn)，錘頭進(jìn)一步加載，更多棱邊與果殼接觸，裂紋由裂紋點(diǎn)沿窩眼棱邊方向進(jìn)一步擴(kuò)展產(chǎn)生較多裂紋，此時(shí)山核桃破殼質(zhì)量顯著提高。

(4)如圖9g、9h，七窩眼與五窩眼錘頭結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的山核桃果殼應(yīng)力分布結(jié)果相近，應(yīng)力均為環(huán)形分布，主要區(qū)別表現(xiàn)在向四周延展的部分應(yīng)力分布情況，此處也是裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的關(guān)鍵。窩眼個(gè)數(shù)的增加使得窩眼可布滿整個(gè)凹槽，棱線分布更加密集，棱線之間間距較小，在這種分布情況下的線加載能夠有效的實(shí)現(xiàn)裂紋引導(dǎo)作用。七窩眼破殼的山核桃，果殼的延展應(yīng)力分布均勻且更為密集，延展應(yīng)力平均值能夠達(dá)到裂紋擴(kuò)展條件，可以預(yù)測在此情況下能夠得到更好的破殼質(zhì)量。

5 錘頭結(jié)構(gòu)參數(shù)與加載方向的破殼試驗(yàn)

以內(nèi)附窩眼錘頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)和加載方向?yàn)橐蛩剡M(jìn)行正交試驗(yàn),確定最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合,并驗(yàn)證采用凹槽式結(jié)構(gòu)進(jìn)行破殼可以減少加載方向因素對破殼效果的影響。

5.1 錘頭結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

圖10 錘頭結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.10 Parameters of hammerhead structure

如圖10所示，錘頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)由凹槽直徑Da、凹槽深度h以及窩眼個(gè)數(shù)決定。通過前期的試驗(yàn)成果已知，在沖擊加載條件下，山核桃的破殼形變約為5.8 mm，即山核桃在豎直方向上的形變程度超過5.8 mm時(shí)，果殼會(huì)發(fā)生破裂。試驗(yàn)選取山核桃直徑為(20±2) mm，故在山核桃最小直徑Dmin=18 mm時(shí)，保證大于5.8 mm的變形量，為了獲得較好的破殼效果，需在果臼槽與錘頭間留出足夠的距離，即2h≤Dmin-5.8=12.2 mm，故取h=6 mm。截面直徑l應(yīng)大于山核桃最大直徑22 mm。由公式(Da/2)2=(l/2)2+(Da/2-h)2得，Da≥27 mm。隨著凹槽直徑增加，凹槽曲率減小，且錘身尺寸也需相應(yīng)增大，故取Da上限為30 mm。

窩眼均勻分布于凹槽內(nèi)表面，為保證窩眼空間環(huán)狀分布的均勻性以及窩眼棱邊之間距離的緊湊性，在凹槽尺寸一定的情況下，當(dāng)窩眼數(shù)量大于7時(shí)，中心窩眼尺寸與環(huán)布窩眼尺寸差距較大，且單個(gè)窩眼的直徑小于6 mm，機(jī)械加工難度大，故而，在本次試驗(yàn)中，窩眼數(shù)的上限取為7。如圖11所示，選取試驗(yàn)組的窩眼個(gè)數(shù)為1、3、5、7，窩眼數(shù)量及尺寸如表2所示。

圖11 不同窩眼個(gè)數(shù)的錘頭Fig.11 Hammerheads with different number of sockets

表2 窩眼尺寸參數(shù)Tab.2 Parameters of sockets dimension

選取凹槽直徑、窩眼個(gè)數(shù)和加載方向3因素設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，具體試驗(yàn)因素水平見表3。

表3 試驗(yàn)因素水平Tab.3 Factors and levels of orthogonal test

5.2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

以A、B、C分別表示凹槽直徑、窩眼個(gè)數(shù)、加載方向水平值，y1、y2、y3、y4分別表示破殼率、一露仁率、二露仁率、果仁損傷率，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表4所示。

表5為3個(gè)試驗(yàn)因素在不同水平組合下的破殼正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析。由表可得：破殼率、一露仁率、果仁損傷率的極差主次排列均為RB、RA、RC，各因素從主到次的順序?yàn)?B、A、C，即窩眼個(gè)數(shù)對指標(biāo)的影響最大，其次為凹槽直徑，加載方向?qū)ζ溆绊懽钚?。ki的大小反映了不同因素水平對相應(yīng)指標(biāo)的影響。其中，破殼率越大越好，一露仁率越大越好，果仁損傷率越小越好。因此，通過分析可得，破殼率指標(biāo)下的最優(yōu)錘頭結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為A4B4，一露仁率指標(biāo)下的最優(yōu)參數(shù)組合為A2B4，果仁損傷率指標(biāo)下的最優(yōu)參數(shù)組合為A2B4。本試驗(yàn)基于低損傷為目標(biāo)，綜合各性能指標(biāo)，選取最優(yōu)參數(shù)組合為

表4 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Experimental plan and results

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析Tab.5 Range analysis of orthogonal experimental results

A2B4，即當(dāng)凹槽直徑為28 mm，窩眼個(gè)數(shù)為7時(shí)，達(dá)到了最優(yōu)水平，破殼效果最好。在此結(jié)構(gòu)參數(shù)下進(jìn)行3個(gè)加載方向的破殼試驗(yàn)，破殼率、一露仁率、二露仁率、果仁損傷率的均值分別為98.88%、37.05%、57.24%、5.71%。

如表6所示，通過單因素方差分析得：在α=0.05水平下，不同加載方向下的破殼率、一露仁率以及果仁損傷率的P值均大于顯著性水平0.05，因此可以驗(yàn)證：采用內(nèi)附窩眼凹槽式類型的錘頭進(jìn)行破殼時(shí)，不同加載方向?qū)ζ茪ばЧ麤]有顯著性影響。

表6 方差分析Tab.6 Variance analysis

注：均值差的顯著性水平為 0.05。

6 結(jié)論

(1)擊打式破殼方式中，破殼機(jī)構(gòu)與山核桃的受載接觸形式直接影響山核桃的破殼率、果仁損傷率以及破殼質(zhì)量。

(2)在3個(gè)加載方向上,內(nèi)附窩眼凹槽式結(jié)構(gòu)，兼具較高的破殼率和較低的果仁損傷率，分別介于98%～100%和5%～7%之間。該錘頭作用的接觸形式具有裂紋引導(dǎo)作用，破殼后的山核桃果殼表面裂紋分布廣、密集，殼仁易分離，破殼質(zhì)量較好。

(3)通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，窩眼個(gè)數(shù)對破殼質(zhì)量起主要影響，窩眼個(gè)數(shù)越多，破殼的山核桃表面裂紋數(shù)越多，且沿窩眼棱邊進(jìn)行擴(kuò)展，有利于殼仁分離，獲得了更好的破殼質(zhì)量。

(4)正交試驗(yàn)結(jié)果表明，采用凹槽式結(jié)構(gòu)進(jìn)行破殼能夠降低加載方向因素對破殼效果的影響，有效解決了山核桃實(shí)際加工時(shí)的預(yù)處理過程；當(dāng)凹槽直徑為28 mm、窩眼個(gè)數(shù)為7時(shí)，破殼效果最好，在3個(gè)加載方向上的破殼率、一露仁率、二露仁率、果仁損傷率均值分別為98.88%、37.05%、57.24%、5.71%。

1 章亭洲.山核桃的營養(yǎng)、生物學(xué)特性及開發(fā)利用現(xiàn)狀[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2006,32(4):90-93．

ZHANG Tingzhou.Nutrition, biological characteristics and development and utilization of hickory[J].Food and Fermentation Industries,2006,32(4): 90-93.(in Chinese)

2 周明亮,王鴻飛,趙丹.山核桃油的提取工藝及其特性研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007,38(3)：95-98.

ZHOU Mingliang, WANG Hongfei，ZHAO Dan．Studies on extracting technology and properties of carya kernel oil[J]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2007，38(3): 95-98．(in Chinese)

3 陳向明,徐濤,查甫本.山核桃外果皮黃酮提取與純化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42(12)：177-181.

CHEN Xiangming, XU Tao, ZHA Fuben.Extraction and purification of flavone in C.cathayensis exocarp [J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2011,42(12): 177-181.(in Chinese)

4 薛波.大別山山核桃品種類型及其品質(zhì)的研究[D].合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),2013.

XUE Bo.Study on biotypes and nuts quality of carya dabieshanensis[D].Hefei:Anhui Agricultural University,2013.(in Chinese)

5 SHARIFIAN F,DERAFSHI M H.Mechanical behavior of walnut under cracking conditions[J].Journal of Applied Sciences,2008,8(5): 886-890．

6 李夕勃,趙書崗,王紅霞,等.核桃堅(jiān)果硬殼結(jié)構(gòu)與木質(zhì)素和纖維素的相關(guān)性研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,51(22)：5076-5079．

LI Xibo, ZHAO Shugang, WANG Hongxia, et al.Relationship between walnut shell structures and the content and cellulose[J].Hubei Agricultural Sciences,2012,51(22):5076-5079.(in Chinese)

7 吳子岳.核桃剝殼的力學(xué)分析[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1995,18(3):116-123．

WU Ziyue.Mechanical analysis of cracking walnut[J].Journal of Nanjing Agricultural University,1995,18(3):116-123.(in Chinese)

8 吳斌芳,周國柱,張建鋼,等.綿核桃機(jī)械剝殼取仁參數(shù)選擇及實(shí)驗(yàn)分析[J].湖北工學(xué)院學(xué)報(bào),1997,12(4):58-61．

WU Binfang, ZHOU Guozhu, ZHANG Jiangang, et al.Some parameter choices for mechanical shell-removing and nut-extracting of walnut and the experimental analysis[J].Journal of Hubei University of Technology,1997,12(4):58-61.(in Chinese)

9 孫偲,曹成茂,婁帥帥,等.山核桃破殼力學(xué)性能試驗(yàn)[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2016,43(2):331-336．

SUN Si, CAO Chengmao, LOU Shuaishuai, et al.A test of breaking mechanical properties of pecan shell[J].Journal of Anhui Agricultural University,2016,43(2):331-336.(in Chinese)

10 丁正耀,朱德泉,錢良存,等．山核桃堅(jiān)果有限元模型建立及受力分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2010(6):6-9．

DING Zhengyao, ZHU Dequan, QIAN Liangcun, et al.Finite element modeling and mechanical analysis of hickory kernel[J].Agricultural Equipment and Vehicle Engineering,2010(6):6-9.(in Chinese)

11 趙超.山核桃破殼力學(xué)分析[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,34(9):123-127.

ZHAO Chao.Mechanical analysis of cracking hickory[J].Journal of Southwest University:Natural Science Edition,2012,34(9):123-127.(in Chinese)

12 薛忠,郭向明,黃正明,等.澳洲堅(jiān)果的多因素壓縮試驗(yàn)研究[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2014,27(3):1269-1273.

XUE Zhong, GUO Xiangming, HUANG Zhengming, et al.Experimental study on multifactor compression of macadamia nuts[J].Southwest China Journal of Agricultural Sciences,2014,27(3):1269-1273.(in Chinese)

13 邱自學(xué),袁江,姚興田.可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)測試的落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2006(8):56-58.

QIU Zixue, YUAN Jiang, YAO Xingtian.Drop weight impact tester for measuring parameters during impacting[J].Instrument Technique and Sensor,2006(8):56-58.(in Chinese)

14 劉明政,李長河,張彥彬,等.柔性帶剪切擠壓核桃破殼機(jī)理分析與性能試驗(yàn)[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2016,47(7):266-273．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160737&flag=1&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.07.037.

LIU Mingzheng, LI Changhe，ZHANG Yanbin, et al.Shell crushing mechanism analysis and performance test of flexible-belt shearing extrusion for walnut[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016,47(7):266-273.(in Chinese)

15 李忠新,劉奎楊,楊莉玲,等.錐籃式核桃破殼裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012,43(增刊):146-152．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=2012s29&flag=1&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2012.S0.029.

LI Zhongxin, LIU Kuiyang, YANG Liling, et al.Design and experiment of walnut-cracking device[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2012,43(Supp.):146-152.(in Chinese)

16 丁為民,鄧麗君,李毅念,等.不同成熟度芡實(shí)的力學(xué)性能試驗(yàn)分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(19):241-247.

DING Weimin, DENG Lijun, LI Yinian, et al.Experiment and analysis on mechanical properties of gorgon nuts (euryale ferox) at different maturities [J].Transactions of the CSAE,2012,28(19):241-247.(in Chinese)

17 吳瑤,趙超,張中衛(wèi),等.山核桃屬性測量及其剝殼破碎臨界值的壓縮剛度分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40(9):5338-5339,5620．

WU Yao, ZHAO Chao, ZHANG Zhongwei, et al.Measurement of walnut properties and compressive stiffness analysis on the critical value of shell-cracking[J].Journal of Anhui Agricultural Sciences,2012,40(9):5338-5339,5620.(in Chinese)

18 朱德泉,曹成茂,丁正耀,等.山核桃堅(jiān)果熱風(fēng)干燥特性及其工藝參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(7):364-369.

ZHU Dequan, CAO Chengmao, DING Zhengyao, et al.Hot-air drying characteristics and technical parameters optimization of kernel hickory (CaryacathayensisSarg.)[J].Transactions of the CSAE,2011,27(7):364-369.(in Chinese)

19 涂燦,楊薇,尹青劍,等.澳洲堅(jiān)果破殼工藝參數(shù)優(yōu)化及壓縮特性的有限元分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,31(16):272-277.

TU Can, YANG Wei, YIN Qingjian, et al.Optimization of technical parameters of breaking macadamia nut shell and finite element analysis of compression characteristics[J].Transactions of the CSAE,2015,31(16):272-277.(in Chinese)

20 徐芝綸.彈性力學(xué) (上，下)[M].北京:高等教育出版社,1990．

21 酈正能,關(guān)志東,張紀(jì)奎.應(yīng)力斷裂力學(xué)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2012．

22 BERRYJP.Some kinetic considerations of the Griffith criterion for fracture—I: equations of motion at constant force[J].Journal of the Mechanics and Physics of Solids,1960,8(3):194-206．

23 劉明政.核桃剪切擠壓柔性破殼取仁的機(jī)理分析與實(shí)驗(yàn)研究[D].青島：青島理工大學(xué),2015.

LIU Mingzheng.Mechanization analysis and experimentation research of walnut shearing-extrusion flexible shell-crushing[D].Qingdao:Qingdao University of Technology,2015.(in Chinese)

24 史建新,趙海軍,辛動(dòng)軍.基于有限元分析的核桃脫殼技術(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2005,21(3):185-188.

SHI Jianxin, ZHAO Haijun, XIN Dongjun.Technology for breaking walnut shell based on finite element analysis [J].Transactions of the CSAE,2005,21(3):185-188.(in Chinese)

25 謝麗娟,宗力.蓮子受力有限元分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2006,37(6):94-97．

XIE Lijuan, ZONG Li.Analysis of finite element method for loaded lotus seed[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2006,37(6):94-97.(in Chinese)

26 CUI X,LIU G R,LI G Y, et al.Analysis of plates and shells using an edge-based smoothed finite element method[J].Computational Mechanics,2010,45(2-3):141-156．

27 張榮榮,李小昱,王為,等.基于有限元方法的板栗破殼力學(xué)特性分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(9):84-88．

ZHANG Rongrong, LI Xiaoyu, WANG Wei, et al.Analysis of mechanical properties of Chinese chestnut cracking based on the FEM[J].Transactions of the CSAE,2008,24(9): 84-88.(in Chinese)

DesignandTestonHammerheadofPecanShell-breakingMachine

CAO Chengmao1JIANG Lan1WU Chongyou2LI Zheng1WANG Tianyu1DING Ran1

(1.SchoolofEngineering,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei230036,China2.NanjingResearchInstituteforAgriculturalMechanization,MinistryofAgriculture,Nanjing210014,China)

At present, it is universally acknowledged that the mechanical shell-breaking method is regarded as the main research strategies in the process of pecan shell-breaking equipment design.The design and improvement of shell-breaking method and principle had been studied extensively.However, in each kind of shell-breaking method, the research on the loading contact form between the broken shell mechanism and the pecan was neglected.Whether in the study of pecan shell-breaking principle and method or the design of mechanical equipment, the load which was provided with a single contact form was bore for pecan, such as point load or line load.In the course of processing, the size of the shell-breaking force was prone to cause the partial breakage of the shell or the serious damage of the nut, which led to the phenomenon of low shell-breaking rate and high nut damage rate.Therefore, the groove shape hammerhead with sockets was developed.The hammerhead structures of different loading contact form were designed.And the shell-breaking effect on different loading contact form was researched by test.When the pecan was broken, the shell-breaking rate, nut damage rate and exposure nut rate of pecan were deemed as evaluation index.The crack distributions which were formed of three hammerheads in different loading directions were compared and analyzed.The finite element analysis software Abaqus was used to research the distribution and propagation of crack in the process of the shell-breaking, which considered the structure of the hammerhead with four different numbers of sockets as the variable.The orthogonal test which considered the structure parameters of the hammerhead and the loading direction as experimental factors was designed and used to determine the optimum combination.The results showed that the structure of the hammerhead in the groove shape can reduce the influence of the loading direction factor on the shell-breaking effect.Containing a plurality of sockets can make the pecan shell generate a large number of local crack points which extended along the tangent line of the socket to produce and extend crack.This structure can act as a crack guide.With the increase of number of sockets, the crack distribution of the pecan shell was uniform and the range was wide.This structure can improve the quality of shell-breaking.When the groove diameter was 28 mm, the number of sockets was 7, the most satisfactory shell-breaking effects were obtained, which generated the shell-breaking rate of 98.88%, the first grade nut rate of 37.05%, the second grade nut rate of 57.24%, and the nut damage rate of 5.71%.

pecan; shell-breaking; loading hammerhead; groove shape with sockets; crack guide

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.039

S226.4; S664.1

A

1000-1298(2017)10-0307-09

2017-06-22

2017-07-31

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51475002)

曹成茂(1964—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事智能檢測與控制技術(shù)、農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程研究，E-mail：caochengmao@sina.com