核桃物理力學特性參數的試驗研究

王 斌，劉德華，張淑娟

(1.山西農業大學信息學院，山西 太谷 030801；2. 山西農業大學 工學院，山西 太谷 030801)

?

核桃物理力學特性參數的試驗研究

王 斌1，劉德華2，張淑娟2

(1.山西農業大學信息學院，山西 太谷 030801；2. 山西農業大學 工學院，山西 太谷 030801)

為掌握核桃分級破殼機的設計參數與物理特性參數之間的關系，為今后研制核桃分級破殼機關鍵裝備提供基礎理論依據，通過對3種核桃進行準靜態壓縮試驗可知：①不同品種樣本的外形有較大差異，三維尺寸大致為27.16～42.22mm；同時，樣本的球度較高，故可近似為球形。②沿著不同方向擠壓核桃的破殼力和壓縮位移是不同的，沿著垂直于縱徑方向擠壓核桃的破殼力和壓縮位移是最小的，沿著垂直于棱徑方向擠壓核桃的破殼力和壓縮位移處于中間，沿著垂直于橫徑方向擠壓核桃的破殼力和壓縮位移是最大的；破殼時的壓縮位移平均值為1.03mm。該研究為核桃分級破殼機的設計及優化提供了必要的基礎參數。

核桃；分級破殼機；物理特性；試驗研究

0 引言

影響核桃殼仁脫離的主要因素是核桃的物理特性和核桃破殼方式[1]。為了設計出破殼效率高、破殼效果好的核桃破殼機械，必須要進行破殼對象(核桃)自身特性的研究。我國許多學者對核桃的外形尺寸、外殼厚度及破殼力等物理特性參數進行了大量的試驗研究[2-4]。吳子岳第一個提出了核桃破殼取整仁原理，并制作出雙齒盤—弧齒板式的破殼裝置和綿核桃破殼取仁機，最終通過試驗驗證了核桃破殼機的最優參數[5]。史建新等人采用結構靜力分析的有限元分析方法對核桃破殼技術進行研究，通過對核桃樣本施加不同的外載荷來分析相應的應力分布的規律，從而確定出最優的破殼方式[6]。吳斌芳和周國柱等人測定了綿核桃的三維尺寸，應用薄殼理論和斷裂理論對其進行力學方面的分析研究，并采用帶有銑齒紋的滾刀進行滾動擠壓，這種作用方式非常有利于核桃的破殼取仁[7]。

為掌握核桃分級破殼機的設計參數與物理特性參數之間的關系，需對核桃的物理特性參數進行試驗研究。本文通過對3種核桃進行準靜態壓縮試驗，確定不同品種樣本的三維尺寸范圍；同時，得出沿著不同方向擠壓核桃的破殼力和壓縮位移是不同的。該試驗為核桃分級破殼機傳動系統及整體結構的設計、性能改進及優化提供了必要的基礎參數。

1 試驗對象、儀器

1.1 試驗對象

本試驗選擇山西省的3種具有代表性(產量多且品種純正)的核桃作為研究對象，分別是太谷縣的紙皮核桃(Z)、綿核桃(M)和汾陽的綿核桃(F)。

1.2 試驗儀器

圖1為萬能試驗拉伸試驗機，測試范圍在2 000kg左右。該裝置可進行拉伸、壓縮、剪切、彎曲、剝離和撕裂等多種力學性能試驗。另需一把測試精度為0.02mm的游標卡尺。

圖1 萬能試驗拉伸儀圖

2 試驗方法

2.1 核桃外形特性的測定方法

為保證試驗質量，每個品種核桃分別挑選30個樣本，使用游標卡尺按圖2測量出各個樣本的三維尺寸(橫徑a、棱徑b、縱徑c)[8]；然后，將所得的原始數據用Origin繪制成3條折線圖，如圖2所示。

圖2 核桃的三維尺寸圖

采用近似球度公式[9]來表示核桃的外觀特征，3個品種核桃的三維尺寸及球度為

(1)

式中 a—橫徑即核桃沿著短軸方向的最大尺寸(mm)；

b—縱徑即核桃沿著長軸方向的最大尺寸(mm)；

c—棱徑即核桃沿著縫合線短軸方向的最大尺寸(mm)。

2.2 核桃擠壓破殼載荷和壓縮變形量的測定方法

為了設計出破殼效果更好的核桃分級破殼機，需要進行核桃的準靜壓縮試驗，從而得到核桃壓縮的破殼力和壓縮位移兩個基本數據。

試驗時，通過計算機軟件控制萬能試驗拉伸儀，如圖3所示。第1步，調取壓縮試驗程序，設置試驗的加載速率為15mm/min[10]。第2步，先將核桃樣本按照一定方向分別放在平板式壓頭上，并調節上平板壓頭將核桃樣本置于兩板中間；然后對軟件進行位移置零和壓縮力置零處理，點擊開始按鈕即開始壓縮試驗；試驗結束后，將生成的數據文件拷貝出來，在計算機中應用Origin軟件繪制出壓縮的破殼力隨壓縮位移變化的二維圖像。

圖3 萬能試驗拉伸儀測試核桃破殼試驗

3 試驗結果和分析

3.1 核桃外形特性測定的結果與分析

將測定出的核桃三維(橫徑、棱徑和縱徑)尺寸值用Origin8.5軟件繪出三類核桃外徑分布圖，結果如圖4～圖6所示。

圖4 紙皮核桃(Z)三維尺寸

圖5 綿核桃(M)三維尺寸

圖6 綿核桃(F)三維尺寸

觀察核桃三維尺寸圖可知：紙皮核桃(Z)的三維尺寸范圍為28.74～42.22mm；綿核桃(M)的三維尺寸范圍為29.88～40.44mm；綿核桃(F)三維尺寸范圍為27.16～37.12mm。所以，3類核桃的三維尺寸為27.16～42.22mm，如表1所示。為了保證核桃樣本都能從分級裝置進入破殼裝置進行破殼處理，需要將核桃分級破殼機的分級裝置兩桿的間距設計為20～60mm。

由表1可見：對于同一品種的核桃而言其三維尺寸相差較大，不同品種的核桃的卻各有各的特點。紙皮核桃(Z)三維尺寸的差異是3種核桃中最大的(1.41)，綿核桃(M)三維尺寸的差異是0.91，綿核桃(F)三維尺寸的差異是0.39；球體近似直徑中綿核桃(M)最大34.37，紙皮核桃(Z)與之相近(33.67)，綿核桃(F)的球體近似直徑最小為31.60；綿核桃(M)與綿核桃(F)的球度相等均為0.85，但是紙皮核桃(Z)的球度最小為0.80。因此，3種核桃的尺寸相近并且球度都比較大。

表1 3個品種核桃的三維尺寸及球度

3.2 核桃擠壓破殼載荷和壓縮變形量測定的結果與分析

圖7為準靜壓縮試驗生成的壓縮位移和破殼力圖像。其中，橫軸表示核桃樣本的壓縮位移，縱軸表示核桃的壓縮力。當壓縮平板與核桃表面從接觸開始向下壓縮時，壓縮位移和壓縮力均從零點開始成線性增長，直致達到核桃的破殼力時核桃瞬間發生破裂，此時處于彈性變形階段；平板式壓頭繼續壓縮樣本，壓縮力瞬間降低，之后會緩慢增長，直到計算機自動控制萬能試驗拉伸儀停止壓縮為止。

圖7 破殼力和壓縮位移的關系曲線圖

由表2、表3可知：相同品種樣本、不同擠壓方式的破殼力和壓縮位移是有較大差別：核桃(Z)受到垂直于a向的破殼力為558.88N，壓縮位移是1.28mm；受到垂直于b向的破殼力為369.79N，壓縮位移是0.59mm；受到垂直于c向的破殼力為425.85N，壓縮位移是1.14mm。核桃(M)受到垂直于a向的破殼力為441.92N，壓縮位移是1.17mm；受到垂直于b向的破殼力為223.31N，壓縮位移是0.85mm；受到垂直于c向的破殼力為406.85N，壓縮位移是1.03mm。核桃(F)受到垂直于a向的破殼力為644.04N，壓縮位移是1.46mm；受到垂直于b向的破殼力為233.60N，壓縮位移是0.61mm；受到垂直于c向的破殼力為561.95N，壓縮位移是1.18mm。由此可知：沿著垂直于a向受到的破殼力和壓縮位移最大，這是因為在垂直橫徑的方向上沒有縫隙，壓縮力作用在垂直橫徑的面上需要壓破核桃兩側的外殼，因此需要較大的破殼力；沿著垂直于c向作用壓縮力，由于結合縫隙的方向正好有一部分沿著作用力的方向，所以需要較小的破殼力和壓縮位移；最小破殼力和壓縮位移是沿著垂直于b的方向，因為核桃的果梗處最薄弱，也最容易被壓破。

另外，不同品種核桃樣本的破殼力和壓縮位移是不同的。分別對每個品種不同作用方向的破殼力和壓縮位移求平均值得到：核桃(Z)為451.51N和1.00mm，核桃(M)為357.36N和1.02mm，核桃(F)為479.86N和1.08mm。

表2 3種核桃壓縮試驗破殼力的測試數據統計表

表3 3種核桃壓縮試驗破殼位移的測試數據統計表

4 結論

1)不同品種樣本的外形有較大差異，三維尺寸大致為27.16～42.22mm；同時，樣本的球度較高，故可近似為球形。

2)沿著不同方向擠壓核桃的破殼力和壓縮位移是不同的:沿著垂直于縱徑方向擠壓核桃的破殼力和壓縮位移是最小的，沿著垂直于棱徑方向擠壓核桃的破殼力和壓縮位移處于中間，沿著垂直于橫徑方向擠壓核桃的破殼力和壓縮位移是最大的；破殼時的壓縮位移平均值為1.03mm。

[1] 韓本勇,陳朝銀,楊薇. 核桃破殼取仁機械的研發動態[J].農業機械,2011(2):151-155.

[2] 喬園園,史建新,董遠德. 影響核桃殼仁脫離的主要要因素[J].農機化研究,2008(4):43-45.

[3] 張林泉,龔麗. 剝殼機具的現狀及效果改進方法的探討[J].食品與機械,2006(4):72-74.

[4] 曹成茂,朱德泉,江家伍,等.手剝山核桃破殼機的設計與研究[J].農機化研究,2011,33(11):114-117.

[5] 吳子岳. 綿核桃剝殼取仁機械的研究[J].農業工程學報,1995,11(4):164-169.

[6] 史建新,趙海軍,辛動軍. 基于有限元分析的核桃脫殼技術研究[J].農業工程學報,2005,21(3): 185-188.

[7] 吳斌芳,周國柱,張建鋼. 綿核桃機械剝殼取仁參數選擇及試驗分析[J].湖北工學院學報，1997,12(4):56-59.

[8] 吳子岳. 核桃剝殼的力學分析[J].南京農業大學學報,1995,18(3):116-123.

[9] Michael P. Filice et al.Walnut cracking mechanism:U.S.,5325769[P].1994-07-05.

[10] 高警,鄭甲紅,閆茹. 對影響核桃破殼力大小因素的探究[J].農機化研究,2014,36(9):186-189.

Experimental Research on Physical and Mechanical Properties Parameter of Walnut

Wang Bin1, Liu Dehua2, Zhang Shujuan2

(1.College of Information，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China；2.College of Engineering，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China)

To master the relationship between design parameters and physical properties parameters within walnut grading and shell-breaking machine, provide the basic theoretical reference to development critical equipment of walnut grading and shell-breaking machine. Through the study of the quasi static compression test of three kinds of walnut shows:①the appearance of samples of different varieties have bigger difference, the three dimensional size roughly 27.16-42.22 mm.At the same time, the sample ball degree is higher, it can approximate to spherical.②along the direction of different walnut of breaking force and compression displacement is different, along the direction perpendicular to the longitudinal diameter of walnut breaking force and compression displacement is the smallest, along the direction perpendicular to the rib size of walnut breaking force and compression displacement in the middle, along the direction perpendicular to the horizontal diameter extrusion walnut shell strength and the compression displacement is one of the biggest.Breaking compression displacement when the average of 1.03 mm. The study of walnut grading and shell-breaking machine design and parameter optimization provides the necessary foundation.

walnut; shell breaking machine; physical properties; experiment research

2016-06-22

國家自然科學基金項目(31271973)；山西省自然科學基金項目(2012011030-3)

王 斌(1988-)，男，山西襄汾人，助教，碩士，(E-mail)wangbin1759@126.com。

張淑娟(1963-)，女，山西襄汾人，教授，博士生導師，博士，(E-mail)zsujuan@263.net。

S226.9

A

1003-188X(2017)08-0165-05