山核桃物料風選機理與風選性能試驗研究

曹成茂 羅 坤 彭美樂 吳正敏 劉光宗 李 正

(1.安徽農業大學工學院, 合肥 230036; 2.安徽省智能農機裝備工程實驗室, 合肥 230036)

0 引言

山核桃的深加工技術是影響山核桃經濟發展的主要因素，且山核桃的殼仁分離是山核桃深加工的關鍵環節[1]。山核桃經過初次破殼與二次破殼，產生大量灰塵、細小碎渣、八分之一殼、四分之一殼、二分之一殼、殼仁嵌合體以及碎仁、八分之一仁、四分之一仁、二分之一仁。在山核桃加工生產線中，先將仁與殼選出，二次破殼機使殼仁嵌合體破裂，且不會造成大量的碎殼進一步損傷果仁，殼與仁分離之后才能進行后續加工。

國內外學者針對堅果類的殼仁篩分機理、分選機械進行了研究與試驗。NAHAL等[2]對兩種波斯核桃的研究表明，層次差異的不同粒子末端速度不同，可以采用流態化分離法進行不同粒度的核桃仁篩選，每個粒子需要空氣速度在6～11 m/s范圍內，同時殼與仁的含水率也直接影響不同粒子的末端速度。RAGAB等[3]通過研究核桃物理特性和氣動特性發現，核桃含水率對末端速度影響較大，通過干燥處理可改變其氣動特性，增加堅果密度可以提高所試驗品種的最終速度，使用乙烯處理核桃對核桃末端速度并未產生較大影響，最后確定10 m/s的末端速度可以完全分離出沒有殼的核桃和有殼的核桃，但此方法會影響核桃品質。JIN等[4]發明了一種自動分離黑胡桃肉和殼的方法，利用胡桃肉和胡桃殼透光率的不同使圖像呈現出不同的紋理特征，利用紋理的差別來篩分殼與肉的方法對核桃仁肉殼分離效果較好，總分離準確率為98.2%，但此方法成本較高。KRISHNAN等[5]利用磁選的方法進行分離試驗。首先將鐵粉或者磁流體與無霉性的食用明膠粉混合，然后使其粘附于果殼表面再進行破殼處理，再根據殼與仁所受合力不同實現分離。這種方法的不足之處在于，核桃不僅需要預處理還需要后處理其上的鐵粉或磁流體，工序繁瑣且處理容易污染果仁，對稍大的果殼無法去除。

通過總結前人研究成果與實地調研，總結出山核桃空氣動力學特性參數可以有效實現殼仁分離，但是懸浮速度范圍重疊大影響山核桃殼仁的分選效果。本文在基于多點加載力使殼均勻碎裂的基礎上[6]，研究一種特殊破殼工藝使山核桃殼干仁濕來提高分選效果。通過理論分析、仿真試驗與試驗臺試驗，研究改變各物料懸浮速度進一步減小各種物料的分選速度重疊區間[7]，得到山核桃空氣動力學特性參數和力學參數，以指導樣機的研制。

1 山核桃破殼物料類型與物理參數

1.1 各物料成分百分比

選取一次破殼機與二次破殼機加工之后的物料，采用特殊破殼工藝使殼的含水率降至5%左右，仁的含水率保持在設定的含水率范圍內。再選取蜂窩凹心錘頭，使破殼率達到99.5%，并且產生的大量局部裂紋點引導裂紋產生，使碎殼形狀大小均勻[8]。再次經過低損傷二次破殼機與篩選設備，得到的混合物料如圖1所示，各成分占比如表1所示。

圖1 山核桃破殼混合物料Fig.1 Hickory mixtures after shell breaking

物料類型質量分數/%備注一露仁13.3整仁的二分之一左右二露仁33.8整仁的四分之一左右碎仁2.9小于整仁的八分之一二露殼1.3整殼的四分之一左右碎殼43.7小于等于整殼的八分之一殼仁嵌合物5.0殼中嵌入仁

1.2 山核桃破殼物料物理參數

物料顆粒的空氣動力學特性與物料的密度、含水率密切相關，泊松比、剪切模量、動摩擦因數的數值直接影響仿真結果與實際試驗結果的誤差[9]。本節對物料的各個物理參數進行測定與計算，首先選取寧國山核桃經過特殊工藝處理之后由一次破殼機與二次破殼機加工之后的物料，從物料堆隨機抽取一部分，分揀為仁、殼、殼仁嵌合體3種樣本。

殼、仁的樣本密度測定采用YD-100E型密度測定儀，含水率測定采用干燥法，所用器材為數字電子秤(量程：200 g，精度：0.01 g)、干燥箱等，樣本密度與含水率均值如表2所示。

表2 山核桃含水率、密度測試結果Tab.2 Moisture content and density test results of hickory

泊松比υ=0.3，殼彈性模量E=10 MPa，仁彈性模量近似為果殼的1/10，取1.1 MPa[10]，又由彈性模量、剪切模量和泊松比三者之間的關系得到殼、仁剪切模量

(1)

山核桃堆積角試驗以及靜摩擦試驗得出的數據導入EDEM官網數據庫分析，得到山核桃的恢復系數、靜摩擦因數及滾動摩擦因數，見表3。

表3 山核桃物料仿真參數Tab.3 Simulation parameters of hickory material

2 山核桃破殼物料力學分析

2.1 垂直管道升力與升力系數

山核桃破殼物料的殼仁風選采用垂直管道風壓吹送式，是典型的氣固兩相流模型，由于破殼物料的迎風面面積與幾何形態復雜多變使風選參數重疊區間過大，所以首先要計算分析山核桃破殼物料的空氣動力學特性對風選的影響。其中至關重要的是得到各種物料的升力參數，在核桃破殼物料和流體的運動速度、各項物理參數共同作用下，使物料產生升力，升力表示為函數形式[11]

(2)

(3)

(4)

式中Fl——物料所受升力，N

Re——物料的雷諾數

C——繞流升力系數

k——待定指數

vl——物料速度，m/s

dl——物料迎風面粒徑,m

ρ——空氣密度，kg/m3

μ——空氣動力粘度，Pa·s

Sl——物料迎風面積，m2

在氣固兩相流體力學中，山核桃物料升力由所受摩擦力與壓差力相互作用而形成，兩力主要在流體速度、物料速度與物料物理參數的作用下分為3種區域。在室溫20℃、壓力101.325 kPa的條件下，所測山核桃破殼物料迎風面最小面積為6 mm2，由雷諾公式得出山核桃物料最小雷諾數為2 139，根據壓差升力區條件：牛頓區500≤Re≤2×105和牛頓區粒徑范圍條件[11]

(5)

式中ρl——物料密度，kg/m3

得出升力系數C=0.44。

2.2 異形顆粒自由懸浮速度

同粒徑球體與異形顆粒的懸浮速度相比，球體的大于異形顆粒。在分析異形山核桃顆粒的懸浮速度時，將異形顆粒換算為與其迎風面直徑、質量相同的球體，以球體的尺寸計算懸浮速度，之后通過兩者與顆粒形狀修正系數之間的關系來確定異形顆粒的自由懸浮速度。實現風選要建立流體物理參數與力學參數的關系，通過分析各顆粒空氣動力學參數區域，耦合顆粒、改變顆粒物理參數，使動力學參數交叉區域減小來達到分選目的。山核桃破殼物料顆粒換算成當量球體后在管道中的升力與其重力相等時所需風速即為換算顆粒的懸浮速度，由于其粒徑大小處在牛頓區，所以風速在顆粒表面繞流之后會在其尾部產生湍流的情況[11]，在垂直管道中受力模型如圖2所示。

圖2 物料受力模型Fig.2 Dynamic model of hickory mixtures

當山核桃物料的重力與流體產生的升力大致相等時，流體風速即為山核桃物料的懸浮速度。把山核桃破殼物料按照當量球體分析計算單個顆粒時，在牛頓區其修正表達函數式為[12]

(6)

式中Kl——形狀修正系數

vx——修正懸浮速度，m/s

3 山核桃破殼物料耦合仿真

EDEM軟件針對顆粒仿真，對離散型物料具有優良的擬合特性，FLUENT對流體仿真具有深厚的基礎，因此利用兩個軟件進行山核桃動力學特性耦合分析[13]。在EDEM軟件中生成山核桃物料僅受重力作用，FLUENT軟件中改變風道風速使山核桃物料在風道中懸浮，不斷調整風速使物料到達風道頂端區域。利用3D掃描儀提取山核桃精準物理形態，之后利用微小顆粒進行網格填充，得到高精度的山核桃物料仿真模型，如圖3所示。

圖3 山核桃仿真模型Fig.3 Simulation model of hickory

由于此次仿真主要研究山核桃各物料在垂直風道內的懸浮速度、物料與風道碰撞力及其運動軌跡，為試驗臺設計提供前期的參數基礎，又考慮到耦合仿真對風道內流體區域網格劃分大小要求不高，所以選取的風選筒幾何體網格劃分模型見圖4。

圖5 運動軌跡Fig.5 Motion tracks

仿真物料由顆粒工廠產生后順氣流從下端進入，物料在重力與升力共同作用下在氣室內向下或向上運動。此次氣固耦合仿真采用拉格朗日模型[14]，設置EDEM時間步長為9×10-8s，FLUENT時間步長為9×10-6s，FLUENT時間步長為EDEM時間步長的100倍。FLUENT的仿真步數為200 000步即1.8 s，每隔200步保存一次數據[13]。此仿真每種物料均隨機產生5粒顆粒，依次改變風速范圍為1～15 m/s，使山核桃物料到達風道頂端區域范圍時，風速為其懸浮速度，仿真懸浮速度見表4。

表4 仿真懸浮速度Tab.4 Simulation suspension speed

山核桃破殼物料的懸浮速度仿真中，不同山核桃破殼物料在不同流速中的運動速度大致相同，其速度在0.21～3.96 m/s之間。物料的迎風面面積始終變化，當迎風面最大時，其運動速度也最大。由于迎風面面積的變化使物料與物料、物料與筒面發生碰撞，碰撞力的最大值為0.004 2 N，不足以破壞山核桃仁的完整性，在試驗臺試驗中利用高速攝像機記錄山核桃物料在風道中的運動軌跡與速度并分析物料的受力，其仿真試驗速度軌跡圖與試驗臺實際軌跡圖見圖5。

選取質量最大的仁且風速為15 m/s時的物料，通過高速攝像機記錄核仁碰撞筒壁瞬間的過程，利用攝像機配備軟件先標定圖像中風筒實際寬度，之后慢速播放視頻依次確定起始點、第1點和第2點，得到第1點與第2點的速度與物料的加速度，由此得到核仁碰撞筒壁時的瞬時力，利用牛頓第二定律公式得到最大力為0.003 1 N，攝像機分析界面與各參數見圖6。

圖6 加速度分析界面Fig.6 Acceleration analytical interface

4 山核桃破殼物料風選試驗臺

4.1 試驗臺與測試系統設計

基于山核桃物料風選機理的研究，設計了山核桃風選試驗臺。由于山核桃破殼物料中碎殼形狀為凹窩狀且有較多尖角易與仁嵌合，所以采用大功率的風機產生氣流，經穩壓裝置形成穩定的垂直氣流場氣流使糾纏物料分離。再經過上位機的精準控制得到無級調節風速的效果，同時通過上位機實時采集并記錄風場風速。此試驗臺為組裝式，通過更換風筒即可模擬樣機的風道環境，修改其他參數也可適用于多種物料的風選測試[15]。

試驗臺器材為亞克力風筒(寬1 500 mm、長200 mm、高800 mm)、風機(型號：EM80B-3，轉速：2 450 r/min，功率：280 W，風量：910 m3/h)、風速傳感器(量程：0～30 m/s)、穩壓罩、上位機采集系統、采集卡(NI USB-6215)、高速攝像機、調壓器(型號：H3P40YB)、24V電源等。試驗臺測試系統由LabVIEW軟件編寫，主要分為風速信息采集、風速調節和信號濾波處理與儲存[16]，試驗臺見圖7。

圖7 風速試驗臺Fig.7 Wind velocity test device1.風機 2.風室 3.穩壓罩 4.風速傳感器 5.電源開關 6.電源 7.NI采集機箱 8.NI采集卡 9.調壓器 10.采集系統 11.光源 12、13.輔助光源 14.信息采集試驗臺 15.視頻分析面板 16.高速攝像機

系統上電之后把待測物料投入風筒，此時通過虛擬儀器操作界面調節風機轉速進而精確控制風速，使風筒內形成速度可變且垂直的穩定氣流場，調節風速使物料逐漸懸浮于上風筒范圍內。單類山核桃物料在風力逐漸增加的作用下經歷輕微起伏、較大起伏到貼合于上穩壓罩的一系列過程，同時上位機會同步顯示實時風速并記錄數據。混合類山核桃物料在此風場中經歷輕微起伏、殼仁懸浮區重疊大到殼仁懸浮區區分明顯的一系列過程，同時記錄過程風速變化。

山核桃懸浮速度試驗臺設計的關鍵指標是風室內各處風速的均勻性，本文測量風機出風口與管道出風口各處的風速，之后依據各處風速的大小采用多層、多孔徑和多形狀的沙網格柵對氣流進行調整，使各點風速大小均勻。下穩流罩與上穩流罩面上分別劃分均勻的網格，每面網格數為28個[17]，在恒定電壓下使用風速傳感器對每個網格進行測速[17]，通過不斷調整格柵層數、類型和各處網眼疏密程度，使各處氣流均勻，采用相對標準偏差來衡量氣流均勻性。

通過測試得到相對標準偏差最優結果為3%左右，遠低于相對標準偏差低于15%的均勻性要求，說明風室氣流具有均勻性，上下穩流罩格柵放置圖見圖8。

圖8 穩流罩Fig.8 Steady flow hood

4.2 單類物料與混合物料試驗

4.2.1單類物料懸浮速度試驗

試驗物料為隨機選取100顆山核桃，經本課題組研究的新工藝破殼設備使殼干仁濕，先使完整山核桃產生細微裂縫，浸泡水中使含水率不斷上升，取出使殼表面迅速脫水之后進入生產線進行一次破殼，再在二次離心破殼機的作用下使殼碎、小、輕，仁整、大、重[18],其中殼仁嵌合物為仁與殼未分離的物料，破殼得到各破殼物料見圖9。

圖9 山核桃物料Fig.9 Hickory material

每種物料選取5粒樣本，樣本尺寸均勻分布在尺寸范圍內。因山核桃個體存在大小差異,所以測試數據為范圍。經過分析得到各物料的對應懸浮速度范圍，將其代入式(6)得到形狀修正系數見表5。

表5 山核桃物料參數Tab.5 Parameters of hickory material

對比仿真試驗的懸浮速度結果，仿真結果與數據均符合實際情況，因此可以確定此仿真算法同樣適用于樣機的仿真試驗。通過對仿真參數反饋修正虛擬樣機參數，最終得到合理設計參數以指導樣機的研制[7]。分析各物料的最低與最高懸浮速度發現，殼與仁分離速度重疊區間占比達到48.6%，且重疊區間包含87.6%的物料，懸浮速度的重疊范圍見圖10。

圖10 單因素懸浮速度試驗結果Fig.10 Suspension velocity test results of single-factor

4.2.2混合物料分離試驗

通過研究、分析與理論計算，得出影響分離效果的關鍵因素為迎風面容量比(物料所占面積與單位面積比值)、仁質量、風速和顆粒尺寸。顆粒尺寸前文已經確定，因此選取迎風面容量比、仁質量和風速作為關鍵因素進行試驗。試驗的評價標準為清選率A與誤選率B，表達式為

(7)

(8)

式中A——清選率，%

B——誤選率，%

m1——已除物質量，g

m2——應除物總質量，g

ma——誤除物質量，g

mb——應留物總質量，g

試驗發現混合物料的分離速度與物料的本身質量密切相關，因此本試驗先取定量的迎風面容量比，通過改變混合核仁的含水率來改變質量之后觀察對應風速的變化[19]，結果見圖11。

圖11 混合物料懸浮速度試驗結果Fig.11 Suspension velocity test results of hickory mixtures

基于風選試驗臺的初步分離試驗數據分析，當仁的含水率達到23.76%時，分離速度重疊區間降至21.5%，且重疊區間包含1.2%的物料。改變核桃仁的質量之后，殼仁嵌合物的質量也會發生改變，其分離風速仍介于殼與殼仁嵌合物之間。因此試驗分為兩部分進行，第一部分為殼與仁和殼仁嵌合物的分離試驗,第二部分為仁與殼仁嵌合物的分離試驗。第一部分試驗在殼的含水率為5%的基礎上通過改變核仁的含水率增加其質量，按照前文統計的各物料百分比得到各個迎風面容量比物料。共設計12組試驗并每組試驗重復3次，取其平均值，試驗因素設置與試驗結果見表6。

依次選定迎風面容量比為50%、75%、100%時，改變風速得到最優清選率與誤選率，得到不同含水率下的清選率與誤選率。根據圖表可以分析出在迎風面容量比一定時，隨著含水率的升高仁的質量增加使清選率趨于100%、誤選率稍有增長。當含水率一定時，隨著迎風面容量比變大清選率會變小、誤選率變大，各迎風面容量比下的試驗柱狀圖見圖12。

分析試驗結果發現，當含水率為23.6%、迎風面容量比為50%時，殼仁嵌合物的剩余量僅為0.8%，觀察發現其為二露仁與碎殼嵌合物。則在風速8.2 m/s、含水率為23.6%、迎風面容量比為50%左右時，總體清選率為99.2%、誤選率為0.8%。

第二部分試驗采取增加殼仁嵌合物殼的質量，采用方法是將第一部分所有剩余物全部浸入水中，使殼仁含水率達到一致。此時的殼仁嵌合物為碎殼與二露仁的嵌合，在所有物料含水率均為23.6%時，測得殼仁嵌合物最小懸浮速度為11.65 m/s，最大懸浮速度為12.3 m/s。試驗得到在風速為11.7 m/s時，總體清選率為100%，誤選率為2.3%。

表6 試驗因素與結果Tab.6 Test factors and test results

5 結論

(1)EDEM-FLUENT耦合仿真適合風選的要求，其準確度與精度可指導樣機研制。試驗臺系統無級調節風速可以使風道氣流更加穩定和精確，實時數據保存可以使試驗結果更加準確，高速攝像方法可以實時捕捉物料運動參數，通過高速攝像機得到物料最大碰撞力為0.003 1 N。

(2)顆粒形狀系數是決定復雜物料風選的關鍵因素，物料預加工處理對后續的破殼與分選起到決定性作用。在山核桃多點加載力使殼均勻碎裂的基礎上，研究利用蒸煮與迅速外殼脫水技術來改變山核桃破殼后物料的形狀系數，其各物料形狀修正系數分別為：一露仁 1.35、 二露仁1.22、碎仁1.13、二露殼3.1、碎殼2.3、殼仁嵌合物1.6。

(3)采用殼干仁濕的特殊工藝使山核桃復雜破殼物料的懸浮速度重疊區間減小，再調節仁質量和迎風面容量比兩個主要因素使分離效果大大提升，第一部分試驗得到風選效果主要由仁質量和迎風面容量比兩個因素決定，在風速8.2 m/s、仁含水率為23.6%、殼含水率為5%、迎風面容量比為50%左右時，總體清選率為99.2%、誤選率為0.8%，第二部分物料采取改變殼含水率使所有物料含水率均為23.6%，可以進一步提高殼的清選率，風速為11.7 m/s時使清選率達到100%、誤選率2.3%，可以為山核桃等復雜物料的分離技術與裝置的設計提供參考。

圖12 混合物料試驗結果Fig.12 Test results of hickory mixtures