新豐核桃的多因素壓縮試驗(yàn)

劉 奎 郭文川 - 朱占江 -

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，新疆核桃種植面積已達(dá)35萬(wàn)hm2，當(dāng)前產(chǎn)量已達(dá)2 016 kg/hm。新豐核桃是新疆的主栽核桃品種之一，其果樹(shù)長(zhǎng)勢(shì)較強(qiáng)、產(chǎn)量高、果仁含油量高，適合油用品種；其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值僅次于新新2，高于溫185、扎343和新光[2]。

破殼處理是核桃釆后加工中的一個(gè)主要工藝，研發(fā)先進(jìn)的核桃加工技術(shù)和設(shè)備，解決核桃精深加工的技術(shù)瓶頸成為當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。19世紀(jì)初，國(guó)外就開(kāi)始核桃破殼處理的基礎(chǔ)性研究[3-4],而中國(guó)對(duì)堅(jiān)果破殼方面的研究起步較晚，目前也自主研制了形式多樣的破殼機(jī)構(gòu)[5-7]。史建新等[8]發(fā)現(xiàn)了核桃殼變形量不大且產(chǎn)生局部裂紋點(diǎn)多、裂紋點(diǎn)易擴(kuò)展的最佳的施力方式。丁正耀等[9]確定了山核桃殼變形量不大且產(chǎn)生局部裂紋點(diǎn)多、裂紋點(diǎn)易擴(kuò)展的最佳施力方式。王維等[10]確定了最佳核桃破殼加載方位及破殼的最佳條件。上述研究未考慮核桃含水率、加載速度及加載方向等多因素在破殼時(shí)的影響以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

試驗(yàn)擬針對(duì)新豐核桃破殼的影響因素，設(shè)計(jì)多因素混合水平分析試驗(yàn)，研究各參數(shù)對(duì)破殼的影響，對(duì)建立的核桃模型進(jìn)行模擬分析，并進(jìn)行破殼試驗(yàn)驗(yàn)證，確定最佳破殼方式，以期為新豐核桃破殼取仁設(shè)備的研制提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

新豐核桃(圖1)：經(jīng)過(guò)滾筒分級(jí)機(jī)分級(jí)后中等尺寸大小的核桃，新疆維吾爾自治區(qū)喀什地區(qū)的葉城縣。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：WDW-100E型，濟(jì)南恒思盛大儀器有限公司；

圖1 新豐核桃

電熱干燥箱：BPG-9070A型，上海高致精密儀器有限公司；

水分測(cè)定儀：DHS16型，上海方瑞儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前將完整無(wú)損的核桃放在水中浸泡4 h，于干燥箱中烘干，每間隔一段時(shí)間取出一個(gè)核桃測(cè)其含水率，當(dāng)依次測(cè)得的含水率接近13%，10%，8%，4%時(shí)，分別取出部分核桃作為壓縮測(cè)試樣本。

為了測(cè)試不同因素對(duì)新豐核桃壓縮試驗(yàn)的影響，首先用WDW系列微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)在加載速度20，50，100 mm/min下，對(duì)核桃進(jìn)行長(zhǎng)、寬、厚3個(gè)不同方向的加載試驗(yàn)(如圖2)，分析含水率的變化對(duì)核桃殼破裂所需的加載力及破裂做功(壓力與破裂壓縮形變量的乘積)的影響。

圖2 核桃壓縮試驗(yàn)示意圖

2 試驗(yàn)分析

2.1 物理特性

新豐核桃殼及仁的幾何尺寸如表1所示。由表1可知，核桃殼的平均厚度為1.43 mm，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.15 mm，說(shuō)明新豐核桃殼的殼厚比較均勻，研究結(jié)果有良好的適用性。

表1 新豐核桃殼及仁的幾何尺寸

2.2 機(jī)械特性

2.2.1 含水率對(duì)核桃殼及核桃仁破裂力的影響 由圖3可知，隨著含水率的增加，核桃殼與核桃仁破裂所需的加載力在長(zhǎng)、寬、厚3個(gè)方向上均呈遞減趨勢(shì)，由于含水率的增大，核桃殼及仁的組織變軟，其破裂力減小；核桃在寬度方向上所需的破裂力小于長(zhǎng)度和厚度方向的，由于核桃縫合線(xiàn)處的結(jié)合力較小，優(yōu)先于其他部位直接裂開(kāi)。

2.2.2 含水率對(duì)核桃殼破裂做功的影響 由圖4可知，隨著含水率的增加，核桃殼的破裂做功在長(zhǎng)、寬、厚3個(gè)方向上呈遞增趨勢(shì)；核桃殼破裂的最大做功出現(xiàn)在長(zhǎng)度方向，說(shuō)明在此方向上破裂時(shí)的形變量最大，更易傷到內(nèi)部核桃仁，而在厚度方向上加載所需的做功量最小，核桃殼破裂時(shí)產(chǎn)生的形變最小，對(duì)內(nèi)部核桃仁的損傷也相對(duì)較小。

3 核桃殼破裂的有限元分析

3.1 核桃材料屬性確定及網(wǎng)格劃分

通過(guò)UG建立核桃模型，并保存為stp格式，導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行有限元分析。果殼的彈性模量取22.5 MPa，密度為590 kg/m3，泊松比為0.3[11]，核桃殼平均壁厚采用中等核桃殼厚度尺寸，定為1.5 mm。根據(jù)模型特點(diǎn)，采用自由網(wǎng)格劃分，模型與網(wǎng)格劃分如圖5所示。

3.2 有限元受力分析

選擇施加在核桃模型長(zhǎng)、寬、厚3個(gè)方向的加載力分別為281，180，343 N。根據(jù)機(jī)械破殼核桃受力情況，分別對(duì)核桃模型在長(zhǎng)、寬、厚3個(gè)方向施加一對(duì)對(duì)稱(chēng)擠壓力。將核桃殼材質(zhì)假定為脆性材料，核桃的破壞方式則表現(xiàn)為脆性破壞，故采用脆性斷裂破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則[12]。

由圖6可知，各個(gè)方向加載時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變均出現(xiàn)在加載點(diǎn)處。長(zhǎng)度方向加載時(shí)，核桃的應(yīng)變出現(xiàn)在加載點(diǎn)周?chē)苄〉姆秶虼撕颂铱赡墚a(chǎn)生局部破裂，即未完全破開(kāi)，不便于后續(xù)的取仁。寬度方向加載時(shí)，由于處于核桃接縫處，所需破殼應(yīng)力較小，易使核桃殼從接縫處裂開(kāi)，但更易使核桃直接沿縫線(xiàn)破成兩半，導(dǎo)致核桃仁受損，整仁率降低。厚度方向加載時(shí)，核桃的應(yīng)變有逐漸向外擴(kuò)散的趨勢(shì)，核桃外殼整體受破裂力范圍較大，說(shuō)明在此方向加載核桃殼的裂紋擴(kuò)散優(yōu)于其他兩個(gè)加載方向，雖然所需應(yīng)力較大，但更易使核桃殼產(chǎn)生大面積的破裂，有利于破殼取仁。

圖3 核桃殼含水率對(duì)破裂力的影響

Figure 3 Relationship between walnut rupture force and moisture content

4 破殼試驗(yàn)

以大小均勻的新疆新豐核桃(核桃原果含水率約為6.3%)為試驗(yàn)對(duì)象，每組試驗(yàn)核桃原料的重量為2 kg，將核桃按試驗(yàn)要求破殼，然后手工取核桃仁。將核桃仁分為4個(gè)等級(jí)，稱(chēng)量，計(jì)算百分比。

4.1 沿不同加載方向上的破殼試驗(yàn)

由表2可知，在厚度方向取得的1/2仁比例較多，而在長(zhǎng)度方向較少，與3.2的結(jié)果相對(duì)應(yīng)。在厚度方向上破殼時(shí)，核桃直接沿縫線(xiàn)裂開(kāi)的較多，未全破的核桃比例最高，需換方向再次進(jìn)行擠壓才能取出核桃仁，但再次擠壓會(huì)使核桃仁進(jìn)一步破碎，不利于取較完整的核桃仁。

4.2 不同破殼方式的破殼試驗(yàn)

核桃的加載方向?yàn)楹穸确较颍謩e對(duì)核桃進(jìn)行擊打破殼和擠壓破殼，取出核桃仁計(jì)算破殼效果。擠壓破殼采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，采用100 mm/min的加載速度對(duì)核桃進(jìn)行擠壓；擊打破殼是一只手將核桃固定放在地面上，另一只手手持木板均勻發(fā)力在核桃頂部周?chē)脫簦敝梁颂覛ち验_(kāi)，能用手輕輕撥開(kāi)外殼取出核桃仁為止。由表3可知，擊打式破殼取得的整仁率高于擠壓式破殼，未完全破殼率也較低，破殼取仁效果較好。多點(diǎn)均勻快速加載更有利于核桃殼裂紋的均勻擴(kuò)散，減少單點(diǎn)受力發(fā)生形變直至破裂對(duì)核桃仁的損傷，從而得到較高的整仁率。

圖4 核桃殼含水率與核桃破裂做功的關(guān)系

Figure 4 Relationship between walnut rupture energy and moisture content

圖5 三維模型和網(wǎng)格劃分

圖6 應(yīng)力應(yīng)變有限元分析

表2 沿長(zhǎng)、寬、厚3個(gè)方向破殼的效果

表3 不同破殼方式破殼的效果

5 結(jié)論

含水率、加載速度、加載方向均對(duì)新豐核桃破殼時(shí)的機(jī)械性能有一定影響。含水率大小改變了物料的韌性，新豐核桃殼的含水率大小對(duì)其機(jī)械性能影響較為明顯。通過(guò)對(duì)核桃殼破裂的有限元分析，結(jié)合破殼試驗(yàn)分析得出：沿核桃殼厚度方向周?chē)M(jìn)行擊打破殼，能達(dá)到較好的破殼取仁效果，核桃仁的完整率較高，未完全破殼率較低，有利于機(jī)械化的破殼取仁。對(duì)核桃在工廠(chǎng)機(jī)械化加工時(shí)如何使核桃保持在厚度方向破殼的因素和條件還未系統(tǒng)研究，如何在機(jī)械化的高生產(chǎn)率加工中使核桃按照特定姿態(tài)下完成破殼，從而得到較好的破殼效果將是今后研究的重點(diǎn)。