云南漾濞核桃定向破殼設備的設計與研究

劉海江,王應彪,羅思藍,張賽,陳 健

云南漾濞核桃定向破殼設備的設計與研究

劉海江,王應彪*,羅思藍,張賽,陳 健

西南林業大學 機械與交通學院, 云南 昆明 650224

針對因核桃破殼效果不佳而產生的云南核桃產業生產產能不足的問題，對漾濞核桃進行了破殼受力仿真與分析并設計了云南漾濞核桃定向破殼設備。使用Solidworks軟件對核桃建立幾何模型，并使用Simulation有限元軟件對核桃不同方向的受力進行了仿真與分析，結果顯示：在橫軸方向施加范圍分布載荷是最佳的破殼方向和方式，核桃最大位移0.282692 mm，最大應力3.92881e+007 N/m^2，應變范圍廣裂紋分布范圍大且位移量較小不會傷及核桃仁。在破殼設備的設計中采用了差速帶定向的方法對核桃做定向處理，對破殼裝置的擠壓頭做了鑲嵌橡膠材料的處理用來提供給核桃一對范圍分布載荷，滿足了核桃破殼所需的高整仁率和高脫殼率。

核桃; 定向破殼; 力學分析; Solidworks; 有限元分析

核桃產業是云南省的重要產業，云南省129個縣區90%以上種植核桃，核桃種植面積居全國首位[1]。核桃破殼技術制約著核桃產業化的發展。近年來，逐漸有學者提出定向破殼在核桃破殼中的優越性[2]。目前農產品的定向處理一般為設備與農作物之間產生的振動或摩擦力使農作物調整空間姿態來實現定向處理，如玉米種子的定向排列[3]，鮮杏的差速帶擠壓摩擦定向[4]，蘋果的摩擦輪與摩擦帶結合實現定位運輸[5]，大棗的定向棍搓動旋轉實現定向等[6]。本文通過對云南漾濞核桃外觀特性的研究與基于有限元分析的核桃破殼力學分析，確定了破殼的定向位置及差速帶夾持定向的方式，設計了定向破殼設備的結構，確定了其技術參數。

1 核桃破殼有限元分析

1.1 漾濞核桃外觀特性研究

云南漾濞核桃市場上最常見的品種為白皮103果。使用游標卡尺對隨意挑選的100顆白皮103果進行縱向，橫向，棱向三軸尺寸和核桃殼厚的測量，如圖1所示。測量統計結果如表1所示。

圖 1 核桃外觀特性測量示意圖

表 1 白皮103果外觀物理特性測定結果

1.2 有限元模型的建立

根據對漾濞核桃外觀特性的研究，取縱向尺寸36.52 mm，橫向尺寸32.432 mm，棱向尺寸29.037 mm，核桃殼壁厚1.3 mm；因殼仁間隙較小不宜測量，參考文獻[11]取殼仁間隙1.8 mm。使用三維建模軟件Solidworks對云南漾濞核桃進行建模并用Simulation有限元仿真分析軟件其進行有限元靜力學分析。

漾濞核桃果殼和果仁纖維化不明顯，因此可以將果殼和果仁的近似假定為各向同性材料[8]。參考生物材料及其他堅果類殼體的泊松比設定核桃殼彈性模量10 MPa，泊松比0.29，核桃仁彈性模量取核桃殼的10%，取1 MPa[12]。Simulation提供固體網格、中面、表面三種網格劃分方法，取實體網格對核桃殼和核桃仁進行劃分[10]，單元大小為1.05218 mm，公差為0.052609 mm，節點總數為41170，單元總數為21352，建立好的高品質網格有限元模型如圖2所示。

圖 2 核桃網格圖

Fig.2 Walnut grid

圖 3 核桃縱軸載荷圖

1.3 有限元分析

分別對核桃的不同位置施加不同的載荷。

1.3.1 在核桃縱軸方向施加載荷對核桃縱軸方向施加300 N的法向集中力[8]，如圖3所示。對核桃縱向方向施加載荷的靜態應變力，靜態位移，靜態應變如圖4所示。

如圖4所示，當對縱軸方向施加300 N集中法向力時，核桃在施加載荷處存在最大位移1.749 mm，核桃的應力應變主要出現在核桃縱軸頂部的小曲面區域，且由受力點向外逐步擴散并減小，但沒有沿裂紋擴展。由此可推斷出：核桃受力時施加載荷處最先破裂逐步向核桃中心擴散，只會出現局部破裂的情況，且破裂過程中會傷及核桃仁，不滿足高質量破殼的要求。對核桃縱軸方向的有限元分析結果如表2所示。

圖 4 核桃縱軸方向有限元分析結果圖

表2 核桃縱軸方向的有限元分析結果

1.3.2 在核桃棱軸方向施加載荷對核桃棱軸方向施加300 N的法向集中力[8]，如圖5所示。對核桃縱向方向施加載荷的靜態應變力，靜態位移，靜態應變如圖6所示。

圖 5 核桃棱向載荷圖

圖 6 核桃棱軸方向有限元分析結果圖

如圖6所示，當對棱軸方向施加300 N集中法向力時，結果與縱軸方向施加載荷類似。核桃在施加載荷處存在最大位移5.38756 mm，此位移量遠遠大于核桃殼仁間隙1.8 mm，不利于整仁率的破殼要求。如圖4（a），圖4（c）靜態應力圖與靜態應變圖相差不大，由此可知核桃在施加載荷處出現裂縫并沒有沿裂紋線向外擴展，而是局部破裂，不利于較大脫殼率的破殼要求。

對核桃縱軸方向的有限元分析結果如表3所示。

表 3 核桃棱軸方向的有限元分析結果

1.3.3 在核桃橫軸方向施加不同載荷對核桃橫軸方向施加300 N的法向集中力[8]，如圖7所示。對核桃橫向方向施加法向集中力的靜態應變力，靜態位移，靜態應變如圖8所示。

圖 7 核桃橫向法向集中力載荷圖

圖 8 核桃橫軸方向法向集中力有限元分析結果圖

如圖8所示，當對橫軸方向施加300 N集中法向力時，核桃在施加載荷處存在最大位移1.14553 mm，核桃的應力應變主要出現在核桃縱軸頂部的小曲面區域，且由受力點向外逐步擴散并減小，如圖8（a），圖8（c）靜態應力圖與靜態應變圖存在較小差別，由此可知核桃受力破裂時存在細微的裂紋擴展，但效果依然不能滿足高脫殼率的破殼要求。

對核桃橫軸方向法向集中力的有限元分析結果如表4所示。

比較對核桃的縱軸，棱軸，橫軸三個方向施加300 N的法向集中的有限元分析結果可知：對縱軸施加載荷，其脫殼率不高；對棱軸施加載荷其整仁率不高；對橫軸施加載荷其脫殼率和整仁率較對縱軸和棱軸施加載荷的破殼效果好，但仍不能保證高脫殼率和高整仁率的破殼要求。

表4 核桃橫軸方向法向集中力的有限元分析結果

對核桃橫軸方向施加300 N的范圍集中力[8]，如圖9所示。對核桃橫向方向施加范圍分布力的靜態應變力，靜態位移，靜態應變如圖10所示。

如圖10（a）所示，當對橫軸方向施加300 N范圍分布力時，當應力值到達屈服力200e+007 N時核桃破裂產生裂紋。如圖10（b）所示，核桃在施加載荷的曲面范圍內產生均勻的破殼位移0.282692 mm，位移遠遠小于殼仁間隙1.8 mm，不會傷及核桃仁。如圖10（c）所示，核桃受力產生的應變范圍廣，與圖10（a）相比核桃靠近縫合線的兩側有明顯差異，說明裂紋擴展廣，核桃在施加載荷處破裂后沿裂紋繼續分裂，不會形成局部破殼的情況。

圖 9 核桃橫向范圍分布力的載荷圖

Fig.9 Walnut load chart of distribution force in transverse axis

圖10 核桃橫軸方向范圍分布力有限元分析結果圖

對核桃橫軸方向范圍分布力的有限元分析結果如表5所示。

表5 核桃橫軸方向范圍分布力的有限元分析結果

綜合以上對核桃的不同位置施加不同的載荷的有限元分析得出：對核桃橫軸方向施加范圍分布力可保持破殼的高整仁率，高脫殼率，滿足高質量破殼的要求。

2 破殼設備的結構和工作原理

2.1 整機結構

根據基于有限元分析的核桃破殼力學分析可知：對核桃橫軸方向施加范圍分布力為最佳的破殼方式。這就要求核桃破殼設備要有定向裝置，且破殼裝置能夠對核桃施加范圍分布力。

本文研究的云南漾濞核桃定向破殼設備總體結構如圖11所示。由7部分組成：入料裝置，分選裝置，排列裝置，定向裝置，破殼裝置，料斗，機架；分選裝置采用篩籠式分選，定向方式采用差速帶夾持定向，破殼方式采用擠壓破殼。三相異步電機提供電力，整機外形尺寸為3000 mm×930 mm×1050 mm，整機質量120 kg，電機功率1.5 kW，扭矩14.3 Nm。

2.2 工作原理

將待加工的核桃倒入入料裝置（1），核桃落入分級裝置（2）中，由自身重力和離心力的作用將核桃分為四級待加工，分級后的核桃經分級裝置出料口（4）落入排列裝置（5），排列裝置（5）將核桃一一排列運輸至定向裝置（14），在最小作用量原理的作用下將核桃以橫軸垂直于地面的方向輸送至破殼裝置（11），最終破殼裝置（11）對運送至破殼工位的核桃擠壓破殼，完成破殼的核桃落入料斗（9），破殼工作結束。

圖 11 云南漾濞核桃定向破殼設備

1.入料裝置 2.分選裝置 3.螺旋葉片 4.分選裝置出料口 5.排列裝置 6.排列定位條 7.運輸鏈 8.機架 9.料斗 10.三相異步電機 11.破殼裝置 12.導管 13.限高梁 14.定向裝置 15.排列裝置出料口 16.側面帶轉軸

1. Feeding device 2. Sorting device 3. Spiral blade 4. Sorting device outlet 5. Arrangement device 6. Arrangement positioning bar 7. Transport chain 8. Frame 9. Hopper 10. Three-phase asynchronous motor 11. Shell breaking device 12. Conduit 13. Limited sorghum 14. Directional device 15. Arrangement device outlet 16. Side with rotating shaft

3 主要工作部件及技術參數

3.1 分選裝置設計

本云南漾濞核桃定向破殼設備的分選裝置采用篩桶式分選，采用不同的篩網尺寸在離心力和核桃自身重力的作用下對投入篩桶的核桃進行分級。分選裝置主要由篩桶（2），葉片軸（3），螺旋葉片（4），分選出料口（5）組成，分選裝置結構如圖12所示。

落入分選裝置的核桃由螺旋葉片（4）的推動自左向右移動，分別在對應的分選區間落下。核桃外觀呈近球形，當核桃投入篩桶（2）時以任意姿勢待分選，為核桃分選完全，避免因核桃各方向尺寸的差異而導致分選效果不好的情況，根據對云南漾濞核桃白皮103果的外觀特性的測定，將占大比例分布的25~45 mm尺寸數值分為ABCD四級分選。篩網分選間隙參數見表6。

圖 12 分選裝置結構圖

1.入料裝置 2.篩桶 3.葉片軸 4.螺旋葉片 5.分選出料口

1. Feeding device 2. Screen barrel 3. Blade shaft 4. Spiral blade 5. Separation outlet

表6 分選間隙參數

考慮云南漾濞核桃定向破殼設備的結構合理性要科學合理的設計A、B、C、D四區間的長度，根據經驗公式[16]，篩桶分級設計應秉承各級篩網長度L與各級下篩的核桃數量N的函數關系為：

式中：L-A分選區間長度/mm；L-B分選區間長度/mm；L-C分選區間長度/mm；L-D分選區間長度/mm；N—待分選核桃數量/mm。

合理擬定篩網總長度為820 mm。計算得L:L:L:L=300:277:126:21。合理調整后取L=300 mm，L=250 mm，L=150 mm，L=120 mm。

根據核桃在篩桶（2）內的運動規律，同時為方便分析核桃的受力情況，我們將核桃在分級裝置篩桶（2）內的運動分為：受螺旋葉片（4）給的推動力沿篩桶（2）軸線方向的直線運動；受離心力和核桃自身重力于垂直于篩桶（2）軸線的平面內做的斜拋運動。根據對核桃在篩桶（2）運動規律和受力分析，計算得葉片軸（3）最高轉速76.43 r/min，正常工作轉速34.3 r/min。

3.2 排列裝置設計

排列裝置由四條排列通道組成，每條排列通道有一條運輸鏈（2），每個鏈節焊接有一個長50 mm的定位條（4），兩個相鄰的定位條形成一個果仁槽。排列裝置有兩個鏈軸（3），四條運輸鏈（2），每條運輸鏈（2）上有38個定位條（4）兩兩形成37個果仁槽，其長寬高均為50 mm。排列入料口（1）與分選出料口間隙配合，當核桃經過分選出料口進入排列入料口（1）時。鏈軸轉動，核桃則被一一排列運輸至排列出料口（5）進入定向裝置。排列裝置結構如圖13所示。

圖 13 排列裝置結構圖

1.排列入料口 2.運輸鏈 3.鏈軸 4.定位條 5.排列出料口

1. Arrangement of inlet and outlet 2. Transportation chain 3. Chain shaft 4. Location bar 5. Arrangement of products outlet

式中：-頻率；-轉速；-齒數。計算得排列裝置運輸鏈轉速=14.1 r/min。

3.3 定向裝置設計

根據基于有限元分析的核桃破殼力學分析可知：對核桃橫軸方向施加范圍分布力為最佳的破殼方式。這就要求定向裝置的設計要求是將隨機姿態進入定向裝置的核桃以橫軸垂直底面的姿態輸出。

定向裝置分為四通道定向作業工作區，如圖14所示，每個通道由四條差速帶實現定向，差速帶橫截面呈近三角形布置，兩側帶速度相同轉向相反，兩底部帶（3）速度相同轉向相同且帶速比兩側帶速度大，兩側差速帶有對應放置的彈性夾片（2）對帶進行向內夾持，定向裝置的四個出料端設計有限高梁（4），限高梁（4）可通過高度為對應工位的核桃橫向尺寸。

圖 14 定向裝置結構圖

1.側面帶棍軸 2.彈性夾片 3.底面帶 4.限高梁

1. Side with stick axle 2. Elastic clip 3. Bottom tape 4. Limited beam

圖 15 核桃定向過程中的受力分析圖

3.3.1 定向原理及受力分析最小作用量原理是物理學中描述客觀事物規律的一種重要方法[13]。其內容是說：從某一個特定角度比較客體一切可能的運動，認為客體的實際運動可以由作用量求極值得出，作用量最小的那個運動軌跡即為客體的實際運動。本云南漾濞核桃定向破殼設備的定向裝置工作原理即以最小作用量原理為理論基礎，核桃在定向裝置中的受力分析圖如圖15所示。

如圖15所示：FO1，FO2為側面帶對核桃的摩擦力，方向與核桃運動方向相反；FI1，FI2為底部帶對核桃的摩擦力，方向與核桃運動方向相反；FP1，FP2為側面帶對核桃的擠壓力，方向為過接觸點指向核桃質心；FQ1，FQ2為底部帶對核桃的支撐力，方向垂直帶面向上。

核桃在定向裝置中的受力分析為：

（1）當核桃縱軸垂直于側面帶進入定向裝置時，側面帶對核桃的擠壓力FP1，FP2達到最大值，且核桃左右兩側有輕微尺寸差異，側面帶對核桃的摩擦力FO1，FO2大小也有輕微差別，這樣就使擠壓力FP1，FP2和核桃的質心存在力矩，核桃會調整自身姿勢發生扭轉，核桃縱軸向與側面帶方向平行的趨勢偏轉；

（2）當核桃縱軸與側面帶呈45°角時，兩側面帶對核桃的擠壓力FP1，FP2隨縱軸與兩側面的角度的減小而減小，兩側面帶對核桃的摩擦力FO1，FO2隨縱軸與兩側面的角度的減小而增加（接觸面積增加），兩底面帶對核桃的摩擦力FI1，FI2變化不大，此時核桃的縱軸依然向與側面帶方向平行的趨勢偏轉，核桃依然在調整自身姿勢發生扭轉；

（3）當核桃縱軸與兩側面方向平行時，兩側面對核桃的擠壓力FP1，FP2此時達到最小值，兩側面對核桃的摩擦力FO1，FO2逐漸增大，此時核桃不斷以縱軸始終與側面帶平行的姿勢發生自轉，核桃運動逐漸趨向穩定。即棱軸始終與側面帶垂直，當核桃自傳運動至限高梁時，限高梁允許橫軸垂直地面的核桃通過，若核桃縱軸垂直底面將原地繼續做自轉運動，當橫軸垂直于地面時核桃通過限高梁，進入破殼裝置。

3.3.2 定向裝置參數設計由圖15核桃定向過程中的受力分析，可知兩側面帶負責保持合理的夾持和約束作用并配合底面帶對核桃形成對核桃質心的力矩和轉動阻力距。因此兩側面帶的摩擦系數要小于兩底面帶的摩擦系數，經查詢市場相關傳送帶的材料確定了兩側面帶的材料為較為光滑的PVC帶，兩底面帶的材料為摩擦系數高的錦綸復合平帶。

為避免處于定向裝置中的兩兩核桃之間相互影響，兩兩核桃之間要有一定的間距。參照梁勤安[15]等對鮮杏有效距離的研究確定鮮杏之間距離為147~205 mm。考慮核桃比鮮杏的尺寸大，所以兩兩核桃之間相互影響比鮮杏大，則取兩兩核桃之間保持250 mm的距離。結合排列裝置的轉速，綜合選取兩轉向相反的側面帶轉速為0.25 m/s，兩轉向相同的底面帶轉速為0.5 m/s。

根據經驗公式[4]=1.25max

式中—側面帶帶寬/mm；max—對應定向通道內核桃的最大尺寸/mm。由上式計算可得各工位側面帶寬度見表7。

表 7 各工位側面帶寬度

參照劉向東等針對三通道鮮杏定向運輸裝置中的夾持片的夾持力研究可知[4]，鮮杏適用的彈簧加持片的夾持力變化區間為1.6至70 N。核桃較鮮杏尺寸較大，且表面粗糙度較大，因此不需要像鮮杏適用的夾持片一樣大的夾持力，經綜合分析取適用于核桃定向裝置的彈性夾片的夾持力的變化區間為1.6至50 N。

3.4 破殼裝置設計

根據基于有限元分析的核桃破殼力學分析可知：對核桃橫軸方向施加范圍分布力為最佳的破殼方式。這就要求破殼裝置需要對經過定向處理的核桃施加一對范圍分布力，實現高質量破殼。

破殼裝置結構示意圖如圖15所示。破殼裝置采取擠壓的方式對核桃進行破殼。渦輪蝸桿嚙合和齒輪齒條的嚙合傳遞電動機的動力，上壓頭滑塊（6）在傳動機構的作用下做上下往復運動，上壓頭（9）通過螺紋連接安裝在上壓頭滑塊（6）下部與下壓頭（12）配合對核桃進行施加載荷，且上壓頭（9）與核桃接觸的表面鑲嵌一層1.5 mm厚的橡膠材料。下壓頭（12）安裝在下壓頭棍上，有四個工位呈90°圓周分布，下壓頭棍通過間歇機構與工作主軸聯接。破殼裝置還設計有微調螺母（5），通過微調螺母（5）與二號齒條（7）和三號齒條（8）嚙合對核桃的擠壓間隙做微調處理。

圖 15 破殼裝置結構

1.撥盤 2.擺齒 3.一號齒輪 4.一號齒條 5.微調螺母 6上壓頭滑塊.7.二號齒條8.三號齒條 9.上壓頭 10.導管 11.螺桿 12.下壓頭

1. Dial disc 2. Swing teeth 3. No. 1 gear 4. No. 1 rack 5. Fine tuning nut 6 upper pressure head slider. 7. No. 2 rack 8. No. 3 rack 9. Upper pressure head 10. Conduit 11. Screw 12. Downward pressure head

三相異步電機提供動力，帶動破殼主軸轉動，破殼主軸上安裝有間歇傳動機構聯接下壓頭棍軸。當核桃經定向裝置定位從導管（10）滑落至下壓頭（12）破殼工位時，主軸轉動，帶動螺桿（11）轉動，螺桿（11）與一號齒輪（3）嚙合，一號齒輪（3）轉動，從而帶動撥盤（1）旋轉，撥盤（1）上的凸臺帶動擺齒（2）轉動，擺齒（2）的齒輪部分與上壓頭滑塊（6）上的一號齒條（4）嚙合，從而上壓頭滑塊（6）在擺齒（2）的帶動下做上下往復運動，當上壓頭（9）到達最底部行程時，上壓頭（9）與下壓頭（12）對待破殼的核桃進行擠壓，完成破殼動作，此時經間歇機構的傳動下壓頭棍軸轉動，下壓頭（12）做90°旋轉，將破殼完成的核桃落入出料裝置，上壓頭（9）復位，進入下一輪破殼工作。

4 結語

根據基于有限元分析的核桃破殼力學分析可知：在橫軸方向施加范圍分布載荷核桃最大位移0.282692 mm，最大應力3.92881e+007 N/m^2，應變范圍廣裂紋分布范圍大且位移量較小不會傷及核桃仁。所以對核桃橫軸方向施加范圍分布力為最佳的破殼方式。

本文設計了云南漾濞核桃定向破殼設備，采用差速帶定向的方法設計了定向裝置，可使核桃以橫軸方向的姿態施加載荷。采用擠壓破殼的方法設計了破殼裝置，對壓頭做了鑲嵌橡膠材料的處理，以達到對核桃施加范圍分布力的效果。

該云南漾濞核桃定向破殼設備與傳統核桃破殼機構有明顯差異。可有效的提高核桃破殼中的整仁率和脫殼率，對云南漾濞核桃破殼方式提供了一種的技術借鑒。

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Design and Research on Directional Shell Cracking Equipment for Yangbi Yunnan Walnut

LIU Hai-jiang, WANG Ying-biao*, LUO Si-lan, ZHANG Sai, CHEN Jian

650224,

In order to solve the problem of insufficient production capacity of Yunnan walnut industry caused by the poor effect of walnut shell breaking, we simulated and analyzed the shell breaking force of the walnut and designed the directional shell breaking equipment of the walnut. Solidworks software was used to establish the geometric model of walnut, and simulation finite element software was used to simulate and analyze the forces exerted on walnut in different directions. The results showed that the range distribution load applied in the transverse axis direction was the best way to break the shell, the maximum displacement of walnut was 0.282692 mm, the maximum stress was 3.92881e+007 N/m^2, the strain range was wide, the crack distribution range was large and the displacement was small, which will not hurt walnut kernel. In the design of shell breaking equipment, the method of differential speed band orientation was used to conduct directional treatment on walnut, and the extrusion head of shell breaking device was treated with inlaid rubber material to provide a pair of range distribution load for walnut, which met the requirements of walnut shell breaking with high kernels and high hulling rate.

Walnut; directional cracking; mechanical analysis; Solidworks; finite element analysis

S2

A

1000-2324(2020)03-0487-08

10.3969/j.issn.1000-2324.2020.03.019

2019-03-01

2019-03-28

云南省教育廳科學研究基金項目(2019J0186);西南林業大學校級科研專項(111709)

劉海江(1995-),男,碩士研究生,研究方向:農業機械化工程. E-mail:515012869@qq.com

Author for correspondence. E-mail:wybjob@163.com