栗 文 張 宏 唐玉榮 胡蕓莎 蘭海鵬 劉 揚 沈柳楊

(塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300)

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薄皮核桃機械分級與破殼特征提取研究

栗 文 張 宏 唐玉榮 胡蕓莎 蘭海鵬 劉 揚 沈柳楊

(塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300)

為提取不同品種薄皮核桃的機械分級與破殼共性特征，擴展薄皮核桃分級與破殼取仁工藝適應性，以產(chǎn)于新疆和云南的4種薄皮核桃為研究對象，通過基礎參數(shù)測量和力學壓縮特性試驗研究薄皮核桃的尺寸、質(zhì)量和壓縮力學特性的差異和共性規(guī)律。結(jié)果表明：不同品種樣品核桃的結(jié)構(gòu)特性和壓縮力學特性呈現(xiàn)的變化規(guī)律相似，基于試驗參數(shù)內(nèi)任意種核桃設計的機械破殼設備，對薄皮核桃分級與破殼均具有較好的適應性。為不同品種的薄皮核桃篩選分級、破殼取仁工藝和相關(guān)破殼機械設計提供了參考依據(jù)。

核桃；分級；壓縮；力學特性；共性；差異

核桃破殼取仁是核桃加工環(huán)節(jié)的一大難題。傳統(tǒng)核桃破殼方式是人工砸取破殼，生產(chǎn)效率低，破殼質(zhì)量亦無法保證；機械破殼可針對不同的核桃采取相應的破殼方式，已經(jīng)成為核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢[1-2]。核桃殼的結(jié)構(gòu)和力學特性是機械破殼設備設計的基本依據(jù)，不同地區(qū)不同品種核桃力學特性存在差異，但結(jié)構(gòu)相似、殼厚度接近的品種間力學特性又存在較多的共性[3-6]。中國學者圍繞這一課題做了諸多研究，李軍政等[7-8]通過對山核桃的尺寸、壓縮式機械破殼的臨界壓力、壓縮量、壓縮速度等研究，發(fā)現(xiàn)壓縮峰值力與壓縮量的大小直接影響機械破殼的性能；史建新等[9-10]采用有限元分析法分別建立了核桃的幾何模型與核桃破殼的有限元模型，通過對核桃脫殼的應力分布規(guī)律的分析，發(fā)現(xiàn)核桃殼變形量不大，且產(chǎn)生局部裂紋點多、裂紋點易擴展的最佳施加方式；何義川等[11-12]通過有限元分析法建立了新疆薄皮核桃的力學模型，研究了核桃不同的受壓部位產(chǎn)生的應力差異；本課題組[13]前期用不同的加載速度和加載方向?qū)Σ煌实臏?85核桃進行壓縮破殼試驗，分析了各個力學參數(shù)對核桃壓縮破殼的影響。新疆和云南是中國薄皮核桃的兩大主產(chǎn)區(qū)，兩地區(qū)不同品種核桃結(jié)構(gòu)與力學特性存在一定的共性和差異，關(guān)于不同品種薄皮核桃間機械分級與破殼共性特征提取方面的研究中國尚未見報道。

本研究擬選取兩地區(qū)最具代表性且厚度接近的薄皮核桃[新疆溫185核桃(W185)、云南保山細香核桃(XX)、大理漾濞泡核桃(YBP)和楚雄大姚三臺核桃(DYST)]，研究其結(jié)構(gòu)特性與壓縮力學特性的差異和共性規(guī)律，旨在為薄皮核桃機械破殼取仁工藝及設備的參數(shù)設計和校正提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗材料

溫185核桃：產(chǎn)自新疆阿拉爾市；

細香核桃：產(chǎn)自云南保山市；

漾濞泡核桃：產(chǎn)自云南大理市；

大姚三臺核桃：產(chǎn)自云南楚雄市。

1.1.2 儀器設備

游標卡尺：0～150 mm，測量精度0.01 mm，上海安亭科學儀器廠；

電子天平：FA1104型，測量精度0.001 g，上海安亭科學儀器廠；

萬能材料試驗機：WD-D3-7型，上海卓技儀器設備有限公司。

1.2 方法

1.2.1 核桃結(jié)構(gòu)特征測量方法 對4個品種核桃進行篩選，剔除有病害、畸形、已破殼的核桃，每個品種隨機挑選90個作為試驗樣品。使用游標卡尺按圖1所示方法分別測量各個試驗樣品的橫向、縫向、縱向尺寸，同時使用電子天平稱取其質(zhì)量。

a. 橫向尺寸 b. 縱向尺寸 c. 縫向尺寸

根據(jù)文獻[14～15]，采用近似球度公式表示核桃的外觀特征，核桃的三維尺寸與球度的關(guān)系可表示為：

(1)

式中：

Q——球度；

D近似——球體近似直徑，mm；

D最大——最大直徑，mm；

a——橫向尺寸即核桃沿著短軸方向的最大尺寸，mm；

b——縱向尺寸即核桃沿著長軸方向的最大尺寸，mm；

c——縫向尺寸即核桃沿著縫合線短軸方向的最大尺寸，mm。

1.2.2 核桃壓縮力學特性試驗方法 將每個品種的試驗樣品隨機分為3組，每組30個，并標記編號；壓縮破殼試驗用萬能材料試驗機，采用單因素試驗設計方法。萬能材料試驗機的加載速度200 mm/min，預加載量50 mm/min，試驗數(shù)據(jù)每間隔0.02 s記錄一次[13]；利用平板壓頭分別從橫向、縫向、縱向3個方向進行壓縮破殼試驗，并記錄試驗數(shù)據(jù)。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理方法 試驗數(shù)據(jù)處理用Excel軟件和Origin 8.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)構(gòu)特征分析

2.1.1 表面特征分析 每個品種核桃表面均有不規(guī)則的網(wǎng)格脈絡，但是W185核桃表面光潔，網(wǎng)格脈絡無明顯突出和凹陷，觸手光滑細膩，果仁飽滿，但殼仁間縫隙大；而XX、YBP、DYST核桃表面粗糙，網(wǎng)格脈絡的凸點和凹陷明顯且較多，果仁較飽滿，殼仁間縫隙較小，見圖2。

圖2 4個品種核桃

2.1.2 尺寸與質(zhì)量分析 由圖3可知：W185、XX的三維尺寸較大，YBP、DYST的三維尺寸較??；各品種核桃的橫向尺寸相差不大，主要分布在35～38 mm，DYST的橫向尺寸偏小;各品種縫向盡寸的差異尤為突出，W185的縫向尺寸較大，主要分布在35～37 mm，其他3個品種核桃的縫向尺寸主要分布在31～33 mm；W185、XX的縱向尺寸主要分布在40～43 mm，YBP、DYST的縱向尺寸分布較廣，大致范圍分別在39～42，36～41 mm；W185、XX的質(zhì)量主要分布在12～14 g，YBP、DYST的質(zhì)量分布較廣，大致范圍在10～14 g；DYST的三維尺寸和質(zhì)量均較小。

由表1可知，同一品種核桃的三維尺寸相差較大，其中以縱向尺寸最大、橫向尺寸次之、縫向尺寸最??；比較各品種三維尺寸和質(zhì)量的平均值表明，W185、XX和YBP對應的三維尺寸值和質(zhì)量值相近，DYST對應的三維尺寸值和質(zhì)量值較??；各品種核桃的平均球度相差無幾并且都比較大，其中W185最大。

4個品種核桃的結(jié)構(gòu)特征變化規(guī)律一致，尺寸和質(zhì)量無明顯差異。試驗參數(shù)范圍內(nèi)樣品核桃的最大尺寸為46.8 mm(XX)，最小尺寸為24.76 mm(DYST)，設置核桃篩選分級機構(gòu)的參數(shù)(20～50 mm)可以達到用一種分選機構(gòu)對不同品種的核桃進行篩選分級的目的。

圖3 尺寸、質(zhì)量關(guān)系圖

品種橫向尺寸/mm最大值最小值平均值縫向尺寸/mm最大值最小值平均值縱向尺寸/mm最大值最小值平均值質(zhì)量/g最大值最小值平均值平均球度W18541.7734.2437.0038.2832.7535.7045.2936.0541.2716.338.0113.410.918XX44.2928.2437.5935.5128.4132.2446.8035.7241.1717.508.3413.110.893YBP41.7431.1336.7837.8528.6832.2546.1534.6840.2619.113.8012.980.900DYST40.5629.2935.3735.9024.7630.5745.5832.4738.9616.445.5611.560.891

2.2 壓縮力學特性的試驗

由圖4可知：核桃壓縮破殼的受力過程大致可以分為3個階段：線性階段、屈服階段和殼仁共同受力階段。核桃壓縮破殼的線性階段，4個品種核桃的變化差異顯著，破殼壓力隨形變量的增大而呈較大的線性變化，破殼壓力與形變量的變化規(guī)律大致符合一元一次函數(shù)；核桃壓縮破殼時，剛度的大小與核桃的球度直徑呈負相關(guān)[11]，不同地區(qū)核桃首次屈服所需施加加載力變化從大到小依次為：DYST>W185>XX>YBP(除橫向壓縮時，W185與DYST順序顛倒之外)；屈服階段與殼仁共同受力階段核桃所受到的壓縮力隨著變形量的增大呈逐漸上升的趨勢，DYST、W185所需的加載力大于XX、YBP的。

由表2可知，樣品首次屈服的最大壓力為198.26 N(DYST)，最小壓力為66.19 N(YBP)，不同品種的核桃，相同方向的加載方式，YBP首次屈服所需加載的破殼力最小、XX次之、W185第三、DYST需要的加載力最大(橫向壓縮除外)；同一品種的核桃，采用不同方向加載方式，首次屈服所需加載的破殼力大小依次為：縱向壓縮、縫向壓縮、橫向壓縮(YBP縫向壓縮大于其縱向壓縮的破殼力)，與李勇等[13]研究溫185核桃壓縮力學特性結(jié)果一致。合理設計核桃機械破殼的參數(shù)，亦可以實現(xiàn)用一種破殼機對不同品種的核桃進行破殼取仁的目的。

表2 各品種不同加載方向壓縮試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計?

?S表示首次屈服形變量；F表示首次屈服壓力值。

圖4 同一加載方式不同品種核桃對比圖

3 結(jié)論

表面結(jié)構(gòu)方面，W185與XX、YBP、DYST存在較大的差異；在尺寸和質(zhì)量2個方面呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，即大小順序依次為W185、XX、YBP、DYST；在不同方向力學加載下，各品種核桃的壓縮力學特性變化規(guī)律基本相似。本研究著眼于討論核桃不同品種間的結(jié)構(gòu)特性和壓縮力學特性的共性和差異，為實現(xiàn)同一種破殼機械對不同品種薄皮核桃進行破殼取仁提供了試驗依據(jù)。本試驗暫未對不同品種核桃破殼的破殼率、高露仁率和碎仁率的比較研究。

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Study on feature extraction of shell breaking and machine grading of thin shell walnut

LI Wen ZHANG Hong TANG Yu-rong HU Yun-shaLANHai-pengLIUYangSHENLiu-yang

(CollegeofMechanicandElectrical,TarimUniversity,Alaer,Xinjiang843300,China)

In order to extract the common features about machine grading and shell breaking of different walnut, and extend the adaptability of thin skinned walnut for classification and shell breaking, for kinds of walnuts were chosen as the research objects, including 185 walnut of Xinjiang (W185), xixiang walnut of Baoshan Yunnan (XX), Yangbipao walnut of Dali (YBP), Dayao three Tai walnut of Chuxiong (DYST). Studied the differences and commonness of size, mass and compressive mechanical properties of thin walnut by basic parameter measurement and mechanical compression test. Using Excel software and Origin software to deal with the test data, the results of the study showed that: The change rule of structural characteristics and compressive mechanical properties of different walnut varieties were similar; The mechanical crushing equipment based on any kind of walnut design in the test parameters had good adaptability to the classification and crushing of the walnut walnut. The test results can provide references for different varieties of thin-skinned walnut screening and shell breaking extraction process and related crust mechanical design.

walnut; grading; compress; mechanical property; commonness; difference

國家自然基金資助項目(編號：31660475，31160196)；兵團科技攻關(guān)計劃項目(編號：2014BA014，2015AB039)

栗文，男，塔里木大學在讀碩士研究生。

張宏(1975—)，男，塔里木大學教授，博士。 E-mail:zhghog@163.com

2017—03—07

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.06.018