劉明政，李長河，曹成茂，吐魯洪·吐爾迪，李心平，車 稷，楊會民，張效偉，石明村，趙華洋，高連興，何光贊，賈東洲，李寒松

·農(nóng)產(chǎn)品加工工程·

核桃分級破殼取仁及殼仁分離關(guān)鍵技術(shù)與裝置研究進展

劉明政1，李長河1※，曹成茂2，吐魯洪·吐爾迪3，李心平4，車 稷5，楊會民3，張效偉1，石明村1，趙華洋6，高連興7，何光贊8，賈東洲6，李寒松9

（1.青島理工大學機械與汽車工程學院，青島 266520；2.安徽農(nóng)業(yè)大學工學院，合肥 230036；3.新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所，烏魯木齊 830011；4.河南科技大學農(nóng)業(yè)裝備工程學院，洛陽 471003；5.新疆疆寧輕工機械工程技術(shù)有限責任公司，烏魯木齊 830011；6. 內(nèi)蒙古民族大學工學院，通遼 028042；7.沈陽農(nóng)業(yè)大學工程學院，沈陽 110866；8. 四川潔能干燥設(shè)備有限責任公司，成都 610041；9. 山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院, 濟南 250200）

中國是世界核桃種植面積和產(chǎn)量第一大國，高營養(yǎng)和經(jīng)濟附加值的核桃精深加工產(chǎn)品需求量日益增加，因而核桃具有廣闊的綜合開發(fā)利用前景。核桃分級、破殼取仁和殼仁分離是初加工流程中最為關(guān)鍵的3個環(huán)節(jié)，而且是核桃精深加工必備的前道工序。然而傳統(tǒng)的手工作業(yè)方式及功能簡單的核桃初加工裝置無法滿足食品工業(yè)對核桃高品質(zhì)及批量化要求，嚴重制約核桃產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，加大核桃初加工關(guān)鍵技術(shù)及裝置的研發(fā)力度勢在必行。對于核桃分級，以尺寸特征為基礎(chǔ)，錐輥式、柵條式、篩網(wǎng)式、視覺成像式是分級裝置的4種原理?；诜旨壴?，分類總結(jié)分級裝置現(xiàn)狀及其應(yīng)用特點；不同類型裝置的多因素性能試驗可得到各自優(yōu)化參數(shù)組合。對于重點環(huán)節(jié)破殼取仁，核桃相應(yīng)物理特性是破殼裝置設(shè)計的重要依據(jù)，如球度、殼厚、含水率等直接影響核桃殼、仁的機械性能，分類總結(jié)表征不同物理特性的參數(shù)值范圍。基于物理特性，擠壓式、碰撞式、氣爆式是核桃破殼的3種主要原理，分類總結(jié)核心破殼機構(gòu)特征及其應(yīng)用，并重點介紹了3種創(chuàng)新型破殼裝置與工作原理。多因素性能試驗可優(yōu)化各類型裝置主要影響因素的參數(shù)組合。對于殼仁分離，風選式是目前相關(guān)裝置的主要應(yīng)用原理，核桃混合殼仁形態(tài)特征及物理參數(shù)是設(shè)置風速和風向的主要依據(jù)；在風選式殼仁分離機理的基礎(chǔ)上，分類總結(jié)多種殼仁分離裝置及各自多因素性能試驗下的優(yōu)化參數(shù)組合。該研究通過對核桃初加工3個關(guān)鍵環(huán)節(jié)各自對應(yīng)的核桃物理特性、工作機理、裝置及其性能優(yōu)化試驗進行系統(tǒng)性總結(jié)和綜述，期望加深對核桃初加工過程的理解，為提升核桃加工水平提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

物料特性；裂紋擴展；柔性破殼；破殼取仁；殼仁分離；裝置；核桃；分級

0 引 言

核桃，屬胡桃科植物，是世界上重要的堅果和木本糧油樹種，與杏仁、腰果、榛子并稱為“四大干果”。近年來，隨著中國經(jīng)濟迅猛發(fā)展和人民生活水平逐漸提高，核桃的營養(yǎng)和藥用價值愈發(fā)引起人們的重視，國內(nèi)外市場對核桃精深加工產(chǎn)品的需求量也日益增長。這極大促進了中國核桃栽培區(qū)域集中、種植面積增加、品種結(jié)構(gòu)改善、產(chǎn)量穩(wěn)步增長、質(zhì)量不斷提升，不僅為核桃產(chǎn)業(yè)提供了巨大的發(fā)展空間，也對中國核桃加工生產(chǎn)線配套裝置的研發(fā)提出了更為嚴格的要求。

核桃因其極強的適應(yīng)性，目前在中國已經(jīng)形成四大栽培區(qū)域，遍布全國20多個省，是種植范圍廣闊的經(jīng)濟樹種之一[1]。至2017年末，核桃種植總面積約554.7萬hm2，占全國經(jīng)濟林總面積的14.5%，有10個省的種植面積超10萬hm2[2]。中國核桃品種多達300種，其中普通核桃和山核桃是栽培最為廣泛的2個種屬[3]。普通核桃擁有多種類型，較為常見的有漾濞核桃、薄皮核桃、香玲、遼核、西林、溫185、新豐等。普通核桃和山核桃主要用于制作食品、榨取核桃油等，是消費市場上的主流品種[4]。

中國核桃產(chǎn)量逐年增加，年均增長率達11.1%，超過世界平均水平[5]。2017年中國核桃產(chǎn)量約為384.5萬t，比2011年增長了49.4%，約占全球產(chǎn)量的47%，位居世界第一[2]。這得益于國家政策的正確引導，地方財政的大力支持，核桃品種的不斷改良以及種植模式的創(chuàng)新優(yōu)化[6]。但是受自然災害影響，2018年中國核桃產(chǎn)量為326.8萬t，同比下降15.2%。經(jīng)過產(chǎn)業(yè)調(diào)控，2019年核桃產(chǎn)量約為362.7萬t，同比增長10.9%，預計至2025年國內(nèi)核桃產(chǎn)量可達510萬t[7]。雖然核桃產(chǎn)量不斷增加，但是2019年市場終端需求量整體趨于平穩(wěn)，再加上核桃產(chǎn)地收購價、批發(fā)價逐漸走低，導致核桃銷售價格已由36～40元/kg下跌到15～20元/kg[8]。然而，在核桃堅果價格下行的情況下，核桃仁價格卻依然保持穩(wěn)定[8]。由此可見，對核桃進行高質(zhì)量加工將有助于提升核桃價值，這也要求核桃產(chǎn)業(yè)進行從提高產(chǎn)量到提升品質(zhì)的轉(zhuǎn)型升級[9]。

核桃果實主要由核桃殼、核桃仁組成，核桃仁作為食用部分一直是研究熱點，在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[10-14]。隨著科技進步，經(jīng)過深入研究發(fā)現(xiàn)，核桃殼同樣具有極高經(jīng)濟附加值[15-19]。這體現(xiàn)出核桃具有綜合開發(fā)利用的廣闊前景。在對核桃綜合深加工之前，需要對核桃進行一系列的初加工，其中最為重要的環(huán)節(jié)為核桃尺寸分級、破殼取仁及殼仁分離。核桃尺寸分級是破殼取仁工序前的關(guān)鍵步驟，尤其是針對依靠部件間隙擠壓類的破殼裝置。批量核桃處于同一尺寸大小等級，既可以防止破殼程度不足，難以取仁而導致的破殼率、露仁率低，更有助于防止核桃過度破碎而對核桃仁造成機械損傷，有效提高整仁率。破殼取仁是核桃深加工前的核心環(huán)節(jié)，破殼率、整仁率的高低更是直接影響核桃仁品質(zhì)，因此，合理設(shè)計破殼取仁機構(gòu)顯得尤為重要。殼仁分離是破殼取仁的后續(xù)工序，既要有效將碎殼和果仁分離，又能同時保證核桃仁的完整性，是提升品質(zhì)的關(guān)鍵。3道工序功能依次遞進、環(huán)環(huán)相扣，合理的協(xié)同調(diào)控可以實現(xiàn)對核桃仁和核桃殼高質(zhì)高效的分類、收集。

核桃分級、破殼取仁及殼仁分離的配套裝置是核桃深加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，目前，傳統(tǒng)手工作業(yè)方式不僅成本高昂、效率低下，而且可能導致核桃仁機械損傷，甚至污染，無法適應(yīng)食品加工業(yè)大批量核桃高質(zhì)高效的生產(chǎn)模式，嚴重制約核桃產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。采用機械裝置進行加工，可以大幅提高生產(chǎn)效率，保證加工質(zhì)量，使原料升值。然而中國核桃加工技術(shù)及裝置水平滯后于發(fā)達國家。為提高中國核桃產(chǎn)業(yè)化加工水平，國內(nèi)農(nóng)業(yè)機械科研部門、大專院校等眾多科研人員分析研究國外先進的核桃加工技術(shù)，自主創(chuàng)新設(shè)計了部分相關(guān)機械裝備并已在生產(chǎn)中初步應(yīng)用，但基本都無法形成大規(guī)模效益，缺乏適合中國國情的核桃加工生產(chǎn)線配套機械裝備，許多關(guān)鍵技術(shù)還有待進一步研究。本文通過對核桃初加工中核桃分級、破殼取仁及殼仁分離3個關(guān)鍵環(huán)節(jié)各自對應(yīng)的核桃物理特性、工作機理、裝置及其性能優(yōu)化試驗進行系統(tǒng)性總結(jié)和綜述，期望對核桃初加工過程的關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化和創(chuàng)新型裝置研發(fā)提供理論依據(jù)與技術(shù)支持，進一步提升中國核桃加工水平。

1 核桃尺寸分級

核桃收獲并經(jīng)過去青皮、烘干工序之后，不同尺寸的核桃混合在一起。為了便于后續(xù)處理，提高核桃附加值，須對其進行尺寸分級處理。按尺寸大小分級符合人們在日常生活中對分級概念的理解，通過分級選出的核桃尺寸和形狀基本一致，既利于包裝貯存和加工處理，也可以作為市場銷售過程中定價的重要依據(jù)。另外，為了核桃深加工，往往需對核桃進行破殼處理，再對核桃仁和核桃殼進行收集利用。目前大部分核桃破殼裝置的設(shè)計都將核桃尺寸作為主要依據(jù)之一，因而對核桃進行尺寸分級具有重要意義。

1.1 核桃物理特性及分級原理

1）核桃物理特性

核桃的形狀特性有3個重要參數(shù)：縱徑—核桃沿長軸方向上的最大尺寸；橫徑—核桃沿短軸方向上的最大尺寸；棱徑—核桃沿縫合線短軸方向上的最大尺寸，如圖1所示。其次是球度，絕大多數(shù)核桃外形近似橢球型，滾動性較好。

1. 核桃仁 2. 核桃殼 a. 縱徑 b. 橫徑 c. 棱徑

2）核桃分級原理

機械式分級裝置以核桃尺寸為主要依據(jù)，通過某種驅(qū)動方式使核桃以一定位姿和速度按等級通過分級間隙或篩孔；核桃橢球度越高，越易通過機構(gòu)調(diào)整保持位姿一致，提高分級精度。按核心部件結(jié)構(gòu)及其工作原理，核桃分級機構(gòu)主要可分為錐輥式、柵筒式和篩網(wǎng)式3種，如表1所示。

表1 不同類型核桃分級裝置原理

1.2 核桃分級裝置

1）錐輥式核桃分級。對輥間隙漸變是錐輥式分級裝置的主要結(jié)構(gòu)特點，工作過程中分級輥相對旋轉(zhuǎn)，核桃在雙輥摩擦力作用下完成位姿的調(diào)整，其縱徑與分級輥軸線平行。核桃在分級輥上滑落過程中，橫徑或棱徑小于對輥間隙時下落到相對應(yīng)尺寸的接料箱中[20]。核桃在分級過程中逐個前進，不會造成堆積擠壓，不僅能夠保證分級精度，也避免了核桃機械損傷[21]。由于有相當部分核桃并非橢球形，所以核桃滾動時會因為姿態(tài)不同而引起分級誤差；如果核桃喂入量過大，易導致核桃堆疊而降低分級精度。

2）柵條滾筒式核桃分級。滾筒依據(jù)筒體形狀可分為圓柱形筒和錐形筒2種。

為實現(xiàn)分級，圓柱形滾筒的結(jié)構(gòu)主要有分段式和分層式2種：分段式滾筒傾斜一定角度，由3段滾筒組成，每段滾筒的柵條間隙不同，由高到低柵條間隙逐漸增大[22-23]，如圖2a所示；分層式滾筒傾斜一定角度，由3層滾筒組成，每層滾筒的柵條間隙不同，由內(nèi)到外柵條間隙逐漸減小[24]，如圖2b所示。

錐形筒自身結(jié)構(gòu)特點是柵條間隙隨筒徑變大而逐漸變大。核桃進入錐形筒在螺旋葉片的推動作用下前進，不同尺寸大小的核桃從錐形篩筒中對應(yīng)的間隙落下，實現(xiàn)核桃分級[25-26]。利用傾斜旋轉(zhuǎn)滾筒分級，一定程度上解決了堵塞問題，但核桃隨滾筒旋轉(zhuǎn)時會不斷墜落，易導致相互撞擊而造成殼體破碎，影響品質(zhì)。

3）篩網(wǎng)式核桃分級。振動篩式分級裝置是常見類型，分級篩網(wǎng)的傾角可調(diào)節(jié)，由高到低網(wǎng)孔尺寸等級逐漸變大；篩網(wǎng)以一定頻率振動，實現(xiàn)核桃位姿不斷變換。在沿篩面前進的過程中，符合對應(yīng)尺寸等級篩孔的核桃落下，實現(xiàn)核桃分級[27-28]。但是大批量核桃喂入時易導致堵塞固定大小的篩孔，無法進行分級作業(yè)，可靠性降低。

4）基于視覺成像核桃分級。隨著智能化的發(fā)展，視覺成像技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品分級中的應(yīng)用越來越普遍，研究人員按等級提取果實的尺寸、形狀等數(shù)字特征，采用智能方法進行分級，取得了良好的效果[29-30]。視覺識別系統(tǒng)如圖3所示，傳送帶輸運核桃從圖像采集箱內(nèi)穿過，CCD攝像頭實時采集每個核桃的外形圖像，分選主控制器計算出其投影大小，與儲存信息相匹配，通過電磁閥控制的多組撥片將符合尺寸等級的核桃挑出，完成分級[31]。但這種方式對實體識別精度、圖像處理準確度、軟件控制性能等具有極高要求；批量核桃輸入且識別后，后續(xù)的分級機構(gòu)尚需合理設(shè)計才可滿足工業(yè)化高效率和高精度要求。因此視覺成像核桃分級關(guān)鍵技術(shù)仍需要進一步研究。

圖2 圓柱形滾筒結(jié)構(gòu)形式

1.CCD相機 2.條形光源 3.圖像采集處理 4.下機位處理器 5.不同等級電磁閥

1.3 核桃分級裝置性能試驗

目前，針對不同類型核桃分級裝置性能的試驗研究相對較少，學者對3種典型裝置分級精度的影響因素進行了試驗探究[21,26-27]，如表2所示，得到了較優(yōu)參數(shù)，為同類型裝置的研發(fā)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

合適的間隙或孔徑是提高機械式核桃分級精度的關(guān)鍵。不同品種核桃，其尺寸級別、球度具有明顯差異，難以適應(yīng)不同類型分級裝置。因此，核桃品種類型化種植、核心分級機構(gòu)針對式研發(fā)或?qū)⒂兄谔岣叻旨壘?。目前的核桃分級機構(gòu)，對于小批量核桃能夠?qū)崿F(xiàn)良好的分級效果，但是對于大批量核桃易出現(xiàn)輸運不及時而導致的堵塞問題，合理設(shè)計大批量核桃快速輸運及位姿調(diào)整機構(gòu)是提高分級效率和精度的有效方法。通過獲取核桃形狀和尺寸特征來綜合評定核桃尺寸等級的數(shù)字圖像處理方法，為核桃分級提供了新思路，但尚需要高速、高靈敏度檢測系統(tǒng)的開發(fā)及其他綜合性分級因素的評定，更為重要的是大批量核桃快速分選裝置的研發(fā)，因此，圖像識別方式有待于在其通用性和推廣方面進一步的研究和探討。

表2 核桃尺寸分級優(yōu)化試驗

2 核桃破殼取仁

要進一步提升核桃的經(jīng)濟價值，需要對核桃進行深加工。傳統(tǒng)意義上核桃仁是最主要的應(yīng)用部位，但隨著學者對核桃的研究不斷加深，核桃殼同樣具有極為重要的應(yīng)用價值，因此核桃破殼取仁是深加工之前最重要的工序。核桃殼主要由木質(zhì)素、纖維素和半纖維素組成，果殼硬而厚、形狀不規(guī)則、內(nèi)有多段隔膜，核桃仁嵌在隔段中且殼仁間隙小。所以，將核桃殼破碎且不損傷核桃仁，再將仁從碎殼中取出較為困難。傳統(tǒng)的核桃破殼取仁方式為手工砸殼后人工取仁，不僅勞動強度大、效率低，而且衛(wèi)生狀況難以保證，嚴重影響核桃仁品質(zhì)，這也成為制約中國核桃精深加工能力的瓶頸[32]。因此，市場對核桃破殼取仁裝置的需求急迫，而性能優(yōu)異裝置的研發(fā)已成為熱點課題。

2.1 核桃物理特性及破殼機理

1）核桃物理特性

核桃殼的幾何特征直接影響破殼裝置性能，同時也為相關(guān)破殼裝置核心部件的設(shè)計提供重要基礎(chǔ)參數(shù)和依據(jù)。核桃堅果的縫合線結(jié)構(gòu)及沿縫合線的剖面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 核桃?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)

殼厚、縫合線結(jié)構(gòu)以及含水率影響核桃殼體的機械強度，進而影響破殼所需載荷，依據(jù)破殼載荷，可合理設(shè)計核心破殼機構(gòu)以及實現(xiàn)工藝參數(shù)（如相對轉(zhuǎn)速、擠壓速度、加載位置、撞擊速度等）的精準可控。依據(jù)核桃的尺寸、球度及殼仁間隙，可合理設(shè)計破殼間距，多級可調(diào)式或自適應(yīng)式機構(gòu)或?qū)⒂欣谔岣卟煌颂业倪m應(yīng)性。與破殼相關(guān)的核桃物理特性如表3所示（表中數(shù)值均為平均值）。

表3 與破殼相關(guān)核桃物理特性

2）核桃破殼取仁機理

核桃殼堅硬而核桃仁質(zhì)脆，因此為有效破殼且降低核桃仁破損程度，應(yīng)以合理的加載方式施于核桃殼上?；诤颂覛の锢硖匦?，運用相關(guān)理論及方法分析核桃破殼取仁機理，探究適于破殼的最佳方式，進而為破殼設(shè)備研發(fā)提供理論參考。根據(jù)受力形式，核桃破殼形式主要可分為擠壓式、撞擊式及氣爆式。

對于擠壓式，薄殼理論、力學試驗和有限元等方法，可應(yīng)用于分析不同品種核桃受載時應(yīng)力分布及形變規(guī)律[43]。吳子岳[44]通過壓縮試驗發(fā)現(xiàn)不同加載方向和殼體厚度對壓縮剛度影響不顯著，可將核桃殼設(shè)為各向同性球殼，運用薄殼理論進行力學分析。核桃在1對集中力作用下的內(nèi)力、位移分析，如圖5所示。核桃殼體受外力時會產(chǎn)生內(nèi)力，由于球形薄殼抗壓能力弱于抗彎能力，隨著外力增大殼體達到臨界失穩(wěn)狀態(tài)而破裂，因而破裂源首先從集中力處出現(xiàn)。沿橫徑方向施加載荷，應(yīng)力主要出現(xiàn)在核桃曲面頂部且沿加載點向四周擴展，范圍變小，同時殼體最大變形也在加載點的圓域，因此加載點處為最先破裂位置且裂紋沿圓域擴展。沿棱徑方向施加載荷，載荷加載點處應(yīng)力最大且沿核桃縫合線向兩邊擴展，逐漸減小，在沿核桃縫合線短軸方向頂部出現(xiàn)最大變形，因此縫合線短軸方向頂部為最先破裂的位置且裂紋沿著縫合線方向擴展。沿縱徑方向施加載荷，最大應(yīng)力在核桃縫合線和其縱軸頂端的位置且沿著長軸頂端載荷加載點向兩側(cè)擴展，但是擴展范圍很小，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。裂紋沿加載點向四周擴張，易出現(xiàn)只有小片核桃殼從核桃脫離下來的情況，即“崩潰”現(xiàn)象。但是只從1個方向?qū)颂沂┘虞d荷，裂紋擴展范圍有限，而交變應(yīng)力有利于裂紋的產(chǎn)生和擴展。核桃滾動可以實現(xiàn)單一方向載荷變?yōu)榻蛔冚d荷，任一點所受載荷實現(xiàn)壓縮/拉伸的交替變換，即殼體受到多對集中力作用。

注：Qθ為緯面橫向剪力，N；Qφ為經(jīng)面橫向剪力，N；Nφ為緯面薄膜力，N；Nθ為經(jīng)面薄膜力，N；Nθφ=Nφθ為沿殼厚薄膜力，N；Mφθ為緯面彎曲力矩，N·m；Mθφ為經(jīng)面彎曲力矩，N·m；Mφ為緯面沿殼厚彎曲力矩，N·m；Mθ為經(jīng)面沿殼厚彎曲力矩，N·m；h為核桃殼厚，mm；P為集中力，N；r為核桃球體半徑，mm；θ為緯角，(°)；φ為經(jīng)角，(°)；UT為切向位移，mm；WN為法向位移，mm；E為彈性模量，N·m-2。

核桃在多對集中力作用下，殼體實際受力并不是各對集中力單獨作用，而是多對集中力的疊加作用[45]。采用線性疊加的方法使2、3、4對集中力與第1對集中力作用點等效：1對集中力處的形變?yōu)?（負號表示受壓），等效后，2、3、4對集中力處的形變分別為-1.337mm、-1.166mm、-1.135mm，如圖6所示。

在2對法向集中力作用下，殼體位移最大，殼體最易發(fā)生破裂。但過多集中力作用在殼體上，分布曲線越陡，彎曲應(yīng)力越大，導致殼體剛度提高，位移減小，降低了內(nèi)力值，反而不易使殼破裂。因此，2對集中力作用在殼上，要比1對、3對、4對集中力作用在殼上，更有利于殼完全破裂。

為了直觀顯示核桃殼在1對、2對集中力下的內(nèi)力和位移變化規(guī)律，沈柳楊[23]對核桃在平板壓頭和V型壓頭作用下的壓縮破殼過程進行靜力學仿真分析。結(jié)果顯示核桃殼體在2對集中作用力下，殼體受到的應(yīng)力、應(yīng)變呈對稱分布且數(shù)值均低于1對集中力作用情況，既滿足破殼條件，對核桃仁損傷程度也相對較低，故2對集中力更利于核桃破殼。

為探究核桃尺寸、加載方向?qū)ζ茪ちΦ挠绊?，高警等[46]利用力學測量裝置分別沿不同方向?qū)Σ煌叽绲暮颂以嚇舆M行擠壓試驗并對數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，如圖7所示。結(jié)果表明不同方向核桃破殼力差異明顯，破殼力大小依次為：縱向、棱向、橫向，并且破殼力隨核桃尺寸等級增加而增大。因此，為實現(xiàn)有效的破殼取仁，最理想情況為沿核桃棱向和橫向施加載荷，既能以相對較低擠壓力使殼體沿縫合線分離并破裂，又能對核桃仁造成最低影響。另外，核桃破殼之前進行尺寸分級，有利于同批次核桃所受載荷均勻，提高破殼效果和整仁率，這也為擠壓式破殼機構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。

注：d為集中力作用下核桃殼體形變，mm；φ為相鄰集中力夾角，(°)；δ為1對集中力下核桃殼體形變，mm；P1、P2、P3、P4為集中力，N；A、B、C、D分別為1對、2對、3對、4對集中力下的核桃殼體形變曲線。

核桃殼破裂時需要一定的能量[47]，擠壓式是通過壓力使殼體形變做功，而撞擊式是將動能轉(zhuǎn)化為破殼能量。核桃殼受到外力并發(fā)生形變，殼體破裂時外力所作的功即為破殼所需能量，如圖8a所示。對于撞擊破殼，核桃以一定速度撞擊筒壁或者沖頭以一定速度敲擊核桃，依據(jù)能量守恒定律，碰撞瞬間動能轉(zhuǎn)化為破殼能，當其超過極限值時，殼體發(fā)生破裂[48-49]。同時，通過圖8b中關(guān)系式可以得到使殼體破碎時核桃或者沖頭的初速度，這也為相應(yīng)裝置研發(fā)提供理論依據(jù)。

圖7 不同加載方向和尺寸等級下核桃破殼力變化趨勢[46]

注：E0為破殼所需能量，J；F為核桃殼所受外載荷，N；h0為核桃殼形變，mm；E1為核桃初始動能，J；E2為碰撞后動能，J；ΔE0為碰撞過程損失動能，J；v為入射速度，m·s-1；vn為入射法向分速度，m·s-1；vτ為入射切向分速度，m·s-1；u為反射速度，m·s-1；un為反射法向分速度，m·s-1；λ為入射角，(°)；φ0為反射角，(°)；e為恢復系數(shù)。

對于氣爆法，核桃殼呈現(xiàn)木質(zhì)性質(zhì)，氣密性良好，核桃殼、仁間隙可容納一定體積氣體。在核桃殼體上鉆孔，向核桃內(nèi)部注入高壓空氣，當載荷超過核桃殼強度極限時，殼體爆裂破碎，受力情況如圖9所示。核桃縫合線緊密度對氣密性至關(guān)重要，直接影響氣爆效果[52]。

圖9 氣爆式核桃殼體受力示意圖

2.2 核桃破殼取仁裝置

核桃破殼取仁，以往學者更多地關(guān)注如何消耗更小的能量使其破殼，而忽視在破殼的同時使其果仁保持完整[37]。核桃破殼裝置的核心性能要求是破殼率高、碎仁率低。目前，國內(nèi)科研機構(gòu)依據(jù)不同原理設(shè)計了類型多樣的破殼裝備，但是由于核桃品種繁多，其物理特性多樣化、差異化也較為明顯，這也導致不同破殼裝備的適應(yīng)性、破殼效果不盡理想，特別是破殼率與整仁率之間的矛盾已成為亟待解決的瓶頸。擠壓式是應(yīng)用最為廣泛的核桃破殼方式，不同類型擠壓式核桃破殼核心機構(gòu)及其應(yīng)用，如表4所示。

基于上述不同類型的核心機構(gòu)，多位研究者對破殼裝置又進行了創(chuàng)新設(shè)計。青島理工大學設(shè)計的自定位預破殼同向螺旋柔性擠壓核桃破殼取仁裝置主要由V型塊自定位預破殼系統(tǒng)和同向雙螺旋柔性破殼系統(tǒng)2部分組成[66]，如圖10a所示。不同大小的核桃自行固定在V型嵌槽的相應(yīng)位置，實現(xiàn)無需分級的擠壓。通過對凸輪轉(zhuǎn)速及形狀設(shè)計，實現(xiàn)行程可控的擠壓；利用凸輪的遠休止錯位，帶動V型塊實現(xiàn)2次擠壓，實現(xiàn)預破殼，如圖10b所示。橡膠雙輥螺距相同、直徑不同，利用相對運動產(chǎn)生的剪切力F1、F2和擠壓力F1、F2進一步柔性破殼[67]，如圖 10c所示。

表4 不同類型擠壓式核桃破殼核心機構(gòu)及其應(yīng)用

注：S為擠壓行程，mm；θ'為圓弧角，(°)；θ0~θ4為不同弧段對應(yīng)圓心角，(°)；r'為從動輪半徑，mm；r0為驅(qū)動輪半徑，mm；r1為凸輪大圓弧半徑，mm；r2為凸輪小圓弧半徑，mm；ω為角速度，rad·s-1；Fp為推進力，N；Ft1、Ft2為剪切力，N；Fn1、Fn2為擠壓力，N；A'B'C'D'E'為凸輪不同弧段點。

此外，為提高脫殼率和降低碎仁率，李長河團隊設(shè)計了柔性帶剪切擠壓破殼取仁裝置，如圖11a所示。裝置破殼部分主要由破殼區(qū)和脫殼區(qū)組成，如圖11b所示。在破殼區(qū)，輥板機構(gòu)對核桃產(chǎn)生的剪切力F1、F2和擠壓力F1、F2使核桃在旋轉(zhuǎn)過程中殼體發(fā)生破裂如圖11c所示。但批量核桃勢必存在一定程度尺寸和形狀差異，易出現(xiàn)破殼不完全現(xiàn)象，并且破裂后的殼體結(jié)合力驟降，再進行脫殼不能施力過大，以防對核桃仁造成損傷[68]。因此，在脫殼區(qū)采用上下具有速度差（0?1）且成楔形布置的柔性帶以揉搓方式（破碎核桃受到剪切力F3、F4和擠壓力F3、F4）進行脫殼，當破裂核桃旋轉(zhuǎn)過一定的角度后，殼體即可全部脫除[69]，如圖11d所示。

注：Fn1、Fn2、Fn3、Fn4為擠壓力，N；Ft1、Ft2、Ft3、Ft4為剪切力，N；v0為上帶速度，m·s-1；v1為下帶速度，m·s-1。

對于工件撞擊核桃的類型，需要合理設(shè)計沖頭形狀，以使核桃殼受到有效撞擊，確保殼體充分破碎；沖頭沖程也需合理設(shè)置，過小無法有效破殼，過大易導致核桃仁破碎[70]。對于核桃撞擊工件的類型，需要合理控制核桃沖擊速度，防止殼體過度破碎導致核桃仁撞碎；實際工作會出現(xiàn)破殼無效的情況，由于出現(xiàn)裂紋的核桃機械性能大幅下降，因此此種撞擊類型適用于二次破殼的場合。不同類型撞擊式核桃破殼核心機構(gòu)及其應(yīng)用，如表5所示。

表5 不同類型撞擊式核桃破殼核心機構(gòu)及其應(yīng)用

基于上述對撞式核心機構(gòu)，青島理工大學設(shè)計的相向?qū)ψ彩胶颂移茪と∪恃b置主要由齒爪式定位定量喂入系統(tǒng)和沖程可控式氣沖對撞系統(tǒng)組成[78]，如圖12a所示。定位圓筒通道截面形狀類似核桃，可實現(xiàn)核桃喂入過程中保持位姿恒定，便于以合適姿態(tài)破殼；定位滑塊設(shè)有6個具有定位功能的通孔，在氣缸帶動下做恒定周期往復運動，以實現(xiàn)核桃定量喂入[79]，如圖12b所示。仿形沖頭由氣缸驅(qū)動，沖程可依據(jù)核桃尺寸等級和品種殼體厚度進行設(shè)置和調(diào)控，以保證有效破殼且不損傷核桃仁[80]，如圖12c所示。

氣爆式是核桃破殼的一種新思路，已有學者對其工藝進行了系統(tǒng)性研究[81]。但是氣爆式局限性太強，對核桃品種、殼體厚度、縫合線緊密度要求太高；操作難度太大，鉆孔過程難以保證殼體穩(wěn)定性，無法對氣密性實現(xiàn)可控；需要對單個核桃導向、輸送、鉆孔、施加氣壓載荷，因此工作效率低，難以滿足工廠生產(chǎn)線高效破殼要求。

圖12 對撞式核桃破殼取仁裝置

為提高生產(chǎn)效率，核桃分級、破殼一體化是新的設(shè)計思路，這避免了單獨分級工序后的收集工作。通過分級裝置與破殼裝置相連接，分級后的核桃按等級落入相應(yīng)破殼位置，實現(xiàn)短流程高效加工。相關(guān)科研機構(gòu)設(shè)計研發(fā)了多種類型的核桃分級破殼裝置[82-84]。

2.3 核桃破殼取仁裝置性能試驗

針對各種類型的核桃破殼裝置，學者通過試驗探究了不同因素對破殼率、整仁率或碎仁率的影響，如表6所示，并通過優(yōu)化得出了較佳參數(shù)，為同類型裝置的研發(fā)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表6 核桃破殼優(yōu)化試驗

對于輥壓式，破殼間隙是關(guān)鍵影響因素，間隙距離直接影響核桃殼體形變程度，當殼體形變值處于殼仁間隙值之間時破殼，對核桃仁損傷程度最低；相對速度差直接影響裂紋擴展速度，快速擴展有利于脫殼。在各自最優(yōu)參數(shù)組合前提下，輥板式擁有相對較高破殼率和較低碎仁率，性能優(yōu)于另外2種。對于碰撞式，工件或者核桃速度是關(guān)鍵影響因素，直接影響核桃所受沖擊力大小，合適的速度域可提高破殼率、降低碎仁率。在各自最優(yōu)參數(shù)組合前提下，敲擊式破殼效果優(yōu)于離心式。

目前，針對核桃破殼取仁裝置尚存需要改進的難題。首先，核心機構(gòu)對不同品種核桃適應(yīng)性有待于提高，這主要是因為當前的破殼機構(gòu)自適應(yīng)性較低，對于尺寸差異度明顯的核桃或破殼率低、或過度破碎，且核心部件多為剛性體，易導致核桃仁破壞程度高。因此設(shè)計柔性破殼取仁機構(gòu)，探索核桃品種-機構(gòu)特性匹配式種植、研發(fā)模式，或?qū)⒂行岣咂茪ぱb置的自適應(yīng)性。其次，核桃破殼裝置集成化程度低、功能單一，導致長流程化生產(chǎn)，效率低下。將核桃分級機構(gòu)與破殼取仁機構(gòu)有機結(jié)合，實現(xiàn)不同尺寸等級核桃針對性進入相對應(yīng)破殼區(qū)域，將顯著提高破殼質(zhì)量和生產(chǎn)效率。再者，中國現(xiàn)有核桃破殼裝備種類繁多、缺少產(chǎn)品標準、目標針對性差，因此，面對不同應(yīng)用群體，進行層次化研發(fā)，針對農(nóng)戶、小企業(yè)發(fā)展通用性強的小型化專用破殼裝備，針對大型企業(yè)發(fā)展多功能、產(chǎn)線化的連續(xù)作業(yè)裝備，有助于加速核桃加工業(yè)規(guī)?；l(fā)展。

3 核桃殼仁分離

核桃經(jīng)過相應(yīng)機械裝置破殼取仁之后，輸出的殼仁物料混雜在一起。為對核桃殼仁進行后續(xù)深加工，需要將兩者進行分離處理，但目前多數(shù)加工企業(yè)依舊是采取手工分選的方法。有學者依據(jù)核桃殼仁磁導性差異，提出了磁選式殼仁分離方式，但對體積相對較大的殼仁分離不理想，且磁選式需事前將磁流體固定在核桃殼上，易導致造成核桃仁污染[89]。另有學者依據(jù)核桃殼仁摩擦系數(shù)差異利用絨帶式裝置實現(xiàn)分離，但由于破殼后殼仁混合形態(tài)差異巨大，難以有效分離[90]。因此，研制一種結(jié)構(gòu)合理、工作可靠、效果理想的核桃殼仁分離裝置，實現(xiàn)機械化高效作業(yè)，對于促進核桃產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

3.1 核桃殼仁物理特性及分離機理

1）核桃殼仁物理特性

核桃破殼等級很大程度影響后續(xù)殼仁分離的效果，不同等級殼仁物料其幾何形態(tài)、物理特征差異明顯，而核桃殼仁的物理參數(shù)是分離裝置的重要設(shè)計依據(jù)。核桃殼仁等級及其物料特性，如表7和表8所示（表中數(shù)值均為平均值）。

2）殼仁分離機理

針對硬殼類堅果殼仁混合物料，如蓮子[92]、巴旦木[93]、核桃[94]等，風選式是應(yīng)用最為廣泛的殼仁分離方法。風選式分離原理是利用核桃殼仁因外形特征差異及氣流場中姿態(tài)各異而具有不同的空氣動力學特性，在風力的作用下，殼仁所受合力差異而產(chǎn)生不同的運動軌跡，進而實現(xiàn)分離。依據(jù)風道結(jié)構(gòu)不同，風向可以分為豎直和傾斜2種。

對于豎直風向，風速是實現(xiàn)核桃殼仁分離的關(guān)鍵因素，懸浮速度是在確定風速時物料所具有的重要空氣動力學特征參數(shù)，風速超過懸浮速度才足以使殼或仁懸浮于氣流并以不同軌跡移動[95]。在達到懸浮速度的穩(wěn)定狀態(tài)下，物料向上或向下運動取決于物料相對于氣體的密度大小，而核桃殼仁密度有差異，所以要分離核桃殼仁需要確定各自懸浮速度，進而確定風速[96]。由于不規(guī)則體阻力系數(shù)大于球體阻力系數(shù)，所以同級別的球體懸浮速度要高于不規(guī)則體懸浮速度，因此將不規(guī)則體轉(zhuǎn)換為與其特征面積、質(zhì)量相同的球體進行分析[97]，受力分析如圖13所示。

表7 破殼后核桃殼仁混合物料等級及形態(tài)特征[86]

表8 核桃殼仁物料特性[91]

注：Fk為核桃殼所受風力，N；FR為核桃仁所受風力，N；GK為核桃殼所受重力，N；GR為核桃仁所受重力，N。

在同一流體介質(zhì)中，不規(guī)則形狀的核桃混合物料與其同當量球的體積和密度保持不變，經(jīng)過修正可得殼仁物料的懸浮速度[91]，如式（1）所示。依據(jù)不同核桃品種殼仁物理參數(shù)，可計算出不同形態(tài)殼仁的懸浮速度，為風選裝置的設(shè)計和改進提供了理論依據(jù)。

式中v為懸浮速度，m/s；k為球形系數(shù)；d為當量球直徑，m；ρ為物料密度，kg/m3；為空氣密度，kg/m3；為阻力系數(shù)；為重力加速度，9.8 m/s2。

曹成茂等[97]采用仿真與實驗相結(jié)合的方式分析了豎直風向條件下核桃殼仁的運動軌跡規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)通過控制含水率使核桃殼仁處于一種“殼干仁濕”的特殊狀態(tài)，可減小殼仁懸浮速度的重疊區(qū)間，有利于主動調(diào)控風速增大殼仁分離度。因此，含水率對破殼后殼仁形態(tài)及其分離具有一定程度的影響。對于傾斜風向，有效分離的關(guān)鍵在于殼仁迎風面大小和形狀。對于同等質(zhì)量的殼仁，殼體迎風面積大于碎仁，因而殼體所受風力大于碎仁，在同一風速下核桃殼的水平運動距離大于核桃仁進而實現(xiàn)分離。杜小強等[98]分析了軸向氣流場中氣相速度分布和固相運動軌跡，結(jié)果顯示氣流速度存在水平分層現(xiàn)象，能使不同形態(tài)物料呈現(xiàn)出不同水平距離的弧形下落軌跡，且合理風速區(qū)間能使運動軌跡區(qū)別明顯。

3.2 核桃殼仁分離裝置

豎風式核桃殼仁分離裝置依據(jù)風道數(shù)量可分為單風道式和多風道并聯(lián)式[94]。單風道裝置的典型結(jié)構(gòu)布局如圖14a所示，主要由給料機、風機與風道組成，當風速大于核桃殼懸浮速度時，核桃殼被吹出，核桃仁沉降收集。朱占江等[99]研制的核桃殼仁分選裝置其核心部件為單式短風道，該設(shè)備風選腔與沉降箱直接相連，實現(xiàn)設(shè)備小型化。并聯(lián)式殼仁分離裝置主要由分級機、并聯(lián)風道、沉降箱和風機組成，如圖14b所示。工作時先將破殼后殼仁混合物料經(jīng)分級機分為不同等級，當同等級混合物料經(jīng)過對應(yīng)風速的吸風口時，核桃殼被吸走，核桃仁則落入料箱收集，這也直接反映了核桃殼仁等級差異對分離效果產(chǎn)生直接影響。新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所[100]、陜西省農(nóng)業(yè)機械研究所[101]、青島理工大學[102]設(shè)計的風選式核桃殼仁分離裝置利用此模式。

圖14 單、多風道核桃殼仁分選裝置流程圖[94]

斜風式殼仁分離裝置是利用傾斜風機產(chǎn)生氣流場，使混合物料在風力作用下以不同軌跡下落，為提升分離效果，往往需要輔助裝置。輔助裝置主要有振動篩板[91]和螺旋葉片[86]2種形式。對于振動篩板式，核桃殼仁在振動篩作用下翻跳輸運，氣流場中殼仁受力不同，殼體被風力帶離核桃仁實現(xiàn)分離，如圖15a所示。青島理工大學[103]、新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所[104]利用此機理設(shè)計了風篩式裝置。對于螺旋葉片式，混合物料落入滾筒并隨著轉(zhuǎn)動，在滾動下落過程中，殼仁在風力作用下落向前端出口，且核桃殼水平距離遠大于核桃仁；再次落入滾筒后，核桃仁在螺旋葉片輸送作用下移向后端出口，經(jīng)過螺旋葉片輸送和氣力的耦合反復作用下實現(xiàn)核桃殼仁雙向分離，如圖15b所示。青島理工大學[105]利用此原理設(shè)計了氣力與柔性螺旋葉片耦合的核桃殼仁滾筒雙向分離裝備。

圖15 不同輔助形式斜風式核桃殼仁分離裝置

除了風選式之外，智能化視覺識別也是一種應(yīng)用于核桃殼仁分離的方式。將核桃殼仁特征參數(shù)存入計算機數(shù)據(jù)庫，通過圖像處理系統(tǒng)對殼、仁各自物理特征進行分類、識別，篩選出符合等級要求的核桃仁[106]。智能化視覺識別系統(tǒng)主要由圖像采集與視覺檢測系統(tǒng)組成，基于圖像處理技術(shù)對所需進行分離的核桃殼仁顏色、紋理及形態(tài)特征構(gòu)建識別特征模型；工作時，通過環(huán)形光源照射，CCD傳感器對殼仁特征信息采集，識別出不同等級的核桃仁，進而分離處理，如圖16所示。

注：L1為透光位置1；L2為透光位置2。

Cetin等[108]利用振動分析的方法設(shè)計了一種核桃殼仁分離系統(tǒng)。通過提前采集不同品種核桃殼仁的振動沖擊信號，從中提取相關(guān)特征參數(shù)錄入計算機數(shù)據(jù)庫。工作時核桃殼仁滑落到裝有振動傳感器的金屬盤上，當核桃殼振動參數(shù)與系統(tǒng)中數(shù)據(jù)相匹配時，高壓氣沖將核桃殼吹出，落入收集槽；核桃仁振動參數(shù)在反饋數(shù)據(jù)范圍之外，不會觸發(fā)氣沖工作，進而滑落到收集槽中。振動分析核桃殼仁分離系統(tǒng)如圖17所示。

3.3 核桃殼仁分離裝置試驗

目前針對不同類型風選式核桃殼仁分離裝置的試驗研究相對缺乏，部分學者研究了不同因素參數(shù)對分離性能的影響，如表9所示。

1.振動喂料 2.激光探測儀 3.計算機 4.振動傳感器 5.金屬盤 6.氣沖噴頭

表9 不同類型核桃殼仁分離優(yōu)化試驗

對于風選式核桃殼仁分離，風速是影響分離精度的關(guān)鍵因素。針對不同結(jié)構(gòu)裝置，合理的風速范圍有助于提高殼仁分離率。其次，核桃殼仁的尺寸（迎風面積）決定所受風力大小，影響殼仁的運動軌跡，因此對于核桃破殼效果，提高核桃仁與碎殼尺寸等級分布度均勻，有助于分離分級，這也對破殼裝置提出了更高要求。

核桃殼仁分離作為核桃機械化加工的重要組成部分，能有效提高分離率及核桃仁完整度，使深加工企業(yè)大幅降低生產(chǎn)成本，有利于提升核桃經(jīng)濟價值以及企業(yè)效益。風選式作為極具推廣前景的技術(shù)，需要結(jié)合中國不同品種核桃特性開展基礎(chǔ)理論研究，提高技術(shù)裝備適應(yīng)性，實現(xiàn)核桃殼仁高效分離。對于智能化視覺識別及沖擊振動感應(yīng)的新型技術(shù)，同樣需要提高對不同品種核桃殼仁的適應(yīng)性，這需要大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計工作；進一步，提高準確度是這2種技術(shù)的核心，研制高靈敏度傳感器及高處理性能軟件是解決這一問題的關(guān)鍵；更進一步，實現(xiàn)批量化高效高質(zhì)量加工生產(chǎn)是最終目標。

4 結(jié)論與展望

本文通過對核桃初加工尺寸分級、破殼取仁及殼仁分離3個關(guān)鍵工序各自對應(yīng)的核桃物理特性、工作原理、裝置及其性能優(yōu)化試驗等方面的研究進展進行系統(tǒng)性分析總結(jié)，得到以下結(jié)論：1）對于核桃尺寸分級，機械式裝置合理設(shè)計分級間隙和孔徑、防止堵塞是提高分級精度和降低殼體破碎率的關(guān)鍵。因此，設(shè)計大批量核桃條件下的快速輸送和姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)是解決這些問題的有效方法。提高識別精度和效率是視覺成像技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。2）核桃破殼取仁技術(shù)和裝置研究較多，但缺乏產(chǎn)品規(guī)格和標準。因此，制定標準，統(tǒng)一產(chǎn)品類型，有利于實現(xiàn)標準化生產(chǎn)。核桃破殼率和整仁率是破殼取仁裝置的2個核心要求，提高裝置適應(yīng)性是關(guān)鍵，柔性化機構(gòu)或核桃品種-機構(gòu)特性匹配式種植、研發(fā)模式將是未來有效解決的方式。此外，加強對核桃殼、仁結(jié)構(gòu)和物理特征進行深入研究是下一步裝置創(chuàng)新設(shè)計的重要基礎(chǔ)。3）對于殼仁分離，高分離精度對收集殼、仁有顯著幫助。風選技術(shù)因其損傷小、便于高效機械操作而廣泛應(yīng)用。然而，目前分離區(qū)氣流場分布規(guī)律及核桃殼、仁在氣流場中的動力學規(guī)律仍有待于進一步研究，風選式核桃殼仁分離裝置設(shè)計基本理論尚不完善，還需要進行大量的理論和實驗研究。

雖然核桃初加工領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)和裝置研究已取得一定成果，但仍存在需要解決的問題。為提高核桃初加工水平，未來需要在以下幾個方面加強研究：1）隨著研發(fā)力度加大，核桃初加工各環(huán)節(jié)相應(yīng)裝置類型也多樣化，但對不同品種核桃適應(yīng)性差，難以實現(xiàn)核心機構(gòu)與核桃特性有效匹配，導致效果不佳。這是由于中國尚無相應(yīng)的行業(yè)標準，以致裝置類型、質(zhì)量參差不齊，因此相關(guān)部門應(yīng)盡快依據(jù)核桃各加工環(huán)節(jié)機理，制定產(chǎn)品標準，統(tǒng)一產(chǎn)品類型；2）采取企業(yè)與農(nóng)場聯(lián)合，進行區(qū)域化、種質(zhì)標準化育苗，規(guī)模化種植，針對性裝置研發(fā)，實現(xiàn)核桃品種-機構(gòu)特性匹配式種植、研發(fā)、加工模式，或?qū)O大改善適應(yīng)性差的難題；3）若每種核桃初加工工序獨立作業(yè)，在收集、轉(zhuǎn)運、儲存過程中，核桃勢必會出現(xiàn)一定程度失鮮、損傷甚至污染的現(xiàn)象，將嚴重影響核桃產(chǎn)品品質(zhì)，造成經(jīng)濟損失。而中國核桃產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀是未形成大規(guī)模集約化產(chǎn)業(yè)鏈模式，獨立式加工生產(chǎn)模式造成大量核桃資源丟棄、浪費，遠未實現(xiàn)其附加值有效發(fā)揮。因此，大力促進核桃收獲后初加工連續(xù)化、產(chǎn)線化，實現(xiàn)各環(huán)節(jié)對應(yīng)裝置有效組合、串聯(lián)，全流程機械化、智能化協(xié)同加工，自動化收集副產(chǎn)品，不僅提升核桃價值，還大幅提高工作效率、節(jié)省勞動力；4）利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行平臺，將核桃行業(yè)的科研院所、農(nóng)場、加工企業(yè)、用戶需求互聯(lián)互通與上下游產(chǎn)業(yè)對接結(jié)合，實現(xiàn)科研-種植-加工-銷售產(chǎn)業(yè)智慧化與新模式，將極大推動中國核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

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Research progress of key technology and device for size-grading shell-breaking and shell-kernel separation of walnut

Liu Mingzheng1, Li Changhe1※, Cao Chengmao2, Turruhon Turdi3, Li Xinping4, Che Ji5, Yang Huimin3, Zhang Xiaowei1, Shi Mingcun1, Zhao Huayang6, Gao LianXing7, He Guangzan8, Jia Dongzhou6, Li Hansong9

(1.,,266520,; 2.,,230036,; 3.,,830011,; 4.,,471003,; 5.,830011,; 6.,,028042,; 7.,,110866,; 8.,610041,; 9.,250200,)

Walnut varieties are rich with the wide planting area in China, and the high yield ranked in the world. The walnut kernel is the most important edible part of walnut fruit. The by-products of walnut, such as walnut shell, have also great application potential to serve as cheap raw materials for the extraction of some important medical ingredients and the production of industrial products. However, the by-products are often burned or discarded as wastes in the processing process, leading to environmental pollution. The intensive processing of walnut products is increasing daily demanding with high nutrition and economic added value, indicating the walnut has a broad prospect of comprehensive development and utilization. Walnut size-grading, shell-breaking and kernel-fetching, as well as shell-kernel separating are the most critical the links in the primary processing, which are the prerequisite before the intensive processing of walnut. However, the traditional manual operation mode and the primary processing equipment with simple functions cannot meet the high quality and quantitative requirements of the food industry, which seriously restricts the development of the walnut industry. Therefore, it is imperative to strengthen the research and development of key technologies and devices for walnut primary processing. Based on the size characteristics, four devices were used in walnut size-grading, including the type of taper roller, grid cylinder, sieve, and visual imaging. The status quo and application characteristics of devices were summarized in this review. The combinations of optimized parameters can be obtained from the multi-factor performance tests for different types of devices. The physical characteristics of walnut were important basis for the design of shell-breaking device, such as sphericity, shell thickness, and moisture content, due to they directly determine the mechanical properties of walnut shell and kernel. The specific ranges of parameters were determined to represent different physical characteristics. Three main principles of walnut shell-breaking were then classified, including extrusion, collision, and gas explosion. The characteristics and applications of core shell breaking were reviewed, with emphasis on three innovative shell-breaking devices. The multi-factor performance test can be used to optimize the parameter combination of main influencing factors in each type of device. In shell-kernel separation, the winnowing type was the main application in the relevant devices at present. The morphological characteristics and physical parameters of walnut mixed shell-kernel were the main basis for setting the wind speed and direction. An attempt was made on the separation mechanism of shell-kernel by winnowing type, the optimization parameters of various shell-kernel separation devices and their respective multi-factor performance tests. This review systematically summarized the physical characteristics, working mechanism, device, and performance optimization test, corresponding to the key links of walnut primary processing. The finding can be expected to deepen the understanding of walnut primary processing, and further provide theoretical basis and technical support for improving walnut processing level.

materials properties; crack propagation; flexible shell-breaking; shell-breaking kernel-fetching; shell-kernel separation; device; walnut; size grading

劉明政，李長河，曹成茂，等. 核桃分級破殼取仁及殼仁分離關(guān)鍵技術(shù)與裝置研究進展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2020，36(20)：294-310.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.035 http://www.tcsae.org

Liu Mingzheng, Li Changhe, Cao Chengmao, et al. Research progress of key technology and device for size-grading shell-breaking and shell-kernel separation of walnut[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(20): 294-310. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.035 http://www.tcsae.org

2020-06-30

2020-10-10

國家自然科學基金項目（52075003、51475002、51665058、51865046）

劉明政，博士生，工程師，主要從事農(nóng)業(yè)機械裝備設(shè)計研究。Email：lmzzz654321@163.com

李長河，二級教授，博士生導師，主要從事精密加工與智能制造研究。Email：sy_lichanghe@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.035

S233.5

A

1002-6819(2020)-20-0294-17