連文香，席海亮，展靖華，包爾慨

(蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

我國核桃資源豐富，根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，種植資源已達(dá)380多種，種植范圍廣泛，主要栽培區(qū)域?yàn)椋涸瀑F地區(qū)、西北地區(qū)、華北地區(qū)[1]。尤其近幾年核桃產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，形成核桃種植熱潮，但我國核桃加工產(chǎn)業(yè)化發(fā)展速度緩慢，技術(shù)力量薄弱，國內(nèi)的核桃加工企業(yè)技術(shù)水平大多都停留在初加工階段，核桃加工產(chǎn)品單一，附加值較低，大部分采用人工砸取和手工挑選[2-3]。自然成熟的青果皮與硬果殼并不粘連，且青皮脆性青果皮的脆性大、抗壓強(qiáng)度小，很容易將其青皮脫離。但青果皮和果肉成熟時(shí)間不一致，為了防止果肉過熟及青皮變黑發(fā)生霉變影響核桃品質(zhì)，在青皮未成熟時(shí)開始采摘，青核桃提前上市，對脫皮技術(shù)要求更高[4]，青核桃脫皮技術(shù)是一項(xiàng)瓶頸，它對保證商品核桃的品質(zhì)有重要的作用。筆者主要從脫皮技術(shù)及脫皮裝備兩方面對我國青核桃脫皮裝置的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，對我國青核桃脫皮技術(shù)歸納總結(jié)，為青核桃脫皮裝備的進(jìn)一步改進(jìn)和研制提供參考。

1 青核桃脫皮技術(shù)

1.1 青核桃力學(xué)特性研究

我國許多學(xué)者分析青核桃的物理特性[5-6]，包括青皮組織特征、外觀特征，將青核桃的成熟度、品種、外形、大小、青皮厚度、硬度、含水率、開裂度及硬殼厚度等作為影響果皮分離的主要因素進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，得出不同產(chǎn)地、不同品種的青核桃外形尺寸差異。青核桃外形從北向南由長橢圓、卵圓、倒卵圓、扁圓形向圓形過渡，整果質(zhì)量40～66 g重量不等，青皮核桃外形尺寸長徑：42～68 mm，短徑：33～70 mm。硬殼厚度范圍0.9～2.5 mm，且青皮厚度沿三徑方向大小不一，平均厚度居于3～7.5 mm之間[7-8]。

王斌等[9]主要通過萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)，對山西具有代表性的核桃品種作為研究對象，研究青核桃力學(xué)特性；鄭甲紅等[10]通過萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)分析了“香玲”核桃脫皮過程中青皮破裂力及不同加載方式下的壓力實(shí)驗(yàn)。他們通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，得出沿著不同方向擠壓核桃的破殼力和壓縮位移的不同的，沿著垂直于縱徑方向最小的，沿著垂直于橫徑方向最大的；朱占江[5]在文獻(xiàn)中通過擠壓實(shí)驗(yàn)分析青核桃壓力-位移特性曲線的基礎(chǔ)上，結(jié)合預(yù)處理方法，提出采用刀片劃切輸送、鋼絲刷擠壓摩擦相結(jié)合的脫皮的效果比較好。黃波等人[11-14]得出青核桃三徑方向?qū)?yīng)擠壓力值范圍在100～250 N之間，青皮裂紋只有一條且裂紋的起源是隨機(jī)的，沿青核桃短軸方向施力，破損率更低、脫皮效果更好。還有學(xué)者研究催熟方式[15]、采收時(shí)間對核桃青皮的影響[16-17]，得出催熟核桃青皮與果殼并不粘連，破裂的青皮呈現(xiàn)塊狀，且稍加振動(dòng)即與果殼分離，對環(huán)境污染?。磺嗥ず颂夜麑?shí)采后生理代謝活性與耐貯性主要與采收時(shí)期有關(guān)，受品種影響較小。

1.2 脫皮技術(shù)及研究方法

(1) 脫皮技術(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[11]按照脫皮機(jī)械外力的施加方式不同，現(xiàn)有的脫皮技術(shù)主要有刮削脫皮、擠壓脫皮、切割脫皮和碰撞脫皮，各種方式利用青核桃與工作部件之間的相對運(yùn)動(dòng)，借助工作部件對青果皮的刮削摩擦、擠壓、切割、高速碰撞作用，逐漸使青果皮與核桃堅(jiān)果分離。其原理簡單，但其工作過程中，由于我國核桃品種多，外形尺寸相差大，其缺點(diǎn)也比較突出。刮削式在脫皮過程中，青核桃在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中會出現(xiàn)長軸兩端青果皮未脫干凈的現(xiàn)象，脫皮效率較低。脫凈率受青核桃成熟度影響較大，對于一些未成熟，外形尺寸較小的的青核桃破碎率影響較大。切割脫皮其結(jié)構(gòu)簡單利用，對青核桃外形尺寸的要求低，但工作過程中核桃堅(jiān)果容易被割刀割破果殼現(xiàn)時(shí)青皮脫離不完全。高速碰撞脫皮利用青核桃與工作部件的接觸次數(shù)來脫皮，其工作過程中，對于青核桃的剝凈率與破殼率與其青皮的成熟度有很大的關(guān)系，同時(shí)工作效率較低，處于間歇式工作模式。

(2) 研究方法

青核桃脫皮技術(shù)的研究，主要從脫皮實(shí)驗(yàn)方面和有限元模型分析[5，18-19]兩個(gè)方面。大部分學(xué)者對所設(shè)計(jì)的脫皮機(jī)構(gòu)主要依據(jù)實(shí)驗(yàn)方法獲得最佳組合，也有學(xué)者用軟件結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析。新疆大學(xué)的石章成[6]對青核桃脫青皮機(jī)建立三維模型，利用有限元分析軟件對核桃脫青皮機(jī)脫皮輥在工作過程中的受力情況進(jìn)行靜力分析。石河子大學(xué)的張恩銘等人[18]對基于劃口預(yù)處理的不同品種核桃破殼分析研究，利用有限元軟件通過準(zhǔn)壓縮過程，得出劃口預(yù)處理后核桃更易破殼，同時(shí)通過正交設(shè)計(jì)得出影響破殼主要因素為劃口深度>劃口長度>劃口寬度。

2 青核桃脫皮裝備發(fā)展現(xiàn)狀

由于我國核桃外形尺寸差異較大，物理特性也不盡一致，近年來在機(jī)械化脫皮分離技術(shù)方面，利用上述刮削脫皮、擠壓脫皮、切割脫皮和碰撞脫皮四種方式[12]，研制了幾臺青核桃脫皮分離機(jī)。

2.1 青核桃脫皮裝置類型

(1) 滾刷型青核桃脫皮裝置如圖1所示，是劉東琴[8]等人設(shè)計(jì)的可調(diào)間隙脫皮滾筒，通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)彈簧預(yù)緊力，有效控制下柵板在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過程可浮動(dòng)距離，使得下柵板與螺旋毛刷輥之間的間距呈漸變趨勢，具有一定的通用性，設(shè)計(jì)的毛刷沿軸向螺旋排布，依次采用粗鋼絲段、細(xì)鋼絲段和尼綸毛刷段，減少毛刷對核桃硬質(zhì)果殼的損傷并提高出料速度。圖2所示為楊忠強(qiáng)等人[20]設(shè)計(jì)的鏈板輸送帶核桃脫青皮機(jī)構(gòu)，其板刷上密布許多鋼絲刷，同鏈板輸送帶間隙可調(diào)整，鏈板輸送帶表面有規(guī)律排列固定了許多凸起的刀片，增加鏈板輸送帶對物料的摩擦力及剪切力，通過計(jì)算當(dāng)鋼絲板刷與青皮核桃接觸點(diǎn)的豎直夾角θ=12°時(shí)能實(shí)現(xiàn)間隙從大到小的脫皮擠壓過程，但這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積較大。

圖1 滾刷型青核桃脫皮機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖1.螺旋毛刷輥 2.上柵板 3.銷軸 4.下柵板 5.彈簧調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

圖2 核桃脫青皮機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖1.喂料口 2.板刷 3.鏈板輸送帶 4.間隙調(diào)節(jié)裝置 5.傳動(dòng)系統(tǒng) 6.角度調(diào)節(jié)裝置 7.出料口

(2) 切割脫皮

圖3～6為切割脫皮的幾種類型，圖3為割刀切割脫皮機(jī)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)與圖2楊忠強(qiáng)等人設(shè)計(jì)的鏈板輸送帶核桃脫青皮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)類似，只是將圖2的鋼絲刷改為割刀[18]，同樣此類裝備占地面積較大，結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜等問題。如圖4為新疆大學(xué)的石章成[6]等人設(shè)計(jì)的青核桃脫皮機(jī),根據(jù)青核桃大小對其分級，然后再對其進(jìn)行脫皮，將滾刀改為螺旋葉片結(jié)構(gòu)，而后利用螺旋鋼絲刷對其進(jìn)行表面清理，同時(shí)利用樣機(jī)通過正交設(shè)計(jì)確定主要因素為脫皮輥轉(zhuǎn)速，彈簧預(yù)緊力及彈性系數(shù)對青核桃脫皮性能的影響次序。但在整個(gè)脫皮過程中，對青核桃與脫皮部件接觸過程損傷沒有進(jìn)行分析。圖5為石鑫等人[21]設(shè)計(jì)的立式旋切滾筒式青核桃脫皮機(jī)，滾刀按螺旋線排列，利用旋切滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)青核桃沿滾筒切線方向運(yùn)動(dòng)并摩擦格柵，在滾刀的切割和滾筒與格柵之間的擠壓、摩擦作用下將核桃青皮剝離。確定旋切滾筒轉(zhuǎn)速、滾刀與格柵間的間隙大小和滾刀高度為影響脫皮性能的主要因素，主要問題是間歇運(yùn)動(dòng)，工作效率低。圖6為梁金生等人[15]設(shè)計(jì)的切削式脫青皮機(jī)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)速上A、B、C段依次為螺旋滾刀、鋼刷和毛刷，對核桃青皮進(jìn)行切削和刷除殘?jiān)?，但對擠壓過程脫青皮方式未深入分析。

圖3 割刀切割脫皮機(jī)構(gòu)

圖4 脫皮軸結(jié)構(gòu)示意圖1.螺旋鋼絲刷 2.鋼絲 3.主軸 4.葉片支桿 5.螺旋葉片 6.軸應(yīng)

圖5 旋切滾筒式青核桃脫皮機(jī)

圖6 切削式脫青皮機(jī)械工作原理圖

(3) 擠壓脫皮

擠壓脫皮原理的應(yīng)用主要是王亞妮[22]、吳東澤等人[23]設(shè)計(jì)的青核桃塊狀去皮過程，圖7是王亞妮等人設(shè)計(jì)的青核桃去皮機(jī)，采用脫皮滾筒與外筒間產(chǎn)生擠壓及摩擦對青核桃進(jìn)行滾動(dòng)、擠壓，實(shí)現(xiàn) 揉搓，破壞青皮與核桃的結(jié)合面，使之分離。壓板設(shè)計(jì)為柵條形式，增大摩擦阻力，工作過程中，對青皮成熟度要求比較高，其核心原理但其工作過程中，核桃個(gè)體差異影響其脫皮效果。

圖7 青核桃去皮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

(4) 碰撞脫皮

圖8～12為利用碰撞脫皮的各種裝置，圖8為梁勤安等人[4]研制的 6BXH-800核桃青皮剝離機(jī)，該機(jī)采用由柵條滾筒與凹板鋼絲刷構(gòu)成的青果皮剝離工作部件，結(jié)構(gòu)簡單，但適應(yīng)性差。圖9為新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)石鑫[24]等人設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)滾筒-清洗組合式青核桃脫皮機(jī)，基工作原理與洗衣機(jī)類似，需先注水，利用滾筒的高速旋轉(zhuǎn)及摩擦力脫皮，但其卸料較麻煩，不斷向旋轉(zhuǎn)滾筒內(nèi)注水，能耗較高，同時(shí)間歇工作，生產(chǎn)率低。圖10所示工作原理也與圖9類似，其主要區(qū)別是在旋轉(zhuǎn)滾筒內(nèi)安裝一偏心鋼刷，利用碰撞原理脫皮的同時(shí)，結(jié)合刮削脫皮，對其進(jìn)行清理。

圖8 核桃青果皮剝離部件

圖9 旋轉(zhuǎn)滾筒-清洗組合式脫皮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 滾筒式脫青皮機(jī)械工作原理圖

(5) 復(fù)合脫皮

青核桃脫皮裝置主要利用復(fù)合脫皮法，主要有兩種：一是刀片與鋼絲刷相結(jié)合；二是刮削脫皮與碰撞相結(jié)合。

(1) 青核桃剝皮機(jī)(刀片與鋼絲刷相結(jié)合)

目前市面上主要使用刀片與鋼絲刷相結(jié)合的復(fù)合脫皮原理而設(shè)計(jì)的青核桃脫皮裝置，其原型是由帕合爾鼎等人[25]設(shè)計(jì)的 6TXH-600 型青核桃脫皮清洗機(jī)，如圖11所示。

圖11 6TXH-600 型青核桃脫皮清洗機(jī)1.出雜口 2.篩網(wǎng) 3.鋼絲毛刷 4.定位銷 5.旋切滾筒 6.柵條 7.滾刀 8.柵條圓筒 9.機(jī)架 10.電動(dòng)機(jī) 11.傳動(dòng)軸12.擋料斗 13.入料斗 14.噴淋管 15.防護(hù)罩 16.出料口

該脫皮裝備配置 0.75 kW電動(dòng)機(jī)，固定柵條的螺栓上套有彈簧，通過調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)緊力，可實(shí)現(xiàn)對不同外形尺寸、不同品種青核桃的脫皮作業(yè)，滾刀在旋切滾筒外圓柱面上呈螺旋線分布，目前市場上脫皮機(jī)將其后端的鋼絲毛刷改為普通毛刷輥和螺旋毛刷輥兩種形式，可連續(xù)脫皮作業(yè)形成生產(chǎn)線。此類裝備機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，對于農(nóng)戶、經(jīng)銷商和小型核桃加工企業(yè)均適用。另一種使用較廣泛的機(jī)型青核桃與旋切滾刀相互作用的同時(shí)，在筒內(nèi)壁一周布置一圈毛刷輥，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中進(jìn)一步增大于核桃與毛刷輥的作用面積，提高剝凈率，但其主要用來集中脫皮，不適用個(gè)體農(nóng)戶使用。

(2) 立式青核桃剝皮機(jī)(刮削脫皮與碰撞相結(jié)合)

立式青核桃脫皮機(jī)，主要利用刮削脫皮與碰撞相結(jié)合的復(fù)合脫皮法，利用中心十字鋼刷轉(zhuǎn)運(yùn)過程帶動(dòng)青核桃與筒壁發(fā)生碰撞，結(jié)構(gòu)簡單。

3 結(jié) 語

我國青核桃品種大，外形特征差異較大，青皮性能與采收時(shí)期有關(guān)，且青核桃破殼力各個(gè)方向有顯著的區(qū)別?，F(xiàn)有的青核桃脫皮裝置，主要利用復(fù)合脫皮方式，采用集中脫皮，同時(shí)用水清洗，一方面浪費(fèi)水資源，另一方面在脫青皮過程中過將青皮打成液汁狀，污染環(huán)境，可以從青核桃脫皮裝置結(jié)構(gòu)性能方面出發(fā)，設(shè)計(jì)塊狀去皮機(jī)，保證產(chǎn)品的有效利用。

核桃脫青皮裝置種類繁多，但產(chǎn)品適應(yīng)性差，尤其對于薄殼核桃在青果皮剝離過程中破率高的問題，要解決其通用性與脫皮效果之間、破殼率與剝凈率之間的矛盾，通過各種方法組合，找出最優(yōu)方法。后續(xù)核桃脫皮技術(shù)發(fā)展方向主要針對現(xiàn)有裝置對小型農(nóng)戶不適用及機(jī)械化水平低，解決散戶與集中脫皮的矛盾，智能化與低成本之間的矛盾，對于智能化裝備的研究及核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展有很大的空間。