渠述賀 朱占江 沈曉賀 楊莉玲 祝兆帥

摘要：

殼仁分選是核桃破殼取仁的重要環(huán)節(jié)，是核桃進(jìn)行精深加工的基礎(chǔ)。對(duì)核桃殼仁分選領(lǐng)域中智能分選技術(shù)、風(fēng)選技術(shù)、篩分技術(shù)和浮選技術(shù)的設(shè)備研究和應(yīng)用現(xiàn)狀分別進(jìn)行剖析和總結(jié)。核桃智能分選技術(shù)具有識(shí)別率高的優(yōu)點(diǎn)，可用于殼仁初步分選后的仁的精選，但由于目前智能分選設(shè)備成本較高，在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用存在難度；風(fēng)選技術(shù)具有仁損傷小、設(shè)備易操作的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)改變?cè)O(shè)備結(jié)構(gòu)，可達(dá)到不同分選效果，在核桃殼仁分選領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛；篩分技術(shù)中，篩網(wǎng)一定程度上會(huì)損傷果仁，多用于對(duì)榨油核桃的殼仁分選；浮選技術(shù)中，殼仁分離后需要進(jìn)行干燥處理，提高了生產(chǎn)成本，目前應(yīng)用較少。在分析分選技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出應(yīng)加強(qiáng)智能分選設(shè)備研發(fā)和促進(jìn)不同分選技術(shù)間進(jìn)行技術(shù)融合的發(fā)展方向，為核桃殼仁分選設(shè)備的研制提供理論參考。

關(guān)鍵詞：核桃；殼仁分選；智能分選；風(fēng)選；篩分

中圖分類號(hào)：S226.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：20955553 （2023） 12007109

Research status and prospect of walnut shell kernel separation technology

Qu Shuhe1， Zhu Zhanjiang1， 2， Shen Xiaohe 2， Yang Liling2， Zhu Zhaoshuai2

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， 830052， China;

2. Agricultural Mechanization Institute， Xinjiang Academy of Agricultural Sciences， Urumqi， 830091， China）

Abstract：

Shell kernel sorting is an important part of walnut shelling and kernel extraction， which is the basis of walnut deep processing. This paper analyzes and summarizes the current status of research and application of equipment in the field of walnut shell kernel sorting for intelligent sorting technology， wind sorting technology， screening technology and flotation technology， respectively. Walnut intelligent sorting technology has the advantage of high recognition rate， which can be used for the selection of kernel after the initial sorting of shell kernel， but due to the high cost of the current intelligent sorting equipment， it is difficult to popularize the application in the production. Wind separation technology has the advantages of small kernel damage， easy to operate equipment， by changing the structure of the equipment， different sorting effects can be achieved， the most widely used in the field of walnut shell kernel sorting. In sieving technology， the sieve mesh damages the kernel to some extent and is mostly used for sorting the shell kernel of oiled walnuts. In flotation technology， drying treatment is required after shell kernel separation， which raises the production cost and is less applied at present. On the basis of analyzing the advantages and disadvantages of the four types of sorting technology， it is proposed to strengthen the research and development of intelligent sorting equipment and promote the development direction of technological integration between different sorting technologies， which provides theoretical references for the development of walnut shell kernel sorting equipment.

Keywords：

walnut; shell and kernel separation; intelligent separation; winnowing; screening

0 引言

核桃是胡桃科胡桃屬植物，與扁桃、腰果、榛子并稱為“世界四大干果”，在我國(guó)已有兩千多年的種植歷史，種植地域主要分布在新疆、陜西、云南等省份［1］。核桃仁含有人體所需的八種氨基酸中的七種，同時(shí)富含維生素、脂肪酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和鋅、鐵等微量元素，對(duì)保養(yǎng)皮膚、延緩衰老有著顯著效果［2］。核桃殼可作為過(guò)濾裝置和抗氧化劑［3］，分心木可入藥，有澀精縮尿、止瀉痢的功效［4］。核桃不同成分的豐富利用體現(xiàn)出核桃加工產(chǎn)業(yè)的廣闊前景。

核桃加工工藝可分為初加工和深加工兩部分，初加工一般有去青皮、分級(jí)、破殼以及殼仁分選四個(gè)流程，深加工則是指將核桃進(jìn)一步加工為核桃油、核桃粉、核桃乳等產(chǎn)品［5］。殼仁分選作為初加工的最后環(huán)節(jié)，對(duì)核桃產(chǎn)品品質(zhì)有著重要影響。含有雜質(zhì)少的核桃仁可以加工出口感更好的核桃產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，殼仁分選的研究對(duì)核桃產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要意義。我國(guó)早期殼仁分離主要依賴手工分選，具有人工成本高、生產(chǎn)效率低下的缺點(diǎn)。采用機(jī)械式殼仁分選技術(shù)可以大大提高殼仁分離效率和分選效果。常見(jiàn)的核桃殼仁技術(shù)有智能分選技術(shù)、風(fēng)選技術(shù)、篩分技術(shù)和浮選技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這幾種分選技術(shù)展開(kāi)了大量研究。

1 核桃殼仁智能分選技術(shù)

核桃殼仁智能分選技術(shù)是一種高自動(dòng)化的新興分選技術(shù)，具有識(shí)別率高的優(yōu)點(diǎn)?；谥悄芊诌x設(shè)備分選過(guò)程中所識(shí)別的物料原始信息不同，智能分選技術(shù)可分為圖像識(shí)別技術(shù)和光譜識(shí)別技術(shù)。圖像識(shí)別技術(shù)是利用核桃殼仁之間顏色、紋理等形態(tài)特征差異對(duì)核桃殼仁進(jìn)行智能分選。工作時(shí)，首先通過(guò)工業(yè)相機(jī)對(duì)核桃破殼后的混合物料進(jìn)行原始圖像提取，之后建立識(shí)別模型對(duì)核桃殼、仁、分心木等進(jìn)行識(shí)別區(qū)分。核桃殼仁光譜識(shí)別技術(shù)是利用核桃殼仁之間光譜特性曲線差異對(duì)核桃殼仁進(jìn)行智能分選。工作時(shí)，先使用智能設(shè)備探測(cè)核桃殼仁光譜特性曲線，并對(duì)其進(jìn)行分析，若某一段核桃殼仁之間反射光強(qiáng)度存在明顯差異，則該段光譜可用作檢測(cè)分選，然后利用核桃殼、仁和分心木不同的光譜特征建立判別模型對(duì)核桃殼、仁、分心木等進(jìn)行分選判別。

1.1 圖像識(shí)別技術(shù)

汪天宇等［6］設(shè)計(jì)的山核桃分選系統(tǒng)中，采用了模糊類圖像處理算法，運(yùn)用模糊聚類算法計(jì)算出相應(yīng)對(duì)象數(shù)據(jù)集合的聚類中心，計(jì)算試驗(yàn)樣本對(duì)相應(yīng)聚類中心的隸屬度，按照最大隸屬度原則對(duì)山核桃外殼、分心木和核桃仁進(jìn)行合理分類，成功將核桃仁從破殼混合物料中分選出來(lái)，對(duì)核桃仁識(shí)別率達(dá)到了83%以上。李成吉等［7］以顏色特征值、紋理特征值和顏色-紋理融合特征值為輸入值建立了3種最小二乘向量機(jī)模型，分別對(duì)核桃殼仁混合物料成分進(jìn)行判別，結(jié)果表明，顏色-紋理融合特征值模型判別效果最好，核桃仁、分心木以及核桃殼的判別準(zhǔn)確率分別為93.3%、97.1%、100%。李文寶等［8］基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在VGG16網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上構(gòu)建識(shí)別模型，并進(jìn)行了一系列的訓(xùn)練和探究，利用識(shí)別模型對(duì)山核桃混合物料進(jìn)行分類，較完整未分離殼仁、露仁、未破殼山核桃、不完整未分離殼仁和殼5種物料的識(shí)別精確率分別達(dá)99.1%、99.2%、100.0%、100.0%、99.3%，該研究方法不僅具有較高的殼仁識(shí)別率，且可對(duì)破殼不充分的核桃物料進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)一步拓展了殼仁圖像識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用范圍。羅坤等［9］設(shè)計(jì)的一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的智能山核桃殼仁分選機(jī)中，采用了圖像識(shí)別技術(shù)，工作時(shí)，首先使用工業(yè)相機(jī)完成對(duì)殼仁混合物料的原始圖像采集，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法完成對(duì)分離個(gè)體的目標(biāo)識(shí)別，同時(shí)基于區(qū)域連通域分割理論完成對(duì)每幀圖像中的多個(gè)物料目標(biāo)的精確定位，通過(guò)串口通信將所選目標(biāo)質(zhì)心坐標(biāo)發(fā)送給執(zhí)行裝置控制器，控制器能精準(zhǔn)控制執(zhí)行裝置選出目標(biāo)識(shí)別物，完成殼仁分選。圖像識(shí)別技術(shù)的分離精度主要依賴智能算法所建立殼仁識(shí)別模型，卷積層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法簡(jiǎn)化了混合物料特征提取過(guò)程，又能更全面反映目標(biāo)本身特征，于殼仁智能分選領(lǐng)域有較好的發(fā)展前景。

1.2 光譜識(shí)別技術(shù)

張璇等［10］對(duì)核桃殼仁光譜特性曲線進(jìn)行了研究，以“香玲”“185”“新2”“泡核桃”4個(gè)品種的核桃殼仁為樣品，采集900～1 750nm范圍內(nèi)的核桃殼、仁光譜信息，試驗(yàn)結(jié)果表明，4個(gè)品種核桃殼、仁光譜趨勢(shì)均在1180～1240nm范圍有較為明顯的吸收差異，此范圍可用作核桃殼仁分選檢測(cè)波段，為核桃殼仁光譜識(shí)別技術(shù)的運(yùn)用提供了理論基礎(chǔ)。陳彩虹等［11］以禮品2號(hào)核桃為研究對(duì)象，運(yùn)用高光譜成像系統(tǒng)采集核桃殼、仁和分心木的光譜成像信息，用加權(quán)算法、回歸系數(shù)法、和連續(xù)投影法提取波長(zhǎng)，建立最小二乘支持向量機(jī)（LS-SVM）對(duì)不同特征波長(zhǎng)下的核桃殼、仁及分心木進(jìn)行判別，識(shí)別準(zhǔn)確率分別達(dá)到了100%、100%、99%。An等［12］采用近紅外（NIR）光譜法收集了三種核桃破殼后混合物的1 200個(gè)光譜，采用去趨勢(shì)化（DT）預(yù)處理方法，以主成分因子為輸入變量，建立了基于支持向量機(jī)（SVM）分類模型和基于極值學(xué)習(xí)機(jī)（ELM）的分類模型，運(yùn)用SVM模型和ELM模型分別對(duì)殼、仁和殼仁嵌合物進(jìn)行識(shí)別，其分類準(zhǔn)確率分別達(dá)到了97.78%和97.11%。

1.3 小結(jié)

核桃殼仁智能分選設(shè)備主要有圖像識(shí)別（基于模糊類算法）、圖像識(shí)別（基于卷積層算法）與光譜識(shí)別三種類型，各類型智能分選設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用范圍對(duì)比總結(jié)如表1所示。

2 核桃殼仁風(fēng)選技術(shù)

核桃殼仁風(fēng)選技術(shù)具有仁損傷小、成本低，便于操作的優(yōu)點(diǎn)，是核桃殼仁分選領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的分選技術(shù)?；陲L(fēng)道結(jié)構(gòu)不同，核桃殼仁風(fēng)選技術(shù)可分為豎直氣流和傾斜氣流兩種類型。對(duì)于豎直氣流殼仁風(fēng)選設(shè)備，工作時(shí)，利用風(fēng)機(jī)在風(fēng)腔內(nèi)形成豎直氣流場(chǎng)，將破殼后殼仁混合物置于豎直氣流場(chǎng)，殼仁因不同的空氣動(dòng)力學(xué)特性，產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)殼仁分離。對(duì)于傾斜氣流殼仁分選設(shè)備，工作時(shí)，利用結(jié)構(gòu)特征或輔助裝置使殼仁混合物處于下落的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在下落的過(guò)程中，風(fēng)機(jī)提供一個(gè)傾斜的氣流場(chǎng)，在傾斜氣流場(chǎng)的作用下，殼仁因受力差異產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)殼仁分離。

2.1 豎直氣流殼仁分選

物料置于豎直的氣流場(chǎng)中，當(dāng)所受風(fēng)力與物料本身的重力相等時(shí)，物料處于懸浮狀態(tài)，氣流的速度稱為物料懸浮速度［13］，只有當(dāng)氣流場(chǎng)中風(fēng)速超過(guò)物料懸浮速度時(shí)，才能使物料懸浮于氣流并改變物料的運(yùn)動(dòng)軌跡［14］。因此，核桃殼、仁及其他雜質(zhì)之間不同的懸浮速度是風(fēng)力分選核桃殼仁混合物的基石。馬佳樂(lè)［15］、王維［16］等利用各自研制的懸浮速度試驗(yàn)臺(tái)，分別測(cè)定了“溫185號(hào)”和“香玲核桃”各等級(jí)核桃殼仁混合物的懸浮速度范圍，為豎風(fēng)式殼仁風(fēng)選設(shè)備研制提供了理論基礎(chǔ)。李昊［17］ 以具體的試驗(yàn)測(cè)試裝置尺寸建立了懸浮速度測(cè)量幾何模型，對(duì)“3σ準(zhǔn)則”選取的代表粒徑進(jìn)行當(dāng)量球轉(zhuǎn)化，制定了核桃殼仁模型，運(yùn)用CFD-DEM耦合技術(shù)捕獲到一組懸浮速度數(shù)據(jù)。同時(shí)，通過(guò)懸浮速度計(jì)算公式計(jì)算出懸浮速度理論值，通過(guò)自制的懸浮速度試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行懸浮速度測(cè)定試驗(yàn)，得到了懸浮速度測(cè)定值，將三組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了利用CFD-DEM耦合技術(shù)獲得懸浮速度的可行性，為核桃殼仁懸浮速度的獲得提供了一種智能化的研究方法。曹正茂等［18］研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)加大核桃殼仁含水率的區(qū)分度，采用殼干仁濕的特殊工藝，可以減小殼、仁和殼仁嵌合物的懸浮速度重疊區(qū)間，從而提高山核桃殼仁風(fēng)選效果。部分核桃品種殼仁之間懸浮速度重合區(qū)域較大，直接對(duì)破殼后的殼仁混合物進(jìn)行分選，分離效果并不理想，對(duì)破殼后的殼仁混合物進(jìn)行分級(jí)，將分級(jí)后的同等級(jí)殼仁混合物進(jìn)行分選可以取得較好的分選效果。豎直氣流殼仁分選設(shè)備按照風(fēng)道數(shù)目不同，還可分為單風(fēng)道設(shè)備和多風(fēng)道設(shè)備。

2.1.1 單風(fēng)道

羅坤［19］設(shè)計(jì)的山核桃殼仁風(fēng)選機(jī)中，采用了正壓送風(fēng)式單風(fēng)道結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。工作時(shí)，正壓風(fēng)機(jī)在分選室形成正壓氣流場(chǎng)，將混合物料送入分選室內(nèi)，殼被正壓氣流吹入殼收集室內(nèi)收集，仁從分離腔上仁出料口滑落，完成核桃殼仁分選。王亞妮等［20］設(shè)計(jì)的一種變頻調(diào)節(jié)風(fēng)選分離裝置中，采用了負(fù)壓吸風(fēng)式單風(fēng)道結(jié)構(gòu)，負(fù)壓風(fēng)機(jī)與殼沉積室相連接，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流經(jīng)殼沉積室在分離腔內(nèi)形成穩(wěn)定的負(fù)壓氣流場(chǎng)。核桃仁從分離腔下端出料口掉落，核桃殼則被吸入殼沉積室沉降收集。有別于正壓式分選設(shè)備，負(fù)壓式分選設(shè)備一般設(shè)有體積較大的殼沉積室，沉積室內(nèi)的氣流速度小于殼懸浮速度，便于核桃殼依靠自身重力完成沉積，同時(shí)殼分離室能有效防止分離后的核桃殼或其他雜余被吸入負(fù)壓風(fēng)機(jī)中，妨礙負(fù)壓風(fēng)機(jī)正常工作。

劉奎［21］設(shè)計(jì)的單風(fēng)道負(fù)壓風(fēng)選設(shè)備中，增加除塵裝置旋風(fēng)離心除塵器，分選設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，除塵裝置可以將空氣中的塵埃分離，改善風(fēng)選設(shè)備的工作環(huán)境。單風(fēng)道風(fēng)選設(shè)備較于多風(fēng)道風(fēng)選設(shè)備而言，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)相對(duì)便宜，適合中小型核桃加工廠使用。

2.1.2 多風(fēng)道

多風(fēng)道殼仁風(fēng)選設(shè)備按風(fēng)道之間的連接方式不同，有并聯(lián)和串聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)。并聯(lián)多風(fēng)道分選設(shè)備中多個(gè)風(fēng)道并排連接，機(jī)器工作時(shí)，多個(gè)風(fēng)道同時(shí)運(yùn)行互不干預(yù)，可完成對(duì)大量殼仁混合物料的分選；串聯(lián)式多風(fēng)道風(fēng)選設(shè)備中多個(gè)風(fēng)道串聯(lián)連接，同一物料在依次在不同風(fēng)道中進(jìn)行多次分選，達(dá)到將核桃殼仁混合物料精選的效果。典型并聯(lián)多風(fēng)道分選設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，典型串聯(lián)多風(fēng)道分選設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

車稷等［22］設(shè)計(jì)的一種多級(jí)負(fù)壓殼仁分離裝備中，采用并聯(lián)多風(fēng)道結(jié)構(gòu)，并排設(shè)置多個(gè)負(fù)壓分離器和負(fù)壓分離組件，負(fù)壓分離器與負(fù)壓分離組件通過(guò)管道相連接，組成負(fù)壓分離系統(tǒng)，殼仁混合物在負(fù)壓分離組件中分離，仁從負(fù)壓分離組件下端掉落，殼被吸入負(fù)壓分離器沉積。各組負(fù)壓分離系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，可進(jìn)行大批量混合物料分選，提高了工作效率，節(jié)約了時(shí)間成本。

王亞妮等［23］設(shè)計(jì)的一種風(fēng)選式核桃殼仁分離機(jī)中，采用了串聯(lián)多風(fēng)道結(jié)構(gòu)，核桃仁分離腔、核桃殼卸料箱和核桃隔膜卸料箱經(jīng)管道串聯(lián)組成分離系統(tǒng)，通過(guò)風(fēng)機(jī)頻率、管道粗細(xì)來(lái)調(diào)控分離系統(tǒng)內(nèi)部氣流大小。工作時(shí)，負(fù)壓風(fēng)機(jī)向管道內(nèi)輸送氣流，核桃仁在仁分離腔下落經(jīng)仁出口排出進(jìn)行收集，核桃殼與核桃隔膜則被吸入核桃殼卸料箱中，核桃殼在殼卸料中沉降收集，較輕的核桃隔膜則又被吸入核桃隔膜收集箱中，經(jīng)隔膜收集箱下端排出。該設(shè)備不僅能夠完成核桃混合物殼仁分離，還能進(jìn)一步將核桃隔膜分選出來(lái)，提高了核桃破殼后各物料的利用率。安金蓉［24］設(shè)計(jì)的一種風(fēng)選式核桃殼仁分離機(jī)中，同樣采用多風(fēng)道串聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過(guò)管道將三個(gè)卸料箱串聯(lián)起來(lái)組成分選系統(tǒng)，利用連接管上的調(diào)節(jié)閥控制卸料箱內(nèi)風(fēng)速大小，該分選系統(tǒng)不僅能夠完成殼仁分離，在色選機(jī)的輔助下，還可將質(zhì)變核桃仁和霉變核桃仁剔除，完成核桃仁的精選。串聯(lián)式多風(fēng)道結(jié)構(gòu)通過(guò)多風(fēng)道對(duì)混合物料進(jìn)行多次分選，能有效剔除核桃仁中的雜質(zhì)與殘次品，獲取更為純凈的核桃仁，對(duì)核桃仁精度要求較高的核桃加工工藝多采用該分選方法。

2.2 傾斜氣流殼仁分選

傾斜氣流場(chǎng)的穩(wěn)定性是影響傾斜氣流殼仁風(fēng)選裝置分選效果的重要因素。杜小強(qiáng)等［25］為解決現(xiàn)有谷物風(fēng)選裝置存在的流場(chǎng)不均勻、寬度受限等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種以貫流風(fēng)機(jī)作為風(fēng)源的貫流式谷物清選裝置，并對(duì)其進(jìn)行了氣固兩相流數(shù)值模擬與試驗(yàn)，結(jié)果表明貫流風(fēng)機(jī)在清選室內(nèi)形成的氣流場(chǎng)分布平穩(wěn)，沒(méi)有明顯渦流產(chǎn)生，且谷物中不同組分顆粒在清選室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡有很大差異，該研究為斜風(fēng)式殼仁風(fēng)選裝置風(fēng)機(jī)選取提供了參考。傾斜氣流殼仁分選設(shè)備按工作原理不同可分為三種類型，分別是獨(dú)立風(fēng)選、耦合風(fēng)選和多級(jí)分選。獨(dú)立風(fēng)選是指分選過(guò)程中僅有風(fēng)機(jī)形成的氣流場(chǎng)對(duì)混合物料產(chǎn)生影響；耦合風(fēng)選則是指分選過(guò)程中輔助裝置與風(fēng)機(jī)耦合共同作用于混合物料；多級(jí)分選則是指混合物料依次在多個(gè)分選結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次分選，其中包括進(jìn)行多次風(fēng)選或風(fēng)選與其他分選方式交替進(jìn)行。

2.2.1 獨(dú)立風(fēng)選

張開(kāi)興［26］、郭銳［27］、楊學(xué)華［28］等設(shè)計(jì)了的核桃破殼分選一體設(shè)備，均采用了獨(dú)立風(fēng)選結(jié)構(gòu)。機(jī)器分為上下兩部分，上方進(jìn)行核桃脫殼，下方進(jìn)行殼仁分選。工作時(shí)，核桃經(jīng)破殼設(shè)備破殼形成殼仁混合物，混合物料受重力作用呈下落趨勢(shì)，下落過(guò)程中受到側(cè)面風(fēng)機(jī)提供的傾斜氣流作用，仁重量大體積小，掉落在離風(fēng)機(jī)較近的收集箱內(nèi)，殼則重量小體積大，掉落在離風(fēng)機(jī)較遠(yuǎn)的收集箱內(nèi)，完成殼仁分選。賀曉輝［29］、趙鵬飛［30］等設(shè)計(jì)的核桃破殼分選一體設(shè)備中，同樣采用了獨(dú)立風(fēng)選式結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了防止混合物料分離時(shí)互相碰撞影響分離效果，在破殼裝置和分選裝置之間設(shè)立了導(dǎo)向階梯層，破殼后的混合物料落在導(dǎo)向階梯層時(shí)被震蕩分散，提高了殼仁分選效果。毛碧琦等［31］設(shè)計(jì)的一種核桃殼仁分離振動(dòng)篩分機(jī)中，同樣采用了獨(dú)立風(fēng)選式結(jié)構(gòu)，為了提高設(shè)備分選效率，風(fēng)機(jī)左右兩側(cè)都設(shè)有分離箱，工作時(shí)，風(fēng)機(jī)葉輪放置中間同時(shí)向兩側(cè)吹風(fēng)，破殼后的物料經(jīng)兩個(gè)方向向背的傳送帶被分成兩部分輸送至兩個(gè)分離箱中進(jìn)行殼仁分離，提高了殼仁分離效率。獨(dú)立風(fēng)選式分選設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本較低，通常作為核桃脫殼機(jī)附屬設(shè)備使用。

2.2.2 耦合風(fēng)選

賀曉輝［32］、畢曉明［33］等設(shè)計(jì)的耦合式殼仁風(fēng)選設(shè)備中，均采用了風(fēng)機(jī)與螺旋葉片相耦合的模式，工作時(shí)，風(fēng)機(jī)在螺旋葉片滾筒內(nèi)形成氣流場(chǎng)，核桃經(jīng)破殼后進(jìn)入螺旋葉片滾筒中，在螺旋葉片的作用下，混合物料被攪拌分散，提高了分選效果，同時(shí)，螺旋葉片還可以對(duì)分選后的物料起到輔助傳輸?shù)淖饔谩垙┍虻龋?4］設(shè)計(jì)的氣力與柔性螺旋葉片耦合的核桃殼仁滾筒雙向分離裝備中，對(duì)螺旋葉片進(jìn)行了改進(jìn)，研制了連續(xù)的變螺距螺旋輸送葉片結(jié)構(gòu)，設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。該螺旋葉片將滾筒劃分為殼輸送區(qū)域、殼仁分離區(qū)域和仁輸送區(qū)域三部分。工作時(shí)，風(fēng)機(jī)向螺旋葉片滾筒提供傾斜氣流，懸浮速度較大的核桃仁落入離風(fēng)機(jī)較近的核桃仁輸送區(qū)域，經(jīng)螺旋葉片輸送至核桃仁收集器收集，懸浮速度較小的核桃殼落入核桃殼輸送區(qū)域，經(jīng)螺旋葉片輸送至核桃殼收集器收集，懸浮速度差異較小的核桃殼仁落入螺旋葉片筒的殼仁分離區(qū)域，在螺旋葉片和氣流場(chǎng)相耦合的作用下，進(jìn)行多次殼仁分離，最終殼仁分離區(qū)域的核桃殼被送入殼輸送區(qū)域，核桃仁被送入仁輸送區(qū)域，完成殼仁分選。曾勇等［35］設(shè)計(jì)的風(fēng)選式核桃殼仁分離機(jī)中，采用振動(dòng)裝置進(jìn)行輔助分選，振動(dòng)裝置由振動(dòng)盤和振動(dòng)腔上下連接構(gòu)成，工作時(shí)，物料經(jīng)進(jìn)料槽落到振動(dòng)盤上，振動(dòng)腔內(nèi)的脈沖電磁鐵與固定電磁鐵間產(chǎn)生簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，使振動(dòng)盤上的核桃隔膜、殼、仁依次彈起，離心風(fēng)機(jī)依次吹落，完成核桃殼、仁和分心木的分選。裴二鵬［36］、祁建榮［37］等設(shè)計(jì)的殼仁風(fēng)選分離裝置中，采用了振動(dòng)篩進(jìn)行輔助分選，工作時(shí)，將核桃殼仁混合物置于傾斜放置的振動(dòng)篩上，在振動(dòng)篩作用下翻轉(zhuǎn)跳動(dòng)，殼在風(fēng)力與振動(dòng)的作用下被吹出振動(dòng)篩，仁則在重力的作用下滑落，完成殼仁分選。 耦合風(fēng)選設(shè)備具有效率高、響應(yīng)速快、分選效果好的優(yōu)點(diǎn)，斜風(fēng)式核桃殼仁風(fēng)選設(shè)備中多采用此類結(jié)構(gòu)。

2.2.3 多級(jí)分選

張?jiān)砌蔚龋?8］設(shè)計(jì)的一種核桃剝殼機(jī)中，分選裝置采用了多級(jí)風(fēng)選結(jié)構(gòu)，核桃經(jīng)破殼后進(jìn)入上層分選室中，在鼓風(fēng)機(jī)的作用下將大殼吹離，完成第一次殼仁分離，一次分離后的殼仁混合物落入振動(dòng)傳輸帶上，在振動(dòng)作用下，核桃內(nèi)殼與核桃仁完全分開(kāi)，傳輸至下層分選室中，在下層分選室鼓風(fēng)機(jī)的作用下，完成第二次殼仁分離。張宏等［39］設(shè)計(jì)的雙級(jí)高效核桃殼仁分離機(jī)械中，同樣采用了兩級(jí)風(fēng)選結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化。一級(jí)分離裝置的出料口與二級(jí)分離裝置的入料口相連組成分離系統(tǒng)，一級(jí)、二級(jí)分離裝置均通過(guò)匯風(fēng)管與旋風(fēng)分離器相連，旋風(fēng)分離器可以在設(shè)備工作時(shí)進(jìn)行除塵作業(yè)，保障了殼仁混合物進(jìn)行連續(xù)分離作業(yè)時(shí)的工作環(huán)境。張敏等［40］設(shè)計(jì)的小型核桃脫殼分選一體機(jī)中，采用先篩選后風(fēng)選的多級(jí)分選方式，工作時(shí)，將破殼后的核桃置于雙層篩網(wǎng)上，雙層篩網(wǎng)完成對(duì)殼仁混合物的分級(jí)，同時(shí)將混合物中碎渣篩除，將分級(jí)后的混合物由傳送帶升高，傳輸至最高點(diǎn)拋落，傳送帶下方的風(fēng)機(jī)提供一個(gè)側(cè)向氣流，殼仁在下落過(guò)程中受氣流作用，分別落至不同的集料盒內(nèi)，完成殼仁分選。劉笑帆等［41］設(shè)計(jì)的一種螺旋輸送式核桃送料分級(jí)裝置及殼仁分離系統(tǒng)中，采用篩選—篩選—風(fēng)選的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了三級(jí)殼仁分離系統(tǒng)，工作時(shí)，脫殼后的核桃混合物利用篩孔較小的一級(jí)漏篩板剔除較小核桃殼，之后，將殼仁混合物送入離心葉輪進(jìn)行打散處理，處理后流入篩孔較大的二級(jí)漏篩板，較大的核桃殼留在篩板上滑落收集，體積相弗的殼仁混合物透過(guò)篩孔經(jīng)引流板引至風(fēng)機(jī)上方落下，在風(fēng)機(jī)形成的氣流場(chǎng)中完成殼仁分離。張麗等［42］設(shè)計(jì)的組合式殼仁分選裝置中，先利用豎風(fēng)式殼仁分選機(jī)構(gòu)將殼仁混合物中較小的殼和質(zhì)量較輕的雜余吸除，之后利用風(fēng)篩耦合分選機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的殼仁分離。多級(jí)分選設(shè)備相對(duì)于其他分選設(shè)備來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但通過(guò)多次分選可以取得更為理想的分選效果，保障了殼仁分選的精度，核桃食品加工業(yè)多采用多次分選的加工工藝。

2.3 小結(jié)

豎直氣流核桃殼仁風(fēng)選設(shè)備主要有單風(fēng)道、并聯(lián)多風(fēng)道與串聯(lián)多風(fēng)道三種類型，各類型豎直氣流核桃殼仁分選設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用范圍對(duì)比總結(jié)如表2所示。

傾斜氣流核桃殼仁風(fēng)選設(shè)備主要有獨(dú)立風(fēng)選、耦合風(fēng)選與多級(jí)分選三種類型，各類型傾斜氣流核桃殼仁分選設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用范圍對(duì)比總結(jié)如表3所示。

3 核桃殼仁篩分技術(shù)

核桃殼仁篩選技術(shù)是根據(jù)核桃殼仁之間的粒度不同，利用殼仁不同的透篩能力，實(shí)現(xiàn)混合物料的篩分。核桃殼仁的篩分效果受核桃破殼后的形態(tài)影響較大，若脫殼后的混合物料中殼仁之間粒度范圍差異較大，則分離效果好；反之，若脫殼后的殼仁粒度范圍相近，則很難實(shí)現(xiàn)有效篩分。因此，核桃篩分裝置往往與核桃破殼裝置配合使用。核桃殼仁平篩裝置按篩分過(guò)程中篩板是否運(yùn)動(dòng)可分為固定篩分和振動(dòng)篩分。固定篩分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝和維護(hù)，生產(chǎn)成本較低。振動(dòng)篩分設(shè)有振動(dòng)裝置可帶動(dòng)篩板上下振動(dòng)，分選效果相對(duì)較好。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，殼仁篩分技術(shù)多用于對(duì)榨油的鐵核桃進(jìn)行殼仁分離，大多數(shù)其他用途的核桃，為了避免核桃仁表皮磨損，提高核桃仁商品性，較少采用篩分的方法［43］。

3.1 固定篩分

王秉富等［44］設(shè)計(jì)的一種核桃殼仁分離系統(tǒng)中，采用了固定篩分結(jié)構(gòu)，篩分裝置位于破殼裝置的下方。工作時(shí)，核桃經(jīng)破殼后從出料斗落入傾斜放置的篩網(wǎng)上，破殼后的核桃殼粒度較小，透過(guò)篩網(wǎng)從碎殼出口滑出，核桃仁粒度較大無(wú)法透過(guò)篩網(wǎng)，沿篩網(wǎng)表面從核仁出口滑落，完成殼仁分離。于固定篩分而言，當(dāng)大量物料滑落至篩分網(wǎng)時(shí)，由于篩面始終處于靜止?fàn)顟B(tài)，易造成殼仁混合物在篩面淤積，影響殼仁分選設(shè)備的正常使用。因此，固定篩分技術(shù)在殼仁分選領(lǐng)域應(yīng)用較少。

3.2 振動(dòng)篩分

陳俊峰等［45］設(shè)計(jì)的一種殼仁篩分裝置中，采用了振動(dòng)篩分結(jié)構(gòu)，由彈簧組成的振動(dòng)設(shè)備帶動(dòng)篩板運(yùn)動(dòng)，殼仁混合物在振動(dòng)篩作用下翻轉(zhuǎn)跳動(dòng)，加快篩框內(nèi)部的核桃殼仁完成分離。李平等［46］設(shè)計(jì)的碾壓式核桃果仁與果殼分離機(jī)中，分選裝置采用雙層振動(dòng)篩分結(jié)構(gòu)，核桃殼仁混合物在第一振動(dòng)篩板上完成第一次振動(dòng)篩分后，落至第二振動(dòng)篩板上進(jìn)行第二次振動(dòng)篩分。經(jīng)兩次振動(dòng)篩分，可使外部硬質(zhì)果殼與內(nèi)部核桃果仁完全分離。馬佳樂(lè)等［47］設(shè)計(jì)的一種核桃脫殼設(shè)備及其脫殼方法中，同樣采用雙層篩分結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)分選系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)，分選室內(nèi)部設(shè)置了吸塵桶，利用負(fù)壓氣流吸走粉末狀核桃殼仁，起到了降塵作用。振動(dòng)篩分相較于固定篩分而言，利用振動(dòng)輔助裝置可以達(dá)到更快的分離效率和更好的分選效果，是核桃殼仁篩分設(shè)備中最為常用的篩分結(jié)構(gòu)。

3.3 螺旋篩筒篩分

張永成等［48］設(shè)計(jì)的一種集干燥一體的核桃破殼機(jī)中，分選部分采用了旋轉(zhuǎn)篩桶結(jié)構(gòu)。工作時(shí)，核桃經(jīng)破殼裝置破殼后，殼仁混合物順勢(shì)落入旋轉(zhuǎn)篩桶中，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)篩桶的轉(zhuǎn)動(dòng)部運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)部對(duì)殼仁混合物進(jìn)行攪拌分散，提高了篩分效果，并將分選后核桃殼輸送至旋轉(zhuǎn)篩桶右端的廢料口收集，核桃仁則透過(guò)篩孔落入輸送帶上，進(jìn)入干燥室干燥。該研究提供了一種創(chuàng)新型篩分結(jié)構(gòu)，為核桃殼仁篩分裝置的研制提供了新的思路，開(kāi)拓了殼仁篩分領(lǐng)域發(fā)展前景。

3.4 小結(jié)

核桃殼仁篩分設(shè)備主要有固定篩分、振動(dòng)篩分與旋轉(zhuǎn)篩桶篩分三種類型，各類型核桃殼仁篩分設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用范圍對(duì)比總結(jié)如表4所示。

4 核桃殼仁浮選技術(shù)

核桃殼仁浮選技術(shù)是利用核桃殼仁密度和物理特征差異使核桃殼仁在分離液中呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)殼仁分離。曾勇等［49］通過(guò)對(duì)10余種核桃堅(jiān)果的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)同一品種的核桃仁的密度略大于殼的密度，但都小于水的密度，一般情況下，將核桃破碎后放置在水中時(shí)，核桃殼呈碎片狀，易浮在水面，核桃仁也可漂浮在水面，無(wú)法完成殼仁分離，進(jìn)入深入研究后發(fā)現(xiàn)，部分種類核桃的殼仁混合物在浸泡30～50s后，核桃殼會(huì)吸收部分液體，自主下沉，而核桃仁依舊會(huì)漂浮在水面，該研究為殼仁浮選技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。Romberg等［50］研究發(fā)現(xiàn)，在水溶液中加入適當(dāng)?shù)柠}改變水溶液的密度，可以實(shí)現(xiàn)山核桃與波斯核桃殼仁在水溶液中仁上浮、殼下沉，該研究為浮選裝置中分離液的選取提供了一定的參考。由于浮選分離工作過(guò)程發(fā)生在分離液中，核桃殼仁經(jīng)浮選分離后，一般需要對(duì)其進(jìn)行干燥處理，增加了加工工序，提高了生產(chǎn)成本。因此，核桃殼仁浮選技術(shù)在殼仁分選領(lǐng)域一直運(yùn)用較少。

趙志峰［51］、安金蓉［52］等設(shè)計(jì)的兩種殼仁分離裝置中，均是將破殼后核桃殼仁混合物送入浮選池內(nèi)，進(jìn)行密度篩分，實(shí)現(xiàn)殼仁分離，但未設(shè)計(jì)打撈裝置，殼仁分離后，仍需要對(duì)其進(jìn)行人工揀取。韓閏勞等［53］設(shè)計(jì)的一種堅(jiān)果類殼仁自動(dòng)分選設(shè)備中，在浮選池的上方設(shè)有打撈機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由三個(gè)鏈輪組和旋轉(zhuǎn)輥筒組成。工作時(shí)，利用第一鏈輪組、張緊鏈輪組和第三鏈輪組，在拖拽旋轉(zhuǎn)輥筒做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)輥筒的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)分離后果仁的往復(fù)打撈。打撈裝置提高了浮選設(shè)備的自動(dòng)化程度，進(jìn)一步完善了核桃殼仁浮選技術(shù)的運(yùn)用。曾勇等［49］設(shè)計(jì)的一種核桃殼仁滾筒雙向分離裝置中，研制了一種上下有分離孔且內(nèi)部設(shè)有推板的分離筒進(jìn)行輔助分選。工作時(shí)，將分離筒放置在處理倉(cāng)中，使處理倉(cāng)中分離液淹沒(méi)過(guò)分離筒。將殼仁混合物送入殼仁分離筒中，利用推板將殼仁混合物推送至上下分離孔附近，殼仁混合物經(jīng)過(guò)分離液的浮選作用，核桃仁會(huì)向上漂浮穿過(guò)上分離孔收集，而核桃殼則向下沉落穿過(guò)下分離孔收集，該裝置可以通過(guò)分離筒控制殼仁分選速度，實(shí)現(xiàn)了核桃殼仁雙向無(wú)損浮選分離，減少了人工參與的挑揀，提高了浮選設(shè)備自動(dòng)化程度。

5 存在問(wèn)題

通過(guò)對(duì)核桃殼仁分選領(lǐng)域中智能分選技術(shù)、風(fēng)選技術(shù)、篩分技術(shù)、浮選技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)、設(shè)備研究和應(yīng)用現(xiàn)狀等方面進(jìn)行系統(tǒng)性的分析，發(fā)現(xiàn)上述分選技術(shù)目前的研究和應(yīng)用中存在以下問(wèn)題。

1） 對(duì)于核桃殼仁智能分選技術(shù)，圖像識(shí)別技術(shù)和光譜識(shí)別技術(shù)具有分選率高的技術(shù)特點(diǎn)，但目前核桃殼仁智能分選機(jī)的應(yīng)用相對(duì)較少，究其原因，主要有以下三點(diǎn)：首先，由于核桃殼仁的形態(tài)特征和顏色特征具有一定的相似性，對(duì)智能識(shí)別設(shè)備的識(shí)別能力有較高要求，因而用于核桃殼仁智能分選的設(shè)備造價(jià)相對(duì)昂貴，多用于殼仁進(jìn)行初次分選后對(duì)仁的精選；其次，智能分選設(shè)備的操作人員需要具備一定的專業(yè)知識(shí)，具有使用門檻；最后，智能分選設(shè)備在機(jī)器維護(hù)維修方面相對(duì)較難，對(duì)設(shè)備的長(zhǎng)期使用具有一定的影響。

2） 對(duì)于核桃殼仁風(fēng)選技術(shù)，市面上的核桃殼仁風(fēng)選設(shè)備相對(duì)充盈，通過(guò)改變風(fēng)選設(shè)備構(gòu)成，可以綜合核桃殼仁分選的工作效果和生產(chǎn)效益，滿足不同的核桃加工工藝需要。但對(duì)核桃殼仁風(fēng)選技術(shù)的基礎(chǔ)性理論和核桃殼仁風(fēng)選設(shè)備適應(yīng)性原則研究較少，仍需進(jìn)一步探索，以完善核桃殼仁風(fēng)選裝置設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

3） 對(duì)于核桃殼仁篩分技術(shù)，篩面的研究較少，現(xiàn)有大多數(shù)篩面在篩分過(guò)程中會(huì)對(duì)核桃仁外表皮產(chǎn)生一定的損傷，影響核桃仁的商業(yè)價(jià)值。

4） 對(duì)于核桃殼仁浮選技術(shù)，核桃的品種對(duì)分選效果影響較大，缺乏對(duì)核桃各品種所對(duì)應(yīng)分離溶液的研究。同時(shí)，浮選分離后的核桃仁需要進(jìn)行干燥處理，增加了加工工序，提高了生產(chǎn)成本。

6 展望

雖然核桃殼仁分選領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備研制已取得一定的成果，但仍存在亟待解決的問(wèn)題。為提高核桃殼仁分選水平，未來(lái)需要在以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究。

1） 核桃殼仁智能分選技術(shù)具有選凈率高的優(yōu)點(diǎn)，可分選出較高品質(zhì)的核桃殼仁，且智能分選技術(shù)作為一種新興技術(shù)，其高自動(dòng)化、智能化的技術(shù)特點(diǎn)符合我國(guó)農(nóng)業(yè)從傳統(tǒng)人工向高新產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的發(fā)展趨勢(shì)。但目前核桃殼仁智能分選技術(shù)研究處于前期階段，核桃殼仁智能分選裝置研發(fā)較少，有必要加強(qiáng)智能殼仁分選技術(shù)裝備的研究。

2） 核桃殼仁分選并非獨(dú)立的加工過(guò)程，核桃破殼后殼仁混合物的狀態(tài)對(duì)核桃殼仁分選的效果有一定的影響，針對(duì)不同類型核桃脫殼機(jī)研發(fā)脫殼分選一體設(shè)備，既能保障了殼仁分選效果，又減少了核桃脫殼后輸送至分選設(shè)備的工作流程，節(jié)約人力資源。

3） 依據(jù)各類殼仁分選技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)，嘗試對(duì)不同分選技術(shù)進(jìn)行技術(shù)融合，研制具有多種分選方式的殼仁分選設(shè)備，也是近幾年來(lái)殼仁分選領(lǐng)域研究的重要方向。

參 考 文 獻(xiàn)

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