刘 奎 郭文川 - 朱占江 -

(1.西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100；2.新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆 乌鲁木齐 830091)

据统计[1]，新疆核桃种植面积已达35万hm2，当前产量已达2 016 kg/hm。新丰核桃是新疆的主栽核桃品种之一，其果树长势较强、产量高、果仁含油量高，适合油用品种；其营养价值仅次于新新2，高于温185、扎343和新光[2]。

破壳处理是核桃釆后加工中的一个主要工艺，研发先进的核桃加工技术和设备，解决核桃精深加工的技术瓶颈成为当前亟待解决的问题。19世纪初，国外就开始核桃破壳处理的基础性研究[3-4],而中国对坚果破壳方面的研究起步较晚，目前也自主研制了形式多样的破壳机构[5-7]。史建新等[8]发现了核桃壳变形量不大且产生局部裂纹点多、裂纹点易扩展的最佳的施力方式。丁正耀等[9]确定了山核桃壳变形量不大且产生局部裂纹点多、裂纹点易扩展的最佳施力方式。王维等[10]确定了最佳核桃破壳加载方位及破壳的最佳条件。上述研究未考虑核桃含水率、加载速度及加载方向等多因素在破壳时的影响以及在此基础上进行模拟试验。

试验拟针对新丰核桃破壳的影响因素，设计多因素混合水平分析试验，研究各参数对破壳的影响，对建立的核桃模型进行模拟分析，并进行破壳试验验证，确定最佳破壳方式，以期为新丰核桃破壳取仁设备的研制提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

新丰核桃(图1)：经过滚筒分级机分级后中等尺寸大小的核桃，新疆维吾尔自治区喀什地区的叶城县。

1.2 试验设备

微机控制电子万能试验机：WDW-100E型，济南恒思盛大仪器有限公司；

图1 新丰核桃

电热干燥箱：BPG-9070A型，上海高致精密仪器有限公司；

水分测定仪：DHS16型，上海方瑞仪器有限公司。

1.3 试验方法

试验前将完整无损的核桃放在水中浸泡4 h，于干燥箱中烘干，每间隔一段时间取出一个核桃测其含水率，当依次测得的含水率接近13%，10%，8%，4%时，分别取出部分核桃作为压缩测试样本。

为了测试不同因素对新丰核桃压缩试验的影响，首先用WDW系列微机控制电子万能试验机在加载速度20，50，100 mm/min下，对核桃进行长、宽、厚3个不同方向的加载试验(如图2)，分析含水率的变化对核桃壳破裂所需的加载力及破裂做功(压力与破裂压缩形变量的乘积)的影响。

图2 核桃压缩试验示意图

2 试验分析

2.1 物理特性

新丰核桃壳及仁的几何尺寸如表1所示。由表1可知，核桃壳的平均厚度为1.43 mm，其标准偏差为0.15 mm，说明新丰核桃壳的壳厚比较均匀，研究结果有良好的适用性。

表1 新丰核桃壳及仁的几何尺寸

2.2 机械特性

2.2.1 含水率对核桃壳及核桃仁破裂力的影响 由图3可知，随着含水率的增加，核桃壳与核桃仁破裂所需的加载力在长、宽、厚3个方向上均呈递减趋势，由于含水率的增大，核桃壳及仁的组织变软，其破裂力减小；核桃在宽度方向上所需的破裂力小于长度和厚度方向的，由于核桃缝合线处的结合力较小，优先于其他部位直接裂开。

2.2.2 含水率对核桃壳破裂做功的影响 由图4可知，随着含水率的增加，核桃壳的破裂做功在长、宽、厚3个方向上呈递增趋势；核桃壳破裂的最大做功出现在长度方向，说明在此方向上破裂时的形变量最大，更易伤到内部核桃仁，而在厚度方向上加载所需的做功量最小，核桃壳破裂时产生的形变最小，对内部核桃仁的损伤也相对较小。

3 核桃壳破裂的有限元分析

3.1 核桃材料属性确定及网格划分

通过UG建立核桃模型，并保存为stp格式，导入ANSYS进行有限元分析。果壳的弹性模量取22.5 MPa，密度为590 kg/m3，泊松比为0.3[11]，核桃壳平均壁厚采用中等核桃壳厚度尺寸，定为1.5 mm。根据模型特点，采用自由网格划分，模型与网格划分如图5所示。

3.2 有限元受力分析

选择施加在核桃模型长、宽、厚3个方向的加载力分别为281，180，343 N。根据机械破壳核桃受力情况，分别对核桃模型在长、宽、厚3个方向施加一对对称挤压力。将核桃壳材质假定为脆性材料，核桃的破坏方式则表现为脆性破坏，故采用脆性断裂破坏强度准则[12]。

由图6可知，各个方向加载时的应力、应变均出现在加载点处。长度方向加载时，核桃的应变出现在加载点周围很小的范围，因此核桃可能产生局部破裂，即未完全破开，不便于后续的取仁。宽度方向加载时，由于处于核桃接缝处，所需破壳应力较小，易使核桃壳从接缝处裂开，但更易使核桃直接沿缝线破成两半，导致核桃仁受损，整仁率降低。厚度方向加载时，核桃的应变有逐渐向外扩散的趋势，核桃外壳整体受破裂力范围较大，说明在此方向加载核桃壳的裂纹扩散优于其他两个加载方向，虽然所需应力较大，但更易使核桃壳产生大面积的破裂，有利于破壳取仁。

图3 核桃壳含水率对破裂力的影响

Figure 3 Relationship between walnut rupture force and moisture content

4 破壳试验

以大小均匀的新疆新丰核桃(核桃原果含水率约为6.3%)为试验对象，每组试验核桃原料的重量为2 kg，将核桃按试验要求破壳，然后手工取核桃仁。将核桃仁分为4个等级，称量，计算百分比。

4.1 沿不同加载方向上的破壳试验

由表2可知，在厚度方向取得的1/2仁比例较多，而在长度方向较少，与3.2的结果相对应。在厚度方向上破壳时，核桃直接沿缝线裂开的较多，未全破的核桃比例最高，需换方向再次进行挤压才能取出核桃仁，但再次挤压会使核桃仁进一步破碎，不利于取较完整的核桃仁。

4.2 不同破壳方式的破壳试验

核桃的加载方向为厚度方向，分别对核桃进行击打破壳和挤压破壳，取出核桃仁计算破壳效果。挤压破壳采用万能试验机，采用100 mm/min的加载速度对核桃进行挤压；击打破壳是一只手将核桃固定放在地面上，另一只手手持木板均匀发力在核桃顶部周围敲击，直至核桃壳裂开，能用手轻轻拨开外壳取出核桃仁为止。由表3可知，击打式破壳取得的整仁率高于挤压式破壳，未完全破壳率也较低，破壳取仁效果较好。多点均匀快速加载更有利于核桃壳裂纹的均匀扩散，减少单点受力发生形变直至破裂对核桃仁的损伤，从而得到较高的整仁率。

图4 核桃壳含水率与核桃破裂做功的关系

Figure 4 Relationship between walnut rupture energy and moisture content

图5 三维模型和网格划分

图6 应力应变有限元分析

表2 沿长、宽、厚3个方向破壳的效果

表3 不同破壳方式破壳的效果

5 结论

含水率、加载速度、加载方向均对新丰核桃破壳时的机械性能有一定影响。含水率大小改变了物料的韧性，新丰核桃壳的含水率大小对其机械性能影响较为明显。通过对核桃壳破裂的有限元分析，结合破壳试验分析得出：沿核桃壳厚度方向周围进行击打破壳，能达到较好的破壳取仁效果，核桃仁的完整率较高，未完全破壳率较低，有利于机械化的破壳取仁。对核桃在工厂机械化加工时如何使核桃保持在厚度方向破壳的因素和条件还未系统研究，如何在机械化的高生产率加工中使核桃按照特定姿态下完成破壳，从而得到较好的破壳效果将是今后研究的重点。