刘海江,王应彪,罗思蓝,张赛,陈 健

云南漾濞核桃定向破壳设备的设计与研究

刘海江,王应彪*,罗思蓝,张赛,陈 健

西南林业大学 机械与交通学院, 云南 昆明 650224

针对因核桃破壳效果不佳而产生的云南核桃产业生产产能不足的问题，对漾濞核桃进行了破壳受力仿真与分析并设计了云南漾濞核桃定向破壳设备。使用Solidworks软件对核桃建立几何模型，并使用Simulation有限元软件对核桃不同方向的受力进行了仿真与分析，结果显示：在横轴方向施加范围分布载荷是最佳的破壳方向和方式，核桃最大位移0.282692 mm，最大应力3.92881e+007 N/m^2，应变范围广裂纹分布范围大且位移量较小不会伤及核桃仁。在破壳设备的设计中采用了差速带定向的方法对核桃做定向处理，对破壳装置的挤压头做了镶嵌橡胶材料的处理用来提供给核桃一对范围分布载荷，满足了核桃破壳所需的高整仁率和高脱壳率。

核桃; 定向破壳; 力学分析; Solidworks; 有限元分析

核桃产业是云南省的重要产业，云南省129个县区90%以上种植核桃，核桃种植面积居全国首位[1]。核桃破壳技术制约着核桃产业化的发展。近年来，逐渐有学者提出定向破壳在核桃破壳中的优越性[2]。目前农产品的定向处理一般为设备与农作物之间产生的振动或摩擦力使农作物调整空间姿态来实现定向处理，如玉米种子的定向排列[3]，鲜杏的差速带挤压摩擦定向[4]，苹果的摩擦轮与摩擦带结合实现定位运输[5]，大枣的定向棍搓动旋转实现定向等[6]。本文通过对云南漾濞核桃外观特性的研究与基于有限元分析的核桃破壳力学分析，确定了破壳的定向位置及差速带夹持定向的方式，设计了定向破壳设备的结构，确定了其技术参数。

1 核桃破壳有限元分析

1.1 漾濞核桃外观特性研究

云南漾濞核桃市场上最常见的品种为白皮103果。使用游标卡尺对随意挑选的100颗白皮103果进行纵向，横向，棱向三轴尺寸和核桃壳厚的测量，如图1所示。测量统计结果如表1所示。

图 1 核桃外观特性测量示意图

表 1 白皮103果外观物理特性测定结果

1.2 有限元模型的建立

根据对漾濞核桃外观特性的研究，取纵向尺寸36.52 mm，横向尺寸32.432 mm，棱向尺寸29.037 mm，核桃壳壁厚1.3 mm；因壳仁间隙较小不宜测量，参考文献[11]取壳仁间隙1.8 mm。使用三维建模软件Solidworks对云南漾濞核桃进行建模并用Simulation有限元仿真分析软件其进行有限元静力学分析。

漾濞核桃果壳和果仁纤维化不明显，因此可以将果壳和果仁的近似假定为各向同性材料[8]。参考生物材料及其他坚果类壳体的泊松比设定核桃壳弹性模量10 MPa，泊松比0.29，核桃仁弹性模量取核桃壳的10%，取1 MPa[12]。Simulation提供固体网格、中面、表面三种网格划分方法，取实体网格对核桃壳和核桃仁进行划分[10]，单元大小为1.05218 mm，公差为0.052609 mm，节点总数为41170，单元总数为21352，建立好的高品质网格有限元模型如图2所示。

图 2 核桃网格图

Fig.2 Walnut grid

图 3 核桃纵轴载荷图

1.3 有限元分析

分别对核桃的不同位置施加不同的载荷。

1.3.1 在核桃纵轴方向施加载荷对核桃纵轴方向施加300 N的法向集中力[8]，如图3所示。对核桃纵向方向施加载荷的静态应变力，静态位移，静态应变如图4所示。

如图4所示，当对纵轴方向施加300 N集中法向力时，核桃在施加载荷处存在最大位移1.749 mm，核桃的应力应变主要出现在核桃纵轴顶部的小曲面区域，且由受力点向外逐步扩散并减小，但没有沿裂纹扩展。由此可推断出：核桃受力时施加载荷处最先破裂逐步向核桃中心扩散，只会出现局部破裂的情况，且破裂过程中会伤及核桃仁，不满足高质量破壳的要求。对核桃纵轴方向的有限元分析结果如表2所示。

图 4 核桃纵轴方向有限元分析结果图

表2 核桃纵轴方向的有限元分析结果

1.3.2 在核桃棱轴方向施加载荷对核桃棱轴方向施加300 N的法向集中力[8]，如图5所示。对核桃纵向方向施加载荷的静态应变力，静态位移，静态应变如图6所示。

图 5 核桃棱向载荷图

图 6 核桃棱轴方向有限元分析结果图

如图6所示，当对棱轴方向施加300 N集中法向力时，结果与纵轴方向施加载荷类似。核桃在施加载荷处存在最大位移5.38756 mm，此位移量远远大于核桃壳仁间隙1.8 mm，不利于整仁率的破壳要求。如图4（a），图4（c）静态应力图与静态应变图相差不大，由此可知核桃在施加载荷处出现裂缝并没有沿裂纹线向外扩展，而是局部破裂，不利于较大脱壳率的破壳要求。

对核桃纵轴方向的有限元分析结果如表3所示。

表 3 核桃棱轴方向的有限元分析结果

1.3.3 在核桃横轴方向施加不同载荷对核桃横轴方向施加300 N的法向集中力[8]，如图7所示。对核桃横向方向施加法向集中力的静态应变力，静态位移，静态应变如图8所示。

图 7 核桃横向法向集中力载荷图

图 8 核桃横轴方向法向集中力有限元分析结果图

如图8所示，当对横轴方向施加300 N集中法向力时，核桃在施加载荷处存在最大位移1.14553 mm，核桃的应力应变主要出现在核桃纵轴顶部的小曲面区域，且由受力点向外逐步扩散并减小，如图8（a），图8（c）静态应力图与静态应变图存在较小差别，由此可知核桃受力破裂时存在细微的裂纹扩展，但效果依然不能满足高脱壳率的破壳要求。

对核桃横轴方向法向集中力的有限元分析结果如表4所示。

比较对核桃的纵轴，棱轴，横轴三个方向施加300 N的法向集中的有限元分析结果可知：对纵轴施加载荷，其脱壳率不高；对棱轴施加载荷其整仁率不高；对横轴施加载荷其脱壳率和整仁率较对纵轴和棱轴施加载荷的破壳效果好，但仍不能保证高脱壳率和高整仁率的破壳要求。

表4 核桃横轴方向法向集中力的有限元分析结果

对核桃横轴方向施加300 N的范围集中力[8]，如图9所示。对核桃横向方向施加范围分布力的静态应变力，静态位移，静态应变如图10所示。

如图10（a）所示，当对横轴方向施加300 N范围分布力时，当应力值到达屈服力200e+007 N时核桃破裂产生裂纹。如图10（b）所示，核桃在施加载荷的曲面范围内产生均匀的破壳位移0.282692 mm，位移远远小于壳仁间隙1.8 mm，不会伤及核桃仁。如图10（c）所示，核桃受力产生的应变范围广，与图10（a）相比核桃靠近缝合线的两侧有明显差异，说明裂纹扩展广，核桃在施加载荷处破裂后沿裂纹继续分裂，不会形成局部破壳的情况。

图 9 核桃横向范围分布力的载荷图

Fig.9 Walnut load chart of distribution force in transverse axis

图10 核桃横轴方向范围分布力有限元分析结果图

对核桃横轴方向范围分布力的有限元分析结果如表5所示。

表5 核桃横轴方向范围分布力的有限元分析结果

综合以上对核桃的不同位置施加不同的载荷的有限元分析得出：对核桃横轴方向施加范围分布力可保持破壳的高整仁率，高脱壳率，满足高质量破壳的要求。

2 破壳设备的结构和工作原理

2.1 整机结构

根据基于有限元分析的核桃破壳力学分析可知：对核桃横轴方向施加范围分布力为最佳的破壳方式。这就要求核桃破壳设备要有定向装置，且破壳装置能够对核桃施加范围分布力。

本文研究的云南漾濞核桃定向破壳设备总体结构如图11所示。由7部分组成：入料装置，分选装置，排列装置，定向装置，破壳装置，料斗，机架；分选装置采用筛笼式分选，定向方式采用差速带夹持定向，破壳方式采用挤压破壳。三相异步电机提供电力，整机外形尺寸为3000 mm×930 mm×1050 mm，整机质量120 kg，电机功率1.5 kW，扭矩14.3 Nm。

2.2 工作原理

将待加工的核桃倒入入料装置（1），核桃落入分级装置（2）中，由自身重力和离心力的作用将核桃分为四级待加工，分级后的核桃经分级装置出料口（4）落入排列装置（5），排列装置（5）将核桃一一排列运输至定向装置（14），在最小作用量原理的作用下将核桃以横轴垂直于地面的方向输送至破壳装置（11），最终破壳装置（11）对运送至破壳工位的核桃挤压破壳，完成破壳的核桃落入料斗（9），破壳工作结束。

图 11 云南漾濞核桃定向破壳设备

1.入料装置 2.分选装置 3.螺旋叶片 4.分选装置出料口 5.排列装置 6.排列定位条 7.运输链 8.机架 9.料斗 10.三相异步电机 11.破壳装置 12.导管 13.限高梁 14.定向装置 15.排列装置出料口 16.侧面带转轴

1. Feeding device 2. Sorting device 3. Spiral blade 4. Sorting device outlet 5. Arrangement device 6. Arrangement positioning bar 7. Transport chain 8. Frame 9. Hopper 10. Three-phase asynchronous motor 11. Shell breaking device 12. Conduit 13. Limited sorghum 14. Directional device 15. Arrangement device outlet 16. Side with rotating shaft

3 主要工作部件及技术参数

3.1 分选装置设计

本云南漾濞核桃定向破壳设备的分选装置采用筛桶式分选，采用不同的筛网尺寸在离心力和核桃自身重力的作用下对投入筛桶的核桃进行分级。分选装置主要由筛桶（2），叶片轴（3），螺旋叶片（4），分选出料口（5）组成，分选装置结构如图12所示。

落入分选装置的核桃由螺旋叶片（4）的推动自左向右移动，分别在对应的分选区间落下。核桃外观呈近球形，当核桃投入筛桶（2）时以任意姿势待分选，为核桃分选完全，避免因核桃各方向尺寸的差异而导致分选效果不好的情况，根据对云南漾濞核桃白皮103果的外观特性的测定，将占大比例分布的25~45 mm尺寸数值分为ABCD四级分选。筛网分选间隙参数见表6。

图 12 分选装置结构图

1.入料装置 2.筛桶 3.叶片轴 4.螺旋叶片 5.分选出料口

1. Feeding device 2. Screen barrel 3. Blade shaft 4. Spiral blade 5. Separation outlet

表6 分选间隙参数

考虑云南漾濞核桃定向破壳设备的结构合理性要科学合理的设计A、B、C、D四区间的长度，根据经验公式[16]，筛桶分级设计应秉承各级筛网长度L与各级下筛的核桃数量N的函数关系为：

式中：L-A分选区间长度/mm；L-B分选区间长度/mm；L-C分选区间长度/mm；L-D分选区间长度/mm；N—待分选核桃数量/mm。

合理拟定筛网总长度为820 mm。计算得L:L:L:L=300:277:126:21。合理调整后取L=300 mm，L=250 mm，L=150 mm，L=120 mm。

根据核桃在筛桶（2）内的运动规律，同时为方便分析核桃的受力情况，我们将核桃在分级装置筛桶（2）内的运动分为：受螺旋叶片（4）给的推动力沿筛桶（2）轴线方向的直线运动；受离心力和核桃自身重力于垂直于筛桶（2）轴线的平面内做的斜抛运动。根据对核桃在筛桶（2）运动规律和受力分析，计算得叶片轴（3）最高转速76.43 r/min，正常工作转速34.3 r/min。

3.2 排列装置设计

排列装置由四条排列通道组成，每条排列通道有一条运输链（2），每个链节焊接有一个长50 mm的定位条（4），两个相邻的定位条形成一个果仁槽。排列装置有两个链轴（3），四条运输链（2），每条运输链（2）上有38个定位条（4）两两形成37个果仁槽，其长宽高均为50 mm。排列入料口（1）与分选出料口间隙配合，当核桃经过分选出料口进入排列入料口（1）时。链轴转动，核桃则被一一排列运输至排列出料口（5）进入定向装置。排列装置结构如图13所示。

图 13 排列装置结构图

1.排列入料口 2.运输链 3.链轴 4.定位条 5.排列出料口

1. Arrangement of inlet and outlet 2. Transportation chain 3. Chain shaft 4. Location bar 5. Arrangement of products outlet

式中：-频率；-转速；-齿数。计算得排列装置运输链转速=14.1 r/min。

3.3 定向装置设计

根据基于有限元分析的核桃破壳力学分析可知：对核桃横轴方向施加范围分布力为最佳的破壳方式。这就要求定向装置的设计要求是将随机姿态进入定向装置的核桃以横轴垂直底面的姿态输出。

定向装置分为四通道定向作业工作区，如图14所示，每个通道由四条差速带实现定向，差速带横截面呈近三角形布置，两侧带速度相同转向相反，两底部带（3）速度相同转向相同且带速比两侧带速度大，两侧差速带有对应放置的弹性夹片（2）对带进行向内夹持，定向装置的四个出料端设计有限高梁（4），限高梁（4）可通过高度为对应工位的核桃横向尺寸。

图 14 定向装置结构图

1.侧面带棍轴 2.弹性夹片 3.底面带 4.限高梁

1. Side with stick axle 2. Elastic clip 3. Bottom tape 4. Limited beam

图 15 核桃定向过程中的受力分析图

3.3.1 定向原理及受力分析最小作用量原理是物理学中描述客观事物规律的一种重要方法[13]。其内容是说：从某一个特定角度比较客体一切可能的运动，认为客体的实际运动可以由作用量求极值得出，作用量最小的那个运动轨迹即为客体的实际运动。本云南漾濞核桃定向破壳设备的定向装置工作原理即以最小作用量原理为理论基础，核桃在定向装置中的受力分析图如图15所示。

如图15所示：FO1，FO2为侧面带对核桃的摩擦力，方向与核桃运动方向相反；FI1，FI2为底部带对核桃的摩擦力，方向与核桃运动方向相反；FP1，FP2为侧面带对核桃的挤压力，方向为过接触点指向核桃质心；FQ1，FQ2为底部带对核桃的支撑力，方向垂直带面向上。

核桃在定向装置中的受力分析为：

（1）当核桃纵轴垂直于侧面带进入定向装置时，侧面带对核桃的挤压力FP1，FP2达到最大值，且核桃左右两侧有轻微尺寸差异，侧面带对核桃的摩擦力FO1，FO2大小也有轻微差别，这样就使挤压力FP1，FP2和核桃的质心存在力矩，核桃会调整自身姿势发生扭转，核桃纵轴向与侧面带方向平行的趋势偏转；

（2）当核桃纵轴与侧面带呈45°角时，两侧面带对核桃的挤压力FP1，FP2随纵轴与两侧面的角度的减小而减小，两侧面带对核桃的摩擦力FO1，FO2随纵轴与两侧面的角度的减小而增加（接触面积增加），两底面带对核桃的摩擦力FI1，FI2变化不大，此时核桃的纵轴依然向与侧面带方向平行的趋势偏转，核桃依然在调整自身姿势发生扭转；

（3）当核桃纵轴与两侧面方向平行时，两侧面对核桃的挤压力FP1，FP2此时达到最小值，两侧面对核桃的摩擦力FO1，FO2逐渐增大，此时核桃不断以纵轴始终与侧面带平行的姿势发生自转，核桃运动逐渐趋向稳定。即棱轴始终与侧面带垂直，当核桃自传运动至限高梁时，限高梁允许横轴垂直地面的核桃通过，若核桃纵轴垂直底面将原地继续做自转运动，当横轴垂直于地面时核桃通过限高梁，进入破壳装置。

3.3.2 定向装置参数设计由图15核桃定向过程中的受力分析，可知两侧面带负责保持合理的夹持和约束作用并配合底面带对核桃形成对核桃质心的力矩和转动阻力距。因此两侧面带的摩擦系数要小于两底面带的摩擦系数，经查询市场相关传送带的材料确定了两侧面带的材料为较为光滑的PVC带，两底面带的材料为摩擦系数高的锦纶复合平带。

为避免处于定向装置中的两两核桃之间相互影响，两两核桃之间要有一定的间距。参照梁勤安[15]等对鲜杏有效距离的研究确定鲜杏之间距离为147~205 mm。考虑核桃比鲜杏的尺寸大，所以两两核桃之间相互影响比鲜杏大，则取两两核桃之间保持250 mm的距离。结合排列装置的转速，综合选取两转向相反的侧面带转速为0.25 m/s，两转向相同的底面带转速为0.5 m/s。

根据经验公式[4]=1.25max

式中—侧面带带宽/mm；max—对应定向通道内核桃的最大尺寸/mm。由上式计算可得各工位侧面带宽度见表7。

表 7 各工位侧面带宽度

参照刘向东等针对三通道鲜杏定向运输装置中的夹持片的夹持力研究可知[4]，鲜杏适用的弹簧加持片的夹持力变化区间为1.6至70 N。核桃较鲜杏尺寸较大，且表面粗糙度较大，因此不需要像鲜杏适用的夹持片一样大的夹持力，经综合分析取适用于核桃定向装置的弹性夹片的夹持力的变化区间为1.6至50 N。

3.4 破壳装置设计

根据基于有限元分析的核桃破壳力学分析可知：对核桃横轴方向施加范围分布力为最佳的破壳方式。这就要求破壳装置需要对经过定向处理的核桃施加一对范围分布力，实现高质量破壳。

破壳装置结构示意图如图15所示。破壳装置采取挤压的方式对核桃进行破壳。涡轮蜗杆啮合和齿轮齿条的啮合传递电动机的动力，上压头滑块（6）在传动机构的作用下做上下往复运动，上压头（9）通过螺纹连接安装在上压头滑块（6）下部与下压头（12）配合对核桃进行施加载荷，且上压头（9）与核桃接触的表面镶嵌一层1.5 mm厚的橡胶材料。下压头（12）安装在下压头棍上，有四个工位呈90°圆周分布，下压头棍通过间歇机构与工作主轴联接。破壳装置还设计有微调螺母（5），通过微调螺母（5）与二号齿条（7）和三号齿条（8）啮合对核桃的挤压间隙做微调处理。

图 15 破壳装置结构

1.拨盘 2.摆齿 3.一号齿轮 4.一号齿条 5.微调螺母 6上压头滑块.7.二号齿条8.三号齿条 9.上压头 10.导管 11.螺杆 12.下压头

1. Dial disc 2. Swing teeth 3. No. 1 gear 4. No. 1 rack 5. Fine tuning nut 6 upper pressure head slider. 7. No. 2 rack 8. No. 3 rack 9. Upper pressure head 10. Conduit 11. Screw 12. Downward pressure head

三相异步电机提供动力，带动破壳主轴转动，破壳主轴上安装有间歇传动机构联接下压头棍轴。当核桃经定向装置定位从导管（10）滑落至下压头（12）破壳工位时，主轴转动，带动螺杆（11）转动，螺杆（11）与一号齿轮（3）啮合，一号齿轮（3）转动，从而带动拨盘（1）旋转，拨盘（1）上的凸台带动摆齿（2）转动，摆齿（2）的齿轮部分与上压头滑块（6）上的一号齿条（4）啮合，从而上压头滑块（6）在摆齿（2）的带动下做上下往复运动，当上压头（9）到达最底部行程时，上压头（9）与下压头（12）对待破壳的核桃进行挤压，完成破壳动作，此时经间歇机构的传动下压头棍轴转动，下压头（12）做90°旋转，将破壳完成的核桃落入出料装置，上压头（9）复位，进入下一轮破壳工作。

4 结语

根据基于有限元分析的核桃破壳力学分析可知：在横轴方向施加范围分布载荷核桃最大位移0.282692 mm，最大应力3.92881e+007 N/m^2，应变范围广裂纹分布范围大且位移量较小不会伤及核桃仁。所以对核桃横轴方向施加范围分布力为最佳的破壳方式。

本文设计了云南漾濞核桃定向破壳设备，采用差速带定向的方法设计了定向装置，可使核桃以横轴方向的姿态施加载荷。采用挤压破壳的方法设计了破壳装置，对压头做了镶嵌橡胶材料的处理，以达到对核桃施加范围分布力的效果。

该云南漾濞核桃定向破壳设备与传统核桃破壳机构有明显差异。可有效的提高核桃破壳中的整仁率和脱壳率，对云南漾濞核桃破壳方式提供了一种的技术借鉴。

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Design and Research on Directional Shell Cracking Equipment for Yangbi Yunnan Walnut

LIU Hai-jiang, WANG Ying-biao*, LUO Si-lan, ZHANG Sai, CHEN Jian

650224,

In order to solve the problem of insufficient production capacity of Yunnan walnut industry caused by the poor effect of walnut shell breaking, we simulated and analyzed the shell breaking force of the walnut and designed the directional shell breaking equipment of the walnut. Solidworks software was used to establish the geometric model of walnut, and simulation finite element software was used to simulate and analyze the forces exerted on walnut in different directions. The results showed that the range distribution load applied in the transverse axis direction was the best way to break the shell, the maximum displacement of walnut was 0.282692 mm, the maximum stress was 3.92881e+007 N/m^2, the strain range was wide, the crack distribution range was large and the displacement was small, which will not hurt walnut kernel. In the design of shell breaking equipment, the method of differential speed band orientation was used to conduct directional treatment on walnut, and the extrusion head of shell breaking device was treated with inlaid rubber material to provide a pair of range distribution load for walnut, which met the requirements of walnut shell breaking with high kernels and high hulling rate.

Walnut; directional cracking; mechanical analysis; Solidworks; finite element analysis

S2

A

1000-2324(2020)03-0487-08

10.3969/j.issn.1000-2324.2020.03.019

2019-03-01

2019-03-28

云南省教育厅科学研究基金项目(2019J0186);西南林业大学校级科研专项(111709)

刘海江(1995-),男,硕士研究生,研究方向:农业机械化工程. E-mail:515012869@qq.com

Author for correspondence. E-mail:wybjob@163.com