万志华，张国忠，徐红梅，周 勇，唐楠锐，张 晗

夹持式鲜菱角脱壳机设计与试验

万志华，张国忠※，徐红梅，周 勇，唐楠锐，张 晗

（1. 华中农业大学工学院，武汉 430070；2. 农业农村部长江中下游农业装备重点实验室位，武汉 430070）

针对鲜菱角手工脱壳率低、菱仁损伤率高等问题，该研究以湖北省浠水县两角菱为对象，设计了一种夹持式鲜菱角脱壳机。对鲜菱角外形尺寸和力学性能参数进行了测量，确定采用夹持板与链条夹持输送、圆形齿刀横切菱角两侧弯角、对辊挤压碾搓脱壳的技术方案。对夹持板、弹性压紧装置、横切刀片和脱壳装置等主要部件结构进行设计和分析，确定了结构和运动参数。运用ANSYS Explicit Dynamics模块对横切过程进行仿真，根据理论分析和仿真结果试制了脱壳样机，开展了横切试验和脱壳试验。横切试验表明，成熟度、输送速度和刀片转速均对切壳率影响显著（<0.05），对菱仁损失率影响不显著（>0.05）。运用Design Expert 12优化得横切装置最优工作参数为：脆熟菱角、输送速度0.1 m/s、刀片转速1 000 r/min，该参数下的平均切壳率为79.41%，平均菱仁损失率为9.82%。采用Box-Benhnken试验设计开展三因素二次回归正交组合试验，优化得到脱壳装置最优工作参数为：脆熟菱角、慢辊转速59 r/min，线速比1.5，验证试验的平均脱壳率为66.52%，平均菱仁破损率为12.83%。研究结果可为鲜菱角脱壳装备的研发提供参考。

有限元法；参数优化；鲜菱角；脱壳；横切

0 引 言

菱角是特色水生蔬菜之一，营养丰富，具有一定药用价值[1-3]。菱角栽培不占用基本农田，可充分利用池塘、沟渠、湖泊边缘以及低洼地带，近年来种植面积和产量逐年增加[4]。鲜菱角经脱壳后除用于鲜食外，还可制成罐头、粉丝、豆腐、啤酒等，附加值较高[5-8]，但因其外形不规则，菱壳较硬且表面凹凸不平，脱壳难度较大，国内外尚无专用的高效菱角脱壳装备，目前鲜菱角脱壳完全依赖手工操作，存在劳动强度大、生产效率低、人工成本高以及菱仁损伤率高等弊端。根据调查，手工脱壳的平均菱仁损伤率约为32%，菱仁损伤形式主要包括断裂、缺块、刀痕等。研发菱角机械脱壳技术对促进菱角产业发展具有重要意义。

针对鲜菱角脱壳机械装备需求，李会扬[9]设计了一种菱角脱壳装置，在两条平行链条上布置若干个送料模具，先在菱角脐部切开一个缺口，然后在用切壳刀片沿缺口将菱角外壳切开，切开外壳的菱角掉入V型限位机构，并在凸轮的挤压作用下将菱角果肉推挤出来。沈雯菁等[10]设计了一种改进的菱角剥壳装置，通过布置于传送带上的若干圆柱形辊子对物料进行定位，同时利用传感器感知菱角位置，并通过油缸带动切壳刀具升降，将菱角壳切除。王平[11]设计了一种菱角剥皮机，采用立式结构，通过改变滚筒之间切壳刀的间隙适应不同尺寸的菱角，通过滚筒与皮带相互之间的搓撕作用完成菱角去壳。上述设备依然存在生产效率低、菱仁损伤率高等弊端。

基于已有研究，本文根据菱角形状特征和力学性能，设计了一种夹持式鲜菱角脱壳机，采用夹持板与链条夹持输送、圆形齿刀横切菱角两侧弯角、对辊挤压碾搓的技术方案进行脱壳作业，通过横切试验和脱壳试验确定脱壳机横切装置和脱壳装置的最优工作参数，以期为鲜菱角脱壳装备的进一步研发提供理论参考。

1 鲜菱角尺寸及力学性能测量

整菱外形尺寸是设计夹持式鲜菱角脱壳机夹持板、横切装置和脱壳装置的重要依据。本文选用产自湖北省浠水县的两角菱，其外形呈元宝状，两侧有弯角，如图1a所示。为便于分析菱角三维形位关系，以其脐部中心为原点建立笛卡尔坐标系，如图1b所示，其中轴代表长度方向，轴代表宽度（厚度）方向，轴代表高度方向。随机取鲜菱角样品200个，用游标卡尺分别测量整菱的长度、宽度和高度，结果如表1所示。

图1 鲜菱角实物及三轴尺寸示意图

表1 鲜菱角尺寸测量结果

鲜菱角在脱壳过程中主要受压缩和剪切载荷作用。利用TMS-PRO型质构仪对鲜菱角进行压缩和剪切力学性能试验，压缩试验选用厚5 mm、底面直径74 mm的圆柱平板钢制压缩头；剪切试验选用剪切装置为长60 mm、宽40 mm、厚0.5 mm 的长方体钢制剪切刀片，刀片刃口夹角为60°，如图2所示。

图2 鲜菱角力学性能试验

测量的鲜菱角力学性能参数包括整菱和菱仁的压缩破坏载荷、抗压强度、剪切破坏载荷和剪切强度，破坏载荷由质构仪自动采集并传输至计算机，抗压强度的计算式为[12]

式中σ为抗压强度，MPa；F为压缩破坏载荷，N；为压缩接触面积，mm2。

剪切强度计算方法为[13]

式中为剪切强度，MPa；F为剪切破坏载荷，N；为剪切受力横截面面积，mm2。

鲜菱角力学性能测试结果如表2所示。

表2 鲜菱角力学性能测量结果

2 整机结构和工作原理

2.1 整机结构

本文设计的夹持式鲜菱角脱壳机将已纵切破壳的鲜菱角通过旋转的横切刀将两侧弯角切除，然后通过脱壳胶辊的碾搓挤压将菱壳剥离。该机由机架、夹持传送装置、弹性压紧装置、横切装置、脱壳装置组成，如图3所示。夹持传送装置含有两排平行布置的传动链条，传动链条之间安装若干个夹持板；横切装置包括布置于夹持板上方的圆形齿刀；脱壳装置由一对间隙可调的挤压辊组成。

1.机架 2.带轮Ⅰ 3.输送电机 4.输送轴 5.带轮Ⅱ 6.链轮 7.夹持板 8.链条 9.横切电机 10.弹性压条 11.横梁 12.横切刀 13.刀片轴 14. 自适应弹簧 15.挡料板 16.胶辊电机Ⅰ 17.电控箱 18.胶辊Ⅰ 19.胶辊Ⅱ 20.胶辊电机Ⅱ

2.2 工作原理

工作时，将切开脐部和蒂部的鲜菱角依次放置于夹持板上，夹持板两侧立板的U形凹槽嵌紧菱角，输送链带动夹持板将菱角输送至横切圆形齿刀下方，圆形齿刀回转将菱角两侧弯角切除；随后菱角被输送链输送并掉入两脱壳挤压辊之间，两挤压辊线速度不同，形成的搓撕力使菱角果肉与外壳分离。结合菱角外形结构特点和脱壳作业所需的动力，计算确定夹持式菱角脱壳机的主要技术参数如表3所示。

表3 夹持式鲜菱角脱壳机主要技术参数

3 关键部件设计

3.1 横切装置

3.1.1 夹持板

夹持板呈U型，由底板、夹持立板组合而成。夹持立板中部有U型槽以用于支撑菱角，如图4所示。安装底板上有两个安装孔，通过螺钉与输送链条的弯板连接。根据菱角尺寸确定U型槽半径为12.2 mm，夹持立板高度为24.5 mm，两立板间距根据分级后菱角长度尺寸平均值调整后加工。

图4 鲜菱角夹持输送示意图

3.1.2 弹性压紧装置

弹性压紧装置共2组，布置于平行链条上方。单组弹性压紧装置包括弹性压条、调节弹簧、横梁和安装板，如图5所示。弹性压条的作用是在菱角横切时压住菱角中部，使其不在高度方向发生位移，通过调整调节弹簧，可以改变弹性压条对菱角的下压力。根据表1鲜菱角外形尺寸，设计弹性压条宽度为32 mm，厚度5 mm；弹性压条的材料选择不锈钢，调整弹簧选择轻型载荷JIS中压缩量标准矩形模具弹簧，弹簧自由长度为60 mm，外径22 mm。根据压紧装置预试验结果，调整弹簧弹性系数为27.4 N/mm时，对菱角的压紧效果最佳。

3.1.3 横切刀

本机共有横切刀4片，对应每排链条各布置2片，用于切除菱角两侧弯角。采用齿形刀片，借鉴相关农产品脱壳刀具的设计方法[14-16]，参考机械设计手册[17]，齿形刀片切削力的计算式为

式中F为刀片主切削力，N；C为刀片类型系数，C=282[17]；a为切削深度，mm；f为单齿进给量，f=0.5 mm[17]；为刀片直径，mm；为切削宽度，mm；为刀片齿数；K为材料修正系数，K=0.028[17]。

1.安装板 2.横梁 3.调节弹簧 4.弹性压条

1.Mounting plate 2.Beam 3.Adjusting spring 4.Elastic strip

图5 弹性压紧装置示意图

Fig.5 Schematic diagram of elastic pressing device

依据菱角外形尺寸及菱壳厚度测量结果，整菱平均厚度为24.48 mm，菱角弯角内侧平均壳厚为8.4 mm，取切削深度a为8.4 mm，切削宽度为24.48 mm。根据菱角力学性能试验结果，整菱的最大剪切破壳力F为441.17 N，刀片的主切削力F应大于F，故取F为450 N。取刀片齿数为15，并将上述数值代入式（3），计算得刀片直径79.96 mm，取整为80 mm。常用的刀片齿形包括三角形，矩形，锯齿形等[18-19]，根据菱角外形尺寸测量数据，设计横切刀为齿形圆刀片，刃长6.4 mm，单齿弧长12.8 mm，刀刃两面夹角30°，如图6所示。

图6 横切刀片结构参数

横切刀片的工作参数主要包括刀片转速、两刀片中心距。刀片转速通过调速电机进行调节。两刀片中心距需根据菱角长度尺寸确定，可通过调节刀片的安装位置进行调整，根据菱角长度尺寸测量结果，确定的调节范围为44～58 mm。

3.1.4 横切过程分析

夹持式鲜菱角脱壳机横切刀片轴为纵向布置，随着链条和夹持板向前输送菱角，菱角横切的切削点也动态变化。切削点受到的合力可分解为轴向力F、径向力F和切向力F。径向力F源于刀片对菱壳的冲击力，切向力F主要是刀片切割时对菱壳的切削力，轴向力F主要由加工误差和安装误差产生。图7为菱角在面的受力情况，为简化计算，合力又可投影到菱角输送方向即轴方向和刀片进给方向即轴方向。

注：ω为横切刀转速，r·min-1；v为输送速度，m·s-1。FN1、FN2、FN3为夹持板对菱角的支持力，N；FP为弹性压条对菱角的压力，N；FN为径向力，N；FT为切向力，N；FYZ′为菱角在切削点的合力，N；FY′为合力在Y轴的分力，N；FZ′为合力在Z轴的分力，N；mg为菱角的重力，N。

除受到横切刀片的作用力，菱角还受到夹持板的支持力、自身重力和弹性压条的压力。菱角在面的受力方程为

其中横切刀片对弯角的合力可表示为

为顺利进行横切，需满足∑F>0，∑F>0。由式（4）结合图7可知，通过调整调节弹簧，增大弹性压条对菱角的压力，可提高横切成功率。

为分析横切过程中刀具与菱角应力随运动参数的变化规律，采用ANSYS Explicit Dynamics模块对横切机构进行运动仿真。

根据鲜菱角物理参数和横切刀结构参数，设置鲜菱角材料类型为显性材料，密度为1.09 g/cm3，剪切模量为4.86 MPa[20]；设定刀片材料为钢，密度7.85 g/cm3，剪切模量7.69×104MPa。

定义鲜菱角与刀片的摩擦系数为0.45，动力系数为1.05，衰减常数为0.05[21]。

为使仿真结果更准确，将菱角与刀片相互接触部位的网格单元尺寸设置为2 mm，其余部位单元尺寸设置为4 mm，如图8所示。

图8 仿真模型网格划分

在横切模型中，菱角脐部与蒂部、弯角下方设置固定约束，模拟夹持板、弹性压条对菱角的约束作用。菱角的输送速度取0.1、0.2和0.3 m/s三个水平，刀片转速取600、800和1 000 r/min三个水平，每次仿真各取1个水平。设置模型仿真时长为1 s，最大时间步长为0.05 s，最小时间步长为0.01 s。

以刀片转速600 r/min，菱角输送速度0.1 m/s为例，对菱角横切过程中模型的应力分布情况进行分析。根据菱角模型厚度24 mm和初始状态菱角与刀片刃口距离，预估切割过程耗时0.9 s，图9为0、0.2、0.4和0.8 s的等效应力云图。

图9 横切过程等效应力

从图9中可看出，刀片在0.2、0.4和0.8 s的最大应力分别约为18.329、10.465和0.021577 MPa，菱壳最大应力随切割进程迅速增加然后降低。

固定刀片转速为600 r/min，分别以输送速度0.2和0.3 m/s进行横切仿真，并记录模型在0.2 s时的等效应力，如图10所示。对比图10与图9b可知，输送速度越快，菱壳最大应力越小。

固定输送速度为0.1 m/s，分别以刀片转速800和1 000 r/min进行横切仿真，并记录模型在0.2 s时的等效应力，如图11所示。对比图11与图9b，可知，刀片转速越高，菱壳最大应力越小。

图10 横切过程不同输送速度的等效应力

图11 横切过程不同刀片转速的等效应力

3.2 脱壳装置

脱壳装置对切开脐部与蒂部外壳且切除弯角的菱角进行挤压，使菱壳完全与菱仁分离。脱壳装置主要由一对脱壳胶辊组成，辊筒表面粘附具有弹性的橡胶，辊筒如图12所示。

1.传动轴 2.锥形压盖 3.辊筒外壳 4.橡胶

传动轴一端通过联轴器与调速电机相连，两胶辊的转速通过调速电机调节，传动轴、锥形压盖和辊筒外壳整体焊接在一起。根据菱角尺寸测定结果并参考核桃脱壳方法[22]，取辊筒半径55 mm。

3.2.1 脱壳条件

参考文献[23]中砻谷脱壳方法，为使鲜菱角顺利脱壳，设定以下工作条件：

1）两脱壳胶辊直径相等，胶辊表面材料性质相同；

2）两脱壳胶辊轴线相互平行，转向相反且转速不同；

3）脱壳胶辊表面为完全弹性体，整菱与胶辊表面的摩擦系数大于菱仁与胶辊表面的摩擦系数。

3.2.2 起轧参数

菱角进入脱壳区，其轮廓与辊面相切，切点和胶辊圆心连线与两辊圆心连线的夹角为起轧角，终止脱壳时的切点和胶辊圆心连线与两辊圆心连线的夹角为终轧角，如图13所示。

注：t1为整菱厚度，mm；t2为菱仁厚度，mm；M为菱角在上轧区的质量中心；M′为菱角在下轧区的质量中心；A1为快辊面与菱角在上轧区的切点；A2为慢辊面与菱角在上轧区的切点；B1为快辊面与菱角在下轧区的切点；B2为慢辊面与菱角在下轧区的切点；O1为快辊截面圆心；O2为慢辊截面圆心；E为两圆心连线与中心线交点即轧点；C为两圆心与切点连线的交点；e为轧距，mm；H1为上轧区长度，mm；H2为下轧区长度，mm；H为轧区总长度，mm；α为起轧角，（°）；α'为终轧角，（°）；v1为快辊一侧菱壳分离速度，mm·s-1；v2为慢辊一侧菱壳分离速度，mm·s-1；ω1为快辊转速，r·min-1；ω2为慢辊转速，r·min-1。

3.2.3 脱壳受力分析

菱角脱壳受力分析如图14所示。菱角刚进入两脱壳辊间时，其速度小于两辊面线速度，两辊与菱角都有相对滑动，对菱角的摩擦力与线速度方向相同。当菱角的速度被加速至2cosα时，菱角与慢辊相对静止，菱角受到快辊的挤压力F1和摩擦力1、慢辊的挤压力F2和摩擦力1。此时1与2方向相反且1cosα>2cosα，即两辊相对于菱角产生了滑动。菱角对两辊的反作用力使得两辊面变形并凸起，菱角在两辊的挤压搓撕作用下，由于其外壳已沿纵向有切口，接触快辊的一侧外壳会沿纵向切口被撕分脱离。

当菱角到达两辊连线中心点时，两辊对菱角的挤压力和摩擦力达到峰值，菱角的速度介于两辊速度之间，两侧外壳同时撕裂，外壳与两辊一起运动，此时菱角所受脱壳力最大。

当菱角进入下轧区，快辊一侧的菱壳与菱仁脱开且以速度1分离。在慢辊一侧，菱仁与另一半菱壳产生相对滑动，菱仁速度介于两辊速度之间，菱壳速度则与慢辊相同。

在上轧区，因快辊表面有微小变形上移，菱角受力点由1上升至1'，慢辊表面下移，菱角受力点由2下降至2'，两辊的实际轧角分别为1和2，1>2。快辊对菱角的作用力为

慢辊对菱角的作用力为

1与1的夹角为

2与2的夹角为

（9）

由图14a可知，在上轧区，1>2，此时快辊面与菱角的摩擦角大于慢辊面，即快辊面与菱角的当量摩擦系数大于慢辊面。

当菱角质量中心到达轧点时，快辊与慢辊变形量相等，此时1=2，1=2，1∥2，两辊对菱角的摩擦力和挤压力均达到峰值，挤压搓撕作用最强，如图14b所示。

当菱角进入下轧区，快辊对菱角的受力点由1上升至1'，慢辊对菱角受力点由2下降至2'，此时两辊的实际轧角1<2，慢辊面与菱角的摩擦角2大于快辊面对菱角的摩擦角1，如图14c所示。

注：T1为快辊对菱角的合力，N；F1为快辊对菱角的切向力，N；P1为快辊对菱角的径向力，N；T2为慢辊对菱角的合力，N；F2为慢辊对菱角的切向力，N；P2为慢辊对菱角的径向力，N；φ1为快辊切向力与径向力的夹角，（°）；φ2为慢辊切向力与径向力的夹角，（°）。A1'、A2'为菱角在上轧区的受力点，B1'、B2'为菱角在下轧区的受力点。

4 性能试验

4.1 样品制备

试验材料为产自湖北省黄冈市浠水县的两角菱，采摘时间为2021年9月上旬。采摘后挑选颗粒饱满、表皮无损伤和病虫害的样品。前期设计了一种鲜菱角分级切壳机，由机架、电控箱、料斗、输送带、分级装置、纵切装置等机构组成。鲜菱角在分级滚筒中按尺寸分级后进入后侧挡板围成的纵切通道，由压紧带和输送带上下压紧推进，并通过纵切刀片切开菱角脐部与蒂部外壳。本文试验样品为经鲜菱角分级切壳机切壳后的鲜菱角。

4.2 试验仪器及设备

试验仪器包括分析天平、游标卡尺，试验样机如图 15所示。

4.3 试验因素与指标

根据夹持式鲜菱角脱壳机结构参数和仿真分析结果，选取成熟度、输送熟度、刀片转速3个因素为横切试验因素，如表4所示。成熟度、慢辊转速、线速比3个因素为脱壳试验因素，如表5所示。参考芡实、莲子等水生蔬菜[24-25]，菱角成熟度可按其密度分级，分级标准为：脆熟（密度小于1.00 g/cm3）、腊熟（密度在1.00 g/cm3至1.09 g/cm3之间）和完熟（密度大于1.10 g/cm3）。为便于Design Expert软件优化计算，将3种成熟度定量化赋值为1、2、3，分别代表脆熟、腊熟和完熟。

1.链轮 2.机架 3.电控箱 4.弹性压条 5.调节弹簧 6.横梁 7.横切刀 8.挡料板 9.快辊 10.慢辊 11.链条 12.夹持板

表4 横切试验因素水平表

表5 脱壳试验因素水平表

参考核桃、油茶果等脱壳标准[26-27]，选择试验指标包括切壳率1、菱仁损失率1、脱壳率2和菱仁破损率2，计算方法为

式中1为切壳率，%；1为横切成功的菱角个数；t1为横切试验菱角总个数；1为菱仁损失率，%；d1为切除弯角中菱仁质量，g；1为横切菱角中菱仁总质量，g；2为脱壳率，%；2为被脱壳的菱角个数；t2为试验菱角总个数；2为菱仁破损率，%；d2为破损的菱仁总质量，g；2为被脱壳菱角中菱仁总质量，g。

4.4 试验方法

每组试验的鲜菱角样品为2 kg，横切试验时，启动夹持式菱角脱壳机刀片电机使横切刀在预设转速下旋转，启动输送电机并调节输送链条和夹持板至预设输送速度，将样品逐一手动摆放夹持，使菱角输送至横切刀片下方并被压条压住完成横切。试验结束后收集并清点样品数量，将完成横切的菱角去壳并获取菱仁，收集切除的弯角并将其内部菱仁取出。

脱壳试验时，根据样品厚度平均值调整胶辊间隙，启动鲜菱角脱壳机胶辊电机使两胶辊按设定的转速运行。试验结束后，收集并清点样品总数。脱壳后菱角壳、仁完全分离且菱仁完整记为成功脱壳，菱仁断裂、破碎记为菱仁破损。

4.5 结果与分析

4.5.1 横切试验结果

采用Design Expert 12设计试验方案，开展三因素三水平正交试验，分析各因素对试验指标的影响，结果如表6和7所示。

由表6可知，菱角横切试验的平均切壳率为60.92%～82.74%，平均菱仁损失率为9.33%～9.93%。菱角成熟度越高，切壳率越低；相同成熟度的菱角在低转速时切壳率相对较高。由表7可知，成熟度对切壳率的影响最大，其次为输送速度，刀片转速影响最小；各因素对菱仁损失率影响主次顺序为1、、1。

表6 菱角横切正交试验结果

表7 菱角横切试验极差分析

菱角横切正交试验切壳率方差分析结果如表8所示，结果表明，各因素对切壳率均有极显著影响。

表8 横切试验切壳率方差分析

注：*(<0.05)为显著，**(<0.01)为极显著，(≥0.05)为不显著，下同。

Note: *(<0.05) means significant, **(<0.01) means highly significant, (≥0.05) means no significant, the same below.

菱角横切正交试验菱仁损失率方差分析结果如表9所示，结果表明，各因素对菱仁损失率的影响不显著。

表9 横切试验菱仁损失率方差分析

根据横切试验结果，以获得最大切壳率、最小菱仁损失率为优化目标，利用Design Expert 12软件对试验装置工作参数进行优化。因试验因素对菱仁损失率无显著影响，故设定菱仁损失率的设定权重系数为0.2，切壳率的权重系数为0.8，得最优工作参数为：成熟度值1.000 01、输送速度0.100 01 m/s、刀片转速999.981 r/min，该条件下期望切壳率为79.39%，菱仁损失率为9.69%。

将优化参数取整，以成熟度值1（脆熟菱角），输送速度0.1 m/s、刀片转速1 000 r/min进行验证试验。重复3次取平均值，得平均切壳率为79.41%，平均菱仁损失率为9.82%。

4.5.2 脱壳试验结果

以成熟度、慢辊转速、线速比为试验因素，开展三因素二次回归正交组合试验，运用Design Expert 12设计试验方案并开展试验，试验方案及结果如表10所示。

表10 菱角脱壳试验方案及结果

脱壳率方差分析结果如表11所示。由表11可知，模型的<0.000 1，表明脱壳率回归方程极显著。成熟度、成熟度平方项及慢辊转速平方项对脱壳率的影响极显著，各因素、因素交互项、各平方项对脱壳率的影响程度由大到小依次为、22、2、22、2、22、2、2、2。

表11 脱壳率方差分析

忽略不显著因素，脱壳率与试验因素的回归关系为

2=63.14-5.64-0.94252-1.5322（11）

各因素交互作用对脱壳率的影响结果如图16所示。

从图16中可看出，当慢辊转速和线速比不变时，脱壳率随成熟度增大而降低；当成熟度不变时，脱壳率在慢辊转速和线速比取中间水平时达到峰值。

图16 因素交互作用对脱壳率的影响

菱仁破损率方差分析结果如表12所示。由表12可知，模型的<0.0001，表明菱仁破损率回归方程极显著。成熟度、慢辊转速、慢辊转速平方项及线速比平方项对菱仁破损率的影响极显著，各因素、交互项和平方项对菱仁破损率影响程度由大到小依次为22、、22、2、2、22、2、2、2。去除不显著因素，菱仁破损率与试验因素的回归关系为

2=11.15-0.842 5+0.358 82+1.4822+0.671 322（12）

表12 菱仁破损率方差分析

各因素交互作用对菱仁破损率的影响结果如图17所示，当慢辊转速和线速比不变时，菱仁破损率随成熟度增大而降低；当成熟度不变时，菱仁破损率在慢辊转速和线速比取中间水平时最低。

根据脱壳试验结果，以获得最大脱壳率、最小菱仁破损率为优化目标，根据菱角脱壳生产实际需要，设定脱壳率的权重系数为0.6，菱仁破损率的权重系数为0.4，利用Design Expert 12软件对菱角脱壳装置工作参数进行优化，得到最优工作参数为：成熟度值1.008 9、慢辊转速58.862 7 r/min，线速比1.490 66，该条件下的期望脱壳率为67.79%，菱仁破损率为12.02%。

将优化参数取整，以成熟度值1（脆熟菱角），慢辊转速59 r/min，线速比1.5进行验证试验。重复3次取平均值，得到平均脱壳率为66.52%，平均菱仁破损率为12.83%，如表13所示。

图17 因素交互作用对菱仁破损率的影响

表13 脱壳验证试验结果

5 结 论

1）以鲜菱角外形尺寸和力学性能参数为依据，设计了一种夹持式鲜菱角脱壳机，对其横切装置、脱壳装置进行了结构设计和工作机理分析，确定了夹持板、弹性压紧装置、横切刀和脱壳装置等主要部件的结构和运动参数，运用ANSYS Explicit Dynamics模块对横切装置进行了运动仿真，分析了横切刀片的工作参数。

2）开展三因素三水平正交试验，以成熟度、输送速度和刀片转速为试验因素，切壳率和菱仁损失率为试验指标横切鲜菱角，结果显示最优工作参数为：成熟度值1.000 01、输送速度0.100 01 m/s、刀片转速999.981 r/min，该条件下的期望切壳率为79.39%，菱仁损失率为9.69%。将优化参数取整，以脆熟菱角，输送速度0.1 m/s、刀片转速1 000 r/min进行横切验证试验，得到平均切壳率为79.41%，平均菱仁损失率为9.82%。

3）开展三因素二次回归正交组合试验，以成熟度、慢辊转速和线速比为试验因素，脱壳率和菱仁破损率为试验指标进行鲜菱角脱壳，结果显示最优工作参数为：成熟度值1.0089、慢辊转速58.8627 r/min，线速比1.490 66，该条件下的期望脱壳率为67.79%，菱仁破损率为12.02%。将优化参数取整，以脆熟菱角，慢辊转速59 r/min，线速比1.5进行验证试验，得到平均脱壳率为66.52%，平均菱仁破损率为12.83%。

[1] 彭静，柯卫东，刘义满，等. 菱角的营养成分及医药保健作用[J]. 长江蔬菜，2009(16)：17-19.

Peng Jing, Ke Weidong, Liu Yiman, et al. Nutritional ingredients and medicinal functions of water caltrop (). Journal of Changjiang Vegetables, 2009(16): 17-19. (in Chinese with English abstract)

[2] Fan Z. Chemical composition, health effects, and uses of water caltrop[J]. Trends in Food Science & Technology, 2016(49): 136-145

[3] 董威严，牛凤兰，梁睿，等. 药食同用植物—菱角质量标准的研究[J]. 食品科学，2006, 27(10)：453-455.

Dong Weiyan, Niu Fenglan, Liang Rui, et al. Study on quality standard of fruit of trapa manshurica[J]. Food Science, 2006, 27(10): 453-455. (in Chinese with English abstract)

[4] 宗义湘，吴嘉锡，宋洋，等. 2012-2017年水生蔬菜价格波动分析[J]. 长江蔬菜，2018(6)：40-44.

Zong Yixiang, Wu Jiaxi, Song Yang, et al. Analysis on price fluctuation of aquatic vegetables from 2012 to 2017[J]. Journal of Changjiang Vegetables, 2018(6): 40-44. (in Chinese with English abstract)

[5] 关健，何建军，薛淑静，等. 菱角软罐头制作工艺研究[J]. 长江蔬菜，2015(22)：161-163.

Guan Jian, He Jianjun, Xue Shujing, et al. Study on retort pouch processing of water chestnut [J]. Journal of Changjiang Vegetables, 2015(22): 161-163. (in Chinese with English abstract)

[6] 李丽，文卓琼，桂震，等. 菱角复合粉丝的制备及品质研究[J]. 食品科技，2016，41(10)：74-78.

Li Li, Wen Zhuoqiong, Gui Zhen, et al. Preparation and quality of water chestnut composite vermicelli[J]. Food Science and Technology, 2016, 41(10): 74-78. (in Chinese with English abstract)

[7] 李丽，王清章，陈小翠，等. 菱角豆腐制备工艺研究[J]. 食品科技，2015，40(2)：120-123.

Li Li, Wang Qingzhang, Chen Xiaocui, et al. Preparation of water chestnut tofu [J]. Food Science and Technology, 2015, 40(2): 120-123. (in Chinese with English abstract)

[8] 梁宝东，魏海香，冯磊，等. 菱角啤酒的研制[J]. 食品科技，2013，38(8)：146-150.

Liang Baodong, Wei Haixiang, Feng Lei, et al. Preparation of water chestnut beer [J]. Food Science and Technology, 2013, 38(8): 146-150. (in Chinese with English abstract)

[9] 李会扬. 一种菱角脱壳装置：CN101803789A[P]. 2010-08-18.

[10] 沈雯菁，伊佳薇，王志扬. 一种改进的菱角剥壳装置：CN 207322631U [P]. 2018-05-18.

[11] 王平. 菱角剥皮机：CN201640393U [P]. 2010-11-24.

[12] 马秋成，郭耿君，马婕，等. 莲仁力学特性参数测定及挤压破碎特性试验[J]. 农业工程学报，2018，34(6)：263-271.

Ma Qiucheng, Guo Gengjun, Ma Jie, et al. Determination of mechanical characteristic parameters and extrusion crushing characteristics test for lotus seed kernel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(6): 263-271. (in Chinese with English abstract)

[13] 史诺，郭康权，范宇杰，等. 棉秆挤压剥皮剪切力学特性试验[J]. 农业工程学报，2017，33(18)：51-58.

Shi Nuo, Guo Kangquan, Fan Yujie, et al. Peeling and shearing mechanical performance test of cotton stalks in extrusion state[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(18): 51-58. (in Chinese with English abstract)

[14] 陈建能，陈礼群，喻陈楠，等. 基于最小切块应力的西兰花切块加工刀具参数优化研究[J]. 农业工程学报，2018，34(3)：42-48.

Chen Jianneng, Chen Liqun, Yu Chennan, et al. Study on blade parameter optimization analysis of broccoli cuts based on minimum slice stress[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 42-48. (in Chinese with English abstract)

[15] 李长友，马兴灶，程红胜，等. 荔枝定向去核剥壳机设计与试验[J]. 农业机械学报，2014，45(8)：93-100.

Li Changyou, Ma Xingzao, Cheng Hongsheng, et al. Design and experiment of litchi denucleating and decorticating machine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(8): 93-100. (in Chinese with English abstract)

[16] 徐谐庆，饶洪辉，李涛，等. 全自动莲子剥壳去皮机的设计与试验[J]. 农业工程学报，2014，30(13)：28-34.

Xu Xieqing, Rao Honghui, Li Tao, et al. Design and experiment on automatic husking and peeling machine for lotus seeds[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(13): 28-34. (in Chinese with English abstract)

[17] 成大先. 机械设计手册. 第1卷[M]. 北京：化学工业出版社，2016.

[18] 丁素明，薛新宇，蔡晨，等. 梨树枝条切割装置刀片参数优化与试验[J]. 农业工程学报，2015，31(增刊2)：75-82.

Ding Suming, Xue Xinyu, Cai Chen, et al. Optimization and experiment of blade parameter for pear branches cutting device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(Supp.2): 75-82. (in Chinese with English abstract)

[19] 田昆鹏，李显旺，沈成，等. 天牛仿生大麻收割机切割刀片设计与试验[J]. 农业工程学报，2017，33(5)：56-61.

Tian Kunpeng, Li Xianwang, Shen Cheng, et al. Design and test of cutting blade of cannabis harvester based on longicorn bionic principle[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(5): 56-61. (in Chinese with English abstract)

[20] 鲍玉冬，杨闯，赵彦玲，等. 基于碰撞变形能的机械采收蓝莓果实碰撞损伤评估[J]. 农业工程学报，2017，33(16)：283-292.

Bao Yudong, Yang Chuang, Zhao Yanling, et al. Collision injury assessment of mechanical harvesting blueberry fruit based on collision deformation energy[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 283-292. (in Chinese with English abstract)

[21] 钱震杰，章定国，金诚谦. 柔性多体系统含摩擦碰撞stick-slip过程动力学仿真[J]. 振动与冲击，2017，36(23)：32-37.

Qian Zhenjie, Zhang Dingguo, Jin Chengqian. Dynamic simulation for flexible multibody systems containing frictional impact and stick-slip processes[J]. Journal of Vibration and Shock, 2017, 36(23): 32-37. (in Chinese with English abstract)

[22] 刘明政，李长河，曹成茂，等. 核桃分级破壳取仁及壳仁分离关键技术与装置研究进展[J]. 农业工程学报，2020，36(20)：294-310.

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)

[23] 刘协舫，郑晓，丁应生，等. 食品机械[M]. 武汉：湖北科学技术出版社，2002.

[24] 邓丽君. 芡实物料特性的试验研究[D]. 南京：南京农业大学，2012.

Deng Lijun. Experiment Analysis on Material Properties of Gorgons[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[25] 张松. 鲜莲子去壳去膜工艺及关键技术研究[D]. 武汉：华中农业大学，2014.

Zhang Song. Research on Shelling and Peeling Process and the Key Technology of Fresh Lotus Seed[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[26] 刘明政. 核桃剪切挤压柔性破壳取仁的机理分析与实验研究[D]. 青岛：青岛理工大学，2015.

Liu Mingzheng. Mechanization Analysis and Experimentation Research of Walnut Shearing-Extrusion Flexible Shell-Crushing[D]. Qingdao: Qingdao University of Technology, 2015. (in Chinese with English abstract)

[27] 朱广飞，任嘉嘉，王振，等. 油茶果脱壳机的设计与工作参数优化[J]. 农业工程学报，2016，32(7)：19-27.

Zhu Guangfei, Ren Jiajia, Wang Zhen, et al. Design of shelling machine for camellia oleifera fruit and operating parameter optimization[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(7): 19-27. (in Chinese with English abstract)

Design and experiment of the clamping sheller for fresh water caltrop

Wan Zhihua, Zhang Guozhong※, Xu Hongmei, Zhou Yong, Tang Nanrui, Zhang Han

(1.,,430070,; 2.,,430070,)

Water caltrop is one of the annual herbaceous aquatic vegetables in the Lower-and-Middle Section of theYangtze and Pearl River Delta region in China. There is the high nutritional and medicinal value of water caltrop. Among them, the stems and leaves can be used as the green manure or fodder, the petioles and the ripe fruits as the vegetables or starch, the fresh and tender flesh as the raw fruit, as well as the shell can be used to extract the functional ingredients, such as natural pigments. The kernel of water caltrop can also be fabricated into the popular cans, the pickled bags, and special commodities. Nevertheless, the kernel shelling can be the most difficult and the longest duration in the postharvest processing of water caltrop, including the cleaning, grading, shelling, and packaging. The current shelling of fresh water caltrop also depends mainly on the manual operation, due to the irregular shape, hard shell, and uneven surface. The manual shelling cannot fully meet the large-scale production in recent years, particularly for the high labor intensity, low efficiency, as well as the high damage rate with the perishable meat after damage, unfavorable storage and subsequent processing. It is still lacking on the automatic shelling machinery of water caltrop in China at present. More than 90% of the water caltrop products are the raw materials without shelling. A high demand can also be required for the kernel of water caltrop as the high value-added products. Therefore, it is of great significance to clarify the shelling mechanism and the mechanized production, especially with the increase of planting area and output of water caltrop industry. In this study, a clamping sheller was designed for the fresh water caltrop. The overall dimensions and mechanical performance parameters of the water caltrop were collected from the producing base in the Xishui County, Hubei Province, China. According to the configuration and working principle of the whole machine, the structural parameters of the key components were determined, such as the clamping plate, transversal cutting blade, elastic pressing, and shelling device. The working parameters of the transversal cutting blade was analyzed to simulate the motion of water caltrop in the transversal cutting device using ANSYS explicit dynamics. A transversal cutting test was performed on the prototype of the clamping sheller for the fresh water caltrop. The working parameters of the transversal cutting device were also optimized by Design Expert 12.Theresults showed that there was a significant impact of the maturity, conveying, and blade speed on the shell cutting rate, but no significant impact was found on the loss rate of water caltrop kernel. An optimal combination of parameters was achieved in the maturity value of 1.000 01, the conveying speed of 0.100 01 m/s, and the blade speed of 999.981 r/min. The average shell cutting rate and the loss rate of water caltrop kernel were 79.41%, and 9.82%, respectively. Therefore, the optimum working parameters of the shelling device were as follows: the maturity value of 1.008 9, the slow roll speed of 58.862 7 r/min, and the line speed ratio of 1.490 66. The average shelling rate was 66.52%, whereas, the average damage rate of water caltrop kernel was 12.83% in this case. This finding is expected to provide a strong reference for the shelling machinery of fresh water caltrop.

finite element method; parameters optimization; fresh water caltrop; shelling; transversal cutting

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.002

S226.4

A

1002-6819(2022)-20-0009-11

万志华，张国忠，徐红梅，等. 夹持式鲜菱角脱壳机设计与试验[J]. 农业工程学报，2022，38(20)：9-19.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.002 http://www.tcsae.org

Wan Zhihua, Zhang Guozhong, Xu Hongmei, et al. Design and experiment of the clamping sheller for fresh water caltrop[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(20): 9-19. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.002 http://www.tcsae.org

2022-05-06

2022-09-10

国家特色蔬菜产业技术体系专项资助项目（CARS-24-D-02）

万志华，博士生，主要研究方向为现代农业装备设计与测控。Email：wanzhihua2008@163.com

张国忠，教授，博士生导师，主要研究方向为现代农业装备设计与测控。Email：zhanggz@mail.hzau.edu.cn