核桃破殼及其裝備研究進展

沈柳楊 張宏 唐玉榮+劉揚 李勇

摘要：破殼是核桃精深加工的首要環節，對提升核桃經濟附加值及其產業化發展具有重要作用。在介紹目前核桃破殼發展概況的基礎上，重點闡述國內外有關核桃破殼及其裝備的研究成果，分析相關破殼裝備的結構與性能特點，并指出核桃破殼研究中存在的不足，對核桃破殼提出相應的建議。

關鍵詞：核桃；破殼；破殼裝備；產業化

中圖分類號： S226.4文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）10-0016-04[HS）][HT9.SS]

核桃是我國栽培歷史悠久、分布較為廣泛的重要干果和經濟樹種之一，被列為世界四大干果之首[1]。核桃含有豐富的對人體有特殊生理功效的生物活性物質，具有很高的營養與食用價值[2]，而核桃仁所含的磷脂具有補腦作用，被譽為“天然腦黃金”[3]，深受國內外市場和消費者的青睞。

核桃破殼一直是制約核桃產業化發展的技術瓶頸之一。新疆維吾爾自治區作為我國核桃的重要生產基地之一，2014年核桃總產量為50.14萬t[4]，且產量呈逐年增長趨勢，市場潛力巨大，亟待開發。然而，目前新疆維吾爾自治區核桃的加工率僅為2%，幾乎全部以原果形式出售，靠人工破殼已經無法適應核桃的產業化發展需求[5]。破殼是核桃精深加工的關鍵環節，也是提升核桃品質和經濟附加值的重要技術手段，因此研發破殼效率高、破殼效果好的核桃破殼裝備具有重要的現實意義。

1當前核桃破殼作業的發展概況

我國的核桃破殼作業經歷由傳統人工作業向現在機械式作業的轉變。傳統的核桃破殼作業主要依靠人工來進行，直接敲打核桃及借助簡單的輔助工具來完成，這種作業方式不僅作業效率低、勞動和生產成本高，而且無法滿足當前核桃加工企業對核桃仁的用量需求，因此對大規模的核桃破殼作業，傳統破殼方式無法進行推廣應用。

隨著核桃仁及其深加工產品的增值，市場對核桃仁的需求日益增大，越來越多的果農意識到核桃破殼取仁能帶來較大的經濟效益，利用機械破殼裝備代替傳統破殼作業方式勢在必行。然而，當前我國使用的核桃破殼裝備尚存在不足，主要表現在破殼效率不高、核桃仁完整率較低、核仁表皮損傷率較高等，這直接關系到核桃仁的經濟價值，而破殼方法及破殼參數將直接影響核桃的破殼效率和核桃仁完整率[6]。目前，國內外對核桃破殼裝備進行了一些研究，而破殼效率與核桃仁完整率相對較低是核桃破殼亟待解決的關鍵問題，如這些問題得到解決，一方面將極大地推動核桃機械化作業和核桃產業的發展，另一方面可為其他堅果破殼提供一定的理論借鑒，具有重要的現實意義。

2核桃破殼的國內外研究現狀

2.1核桃破殼特性的研究

國內外學者對核桃破殼特性開展了大量研究工作，主要集中在核桃的物理機械特性、破殼力學特性及破殼工藝參數等方面。趙超等對核桃的物理機械特性進行了測定和分析，結果表明，核桃球殼可以抽取為厚度均勻且各向同性的薄球殼，利用薄殼理論進行內力和變形分析，兩對法向集中力作用較有利于核桃殼的完全均勻破裂，破殼所需的果殼變形量減少，整個破殼的效果得以改善[7-9]。Braga等研究了澳洲堅果在壓縮載荷下的機械特性，對其在不同加載方向下的破殼力、變形量及能量進行了比較，同時找出了不受含水率影響的加載位置[10]。喬園園等通過對新疆幾種主產核桃外形、內部結構、殼體厚度及內褶面積等物理特性的研究，分析了影響核桃殼、仁脫離特性的主要因素，為設計合理的核桃殼、仁分離機械提供了理論依據[11]。

核桃破殼力學特性及參數是設計核桃破殼裝備的重要理論依據。辛動軍利用薄殼理論和動態裂紋擴展理論對核桃的破殼原理進行分析，結果表明，在兩對法向集中力的作用下核桃容易破裂，在破殼時給核桃殼施加一交變力，有利于殼的破裂和裂紋的擴展，從而更有利于核桃的破裂[12]。高警等研究影響核桃破殼力大小的因素，得出破殼因素與破殼力之間的關系，在破殼前進行預處理可以減小破殼力，為核桃破殼機的設計提供參考[13]。Koyuncu等利用壓縮萬能試驗機對胡桃殼壁厚度和幾何平均直徑在不同壓縮位置進行力學特性試驗，結果表明，破裂功隨殼體厚度的增大（除長度位置）呈線性增加，隨幾何平均直徑的增加呈線性下降[14]。Liu等利用薄殼理論及有限元法對有裂紋的澳洲堅果和核桃進行分析，結果表明，壓力強度隨殼體厚度的變化呈現線性變化，并找出了核桃殼變形量不大且產生局部裂紋點多、裂紋點易擴展的最佳的施力方式[15-16]。Aviara等研究含水率對埃及堅果破殼力學特性的影響，結果表明，容積密度與含水率呈線性關系，靜摩擦系數隨含水率的增加而增大[17]。何義川等利用有限元方法對核桃在3種載荷加載方式下的受力狀態進行應力與應變分析，得出了最佳的破殼方式[18-19]。

核桃破殼工藝參數為核桃破殼裝備的結構設計提供了依據。Sharifian等研究含水率、加載速度、加載方向對核桃破殼的影響，結果表明，含水率21%、加載速度為500 mm/min、沿X方向（長徑）加載時的破殼效果較好[20]。張宏等通過試驗得出，溫185核桃的破殼工藝參數為加載變形量12 mm、核桃含水率8%、加載速度為300.15 mm/min、沿C向加載，在此條件下核桃的整仁得率最高可達60.28%[21]。涂燦等對澳洲堅果破殼整仁得率的影響因素進行研究，通過正交試驗優化出適宜澳洲堅果破殼的最佳工藝參數為加載速率 45 mm/min、沿水平向加載、果殼含水率6%～9%，整仁率最高可達93%，這為澳洲堅果破殼機的研制提供了理論基礎[22]。[JP]

2.2核桃破殼裝備的研究

國外對核桃加工機械的研究起步相對較早，目前對核桃初、精加工已實現了生產線作業，破殼效率和自動化生產程度較高。核桃破殼裝備典型的破殼機構主要有平板擠壓式、單滾子輥動擠壓式、雙輥子滾動擠壓式等。Eisel發明的平板擠壓式破殼機構[23]工作時，通過調節電機轉速來改變偏心輪的運動，完成動、定破殼板對核桃的擠壓作用，進而實現破殼（圖1）。該機構結構簡單、造價成本低，但破殼效率不高，較難推廣到大規模核桃破殼生產中。Kim發明的單輥子擠壓式破殼機構[24]工作時，當核桃落入到由轉動輥子與被動摩擦板形成的破殼間隙時，在兩者的擠壓下實現對核桃的破殼，而通過調節間隙調節手輪，可以實現對不同大小核桃的破殼（圖2）。該機構雖然結構簡單，易于操作，但在破殼前須要對核桃進行分級，調節好轉動輥子與摩擦板之間的間隙才能實現破殼，否則不同大小的核桃無法一次性完成破殼。McSwain發明的雙輥子滾動擠壓式破殼機構[25]工作時，利用重力和摩擦力的共同作用，將核桃帶入到2個運動的輥子間隙之間來實現破殼（圖3）。該機構雖然結構簡單，但其破殼效率低、效果差，且在破殼前也須要預先調節好2個滾輪之間的間隙。Ghafari等針對傳統的手工破殼方式設計了一款核桃破殼機，該機主要由進料裝置、破殼裝置、分級裝置及動力裝置等部分組成，其破殼的整仁率為 66.66%，破殼效率為25.2 kg/h[26]。

與國外相比，我國的核桃破殼裝備研究起步相對較晚，目前雖存在很多技術問題亟待解決，但在借鑒和吸收國外核桃破殼裝備的基礎上，也研制出形式多樣的破殼裝備。朱德泉等設計的一款6HS-6型山核桃破殼機（圖4）工作時，可通過調節敲擊臂扭簧限位銷釘的位置來控制打擊力，可適應不同大小和含水率的核桃破殼要求，此外，還可通過改變橡膠減振墊的厚度，來調節打擊的慣性力；通過3因素5水平二次回歸正交試驗表明，選擇合適的轉速、扭簧力、敲擊臂與滾筒間隙，可以較好地提高破殼效率[27]。奉山森等設計的新型滾壓式核桃破殼機[28]工作時，將核桃從進料口倒入，通過動螺旋槽筒的圓周運動，核桃自上而下并受到滾壓作用，隨著擠壓間

隙逐漸減小，其滾壓變形程度越來越大，最終實現核桃的破殼（圖5），這種破殼方式由于核桃受力較均勻，因此破殼效果較

好，核桃仁的完整率也較高。

圍繞新疆維吾爾族自治區核桃的特點，新疆農墾科學院農機所和新疆農業大學等單位相關科研人員對核桃破殼裝備進行了大量研究，并試驗研制出一些核桃加工生產裝備。2011年，新疆農墾科學院農機所研制的6PK-500型核桃破殼機（圖6），其生產率可達到500～600 kg/h，破殼率達到90%以上，頭仁率達70%，果仁破損率為2%，但在實際生產中，仍出現大量核桃仁表皮磨損的現象，對核桃品質造成影響[29]。同年，新疆農業大學董詩韓等設計出一種多輥擠壓式核桃破殼裝置（圖7），該機采用間斷性擠壓式破殼方法，當最小破殼間距小于核桃橫徑2 mm、破殼輥轉速80 r/min、輔助破殼輥轉速 50 r/min 時的破殼質量較好[30]。2012年，新疆農墾科學院機械裝備研究所何義川等研制出對輥擠壓式核桃破殼裝置（圖8），核桃在摩擦和剪切力作用下實現破殼，具有較好的破殼效果，通過正交試驗表明，當擠壓輥Ⅰ的轉速為95 r/min、擠壓輥Ⅱ的轉速為75 r/min、擠壓間隙為33 mm時，可取得較好的破殼效果[31]。2013年，新疆農業大學王曉萱等進行離心式核桃二次破殼機（圖9）的設計與試驗研究，通過正交試驗初步確定其最優參數為撞擊桶的錐角為30°、離心板轉速為 420 r/min、撞擊桶間距為273 mm，此時離心式核桃二次破殼機的有效破殼率≥80%，損失率≤1.89%[32]。

3核桃破殼及裝備研究中存在的不足及改進建議

目前，我國的核桃破殼裝備雖然在數量和種類方面較多，但在破殼效果方面仍參差不齊。因此，除對現有破殼裝備進

行結構改進和優化外，還須應用新技術、新理論、新方法研發新的核桃破殼裝備。核桃破殼裝備的不足和建議主要有：一是我國現有的核桃破殼裝備普遍存在適應性差、效率低、破殼效果不理想等問題，嚴重影響核桃破殼技術的發展與推廣，制約了核桃加工水平的提高；而國外的核桃破殼裝備在國內適應性相對較差，也需要進行較大的改進才能使用。因此，需要對現有破殼裝備在使用過程中存在的問題進行改進和優化。二是盡管對核桃破殼機理進行了一些的研究，但研究的方向過于分散，較難融合共有的研究成果在核桃破殼裝備研制中進行應用，如王維等采用ANSYS板殼結構有限元分析法，從加載方式、核桃大小、加載方向、受力點等對核桃的力學特性進行試驗，以尋找破殼的最佳條件[33]；張宏等利用掃描電子顯微鏡和脆性斷裂原理對核桃的裂紋斷面進行觀察和分析，找出核桃殼體受載后裂紋產生的原因[34]。因此，核桃破殼特性的研究有待進一步深入，須加強對核桃破殼機理共性問題的研究。三是在核桃破殼方法研究中，對新技術、新理論、新方法的應用較少，即使有學者應用了一些新技術、新方法，但其應用深度和廣度還不夠，如楊銳等利用激光技術對核桃破殼進行了嘗試和研究[35]；張宏等利用逆向工程技術對新疆溫185核桃進行了殼體重構，為核桃破殼受力過程的模擬仿真奠定了基礎[36]；周軍等提出了一種全新的破殼方法，即利用氣爆原理和核桃本身的氣密性，在核桃外部開小孔向其內部注入高壓空氣，使核桃內外部產生壓力差，從而實現核桃殼體爆開破裂[37]。今后，在核桃破殼及裝備的研究中應加強對新技術、新理論、新方法的應用，深入研究核桃破殼機理，為研制出破殼效率高、破殼效果好的破殼裝備奠定基礎。

我國是核桃產業大國，核桃產量一直位居世界首位[38]。然而核桃機械加工率卻很低，對高效、優質的核桃機械加工裝備存在很大的需求缺口，嚴重制約了核桃產業的發展。針對當前我國核桃破殼及裝備的研究現狀及其存在問題，須充分結合核桃的結構特性和特點，積極開展對核桃破殼機理及裝備的研究，大膽嘗試新技術、新理論、新方法在核桃破殼研究中的應用，找出核桃破殼的最佳特性參數，為高效的破殼裝備設計與研制提供參考和理論借鑒。

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