新豐核桃的多因素壓縮試驗

劉 奎 郭文川 - 朱占江 -

(1.西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100；2.新疆農業科學院農業機械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

據統計[1]，新疆核桃種植面積已達35萬hm2，當前產量已達2 016 kg/hm。新豐核桃是新疆的主栽核桃品種之一，其果樹長勢較強、產量高、果仁含油量高，適合油用品種；其營養價值僅次于新新2，高于溫185、扎343和新光[2]。

破殼處理是核桃釆后加工中的一個主要工藝，研發先進的核桃加工技術和設備，解決核桃精深加工的技術瓶頸成為當前亟待解決的問題。19世紀初，國外就開始核桃破殼處理的基礎性研究[3-4],而中國對堅果破殼方面的研究起步較晚，目前也自主研制了形式多樣的破殼機構[5-7]。史建新等[8]發現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。丁正耀等[9]確定了山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施力方式。王維等[10]確定了最佳核桃破殼加載方位及破殼的最佳條件。上述研究未考慮核桃含水率、加載速度及加載方向等多因素在破殼時的影響以及在此基礎上進行模擬試驗。

試驗擬針對新豐核桃破殼的影響因素，設計多因素混合水平分析試驗，研究各參數對破殼的影響，對建立的核桃模型進行模擬分析，并進行破殼試驗驗證，確定最佳破殼方式，以期為新豐核桃破殼取仁設備的研制提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

新豐核桃(圖1)：經過滾筒分級機分級后中等尺寸大小的核桃，新疆維吾爾自治區喀什地區的葉城縣。

1.2 試驗設備

微機控制電子萬能試驗機：WDW-100E型，濟南恒思盛大儀器有限公司；

圖1 新豐核桃

電熱干燥箱：BPG-9070A型，上海高致精密儀器有限公司；

水分測定儀：DHS16型，上海方瑞儀器有限公司。

1.3 試驗方法

試驗前將完整無損的核桃放在水中浸泡4 h，于干燥箱中烘干，每間隔一段時間取出一個核桃測其含水率，當依次測得的含水率接近13%，10%，8%，4%時，分別取出部分核桃作為壓縮測試樣本。

為了測試不同因素對新豐核桃壓縮試驗的影響，首先用WDW系列微機控制電子萬能試驗機在加載速度20，50，100 mm/min下，對核桃進行長、寬、厚3個不同方向的加載試驗(如圖2)，分析含水率的變化對核桃殼破裂所需的加載力及破裂做功(壓力與破裂壓縮形變量的乘積)的影響。

圖2 核桃壓縮試驗示意圖

2 試驗分析

2.1 物理特性

新豐核桃殼及仁的幾何尺寸如表1所示。由表1可知，核桃殼的平均厚度為1.43 mm，其標準偏差為0.15 mm，說明新豐核桃殼的殼厚比較均勻，研究結果有良好的適用性。

表1 新豐核桃殼及仁的幾何尺寸

2.2 機械特性

2.2.1 含水率對核桃殼及核桃仁破裂力的影響 由圖3可知，隨著含水率的增加，核桃殼與核桃仁破裂所需的加載力在長、寬、厚3個方向上均呈遞減趨勢，由于含水率的增大，核桃殼及仁的組織變軟，其破裂力減小；核桃在寬度方向上所需的破裂力小于長度和厚度方向的，由于核桃縫合線處的結合力較小，優先于其他部位直接裂開。

2.2.2 含水率對核桃殼破裂做功的影響 由圖4可知，隨著含水率的增加，核桃殼的破裂做功在長、寬、厚3個方向上呈遞增趨勢；核桃殼破裂的最大做功出現在長度方向，說明在此方向上破裂時的形變量最大，更易傷到內部核桃仁，而在厚度方向上加載所需的做功量最小，核桃殼破裂時產生的形變最小，對內部核桃仁的損傷也相對較小。

3 核桃殼破裂的有限元分析

3.1 核桃材料屬性確定及網格劃分

通過UG建立核桃模型，并保存為stp格式，導入ANSYS進行有限元分析。果殼的彈性模量取22.5 MPa，密度為590 kg/m3，泊松比為0.3[11]，核桃殼平均壁厚采用中等核桃殼厚度尺寸，定為1.5 mm。根據模型特點，采用自由網格劃分，模型與網格劃分如圖5所示。

3.2 有限元受力分析

選擇施加在核桃模型長、寬、厚3個方向的加載力分別為281，180，343 N。根據機械破殼核桃受力情況，分別對核桃模型在長、寬、厚3個方向施加一對對稱擠壓力。將核桃殼材質假定為脆性材料，核桃的破壞方式則表現為脆性破壞，故采用脆性斷裂破壞強度準則[12]。

由圖6可知，各個方向加載時的應力、應變均出現在加載點處。長度方向加載時，核桃的應變出現在加載點周圍很小的范圍，因此核桃可能產生局部破裂，即未完全破開，不便于后續的取仁。寬度方向加載時，由于處于核桃接縫處，所需破殼應力較小，易使核桃殼從接縫處裂開，但更易使核桃直接沿縫線破成兩半，導致核桃仁受損，整仁率降低。厚度方向加載時，核桃的應變有逐漸向外擴散的趨勢，核桃外殼整體受破裂力范圍較大，說明在此方向加載核桃殼的裂紋擴散優于其他兩個加載方向，雖然所需應力較大，但更易使核桃殼產生大面積的破裂，有利于破殼取仁。

圖3 核桃殼含水率對破裂力的影響

Figure 3 Relationship between walnut rupture force and moisture content

4 破殼試驗

以大小均勻的新疆新豐核桃(核桃原果含水率約為6.3%)為試驗對象，每組試驗核桃原料的重量為2 kg，將核桃按試驗要求破殼，然后手工取核桃仁。將核桃仁分為4個等級，稱量，計算百分比。

4.1 沿不同加載方向上的破殼試驗

由表2可知，在厚度方向取得的1/2仁比例較多，而在長度方向較少，與3.2的結果相對應。在厚度方向上破殼時，核桃直接沿縫線裂開的較多，未全破的核桃比例最高，需換方向再次進行擠壓才能取出核桃仁，但再次擠壓會使核桃仁進一步破碎，不利于取較完整的核桃仁。

4.2 不同破殼方式的破殼試驗

核桃的加載方向為厚度方向，分別對核桃進行擊打破殼和擠壓破殼，取出核桃仁計算破殼效果。擠壓破殼采用萬能試驗機，采用100 mm/min的加載速度對核桃進行擠壓；擊打破殼是一只手將核桃固定放在地面上，另一只手手持木板均勻發力在核桃頂部周圍敲擊，直至核桃殼裂開，能用手輕輕撥開外殼取出核桃仁為止。由表3可知，擊打式破殼取得的整仁率高于擠壓式破殼，未完全破殼率也較低，破殼取仁效果較好。多點均勻快速加載更有利于核桃殼裂紋的均勻擴散，減少單點受力發生形變直至破裂對核桃仁的損傷，從而得到較高的整仁率。

圖4 核桃殼含水率與核桃破裂做功的關系

Figure 4 Relationship between walnut rupture energy and moisture content

圖5 三維模型和網格劃分

圖6 應力應變有限元分析

表2 沿長、寬、厚3個方向破殼的效果

表3 不同破殼方式破殼的效果

5 結論

含水率、加載速度、加載方向均對新豐核桃破殼時的機械性能有一定影響。含水率大小改變了物料的韌性，新豐核桃殼的含水率大小對其機械性能影響較為明顯。通過對核桃殼破裂的有限元分析，結合破殼試驗分析得出：沿核桃殼厚度方向周圍進行擊打破殼，能達到較好的破殼取仁效果，核桃仁的完整率較高，未完全破殼率較低，有利于機械化的破殼取仁。對核桃在工廠機械化加工時如何使核桃保持在厚度方向破殼的因素和條件還未系統研究，如何在機械化的高生產率加工中使核桃按照特定姿態下完成破殼，從而得到較好的破殼效果將是今后研究的重點。