自分級擠壓式核桃破殼機關鍵部件作業參數優化與試驗

摘要：

通過分析不同作業參數對自分級擠壓式核桃破殼機破殼性能的影響規律，優化關鍵部件的作業參數，提高破殼性能。以核桃在輥板間的運動學分析為基礎，確定影響核桃破殼取仁的關鍵因素為破殼角度和軋輥轉速，并以破殼率、整仁率和能耗為試驗指標，開展兩因素五水平二次正交旋轉中心組合試驗。利用Design-Expert軟件進行數據分析，建立各因素和試驗指標之間的回歸模型并進行方差分析，得到影響破殼率、整仁率和能耗的主次因素。利用響應面法分析兩個因素的交互作用，根據優化目標的重要程度對回歸模型進行多目標優化。試驗結果表明：最優工作參數組合為破殼角度0.47°，軋輥轉速108 r/min，在此條件下，得出破殼率為97.24%，整仁率為92.03%，能耗為1.88 kJ/kg，驗證試驗結果與模型預測值相對誤差小于5%。品種適應性試驗結果表明：最優工作參數對3個品種核桃（溫185、新溫179、扎343）的適應性較佳，表現為破殼率均大于96%，整仁率均大于90%，能耗均小于2 kJ/kg。為相關破殼取仁設備改進與優化以及不同品種核桃破殼加工參數的選取提供理論參考。

關鍵詞：核桃；破殼機；參數優化；響應面法

中圖分類號：S565.9； S220.1

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 04-0085-08

收稿日期：2022年9月11日" 修回日期：2022年10月17日

基金項目：國家自然科學基金（12002229，31160196）；塔里木大學校長基金（TDZKBS202001）；現代農業工程重點實驗室開放課題項目（TDNG2022101）；第一師阿拉爾市財政科技計劃項目（2021ZB01，2022ZB05）

第一作者：劉華龍，男，1997年生，山東濰坊人，碩士研究生；研究方向為農業機械化工程。E-mail： HualongLiu6@126.com

通訊作者：張宏，男，1975年生，內蒙古武川人，教授，碩導；研究方向為特色林果加工技術與裝備。E-mail： zhghog@163.com

Optimization and testing of operation parameters for key components of

walnut cracking machine with self-grading extrusion

Liu Hualong1， 2， Zeng Yong1， 2， Zhang Hong1， 2

（1. College of Mechanical and Electronic Engineering， Tarim University， Alar， 843300， China; 2. Modern Agriculture

Engineering Key Laboratory at Universities of Education of Xinjiang Uygur Autonomous Region， Alar， 843300， China）

Abstract：

In order to improve the cracking performance， this study optimized the operating parameters of key components by analyzing the influence of different operating parameters on the cracking performance for the walnut cracking machine with self-grading extrusion. Through kinematic analysis of walnuts between the roller and the plate， the key factors affecting shell cracking and kernel extraction were determined， which included the cracking angle and roller speed. The combination experiment of two-factor and five-level quadratic orthogonal rotating center was carried out with shell cracking rate， whole kernel rate and energy consumption as the experimental indexes. Data analysis was performed using Design-Expert software to establish regression models between the factors and the test indicators. ANOVA obtained the major and minor factors affecting shell cracking rate， whole kernel rate， and energy consumption. The interaction of the two factors was analyzed using the response surface methodology. The regression model was multi-objectively optimized according to the importance of the optimization objective. The results showed that the optimal combination of working parameters was 0.47° of cracking angle and 108 r/min of roller speed. Under these conditions， it yielded a shell cracking rate of 97.24%， a whole kernel rate of 92.03%， and an energy consumption of 1.88 kJ/kg. The relative error between the validation result and the model prediction" was less than 5%. The results of variety adaptation tests showed that the optimal working parameters were appropriate for the three varieties of walnuts， including Wen-185， Xinwen-179， and Zha-343， showing that the shell cracking rate was greater than 96%， the whole kernel rate was greater than 90%， and the energy consumption was less than 2 kJ/kg. The results of this study can provide theoretical references for the improvement and optimization of related shell cracking equipment and the selection of cracking and processing parameters for different varieties of walnut.

Keywords：

walnut; crackers; parameter optimization; response surface method （RSM）

0 引言

核桃又稱胡桃、羌桃［1］，是世界著名四大干果之一［2］，具有極高的食用和藥用價值［3， 4］?！吨袊y計年鑒2020》數據顯示，中國作為核桃六大主產國之一，2020年核桃總產量高達4 800 kt。而新疆作為我國典型優質核桃主產區，其核桃資源豐富，品質優良［5］，2020年核桃總產量高達1 150 kt，接近全國總產量的1/4。但產量增加卻導致了核桃經濟價值降低，以銷售核桃原果的經營模式將導致核桃價格的下滑，由此可以看出核桃初加工的重要性［6］。破殼取仁是核桃進行深加工的前提和保障，其加工質量直接影響產品的品質和附加值［7］。

目前，國內外學者依據不同原理設計了類型多樣的核桃破殼取仁設備，但其中擠壓式因其結構簡單，破殼效率高，適應性強等特點而成為應用較為廣泛的破殼方式［8］。例如，高警等［9］研制一種偏心擊打式核桃破殼機，破殼前將核桃按尺寸分為三個等級，通過調節擠壓距離實現不同大小核桃的破殼；Ojolo等［10］設計一種轉輪擠壓式核桃破殼機，利用轉盤對堅果進行擠壓而實現破殼，因籽粒個體差異較大，破殼效果參差不齊；另外，Roy等［11］研制平板擠壓式核桃破殼機，鐵砧在齒輪和杠桿帶動下擠壓核桃，從而對外殼施加開裂或破碎壓力。以上研究均為提高核桃破殼取仁的加工質量奠定了堅實基礎，但上述破殼設備僅能針對一定尺寸范圍內的核桃。然而，現有核桃品種繁多，外形尺寸和個體差異較大［12］，使得破殼取仁前仍需依靠人工進行分選，這不僅造成核桃初加工周期長，效率低，而且導致破殼裝置適應性較差。

為打破核桃破殼取仁前需進行人工分級的限制，沈柳楊等［13］設計一種集分級裝置、破殼裝置為一體的自分級擠壓式核桃破殼機，該機較好解決了核桃尺寸適應性問題。此外，有研究表明相較于一對集中力作用在核桃上時，多對集中下的破殼效果更佳［14］。為此，郭文松等［15］又在輥板表面增設尖釘，以利于果殼表面裂紋的產生、擴展與合并，同時降低殼體內力，減少果仁損傷。課題組前期研究雖然對破殼機進行設計和改進，在一定程度上提高破殼取仁效果，但針對工作參數對破殼特性的影響研究尚需深入。因此，為進一步提升破殼機性能，本文基于已研制的自分級擠壓式核桃破殼機，通過對核桃在輥板間的運動學分析，確定試驗因素及其取值范圍，采用二次正交旋轉中心組合方法設計試驗，分別探究破殼角度、軋輥轉速對核桃破殼率、整仁率和能耗的影響，探索破殼取仁系統的最優工作參數組合，旨在為相關核桃破殼裝備工作參數選取提供理論參考，為提高核桃機械化破殼取仁水平奠定基礎。

1 整機結構與工作原理

自分級擠壓式核桃破殼機主要是由機架、進料斗、分級裝置、間隙調節裝置、破殼裝置等部分組成，其總體結構如圖1所示。

表1為自分級擠壓式核桃破殼機主要參數。破殼過程：待機器運行穩定后，將核桃倒入進料斗，核桃經導流槽滑落到設有螺旋凸筋的水平滾筒和橡膠刷（避免核桃堵塞柵欄）組成的分級裝置內，在離心力、摩擦力、重力共同作用下實現大小分級；隨后經導流板過渡，落入由軋輥和軋板組成的破殼系統中，核桃在軋輥與軋板形成的楔形空間（輥板間隙）內被擠壓破碎，完成破殼。楔形空間可通過限制機構進行調整，以適應不同尺寸范圍的核桃破殼。分級滾筒轉速和軋輥轉速均可以通過變頻器控制調節。

2 關鍵部件設計

2.1 分級滾筒結構設計

考慮到核桃形狀不規則，定義各軸均通過核桃中心，且沿長軸方向的直徑為縱徑，垂直縫合線短軸方向的直徑為橫徑，沿縫合線短軸方向的直徑為棱徑［16］，如圖2所示。

隨機選取200個核桃進行三軸尺寸測量，由式（1）可計算出核桃當量直徑［17］。經統計分析后發現，其當量直徑分布符合正態分布，如圖3所示。

為保證盡可能地篩分，將核桃均分為3個尺寸級，與之對應的分級滾筒柵格間隙分別是37 mm、39 mm、46 mm。另外，為確保每一級篩分區間內核桃充分篩分，設定滾筒總長度為100 cm，其中每級柵條長度分別為L1=L2=35 cm，L3=30 cm。考慮到分級滾筒的處理量，設定滾筒直徑R=16 cm，如圖1（b）所示。

2.3 軋輥轉速選取

軋輥表面的尖釘在轉動過程中會對破殼區內的核桃施加剪切力（即軋輥對核桃正壓力的分力），而軋輥轉速與剪切力符合正相關［19］。因此，軋輥轉速對破殼質量有顯著影響［18］。綜合考慮破殼效果，并參照課題組前期研究［13］，初步選定軋輥轉速范圍為50～150 r/min。

3 樣機性能試驗與分析

3.1 試驗材料與儀器

試驗材料：試驗樣本為阿克蘇地區新鮮收獲的溫185核桃。參考課題組前期研究［20］，為保證核桃達到最佳臨界破殼狀態，對其進行干燥處理，使其果殼含水率在7%～9%范圍，與之對應的果仁含水率在10%～13%范圍。

試驗所需儀器設備：游標卡尺（精度0.02 mm）、電子天平（精度0.01 g）、功率轉換器（最大功率4000 W）、電熱鼓風干燥箱（精度±1 ℃）、變頻器EDS-A200系列Ver.2.0、智能型數字轉速表。

3.2 評價指標測定方法

以核桃破殼率Y1、整仁率Y2和單位質量能耗Y3為破殼機作業質量考核指標，每組試驗重復3次，結果取平均值。每組破殼試驗所需核桃樣本均為5 kg。

3.3 試驗設計

根據前期分析與單因素試驗確定了破殼角度X1和軋輥轉速X2的因素水平范圍為0.17°～0.86°，63～147 r/min。以破殼率Y1、整仁率Y2、能耗Y3為指標，開展二次正交旋轉組合優化試驗，試驗設計及結果如表2所示。

3.4 回歸方程的建立與方差分析

分別建立破殼角度、軋輥轉速與破殼率、整仁率、能耗的二次多項式回歸模型，編碼回歸方程分別為

Y1=

98.06-1.36X1+1.10X2-1.15X1X2-0.36X12-2.38X22

（13）

Y2=

92.62-1.53X1+1.73X2-1.90X1X2-

3.83X12-4.55X22

（14）

Y3=

1.69-0.30X1+0.30X2-0.31X1X2+0.36X12+0.33X22

（15）

3.5 響應面分析

根據表3方差分析的結果，可知各指標的回歸模型擬合極顯著（Plt;0.01），失擬項不顯著（Pgt;0.05），表明多項式對預測模型擬合較好?；貧w模型的試驗值和擬合值分布如圖6所示，也表明試驗值與預測值的擬合較優。從表3可以看出，破殼角度和軋輥轉速及其交互作用對3個指標的影響顯著（Plt;0.05），其中，破殼角度對破殼率影響極顯著（Plt;0.01）。由因子貢獻率法［21］，得到影響各指標的主次順序，如表4所示。

3.5.1 單因素試驗分析

采用降維方法研究了單因素對響應值的影響。破殼率隨軋輥轉速的增加先增大后減小，隨破殼角度的減小而增大，見圖7（a）；整仁率隨破殼角度和軋輥轉速的增加而先增加后減小，見圖7（b）；能耗隨破殼角度和軋輥轉速的增加先減小后增大，見圖7（c）。這說明適當的破殼角度和軋輥轉速參數組合可以提高破殼機的性能。

3.5.2 交互作用分析

如圖8（a）所示，軋輥轉速處于0水平時，隨破殼角度的增加，破殼率從99.27%下降到95.42%。原因是隨破殼角度的增加，核桃受到擠壓摩擦力減小，導致部分核桃破殼不完全。當破殼角度處于0水平時，隨軋輥轉速的增加破殼率從91.74%增加到98.19%。原因是較低的軋輥轉速使核桃在破殼區內有足夠的時間來實現破殼。當軋輥轉速超過111.89 r/min時，破殼率下降到94.86%，這是因為隨軋輥轉速的增加，核桃殼斷裂所需變形增加（殼的柔韌性增加）［22， 23］，即柔韌的外殼可以防止果殼的破裂［24］，從而導致破殼率的降低。

如圖8（b）所示，當破殼角度處于0水平時，隨軋輥轉速的增加，整仁率從81.08%先增加到92.78%后下降到85.97%。這是因為軋輥轉速的增加導致殼體的斷裂力減小，這降低了果仁的損傷。當軋輥轉速超過110.53 r/min時，核桃比變形增加導致核桃仁受損，而核桃仁的斷裂力遠比外殼小得多［25］。同理，當軋輥轉速處于0水平時，隨破殼角度的增加，整仁率從87.13%增加到92.77%后下降到82.79%。這是因為隨破殼間隙的增加，當其與核桃尺寸相當時，核桃受到理想的擠壓力，核桃仁相對完整。

如圖8（c）所示，軋輥轉速處于0水平時，隨破殼角度的增加，能耗從2.84 kJ/kg下降到1.63 kJ/kg。這是因為隨破殼角度的增加，核桃受到的擠壓摩擦力減小，軋輥旋轉阻力減小，能耗降低。當破殼角度處于0水平時，能耗隨軋輥轉速的增加從1.92 kJ/kg降低到1.62 kJ/kg后增加至2.77 kJ/kg。這是由于隨軋輥轉速的增加，增加了破殼機功率消耗和斷裂能耗的再需求［26］。當軋輥轉速小于90.16 r/min時，完成核桃破殼所需時間變長，這增加了破殼機的運行能耗，相反，隨著軋輥轉速的增加，破殼效率提高，能耗降低。

4 試驗驗證及品種適應性試驗

4.1 參數優化與試驗驗證

通過對回歸模型的預測分析，以破殼率和整仁率最高、能耗最低為目標，根據各指標的重要程度不同，賦予相應權重：破殼率（3）、整仁率（4）、能耗（3）。綜合考量各個工作參數對指標的影響，得到最優參數組合為：破殼角度為0.47°，軋輥轉速為108.16 r/min。在此條件下，進行3次破殼試驗，結果取平均值，如表5所示。

試驗結果均與預測值接近，相對誤差分別為1.18%、0.98%和4.44%，由此驗證破殼率、整仁率和能耗預測模型的適用性。

破殼機優化前后試驗結果如圖9所示。

優化前破殼機的破殼率、整仁率和能耗分別為94.18%、56.23%和2.12 kJ/kg。優化后破殼機性能明顯提高（表5）。優化前破殼產物中含有少量殼包仁，殼相對完整（gt;1/4殼），仁較碎（lt;1/4仁）。優化后破殼產物中不含有殼包仁，殼較碎（lt;1/8殼），核桃仁相對完整（gt;1/4仁）。

4.2 品種適應性試驗

由于新疆果園核桃品種混雜，該現象在和田、喀什地區尤為突出，造成破殼取仁效果不佳。為進一步驗證以上參數組合的實際應用效果，開展了自分級擠壓式核桃破殼機對南疆典型核桃品種的適應性試驗。為此，本文選取5類南疆地區核桃品種［16］（即溫185、新溫179、扎343、新新2、新豐）為研究對象，并對試驗樣品進行干燥處理，使其果殼和果仁達到最佳破殼狀態（3.1節所述）。在最佳工作參數組合下，進行3次重復試驗并取平均值，所得結果如表6所示。

依照核桃破殼加工中質量性、經濟性及商品性的重要程度，并結合表6的試驗數據，結果表明自分級擠壓式核桃破殼機對溫185、新溫179、扎343具有較高的適應性，表現為破殼率均大于96%，整仁率均大于90%，能耗均小于2 kJ/kg。然而，對于新新2和新豐破殼效果不佳，究其原因，不同品種核桃物理力學特性間的顯著差異會導致破殼特性的不同。例如，Koyuncu等［27］發現核桃殼厚和尺寸對破殼力有顯著影響，表現為隨果殼厚度的增加，所需要的破殼力逐漸增大；隨核桃幾何平均直徑的增加，破殼質量逐漸提高。Kacal等［28］發現隨果殼厚度的增大，核桃破殼力呈線性增加。以上研究均表明，核桃材料屬性與其破殼特性密切相關。因此，針對新疆不同品種核桃的材料屬性（殼厚、含水率、尺寸等）、破殼特性（破殼力、斷裂能等）以及兩者間相關關系等問題仍需深入研究，以期為提高核桃機械化破殼取仁水平奠定基礎。

5 結論

1）" 對自分級擠壓式核桃破殼機關鍵部件進行分析，并結合單因素試驗確定工作參數的選取范圍，運用二次正交旋轉組合試驗設計，建立破殼率、整仁率和能耗與各因素之間的數學模型。采用響應面分析法對試驗結果進行分析，破殼角度和軋輥轉速及其交互作用對3個指標的影響顯著（Plt;0.05），其中，破殼角度對破殼率影響極顯著（Plt;0.01）。

2）" 采用多目標優化分析得到最佳工作參數組合為破殼角度0.47°，軋輥轉速108 r/min，在此條件下，核桃破殼率為97.24%，整仁率為92.03%，能耗為1.88 kJ/kg，驗證試驗的結果與優化結果基本一致。并將優化后參數應用于核桃的品種適應性試驗，結果表明最優參數組合對溫185、新溫179、扎343具有較好的適應性。

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