基于劃口預處理的不同品種核桃破殼分析研究

張恩銘，鄭 霞，丑維新 ，張宏文，李紅斌

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.農業部西北農業裝備重點試驗室，新疆 石河子 832000；3.新疆科神農業裝備科技開發股份有限公司，新疆 石河子 832000 )

0 引言

核桃是營養價值很高的滋補品，具有潤肺補腦、養血補氣的功效[1]。我國的核桃種植數量和種植面積居世界首位[2]，新疆核桃產量排全國第2位，僅次于云南[3]，并且具有果仁口感好、含油率高、品質優等特點。

破殼取仁加工是核桃深加工關鍵的加工環節。人工破殼雖然可以保證核桃的破殼率和高露仁率，但人工成本高、生產率低，不能滿足市場的需求。目前，核桃破殼設備在提高生產率方面有了較大提升，但核仁損傷問題仍然是核桃破殼過程中的瓶頸。為了有效保證核桃在破殼過程中的高破殼率和高露仁率，研究核桃破殼前的預處理方法具有十分重大的意義。

近些年，研究發現劃口預處理有利于堅果的破殼。陜西科技大學鄭甲紅[4]等人研究發現，對核桃鋸口可減小核桃的破殼力。中國農業大學的肖紅偉[5]等人研究一種板栗劃口機可提高板栗的爆殼率，但對劃口處理的理論分析研究報道較少。本文采用ANSYS有限元分析軟件，以大量簡化設計和試驗過程，分析對比劃口處理對新疆兩種不同核桃品種的破殼特性的影響，再通過靜態壓力試驗和劃口預處理對破殼影響的正交試驗進一步研究劃口預處理對新豐和新早豐核桃破殼特性的影響。

1 有限元受力分析

1.1 三維建模的設備

采用便攜式3D掃描儀，精度0.05mm，可以快速地完成準確、高分辨率的3D掃描。

1.2 建立核桃三維模型

1.2.1 試驗材料

新豐核桃和新早豐核桃是目前新疆核桃種植面積最廣泛的兩種殼較厚的核桃品種。新豐核桃的果形是短卵形，縫合線結合很緊密且凸起十分明顯，核仁十分飽滿卻不易破殼取仁。新早豐的果形是橢圓形，縫合線雖然平但結合十分緊密，核仁飽滿，同樣不易破殼取仁[6-7]，如圖1所示。

圖1 新豐核桃和新早豐核桃

1.2.2 利用3D掃描儀建立三維模型

國內的史建新[8]、閆茹[9]等人和國外的Guner[10]、Mohsenin[11]等人通過構建有限元模型對未處理核桃的破殼過程進行了分析研究。

隨機選取新豐核桃和新早豐核桃各100個，從中各選出1個接近平均尺寸大小的核桃，用便攜式3D掃描儀對選出的核桃進行掃描，再對核桃掃描數據進行補洞處理，然后對掃描的核桃網格進行平面優化和平滑等精處理的操作，最后在SolidWorks中生成三維模型。通過測量，求出新早豐核桃的殼厚平均值為1.31mm，新豐核桃的殼厚為1.47mm。在此，將新早豐核桃模型的殼厚設為1.31mm，將新豐核桃模型的殼厚設為1.47mm。

1.2.3 設定三維坐標系

為了讓讀者更好地理解本文，以核桃中心為原點建立坐標系，以核桃長軸為Z軸，以核桃垂直縫合線的短軸為X軸，以原點指向沿縫合線的短軸為Y軸，如圖2所示。

圖2 核桃坐標系圖

新豐核桃的縫合線在Z軸方向凸起十分明顯，不宜在Z軸方向劃口和加載力；新早豐核桃是長橢圓體，也不宜在Z軸方向劃口和加載力。所以，不對這兩種核桃進行Z軸方向劃口和加載力的研究。在SolidWorks軟件中把建好的三維模型分別在核桃殼表面進行平行X軸方向劃口和平行Y軸方向劃口，建立兩種不同劃口方向的三維模型。將在核桃殼表面進行平行X軸方向的劃口定義為劃肚，將在核桃殼表面進行平行Y軸方向的劃口定義為劃棱。

1.3 建立有限元受力模型

1.3.1 設立有限元物理特性參數

將建好的三維模型分別導入到ANSYS Workbench模塊進行靜力學分析。對于核桃殼類比木材，把核桃殼的泊松比設定為0.3，核桃殼的密度設定為470kg/m3，核桃殼的彈性模量設定為10MPa[8-9,12-13]。

1.3.2 網格劃分

有限元分析的關鍵一步是劃分網格，對分析結果影響很大[14]。對核桃殼體進行自由網格劃分之后，生成有限元模型。新豐核桃的節點數為6 545，單元數為3 510；新早豐核桃的節點數為6 101，單元數為3 114。

1.3.3 施加載荷及約束

在核桃Z軸方向兩端各指定一個約束，限制核桃沿Z軸方向發生位移，先后在核桃X軸方向和Y軸方向分別施加一對擠壓力進行對比分析。為了更好地對新早豐核桃和新豐核桃的有限元分析結果進行對比，擠壓加載力統一設為300N。

1.4 有限元靜力學分析

將核桃三維模型導入到ANSYS Workbench模塊進行靜力學分析，得到核桃的應變云分析圖、應力云分析圖和總變形云分析圖。

1.4.1 對新豐核桃有限元模型靜力學分析

首先將新豐核桃三維模型導入到ANSYS Workbench模塊進行靜力學分析，得到新豐核桃的應變云分析圖、應力云分析圖和總變形云分析圖。以下有限元分析的圖表中，第1列為應變云分析圖，第2列為應力云分析圖，第3列為總變形云分析圖，如圖3所示。

圖3 新豐云分析圖

由圖3(a)可以看出：當沿X軸方向對未處理的新豐核桃加載力時，核桃模型在加載力的位置出現最大應力、應變和形變，應力、應變和形變以加載點為中心向四周逐漸擴散并且減小。也就是說，核桃會最先從加載點開裂，然后以加載點為中心向外，開裂面積逐漸增大。

由圖3(b)中可以看出：當沿Y軸方向對未處理的新豐核桃加載力時，在加載力的位置出現最大應力、應變和形變，應力、應變和形變以加載點為中心向四周逐漸擴散并且減小。也就是說，核桃會最先從加載點開裂，然后以加載點為中心向外，開裂面積逐漸增大。

對未處理的新豐核桃進行有限元分析，結果表明：核桃會從加載力的位置向四周開裂，沒有太明顯的方向性，故不利于破殼后殼仁分離，高露仁率較低。

由圖3(c)中可以看出：當沿X軸方向對劃肚的新豐核桃加載力時，加載點與劃口位置重合，在加載力的位置出現最大應力、應變和形變，應力、應變和形變以加載點為中心沿劃口形狀向四周逐漸擴散并且減小。也就是說，核桃會以加載點為中心沿著劃口的形狀向外開裂，開裂的范圍比較大，有利于核桃破殼取仁時提高高露仁率。

由圖3(d)可以看出：當沿Y軸方向對劃肚的新豐核桃加載力時，加載力的方向和劃口所在方向垂直，在加載力的位置和劃口同時出現最大應力、應變和形變，應力、應變和形變以加載點和劃口所在的位置為中心向外逐漸擴散減小，并擴散方向逐漸靠攏。核桃會從加載力的位置或劃口位置開裂，從加載點向劃口位置逐漸開裂或者從劃口位置向加載點逐漸開裂，開裂范圍也較大，有利于核桃破殼取仁時提高高露仁率。

對劃肚預處理的新豐核桃進行有限元分析，結果表明：劃口后的核桃破殼方向明顯，開裂范圍增大，有利于核桃破殼取仁時提高高露仁率。

由圖3(e)可以看出：當沿X軸方向對劃棱的新豐核桃加載力時，加載力的方向和劃口所在方向垂直，在加載力的位置和劃口同時出現最大應力、應變和形變，應力、應變和形變以加載點和劃口所在的位置為中心向外逐漸擴散減小，并擴散方向逐漸靠攏。核桃會從加載力的位置或劃口位置開裂，從加載點向劃口位置逐漸開裂或者從劃口位置向加載點逐漸開裂，開裂范圍也較大，有利于核桃破殼取仁時提高高露仁率。

由圖3(f)可以看出：當沿Y軸方向對劃棱的新豐核桃加載力時，加載點也在劃口位置上，在加載力的位置出現最大應力、應變和形變，應力、應變和形變以加載點為中心沿劃口形狀向四周逐漸擴散并且減小。也就是說，核桃會以加載點為中心沿著劃口的形狀向外開裂，開裂的范圍比較大，有利于核桃破殼取仁時提高高露仁率。

對于劃棱預處理的新豐核桃有限元分析，結果表明：劃口后的核桃，殼體破裂的方向明顯，開裂范圍增大，有利于核桃破殼取仁時提高高露仁率。

1.4.2 對新早豐核桃三維模型靜力學分析

將新早豐核桃三維模型導入到ANSYS Workbench模塊進行靜力學分析，得到新早豐核桃的應變云分析圖、應力云分析圖和總變形云分析圖。以下有限元分析的圖表，第1列為應變云分析圖，第2列為應力云分析圖，第3列為總變形云分析圖，如圖4所示。

圖4 新早豐云分析圖

由圖4(a)可以看出：當沿X軸方向對未處理的新早豐核桃加載力時，核桃模型在加載力的位置出現最大應力、應變和形變，應力、應變和形變以加載點為中心向四周逐漸擴散并且減小。也就是說，核桃會最先從加載點開裂，然后以加載點為中心向外開裂面積逐漸增大。

由圖4(b)可以看出：當沿Y軸方向對未處理的新早豐核桃加載力時，在加載力的位置出現最大應力、應變和形變，應力、應變和形變以加載點為中心向四周逐漸擴散并且減小。也就是說，核桃會最先從加載點開裂，然后以加載點為中心向外開裂的面積逐漸增大。

對未處理的新早豐核桃進行有限元分析，結果表明：核桃會從加載力的位置向四周開裂，沒有太明顯的方向性，故不利于破殼后殼仁分離，高露仁率就會較低。

由圖4(c)可以看出：當沿X軸方向對劃肚的新早豐核桃加載力時，加載點與劃口位置重合，在加載力的位置出現最大應力、應變和形變，應力、應變和形變以加載點為中心沿劃口形狀向四周逐漸擴散并且減小。也就是說，核桃會以加載點為中心沿著劃口的形狀向外開裂，開裂的范圍比較大，有利于核桃破殼取仁時提高高露仁率。

由圖4(d)可以看出：當沿Y軸方向對劃肚的新早豐核桃加載力時，加載力的方向和劃口所在方向垂直，在加載力的位置和劃口同時出現最大應力、應變和形變，應力、應變和形變以加載點和劃口所在的位置為中心向外逐漸擴散減小并擴散方向逐漸靠攏。核桃會從加載力的位置或劃口位置開裂，從加載點向劃口位置逐漸開裂或者從劃口位置向加載點逐漸開裂，開裂范圍也較大，也有利于核桃破殼取仁時提高高露仁率。

新早豐核桃劃肚預處理的有限元分析結果表明：劃口后的核桃破殼方向明顯，開裂范圍增大，有利于核桃破殼取仁時提高高露仁率。

由圖4(e)可以看出：當沿X軸方向對劃棱的新早豐核桃加載力時，加載力的方向和劃口所在方向垂直，在加載力的位置和劃口同時出現最大應力、應變和形變，應力、應變和形變以加載點和劃口所在的位置為中心向外逐漸擴散減小， 并擴散方向逐漸靠攏。核桃會從加載力的位置或劃口位置開裂，從加載點向劃口位置逐漸開裂或者從劃口位置向加載點逐漸開裂，開裂范圍也較大，也有利于核桃破殼取仁時提高高露仁率。

由圖4(f)可以看出：當沿Y軸方向對劃棱的新早豐核桃加載力時，加載點也在劃口位置上，在加載力的位置出現最大應力、應變和形變，應力、應變和形變以加載點為中心沿劃口形狀向四周逐漸擴散并且減小。也就是說，核桃會以加載點為中心沿著劃口的形狀向外開裂，開裂的范圍比較大，有利于核桃破殼取仁時提高高露仁率。

劃棱預處理的新早豐核桃的有限元分析結果表明，核桃實施劃棱加工處理后，破殼方向明顯，開裂范圍增大，有利于核桃破殼取仁時提高高露仁率，與核桃品種無關。

1.4.3 有限元靜力學分析數據討論

有限元分析結果的準確性與核桃物理特性參數的選取密不可分[15]。類比木材設定參數，分析結果的大小和試驗所得結果差異在正常范圍內，核桃物理特性的變化趨勢可以通過有限元分析準確表達。

將新豐核桃有限元分析后的結果填在表1中，將新早豐核桃有限元分析后的結果填在表2中 。未處理沿X軸方向加載力記為1號，未處理沿Y軸方向加載力記為2號，劃肚處理沿X軸方向加載力記為3號，劃肚處理沿Y軸方向加載力記為4號，劃棱處理沿X軸方向加載力記為5號，劃棱處理沿Y軸方向加載力記為6號。

表1 新豐核桃有限元分析結果

表2 新早豐核桃有限元分析結果

由表1和表2可以看出：當對新豐和新早豐核桃兩個對比品種的加載力相同時，其破殼時產生的最大應變、應力和形變量值由大到小排列順序均為：3號>5號>1號，6號>4號>2號，且3號>6號。

分析以上數據，不論是新豐核桃，還是新早豐核桃，可以得出以下結論：①劃口預處理的核桃所產生的最大應力、最大應變和最大形變都比未處理的新豐核桃所產生的最大應力、最大應變和最大形變大，因此劃口預處理更有利于核桃破殼；②當加載力的位置與劃口位置重合時，加載力所產生的最大應力、最大應變和最大形變量相比加載力的方向與劃口所在方向垂直時的相應值均較大，因此在劃口位置加載力，更有利于核桃破殼；③當加載力位置和劃口位置均在肚部時所產生的最大應變、應力和形變量最大，在核桃肚部劃口時，沿X軸方向加載力能使劃口預處理后的破殼效果最好。

1.5 有限元分析結果的討論

有限元分析結果表明：在劃口位置加載力，沿X軸方向加載力比沿Y軸方向加載力產生應力、應變和形變更大，說明劃口預處理使核桃殼產生局部缺陷，局部缺陷改變了核桃殼體的破壞強度，使變形集中在劃口區域內的某一薄弱位置，這一薄弱位置發生顯著收縮，由于原截面積減小，應力、應變增大，使核桃破殼更加容易。這是由于核桃殼是薄球殼體[16-17]，則核桃表面的劃口就可以看作薄球殼的初始缺陷，而有初始缺陷的球殼其破壞位置往往是從初始缺陷處開始發生的，且局部初始缺陷對球殼的破壞強度有很大的影響[18]。這也與美國海軍等研究人員的球殼試驗[19]的驗證和分析結果一致，即初始缺陷可以改變球殼的破壞強度。因此，提高核桃殼體表面的破裂程度和增大破裂面積，一方面可以降低破殼所需加載力，減少能耗；另一方面可使得后續殼仁分離更加容易，從而減少碎仁。這與本文的有限元分析的結果也十分吻合。

2 核桃破殼試驗

通過有限元靜力學分析可知，劃口預處理再破殼可以提高核桃的破殼率，同時減少對核桃仁的損傷。下面通過靜態壓力試驗和劃口處理對破殼影響的正交試驗來進一步研究劃口預處理對核桃破殼的影響。

2.1 靜態壓力試驗

選取同一級別大小的新豐核桃和新早豐核桃各60個，分為6組。將分組后的核桃進行不同方式的劃口處理，并在DF-9000動靜態萬能材料試驗機進行不同方向靜態壓力試驗，可以得到核桃破殼時的最大破殼力和核桃殼所發生的最大形變量。未處理沿X軸方向加載力記為1組，未處理沿Y軸方向加載力記為2組，劃肚處理沿X軸方向加載力記為3組，劃肚處理沿Y軸方向加載力記為4組，劃棱處理沿X軸方向加載力記為5組，劃棱處理沿Y軸方向加載力記為6組。

為了更直觀地對兩種核桃破殼力的變化進行分析和比較，通過柱狀圖來表達新豐核桃和新早豐核桃破殼力的數據變化情況，如圖5所示。

圖5 破殼力對比圖

由圖5可看出：無論是新豐核桃，還是新早豐核桃，1組、3組和5組均是沿X軸方向加載力，2組、4組和6組均是沿Y軸方向加載力1組和2組是未預處理的核桃，3組、5組、4組和6組均是劃口預處理后的核桃。這說明，相同加載力方式，經過劃口預處理的核桃所需破殼力明顯比未處理的核桃破殼力小。3組的破殼力比5組的破殼力小，6組的破殼力比4組的破殼力小，說明當劃口位置與加載力位置重合時比劃口所在方向與加載力方向垂直時所需的破殼力??；3組的破殼力比6組的破殼力小，說明當劃口位置與加載力位置在肚部重合時比當劃口位置與加載力位置在棱部重合時所需的破殼力更小。

為了更直觀地對兩種核桃破殼形變量的變化進行分析和比較，通過柱狀圖來表達新豐核桃和新早豐核桃破殼形變量的數據變化情況，如圖6所示。

圖6 破殼形變量對比圖

由圖6可看出：無論是新豐核桃還是新早豐核桃，1組、3組和5組均是沿X軸方向加載力，2組、4組和6組均是沿Y軸方向加載力，1組和2組是未預處理的核桃，3組、5組、4組和6組均是劃口預處理后的核桃，說明相同加載力方式，經過劃口預處理的核桃所需破殼形變量明顯比未處理的核桃破殼形變量??；3組的破殼形變量比5組的破殼形變量小，6組的破殼形變量比4組的破殼形變量小，說明當劃口位置與加載力位置重合時比劃口所在方向與加載力方向垂直時所需的破殼形變量??；3組的破殼形變量比6組的破殼形變量小，說明當劃口位置與加載力位置在肚部重合時比當劃口位置與加載力位置在棱部重合時所需的破殼形變量更小。

靜態壓力試驗結果顯示：①劃口預處理后的核桃破殼力和破殼形變量均比未預處理的核桃小，說明劃口預處理后核桃更易破殼；②劃口位置與加載力位置重合時比劃口所在方向與加載力方向垂直時所需的破殼力和破殼形變量小，說明劃口位置與加載力位置重合時比劃口所在方向與加載力方向垂直時核桃更易破殼；③當劃口位置與加載力位置在肚部重合時，所需的破殼力和破殼形變量最小，說明劃口位置與加載力位置在肚部重合時核桃最易破殼，與核桃品種無關。

2.2 劃口預處理對破殼影響的正交試驗

通過上文研究發現，劃口預處理可以提高核桃的破殼率并減少核桃仁的損傷。為了確定劃口位置、劃口的寬度、劃口的長度分別對破殼率和高露仁率影響的主次順序，利用對輥擠壓核桃破殼機來驗證劃口處理對核桃破殼的影響。對核桃的破殼因素有很多，如核桃的品種、核桃的尺寸大小、含水率[20]、劃口的位置、劃口的寬度、劃口的長度、劃口的位置、輥子的轉速，輥子表面的粗糙度及喂料的速度等[21]。測得這批核桃含水率均在11.6%左右，可忽略含水率不同對試驗結果的影響。將分級后的新豐核桃和新早豐核桃在肚部劃口預處理后分別進行正交試驗，將其他影響因素設置為同一水平，以避免其他影響因素對試驗結果的影響。因素水平如表3所示。

表3 正交試驗因素及水平 mm

表3是一個三因素三水平的試驗，不考慮各因素各水平之間的交互作用，因此選用的L9(34)正交試驗。具體試驗安排如表4所示。

表4 正交試驗方案

新豐核桃在對輥擠壓核桃破殼機內破殼后的試驗結果如表5所示。

表5 新豐核桃正交試驗結果

通過分析新豐核桃正交試驗結果可知：劃口深度1.5mm、劃口寬度3mm、劃口長度17mm為一次性破殼率的最優方案；劃口深度1.5mm、劃口寬度2.55mm、劃口長度19mm為高露仁率的最優方案。采用最優平衡法的最優方案為劃口深度1.5mm、劃口寬度2.55mm、劃口長度19mm，一次性破殼率達86.9%，高露仁率達75.2%。

新早豐核桃在對輥擠壓核桃破殼機內破殼后的試驗結果如表6所示。

表6 新早豐正交試驗結果

通過分析新早豐核桃正交試驗結果可知：劃口深度1.5mm、劃口寬度2.55mm、劃口長度19mm為一次性破殼率的最優方案；劃口深度1.5mm、劃口寬度2.55mm、劃口長度19mm為高露仁率的最優方案。采用最優平衡法的最優方案為劃口深度1.5mm、劃口寬度2.55mm、劃口長度19mm，一次性破殼率達87.9%，高露仁率達75.1%。

表7為3個試驗因素在不同水平下新豐核桃劃口預處理對破殼影響的正交試驗的極差分析。由極差分析結果可以看出影響核桃一次破殼率因素和高露仁率的主次順序[22]。

表7 新豐核桃極差分析

由表7可以看出：劃口預處理影響新豐核桃一次破殼率因素的主次順序是：A劃口深度>C劃口長度>B劃口寬度。劃口預處理影響新豐核桃高露仁率因素的主次順序是：A劃口深度>C劃口長度>B劃口寬度。

表8為3個試驗因素在不同水平下新早豐核桃劃口預處理對破殼影響的正交試驗的極差分析。

表8 新早豐核桃極差分析

由表8可以看出：劃口預處理影響新早豐核桃一次破殼率因素的主次順序是：A劃口深度>C劃口長度>B劃口寬度；劃口預處理影響新豐核桃高露仁率因素的主次順序是：A劃口深度>C劃口長度>B劃口寬度。

3 結論

1)有限元分析結果表明：劃口預處理可以使核桃更易破殼，尤其是提高了高露仁率。

2)靜態壓力試驗結果顯示：劃口預處理后核桃更易破殼；劃口位置與加載力位置重合時比劃口所在方向與加載力方向垂直時核桃更易破殼；劃口位置與加載力位置在肚部重合時核桃最易破殼。

3)劃口預處理對破殼影響的正交試驗分析結果顯示：無論是新豐核桃還是新早豐核桃，當劃口深度1.5mm、劃口寬度2.55mm、劃口長度19mm時，可以得到較好的破殼效果。極差分析結果顯示，影響新豐和新早豐核桃一次破殼率因素的主次順序均是A劃口深度>C劃口長度>B劃口寬度。極差分析結果顯示：影響新豐和新早豐核桃高露仁率因素的主次順序是A劃口深度>C劃口長度>B劃口寬度。