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浅析坚果剥壳机具的研究现状

  坚果是农业物料的一种,主要是指具有坚硬或柔韧外壳的果实。人们食用的坚果通常有核桃、板栗、杏仁、莲子、白果、松籽、夏威夷果、澳洲坚果、瓜子等。坚果营养丰富,且具有一定的药用价值,深受人们的喜爱,其市场需求逐年大幅度增加。坚果的外层包裹着一层较硬的外壳,主要由木素、纤维素和半纤维素组成,外形不规则、坚硬,难以剥离,因此剥壳成为坚果开发与加工的重要环节,也是现代坚果类食品开发与深加工的质量保证措施之一。由于各种坚果外壳性质不同,采用的剥壳方法也各不相同,其中开发出的绝大部分剥壳设备是采用机械方式来实现的。下面将在现有机械剥壳方法、原理及特点介绍的基础上,对坚果剥壳机具的研究现状与存在的问题进行探讨,为坚果剥壳机具的开发与研制提供参考。
  1 坚果机械剥壳方式
  机械剥壳法是通过机械施加外力,使果实外壳受力破裂,并采用机械方式来实现滚、搓、碾等动作,进而完成壳与仁的分离。现有坚果机械剥壳方法分为以下几类: 撞击法、挤压法、碾搓法、撕搓法、刀片切割法等。
  撞击法是通过离心力的作用,使高速运动的物料撞击到固定挡板上,使其外壳受力产生变形与裂缝,当其离开固定挡板时,由于壳、仁具有的不同弹性变形,使壳破裂达到剥壳目的。这种方式脱壳适合于仁、壳间隙较大、结合力小,且外壳较脆的物料。采用这种方法剥壳时,当撞击力过大,易使仁壳均被破碎,进而使其碎屑相互粘附,难以分离; 撞击力过小,则外壳不易破碎,无法实现剥壳。此外,由于剥壳物料的大小、形状、轻重均有一定差异,使得撞击力难以确定,因此,这种方法的剥壳率不高。
  挤压法剥壳是利用物料外壳的脆性,仅仅通过挤压力来完成物料的破壳。典型设备是对辊式杏核脱壳机。通常采用一对直径相同的圆柱辊,使其转向相反,转速相同,并将其间隙调整到适当大小,使籽粒通过间隙时受到辊的挤压而破壳。剥壳时,籽粒在两挤压辊间被挤压破壳时首先必须被夹持住,因此两挤压辊间的间隙大小是影响籽粒破碎率和脱壳率高低的重要因素。该种剥壳方法适合外壳较坚硬且壳、仁间隙较大的物料。但这种方法仁、壳及其碎屑相互粘附的现象较为严重。
  碾搓法剥壳是通过碾压和搓擦的方法完成对物料的剥壳。典型应用是物料籽粒在固定磨片和运动着的磨片间受到强烈的碾搓作用,使籽料的外壳被撕裂而实现脱壳。当籽粒经进料口进人定磨片和动磨片的间隙中,动磨片转动的离心力使籽粒沿径向向外运动,也使籽粒与定磨片间产生方向相反的摩擦力,同时,磨片上的牙齿不断对外壳进行切裂,在摩擦力与剪切力的共同作用下使外壳产生裂纹直至破裂,并与籽仁脱离,达到脱壳的目的。影响剥壳效果的主要因素有: 籽粒的水分含量、圆盘的直经、转速高低、磨片之间工作间隙的大小、磨片上槽纹的形状和籽粒的均匀度等。
  撕搓法剥壳是利用相对转动的橡胶辊筒对籽粒进行撕搓作用而进行脱壳的。进行撕搓的橡胶辊筒,分别以不同转速相对转动,辊面之间存在一定的线速差,由于橡胶辊具有一定的弹性,其摩擦系数较大,当籽粒进入胶辊工作区时,与两辊面相接触,当籽粒啮入角小于其摩擦角时,便顺利进入两辊间,同时受到两个不同方向的摩擦力的撕搓作用及两辊面法向挤压力的作用产生破裂,并在上述反向撕搓力的作用下完成脱壳过程。影响剥壳效果的主要因素有: 轧辊的线速差、硬度、半径、相互间间隙及轧入角等。
  刀片切割法剥壳一般有两种方式,一种是利用刀片在待破壳的籽粒表面划痕来切割外壳,同时运用揉、搓等作用来完成剥壳; 另一种是直接利用刀片切割开果壳,实现外壳与籽仁的分离。例如武汉工业学院研制开发的多联辊刀式莲子剥壳机,壳莲经分级后,分置于剥壳机各个不同的进料斗内,在同向转动的螺杆和光辊组成的送料机构作用下,壳莲按序排列着从机座上的出料孔中推出,莲子一经排出就进入由双托辊和螺旋辊刀构成的剥壳通道,双托辊平行布置且同向转动,辊面切制螺旋槽并滚花处理,莲子由托辊摩擦带动边转动边前行,逐渐为辊刀所切割,螺旋辊刀既完成切割莲壳,又带动莲子转动翻滚并不断向出料口移行,最终从出口排出已剥壳莲子和莲壳。该种方法由于工作面较小,易发生漏籽现象,重剥率较高。影响剥壳效果的主要因素有:籽粒含水率、转辊转速、切割间隙等。
  2 坚果剥壳机具的研究现状
  国外早在20 世纪60 年代初,就着手研制坚果剥壳机具,至80 年代初,美国、意大利、法国等已相继推出了各种坚果剥壳机。经过数十年的发展,坚果剥壳机具已日趋成熟,目前正朝着机电一体化方向发展。我国坚果剥壳机具发展远远落后于种植业的发展,近几年国内一些企业、科研院所在传统剥壳机具的基础上,积极研制和开发了各种类型剥壳机具,但其发展还是相当缓慢。
  吉林农业大学田耘等依据松籽的结构特点,设计了松籽破壳机单粒定向喂入装置和钳夹式破壳部件,并对破壳部件进行了实验研究,结果表明,影响钳夹式破壳装置工作性能的因素很多,除与松籽的物理特性有关外,直接影响性能的还有钳夹的模孔形状、挤压位移、挤压速度和夹板倾角等参数,为剥壳机具的设计和技术参数的确定提供了依据。河北农业技术师范学院曹荣娟对杏核破壳机的主要部件挤压辊进行了设计研究,分析了杏核在压辊间的受力情况与导入条件,给出了挤压辊之间间隙、直径、长度的确定方法。
  中国农业大学杨德勇等针对目前杏核破壳机存在的问题,根据杏核的物理特性对杏核物理分级装置和破壳装置分别进行了实验研究,确定了杏核破壳机的有关结构参数和运动参数。
  新疆农业大学史建新等介绍了核桃破壳机的结构特点,主要参数的确定,对核桃分级滚筒的运动参数、几何参数以及挤压破壳滚筒的参数进行了分析,最后给出了整机参数。辛动军在分析6PH-150 型核桃破壳机的结构特点和缺陷的基础上,对分级滚筒和导向装置进行了改进设计,并对导向装置进行了实验,并给出了改进前后整机的对比参数。浙江大学郑传祥设计了一种实用的高效青莲子剥壳机,利用高速刀具对莲子外壳进行切割和挤压使其剥壳,同时增加了剥壳切割的刀具数量,并对莲子大小、莲子切削时间、刀具的切削速度等参数之间的关系进行了分析与实验。
  长江大学刘守祥等针对莲子加工的现状,设计了莲子自动穿芯、剥壳机械,并对主要运动参数如输送搅龙螺距、转速,分度圆盘运动及转速进行了分析。
  江南大学周一届等进行了西瓜子破壳开口设备的研制,并通过西瓜子破壳开口的性能实验,优选出合适的参数,为西瓜子开口设备的改进提供依据。
  3 坚果力学特性的研究现状
  坚果作为农业物料的一种,其力学性质的研究对于剥壳机具的开发研究十分重要。国内外对各种坚果的物理和力学特性等进行了大量研究,为坚果脱壳机具的设计研究提供了可靠的依据。
  3.1 国外研究现状
  Makanjuola、Ramakrishna 和Teotia 对瓜子和南瓜子的力学特性进行研究,得出含水率和加载位置对破壳力均有一定影响。Gilberto 等研究了澳洲坚果在压缩载荷下的机械特性,在不同的加载方向下对力、变形量以及能量的不同进行了比较,同时找出不受含水率影响的加载位置。Aydin 对杏核及仁的物理特性进行研究,指出核及仁的破裂力都随含水率的增加而减小,最大的破裂强度出现在X 加载方向。KubilayVursavus 和Farukozguven 对杏核在压缩载荷下的机械特性进行研究,结果表明: 沿X方向( 长度方向) 加载时需要的破壳力和产生的变形量最大,Y 方向( 宽度方向) 的小于另外两个方向; 沿Z 方向( 厚度方向) 加载时杏仁通常具有破裂趋势。Vursavus 和ozguven 对松籽的物理特性及压缩载荷下的破壳进行研究,研究结果表明,沿垂直方向( 宽度方向) 加载时的破壳力、变形量和需要的能量较小; 沿水平方向( 长度方向) 加载松仁的破损率较大,因此松籽破壳时沿垂直方向比水平方向破壳的效果好。Guner 等比较了压缩载荷下三种不同榛籽的力学特性,得出含水率对榛籽的破裂力、变形量及破裂能量的大小影响显著,且不同加载方向对以上因素也有不同的影响。
  3.2 国内研究现状
  杨志良等对松籽的几何、力学特性及剥壳方式进行了研究,根据松籽破壳前受力及变形状态,建立了松籽力学模型,通过分析确定了受力状态下松籽外壳可能断裂的方位。奕玉振和袁月明对松籽壳体的几何特征和压缩破壳进行了实验研究,结果表明,在同一含水率下对于不同部位的松籽沿同一轴向进行加载,松籽壳体破壳力差异很小,沿三个不同轴向加载破壳力差异却非常显著; 破壳力在沿X向( 长度方向) 加载时最大,Y 向( 宽度方向) 次之,Z向最小,但是沿Y 向( 厚度方向) 壳仁间隙大、变形量小、整仁率高,这与K.Vursavus 等人的研究结果一致。谢丽娟采用压缩实验对莲子的机械特性进行了研究,得出了莲子破壳力与等级大小成线性正相关,加载速率与破壳力之间没有明确的关系,其应力-应变曲线的斜率随加载速率的增加而增大,而应变随之减小,此外她还通过有限元软件对三种不同情况下的莲子破壳进行受力分析,确定了莲子最佳施力位置和方式。杨雪银在对板栗的压缩力学特性进行研究的过程中也指出板栗大小是影响破壳力的显著因素。吴子岳对核桃壳的物理机械特性进行了研究,将其简化成各向同性的均匀厚度的薄球壳,利用薄壳理论进行内力和变形分析,结果表明,两对法向集中力作用有利于壳的完全均匀破裂。
  史建新、赵海军等利用有限元对核桃脱壳技术进行研究,采用结构静力分析的有限单元法,通过所建核桃的几何模型和破壳的有限元模型,对核桃在几种载荷作用下的应力分布规律进行了分析,找出了核桃壳变形量不大且产生局部裂纹点多、裂纹点易扩展的最佳的施力方式。王灵军等用有限元法对银杏脱壳进行受力分析,建立了银杏的几何受力模型,通过有限元分析方法对银杏在各种施力状态分布进行分析,找出了最佳的施力方向与施力方式。董永利、周一届等对西瓜子破壳载荷的影响因素进行研究,通过西瓜子挤压破壳实验,研究了西瓜子破壳开口过程中西瓜子宽度、含水率和加载速率对破壳力、压缩变形量的影响,结果表明: 加载位置应位于西瓜子最大宽度两侧,西瓜子的含水率是影响破壳载荷的显著因素,适当增加可以减小破壳载荷并降低能耗。张荣荣、李小昱等根据板栗的几何尺寸和物理参数,用ANSYS 软件建立了板栗的有限元分析模型,对板栗在3 种加载方式下的受力状态进行了应力和应变分析,结果表明,在板栗YZ 平面的Y 方向和Z 方向施加载荷的破壳效果优于在XZ 平面的Z方向施加载荷的方式,但两种方式都能达到破壳目的,只是最大应力和应变产生的位置和波及范围不同。
  4 存在的问题
  目前,我国尽管在剥壳机具的研究上做了大量的工作,也研制出了一些类型的坚果剥壳机具,但能够真正用于生产且批量加工的不多,远远落后于种植业的发展,不能满足产品深加工的生产需求,在技术上还存在如下问题:
  剥壳率低、损失率高。大多数剥壳机漏剥或剥壳不完全,果仁的除杂率低,且破碎的果仁难以从碎壳回收,造成果仁损失率增大,这也是是坚果剥壳机难以推广的主要原因。
  籽粒的破仁率高。为了减少漏剥或剥壳不完全的问题,一些机具在提高剥壳率的同时却使果仁的破碎率加大,从而降低了产品的市场价格。通用性差,作业成本偏高。现存的多数剥壳机具一般仅适用于某种坚果的剥壳作业,通用性较差,使机具的利用率低,且不能形成系列化制造,从而也加大了制造成本,致使加工坚果的作业成本增加。
  机具性能不稳定,适应性差。同台专用机具,当坚果品种、大小规格、外壳形状和含水量等因素出现变化时,其剥壳性能会产生很大差异,进而使整体剥壳效果变差。此外,部分机具仅进行了样机试制或少量试生产,在实际生产过程中作业性能、可靠性、寿命等还存在许多问题。
  5 结束语
  综上可知,我国在坚果剥壳机具研制方面做了大量的研究,但还存在较多的问题,与实际生产和产品的产业化应用还存在一定的差距,要解决这些问题关键在于,必须对剥壳机的关键技术与工作部件进行深入研究,研究新的剥壳机理。笔者认为今后剥壳机具的发展还需考虑如下几个方面:
  在提高机具剥壳率的同时,降低破仁率及损失。在剥壳机具传统结构的基础上,优化结构设计; 研究新的脱壳机理,在提高机具工作性能的同时,简化其结构。
  提高机具的通用性、稳定性及适应性。加强对物料剥壳机理共性的研究,研制通用性较强的柔性工作部件以适应物料物理性能变化引起的问题,或通过变换主要工作部件即能满足不同坚果脱壳作业需要的脱壳机具,并注意机具的加工工艺性,降低制造成本。
  自动化、系统化的发展。通过采用机电一体化的手段,提高机具工作部件的自动化程度,减少人为因素的干扰,提高作业精确性和速度,提高产品质量与生产率,同时设计研制的机具能够一次性完成对物料分级、剥壳、除杂、分选等一系列加工过程,提高生产效率,降低加工作业成本,满足企业的需求。