2024年5月21日发(作者：邱天恩)
剪切式澳洲坚果破壳机的设计与试验
宋德庆;薛忠;邓干然;陆超忠;邸志锋;崔振德
【摘 要】设计了一种新型的剪切式澳洲坚果破壳机,通过破壳试验检验了其性能和
破壳效果.试验结果表明,通过合理的调节限位螺栓,对不同等级的澳洲坚果,破壳率可
以达到85%,有效出仁率可以达到80%.
【期刊名称】《农机化研究》
【年(卷),期】2010(032)007
【总页数】4页(P163-166)
【关键词】剪切;澳洲坚果;破壳
【作 者】宋德庆;薛忠;邓干然;陆超忠;邸志锋;崔振德
【作者单位】中国热带农业科学院农业机械研究所,广东,湛江,524091;中国热带农
业科学院农业机械研究所,广东,湛江,524091;中国热带农业科学院农业机械研究所,
广东,湛江,524091;中国热带农业科学院中国热带农业科学院南亚热带作物研究所,
广东,湛江,524091;山东省农业机械科学研究所,济南,250100;中国热带农业科学院
农业机械研究所,广东,湛江,524091
【正文语种】中 文
【中图分类】S226.4
0 引言
澳洲坚果是我国新兴起的一种坚果，年产量约为1 000万t，从中提取的果仁是一
种高营养食物，也可用于炸油、加工副食产品等[1]。目前，国外已开始进行澳洲
坚果果壳、果仁的综合开发利用[2-3]。我国也正在进行综合开发利用的研究性工
作[4-5]。
华南热带农产品加工设计研究所1998年研制了澳洲坚果锯壳机[6]，广西壮族自
治区亚热带作物研究所于2008年研制了板式澳洲坚果脱壳机和链式澳洲坚果脱壳
机[7-8]，但一直未推广入市场，目前澳洲坚果破壳仍靠人工完成。其破壳过程为
人工利用锤子敲破其果壳。由于手持锤子难以控制其力度，导致这种手工破壳方法
的劳动强度很大、工效低，而且对果仁的破坏严重，有时会砸伤手指。因此可以说，
坚果破壳技术的发展滞后，已制约了澳洲坚果加工的规模化发展[9-10]。
1 整机结构和工作原理
1.1 主要结构
剪切式澳洲坚果破壳机主要由进料斗、落果槽、刀具、转动机构、果实定位装置、
限位螺栓、杠杆式拨指机构及机架等组成，结构示意图如图1所示。
1.2 工作过程
工作时澳洲坚果从进料斗落入落果槽，沿着带有一定倾角的落果槽进入果实定位装
置上，旋转轮通过转动机构带动滑块向下运动，滑块带动刀具下移，对坚果进行破
壳剪切。与此同时，在滑块下移的过程中，带动杠杆拨指一端以支架为支点进行转
动，使杠杆位于进料斗的出口处的一端向上移动，对进料斗的出口起到疏通的作用，
防止坚果堵塞进料斗，当滑块向上移动时，在复位弹簧的拉力配合下，使杠杆回位。
为了调节刀具对坚果的剪切深度，可通过夹具对刀柄的安装高度以及限位螺栓进行
调整，对于刀具的粗调是通过调节滑块的安装位来实现的。
1.定位装置 2.杠杆式拨指机构 3.进料斗 4.限位装置 5.转动机构 6.刀具 7.机架 图1
整机结构示意图
2 主要部件的设计与分析
2.1 转动机构
转动机构由转轮、转轴、滑块、滑槽、限位装置、刀具定位孔等部分构成，如图2
所示。其主要作用是人工对转轮旋转转化为刀具的冲击力和剪切力，从而使坚果果
壳破开，达到破壳取仁的目的。
对滑槽传递受力及运动部位进行简化分析，如图3所示。
1.滑槽2 2.限位装置 3.刀具定位孔 4.滑块1 5.转轴 6.转轮 图2 转动机构示意图
1.滑槽1 2.滑块1 3.曲柄 4.滑块2 5.滑槽2图3 曲柄滑块机构分析
曲柄滑块机构状态图，如图4所示。
图4 曲柄滑块机构状态图
工作时，转动转轮转动，动力通过转轴传递给曲柄，在曲柄的转动下，滑块2在
滑槽2里做水平运动，在滑块2的作用下，滑块1在滑槽1里作竖直往复运动，
完成圆周运动向竖直方向运动的转变。
滑块2在以转动中心为原点的坐标系里任一位置的坐标为
(1)
式中 r—曲柄长度；
θ—曲柄与水平正向的夹角。
对式(1)进行求导可以得出其速度加速度方程[11]，分别为
(2)
(3)
式中 ω—曲柄的角速度；
α—曲柄的角加速度。
由于刀具安置在滑块1上，故仅对滑块1做分析，滑块1在滑槽1中的任一位置
为y=rsinθ，此时其的加速度为由于滑块1得质量远大于坚果质量，且在作用时间
极短的情况下，由冲量定理可以得知其瞬间作用力可以满足破壳要求[12]。
2.2 杠杆式拨指机构
杠杆式拨指机构由拨指、回位弹簧、支杆、连接环等部分构成，如图5所示。其
主要作用是可以疏通果实顺利进入落果槽，避免因果实堆积产生的堵塞，并且保证
坚果在输送槽里成单行排列。
1.拨指 2.支杆 3.连接环图5 杠杆式拨指机构示意图
由图5结构可看出，在转动机构转动时，刀具随着滑块的向下运动而运动。杠杆
式拨指机构的一端连接环固定于滑块上也随之向下运动，以2为支点，另一端在
进料斗口内向上运动。由于滑块的运动可视为一个瞬时冲击过程，故拨指的另一端
在进料斗口同样为瞬间冲击过程，可以达到疏通出果口的目的，且利用转动机构本
身的运动来解决这一问题，不需人工疏通。
2.3 果实定位装置
坚果定位装置由定位圆环、支撑套筒、固定板、螺栓等组成，如图6所示。定位
圆环是将特定直径的环形不锈钢垫片冲压成型，使其具有一定凹角后焊接于柱状不
锈钢支撑套筒上，然后通过螺栓固定于固定板上，调试安装于刀具刃口的正下方。
冲压凹角有利于坚果的对中，整体主要起定位坚果及在刀具冲击力下支撑的作用，
并保障坚果顺利破壳。
1.定位圆环 2.支撑套筒图6 定位装置
2.4 刀具
刀具部分主要包括月牙刀头和刀柄，其示意图如图7所示。刀头采用40Cr调制处
理，后经局部淬火工艺制成，刀柄采用的是Q235A。刀柄为圆柱状，月牙刀头嵌
入刀柄一端并在外接触面点焊固定。刀具部分通过楔形块紧固于图2中的刀具定
位孔。
采取月牙刀具进行剪切，既可以利用月牙形从果实上方固定果实，也可以在瞬时冲
击作用力下快速切开果实，尤其对于经干燥的果实，可以有效地达到破壳的目的。
1.月牙刀头 2.刀柄图7 刀具
3 试验研究
3.1 试验方法
选取不同等级的坚果果实，每级随机选取100粒，测定了其含水率，含水率定义
为
其中，m0为测定前果实质量(g)；m1为经过24h烘干后测定的果实质量(g)；
经测定其含水率为3%，然后对其进行剪切破壳破坏试验。
3.2 试验结果与分析
利用上述样机，通过对所取样本进行剪切试验，统计结果如表1所示[13-14]。
表1 检测结果 %
等级12345整仁6460524030大半仁1312141715半仁810121517大碎仁
810111521小碎仁78111317
对各果仁等级下果仁统计数进行对数变换后利用统计软件SAS8.1进行分析，分析
结果如表2所示。
表2 方差分析表方差来源平方和自由度均方FPr>F果仁等级
1.5130.5048.94<0.0001果实等级0.1040.022.270.1217误差0.12120.01总和
1.7319R-Square=0.9286
由表2可以得出，果实等级对破壳效果的差异显著，显著性检验概率为0.121 7，
对其进行多重比较得出，果实等级越高，整仁、大半仁及半仁越多。该试验机性能
相对稳定，剪切破壳效果同比手工加工整仁率较高。
4 结论
1)提出一种新型澳洲坚果破壳机工作原理，利用剪切可以代替挤压、搓擦达到对坚
果破壳的目的。
2)对其转动机构、果实定位机构、杠杆式拨指机构、刀具和整机进行了设计分析。
3)以剪切力代替手工的挤压力，可大幅度提高加工效率，降低劳动强度；操作简单
灵活，可以通过对刀具安装位的调节对不同大小的坚果进行破壳；破壳后果仁能够
达到生产要求。
4)对其剪切破壳性能进行了试验研究。研究结果表明，对不同等级的澳洲坚果，通
过合理调节限位螺栓，破壳率可以达到85%，有效出仁率可以达到80%；
5)还需进一步研究在不同含水率、干燥时间的情况下破壳效果的比较分析，为进一
步完善该机型奠定及理论基础。
【相关文献】
[1] 杨磊,陈成海,陈静,等.国内外澳洲坚果加工工艺与设备的现状及对策[J].热带农业工程,
2001(1):5-8.
[2] Braga G. C., Couto S. M. Neto, J.T.P.A.. Mechanical behavior of macadamia nut under
compression loading[J].Journal of agricultural engineering research,1999,72：239-245.
[3] Liu R., Wang C.H., Bathgate R.G.. Fracture analysis of cracked macadamia nut shells
under contact load between two rigid plates[J].Journal of agricultural engineering
research,1999,74:243-250.
[4] 宁平,杨月红,彭金辉,等．澳洲坚果壳活性炭制备的热解特性研究[J]．林产化学与工
业,2006(4):19.
[5] 刘晓芳，王如阳，叶艳青．澳洲坚果壳制备活性炭的工艺研究[J].安徽农业科学,2008(26):11.
[6] 黄家瀚，陈静，周刚,等．澳洲坚果锯壳机的研制与试验[J].热带作物机械化,1998(2):7-9.
[7] 陈显国，叶雪英，石兰蓉,等．板式澳洲坚果脱壳机:中国：2.3[P].2008-12-03．
[8] 陈显国，林玉虹，叶雪英,等．链式澳洲坚果脱壳机:中国,2.0[P].2008-12-03．
[9] 黄克昌．澳洲坚果果仁不同含水量破壳效果初步试验[J]．热带农业科技，2003，26(2)：42-43.
[10] 杜丽清，曾辉，邹明宏,等.澳洲坚果种质资源果实性状的评价指标[J].热带作物学报，2006，
27(4)：14-18.
[11] 加德纳(Gardner,J.F.).机构动态仿真：使用MATLAB和Simulink[M]．周进雄，张陵,译.西安：
西安交通大学出版社，2002.
[12] 哈尔滨工业大学理论力学教研组.理论力学(下)[M]．北京：高等教育出版社,1998:37-41.
[13] 陆超忠，杜丽清．澳洲坚果种质资源描述规范和数据标准[M]．北京：中国农业出版社,2008.
2024年5月21日发(作者：邱天恩)
剪切式澳洲坚果破壳机的设计与试验
宋德庆;薛忠;邓干然;陆超忠;邸志锋;崔振德
【摘 要】设计了一种新型的剪切式澳洲坚果破壳机,通过破壳试验检验了其性能和
破壳效果.试验结果表明,通过合理的调节限位螺栓,对不同等级的澳洲坚果,破壳率可
以达到85%,有效出仁率可以达到80%.
【期刊名称】《农机化研究》
【年(卷),期】2010(032)007
【总页数】4页(P163-166)
【关键词】剪切;澳洲坚果;破壳
【作 者】宋德庆;薛忠;邓干然;陆超忠;邸志锋;崔振德
【作者单位】中国热带农业科学院农业机械研究所,广东,湛江,524091;中国热带农
业科学院农业机械研究所,广东,湛江,524091;中国热带农业科学院农业机械研究所,
广东,湛江,524091;中国热带农业科学院中国热带农业科学院南亚热带作物研究所,
广东,湛江,524091;山东省农业机械科学研究所,济南,250100;中国热带农业科学院
农业机械研究所,广东,湛江,524091
【正文语种】中 文
【中图分类】S226.4
0 引言
澳洲坚果是我国新兴起的一种坚果，年产量约为1 000万t，从中提取的果仁是一
种高营养食物，也可用于炸油、加工副食产品等[1]。目前，国外已开始进行澳洲
坚果果壳、果仁的综合开发利用[2-3]。我国也正在进行综合开发利用的研究性工
作[4-5]。
华南热带农产品加工设计研究所1998年研制了澳洲坚果锯壳机[6]，广西壮族自
治区亚热带作物研究所于2008年研制了板式澳洲坚果脱壳机和链式澳洲坚果脱壳
机[7-8]，但一直未推广入市场，目前澳洲坚果破壳仍靠人工完成。其破壳过程为
人工利用锤子敲破其果壳。由于手持锤子难以控制其力度，导致这种手工破壳方法
的劳动强度很大、工效低，而且对果仁的破坏严重，有时会砸伤手指。因此可以说，
坚果破壳技术的发展滞后，已制约了澳洲坚果加工的规模化发展[9-10]。
1 整机结构和工作原理
1.1 主要结构
剪切式澳洲坚果破壳机主要由进料斗、落果槽、刀具、转动机构、果实定位装置、
限位螺栓、杠杆式拨指机构及机架等组成，结构示意图如图1所示。
1.2 工作过程
工作时澳洲坚果从进料斗落入落果槽，沿着带有一定倾角的落果槽进入果实定位装
置上，旋转轮通过转动机构带动滑块向下运动，滑块带动刀具下移，对坚果进行破
壳剪切。与此同时，在滑块下移的过程中，带动杠杆拨指一端以支架为支点进行转
动，使杠杆位于进料斗的出口处的一端向上移动，对进料斗的出口起到疏通的作用，
防止坚果堵塞进料斗，当滑块向上移动时，在复位弹簧的拉力配合下，使杠杆回位。
为了调节刀具对坚果的剪切深度，可通过夹具对刀柄的安装高度以及限位螺栓进行
调整，对于刀具的粗调是通过调节滑块的安装位来实现的。
1.定位装置 2.杠杆式拨指机构 3.进料斗 4.限位装置 5.转动机构 6.刀具 7.机架 图1
整机结构示意图
2 主要部件的设计与分析
2.1 转动机构
转动机构由转轮、转轴、滑块、滑槽、限位装置、刀具定位孔等部分构成，如图2
所示。其主要作用是人工对转轮旋转转化为刀具的冲击力和剪切力，从而使坚果果
壳破开，达到破壳取仁的目的。
对滑槽传递受力及运动部位进行简化分析，如图3所示。
1.滑槽2 2.限位装置 3.刀具定位孔 4.滑块1 5.转轴 6.转轮 图2 转动机构示意图
1.滑槽1 2.滑块1 3.曲柄 4.滑块2 5.滑槽2图3 曲柄滑块机构分析
曲柄滑块机构状态图，如图4所示。
图4 曲柄滑块机构状态图
工作时，转动转轮转动，动力通过转轴传递给曲柄，在曲柄的转动下，滑块2在
滑槽2里做水平运动，在滑块2的作用下，滑块1在滑槽1里作竖直往复运动，
完成圆周运动向竖直方向运动的转变。
滑块2在以转动中心为原点的坐标系里任一位置的坐标为
(1)
式中 r—曲柄长度；
θ—曲柄与水平正向的夹角。
对式(1)进行求导可以得出其速度加速度方程[11]，分别为
(2)
(3)
式中 ω—曲柄的角速度；
α—曲柄的角加速度。
由于刀具安置在滑块1上，故仅对滑块1做分析，滑块1在滑槽1中的任一位置
为y=rsinθ，此时其的加速度为由于滑块1得质量远大于坚果质量，且在作用时间
极短的情况下，由冲量定理可以得知其瞬间作用力可以满足破壳要求[12]。
2.2 杠杆式拨指机构
杠杆式拨指机构由拨指、回位弹簧、支杆、连接环等部分构成，如图5所示。其
主要作用是可以疏通果实顺利进入落果槽，避免因果实堆积产生的堵塞，并且保证
坚果在输送槽里成单行排列。
1.拨指 2.支杆 3.连接环图5 杠杆式拨指机构示意图
由图5结构可看出，在转动机构转动时，刀具随着滑块的向下运动而运动。杠杆
式拨指机构的一端连接环固定于滑块上也随之向下运动，以2为支点，另一端在
进料斗口内向上运动。由于滑块的运动可视为一个瞬时冲击过程，故拨指的另一端
在进料斗口同样为瞬间冲击过程，可以达到疏通出果口的目的，且利用转动机构本
身的运动来解决这一问题，不需人工疏通。
2.3 果实定位装置
坚果定位装置由定位圆环、支撑套筒、固定板、螺栓等组成，如图6所示。定位
圆环是将特定直径的环形不锈钢垫片冲压成型，使其具有一定凹角后焊接于柱状不
锈钢支撑套筒上，然后通过螺栓固定于固定板上，调试安装于刀具刃口的正下方。
冲压凹角有利于坚果的对中，整体主要起定位坚果及在刀具冲击力下支撑的作用，
并保障坚果顺利破壳。
1.定位圆环 2.支撑套筒图6 定位装置
2.4 刀具
刀具部分主要包括月牙刀头和刀柄，其示意图如图7所示。刀头采用40Cr调制处
理，后经局部淬火工艺制成，刀柄采用的是Q235A。刀柄为圆柱状，月牙刀头嵌
入刀柄一端并在外接触面点焊固定。刀具部分通过楔形块紧固于图2中的刀具定
位孔。
采取月牙刀具进行剪切，既可以利用月牙形从果实上方固定果实，也可以在瞬时冲
击作用力下快速切开果实，尤其对于经干燥的果实，可以有效地达到破壳的目的。
1.月牙刀头 2.刀柄图7 刀具
3 试验研究
3.1 试验方法
选取不同等级的坚果果实，每级随机选取100粒，测定了其含水率，含水率定义
为
其中，m0为测定前果实质量(g)；m1为经过24h烘干后测定的果实质量(g)；
经测定其含水率为3%，然后对其进行剪切破壳破坏试验。
3.2 试验结果与分析
利用上述样机，通过对所取样本进行剪切试验，统计结果如表1所示[13-14]。
表1 检测结果 %
等级12345整仁6460524030大半仁1312141715半仁810121517大碎仁
810111521小碎仁78111317
对各果仁等级下果仁统计数进行对数变换后利用统计软件SAS8.1进行分析，分析
结果如表2所示。
表2 方差分析表方差来源平方和自由度均方FPr>F果仁等级
1.5130.5048.94<0.0001果实等级0.1040.022.270.1217误差0.12120.01总和
1.7319R-Square=0.9286
由表2可以得出，果实等级对破壳效果的差异显著，显著性检验概率为0.121 7，
对其进行多重比较得出，果实等级越高，整仁、大半仁及半仁越多。该试验机性能
相对稳定，剪切破壳效果同比手工加工整仁率较高。
4 结论
1)提出一种新型澳洲坚果破壳机工作原理，利用剪切可以代替挤压、搓擦达到对坚
果破壳的目的。
2)对其转动机构、果实定位机构、杠杆式拨指机构、刀具和整机进行了设计分析。
3)以剪切力代替手工的挤压力，可大幅度提高加工效率，降低劳动强度；操作简单
灵活，可以通过对刀具安装位的调节对不同大小的坚果进行破壳；破壳后果仁能够
达到生产要求。
4)对其剪切破壳性能进行了试验研究。研究结果表明，对不同等级的澳洲坚果，通
过合理调节限位螺栓，破壳率可以达到85%，有效出仁率可以达到80%；
5)还需进一步研究在不同含水率、干燥时间的情况下破壳效果的比较分析，为进一
步完善该机型奠定及理论基础。
【相关文献】
[1] 杨磊,陈成海,陈静,等.国内外澳洲坚果加工工艺与设备的现状及对策[J].热带农业工程,
2001(1):5-8.
[2] Braga G. C., Couto S. M. Neto, J.T.P.A.. Mechanical behavior of macadamia nut under
compression loading[J].Journal of agricultural engineering research,1999,72：239-245.
[3] Liu R., Wang C.H., Bathgate R.G.. Fracture analysis of cracked macadamia nut shells
under contact load between two rigid plates[J].Journal of agricultural engineering
research,1999,74:243-250.
[4] 宁平,杨月红,彭金辉,等．澳洲坚果壳活性炭制备的热解特性研究[J]．林产化学与工
业,2006(4):19.
[5] 刘晓芳，王如阳，叶艳青．澳洲坚果壳制备活性炭的工艺研究[J].安徽农业科学,2008(26):11.
[6] 黄家瀚，陈静，周刚,等．澳洲坚果锯壳机的研制与试验[J].热带作物机械化,1998(2):7-9.
[7] 陈显国，叶雪英，石兰蓉,等．板式澳洲坚果脱壳机:中国：2.3[P].2008-12-03．
[8] 陈显国，林玉虹，叶雪英,等．链式澳洲坚果脱壳机:中国,2.0[P].2008-12-03．
[9] 黄克昌．澳洲坚果果仁不同含水量破壳效果初步试验[J]．热带农业科技，2003，26(2)：42-43.
[10] 杜丽清，曾辉，邹明宏,等.澳洲坚果种质资源果实性状的评价指标[J].热带作物学报，2006，
27(4)：14-18.
[11] 加德纳(Gardner,J.F.).机构动态仿真：使用MATLAB和Simulink[M]．周进雄，张陵,译.西安：
西安交通大学出版社，2002.
[12] 哈尔滨工业大学理论力学教研组.理论力学(下)[M]．北京：高等教育出版社,1998:37-41.
[13] 陆超忠，杜丽清．澳洲坚果种质资源描述规范和数据标准[M]．北京：中国农业出版社,2008.