《Food and Bioproducts Processing》：DEM-assisted design and experimental evaluation of a front-end dispersion feeder for walnut-kernel grading in food processing lines
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摘要稳定的前端进料是基于机器视觉的核桃仁分级生产线中的关键单元操作，因为仁粒堆积、重叠和堵塞会降低图像采集的可靠性，并在食品加工过程中造成机械损伤。本研究开发了一种核桃仁分散进料器，由倾斜导料室和往复多层分散柱组组成。利用三维扫描和多球聚类方法构建了 1/2 仁、1/4 仁及
摘要
稳定的前端进料是基于机器视觉的核桃仁分级生产线中的关键单元操作，因为仁粒堆积、重叠和堵塞会降低图像采集的可靠性，并在食品加工过程中造成机械损伤。本研究开发了一种核桃仁分散进料器，由倾斜导料室和往复多层分散柱组组成。利用三维扫描和多球聚类方法构建了 1/2 仁、1/4 仁及碎仁的代表性 DEM 模型。DEM 分析表明，仁粒分散是由于重力驱动输送、往复柱扰动、仁粒间接触和几何约束下的重复碰撞诱导减速、层间再加速、姿态偏转以及横向迁移所致。使用单因素模拟和响应面法优化了导料室倾角、柱层数和柱间水平间距。优化后的参数分别为 44.1°、八层柱和 40.5 mm。验证模拟显示分散率的相对误差为 3.27%，进料时间为 1.31%。台架试验确定 0.3 m/s 的传送带速度和 2.0 Hz 的柱往复频率为合适的操作参数。在匹配的结构和操作条件下，DEM 和实验进料时间相差 1.00%，而 DEM 分散率比实验值低 7.09%。在此条件下，进料器达到了 89.33% 的分散率、3.67% 的堵塞率、19.93 s 的进料时间以及大约 5 仁/秒的产能。新生成损伤率为 2.44% ± 0.88%，成功视觉识别率达到 92.78% ± 1.39%。这些结果表明，DEM 辅助设计工作流结合实验评估，可以支持不规则和易碎食品颗粒的稳定高效前端进料系统的开发，同时保持产品质量。
引言
核桃仁是主要的加工核桃产品之一，其商业价值与外观质量和等级一致性密切相关（Liu 等，2021，Chen 等，2023）。因此，准确高效的分级是提高核桃加工附加值的重要步骤。近年来，基于机器视觉的检验和分选已成为食品和农产品（包括核桃仁）自动质量评估和分选的有效方法（Zhu 等，2021，An 等，2022，Shen 等，2024；Zhang 等，2025a；Kilif 等，2025）。然而，图像采集和后续分类的可靠性在很大程度上取决于稳定的前端进料（Chen 等，2023，Ni 等，2024，Nakaguchi 等，2024）。在进入成像区域之前，仁粒应充分分离并排列成单层；否则，堆积、重叠、粘连和不均匀流动可能导致误识别或漏检。
与近球形或规则形状的颗粒材料不同，核桃仁是不规则的、板状的和易碎的生物材料，在尺寸、轮廓、厚度和运动姿态上有很大变化（Liu 等，2021；Li 等，2024a）。它们在处理和加工过程中也易受机械损伤（Li 等，2024a；Liu 等，2025）。在连续进料过程中，导料室内可能发生局部堆积、重叠滑动、不均匀通道分布和堵塞，从而降低进料稳定性和图像采集质量。因此，核桃仁前端进料的关键目标不仅仅是提高输送速度，而是在限制机械冲击和堵塞风险的同时实现渐进式单粒化、横向分散和连续排出。为此，进料结构应能够扰动局部堆积、调节仁粒轨迹并在向下运输过程中提供充足的分散空间。
已开发出各种进料和定向装置用于农产品，以满足机器视觉检测和分选的要求。例如，振动挡板已用于减轻核桃仁输送过程中的材料堆积，振动进料结合 V 型槽已应用于红枣定向排列，隔舱式带式输送机已用于甜椒单行进料，可调振动进料已用于茶叶分散（Sun 等，2022，Nakaguchi 等，2024，Ni 等，2024；Zhang 等，2025b）。这些研究为有序进料和材料分散提供了有用的参考。然而，它们的目标材料、几何特征和分散机制与核桃仁不同。对于不规则、易碎且姿态多变的仁粒，仅依靠振动激励或皮带拉伸可能导致流量波动、局部堵塞和额外的机械损伤（Li 等，2024a；Zhang 等，2025b；Liu 等，2025）。因此，有必要设计一种专门匹配核桃仁物理和运动特征的分散进料结构。
传统进料器设计通常基于经验原型制作和重复参数调整。这种方法使得难以直接观察进料器内部的仁粒轨迹、碰撞行为和空间分布，同时也限制了对结构参数如何影响分散性能和进料效率的定量分析。离散元方法（DEM）为模拟不规则颗粒与进料结构之间的接触、碰撞、摩擦和滑动行为提供了有效工具（Guo 和 Xia，2023，Ma 等，2022，Berry 等，2023，Cui 等，2024）。它已广泛应用于农业物料输送、种子排种、分选和颗粒分散设备的分析和优化中（Li 等，2022；Li 等，2024b；Ge 等，2024；He 等，2024；Liao 等，2025；Lei 等，2025；Ma 等，2025；Sun 等，2025）。然而，针对不规则板状核桃仁分散进料结构的系统研究仍然有限，特别是那些结合真实三维仁粒建模、运动机制分析、协同结构优化和台架评估的研究（Li 等，2024a；Ni 等，2024；Liu 等，2025；Zhang 等，2025b）。
对于核桃仁加工，前端进料不仅是一个输送操作，也是一个影响图像采集、进料连续性和仁粒完整性的预处理步骤。然而，不规则和易碎核桃仁在重力驱动滑动、往复柱扰动、仁粒间接触和几何约束的耦合效应下的分散机制仍然量化不足。与以往针对其他农业物料的 DEM 辅助进料器设计相比，本工作的新颖性在于将针对材料的倾斜导料室和往复多层柱结构与颗粒尺度机制分析、约束结构优化、随后操作参数的实际调整以及进料性能、仁粒损伤和下游视觉识别适用性的台架评估相结合。为解决这一问题，本研究开发了一种集成倾斜导料室和往复多层分散柱组的核桃仁分散进料器，用于食品加工生产线中的稳定前端进料。建立了代表性 DEM 模型来分析仁粒运动行为，并使用单因素模拟和响应面法优化了导料室倾角、柱层数和柱间水平间距。随后进行了台架进料试验、仁粒损伤评估和视觉识别试验，以评估优化原型的进料性能和应用适用性。
章节摘要
核桃仁表征与设计依据
根据中华人民共和国林业行业标准（LY/T 1922-2010）和核桃仁加工的实际分级要求，样品分为三类：1/2 仁、1/4 仁和碎仁，如图 1(a) 所示。使用分辨率为 0.01 mm 的游标卡尺测量每类仁粒的长度（l）、宽度（d）和厚度（h）。这三个维度的定义如图 1(b) 所示。对于每个
DEM 方法学、结果及结构优化
进料过程中，由于重力驱动输送、柱诱导碰撞、壁面摩擦和随机仁粒间接触，核桃仁表现出复杂且随机的运动。为了揭示分散进料器中的仁粒运动行为并评估导料室倾角、柱层数和柱间水平间距的影响，使用 EDEM 进行了 DEM 模拟（Li 等，2022，Guo 和 Xia，2023，He 等，2024）。为了更清晰地
核桃仁分散进料器的实验评估
本研究采用了一种顺序的结构设计和操作参数调整工作流。首先，在表 3 指定的通用参考操作条件下，通过 DEM 优化了导料室倾角、柱层数和柱间水平间距。然后，所得结构参数用于制造台架原型。因为一旦进料器制造完成，这些结构参数就是固定的，它们被保持在
结论
本研究开发并实验评估了用于食品加工生产线中核桃仁分级的前端分散进料器。该进料器集成了倾斜导料室和往复多层分散柱组。基于 DEM 的轨迹和速度分析表明，仁粒分散受重复温和碰撞、碰撞诱导减速、层间再加速、姿态偏转和横向迁移控制。该机制逐步破坏了
未引用参考文献
(Li 等，2024, Li 等，2024, Zhang 等，2025, Zhang 等，2025)
CRediT 作者贡献声明
Yingjie Yu: 写作 – 审查与编辑、可视化、资源、项目管理、资金获取。 Ai Xiang: 可视化、指导。 Han Yang: 软件。 Jianian Li: 写作 – 原稿、验证、指导、资源、项目管理、调查、资金获取、数据整理。 Hanjian Deng: 写作 – 原稿、软件、方法学、调查、概念化。 Wanghan Zhang: 软件、资源、形式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了云南振兴人才支持计划 [授予编号 KKRD202223052] 和云南省智能农业工程技术及设备国际联合实验室 [授予编号 202403AP140007] 的支持。
Jianian Li|Hanjian Deng|Wanghan Zhang|Ai Xiang|Han Yang|Yingjie Yu
中国云南省昆明市 650500 昆明理工大学现代农业工程学院
