无盲区梅花果冲击破碎头的设计：碰撞力分布模型建立与临界旋转速度的确定

《Food and Bioproducts Processing》：Design of a Blind-Zone-Free Impact Crushing Head for Camellia oleifera Fruit: Collision Force Distribution Modeling and Critical Rotational Speed Determination

　　摘要：油茶果实破碎是提取茶油的关键步骤，破碎质量直接影响油产量和籽仁的完整性。为了解决由于破碎元件在撞击过程中碰撞能量分布不均导致的局部破碎失败问题，本研究基于油茶果实的生物力学特性，对倾斜钢棒的扫过体积、旋转碰撞动力学以及动态破碎阈值进行了建模。在可行范围内使用投影梯度搜索法生成了扫过体积相对较大的候选安装坐标，并通过考虑工程可行性确定了原型安装比例。法向接近速度是通过将相对速度投影到接触法线上来定义的；平均碰撞力是使用完整的赫兹接触时间方程计算的；Cowper–Symonds应变率模型被引入来计算动态破碎阈值力，从而建立了沿棒长的完整碰撞裕度标准。破碎头是根据选定的安装比例设计的，其工作参数是通过两因素全因子粗略和精细实验确定的。理论分析表明，在安装坐标比X:Y:Z约为1:1.5:2.0时，完整碰撞裕度的控制位置M(ξ)=Favg(ξ)?Fth(ξ)大约为ξ=0.299。在理想化的单果-单棒接触条件下，理论临界旋转速度为978 r/min，表示整个棒长满足破碎标准的最低速度。实验结果显示，在精细实验中选择的第三级进料条件在籽仁完整性和破碎效率之间提供了最佳平衡。测得的平均加载旋转速度为1656.8 r/min，平均破碎时间为10.33 s，平均籽仁完整率为92.40%。在连续加工测试中，整体脱壳率超过了98%，整粒籽率约为93%，籽仁中带壳率和壳中带籽率分别为5.1%和5.3%。结果表明，理论临界速度可以用来定义理想条件下的最低破碎限制。在测得的加载条件下，整个棒长上的碰撞裕度始终保持为正值，连续加工结果验证了该模型在识别破碎盲区方面的有效性。本研究为油茶果实的撞击破碎头的结构设计、盲区识别和工作条件选择提供了分析方法和实验证据，所提出的分析方法可以扩展到其他核果材料。

引言：油茶（Camellia oleifera Abel.）是一种独特的木本油料树种。其不饱和脂肪酸含量超过90%，茶油被称为“东方橄榄油”。近年来，茶产业规模不断扩大。到2025年，全国种植面积达到750万亩，年茶油产量超过100万吨，成为仅次于粮食和蔬菜的第三大农产品，在确保国家粮食和石油安全及促进农村振兴方面发挥了重要作用（Tan等人，2023年；Dai等人，2024年；Su等人，2025年；Huang等人，2026年；Chen等人，2025年）。然而，油茶果实的机械化加工仍然面临严重的技术瓶颈。其中，破碎（去皮）环节是限制加工效率和产品质量的关键因素（Chen等人，2025年）。果实具有坚硬的外壳和复杂的内部结构（由外壳、隔膜和种子组成）。现有设备主要采用冲击式破碎头，通过高速旋转的钢棒撞击自由落下的果实来实现去皮（Cheng和Jiang，2024年；Wang等人，2024年）。在实际生产中，常见以下突出问题：（1）破碎盲区——在钢棒长度的某些区域，撞击能量不足，导致果实破碎效果不佳，需要多次处理循环，效率低下；（2）籽仁损伤率高——盲目提高旋转速度以补偿盲区会导致籽仁过度破碎，籽仁完整率显著下降（Jiang和Cheng，2025年；Liao等人，2025年）；（3）设计参数缺乏理论依据——关键参数如棒安装配置、安装坐标和工作速度主要依赖于经验类比，缺乏系统的机械模型指导（Liao等人，2025年）。关于坚果作物的去皮，国内外学者进行了大量研究。对于石榴籽去皮，Zhang（2019年）设计了一种结构简单的自动去皮机，去皮率超过98%，整粒籽率超过97.5%，但单批处理能力有限。对于稻谷去皮，Salim等人（2021年）研究了橡胶辊碾米机，发现去皮效率强烈依赖于辊速，在1354 r/min时效率最高达到46.7%。对于核桃去皮，Bernik等人（2020年）评估了一种改进的离心去皮机，报告称‘Franquette’品种的整粒籽率达到78.05%，且籽率与壳厚显著相关。对于难以去壳的假谷物Fagopyrum tataricum，Wang等人（2025年）回顾了种子形态和物理特性的主要决定因素，并提出了一种结合新型去皮技术和分子育种的二维方法来解决这一瓶颈。对于玉米去皮，Tiwari等人（2014年）提出了一种符合人体工程学的脚踏旋转去皮机，证明人力模式可以减少劳动强度，但与机动系统相比吞吐量有限。在中国，油茶果实去皮研究也取得了显著进展。Zhan等人（2025年）测量了果实的几何参数和机械特性，进行了有限元分析，发现破碎力受加载方向、直径和加载率的影响显著。Tang等人（2022年）通过准静态压缩试验分析了加载率、含水量等因素对破碎力的影响。Sheng等人（2022年）研究了不同含水量下油茶籽壳的穿刺力，为理解壳的机械行为提供了基础。Jiang等人（2025年）测量了果实的密度、弹性模量、泊松比和接触参数，为离散元模拟提供了依据。Cheng和Jiang（2024年）设计了一种可调节筛辊间隙的螺旋挤压去皮机，并通过EDEM模拟优化了工作参数。Wang等人（2024年）对新鲜油茶果实进行了螺旋挤压去皮机的性能测试，有效提高了去皮率并降低了籽粒破碎率。Liao等人（2025年）开发了一种结合低温空气预处理和柔性去皮机的新型机械去皮方法，去皮率达到98.7%，籽粒破碎率低至0.02%。此外，Cui等人（2026年）设计了一种集破碎和清洁油茶果实的集成机器，去皮率达到97.52%，籽粒破碎率低于2.42%。尽管上述研究取得了丰富的成果，但仍存在以下共同缺点：（1）大多数现有研究集中在挤压或螺旋挤压去皮方法上，而对冲击式破碎头的碰撞力学研究相对薄弱，特别是对破碎棒长度上碰撞力分布的定量描述；（2）大多数研究使用准静态压缩试验得到的破碎力作为设计依据（Zhan等人，2025年；Tang等人，2015年；Sheng等人，2022年）；然而，作为一种生物复合材料，油茶籽壳在动态冲击下的机械特性表现出显著的应变率依赖性（Viot，2023年），忽略这一效应会导致理论与实践之间存在较大偏差；（3）缺乏对破碎盲区形成机制的系统理论分析或实验验证——即棒长上哪些位置由于碰撞能量不足而无法引发壳破裂。此外，尽管离散元方法（DEM）的可破坏结合模型已成功应用于花生荚（Xu等人，2026年），深度学习方法已被用于水稻的实时去皮率评估（Zhang等人，2025年），但这些方法尚未应用于油茶果实破碎。为了解决这些问题，本研究以贵州省黔东南地区的‘Baishi No. 4’为主要栽培品种，重点研究了撞击破碎头的结构参数选择及其临界旋转速度的确定。工作内容包括：（1）比较平行和倾斜棒安装配置并建立扫过体积模型；（2）在可行范围内使用投影梯度搜索法生成候选安装坐标，并考虑盘边界、结构干涉和可制造性来确定工程设计比例；（3）建立连接棒旋转与果实自由落体的动力学模型，从相对速度的法线投影计算法向接近速度，并推导出沿棒的平均碰撞力分布；（4）引入Cowper–Symonds应变率本构模型来确定动态破碎阈值和完整碰撞裕度标准，并在理想条件下确定理论临界旋转速度；（5）构建破碎头测试平台，测量实际加载速度，并使用破碎时间、籽仁完整率和破碎完整性指数评估工作条件。理论阈值用于确定理想条件下的最低破碎限制，而实验用于选择实际操作的控制参数。

章节摘录：
破碎头结构和安装配置：破碎头采用模块化设计。核心组件包括两个平行盘和几根破碎钢棒，如图1所示。每根钢棒的两端都焊接在两个盘的内侧，形成一个整体框架。每个盘都有一个中心轴孔，组件通过键连接固定在驱动轴上，确保盘与驱动轴同步旋转。当驱动轴高速旋转盘和钢棒时，组件...

油茶果实的材料特性和基本机械参数：测试材料是中国贵州省黔东南地区的‘Baishi No. 4’主栽培品种。选择无病虫害、外壳完整且大小均匀的果实作为测试样本。使用龙门式通用测试机（ Guangdong Beidou Precision Instrument Co., Ltd.，最大测试力10 kN，精度等级0.5）以10 mm/min的压缩速度对20个果实进行准静态压缩测试，并记录力-位移曲线。

基于2.3.2节中的碰撞力分布模型和2.3.3节中的动态破碎阈值标准，使用安装坐标X=0.1597 m、Y=0.2395 m、Z=0.3194 m；落高h=0.8 m；果实质量mf=0.0145 kg；恢复系数e=0.560（第3.2节）；以及代表性测试速度n=1650 r/min（ω≈172.79 rad/s）来计算不同ξ下的法向接近速度、平均碰撞力、动态阈值力和完整碰撞裕度。