基于 DEM 的滚筒式板栗去刺机工作参数优化与实验验证

《Food and Bioproducts Processing》：DEM-Based Optimization and Experimental Validation of Operating Parameters for a Drum-Type Chestnut Burr-Removing Machine

　　

摘要

现有关于板栗去刺（栗苞）机的研究主要集中在结构设计、样机开发与宏观性能测试方面。然而，针对去刺过程中刺壳破裂、栗果释放及材料间相互作用的离散元（DEM）模拟仍十分有限。这一局限使得难以阐明去刺过程中观尺度的去刺机理，进而限制了提高去刺率和降低栗果破损率的努力。本研究针对一种滚筒式板栗去刺机开展研究，利用离散元方法模拟其去刺过程并优化其操作参数。实验材料为中国云南省永仁县采集的带刺壳板栗。测量了其几何尺寸、本征物理参数和接触参数。随后建立了带刺壳板栗的粘结颗粒离散元模型，以表征刺壳破裂和栗果释放。基于机器结构，进行离散元模拟以复现去刺室内在冲击、摩擦、压缩和碰撞联合作用下的刺壳破裂与栗果释放过程。选取滚筒转速、去刺间隙和喂料速率作为实验因素，以去刺率和栗果破损率作为性能指标。开展单因素离散元模拟，并采用Box-Behnken响应面设计建立描述操作参数与性能指标关系的二次回归模型。结果表明，去刺间隙和滚筒转速是影响去刺率的主要因素，而滚筒转速和喂料速率是影响栗果破损率的主要因素。多目标优化得到一组局部最优参数组合：滚筒转速220 r·min?1，去刺间隙50 mm，喂料速率300 kg·h?1。在此条件下，预测的去刺率和栗果破损率分别为94.83%和3.97%。样机台架试验测得的平均去刺率和栗果破损率分别为93.33%和4.44%，与预测值吻合良好。研究结果表明，基于粘结颗粒离散元模型的离散元模拟为分析板栗去刺机理和优化去刺机操作参数提供了一种有效方法。

可转发的摘要

基于离散元的优化使滚筒式板栗去刺机在样机台架试验中实现了93.33%的去刺率和4.44%的栗果破损率。

引言

板栗是一种兼具高营养与经济价值的坚果作物，在中国广泛种植，拥有庞大的消费市场。板栗可生食、烘烤、蒸煮或水煮，也适合进一步加工，并具有潜在药用价值（Qiu和Zhong, 2025；Gao等, 2006；Liu等, 2018；Massantini等, 2021；Li等, 2022）。带刺壳新鲜板栗采后贮藏与加工条件直接影响栗果的货架期、质地、营养品质和感官特性（Massantini等, 2021；Pino-Hernández等, 2022；Xu等, 2024）。去刺是板栗采后加工的第一步，其效率与效果直接决定栗果破损程度和劣变风险。因此，高效去刺是板栗加工中的关键工序之一。不同板栗品种在物理尺寸、理化组成、贮藏特性和力学性能方面存在显著差异（Wang等, 2025a；Hao等, 2024；Ma等, 2008；Zhu等, 2017；Y?ld?z和Ye?ilo?lu Cevher, 2022），这对去刺机的结构设计与参数优化提出了品种特异性的要求。因此，获取目标品种的基础数据是优化去刺机操作参数的前提，也可支持后续分级、输送和深加工设备的设计。关于板栗去刺机设计与测试的现有研究主要围绕四种机械作用：摩擦、压缩、撕裂和振动（Zhang, 2015；Cao等, 2015；Bi等, 2017；Fan等, 2017）。这些研究证明了机械去刺的可行性，并为优化机器结构和提升样机性能提供了依据。然而，大多数现有研究主要以宏观性能指标作为主要评价标准，对去刺过程中材料—材料以及材料—部件之间的相互作用研究有限，也未充分考虑散料行为与微力学参数的影响。因此，参数优化往往依赖经验调整，机器对不同板栗品种的适应性仍然有限。离散元方法（DEM）已被广泛用于研究农业材料的壳破与分离问题。代表性应用包括稻谷剥壳、油茶鲜果柔性破壳、麻风树果实脱壳、榛子破碎以及复杂载荷条件下的核桃壳断裂（Li等, 2023a；Yan等, 2025；Romuli等, 2017；Wang等, 2026；Zhang等, 2026；Han等, 2023）。相关标定研究采用单颗粒压缩试验，依据破裂力、刚度、位移和断裂行为对离散元模型进行标定（Su等, 2021；Chiaravalle等, 2023）。在农业机械设计中，离散元方法被用于优化离心式玉米破碎试验装置并模拟锤式粉碎机中玉米的连续粉碎过程（Su等, 2022；Chiaravalle等, 2025）。该方法还被应用于蓖麻种子脱壳、皂荚荚果壳—籽分离、玉米穗脱粒、籽玉米剥壳以及中国荸荠的离散元参数标定（Hou等, 2020；Li等, 2023b；Cui等, 2023；Liu等, 2022；Zhang等, 2022）。经过合理标定的断裂模型能够建立微观失效行为、宏观过程响应与机器性能之间的关联。现有综述总结了离散元方法在农业机械中的应用以及材料参数标定方法（Zhao等, 2021；Fang等, 2022；Maraveas等, 2025）。Coetzee（2017）系统讨论了三种离散元参数确定途径，而Ligier等（2024）研究了低弹性模量植物颗粒的参数优化方法。这些研究为生物颗粒的离散元建模提供了方法论支持。然而，大多数现有模型仅聚焦于特定载荷条件下单个颗粒的力学行为或特定脱壳过程，难以直接应用于带刺壳板栗去刺过程的力学分析。为弥补带刺壳板栗离散元模型与板栗去刺机运行过程之间有限整合的不足，并在使用中提高去刺性能同时控制栗果破损，本研究以中国云南省永仁县采集的带刺壳板栗为实验材料。测量了其几何参数、本征材料属性和接触参数。利用Bonding-V2接触模型建立了带刺壳板栗的粘结颗粒离散元模型，以表征外部载荷作用下的刺壳断裂与栗果释放。在此基础上，建立了滚筒式板栗去刺机运行过程的机台级离散元模型。研究了滚筒转速、去刺间隙和喂料速率对去刺率和栗果破损率的影响。最后，采用Box-Behnken响应面优化确定了一组局部最优的操作参数组合，使其在保持低栗果破损率的同时实现高去刺率，并随后开展样机台架试验进行验证。研究结果可为板栗去刺过程的离散元建模、去刺机操作参数优化，以及类似外壳包裹型农业材料的破碎与分离设备设计提供参考。

实验材料与尺寸测量

实验材料取自中国云南省楚雄彝族自治州永仁县种植的带刺壳板栗（图1）。其包裹的板栗个体相对较大，果皮较薄，栗果爽脆甘甜。每个带刺壳板栗由一个刺壳包裹数枚板栗组成。每枚板栗由外种皮、内种皮和栗果组成。刺壳在早期生长阶段为绿色，成熟时转为黄褐色。

Bonding-V2接触模型

板栗刺壳通常包裹三枚栗果。成熟时，刺壳沿缝合线开裂并逐渐释放内部包裹的栗果。为表征外部载荷下的刺壳断裂，对20个随机选取的带刺壳板栗进行了重复摩擦试验。观察到若干特征性断裂状态，包括约四分之一、二分之一和四分之三刺壳开裂的情况。采用Bonding-V2模型或……的粘结颗粒离散元模型。

滚筒式板栗去刺机的结构与工作原理

板栗去刺机由进料斗、机架、去刺室、振动筛、内外排料斗、风机和分料斗组成。启动前，通过沿焊接于滚筒上并呈径向布置的固定内管滑动可移动外套管来调节去刺间隙。套管随后用螺纹螺栓固定在所需位置，如图9所示。运行过程中，带刺壳板栗被……

结论

本研究基于粘结颗粒离散元模型建立了带刺壳板栗去刺过程的离散元模拟框架，采用Bonding-V2模型表征粘结与键断裂。该框架复现了刺壳断裂与栗果释放的全过程，以及板栗刺壳的特征性断裂形态。它还揭示了颗粒—颗粒相互作用及其背后的介观力学机理……

CRediT作者贡献声明

**张小雨：** 验证、软件、调查。**李传萌：** 软件、调查。**杨杰：** 撰写—审阅与编辑、监督、资源、项目管理、方法论、资金获取、形式分析、概念构思。**江浩：** 撰写—初稿、方法论、调查、数据整理、概念构思。**魏晓东：** 可视化、软件、调查。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到"三区"人才支持计划2025年专项（项目编号990025166）、云南省教育厅科学研究基金（项目编号0111723084和111724057）以及农林智能装备研发项目（项目编号NLZB2025-XS-08）的资助。作者同样感谢在研究期间给予支持与合作的同事、同门以及实验室技术人员。江浩 | 杨杰 | 李传萌 | 张小雨 | 魏晓东昆明 650224，中国，西南林业大学机械与交通运输学院