0引言

核桃属被子植物门双子叶植物纲胡核科,是我国栽培历史悠久、分布广泛的重要干果和经济树种。核桃以其丰富的营养和独特的风味被列为世界四大干果之首,核桃仁是营养价值极高的天然绿色益智抗衰老食品,还具有健脾、补血、润肺和益肾等多种功能;核桃是我国传统的出口商品。

目前,新疆核桃总面积已达29.76万hm2,总产值72.08亿元[1],是新疆面积第二的林果品种。核桃采摘收集后进行分级处理,是商品化的一种形式。果品经过商品化处理,将会提高产品附加值,保障农民增产增收[2]。为此,介绍了国内核桃加工技术装备的研究现状,主要从核桃分级装置\\(按工作原理可分为辊轴式、筛网式、栅条滚筒式、智能式\\),论述核桃分选机设备的研究现状,并对其存在问题进行合理的分析。

1辊轴式分选装置

1.16FG-900型核桃分级机

新疆农业大学的6FG-900型核桃分级机[3]是一种新型分级机械。工作时,采用链条带动分级辊运动,辊轴在运动中产生自转运动,调整核桃姿态,同时辊间间距逐渐增大,实现对核桃的连续无级分级。该机也适用于体积不大的类球体的各种鲜果的分级作业。

工作原理:将需要加工分级的核桃加入喂料斗,通过喂料斗进入由链条传动的分级辊,每两个相邻的分级辊之间有4个链节、5个联接点,在第3个联接点上安装短销轴并使其沿导轨上端运行,同时第1和第5个联接点上用长销轴将辊轴定位,使其在导轨下端运行,如图1所示。在分级的过程中,沿着前进方向的两辊之间的间隙也逐渐增大,在重力的作用下,会自动的掉落到分级辊下的接料箱里。此过程中核桃相互之间也不会碰撞,分级的准确性较高,且不会造成核桃的损伤。

1.2核桃分级机

新疆农业大学的核桃分级机[4]目的是这样实现的:主体是由上层、中层、下层长方体框架式机架组成\\(见图2\\);下层机架安装的振动电机和纵向放置的皮带轮\\(见图3\\)、与皮带轮轴相连的偏心轮和偏心轮上的连杆及料箱位于上层机架的正下方,有3组等间距排列的轮辊位于中层机架,与后辊同轴的传动电机以及环绕在每列辊上的输送带呈V形斜向相对排布,均为上、下辊架与中层相连。自前至后,V形斜向排布输送带的间距由小增大,每两条呈八字形相背排布的输送带之间的上方,通过与中层机架相连的支架连有盖板;每个前辊处,装有输送带张紧装置。输送带后端处连装有柔性出料口。在料箱后部腔内,装设有竖向限量挡板,在料箱出口间隔装设有倒V形分料挡板。

2筛网式分选装置

2.13FJ-001型核桃分级机

3FJ-001型分级机其工作原理,调节机架出料口的螺旋升降装置,将分级筛网调节至适当角度,启动电机待转速稳定后进行投料;核桃从喂料斗进入振动箱体,电机经带传动减速后将动力传递给曲轴,以曲柄摇杆机构[5]作为振动源,使物料在筛网上抛起,不断地跳跃全面铺开同时向前做直线运动。当核桃的最小直径小于筛网间距时,在重力作用下核桃掉入下一级筛网,最终各级核桃运动至相应的出料口落料。

3FJ-001型分级机[6]的结构简图,如图4所示。

机架出料口方向上装有升降杆,可调节分级筛网的筛面倾角;电机作为动力源驱动曲柄摇杆机构,实现物料在筛网上被抛起并向前做直线运动;通过专用变频器调节电机频率,确定振动箱体的最佳转速;筛网架底部装数只橡胶球,使之在振动时产生撞击,达到清网的作用,解决了物料塞眼现象。

3FJ-001型分级机通过筛网的大小来对核桃进行分选,固定的大小的通道制约了分选核桃的精度,这也是机械式分选机的主要弊端之一。

2.2山核桃分级设备

山核桃被传输设备传输至壳体内空间\\(见图5\\)的顶层,并落到第1层筛网\\(最顶层筛网\\)上\\(第1层筛网斜置于壳体内\\);同时,在振动装置以及振动棒的共同作用下,第1层筛网上的山核桃部分从网眼漏至第2层筛网\\(第1层筛网下的一层筛网\\)上,部分山核桃通过第1层筛网筛选并通过连通第1筛网的第1出料口被收集,最终将山核桃按照大小分为若干部分,完成分级。

此种分选机同样利用筛网的距离来对核桃大小进行分选,依旧不能对同一个核桃不同方向、径向长度不同进行明确的分级。

3栅条滚筒式

该种核桃分级机\\(见图6\\),包括机架、传动机构及分级机构。分级机构的主体是分选筛筒,其内壁分成若干筛选段,每个筛选段开有大小不同的筛选孔,且在其筒壁的内侧还覆有螺旋状的橡胶螺旋管,在相都筛选段的分段处设有环形阻挡板,各筛选段的下边分别设有相匹配的分级收集槽。

4核桃智能分选装置

4.1基于数字超声成像技术的核桃分选机

该分选机采用数字超声成像原理对核桃果品透视图像处理,通过计算机图像识别和处理系统对核桃进行在线无损检测,使该设备具有工作效率高、结构简单、性能可靠,大大提高分级效率和确保了分级产品品质。相比于不同的机械式分选机,具有无损、准确等特点。

基于数字超声成像技术的核桃分选机,如图7\\(a\\)、\\(b\\)所示。包括内装有超声波探头的检测箱体、分拣控制器及核桃输送辊组。核桃输送辊组从检测箱体内穿过,包括在水平机架上均布间隔安装着若干对凹形辊,凹形辊的辊轴端部分别装有链轮,凹形辊由与链轮相啮合的循环链条驱动旋转;每两只凹形辊之间的辊面上放置有1只核桃,每两只凹形辊之间的机架上水平铰接着1根分级拨片,分级拨片一端的下方设置着电磁铁,分级拨片铰接轴与电磁铁之间的拨片下方水平设置着限位销,与分级拨片位置相对应的核桃输送辊组一侧面设置着分级箱,超声波探头以及电磁铁分别与分拣控制器相连。

4.2基于相对密度的核桃自动分选机

基于相对密度的核桃自动分选机,如图8所示。

图像采集箱内安装着CCD摄像头,一条核桃输送辊组从图像采集箱内穿过,CCD摄像头,用以实时采集每一只核桃的外形图像,进而通过分选主控制器计算出其投影大小。核桃输送辊组由若干对凹形辊以及驱动凹形辊旋转的滚子链组成,每只凹形辊的轴端都装有1只链轮,滚子链通过链轮驱动凹形辊旋转;每两只凹形辊输送1只核桃,在核桃输送辊组的进料端设置着称重输送带,称重输送带侧面装有红外光电开关,称重输送带带面下安装着电子称重器,用以采集每一只核桃的质量。位于图像采集箱出口外侧的每两只凹形辊之间的底座上铰接着一根分级拨片,分级拨片处的核桃输送辊组侧面安装着分级箱。如图2所示,分级拨片的铰接轴与分级箱之间的拨片下方底座上安装着电磁铁,电磁铁与铰接轴之间的下方水平设置着限位销。当电磁铁通电时,吸引分级拨片绕着饺接轴旋转,将核桃拨至分机箱内。电磁铁、CCD摄像头及电子称重器均与分选主控制器相连,分选主控制器连接着上位机算计。分选主控制器还通过系统同步定时信号发生器与红外光电开关相连。每当一个核桃落入称重输送带时,红外光电开关就产生一个脉冲,此脉冲信号在系统同步定时信号发生器内经脉冲整形和光电隔离,然后通过485总线发送到系统其他模块作为整个系统的同步定时信号。利用计算机视觉图像处理技术获取核桃的投影面积,利用电子称量器获取核桃的质量,计算出面积与质量的相对比重,并与计算机数据库中的数据进行比对,判别核桃的饱满度品质,并以此进行分级。当确定级别后的核桃运行到相应位置时,对应分级箱处的电磁铁在分选主控制器的指令下通电产生电磁,吸引分级拨片绕铰接轴转动,拨动核桃落入相应的分级箱。

相比于传统机械式分选机构,相对比重的分级设备更容易将分级标准完成,将变量变为可变量,从而做到核桃的可控分级。

4.3基于CT成像的核桃品自动分选机

基于CT成像的核桃品质自动分选机,包括装有CT机的检测箱体、分拣控制器及核桃输送辊组。核桃输送辊组从检测箱体内穿过,包括在水平机架上均布间隔安装着若干对凹形辊,凹形辊的辊轴端部分别装有链轮;凹形辊由与链轮相啮合的循环链条驱动旋转,每两只凹形辊之间的辊面上放置有1只核桃,每两只凹形辊之间的机架上水平铰接着1根分级拨片,分级拨片一端的下方设置着电磁铁,分级拨片铰接轴与电磁铁之间的拨片下方水平设置着限位销,与分级拨片位置相对应的核桃输送辊组一侧面设置着分级箱,CT机以及电磁铁分别与分拣控制器相连。X-CT成像是用X线束对被检物体一定厚度的层面进行扫描,由探测器接收透过该层面的X线,转变为可见光后,由光电转换器转变为电信号,再经模拟/数字转换器\\(analog/digitalconverter\\)转为数字信号,输入计算机处理。图像形成的处理将选定层面分成若干个体积相同的长方体,称之为体素\\(voxel\\)。扫描所得信息经计算而获得每个体素的X线衰减系数或吸收系数,再排列成矩阵,即数字矩阵\\(digitalmatrix\\)。数字矩阵可存储于磁盘或光盘中,经数字/模拟转换器\\(digital/analogyconverter\\)把数字矩阵中的每个数字转为由黑到白不等灰度的小方块,即像素\\(pixel\\),并按矩阵排列,即构成CT图像。本实用新型根据CT图像与标准品质图像比对从而快速识别核桃质量与品质,对核桃进行在线无损检测。当分拣控制器通过CT机获知核桃内部品质后,即可控制电磁铁吸附分级拨片翻转,将核桃翻转至分级箱内。该机具有穿透力强、工作效率高、结构简单及性能可靠的特点,大大提高了核桃的分级效率,并确保了核桃分级产品的品质。

5存在的问题

综合以上介绍的多种核桃分级设备的现状,对于机械式的核桃分级技术而言,单一定量的分级方法始终不能达到很高的分级精度,需要进一步解决其分级间歇不可调的瓶颈问题;就基于智能分级技术而言,需要更加快速、精确的检测系统,以及更为综合性的分级因素,还有待于在其通用性和推广方面进一步的研究和探讨。

6措施和对策

尽管机械式核桃分级技术存在着发展瓶颈的明显缺陷,但由于农户的种植规模较小,且我国基于智能技术的核桃分级技术大都处于实验室及探索阶段,并且价格昂贵,机械式核桃分级在相当长的时间内还有广大市场。随着科学技术的不断发展,核桃分级技术的日益创新,基于机器视觉的核桃分级机在特定使用对象方面取代现有的机械式核桃分级机是必然趋势。

参考文献:
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