答辩博士：王建楠
指导老师：丁启朔教授
论文题目：打击揉搓式花生脱壳低损机理及关键技术研究
答辩委员会：
主席：
何瑞银教授/博导 皇冠
委员：
吴崇友研究员/博导 农业农村部南京农业机械化研究所
张 敏研究员/博导 农业农村部南京农业机械化研究所
周 俊教授/博导 皇冠
薛金林教授/博导 皇冠
秘书：
施印炎 副教授
答辩时间：2023年9月6日9时30分
答辩地点：皇冠浦口校区育贤楼C302
论文简介：
花生是我国极具国际竞争力的优质优势油料作物，常年种植面积约7,000万亩，居世界第二位，产量约1,700万吨，居世界第一位，在保障国家油料供给安全方面意义重大。脱壳是花生产后加工和制种必不可少的关键环节。由于我国花生脱壳技术研究起步较晚且长期以来重视关键部件研究，忽视机理、农机农艺融合、技术集成的系统研究，致使脱壳机理不明，品种与设备融合较差，新材料应用、新部件创新进展缓慢，脱壳技术低水平重复现象严重，导致现有脱壳技术破损率高、适应性差的问题突出，破损的花生极易受黄曲霉菌侵染，严重影响花生及其制品品质。
本研究针对以上问题，紧扣国家“减损”战略、立足国情和花生生产实际，根据“抓主抓重”原则，选取主要产区主推品种进行试验研究、低损机理研究、关键部件创制及技术集成，全面提升作业质量，促进花生产业健康发展。本文的主要研究结论如下：
（1）探明了与脱壳质量相关的生物学、物理特性、机械力学特性及其变化规律。依照“抓主抓重”原则，从国家花生产业技术体系综合试验站征集属地主要品种29个，对花生果实构造、表型特征、含水率、饱满度、力学特性进行测试，并对荚果和籽仁力学特性及变化规律进行了分析，结果表明：①不同品种荚果、籽仁压缩力学特性差异较大，且同一品种压缩力学特均以Y向压缩破损力最大，X向最小；②荚果饱满度一半集中在40%-55%，少数品种饱满度在65%-70%；③花生各部分含水率均呈现出果壳＞荚果＞籽仁的规律，果壳、荚果、籽仁含水率分布区间分别为：8.52%-11.09%、6.65%-9.33%、5.86%-7.56%；④荚果、籽仁各向力学特性随含水率增加不断上升，果壳含水率超过18%时，压缩破损力显著增加，此时难以脱壳；籽仁抗压缩力亦随含水率上升呈现增加趋势，籽仁含水率提升可有效降低破损，该结果为脱壳作业质量改善提供了思路；荚果、籽仁第一裂纹平均位移均值分别为2.52 mm、1.90 mm；⑤研究获取了典型品种的摩擦系数、碰撞恢复系数、泊松比、弹性模量等；⑥构建了我国花生主要产区主要种植品种数据库，为低损脱壳部件设计研究提供了依据。
（2）研究并首次初步提出了适于低损脱壳的品种特征。构建小型花生脱壳实验台并开展29个品种的脱壳试验，获取脱净率和破损率，采用相关分析、回归分析、聚类分析、判别分析等方法研究了表型特征、力学特征与脱壳作业质量的相关性，构建了作业质量与花生主要特征的回归模型，并建立了适于低损脱壳的品种判别函数。在以上研究的基础上初步提出了适于低损脱壳品种特征：荚果及籽仁球度大、整齐度高、荚果果壳破损力较小、籽仁破损力较大、荚果饱满度适中。该结果的提出为适于机械化低损脱壳的品种筛选、促进农机农艺融合提供了技术支撑。
（3）获取了收获、干燥环节的不同方式对作业质量影响，并提出了改善脱壳质量的最佳收获期、收获方式、干燥时间。探明收获时间对脱壳质量的影响规律：系统考虑脱壳破损率、脱净率及产量的情况下，适当的提前收获，也即在生育期前约一周收获，可有效降低脱壳损伤，提升花生籽仁及其制品品质；不同收获方式对脱壳作业质量的影响规律为：全喂入收获方式＞半喂入收获方式＞人工收获方式，全喂入收获方式收获的花生脱壳作业质量相对较差，人工收获方式收获的花生脱壳质量相对最好；干燥对脱壳作业质量的影响：对三个品种的干燥方式与脱壳作业质量关系的研究表明，最优值出现在干燥后约第40小时，此时籽仁含水率在13%左右、果壳含水率在9%左右时作业质量最优。
（4）探明低损机理并提出籽仁、果壳水分差异化脱壳技术，基于柔性材质、弹簧钢创制关键部件并系统优化获取最优参数。构建了脱壳力学模型及物料分离模型，解析了低损脱壳机理及主要影响因素。在以上分析基础上，以降低脱壳损伤为主要目标，创制了一种基于弹簧钢的柔性脱壳滚筒，并筛选耐磨性、柔韧性较好的聚氨酯作为与花生接触的核心部分材质；基于以上研究成果提出了一种籽仁、果壳水分差异化脱壳技术，并以破损率和脱净率为考核指标，开展柔性部件运动参数、结构参数、材质参数、物料含水率对考核指标的影响研究及多目标优化，获取了各影响因素对破损率和脱净率的影响主次顺序及交互作用对作业质量的影响规律，并采用多目标优化方法获取最优作业参数组合：籽仁含水率13.1%、脱壳滚筒线速度3.3m/s、弹簧钢板厚度2mm、聚氨酯板硬度A62.0，此时破损率Y1、脱净率Y2的理论值分别为9.6%、93.2%；对该组最优参数进行试验验证表明破损率为8.0%、脱净率为92.0%，与理论值误差较小，该参数为降低破损率奠定了理论基础。
（5）研析经典振动分选机理，设计振动分选系统实现脱出混合物中籽仁、荚果高质量分离，为实现二次复脱提供技术条件，破解脱净率、破损率“此消彼长”的难题，显著提升作业质量。解析振动分选原理，得出了影响振动分选系统分选合格率的主要因素，并利用Inventor软件开展了花生振动分选系统三维设计。研究了Fluent EDEM的建模的基础理论及耦合理论，采用耦合仿真的方法模拟荚果、籽仁在振动分选系统的运动情况，研究并获取了筛面上荚果、籽仁某一时刻的瞬时速度方向，并以单个籽仁、荚果运动轨迹为对象分析了荚果、籽仁从颗粒生成到脱离筛面的运动速度和轨迹，得出二者在筛面上运动速度均以X向速度最大、Z向速度最小，且其X向、Y向、Z向最大瞬时运动速度分别约为：0.26 m/s、0.24 m/s、0.1 m/s，0.28 m/s、0.22 m/s、0.04 m/s。仿真优化获取了振动分选系统振动频率、振幅、筛面倾角、风速最佳参数分别为10Hz、5mm、11.5°、4.98m/s，此时分选合格率、损失率分别为99.6%、0.4%。根据以上参数进行振动分选系统设计及试验验证，进一步验证了优化仿真及预测的准确性。
综上，本研究以提升脱壳质量为出发点，从与脱壳质量相关的花生物料特征参数、收获及干燥环节的合理把控、果壳及籽仁含水率差异化调控、柔性材质的选用及低损部件的创制及优化、基于振动分选系统的脱净率提升与优化等方面系统全面的揭示了脱壳质量影响机理，获取了关键参数并进行关键部件创制、技术集成、试验验证。本研究为有效降低脱壳损伤率、提升脱净率，显著提升花生籽仁原料品质提供了有力技术支撑。
主要创新点：
（1）依托国家花生产业技术体系征集了主要产区主要品种29个，获取对脱壳质量可能造成影响的生物学特性，荚果果壳、籽仁生长发育特点、基本特征，物理特性、机械力学特性及其变化规律，基于以上研究内容首次构建了我国主要产区29个主要品种花生基本特征数据库，包括主产区主要品种基础特征数据近3000条，该数据库可为育种、栽培、脱壳设备研发等研究提供参考借鉴。
（2）针对我国花生农机农艺融合水平低、适于低损脱壳的品种特征研究缺失问题，选取每个品种荚果、籽仁基本特征共14个，系统开展了29个花生品种基本特征与作业质量关系的数据处理和分析，获取了荚果、籽仁基础特征对作业质量的影响机制，并构建了相关判别函数。基于以上研究初步提出了适于机械化低损脱壳的品种特征，该技术为适于机械化低损脱壳的品种选育提供了方向，为提升我国花生农机农艺融合水平，促进花生产业稳定健康发展奠定了基础。
（3）针对脱壳破损率高的问题，解析低损脱壳机理，获取机械损伤发生时的相对临界速度及影响因素：花生质量及弹性模量、三轴尺寸、屈服极限、脱壳部件弹性模量、脱壳部件与花生接触的最大、最小曲率半径；获取了分离系数及影响参数：凹板筛栅条间距及圆钢直径、滚筒直径、喂入量、滚筒长度等；结合干燥工艺曲线，创新提出了果壳、籽仁含水率差异化脱壳方法，有效降低脱壳损伤；获取柔性材料作为关键部件对作业质量的影响规律，并研究其耐磨特性，创制了一种基于弹簧钢、柔性耐磨材料的关键部件，实现柔性脱壳；采用多目标优化方法获取了籽仁含水率、滚筒线速度、弹簧钢厚度、聚氨酯硬度的最优参数，并试验验证了结果的准确性，显著降低脱壳损伤率。
（4）针对脱净率的问题，对风-振动组合式分选系统进行了机理解析，创制了可实现荚果、籽仁双向运动的振动分选系统，并采用Fluent-EDEM耦合仿真分析，解析了荚果、籽仁运动规律，利用多目标优化方法获取了最优作业参数，有效实现了未脱荚果、已脱壳籽仁的高效分离，为未脱荚果复脱提供了技术手段，为提升脱净率提供了支撑，有效破解花生脱壳破损率、脱净率“此消彼长”的难题，显著提升花生脱壳作业质量。
