稳定分散与喂料是智能核桃仁分级系统的关键环节，然而不规则的核桃仁形态常导致喂料效率低下。为解决这一问题，研究人员提出并优化了一种用于核桃仁分级的多通道分散喂料装置。该装置通过阶梯滑块组件的交替垂直往复运动实现核桃仁的分散与有序喂料。基于分散原理及核桃仁的受力与运动特性，确定了装置的结构配置与运行工况。研究人员进一步采用基于EDEM的离散元法(DEM)仿真分析了核桃仁的运动行为及其分散机制，识别出滑块基长、滑块组件高度差及滑块斜面倾角是影响装置性能的关键因素。以分散率和喂料时间为响应变量，首先进行单因素仿真以确定因素取值范围，随后采用旋转中心复合设计(CCD)并建立二次回归模型。在此基础上，研究人员进行了约束多目标期望优化，以平衡分离质量与喂料效率。最优折衷参数组合为滑块基长70 mm、滑块组件高度差4.5 mm、滑块斜面倾角60.89°。台架试验表明，在电机转速56 r/min、8级滑块条件下，最大分散率达86.06%，此时新产生的核桃仁损伤率为2.96% ± 0.95%。集成至分级系统后，该装置实现了84.29%的总体分级精度和5粒/秒的处理通量。结果表明，在测试的核桃仁类型、结构配置及运行条件下，优化后的样机可实现核桃仁的分散喂料与分级。
该研究针对中国核桃产业中分级环节依赖人工、效率低且易受主观判断影响的问题，结合机器视觉分级对前端喂料稳定性与有序性的高要求，指出不规则扁平状核桃仁在连续喂料过程中易产生堆积、重叠、堵塞及姿态紊乱，现有设备难以解决其前端分散难题。为此，研究人员设计了基于阶梯滑块交替往复运动的新型多通道分散喂料装置，通过离散元法(DEM)仿真揭示分散机制并优化关键结构参数，最终经台架与整机试验验证了其在提升分级精度与处理通量方面的有效性，相关成果发表于《Smart Agricultural Technology》。
关键技术方法包括：采用三维扫描构建三类核桃仁（1/2仁、1/4仁、碎仁）的非球形离散元模型，基于赫兹-明德林(Hertz-Mindlin)无滑移接触模型设置材料属性与接触参数；建立六通道喂料装置的简化DEM模型，设定滑块组件的正弦运动参数与颗粒工厂；以分散率（基于65 mm有效轴向间距准则）和喂料时间为评价指标，通过单因素仿真确定滑块基长（35–75 mm）、滑块组件高度差（2.25–10.25 mm）及滑块斜面倾角（45°–65°）的范围；采用旋转中心复合设计(CCD)进行三因素五水平的响应面试验，建立二次回归模型并进行方差分析(ANOVA)；通过约束多目标期望优化获得最佳折衷结构参数组合，并进行数值验证。
研究结果如下：
2. 多通道分散喂料装置设计
基于中国林业行业标准(LY/T 1922–2010)将核桃仁分为三级并测量尺寸，确定以1/2仁为控制设计对象。装置由两组交替往复运动的阶梯滑块组件、驱动机构、喂料通道及机架构成，通过纵向分离（异步阻挡-释放产生的累积轴向位移差）与横向分离（弧形槽向心力与重力分量作用下的通道再分配）实现分散。滑块设计方面，推导了斜面倾角上限（θ < 65.77°，基于摩擦系数μ=0.45）、滑块基长计算公式（L = v₀tₛ + ½atₛ²）及高度约束条件，确定槽深12 mm、厚度45 mm。驱动机构采用曲柄滑块机构，选用120 W交流电机配合1:10蜗轮减速器，额定转速90–1350 r/min，曲柄长度21 mm，连杆长度132 mm，往复行程42 mm。
3. 基于DEM的运动分析与参数优化
DEM建模采用三类核桃仁的代表性几何模型，最小球体直径3 mm，网格划分30等分，接触参数经校准且休止角相对误差2.17%。仿真设置颗粒工厂总投料150粒（每类50粒），喂料速率10粒/秒，固定时间步长8×10⁻⁶ s，总时长30 s。运动分析显示核桃仁经历分散喂料、通道过渡、皮带速度调整及稳定输送四个阶段；相邻颗粒因经历不同次数的阻挡事件而产生异步位移差，是轴向分散的颗粒级机制。单因素仿真表明，分散率随滑块基长增加呈先升后降趋势（65 mm时达82.7%），随高度差增加先降后升（2.25 mm时70.7%），随倾角增加单调上升（65°时91%）但喂料时间在倾角超60°后急剧增加；据此确定CCD零水平为基长65 mm、高度差6.25 mm、倾角57.5°。响应面优化建立的回归模型中，滑块斜面倾角为影响分散率（贡献率81.5%）与喂料时间（贡献率70.4%）的主导因素；约束多目标优化以分散率最大化、喂料时间≤30 s为目标，获得最优参数组合：基长70 mm、高度差4.5 mm、倾角60.89°，预测分散率86.728%、喂料时间30.00 s，数值验证平均值为84.50%与28.27 s，相对误差分别为2.57%与5.78%。
4. 性能评估
台架试验采用优化结构参数，测试不同电机转速（28、42、56 r/min）与滑块级数（6、8、10级）的影响。最优工况为56 r/min、8级滑块，分散率86.06%；此时新产生的核桃仁损伤率为2.96% ± 0.95%（基于1350粒样本）。整机集成测试在最优喂料工况下进行， conveyor belt速度0.2 m/s，九次重复试验平均分级精度84.29%（标准差2.02%），平均喂料时间30.18 s（对应通量约5粒/秒）。子系统分析表明，分级误差源于前端分散稳定性、核仁姿态变化、视觉识别精度（93.00%）、光电触发与分拣执行时序的综合作用。
5. 结论
研究人员成功开发了一种基于阶梯滑块交替运动的核桃仁多通道分散喂料装置，通过DEM仿真与响应面优化获得了最优结构参数，台架与整机试验验证了其在提升分散率、降低损伤率及保障分级精度方面的有效性。研究受限于代表性几何模型假设，未进行全因子物理验证，未来需构建多模板DEM几何库并纳入损伤率与能耗指标进行多目标优化，以增强方法的鲁棒性与通用性。该研究为不规则农产品颗粒的喂料难题提供了新策略，对智能分级装备研发具有重要参考价值。
