菱角为菱科一年生草本水生植物,又名水栗、腰菱、沙角等,是我国区域性特色水生蔬菜之一,主要种植于长江中下游流域及珠江三角洲地区,具有较高的营养价值和药用价值。新鲜菱角通过脱壳获得菱仁后,可进一步深加工,从而显著提高其产品附加值。但因其形状较不规则,外壳坚硬且表面凹凸不平,目前鲜菱角脱壳完全依靠手工作业,国内外尚无专用的鲜菱角脱壳机械装备。鲜菱角手工脱壳存在劳动强度大、生产效率低、人工成本高等弊端,机械脱壳成为制约菱角产业发展的技术瓶颈。近年来,我国菱角种植面积和产量逐年增加,研究鲜菱角脱壳机理及其配套的机械化生产技术对推进菱角产业发展具有重要的现实意义。针对鲜菱角机械化脱壳技术与装备需求,本文以产自湖北地区的新鲜两角菱为对象,对其物理特性与生物力学特性分别开展了试验研究,主要分析了鲜菱角脱壳工艺流程,设计了鲜菱角机械脱壳技术方案,在鲜菱角脱壳机理分析的基础上试制了脱壳试验样机,并开展了整机脱壳性能试验,全文主要研究内容及结论如下:（1）开展了鲜菱角物理参数测定与菱壳微观结构电镜扫描试验。为给鲜菱角脱壳机关键部件结构设计提供参考,测量了鲜菱角含水率、外形尺寸、菱壳厚度、单粒重、密度以及摩擦系数等物理参数。结果表明,整菱、菱仁与菱壳的平均含水率分别为74.31%、70.44%和79.53%,菱角平均长度、厚度与高度分别为76.01 mm,24.48 mm和34.63 mm;菱壳脐部、蒂部、上表皮、下表皮以及弯角内侧平均厚度分别为3.2 mm、3.4 mm、1.7 mm、2.4 mm和8.4 mm;菱角的平均单粒重与平均密度分别为18.76 g和1.09 g/cm~3,确定脆熟、腊熟和完熟菱角的密度范围分别为＜0.92 g/cm~3、1.00 g/cm~3～1.09 g/cm~3和＞1.10 g/cm~3;菱角与PU、不锈钢、橡胶3种材料的平均静摩擦系数分别为0.48、0.45和0.52,平均动摩擦系数分别为0.39、0.36和0.44。开展了菱壳微观结构电镜扫描试验,通过分析不同成熟度和切壳部位菱壳的微孔结构以及微观组织的致密度,推测从菱角脐部切壳相对较容易,脆熟菱角比完熟菱角更易去壳。（2）开展了鲜菱角生物力学性能试验和有限元仿真分析。通过试验获取了3种成熟度整菱和菱仁在2种压缩方向下的破坏载荷、形变量、抗压强度和弹性模量,获得了3种成熟度整菱和菱仁在2种剪切方向下的破坏载荷、形变量、剪切强度和剪切模量。结果表明,成熟度对整菱和菱仁压缩、剪切的全部试验指标均有显著影响,加载方向只对形变量、弹性模量和剪切模量影响显著。对试验样品裂纹形成和扩展规律进行分析,整菱与菱仁立放压缩的裂纹由脐部生成并自上而下贯穿至蒂部,随着菱角成熟度增加,裂纹的宽度呈增大趋势,裂纹扩展整体上具有一定的方向性;平放压缩的裂纹由菱角蒂部生成并向四周扩展,裂纹扩展具有一定的随机性。整菱与菱仁剪切时的裂纹沿剪切受力点沿两侧扩展,具有一定的方向性,不同成熟度的样品间的裂纹宽度并无显著差异。通过有限元仿真结果获得了菱角受载荷时的应力应变云图,验证了力学特性试验中菱角受力后裂纹的产生和扩展规律,并证明了整菱和菱仁在压缩和剪切时均表现为各向异性。（3）创新提出了一种剪切与碾搓相结合的鲜菱角机械脱壳技术方案。根据鲜菱角物理参数和力学特性试验数据,设计了菱角脱壳台架并开展了台架试验;根据台架试验反馈的问题提出了3种脱壳技术方案,并确定采用剪切与碾搓相结合的脱壳方式,整体方案包括鲜菱角分级切壳机与夹持式鲜菱角脱壳机。设计了鲜菱角分级切壳机并对其分级滚筒、输送带、挡板组、压紧装置和纵切刀片等关键部件进行了结构设计和受力分析。设计了夹持式鲜菱角脱壳机并对夹持板、弹性压紧装置、横切刀片和脱壳装置进行了结构设计和受力分析。运用EDEM和Solid Works Motion对鲜菱角分级切壳机的分级机构、纵切机构以及夹持式鲜菱角脱壳机的横切机构进行动力学仿真。（4）创新研究了鲜菱角脱壳裂纹形成与扩展机理。运用边界元理论建立了菱壳受刀具外力作用时的平衡微分方程、几何方程以及物理方程,结合线弹性材料断裂力学理论分析了脱壳时菱壳表面裂纹形成机理;分析了菱壳裂纹扩展条件,结合鲜菱角物理参数测量数据和力学性能试验数据算得菱壳裂纹扩展的平均临界应力和临界外力分别为0.17 MPa和6.22 N。应用ANSYS显式动力学模块模拟菱角切壳过程,探索了菱角在切壳过程中的受力、变形和能量变化规律。（5）开展了鲜菱角分级输送试验、纵切试验、横切试验和脱壳试验。试制加工了鲜菱角脱壳样机并开展了样机试验。分级试验表明,最优工作参数为滚筒转速55 r/min、喂入量0.04 kg/s,该条件下平均分级精度为92.87%,平均分级效率为46.32 kg/h。输送试验表明,最优工作参数为输送速度0.1 m/s、导引挡板距离差200 mm,该参数下的平均输送成功率为93.21%。纵切试验表明,最优工作参数为输送速度0.1 m/s、刀片转速900 r/min,该条件下脆熟菱角平均切壳率为72.23%,平均菱仁破损率为10.85%。横切试验表明,最优工作参数为输送速度0.1 m/s、刀片转速1000 r/min,该条件下脆熟菱角平均切壳率为79.41%,平均菱仁损失率为9.82%。脱壳试验表明,最优工作参数为慢辊转速59 r/min、线速比1.5,该条件下脆熟菱角平均脱壳率为66.52%,平均菱仁破损率为12.83%。