油用牡丹脫粒機的設計與試驗

張志紅，耿令新，謝金法，陶 滿，姬江濤，侯小改

(河南科技大學 農業裝備工程學院，河南 洛陽 471003)

0 引言

油用牡丹是我國特有的木本油料作物，在我國山東菏澤、河南洛陽、安徽銅陵等20個多省區都有種植，具有適合我國大面積推廣又不與糧食爭地的特點[1-5]。牡丹籽含油量更是高達22%，牡丹籽油中不飽和脂肪酸含量90%以上，多不飽和脂肪酸α-亞麻酸含量超過40%，是橄欖油的140倍，具有預防心腦血管病、降血脂、降低臨界性高血壓、抑制癌癥的發生和轉移，以及增強智力等作用[6-9]。

牡丹籽要進行深加工，就必須先把牡丹籽從牡丹果莢中分離出來。目前，油用牡丹的種植已有一定的規模，但由于油用牡丹產業是近幾年才興起的，還沒有油用牡丹脫粒技術的相關研究。對于物料脫殼方法和脫殼裝備，國內外的研究已相當成熟[10-15]，而油用牡丹果莢屬農業物料，與花生、大豆果莢等有相似之處，因此可以借鑒現有的裝備根據油用牡丹果莢自身的生物特性進行改造和研究。本文在自制的油用牡丹果莢脫粒機上對油用牡丹果莢進行單因素脫粒試驗，并進行相應分析。

1 總體結構和工作原理

1.1 脫粒機總體結構

油用牡丹果莢脫粒機主要由機架、進料裝置、脫粒裝置和接料小車等構成，如圖1所示。

1.進料口 2.拋料甩盤 3.脫粒元件 4.滾筒 5.機架 6.篩網 7.出料口 8.接料小車圖1 油用牡丹脫粒機總體結構左視圖Fig.1 Oil peony podding machine overall structure of the left view

脫粒裝置主要由脫粒區、排莢區、落料區等構成，如圖2所示。其中，脫粒區為整個裝置的關鍵部分。

機蓋內部有導向板，滾筒上安裝有6個板尺，脫粒元件與板尺焊接角度為30°且成螺旋排布；當脫粒滾筒轉動時，果莢在脫粒元件和機蓋的配合下向后方脫粒區移動。

1.2 工作原理

油用牡丹果莢從進料口喂入時，果莢被葉片高速拋入脫粒室中，滾筒上脫粒元件撥動果莢沿凹板篩做圓周運動；由于脫粒元件與滾筒板尺有30°的夾角，且機蓋內部有導向板，因此果莢在脫粒的同時沿軸向不斷向排莢口移動，果莢殼從脫粒區排出，牡丹籽粒則從凹板篩漏入接料小車中。果莢在脫粒時始終充滿脫粒室，因此脫粒元件撥動果莢時具有一定的推力和打擊力，即果莢是在受到推、擠、打的情況下與凹板篩接觸，與凹板篩做復雜的相對運動，以達到擠壓揉搓的效果。果莢與果莢之間同樣存在擠壓和揉搓，因此脫殼室內所有果莢的任何部位都有充分擠揉的機會，從而有效提高了果莢的脫凈率。

圖2 油用牡丹脫粒機總體結構主視圖Fig.2 Oil peony podding machine overall structure of the main view

2 主要部件設計

2.1 脫粒滾筒

2.1.1 滾筒直徑

滾筒直徑的大小與凹板弧長有密切的關系，本機中凹板弧長因包角限制不能增大，因此選用較大的滾筒直徑。由農業機械學查得，板齒滾筒的齒頂圓直徑為300～600mm，因此選定脫粒滾筒齒頂圓直徑為500mm，滾筒直徑確定為360mm。

2.1.2 滾筒長度

滾筒長度對果莢脫粒質量有著重要的影響，滾筒過長則多余的滾筒長度不能發揮其作用，增加功耗和制造成本且使機體變大；滾筒過短則果莢在脫粒室內停留時間短，影響脫凈率。由試驗數據總結分析，取脫粒滾筒長度為820mm。

2.1.3 滾筒脫粒元件

脫粒元件是直接與果莢接觸的結構，其形狀和尺寸不同，對果莢的作用就不同。對于牡丹果莢，既可以在打擊力作用下脫粒，還可以在擠壓力和揉搓力作用下脫粒。本文選用高度為55mm、寬度為60mm的L形齒和弓形齒以及弓齒和L形齒的混合齒3種脫粒元件，通過試驗確定哪種脫粒元件脫粒效果好。脫粒元件如圖3所示。其在滾筒上的排列圖如圖4所示。

(a) 弓形齒 (b) L形齒圖3 脫粒元件Fig.3 Threshing elements

圖4 脫粒元件排列圖Fig.4 The arrangement of threshing elements

2.2 篩網

篩網除了和滾筒組成脫粒室起脫粒作用外，還應起分離脫出物的作用，使脫出的牡丹籽粒和果莢殼能快速分離，減少籽粒的破碎。由于牡丹籽粒皆為橢圓形或扁圓形，因此本文選用圓孔篩。通過對牡丹籽粒幾何尺寸的測量和分析，篩孔直徑定為15mm。

2.3 進料裝置

進料裝置是將牡丹果莢從喂入口拋入脫粒機機體的一個機構，作用是使喂入的果莢在葉片的打擊下忽然得到一個高的速度，然后順利進入脫粒室內進行脫粒。其設計的合理與否關系到脫粒機的正常運轉和工作質量(即喂入口是否堵塞和脫粒率低)。本文在進料口處設置帶有葉片的葉輪組成進料裝置，對油用牡丹果莢進行加速。

2.4 脫粒機機蓋

脫粒機機蓋和脫粒室形成一個封閉的脫粒空間，果莢在其中做復合運動。機蓋呈半圓形，內壁有薄鋼板焊接而成的螺旋形導向板，螺旋升角為30°。機蓋兩端和圓孔篩兩端一起通過螺栓固定在機架上，便于拆卸和維修；機蓋后端設置有排莢口。

3 試驗方案的確定

選取滾筒轉速、喂入量、果莢含水率3個因素，以果莢脫凈率與籽粒破碎率為指標，用不同的脫粒元件進行單因素試驗，從單因素試驗分析得出最佳的脫粒參數并進行驗證。通過試驗初步確定滾筒轉速范圍為300～900r/min，喂入量范圍為0.6～1.8kg/s，果莢含水率的范圍22.76%～70.23%。

4 試驗結果與分析

4.1 滾筒轉速對果莢脫凈率和籽粒破碎率的影響

滾筒轉速是脫粒設備的重要性能參數，其設置的合理與否關系著脫粒機能否實現其功能。為找到滾筒轉速對果莢脫凈率和籽粒破碎率的影響規律，用3種不同的脫粒元件，在喂入量為1.2kg/s、果莢含水率為43.65%條件下進行試驗，得到了滾筒轉速對試驗指標的影響關系，試驗結果如圖5和圖6所示。

圖5 滾筒轉速對脫凈率的影響Fig.5 Effect of drum speed on Pod removal rate

圖6 滾筒轉速對籽粒破碎率的影響Fig.6 Effect of drum speed on breaking rate

由圖5可知：3種脫粒元件的脫凈率都隨著滾筒轉速的增加先升高后降低，主要是因為滾筒轉速在300～750r/min范圍內隨著滾筒轉速的增加，滾筒與牡丹果莢接觸次數增多，對果莢的打擊力增強；滾筒轉速超過750r/min后，由于牡丹果莢軸向運動加快，滾筒與果莢的接觸次數反而較少，因此脫凈率便開始降低。

由圖6可知：3種脫粒元件的籽粒破碎率都隨著滾筒轉速的增加而升高。當滾筒轉速增加時，脫粒元件的線速度增加，對籽粒的打擊力就越大。其中，弓形齒的破碎率最高，L形齒的破碎率最低。

4.2 喂入量對果莢脫凈率和籽粒破碎率的影響

喂入量不同對果莢的脫凈率和籽粒的破碎率有著重要的影響：喂入量過大，脫粒機容易堵塞，降低脫粒效率；喂入量過小則不能滿足生產上的需要，也不能充分發揮脫粒機的功能。本試驗在固定果莢含水率為43.65%、滾筒轉速為750r/min進行了試驗，得到了喂入量對試驗指標的影響關系，試驗結果如圖7和圖8所示。

圖7 喂入量對籽粒脫凈率的影響Fig.7 Effect of feed quantity on Pod removal rate

圖8 喂入量對籽粒破碎率的影響Fig.8 Effect of feed quantity on breaking rate

由圖7可知：3種脫粒元件的脫粒率變化總趨勢相似，都隨著喂入量的增加而降低。當喂入量低于1.2kg/s時，脫凈率變化不大，脫粒元件為弓齒形脫凈率最高，此時果莢是有序脫粒；當喂入量高于1.2kg/s時，脫凈率猛降，混合形齒脫凈率較高，此時脫粒室內果莢增多，部分果莢可能沒有和脫粒元件接觸就被排出機體。

由圖8可知：隨著喂入量的增加，籽粒破碎率不斷增加，弓形齒籽粒破碎率最大，L形齒籽粒破碎率最小；此時，果莢無序脫粒增大，果莢與果莢之間的相互隨機作用也增加，因此籽粒破碎率增加。

4.3 含水率對果莢脫凈率和籽粒破碎率的影響

牡丹果莢剛采摘時含水率較高，果莢殼較軟，籽粒還未完全成熟，易破碎，果莢殼與籽粒之間有黏性物質，脫粒時果莢殼與籽粒不易分離；當含水率低于某一特定值時，果莢殼和籽粒殼都變硬，脫粒難度增大，籽粒不易破碎。

本試驗固定滾筒轉速為750r/min、喂入量為1.2kg/s時進行試驗。試驗結果如圖9和圖10所示。

圖9 果莢含水率對脫凈率的影響Fig.9 Effect of pod moisture on Pod removal rate

圖10 果莢含水率對籽粒破碎率的影響Fig.10 Effect of pod moisture on breaking rate

由圖9可知：果莢含水率降低時，3種脫粒元件的脫凈率變化趨勢相同，都隨著果莢含水率的降低先升高后降低。果莢含水率高于40%，弓形齒的脫凈率較高；低于40%時L形齒脫凈率較高，并在含水率為34.85%時脫凈率最大為82.48%。分析其原因：弓形齒主要起打擊作用，擠壓作用較小，含水率較高時，果莢殼較軟，弓齒的打擊作用易破莢；L形齒是擠壓揉搓為主，打擊為輔，含水率較低時，果莢殼逐漸變硬，L形齒的擠壓揉搓易破莢。

由圖10可知：3種脫粒元件的籽粒破碎率都隨著含水率的降低而降低，弓形齒的破碎率一直處于最高水平，L形齒的破碎率一直處于最低水平。這主要是因為隨著含水率的降低，牡丹籽粒的殼逐漸變硬，對籽粒的保護隨之加強，籽粒不易破碎。

4.4 驗證試驗

通過對油用牡丹果莢的脫粒率和籽粒破碎率的單因素試驗，用3種不同的脫粒元件分析了脫粒參數對各個指標的影響，得出單因素對牡丹果莢脫粒過程的影響趨勢。通過分析可得出當滾筒轉速為750r/min、喂入量為1.2kg/s、含水率為34.85%時，用L形齒脫粒效果最好。

為了驗證分析結果，本文取脫粒元件為L形齒，固定滾筒轉速為750r/min、喂入量為1.2kg/s、含水率為34.85%，再次對油用牡丹果莢進行脫粒試驗，試驗結果為脫凈率83.23%，破碎率2.78%，脫粒效果如圖11所示。

圖11 油用牡丹果莢脫粒效果Fig.11 Removal effect of oil peony fruit pod

5 結論

1)設計了油用牡丹果莢脫粒機，主要由機架、進料裝置、脫粒裝置和接料小車等構成，其可以實現油用牡丹果莢的脫粒工作，且效果良好。

2)通過對油用牡丹果莢脫粒試驗發現：隨著滾筒轉速的升高，破碎率一直增加，脫凈率先增加后減小。在轉速為750r/min時，3種脫粒元件的脫凈率均取得最大值，混合形齒脫凈率最大，弓形齒破碎率最大；隨著喂入量的增加，3種脫粒元件的脫凈率減小，破碎率均增加，在喂入量高于1.2kg/s時，脫凈率降幅明顯增大；隨著含水率的減少，脫凈率先增加后減小，破碎率一直減小。

3)無論滾筒轉速、喂入量、含水率如何變化，弓形齒的破碎率一直最高，L形齒的破碎率一直最低。

4)通過分析和試驗驗證，當滾筒轉速為750r/min、喂入量為1.2kg/s、含水率為34.85%時，用L形齒脫粒效果最好。

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