四通道全自動油茶成熟鮮果脫殼機設(shè)計與試驗

湯晶宇 王 東 寇 欣 曲振興 徐克生

(1.國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機械研究所， 哈爾濱 150086； 2.中國林業(yè)科學研究院林業(yè)新技術(shù)研究所， 北京 100091)

0 引言

油茶籽是制取茶油的原料，獲得油茶籽需對采收后的油茶果進行脫殼處理。目前，油茶果脫殼主要采用人工攤曬的方式，其效率低、用工量大、成本高，且易受天氣、場地的限制，制約了茶油的生產(chǎn)，機械脫殼能很好地解決上述問題[1-3]。油茶果機械脫殼主要包括撞擊法、剪切法、擠壓法、碾搓法和搓撕法[4]。黃鳳洪等[5]基于擠壓和碾搓原理設(shè)計了一臺油茶果脫殼機，該機二次分選時采用風選方式進行清選，由于茶殼與茶籽質(zhì)量相近，清選效果一般。藍峰等[6]基于撞擊、擠壓和揉搓原理設(shè)計了一臺油茶果脫殼清選機，該機脫殼后半脫及未脫油茶果混入殼籽混合物中，破籽量大，且清選效果不佳。李善淼[7]設(shè)計了一臺油茶青果脫殼機，該機通過旋轉(zhuǎn)滾刀反復割切與撞擊完成油茶果的脫殼，茶籽破損率較高。廖配等[8]基于撞擊原理設(shè)計了一種油茶果破殼裝置，該裝置利用轉(zhuǎn)子和葉輪的高速旋轉(zhuǎn)，使油茶果與轉(zhuǎn)子及外殼發(fā)生碰撞，從而實現(xiàn)脫殼，但該裝置并未設(shè)計脫殼后殼籽混合物的清選裝置。熊平原等[9]設(shè)計了一臺碾壓式油茶籽脫殼裝置，油茶果在壓筋和篩條的相互擠壓作用下脫殼，但該裝置未設(shè)計油茶果分級機構(gòu)和殼籽清選機構(gòu)。以上脫殼機均未設(shè)計油茶果分級裝置，在脫殼過程中不同大小的油茶果受力相同，導致部分油茶果無法脫殼，同時茶籽破損率較高。馬君[10]設(shè)計了一臺多通道刨削式油茶果破殼機，該機通過推壓手爪和破殼通道的共同作用完成油茶果的脫殼，殼籽清選采取色選方式，但色選法成本高，且隨著晾曬或存放時間的延長，清選率也會逐漸降低。文獻[11-17]均對油茶果脫殼裝置進行了相關(guān)研究，但在實際作業(yè)中應用較少，其主要原因是機械脫殼時油茶果脫凈率和茶籽破損率相互制約，很難取得折中效果。此外，脫殼效率低、清選率低、穩(wěn)定性差[18]也是應用較少的原因。

為此，本文設(shè)計四通道全自動油茶成熟鮮果脫殼機，針對實際作業(yè)過程中油茶果機械脫殼效率低的問題，選取脫凈率和破損率為主要評價指標，對全自動油茶成熟鮮果脫殼機樣機進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以期提高脫殼機的實際作業(yè)性能。

1 油茶成熟鮮果物理特性

1.1 形狀和含水率

油茶果主要由茶殼、茶籽和隔膜構(gòu)成[19]，在整個油茶果中質(zhì)量所占比例分別為45.83%、52.33%、1.84%[20]。油茶成熟鮮果顏色基本呈紅褐色伴有青綠色，外形主要呈不規(guī)則狀球形或橢球形，直徑30～50 mm，木質(zhì)[21]，晾曬2～5 d后，茶殼會以縱軸為中心，多瓣茶殼向底部開裂，瓣數(shù)以2～5瓣居多，油茶果如圖1所示。

為測得油茶成熟鮮果茶籽、茶殼含水率隨晾曬時間變化情況，選取浙江省衢州市常山縣油茶種植基地的紅花油茶成熟鮮果，將采摘的油茶成熟鮮果放置在庫房中晾曬，溫度保持在16～24℃，每日定時測量，測得茶籽、茶殼晾曬過程含水率變化如圖2所示。

由圖2可知，采摘后的油茶成熟鮮果茶殼、茶籽含水率分別為75%、45%，茶殼含水率遠高于茶籽含水率。晾曬前2天，茶殼含水率下降明顯，而茶籽含水率卻維持不變；晾曬第3天時，茶籽含水率開始高于茶殼含水率；第4天時，茶籽含水率降幅達到觀測期間最大，這是因為晾曬第3天和第4天大量油茶果茶殼開裂[22]，茶籽暴露于空氣中，導致茶籽水分大量散失；晾曬至第5天時，茶籽、茶殼含水率基本維持穩(wěn)定。

1.2 縱徑、橫徑統(tǒng)計結(jié)果

選取常山縣紅花油茶成熟鮮果，隨機選取500個油茶果，使用游標卡尺分別對縱徑、橫徑進行測量，統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示。油茶果縱徑、橫徑如圖1所示。

由圖3可以得出：油茶成熟鮮果縱徑在20～25 mm之間最多，接近45%；油茶成熟鮮果橫徑在25～30 mm之間最多，達到45%；油茶成熟鮮果縱徑在20～35 mm之間的達到92%；油茶成熟鮮果橫徑在20～35 mm之間的達到96%；油茶成熟鮮果縱徑和橫徑均近似服從正態(tài)分布。

2 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整機結(jié)構(gòu)

油茶果脫殼機主要由分級裝置、脫殼裝置、殼籽輸出裝置、傳動機構(gòu)、電控柜和機架等組成，整機結(jié)構(gòu)如圖4所示。油茶成熟鮮果脫殼機基于國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機械研究所油茶果脫殼研究組提出的多通道精細化油茶果機械脫殼技術(shù)方法[23]，該技術(shù)方法工藝流程如圖5所示。

2.2 工作原理

油茶果的分級主要是在分級裝置中完成，分級裝置設(shè)計有11根橡膠導軌帶，橡膠導軌帶整體呈扇形分布，相鄰的兩根橡膠導軌帶前窄后寬，待分級的油茶果隨導軌帶的轉(zhuǎn)動完成分級。分級后的油茶果經(jīng)分級底板進入對應的脫殼滾筒內(nèi)脫殼，脫殼軸兩端安裝有脫殼盤，兩側(cè)脫殼盤按左旋30°安裝，脫殼圓盤上設(shè)計有耳槽孔，可以依據(jù)油茶果級別調(diào)整兩側(cè)脫殼桿高度，電動機帶動脫殼芯旋轉(zhuǎn)形成鍥形空間，可以將油茶果從大到小漸次脫殼。脫殼桿上套有套筒，可有效減少剛性材料對油茶成熟鮮果的破壞，降低脫殼階段油茶籽的破損。油茶果在脫殼滾筒內(nèi)通過與脫殼套筒的相互撞擊以及油茶果之間的碰撞、擠壓、搓擦的綜合作用實現(xiàn)脫殼。油茶果脫殼后產(chǎn)生的殼籽混合物經(jīng)柵條篩掉落至殼籽輸出裝置上，通過三層篩網(wǎng)的篩選得到半脫及未脫的油茶果、較大的殼籽混合物、相對較小的殼籽混合物和殼籽碎渣。較大的殼籽混合物和相對較小的殼籽混合物由一、二級清選機實現(xiàn)了油茶果殼籽混合物的分離。脫殼滾筒結(jié)構(gòu)如圖6所示。油茶果脫殼機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 分級裝置

在脫殼前對油茶果進行分級，是獲得較高脫凈率和較低破籽率的前提條件[24]。本機分級裝置主要由進料口、機架、橡膠導軌帶和導軌輪等組成，分級裝置如圖7所示。分級裝置單獨設(shè)計有分級電機，可接民用220 V電壓。分級裝置設(shè)計有11根橡膠導軌帶，每根導軌帶與4個導軌輪配套，導軌帶安裝于導軌輪上。分級底板上設(shè)計有擋板，可按需要利用擋板進行多級分級。橡膠導軌帶整體呈扇形漸變分布，相鄰的兩根橡膠導軌帶前窄后寬，油茶果隨橡膠導軌帶的轉(zhuǎn)動完成分級。對圖3油茶果縱徑、橫徑統(tǒng)計結(jié)果進行分析，結(jié)合油茶果脫殼試驗效果，確定脫殼機分級裝置將油茶果分為4級，4級油茶果對應的直徑范圍如表2所示。

表1 油茶果脫殼機主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of Camellia oleifera fruit shelling machine

表2 分級裝置對應的油茶果直徑范圍Tab.2 Diameter of Camellia oleifera corresponding to classification device

3.2 脫殼裝置

本機脫殼裝置共設(shè)計了4級脫殼滾筒，每級脫殼滾筒主要由進料口、滾筒上組件、脫殼盤、脫殼桿、脫殼套筒和可抽式柵條篩等組成，單個脫殼滾筒如圖6所示。每級滾筒長700 mm，半徑153 mm，進料形式采取切向進料。脫殼軸兩端安裝有脫殼盤，兩側(cè)脫殼盤按左旋30°安裝，脫殼圓盤上設(shè)計有3個呈120°均布的耳槽孔，可以依據(jù)油茶果級別調(diào)整兩側(cè)脫殼桿高度，電動機帶動脫殼芯旋轉(zhuǎn)形成的鍥形空間，可以將油茶果從大到小漸次脫殼。脫殼桿上套有套筒，可有效減少剛性材料對新鮮油茶果的破壞作用，降低脫殼階段油茶籽的破損率。四級脫殼滾筒均設(shè)計有可抽式柵條篩，由滾網(wǎng)架、柵條桿和圓弧柱加強筋組成，柵條篩如圖8所示。兩側(cè)對應的滾筒端板上設(shè)計有大小、厚度一致的開口，以固定柵條篩。靠近進料口一側(cè)的滾筒端板設(shè)計有2個壓板，防止柵條篩軸向竄動。滾筒端板上設(shè)計有長100 mm、寬50 mm的方形調(diào)整孔，以便隨時調(diào)整滾筒內(nèi)鍥形空間大小。分別對4級脫殼滾筒內(nèi)茶籽尺寸進行統(tǒng)計分析，結(jié)合脫殼試驗效果，考慮到降低脫殼階段茶籽破損率，柵條篩間隙應略微大于茶籽尺寸，最終確定一級、二級、三級、四級滾筒對應的柵條篩間隙分別為13、20、26、30 mm。

3.3 殼籽輸出裝置

本機殼籽輸出裝置主要由振動篩篩體、篩網(wǎng)、振動篩支撐軸和擺桿等組成，殼籽輸出裝置如圖9所示。脫殼機作業(yè)時，主電機帶動小帶輪，小帶輪帶動大帶輪，由于偏心輪與大帶輪同軸，而振動篩連接于偏心輪的另一端，從而帶動振動篩作搖擺運動。振動篩呈4°傾角，有利于油茶果脫殼后產(chǎn)生的殼籽混合物快速移動，從而實現(xiàn)快速篩選。殼籽混合物經(jīng)3層篩網(wǎng)的篩選后，1級輸出口輸出大殼、半脫及未脫油茶果，進而進行二次脫殼；2級輸出口輸出較大的殼籽混合物，配合1級清選機進行殼籽清選，避免1級清選機對較小茶籽造成破損；3級輸出口輸出相對較小的殼籽混合物，配合2級清選機實現(xiàn)精細化清選；4級輸出口輸出脫殼過程中產(chǎn)生的殼籽碎渣，避免碎渣部分參與清選。對前文隨機選取的500個油茶果的油茶籽進行統(tǒng)計分析，由分析結(jié)果結(jié)合篩選效果確定采用3層篩網(wǎng)設(shè)計，并確定每層篩網(wǎng)直徑，3層篩網(wǎng)直徑與輸出茶籽直徑范圍如表3所示。

表3 3層篩網(wǎng)直徑與輸出茶籽直徑范圍Tab.3 Three-layer screen diameter and output Camellia oleifera seed diameter range

3.4 脫殼裝置帶傳動設(shè)計

脫殼機在工作時消耗的功率主要用于脫殼裝置、殼籽輸出裝置、克服傳動阻力。脫殼滾筒有效容積V為

V=Sh

(1)

式中S——滾筒底面積，m2

h——滾筒長度，m

計算得：V=3.14×0.1532×0.7=0.05 m3。

一級脫殼滾筒所需功率P1為

P1=K×4×10-4VφρRn/η1

(2)

式中K——安全系數(shù)，取1.3

φ——脫殼滾筒內(nèi)脫殼芯填充率，取10%

ρ——脫殼芯Q235密度，取7.85×103kg/m3

R——脫殼滾筒半徑，取0.153 m

n——脫殼芯轉(zhuǎn)速，取400 r/min

η1——帶傳動傳遞效率，取0.97

計算得：P1=1.31 kW。

通過分級裝置進入一級脫殼滾筒的油茶果直徑小于25 mm，一般來說油茶果尺寸越大需要脫殼力越大，這是由于尺寸較大的油茶果發(fā)育較為成熟，飽滿性較好，果殼與油茶籽之間的間隙小，所以抗壓強度大，不易破裂。因此，脫殼裝置所需最小功率P為5.24 kW。考慮到脫殼裝置距主電機較遠，且尺寸較大的特點，選取帶傳動作為主電機與脫殼裝置之間的傳動方式。

傳動帶計算功率為

Pca=KAP

(3)

式中KA——工況系數(shù)，取1.1

代入數(shù)據(jù)可得：Pca=5.76 kW。

根據(jù)傳動帶計算功率Pca和脫殼機電機轉(zhuǎn)速n1為1 380 r/min，傳動帶選取A型帶。

選取脫殼機電機帶輪直徑d1=132 mm，則帶速v計算式為

v=πd1n1/60 000

(4)

計算得：v=9.53 m/s，大于5 m/s，小于vmax(25 m/s)。因此，帶速v符合設(shè)計要求。

根據(jù)傳動比i=3.45，則脫殼帶輪直徑d2為

d2=(1-ε)id1

(5)

式中ε——從動輪圓周速度相對降低量，取1%～2%

可得：446.29 mm≤d2≤450.85 mm，取d2=450 mm。

已知d1=132 mm、d2=450 mm，則帶傳動中心距a0為

0.7(d1+d2)

(6)

將d1、d2代入式(6)，可得：407.4 mm

(7)

將a0、d1和d2代入式(7)，得：Ld0=2 313.85 mm，取A型帶長度Ld=2 240 mm。實際中心距a計算式為

(8)

代入數(shù)據(jù)可得：a=736.93 mm，因帶輪制造誤差、帶長誤差和帶張緊力的需要，實際中心距a取值范圍為(a-0.015Ld)～(a+0.03Ld)，計算得a為703.33～804.13 mm。

電機帶輪包角α1計算公式為

(9)

將d1、d2和a代入式(9)，得：α1=155.27°≥90°，滿足包角設(shè)計要求。V帶數(shù)量計算式為

(10)

式中Z——V帶根數(shù)

P0——單根A型帶所需功率，取1.92 kW

ΔP0——單根A型帶額定功率增量，取0.17 kW

Kα——包角修正系數(shù)，取0.93

KL——帶長修正系數(shù)，取1.06

計算得Z=2.80，即需要3根A型V帶。

初拉力F0計算公式為

(11)

式中m——A型帶單位長度質(zhì)量，取0.1 kg/m

代入數(shù)據(jù)求得：F0=179.07 N。

壓軸力FP計算公式為

(12)

代入數(shù)據(jù)可得：FP=838.05 N。

4 性能試驗

對油茶果脫殼機開展性能試驗：評估脫殼機處理量、脫殼效果，檢驗設(shè)計產(chǎn)品的使用效果；驗證整機穩(wěn)定性和可靠性，識別易受損零部件，為下一代脫殼機設(shè)計優(yōu)化提供借鑒；評估三因素組合脫殼效果，得出最優(yōu)因素組合，為實際生產(chǎn)提供依據(jù)。

4.1 試驗材料

選取浙江省常山縣油茶種植基地采摘的油茶成熟鮮果，每組試驗油茶果100 kg，試驗地點就近選擇。試驗現(xiàn)場如圖10所示。

4.2 試驗指標與因素

4.2.1試驗指標

選取試驗指標為脫凈率和茶籽破損率。每組油茶果進行脫殼試驗時，舍棄脫殼機前5秒產(chǎn)生的殼籽混合物。統(tǒng)計試驗結(jié)果記錄于油茶果脫殼機開發(fā)試驗統(tǒng)計表，并分別計算出每組油茶果脫凈率和茶籽破損率。

脫凈率T1計算公式為

T1=(m0-m1)/m0×100%

(13)

式中m0——每組試驗油茶果總質(zhì)量，kg

m1——每組未脫殼油茶果總質(zhì)量，kg

茶籽破損率T2計算公式為

T2=m2/(m2+m3)×100%

(14)

式中m2——每組破損的油茶籽總質(zhì)量，kg

m3——每組未破損的油茶籽總質(zhì)量，kg

4.2.2試驗因素

選取喂入量、脫殼桿扭度和脫殼桿直徑為試驗因素，試驗因素與水平如表4所示。由脫殼中間試驗發(fā)現(xiàn)，喂入量、脫殼桿扭度對脫凈率有較大影響，過大易導致油茶果脫凈不充分；脫殼桿直徑對茶籽破損率影響較大，直徑過大會導致破損率增加，過小脫殼過程中脫殼桿會發(fā)生形變，進而影響油茶果脫殼的完成。結(jié)合設(shè)計意圖分別確定了各水平的取值。試驗中通過調(diào)節(jié)上料電機變頻器來調(diào)整油茶果喂入量；調(diào)整兩側(cè)脫殼盤扭轉(zhuǎn)角度來調(diào)整脫殼桿扭度。

表4 試驗因素與水平Tab.4 Test factors and levels

4.3 試驗結(jié)果

4.3.1正交試驗結(jié)果

選用L9(34)正交表進行試驗，試驗結(jié)果如表5所示，A、B、C為因素水平值。表6和表7分別為因素A、B、C對脫凈率和茶籽破損率影響的方差分析表。由表5可知，脫殼桿直徑同時對脫凈率和茶籽破損率影響較大，而喂入量對脫凈率的影響大于對茶籽破損率的影響，脫殼桿扭度對茶籽破損率的影響大于對脫凈率的影響。獲得高脫凈率的因素組合為A2B2C1，獲得低茶籽破損率的因素組合為A2B3C2。

表5 正交試驗設(shè)計與結(jié)果Tab.5 Orthogonal experimental design and results

由表6、7可知，脫殼桿直徑對脫凈率和茶籽破損率均影響顯著，喂入量和脫殼桿扭度對脫凈率和茶籽破損率的影響均不顯著。脫凈率和茶籽破損率的方差分析結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)極差分析結(jié)果一致，即脫殼桿直徑對脫凈率和茶籽破損率的影響程度大于喂入量對脫凈率和茶籽破損率的影響，而喂入量對脫凈率和茶籽破損率的影響大于脫殼桿扭度對脫凈率和茶籽破損率的影響。

表6 脫凈率方差分析Tab.6 Analysis of variance of shelling rate

表7 茶籽破損率方差分析Tab.7 Analysis of variance of Camellia oleifera seed breakage rate

4.3.2最佳參數(shù)組合

由以上正交試驗結(jié)果分析得知，獲得高脫凈率的因素組合和獲得低茶籽破損率的因素組合不一致。為使脫殼機在實際工作過程中獲得最佳的脫殼效果，采用綜合加權(quán)法進行分析，計算出喂入量、脫殼桿扭度和脫殼桿直徑最優(yōu)參數(shù)組合[25]。考慮到喂入量、脫殼桿扭度和脫殼桿直徑對脫殼效果影響的重要程度，確定脫凈率權(quán)重為0.7，茶籽破損率權(quán)重為0.3。脫凈率和茶籽破損率綜合加權(quán)如表8所示。綜合評分指標如表9所示。

表8 脫凈率和茶籽破損率綜合加權(quán)分析結(jié)果Tab.8 Comprehensive weighted analysis result of shelling rate and seed breakage rate

由表9可以得出，影響綜合評分指標因素主次順序為C、A、B，最優(yōu)因素組合為A2B3C2，即茶果喂入量1 500 kg/h，脫殼桿扭度30°，脫殼桿直徑23 mm時，脫殼機達到最佳脫殼效果。

表9 綜合評分指標分析結(jié)果Tab.9 Comprehensive score indicator analysis result

4.3.3最佳參數(shù)組合試驗

以脫殼機最佳參數(shù)組合進行3次試驗，取3次試驗的平均值作為油茶成熟鮮果脫殼機最終的脫凈率和茶籽破損率。經(jīng)計算分析，該油茶成熟鮮果脫殼機的脫凈率為98.85%，茶籽破損率為3.24%。

4.4 結(jié)果分析

通過正交試驗、方差分析和加權(quán)綜合評分法對油茶果脫殼機的性能進行試驗，得到喂入量、脫殼桿扭度、脫殼桿直徑對脫殼效果的影響。脫殼桿直徑對脫殼效果影響最大，且同時對脫凈率與茶籽破損率產(chǎn)生影響。茶果喂入量過大時，二、三級脫殼裝置容易堵塞，使脫凈率降低。能否平穩(wěn)定量地喂入茶果也對脫殼機脫殼效果產(chǎn)生影響。脫殼桿扭度主要對茶籽破損率影響較大。試驗表明，通過對茶果喂入量、脫殼桿扭度、脫殼桿直徑進行參數(shù)優(yōu)化，該脫殼機可以在獲得高脫凈率同時，使茶籽破損率維持在較低水平。

5 結(jié)論

(1)對油茶成熟鮮果的形狀、含水率與縱徑、橫徑進行分析和統(tǒng)計，設(shè)計了一臺四通道全自動油茶成熟鮮果脫殼機，該機具有脫殼效率高、脫殼精細化等優(yōu)點。

(2)設(shè)計了整體呈扇形漸變分布的油茶果橡膠導軌分級裝置，將油茶果劃分為0～25 mm、25～30 mm、30～40 mm和大于40 mm共4個等級，實現(xiàn)了油茶果快速分級；設(shè)計了4級基于緩沖碾壓、助推間隙漸變的復合脫殼裝置，每級滾筒長700 mm、半徑153 mm，底網(wǎng)柵格間隙參數(shù)分別為13、20、26、30 mm；設(shè)計了3層篩網(wǎng)直徑分別為28、18、9 mm的殼籽輸出裝置，將脫殼后的殼籽混合物篩分為未脫及半脫的油茶果、較大殼籽混合物、較小殼籽混合物和殼籽碎渣的粗選，進一步提升了脫凈率。

(3)以油茶果喂入量、脫殼桿扭度和脫殼桿直徑為試驗因素，采用L9(34)正交試驗、方差分析和加權(quán)綜合評分法對油茶果脫殼機的脫殼效果進行分析。結(jié)果表明，當茶果喂入量1 500 kg/h、脫殼桿扭度30°、脫殼桿直徑23 mm時，脫殼機脫殼效果最佳。對脫殼機進行了3次最佳參數(shù)組合下的脫殼試驗，取3次試驗結(jié)果的平均值作為油茶成熟鮮果脫殼機最終的脫凈率和茶籽破損率，計算得出該脫殼機的脫凈率為98.85%、茶籽破損率為3.24%。