油茶果劃線破殼裝置設計*

肖本貴，胡淑芬，鄧勇杰，賴曲芳，劉 斌，張廬陵，曹昕奕，李涵泰，郭宇輝，翁徐杰，易 康

(1.江西農業大學工學院，江西 南昌 330045；2.江西省現代農業裝備重點實驗室，江西 南昌 330045)

0 引言

油茶是我國特有的木本油料作物[1]，在我國有2 000多年的栽培和使用歷史。油茶籽提煉的茶籽油含有豐富的不飽和脂肪酸，同時還富含維生素E、角鯊烯、甾醇、多酚等活性物質，有極高的保健和藥用價值，對調節血脂、預防和減少心腦血管疾病，增強人體免疫機能等具有非常積極的作用[2]，且具有一定的美容養顏作用，所以茶油有著“油中軟黃金”的美譽[3]。近年來，隨著我國油茶種植面積的不斷增加，對油茶果機械化加工的需求日益突出。

油茶果由茶籽與茶殼組成[4]。茶籽的主要成分為脂肪、蛋白質及淀粉等，可用來提煉茶油[5]。而茶殼主要由纖維素構成，不含油脂，且纖維素對油脂加工及加工設備的運行不利，須做脫殼處理。傳統的油茶果加工方法主要是堆漚、攤曬，再通過人工篩選，但人工篩選成本高，生產效率低，且新鮮的油茶果如不及時進行脫殼、篩分、干燥處理，極易導致果實腐爛、霉變[6]。現有的油茶果機械脫殼設備及方法，根據脫殼工作原理的不同，可以分為間隙擠壓揉搓法[7]、柔性輥抽打法[8]、碾搓法[9]等。現有的油茶果破殼裝置存在傷籽率和破籽率較高、破殼后籽殼難以清選等技術難題[10-11]。

針對以上問題，課題組設計了一種油茶果劃線破殼裝置。該裝置通過可垂直移動的彈簧刀片，使刀片在不損傷油茶籽的情況下對油茶果殼劃線一周，再通過碾輪將劃線后的油茶果碾壓破殼。有利于減少破殼過程中對茶籽的損傷，破殼后茶殼的尺寸較為規則，便于后續茶籽和茶殼的清選。該裝置適用于多尺度油茶果的破殼，結構簡單，操作方便。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構設計

油茶果劃線破殼裝置的破殼工作過程可以分為兩個階段，第一個階段是對油茶果進行劃線，第二個階段是對劃線后的油茶果進行碾壓破殼。由這兩個階段實現油茶果的完整破殼，使得茶殼的破開有規律，茶籽不易破損，且有利于后續油茶籽殼的清選[12]。

油茶果劃線破殼裝置結構示意圖如圖1所示，主要由機架、固定在機架上的油茶果入料裝置、物料輸送裝置、劃線裝置、碾壓裝置等組成。該劃線破殼裝置的動力由3個三相異步電機提供，組件與電機之間均采用V帶傳動。物料輸送裝置中的一根主傳動軸與三根從動軸之間同樣使用V帶傳動。

圖1 油茶果劃線破殼裝置結構示意圖Fig.1 Structure diagram of camellia oleifera fruit shell breaking device

1.2 工作原理

油茶果劃線破殼裝置工作原理圖如圖2所示。

圖2 油茶果劃線破殼裝置原理圖Fig.2 Schematic diagram of camellia oleifera fruit shell breaking device

油茶果通過入料裝置的送料滾筒逐個運輸至物料輸送裝置的輸送帶上，通過輸送帶逐一橫躺式輸送至劃線裝置工作區，油茶果在彈簧刀片與輸送帶的相互作用下發生滾動，使得彈簧刀片在油茶果殼腹部中間表面劃線一周；劃線后的油茶果通過輸送帶輸送到物料輸送裝置尾端，在高速旋轉的碾輪的作用下，對已劃線的油茶果腹部進行碾壓破殼，茶殼與茶籽從出料口排出。

2 關鍵零部件的設計

2.1 入料裝置設計

入料裝置的結構示意圖如圖3所示，入料裝置主要包括入料斗、送料滾筒、撥料輪、導料板等部分。油茶果進入入料斗，通過入料斗下方出口處的撥料輪將油茶果送至送料滾筒內；油茶果沿著安裝在送料滾筒外側的導料板進入到輸送裝置。由于在輸送過程中入料斗下方出口處容易發生搭橋或一次進入好幾個油茶果的情況，導致油茶果入料斗出口處堵塞，從而影響油茶果劃線破殼裝置的正常運行。故在入料斗下方出口對中向右5 mm處安裝一個撥料輪，撥動油茶果順著入料斗下方出口順利進入送料滾筒；均布在送料滾筒圓周上的斜凹槽只能容納一個油茶果，該設計保證了送料滾筒每次送到輸送裝置上的油茶果是單一周期性間隔的，以滿足裝置工作要求。

圖3 入料裝置結構示意圖Fig.3 Structure diagram of feeding device

2.2 劃線裝置設計

油茶果劃線裝置如圖4所示，主要由機架、刀片、刀片固定板、刃口保持板、彈簧、連桿和滑塊等組成。刀片固定板夾持的刀片刀口向下，刀片長度為100 mm，刀片在刃口保持板的作用下刃口只伸出1.5 mm，且刀刃呈一定的水平角度，為5°，即隨著物料傳送方向，刀刃與輸送帶間距離由大到小；兩塊刀片固定板與連桿通過焊接方式固定；連桿穿過滑塊上的通孔；彈簧套在連桿上，一端固定在刀片固定板處，另一端固定在滑塊上。整個劃線裝置通過兩塊滑塊用螺釘連接固定在機架上。

圖4 刀具結構示意圖Fig.4 Tool structure diagram

劃線裝置中彈簧力的設計至關重要，彈簧力的大小須大于油茶果殼的劃線破殼力，而小于油茶籽的劃線破殼力。油茶果分級后尺寸公差應限制在5 mm之內。當油茶果通過輸送裝置進入劃線裝置時，通過劃線裝置上彈簧力的調整作用，連桿可根據油茶果的尺寸以及刀口處受力的變化而沿著滑塊的通孔上下滑動，以實現彈簧刀片的刀刃只劃開油茶果殼而不損傷油茶果殼內的茶籽，從而保證果殼內茶籽的完好性。油茶果在彈簧刀片與輸送帶的相互作用下發生滾動，使得彈簧刀片在果殼表面劃線一周，劃線裝置原理示意圖如圖5所示。

圖5 劃線裝置原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of scribing device

2.3 碾輪設計

經劃線后的油茶果，需要進行破殼。碾壓過程中，由于碾輪與軸套（固定在輸出軸上，位于輸送帶之間）、油茶果之間的摩擦力對油茶果做向下滑移運動的作用很小，可近似看作油茶果在重力的作用下做純滾動。此時，可以將油茶果的運動分解為繞質心的轉動和質心的平動[13]。即油茶果在碾壓過程中既做轉動又做平動。平動可使油茶果在碾壓過程中受到較大的碾壓變形，確保油茶果可以完整破殼；轉動則可使油茶果受到均勻的碾壓，然后使得破殼后的油茶籽殼混合物從碾輪下方排出。

碾輪采用的是凸輪結構，如圖6所示，凸輪結構在碾壓受力時與圓周受力相似，而凸輪結構的設計會大大地減少出料口油茶籽殼的堵塞。

圖6 碾輪結構示意圖Fig.6 Roller structure diagram

3 結論

課題組通過對油茶果、茶殼和茶籽物料特性的分析，設計了油茶劃線切割與碾壓破殼相結合的油茶果劃線破殼裝置。相比于傳統的油茶果破殼裝置，該裝置在加工過程的傷籽率和破籽率大幅降低，分離后的茶籽、茶殼尺寸差異大，進而提高了油茶籽殼的清選效率。