多通道高速刨削式油茶果破殼機設計與試驗

霍俊 王焱清 孫記委 盧周成

[摘 要]為提高加工對象適應性及減少茶籽破損，設計一種基于刨削原理的多通道高速刨削式油茶果破殼機，對其工作原理及其關鍵部件的結構設計進行分析。以推進滾筒轉速和攤曬天數為試變量因子，進行油茶果脫殼試驗。試驗結果表明：破殼率超過99%，碎籽率小于1%。

[關鍵詞]油茶果；刨削式破殼；齒輪驅動；農業機械

[中圖分類號]S226.4[文獻標識碼]A

為了直接加工油茶鮮果及減少破殼過程中的茶籽破損，一些研究將機械切割作為重要的技術措施用于破殼機設計。馬君等^[1]采用刨削原理，設計了多通道氣動刨削式油茶果破殼機；陳禮東等^[2]設計了一種由切割結構、脫蒲結構等組成的切割式油茶果脫蒲機。其他類型的破殼機具則主要采用揉搓、擠壓、撞擊等破殼方式^39]，如朱廣飛等^[4]、浙江縉云縣沃德瑞機械制造有限公司^[5]、黃鳳洪等^[6]、藍峰等^[7]、唐湘等^[8]、肖靜等^[9]進行的相關研究。開發加工品質高、普適性廣的新型油茶果破殼機，仍然是增強國內農業機械化薄弱環節的主要舉措。

1 整機結構及工作原理

1.1 總體結構及工作原理

多通道高速刨削式油茶果破殼機的總體結構如圖1所示，其主要結構有振動料斗、壓料滾筒、推進滾筒、彈簧推板、壓刨刀及環形刀桿。機具作業采用仿人作業進行刨削破殼，加工對象為油茶鮮果，無需攤曬，節省了攤曬空間和攤曬時間，極大地提高了作業效率。

多通道高速刨削式破殼機工作時，經過分選直徑在一定范圍的果實均勻地進入振動料斗，油茶果經由振動料斗到輸送腔內，保證油茶果連貫地輸送到壓料滾筒凹槽內，并保證凹槽內油茶果的唯一性，自動掉入到兩撥片之間形成的凹槽內。當壓料滾筒轉動時，油茶果沿輸送腔自動地輸送到物料通道上，并沿通道繼續向前運動一段距離后，在物料通道頂蓋的作用下離開壓料滾筒。在驅動齒輪對的驅動下，推進滾筒隨著壓料滾筒轉動，其上的推桿自行插入兩個刀桿之間，接力推進滾筒，持續推動果實沿物料通道向前移動至壓刨刀處。在壓刨刀的按壓下，果實兩側翼和頂部果殼分別被刀桿上的環形刀片和壓刨刀的刀片切除，果殼在壓刨刀和推桿的擠壓下自行散開，內部籽粒和果殼分離。果實破殼過程在不損傷內部茶籽的情況下順利完成。

1.2 多通道高速刨削式油茶果破殼機性能參數

如圖1所示，油茶果掉入壓料滾筒，隨后推進滾筒接力完成破殼。為簡化計算，取推進滾筒每轉半圈在一個破殼通道有一個果子發生破殼，多通道刀片刨削式油茶果破殼機的作業速度

根據實際測量，一顆油茶果的質量約為20 g（直徑30～35 mm），取0.02 kg/顆，共計5個破殼通道，推進滾筒轉速取360 r/h；為防止堵塞，采用間歇式給料，給料效率取0.5，即可算得作業速度為360 kg/h。

多通道高速刨削式油茶果破殼機的主要性能參數如表1所示。

2 關鍵部件的設計

2.1 破殼裝置的設計

破殼裝置主要由刀桿和壓刨刀兩部分組成（圖2）。 兩相鄰刀桿構成一個油茶果通道，作為油茶果的前進路線，到達設定位置時在刀桿上刀片和壓刨刀的作用下完成破殼。

2.1.1 刀桿的設計 刀桿主要由刀軸和刀片兩部分組成（圖3）。刀片呈環形，與軸方向垂直安裝，刀刃呈45°，左端略高于右端，兩翼不利于破殼工作的被去掉。在推進滾筒上方，兩相鄰排列的刀桿構成一條弧形槽狀破殼通道（破殼通道的作用是輸送、卡持和切削油茶果），兩相鄰刀桿間距離可對應不同直徑范圍油茶果。推進滾筒的推桿介于兩刀桿之間，其頂端位于弧形通道上方。

2.1.2 壓刨刀的設計 壓刨刀主要由刀頭、導桿、刀柄組成（圖4）。刨削刀桿主體為勾形扁平長條，下端為軸承，焊接在軸上，與機架上的限位裝置配合能夠進行一定角度的旋轉，并在刀桿背部焊有導桿，用以配合壓力彈簧。當油茶果受推進滾筒推桿的推力在破殼通道上往壓刨刀方向水平移動時，油茶果首先接觸到壓刨刀刀頭部分的刀片，進入卡持狀態，推桿持續給予油茶果作用力，推力經油茶果傳遞至壓刨刀，隨后壓刨刀開始轉動，油茶果與第三層刀片接觸，壓力彈簧受反作用力使得油茶果與壓刨刀始終保持接觸狀態。若此時油茶果硬度較小會發生破殼；若油茶果硬度較大，壓刨刀繼續轉動直至限位角度，油茶果受推桿推力在刀片上被強制發生破殼。因選擇的油茶果的直徑是一個范圍值（30～35 mm），若壓刨刀固定，直徑過大的油茶果發生多次破殼，會出現碎籽的情況。單次破殼作業完成后，壓刨刀受彈簧的壓力歸位。限位裝置主要由內六角圓柱螺釘以及限位板組成，其作用為限制壓刨刀的旋轉角度，保證刀頭部分能與油茶果進行充分破殼，不會使硬度較大的果子溜走。刀桿前端與刀桿背部呈120°。破殼時刨削刀后仰，考慮到破殼時的穩定性，后仰角度不能過大，設計刀桿背部長度為270 mm，刀桿尾端長度為70 mm。

刀頭由刀座和刀片組成（圖4）。刀座與水平面呈30°，三層刀片依次垂直嵌入刀座，刀片呈弧形，便于對油茶果上半部分的刨削作業，刀片中部鏤空便于推桿及時清理刨削油茶果的剩余殘渣，三層刀片依次對應著不同直徑的油茶果刨削，保證在預選范圍內的油茶果得到充分破殼。

2.2 滾筒對的設計

油茶果進入凹形卡槽后，在傳動過程中，左方壓料撥片推著油茶果在物料通道前行，于交匯處完成壓料滾筒凹形卡槽和推料滾筒凸形推桿的切換（每個凹槽對應一個凸桿），自此推進滾筒凸桿推動油茶果前行（圖6）。

2.2.1 壓料滾筒的設計 壓料滾筒主要由中空滾筒、階梯軸、環形擋板和凹形壓料撥片組成（圖7）。凹形壓料撥片在滾筒上均勻分布，兩凹形壓料撥片與兩相鄰環形側板形成一個物料卡槽，壓料滾筒配合前端裝置完成油茶果的單顆入槽。為了保證物料在卡槽中有足夠的空間且只容納單顆油茶果，兩壓料撥片端面的垂直距離應大于范圍類油茶果最大顆粒直徑，又小于范圍類兩倍油茶果最小顆粒直徑。兩壓料撥片外端面的垂直距離

式中：R為范圍內油茶果最小半徑，mm；L為兩壓料撥片外端面垂直距離，mm；n為撥片數量；D為壓料滾筒外徑，mm。

2.2.2 推進滾筒的設計 推進滾筒主要由中空滾筒、階梯軸、凸形推桿組成（圖8）。推進滾筒起兩個作用：一是接力從壓料滾筒出來的油茶果，使其繼續在刀桿形成的導軌通道移動；二是在環形刀片以及壓刨刀片切入油茶果時提供作用力。推桿外端為凸形，既保證與凹形槽片交接時的穩定性，又方便刨削后清理油茶果殘渣。

為了滿足油茶果在壓料滾筒和推進滾筒上的切換，設計兩滾筒為上下結構，為滿足空間結構，將兩滾筒錯開一定角度。壓料滾筒中心位于刀桿左側第一個環形刀片處，且壓料滾筒上方推桿做圓周運動時經過壓刨刀前端刀片。

3 試驗與分析

3.1 試驗實例

試驗場地為湖北省咸寧市通山縣的黃袍山國家油茶果產業示范園。

完整的破殼流程分為刨削破殼—碾壓分離。經滾筒篩將直徑為30～35mm的果實挑選出來，每次試驗取定量油茶鮮果，先進行刨削破殼，得到果殼、油茶果整籽、碎籽（圖9左）及果料（圖9右），挑選出未完全破殼的果料，經二次碾壓處理得到果殼、油茶果整籽、碎籽。其物料分類見表2。

以脫殼率和碎籽率為技術指標評價試驗效果，其計算公式如下：

3.2 結果分析

3.2.1 推進滾筒轉速對破殼效果的影響 采用多通道高速刨削式油茶果破殼機試驗，以推進滾筒轉速為研究對象，保證料斗傾角為20°，油茶果為鮮果（攤曬天數為0），通過調整推進滾筒轉速的大小進行試驗，試驗結果如圖10所示。推進滾筒轉速逐漸增大，脫殼率也逐漸上升。當推進滾筒轉速為100 r/min時，脫殼率達80.27%，同時碎籽率先減小后增大，這是因為推進滾筒轉速太低時，轉矩不足，遇到包裹力大的油茶果會造成短暫性卡頓，導致破殼不均勻，碎籽率較高；推進滾筒轉速過高時，轉矩過大，使得推桿給油茶果的推力過大，刀片切入油茶果表皮過深，使得碎籽率增大。

3.2.2 攤曬天數對破殼效果的影響 采用完整的脫殼工藝（刨削破殼＋碾壓分離）加工攤曬時間不同的油茶果。料斗傾角為20°，推進滾筒轉速為80 r/min，試驗結果如圖11所示。隨著攤曬天數的增加，脫殼率也不斷增加，最后穩定在99.7%，整體增幅不大；同時碎籽率也不斷增大，最后仍不足1%，整體上試驗各指標與攤曬天數呈微弱的正相關性。在攤曬天數為1 d時與整體趨勢相悖，這是因為攤曬1 d的油茶果水分下降，包裹力減小，部分油茶果會微微開口露出籽來卻又不完全露出來，使破殼條件更加完善，其后隨著攤曬天數增加，油茶果開口越大，更容易使得籽接觸到刀片，且果實更加畸形，碎籽率也不斷增大。

試驗表明，多通道高速刨削式油茶果破殼機適用于加工未攤曬的油茶鮮果，在合適的加工條件下，脫殼率超過99%，碎籽率小于1%。

4 結論

1）以刨削原理為基礎，設計一種適用加工新鮮油茶果的破殼機，對其原理和特點進行了分析，對關鍵部件進行了設計。

2）以脫殼率和碎籽率為試驗技術指標，分別將推進滾筒轉速和攤曬天數作為試驗因素進行脫殼試驗，得到了各試驗因素對試驗技術指標的影響規律。

3）在合適的加工條件下，采用完整的脫殼工藝（刨削破殼＋碾壓分離）進行破殼試驗，脫殼率超過99%，碎籽率小于1%。以刨削原理為基礎，適用加工新鮮油茶果的破殼機，對其原理和特點進行了分析，對關鍵部件進行了設計。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 彭陽生，奚如春.油茶栽培及茶子油制取[M].北京：金盾出版社， 2010.

[2] 張超英.談我國油茶產業的發展[J].國家林業局管理干部學院學報，2013，12（01）：21-24.

[3] 邢朝宏，李進偉，金青哲，等.我國油茶籽的綜合利用[J].糧油食品科技，2011，19（04）：13-16.

[4] 李朵姣，孔向軍，方順忠. 茶籽高效增值開發利用研究進展[J]. 中國保健營養（下旬刊），2014（04）：2382.

[5] 王瑞元.特種油脂的營養價值[J].糧油加工與食品機械，2004（01）：9-10.

[6] 陳禮東，胡淑珍，任嘉嘉，等.油茶果脫蒲分離機研究現狀[J].農業工程，2020，10（08）：68-75.

[7] 王焱清，馬君，熊韌.多通道氣動刨削式油茶果破殼機設計[J].湖北農業科學，2018，57（12）：100-105.

[8] 陳禮東，胡淑珍，姚占斌，等.切割式油茶果脫蒲機設計與試驗[J].農業工程，2021，11（05）：80-85.

[9] 蘭峰，蘇子昊，鄒和東.油茶果脫蒲清選技術進展[J].南方林業科學，2020，48（04）：46-51.

[10]朱廣飛，任嘉嘉，王振，等.油茶果脫殼機的設計與工作參數優化[J].農業工程學報，2016，32（07）：19-27.

[11]李新金，蘭峰，蘇子昊.油茶果脫殼清選機國內研究現狀及成套加工工藝初探[J].南方農機，2014（06）：5-8.

[12]黃鳳洪，李文林，夏伏建，等.油茶籽脫殼機的研制與應用[J].農業工程學報，2006（11）：147-151.

[13]藍峰，崔勇，蘇子昊，等.油茶果脫殼清選機的研制與試驗[J].農業工程學報，2012，28（15）：33-39.

[14]唐湘，謝方平，李旭，等.油茶果脫殼裝置設計及試驗[J].湖南農業大學學報（自然科學版），2014，40（06）：665-668.

[15]肖靜，李立君，楊蹈宇，等.抓夾式油茶果殼籽清選機設計與試驗研究[J].農機化研究，2017，39（04）：93-97

Design and Experimental Research of Multi-channel Blade High

speed Planer for Camellia Oleifera Shelling

HUO Jun^1，2，WANG Yanqing^1，2，SUN Jiwei^1，2， LU Zhoucheng^1，2

（1 School of Mechanical Engineering， Hubei Univ. of Tech.， Wuhan 430068，China;

2 Hubei Agricultural Machinery Engin. Research and Design Institute， Wuhan 430068，China）

Abstract：In order to improve the adaptability of processing objects and reduce the damage of tea seeds， a gear driven camellia oil fruit high-speed planer was designed based on planing principle， and its working principle and the structural design of its key components were analyzed. Taking the rotation speed of the propulsion drum and the days of drying as test variables， the shell breaking rate of camellia oleifera fruit was over 99% and the seed breaking rate was less than 1%.

Keywords：Camellia oleifera; Shelling by planer machining; gear drive; agricultural machinery

[責任編校：張 眾]