油茶果脫殼裝置設(shè)計及試驗

唐湘，謝方平,2*，李旭，劉大為，王修善，毛利成

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128)

油茶果由果皮、種殼、種仁組成。種仁主要成分為脂肪、淀粉、蛋白質(zhì)、皂素等，用來提煉茶油；果皮和種殼的主要成分為粗纖維，不含油脂，占整個鮮果的45%～65%。由于帶殼壓榨會帶走油分，影響出油率，對加工油脂不利[1]，因此，油茶果加工利用前需作脫殼去皮處理。

目前，油茶鮮果去皮主要采用人工方式[2]，耗費大量人力、物力，效率低下，不能滿足油茶籽產(chǎn)業(yè)化的要求。機械代替人工去皮成為眾多油茶種植大戶、油脂加工企業(yè)的普遍要求。常見的機械脫殼方法包括撞擊法、剪切法、擠壓法、碾搓法、搓撕法[3]。由于油茶機械加工起步較晚，還沒形成規(guī)范的采后處理技術(shù)，油茶鮮果脫殼設(shè)備主要借鑒其他堅果類脫殼設(shè)備[4–7]。與油茶果物理特性相近的澳洲堅果的脫殼普遍采用擠壓原理，利用壓板或螺旋桿壓破果殼，但容易損傷果仁。涂立新[8]利用搓擦原理研究了一種油茶果剝殼機，采用螺紋鋼條焊成的內(nèi)外籠式剝殼裝置，茶果在內(nèi)外籠之間受搓擠實現(xiàn)剝殼。由于螺紋鋼條間隙不能調(diào)整，大于碎果外徑，另外油茶果大小不一，茶籽和碎果也有可能擠入外籠或內(nèi)籠，因此該裝置不能很好清選茶籽和果殼，對不同大小的油茶果適應(yīng)性較差。王建等[9]采用剪切原理研究了一種油茶果剝殼機，利用刀片對茶果進(jìn)行切割剝殼，剝殼速度較快，但果仁極易被刀片擠碎。樊濤等[10]研制的油茶果脫皮機采用擠壓原理，將果殼擠裂去皮，脫殼效率較高，但對油茶果的大小的適應(yīng)性差，果仁容易被擠碎。藍(lán)峰等[11]運用撞擊、擠壓和揉搓原理，研制了油茶果脫殼清選機，采用回轉(zhuǎn)半徑不同的脫殼桿，脫殼桿呈一定錐角和扭角，在滾筒里形成鍥形脫殼室進(jìn)行撞擊、擠壓脫殼，能適應(yīng)不同大小的油茶果，脫殼效率較高，但只適合堆漚攤曬開裂茶果脫殼，且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制作成本大。筆者對脫殼原理和脫殼機整體結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，采用撞擊、搓擦原理進(jìn)行脫殼，通過分析與試驗研究找出合理的工作參數(shù)，保證了較高的脫殼率和較低的損傷率，并且能夠適應(yīng)含水率在60%以下的且不同大小的油茶鮮果脫殼。

1 油茶果脫殼裝置的設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

油茶果脫殼裝置由喂料斗、脫殼裝置、動力傳輸部件、機架等構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 油茶果脫殼裝置結(jié)構(gòu) Fig.1 Structural sketch of camellia fruit dehulling device

喂料裝置設(shè)置在脫殼裝置的上部，由料斗、喂料量調(diào)節(jié)板組成，用于調(diào)節(jié)喂料量。脫殼室包括上、下殼體、脫殼裝置。脫殼裝置由離心甩盤、齒圈等組成。甩盤呈錐缽狀，其上焊接有若干個螺旋葉片，并緊配合固接在輸出軸一端；齒圈固定在脫殼室殼體內(nèi)；脫殼室下殼體與機架相連，內(nèi)設(shè)有分離裝置；機架裝有行走輪，可移動。

1.2 工作原理

油茶果脫殼在離心甩盤和齒圈之間的脫殼室內(nèi)進(jìn)行。油茶果進(jìn)入喂料斗后，由自身的重力作用形成薄層，落入脫殼室，在受到高速旋轉(zhuǎn)的離心甩盤葉片的打擊后，油茶果破裂，以產(chǎn)生較大的離心速度飛出，與脫殼室內(nèi)的齒圈撞擊搓擦，實現(xiàn)脫殼。

1.3 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.3.1 離心甩盤

離心甩盤上焊接有葉片，借助葉片撞擊力、摩擦力以及離心力的作用，將油茶果甩出，采用螺旋葉片能更好地甩出油茶果。

參考其他物料脫殼機參數(shù)，采用功率為2～3 kW的調(diào)速電機，轉(zhuǎn)速控制在0～1 200 r/min；考慮到脫殼室的大小與產(chǎn)量的關(guān)系，離心甩盤的半徑取0.2 m；考慮到油茶果實的直徑為20～50 mm，螺旋葉片設(shè)置8 片，且對稱排列(圖2)。

圖2 離心甩盤結(jié)構(gòu) Fig.2 Sketch of centrifugal plate

1.3.2 齒圈

圖3 齒圈結(jié)構(gòu) Fig.3 Sketch of ringgear

油茶果被離心甩盤甩出后，與齒圈(圖3)撞擊搓 擦。為加大撞擊力度，鋼圈上焊接齒條，考慮到加工成本，采取豎直方向布置，經(jīng)測定，茶果最大直徑為50 mm，因而齒條間距設(shè)計為55 mm，可防撞擊時卡住油茶果。

2 脫殼原理分析

新鮮油茶果的含水率較高，可以近似看作塑性材料。脫殼元件與油茶果沖擊開始時產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)最大沖擊力超過油茶果的屈服極限時，油茶果破裂，繼而脫殼。

假設(shè)忽略沖擊過程中油茶果與脫殼元件之間的摩擦；沖擊變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于油茶果的尺寸；脫殼元件為齒條，其截面為平面，與油茶果發(fā)生正碰撞或?qū)π呐鲎?；油茶果簡化為各向同性、均勻的球體，則油茶果與脫殼元件沖擊接觸如圖4 所示。圖中，v 為油茶果撞擊脫殼元件的速度，δ 為油茶果的變形量。

圖4 脫殼元件與油茶果沖擊接觸分析 Fig.4 Sketch of impact between camellia fruit and dehulling component

油茶果與脫殼元件撞擊時，設(shè)R0為油茶果的曲率半徑，E1和E2為脫殼元件和油茶果的彈性模量，μ1和μ2為脫殼元件和油茶果的泊松比。根據(jù)Hertz理論[12]，圓球與平面接觸時，變形量δ 為：

式中：P 為沖擊力；E*為綜合彈性模量，

參照徐麗章等[13]對水稻谷粒沖擊損傷臨界速度的分析，可知油茶果的最大變形量：

由式(1)和(2)可知，油茶果與脫殼元件間最大沖擊力：

由(3)式可知油茶果與脫殼元件撞擊前的相對速度為：

油茶果飛離甩盤后，由于速度較大，甩盤與齒圈間距較小，可以看作與脫殼元件正面撞擊，茶果撞擊脫殼元件的速度近似為茶果的飛離速度。

假設(shè)油茶果從甩盤最外端沿水平方向甩出，則飛離速度v =2πLn，式中：n 為主軸轉(zhuǎn)速；L 為離心甩盤的半徑。

結(jié)合式(4)可得，油茶果與脫殼元件沖擊發(fā)生破裂時，所需的甩盤轉(zhuǎn)速：

可計算出使油茶果發(fā)生破裂所需的甩盤轉(zhuǎn)速。從式(3)、式(5)可看出，影響撞擊脫殼沖擊力的主要因素除與油茶果自身特性有關(guān)外，還和甩盤轉(zhuǎn)速和喂料量有關(guān)。

3 油茶果撞擊脫殼試驗

3.1 試驗材料

成熟后的油茶鮮果呈球形，直徑為20～50 mm，質(zhì)量15.35～20.86g。油茶籽豐滿厚實，質(zhì)量0.461～ 1.46g，存在明顯差異。新鮮果較硬，含水率高，果殼包裹著茶籽，油茶果采摘堆漚幾天后，果殼與茶籽間隙增大，容易開裂。

2013年11月，選用長沙市場普通油茶果進(jìn)行驗證試驗。該油菜果無堆漚攤曬，含水率65%以上，茶果最大直徑50 mm，最小直徑20 mm，完整、無蟲害。

3.2 試驗設(shè)計

3.2.1 試驗指標(biāo)

根據(jù)生產(chǎn)實際要求，將脫殼率與茶籽破損率作為性能的主要評價指標(biāo)。脫殼率為脫殼后的茶果與喂入的油茶果總重的百分比。破損率為清選出的破碎和受損油茶籽與油茶籽總重的百分比。

3.2.2 試驗方法

選取甩盤轉(zhuǎn)速和喂料量作為影響因素，來評價脫殼機的工作特性，并初步確定工作參數(shù)。

每組試驗3次，結(jié)果取其平均值。每次試驗樣本為5 kg 油茶果。

通過調(diào)節(jié)調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速來控制脫殼時離心甩盤的速度，甩盤轉(zhuǎn)速應(yīng)大于油茶果脆性斷裂所需甩盤轉(zhuǎn)速的計算值。根據(jù)預(yù)備試驗情況，設(shè)置甩盤轉(zhuǎn)速分別為600、700、800、900、1 000 r/min，測定脫殼率和破損率；考慮到油茶果脫殼生產(chǎn)率的實際要求，設(shè)置喂料量分別為288、396、504、612、800 kg/h，分別測定脫殼率和破損率。

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 甩盤轉(zhuǎn)速對脫殼率和破損率的影響

由圖5 可知，當(dāng)甩盤轉(zhuǎn)速為600～700 r/min 時，隨著轉(zhuǎn)速的增大，脫殼率急劇增加；當(dāng)甩盤轉(zhuǎn)速為700～1 000 r/min 時，隨著轉(zhuǎn)速增大，脫殼率未有明顯變化，但破損率隨之增大。因為轉(zhuǎn)速增大時，油茶果被甩盤甩出的速度增加，即與齒圈撞擊速度增大，撞擊力增加，油茶果的脫殼率和破損率隨之提高，速度增加到一定程度時，已經(jīng)滿足油茶果的破殼，同時也會增加油茶籽的破損，從而脫殼率沒有大幅增加，破損率則顯著增加。

圖5 不同甩盤轉(zhuǎn)速下的油茶果的脫殼率和破損率 Fig.5 The hulling rate and damage rate of C. oleifera fruit under different rotating speed

綜合考慮脫殼率和破損率，甩盤轉(zhuǎn)速在700 r/min 左右較理想。

3.3.2 喂料量對脫殼率和破損率的影響

由圖6 可知，脫殼率隨著喂料量增大呈先增加后降低趨勢，尤其當(dāng)喂料量大于504 kg/h 時，脫殼率急劇下降，破損率整體變化則相對較小。原因在于喂料量較小時，脫殼室內(nèi)存留物料較少，莢果之間的擠壓阻滯作用小，果仁容易排出脫殼室，脫凈率低；隨著喂料量的增大，脫殼室存留物料量增加，莢果之間的擠壓摩擦作用逐漸增大，在一定程度上增加了物料在脫殼室內(nèi)的停留時間，脫凈率增加，喂料量超過504 kg/h 時，脫殼室內(nèi)存留物料過多，一部分莢果來不及脫殼就被排出脫殼室，造成脫凈率急劇下降，破損率隨之也降低。

圖6 不同喂料量下的油茶果的脫殼率和破損率 Fig.6 The hulling rate and damage rate of C. oleifera fruit under different feeding speed

綜合考慮脫殼率、破損率以及生產(chǎn)效率，喂料量應(yīng)控制在500 kg/h 左右。

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