多通道氣動刨削式油茶果破殼機設(shè)計

王焱清 馬君 熊韌

摘要：采用刨削加工作為脫殼手段，設(shè)計了專用氣動推壓手爪，以環(huán)形推壓手爪陣列為核心，構(gòu)成多通道氣動刨削式油茶果破殼機。根據(jù)運動原理，分析了推壓手爪的運動力學性能及果實在刀條上的運動軌跡。通過切削力監(jiān)測，證明推壓手爪提供了刨削加工所需的切削力。采用試制的原型機配套通用色選機進行脫殼清選試驗，加工未經(jīng)攤曬的油茶果，脫殼率超過99%、破子率小于2%、子中含殼率小于2%。

關(guān)鍵詞：油茶果；脫殼清選；刨削式破殼；氣動推壓手爪

中圖分類號：S226.4 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2018）12-0100-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.12.027

Abstract： In order to reduce seed damage in fresh Camellia oleifera shelling， the planer machining is used and the specific pneumatic pushing hand is innovated. The multi-channel pneumatic planer for Camellia oleifera shelling is constructed based on a matrix of pushing hands mounted on the rotating cylinder. Each rotating pushing hand pushes a fruit forward by certain down force on the blade bar， and the two wings of the spherical shell is cut off by the blades. The kinematic character of the pneumatic pushing hand is analyzed， and the motion trajectory of the fruit on the blade bar is described. By monitoring the cutting force，it is confirmed that the pushing hands give proper action forces for planer operation. Using the self-developed prototype planer and general color sortor，fresh Camellia oleifera fruit shelling and sorting test was carried out and the satisfactory result was obtained， the shelling rate>99%， seed damage rate<2%，shell content in seed<2%.

Key words： Camellia oleifera； shelling and sorting； shelling by planer machining； pneumatic pushing hand

油茶是中國特有的木本油料樹種，主要分布于湖南、江西、湖北等南方地區(qū)，預計到2020年，全國油茶種植規(guī)模將達467萬hm2，茶油產(chǎn)量達250萬t[1，2]。油茶果集中采摘后，需破殼取出茶子，用于榨油。人工脫殼清選耗費工時，且易受天氣影響[3]。

隨著農(nóng)村人口城鎮(zhèn)化步伐加快，機械化脫殼清選工藝及裝備研究受到重視。中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院朱廣飛等[4]設(shè)計了一種滾筒擠壓式破殼機，用于加工未經(jīng)攤曬的油茶果，平均脫殼率為96.91%、平均碎子率為3.38%。藍峰等[5]、黎子明等[6]研制的破殼機，通過在鍥形脫殼室內(nèi)對油茶果進行撞擊、擠壓和揉搓進行破殼，適宜加工經(jīng)堆漚攤曬開裂、含水率20%～55%的果實，脫殼率超過99%、碎子率2%～3%。李陽等[7]研制出一種揉搓式油茶果破殼機，用于加工堆漚攤曬開裂、含水率低于55%的油茶果，脫殼率超過97%，碎子率小于5%。唐湘等[8]設(shè)計了一種撞擊式破殼機，用于加工未攤曬、含水率65%以上的油茶果，脫殼率達到85.3%、碎子率為6.5%，其他有關(guān)破殼機的研究報道還有許多[9-20]。

1 多通道氣動刨削式油茶果破殼機總體結(jié)構(gòu)及工作原理

油茶果機械化脫殼，關(guān)鍵問題集中在于：①降低茶子破損；②直接加工未經(jīng)攤曬的油茶果（圖1）。采用刨削工藝連續(xù)逐顆地切除果實的部分果殼進行脫殼加工，從而降低擠壓力，減少茶子破損。

1.1 總體結(jié)構(gòu)

多通道氣動刨削式油茶果破殼機總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要部件包括振動給料斗、滾筒、氣動推壓機構(gòu)（推壓手爪）和刀條。

1）振動給料斗。振動給料斗功能是將油茶果連續(xù)均勻地輸送到破殼機內(nèi)。

2）滾筒。滾筒功能是帶動推壓手爪轉(zhuǎn)動以及為推壓手爪提供壓縮空氣。滾筒為中空、封閉的圓形轉(zhuǎn)軸，一端安裝旋轉(zhuǎn)接頭，可將壓縮空氣引入轉(zhuǎn)軸空腔。

3）推壓手爪。推壓手爪是破殼機的核心部件，如圖3所示，主要部件包括壓指裝置、推桿裝置、換向閥和推指裝置。

4）刀條。刀條結(jié)構(gòu)如圖4所示，由刀片、節(jié)塊和刀軸構(gòu)成。刀片為梯形，上窄下寬，側(cè)棱開有刃口，刀片由節(jié)塊分隔依次安裝在刀軸上。在滾筒上方，相對排列的一對刀條，構(gòu)成一條V形槽狀破殼通道。破殼通道的功能是卡持并切削油茶果，每條通道對映不同直徑范圍的果實。推壓手爪的壓指介于兩刀條之間，其頂端在V形槽上方。

5）空壓系統(tǒng)。破殼機的空壓系統(tǒng)如圖5所示，主要部件為空氣壓縮機、空氣過濾器、壓力調(diào)節(jié)閥、壓指氣缸、換向閥以及推指氣缸。壓力調(diào)節(jié)閥的功能是調(diào)節(jié)供氣壓力。

6）整體布置和工作效率。在滾筒上以環(huán)形陳列形式均勻安裝多個推壓手爪，如截面圓上設(shè)置M行，軸線方向上設(shè)置N列。理論上，滾筒轉(zhuǎn)動一周可破碎（M×N）顆果實，例如，一臺16（4×4）個推壓手爪的破殼機，壓剝輥子轉(zhuǎn)速80 r/min，油茶果平均重量20 g/顆，則每小時理論工作效率為76 800顆/h或 1 536 kg/h。實際作業(yè)效率比理論低，可按理論效率的70%計。

1.2 推壓手爪運動力學分析

1）齒尖旋轉(zhuǎn)半徑。破殼機運動原理如圖6所示。推壓手爪為安裝在滾筒上的直動滑桿機構(gòu)。根據(jù)幾何關(guān)系，壓指齒尖相對于滾筒中心O的旋轉(zhuǎn)半徑是壓指氣缸行程c的函數(shù)Rt（c）。通過建立數(shù)學模型并采用MATLAB軟件進行求解，選取一組連桿參數(shù)，得到的齒尖旋轉(zhuǎn)半徑曲線如圖7所示。

當滾筒轉(zhuǎn)動時，壓指推動油茶果向前移動，其弧形頂端逐漸接近果實；當弧頂接觸且不能推動果實時，則壓指向后擺動、齒尖旋轉(zhuǎn)半徑減小，壓指齒尖咬入果殼，帶動果實隨齒尖向后擺動。

2）壓指弧頂法向作用力。壓指弧頂?shù)淖饔檬鞘┘酉蛳碌淖饔昧τ诠麑崱８鶕?jù)力矩平衡原則，其法向作用力Fp與氣缸供氣壓力成正比，可表示為：

Fp（c，λ）=K（c，λ）×A×P （1）

式中，F(xiàn)p—壓指法向作用力，N；K（c，λ）—壓指法向作用力與供氣壓力關(guān)系函數(shù)；A—壓指氣缸活塞面積，mm2；P—供氣壓力，MPa；λ—壓指弧頂位置，°；c—壓指氣缸行程，mm。

經(jīng)計算，得到c=0時關(guān)系曲線Kc=0（λ）和λ=20°時關(guān)系曲線Kλ=20（c），如圖8所示。

根據(jù)上述關(guān)系曲線可知，壓指具有合適的力學屬性，在初始位置及逆向擺動過程中的任何位置均能以必要的作用力將果實按壓在刀條上。

1.3 果實在卡點處的運動及受力分析

當油茶果卡持在兩個刀片之間不能繼續(xù)向前移動時的位置稱為卡點。在卡點處，果實的運動軌跡如圖9所示。

當滾筒轉(zhuǎn)動而果實不向前移動時，壓指受果實阻礙向后擺動，帶動果實繞刀片擺動，同時，壓指氣缸向下移動。當壓指氣缸移動到預先設(shè)定的位置時，推指彈出，在壓指齒尖下方與果殼接觸，推動果實返回到原卡點位置。果實以上運動過程，相當于在卡點處自轉(zhuǎn)了一定角度（果實中心運動路線為O′-O″-O？蓯）。

在卡點處，果實起初受到的作用力為壓指作用力Fy′，推指彈出后受到的作用力為壓指作用力Fy？蓯和推指作用力Ft。作用力Fy？蓯和Ft沿移動方向（x軸）的分量顯著大于Fy′的移動方向分量，即加工果殼的切削力增大。當滾筒持續(xù)旋轉(zhuǎn)時，推壓手爪推動果實越過卡點向前移動，嵌入刀片的兩側(cè)果殼被切除，實現(xiàn)了刀條對果殼的刨削加工過程。

1.4 破殼步驟

根據(jù)以上工作原理，破殼過程細分為推移、咬合、刨削、推散及復位。結(jié)合高速攝像機拍攝的視頻圖像（圖10），具體步驟描述如下。

1）推移。推壓手爪隨滾筒轉(zhuǎn)動，壓指推動破殼通道上的油茶果向前移動（圖10a）。

2）咬合。當壓指無法推動油茶果時，油茶果卡在節(jié)塊間的刀片上。滾筒繼續(xù)轉(zhuǎn)動，壓指隨之逆向擺動，指尖旋轉(zhuǎn)半徑變小，逐漸接近并咬入果殼（圖10b和圖10c）。

3）刨削。壓指逆向擺動，壓指氣缸活塞克服壓縮空氣施加的作用力后退。當活塞到達預定位置，換向閥換向，推指氣缸進氣，推指彈出頂在果殼上。在推指和壓指的雙重作用下，果實再次向前移動，嵌入刀片的兩側(cè)果殼被切除（圖10d）。

4）推散。果殼部分被切除后，果殼整體承壓能力下降，推壓手爪的作用力使整個果殼散開，果殼和茶子充分分離（圖10e）。

5）復位。果殼破碎后，壓指移動阻力下降，壓指氣缸在壓縮空氣推動下回位。同時，推桿松開，換向閥更換到排氣位置，推指氣缸自行回位，推指縮回。氣動推壓手爪各部件返回到初始位置，進入下一輪工作狀態(tài)。

1.5 切削力監(jiān)測

利用K3D120-500N型三軸力傳感器監(jiān)測刀條及切削力監(jiān)測結(jié)果如圖11所示。切削力（紅色曲線）瞬時增大，證明推壓手爪在卡點處對果殼的作用力發(fā)生了突變，刀片對果殼的刨削加工得以實現(xiàn)。

2 配套通用色選機的脫殼清選工藝試驗

2.1 實例試驗

試驗在湖北三元實業(yè)有限公司生產(chǎn)基地進行，以公司種植基地采收的“陽新桐茶”系列油茶果為試驗材料。從堆漚5 d的油茶果中，采用分級機選取直徑32～42 mm的果實一批，攤曬在曬場上。天氣晴朗、最高氣溫17～25 ℃、最低氣溫8～12 ℃。

完整的脫殼清選工藝為刨削破殼-碾壓分離-振動篩分-顏色分選。經(jīng)過篩分和色選后，脫殼的物料分為3類：粗殼料（振動篩第一層物料）、子料（振動篩第二層和第三層物料經(jīng)色選機分選后出子口排出的物料）、碎殼料（色選機出殼口排出的物料）。采用手工挑選方法，又將以上3類物料分為整子（無損傷的茶子）、損子（子殼破損露出子仁）及殼片（表1），其中粗殼料中還含有果料（未破殼的果實及果殼和茶子仍黏接在一起的物料）。

以脫殼率、破子率及子中含殼率為技術(shù)指標評價試驗效果，其計算方法：

脫殼率=（m-m10）/m×100%；

破子率=（m12+m22+m32）/（m11+m21+m31+m12+m22+m32）×100%；

子中含殼率=m23/m2×100%。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 供氣壓力對刨削破殼效果的影響 采用氣動刨削式破殼機，以不同的供氣壓力加工未經(jīng)攤曬的油茶果，破殼后計算脫殼率和破子率，結(jié)果如圖12所示。

供氣壓力與脫殼效果有直接關(guān)系。在挑出的果料中，如果有一些果實未破裂，則需要增大供氣壓力；如果果實全部破裂，則可適當降低供氣壓力。使用過高的供氣壓力，破子率會上升。

采用刨削破殼的脫殼率為70%～85%。未經(jīng)攤曬的油茶果含水率較高，果殼包裹茶子較為緊密。在切除部分果殼后，部分茶子仍然會與果殼黏接在一起，需要進一步分離處理。

2.2.2 攤曬時間對脫殼效果的影響 采用完整的脫殼清選工藝（刨削破殼+碾壓分離+振動篩分+顏色分選）加工攤曬時間不同的油茶果，試驗結(jié)果如圖13所示。分析試驗結(jié)果可知，①脫殼率均在99%以上，與攤曬時間無關(guān)聯(lián)；②增加攤曬時間，尤其攤曬 5 d后，破子率下降；③子中含殼率與攤曬時間有關(guān)聯(lián)，攤曬時間超過3 d，子中含殼率有上升趨勢。這是因為，攤曬后少量果殼顏色變成深褐色，與茶子顏色接近，降低了色選機的分選效果。

脫殼清選試驗表明，采用多通道氣動刨削式油茶果破殼機和通用色選機構(gòu)建的機械化脫殼清選工藝流程，適用于加工堆漚未攤曬的油茶果。在合適的工藝條件下，加工未經(jīng)攤曬的油茶果，脫凈率超過99%，破子率小于2%、子中含殼率小于2%。

現(xiàn)場工人直觀評價，破殼后的物料中僅可見少量茶子損傷，且損傷的茶子，形體保持基本完整，不影響使用?？傮w而言，采用刨削破殼機配套通用色選機構(gòu)建的脫殼清選工藝，工作效率高、茶子破損少，分選效果好，可完全替代人工脫殼清選作業(yè)。

3 結(jié)論

1）經(jīng)過反復試驗，研制出專用氣動推壓手爪，以此為核心部件設(shè)計出多通道氣動刨削式油茶果破殼機，以連續(xù)逐顆作業(yè)方式對油茶果進行破殼加工。

2）根據(jù)破殼機運動原理，采用數(shù)學計算方法得到推壓手爪的運動力學性能曲線，分析了在推壓手爪作用下果實被刀片切削瞬間的運動軌跡及受力狀態(tài)。采用力傳感器監(jiān)測到的切削力瞬時增大及高速攝像機拍攝到的推壓手爪運動和果殼破裂過程，驗證了理論分析和實際工況的一致性。

3）多通道氣動刨削式油茶果破殼機配套通用色選機構(gòu)建的脫殼清選工藝流程，適宜加工堆漚未攤曬的油茶果，脫凈率超過99%、破子率小于2%、子中含殼率小于2%。

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