立錐結(jié)構(gòu)式油茶脫殼機技術(shù)分析研究

湯晶宇， 張禹鑫， 吳 昊， 寇 欣， 曲振興， 王 東， 徐克生

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091；2.國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；3.哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江 哈爾濱150080)

為實現(xiàn)油茶果的機械化脫殼，解放勞動生產(chǎn)力、提高工作效率，研究者們根據(jù)油茶果的生物學(xué)特征開發(fā)出形式多樣的油茶果脫殼裝備，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)脫殼原理大體可分為揉搓、對搓、撞擊、切割與擠壓等[1]。如何提高油茶果脫殼的效率、降低脫殼過程中的損傷率是優(yōu)化脫殼設(shè)備的主要研究方向。

1 油茶脫殼技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 油茶脫殼技術(shù)原理

揉搓脫殼是將油茶果實置于脫殼區(qū)間內(nèi)，通過運動的脫殼結(jié)構(gòu)對油茶果實施加擠壓力和摩擦力，在揉搓過程中使油茶果實逐漸松散，達到殼籽分離的目的。此脫殼區(qū)間一般設(shè)置有花紋凸起和揉搓楞筋來增強對油茶果實的擠壓力和摩擦力，增強脫殼效果。

對搓脫殼脫殼區(qū)間內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在相對運動，作用在油茶果上表現(xiàn)為對向撕扯，進而形成摩擦力幫助殼籽分離。此脫殼區(qū)間一般多為有速度差的固定壓板與輸送帶組合或一對輸送帶組合。

撞擊脫殼是通過裝置帶動油茶果實旋轉(zhuǎn)運動，在離心力的作用下使油茶果與擊打輥或沖擊板等作用裝置發(fā)生碰撞，果實外殼破裂，殼與籽在這一變形過程中發(fā)生分離。

切割脫殼是在脫殼區(qū)間設(shè)置與果實產(chǎn)生相對運動的刀片或針輥，當果實運動至剪切機構(gòu)中時，所受剪切力導(dǎo)致果實破裂。

擠壓脫殼通常在脫殼區(qū)間設(shè)置有成對的擠壓板或壓輥，一對擠壓結(jié)構(gòu)之間存在相對運動，以擠壓板為例，一般為一個定板一個動板，通過向處于其中的果實施加擠壓力使果殼受壓變形。

1.2 立錐式油茶脫殼

立錐式油茶脫殼屬于揉搓式脫殼，相比較其他結(jié)構(gòu)油茶脫殼機，其上方喂入油茶果較為方便，有效脫粒面積比臥式占機器比較大，油茶果在脫殼區(qū)間停滯時間較長，因此脫凈率較高。從經(jīng)濟性角度看，臥式脫殼機的傳動系統(tǒng)采用多級傳送帶與鏈傳動，而立錐式脫殼機的傳動系統(tǒng)按照豎直線軸布置，結(jié)構(gòu)簡單緊湊占地面積小[2]。但由于立錐式脫殼裝備的自身結(jié)構(gòu)形式限制，喂入量增加時易造成脫殼區(qū)間堵塞，從而增加油茶籽破損率，故在相同時間內(nèi)立錐式油茶脫殼量要明顯低于其他方式，更加適用于進行少量精準脫殼與科研試驗[3]。目前在實際油茶脫殼領(lǐng)域中立錐式油茶脫殼機沒有得到廣泛的應(yīng)用，針對性的研究相對較少。

2 立錐式油茶脫殼機結(jié)構(gòu)

2.1 工作原理

立錐式油茶脫殼機基于立式薄層流動脫殼原理，主要通過內(nèi)筒和外筒的相對運動對其間隙中的油茶果實進行差速擠搓，差速擠搓力和脫殼區(qū)間存在的形狀各異楞筋突起、具有摩擦力的表面對果實產(chǎn)生打擊力共同實現(xiàn)脫殼動作。

2.2 脫殼區(qū)間結(jié)構(gòu)形式

在進行立錐式脫殼機研制與試驗中，為適應(yīng)不同油茶品種的生物特性與尺寸特征，脫殼機結(jié)構(gòu)形式多樣。脫殼區(qū)間一般包括動力旋轉(zhuǎn)內(nèi)筒與固定外筒，結(jié)構(gòu)形式大致分為以下幾種。

(1)內(nèi)筒為同旋轉(zhuǎn)主軸運動的圓柱體，如圖1所示。內(nèi)筒表面分布有楞筋，外筒為倒圓臺形狀[4]，內(nèi)外筒之間形成間隙由大變小的脫殼空間，針對不同尺寸油茶果進行脫殼。

圖1 內(nèi)筒圓柱體

(2)旋轉(zhuǎn)內(nèi)筒為正圓臺形狀[5]，如圖2所示。內(nèi)筒上設(shè)置有滾花花紋，配合無動力外筒進行脫殼，此形式外筒一般豎直方向位置可移動以調(diào)整脫殼間隙。為增大脫殼行程，脫殼區(qū)間正圓臺邊線與底面所形成角度一般較小。

圖2 內(nèi)筒正圓臺形狀

(3)內(nèi)筒為正圓錐倒圓臺結(jié)構(gòu)形式組合，如圖3所示。正圓錐內(nèi)筒部分方便進料，且在此部分設(shè)置球狀突起[6]，此結(jié)構(gòu)進料時對果實起到撞擊擠壓作用，倒圓臺部分對果實進一步碾搓，脫凈率較高，進料過多時易堵塞。

圖3 內(nèi)筒正圓錐倒圓臺結(jié)構(gòu)

內(nèi)筒為倒圓臺接傾角更大的倒圓臺[7]，如圖4所示。以便于脫殼后導(dǎo)向果實下落到下一機器結(jié)構(gòu)內(nèi)，防止果實堵塞造成破碎。

圖4 內(nèi)筒雙圓臺結(jié)構(gòu)

脫殼外筒有封閉式與開放式兩種形式。封閉式整體封閉，結(jié)構(gòu)形式隨內(nèi)筒，具有相同的角度。開放式為網(wǎng)格式凹板篩、柵條式凹板篩，其在防止堵塞的同時對脫殼后果實的不同形態(tài)進行篩分，保證較好地完成脫殼，又能降低脫殼結(jié)構(gòu)對果仁造成的傷害。脫殼區(qū)間結(jié)構(gòu)形式的不斷改進完善，為立錐結(jié)構(gòu)式油茶果脫殼機的應(yīng)用創(chuàng)造了良好的發(fā)展前景。

2.3 輔助殼籽分離機構(gòu)

通過立錐結(jié)構(gòu)式脫殼機脫殼后的油茶果已經(jīng)分裂開，但仍有部分茶籽被果殼包裹，因此脫殼機下一般設(shè)置有輔助殼籽分離裝置，用于將被果殼包裹的油茶籽與果殼分離[8]。

3 幾種作物的立錐式脫殼設(shè)備

3.1 立錐式巴旦木脫殼設(shè)備

塔里木大學(xué)范修文等[9]研制的圓錐式巴旦木破殼分離機如圖5所示。該機為防止脫殼滾筒堵塞，在作物進料口下設(shè)置了均布器。巴旦木在脫殼前期受到橡膠螺旋筋條的擊打作用，脫殼后期依靠內(nèi)外滾筒的擠搓作用進行脫殼。螺旋筋條推動脫殼后的果仁向下運動，減少果仁在脫殼區(qū)間的停留時間，其中錐式凹板篩能夠促使巴旦木充分脫殼。

圖5 圓錐式巴旦木破殼分離機

3.2 立錐式蓖麻脫殼設(shè)備

沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)侯俊明等[10]研制的雙圓臺錐式蓖麻脫殼清選機如圖6所示。該機上下脫殼滾筒對蓖麻蒴果施加擠壓力與摩擦力，實現(xiàn)破殼動作后落入脫殼機輔助機構(gòu)中，輔助機構(gòu)包括振動孔篩與高壓離心風(fēng)機，對揉搓后的蓖麻進行殼籽分離處理。

圖6 雙圓臺錐式蓖麻脫殼清選機

3.3 立錐式花生脫殼設(shè)備

沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)陸榮等[11]研制的立錐式花生脫殼裝置如圖7所示。該機通過均料錐和導(dǎo)流片合理分布花生莢果，輔助機構(gòu)為喂入量調(diào)節(jié)板，能夠保證一部分花生莢果脫離脫殼區(qū)間后才進行花生莢果的繼續(xù)喂入，實現(xiàn)了脫殼機喂入量的自調(diào)節(jié)，避免堵塞的同時保證了花生莢果受力均勻，提高脫殼效率。

圖7 立錐式花生脫殼裝置

4 立錐式油茶脫殼機脫殼關(guān)鍵技術(shù)分析

油茶果在脫殼區(qū)間內(nèi)受到滾筒內(nèi)部凸起結(jié)構(gòu)的碰撞沖擊力與滾筒內(nèi)側(cè)的擠壓對搓力，隨導(dǎo)向機構(gòu)向下運動的同時受果實自身重力的作用使果實下落。通過參考其他作物的立錐結(jié)構(gòu)式脫殼設(shè)備以及立錐式油茶脫殼原理可知，影響油茶脫殼效果的因素主要有滾筒轉(zhuǎn)速、脫殼區(qū)間材料與形式、滾筒錐角與脫殼筒間隙等。

脫殼滾筒轉(zhuǎn)速需綜合考慮油茶果殼的生物特征如厚度、含水率等因素，當脫殼滾筒轉(zhuǎn)速升高時，滾筒內(nèi)部凸起結(jié)構(gòu)對果實產(chǎn)生的擊打力與內(nèi)外筒對果實的搓擦力隨之增大，會導(dǎo)致油茶破損率增大；若轉(zhuǎn)速過小則會導(dǎo)致油茶脫殼不充分，破殼效果不理想。

脫殼區(qū)間所用材料決定了脫殼機工作時內(nèi)外滾筒對果實摩擦力的大小，脫殼區(qū)間內(nèi)表面形式不同即凸點或楞筋對油茶果產(chǎn)生的沖擊力大小也不同，脫殼區(qū)間的材料選擇與結(jié)構(gòu)形式直接影響茶果在脫殼滾筒中的受力情況。

脫殼滾筒錐角直接影響果實是否能夠順利進入到脫殼區(qū)間[12]，影響果實在脫殼區(qū)間的停留時間，決定了脫殼作用時間、果實下落速度與脫殼行程。

通過對脫殼滾筒間隙的設(shè)計，求解果實在脫殼區(qū)間中的受力變形情況，為果實的動力學(xué)分析提供理論依據(jù)，當脫殼間隙即最小極限間隙值逐漸增大時，油茶果達到脫殼條件的位移與時間隨之增加[13]，影響果實運動速度從而影響脫殼效果。

另外，脫殼筒內(nèi)的楞筋分布螺旋升角、楞筋數(shù)目和進料口結(jié)構(gòu)形式等變量都會對脫殼效果造成一定的影響。

5 小結(jié)

目前的立錐結(jié)構(gòu)式油茶脫殼機在工作效率與損傷率之間無法取得最優(yōu)效果，在今后的研究中除了通過對油茶果實進行受力分析來計算主要影響因素的合理取值范圍，還應(yīng)同時確認其他因素產(chǎn)生的影響效果，并結(jié)合多因素對脫殼效果產(chǎn)生的共同影響進行立錐結(jié)構(gòu)式油茶脫殼設(shè)備的研制與優(yōu)化。