切割式油茶果脫蒲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陳禮東，胡淑珍，姚占斌，任嘉嘉，潘鋒波，洪毅曉

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083； 2.中機(jī)康元糧油裝備有限公司，北京 100083；3.青田縣僑鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，浙江 青田 323900)

0 引言

油茶與橄欖、油棕、椰子并稱世界4大木本油料，屬于我國(guó)重要的木本油料作物，有我國(guó)“木本油之首”的稱號(hào)[1-3]。茶籽中富含油酸、亞油酸和亞麻酸等不飽和脂肪酸，油脂組成結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)與橄欖油相似，因此又被稱為“東方橄欖油”[4-5]。茶蒲中含有多糖、茶皂素等物質(zhì)，可用于醫(yī)藥、飼料等工業(yè)領(lǐng)域[6-8]。油茶產(chǎn)業(yè)是江西、湖南和廣西等地重要的經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)[9-10]。

油茶果經(jīng)過(guò)脫蒲分離、茶籽干燥后可用于油脂加工產(chǎn)業(yè)。在脫蒲分離階段，脫蒲率、茶籽有效得率、分離效率及精度等指標(biāo)能有效評(píng)價(jià)茶籽油茶果脫蒲機(jī)的優(yōu)良性，為茶油產(chǎn)業(yè)提供基礎(chǔ)設(shè)備?，F(xiàn)有技術(shù)主要有輥筒擠壓、氣動(dòng)刨削和碾壓等方法實(shí)現(xiàn)油茶果脫蒲[11-18]。而茶籽大多數(shù)呈不規(guī)則形狀，通過(guò)以上方法脫蒲后，產(chǎn)生的茶蒲與茶籽難以實(shí)現(xiàn)分離。因此，設(shè)計(jì)切割式油茶果脫蒲機(jī)，使脫蒲過(guò)程中，盡量降低茶蒲碎片的尺寸，便于與茶籽分離。

1 試驗(yàn)材料特性

1.1 外形尺寸

試驗(yàn)原料采用湖南祁陽(yáng)地區(qū)所產(chǎn)油茶果。該地區(qū)油茶果外形多呈球形(圖1)，有利于茶果分級(jí)挑選。

圖1 油茶果Fig.1 Camellia oleifera fruit

利用游標(biāo)卡尺對(duì)油茶果進(jìn)行抽樣測(cè)量，結(jié)果如圖2～4所示。

圖3 茶籽尺寸分布Fig.3 Size distribution of tea seeds

圖4 茶蒲厚度分布Fig.4 Size distribution of tea shell

(1)油茶果粒徑尺寸分布于10～60 mm，其中直徑在20～45 mm的油茶果約占樣本的81%，而30～35 mm范圍內(nèi)的分布最多，約占樣本的20%。

(2)油茶籽粒的長(zhǎng)邊尺寸分布于8～31 mm，其中在11～22 mm約占樣本的81%；短邊尺寸分布于2～25 mm，其中5～6 mm約占樣本的80%。

(3)茶蒲厚度分布于1～6 mm，其中2～5 mm約占樣本的85%，茶蒲頂部和根部普遍比中間厚約3 mm。

1.2 力學(xué)特性

力學(xué)特性試驗(yàn)所用原材料與上文相同，試驗(yàn)儀器采用由深圳三思縱橫科技股份有限公司生產(chǎn)的UTM4304型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

取新鮮的油茶果30顆，分為兩組進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，分別進(jìn)行縱向(果根沿果頂部方向)和橫向(與縱向垂直)勻速(0.5 mm/s)加載試驗(yàn)(圖5)。根據(jù)電腦軟件顯示曲線，記錄曲線突變時(shí)顯示的破蒲力和破蒲位移，將記錄的破蒲力結(jié)果按照順序排列后，如圖6所示。

圖5 靜態(tài)壓縮試驗(yàn)Fig.5 Static compression test

圖6 油茶果破蒲力及位移Fig.6 Breaking force and displacement of Camellia oleifera fruit

油茶果橫向破蒲力大于縱向破蒲力。橫向載荷最大可達(dá)到657 N，破蒲力平均值416 N；縱向載荷最大435 N，破蒲力平均值330 N。橫向破蒲位移平均值2.4 mm；縱向破蒲位移平均值2.1 mm。

橫向破蒲力大于縱向破蒲力可能與油茶果在生長(zhǎng)過(guò)程中形成紋理且沿縱向分布有關(guān)[19-20]。

2 切割式脫蒲分離機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

由于經(jīng)過(guò)搓擦、擊打和摩擦等方式脫蒲后，產(chǎn)生的茶蒲與茶籽在形狀、尺寸上差距不明顯，難以區(qū)分。切割式脫蒲機(jī)先對(duì)油茶果表面進(jìn)行淺層處理，在油茶果表面產(chǎn)生多道切縫而不斷裂，然后利用脫蒲結(jié)構(gòu)進(jìn)行脫蒲處理；脫蒲工作時(shí)，油茶果茶蒲在沖擊力的作用下，在切縫處產(chǎn)生應(yīng)力集中而斷裂開(kāi)，使茶籽與茶蒲分開(kāi)。以此產(chǎn)生尺寸較小的茶蒲碎片，短小的茶蒲碎片與茶籽在尺寸上存在較大差距，可通過(guò)篩網(wǎng)形式實(shí)現(xiàn)分離。

2.2 切割結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)油茶果的力學(xué)特性并結(jié)合設(shè)計(jì)原理，切割結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程如圖7所示。

1.輥筒 2.短齒 3.進(jìn)料室 4.油茶果圖7 切割結(jié)構(gòu)工作示意Fig.7 Working diagram of cutting structure

工作時(shí)，油茶果經(jīng)過(guò)進(jìn)料斗進(jìn)入至切割輥筒之間的間隙內(nèi)，輥筒上均勻布置的若干短齒可對(duì)油茶果表面進(jìn)行切割，使油茶果表面產(chǎn)生多道切縫而不使其裂開(kāi)。對(duì)不同果蒲厚度的油茶果，可更換具有適當(dāng)切割齒深度的切割輥筒，輥筒中心距可根據(jù)油茶果粒徑的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。

根據(jù)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，在理想條件下，短齒及輥筒的輸入功率P為

(1)

式中f1——電機(jī)扭力，N

P——電機(jī)功率，kW

n——轉(zhuǎn)速，r/min

r——短齒半徑，m

同時(shí)考慮到切割齒在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程，對(duì)油茶果產(chǎn)生的沖擊力f2為

(2)

(3)

(4)

式中m——油茶果質(zhì)量，kg

t——切割時(shí)間，s

l——切割齒長(zhǎng)度，mm

q——數(shù)量

p——切割齒圓周方向間距，mm

扭力f1與沖擊力f2之和，應(yīng)當(dāng)大于油茶果脫蒲力，才能使油茶果表面產(chǎn)生切縫。整合式(1)～(4)后，則油茶果破蒲力F為

(5)

在此條件下，切割結(jié)構(gòu)的處理量w為

(6)

式中w——處理量，kg/h

L——輥筒長(zhǎng)度，mm

d——油茶果平均直徑，mm

φ——物料填充系數(shù)，0.05～0.45，取0.15[21]

整合式(3)和(6)后，處理量w為

(7)

2.3 脫蒲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)切割結(jié)構(gòu)處理后，油茶果表面產(chǎn)生多道切縫。在力的作用下，茶蒲沿切縫斷開(kāi)。為了降低對(duì)茶籽的損傷，采用柔性橡膠板，結(jié)構(gòu)如圖8所示。

1.連接軸 2.螺母 3.夾板 4.半圓篩 5.橡膠板 6.蓋板圖8 脫蒲結(jié)構(gòu)Fig.8 Shell structure

經(jīng)過(guò)切割處理后的油茶果進(jìn)入脫蒲結(jié)構(gòu)內(nèi)，柔性橡膠板對(duì)其施加擊打作用，使茶蒲與茶籽分開(kāi)。帶有切縫的茶蒲在多個(gè)橡膠板的作用下，沿切縫斷裂，以此產(chǎn)生尺寸較小的茶蒲碎片，然后由底部的半圓篩漏出至出渣口。以螺旋方式安裝的柔性橡膠板產(chǎn)生的螺旋推力，將茶籽輸送至側(cè)面出籽口，以此實(shí)現(xiàn)茶籽與茶蒲的分離。

將旋轉(zhuǎn)的橡膠板設(shè)定為靜止?fàn)顟B(tài)，油茶果作為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。運(yùn)動(dòng)的油茶果對(duì)橡膠板形成沖擊，此沖擊力使油茶果沿裂縫破裂。則油茶果的運(yùn)動(dòng)速度為

(8)

式中v0——油茶果運(yùn)動(dòng)速度，m/s

F0——沖擊力，N

t——沖擊接觸時(shí)間，擬定為0.01 s

則橡膠板的轉(zhuǎn)速n為

(9)

式中n——橡膠板轉(zhuǎn)速，r/min

v——橡膠板速度，m/s

r0——接觸點(diǎn)半徑，擬定為0.5 m

2.4 總體結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)

為了避免切割短齒對(duì)茶籽造成的損傷及切縫數(shù)量不足等問(wèn)題，油茶果需要按照徑粒大小進(jìn)行分級(jí)，切割輥筒中心距根據(jù)徑粒大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。

根據(jù)所設(shè)計(jì)的切割結(jié)構(gòu)及脫蒲結(jié)構(gòu)，結(jié)合工程資料，切割式油茶果脫蒲機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

1.帶輪 2.進(jìn)料斗 3.聯(lián)軸器 4.減速電機(jī) 5.切割結(jié)構(gòu) 6.脫蒲結(jié)構(gòu) 7.出籽口 8.機(jī)架 9.電機(jī) 10.出蒲口 11.調(diào)節(jié)螺桿圖9 切割式脫蒲機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of cutting and shelling machine for Camellia oleifera fruit

輥筒長(zhǎng)度初步擬定為L(zhǎng)=650 mm，半徑r=110 mm；短齒均勻布置q=30個(gè)，深度2.5 mm，寬度1 mm，長(zhǎng)度l=5 mm，軸向間距10 mm。油茶果平均直徑d=35 mm，平均質(zhì)量m=25 g[22]。

油茶果破蒲力F按橫向平均破蒲力416 N計(jì)算，平均質(zhì)量0.025 kg。帶入式(6)和(7)后得出油茶果的運(yùn)動(dòng)速度為166 m/s，橡膠板轉(zhuǎn)速n約為3 171 r/min。

結(jié)合相關(guān)研究及工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，橡膠板的轉(zhuǎn)速應(yīng)≥250 r/min。由速度與沖擊力之間的關(guān)系可知，橡膠板的轉(zhuǎn)速越高，對(duì)油茶果形成的沖擊力越大。橡膠板轉(zhuǎn)速越高，油茶果在多個(gè)橡膠板的作用下，產(chǎn)生的茶蒲碎片也越多；同樣地，茶籽受到的擊打作用力越大，被損壞的茶籽也就越多。因此，脫蒲結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)速不宜超過(guò)300 r/min[11]。式(6)未考慮到多個(gè)橡膠板連續(xù)作用，因此橡膠板的轉(zhuǎn)速計(jì)算值與實(shí)際值之間存在較大差異。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)方法

先開(kāi)機(jī)使設(shè)備空載穩(wěn)定運(yùn)行，然后取等質(zhì)量(20 kg)、果徑均勻(30～35 mm)油茶果原料，一次性投入至料斗內(nèi)，待全部物料從出籽口和出蒲口漏出后，統(tǒng)計(jì)相關(guān)參數(shù)。

茶果脫蒲率η1為

(10)

式中m0——投入至脫蒲進(jìn)料斗內(nèi)油茶果質(zhì)量，kg

m1——出籽口未完全分裂開(kāi)油茶果質(zhì)量，kg

茶籽有效得率η2為

(11)

式中m2——出籽口收集的全部茶籽質(zhì)量，kg

m3——完好的茶籽質(zhì)量，kg

蒲籽分離率η3為

(12)

式中m4——出籽口和出蒲口全部茶蒲質(zhì)量，kg

m5——出蒲口茶蒲質(zhì)量，kg

3.2 試驗(yàn)結(jié)論

分別以輥筒轉(zhuǎn)速、橡膠板轉(zhuǎn)速、切割深度為自變量，以脫蒲率、有效得率和分離率為因變量，每個(gè)自變量取5個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)分析。

在以輥筒轉(zhuǎn)速為變量試驗(yàn)組中，橡膠板轉(zhuǎn)速260 r/min，切割深度2 mm，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 輥筒轉(zhuǎn)速對(duì)指標(biāo)的影響Fig.10 Influence of roller speed on indicators

由圖10得知，隨著輥筒轉(zhuǎn)速的增加，脫蒲率先增加后降低，脫蒲率最高達(dá)到87%；分離率的變化幅度較?。徊枳延行У寐市》秶鷥?nèi)先降低后增加。

橡膠板轉(zhuǎn)速試驗(yàn)組中，輥筒轉(zhuǎn)速120 r/min，切割深度2 mm。試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 橡膠板轉(zhuǎn)速對(duì)指標(biāo)的影響Fig.11 Influence of rotation speed on indicators

由圖11得知，橡膠板轉(zhuǎn)速對(duì)有效得率的影響最明顯，有效得率隨著橡膠板轉(zhuǎn)速的增加而逐漸降低，最低達(dá)到94.2%。橡膠板轉(zhuǎn)速對(duì)脫蒲率和分離率的影響均較小，隨著橡膠板轉(zhuǎn)速的增加，脫蒲率在小范圍內(nèi)有所增加，分離率先增加后降低。

在切割深度試驗(yàn)組中，更換具有不同切割齒深度的切割輥筒來(lái)控制切割深度，輥筒轉(zhuǎn)速120 r/min，橡膠板轉(zhuǎn)速260 r/min，試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12 切割深度對(duì)指標(biāo)的影響Fig.12 Influence of cutting depth on indicators

由圖12得知，隨著切割深度的增加，脫蒲率和有效得率都有明顯的變化趨勢(shì)，脫蒲率逐漸增加，最高為97%，而有效得率逐漸降低，有效得率最低為95.2%，分離率整體變化不大。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種切割式油茶果脫蒲分離機(jī)，能有效實(shí)現(xiàn)油茶果的脫蒲及分離，并在一定程度上能保證茶籽的完整性，提高茶籽的有效得率。

(1)脫蒲率受輥筒轉(zhuǎn)速、橡膠板轉(zhuǎn)速和切割深度的影響程度不同。脫蒲率隨輥筒轉(zhuǎn)速的增加而先增加后降低；隨著橡膠板轉(zhuǎn)速增加在小范圍內(nèi)增加；隨著切割深度的增加而增加，增幅最大。

(2)有效得率受輥筒轉(zhuǎn)速、橡膠板轉(zhuǎn)速和切割深度的影響不一。輥筒轉(zhuǎn)速的增加對(duì)有效得率的影響效果不明顯；橡膠板轉(zhuǎn)速和切割深度的增加均使有效得率呈逐漸降低狀態(tài)。

(3)分離率受輥筒轉(zhuǎn)速、橡膠板轉(zhuǎn)速和切割深度影響較小，整體在60%～75%范圍內(nèi)變化。