油茶果脫殼分選一體機(jī)設(shè)計(jì)研究*

孫小永，李 濱，潘榮晴，楊其雙，袁曉雅，竇捷龍

（1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；3.東北林業(yè)大學(xué)奧林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

近年來，茶油市場快速發(fā)展，社會(huì)對茶油的需求大幅增加，茶油及其相關(guān)行業(yè)迎來了更廣闊的發(fā)展空間。油茶果的采摘以及采摘后的脫殼取籽、烘干或曬干都影響茶油的品質(zhì)。傳統(tǒng)的油茶果脫殼方法是攤曬茶果使果殼自動(dòng)開裂，再由人工剝殼取籽，在此過程中，果殼不一定能完全破裂開，且整個(gè)過程費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，效率低下，不利于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化。為此本文設(shè)計(jì)了一種油茶果脫殼分選一體機(jī)。

1 研究現(xiàn)狀及背景

我國油茶果脫殼設(shè)備的工作方式包括碾壓、擠壓、搓擦、剪切、撞擊等。部分脫殼裝置配有風(fēng)選裝置、齒輥結(jié)構(gòu)和摩擦分選裝置，用于分選脫殼后的物料。我國油茶果脫殼設(shè)備存在一些突出問題，如適應(yīng)性差、破損率高、脫殼率低、自動(dòng)化程度低，雖然種類多，但缺乏互換性和通用性，沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)規(guī)范，還需進(jìn)一步發(fā)展。

自2018年龍川綠油農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司駱東梅發(fā)明油茶果自動(dòng)剝粒裝置到2020年廣東康帝綠色生物科技有限公司彭程發(fā)明油茶果采摘篩選一體化裝置[1]，我國在油茶果脫殼處理技術(shù)方面取得了一定的進(jìn)展，但是與外國相比還存在一定差距。國內(nèi)學(xué)者藍(lán)峰、崔勇、蘇子昊等研究了部分種類堅(jiān)果的果殼含水量與脫殼效果之間的關(guān)系[2]，并通過大量實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，茶籽與油茶果殼的含水量多少會(huì)對脫殼效果造成影響[3]。研究發(fā)現(xiàn)，隨著果殼含水率上升，油茶果與脫殼裝置之間的摩擦減小，最大應(yīng)力降低，脫殼的數(shù)量和質(zhì)量都有了一定程度的下降[4]?；趯@些問題的研究與實(shí)驗(yàn)，國內(nèi)外油茶果企業(yè)對脫殼分選機(jī)械裝置有了新的研究思路和發(fā)展方向，即可以適當(dāng)采用一些現(xiàn)代智能化的算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺技術(shù)檢測[5]，根據(jù)油茶果顏色、紋理、幾何形狀多種圖像特征的分選方法，進(jìn)行油茶果的自動(dòng)脫殼。排除人為主觀因素的干擾，這些方法能有效提高油茶果脫殼效率，節(jié)省時(shí)間和人力資源。近年來，我國在設(shè)備機(jī)械化和自動(dòng)化方面的研究越來越深入，研究和制造更多智能化的農(nóng)用器械將更好地為我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

2 研發(fā)方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對油茶果的智能化分選，需要對不同的油茶果進(jìn)行識(shí)別，設(shè)計(jì)研發(fā)方案，根據(jù)油茶果的物理特性和設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)定總體結(jié)構(gòu)。本文設(shè)計(jì)的油茶果脫殼分選一體機(jī)主要由脫殼裝置、分選裝置和傳動(dòng)裝置三大部分和機(jī)架等組成。脫殼裝置主要完成脫殼和喂料工作，分選裝置主要完成油茶果殼和油茶果籽的分離以及二者初步篩選分離的工作。油茶果脫殼分選一體機(jī)結(jié)構(gòu)見第103頁圖1。

1）本文設(shè)計(jì)的油茶果脫殼分選一體機(jī)主要依靠特殊的脫殼分選裝置來完成各項(xiàng)工作，該一體機(jī)結(jié)構(gòu)相對簡單、設(shè)計(jì)合理、工作效率高。如圖1所示，在脫殼裝置中，滾筒上凹槽的結(jié)構(gòu)形式為油茶果向前運(yùn)動(dòng)和脫殼作業(yè)提供了推力和擠壓力，使油茶果被壓裂開。在螺旋葉片的帶動(dòng)下，從脫殼裝置輸送出的油茶果殼和油茶果籽不斷分開，然后進(jìn)行分選作業(yè)，小的油茶果籽從弧形篩網(wǎng)處落入出籽斗，大的油茶果殼在螺旋葉片推向力的作用下被送到出殼斗[6]。在此部分中，兩部件之間的間隙是沿著油茶果的運(yùn)動(dòng)方向逐漸縮小的，因此該一體機(jī)可以適應(yīng)不同粒徑的油茶果。采用這樣的結(jié)構(gòu)形式與工作原理，不但避免了直接撞擊易破損茶籽的問題，又能保證較高的脫殼率。

圖1 油茶果脫殼分選一體機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2）該一體機(jī)采用具有光線補(bǔ)償?shù)臄z像頭，以保證在不同光線條件下可獲取高質(zhì)量的圖像信息。

3）該設(shè)計(jì)基于圖像信息處理算法，通過主成分分析或模板匹配，可準(zhǔn)確識(shí)別不同的油茶果形狀。

4）在油茶果智能化分選之前，設(shè)置油茶果水分檢測裝置，對含水量過高、不易破殼的油茶果進(jìn)行剔除作業(yè)，含水量合適后再進(jìn)行破殼處理。

5）在油茶果智能化分選之后，設(shè)置油茶果破殼效果檢測裝置，以機(jī)器視覺對破殼作業(yè)后的油茶果進(jìn)行形狀、大小和顏色的識(shí)別，識(shí)別裝置見圖2。對于未破殼的、不完全破殼的油茶果進(jìn)行剔除作業(yè)，等待進(jìn)行二次破殼。

圖2 視覺識(shí)別裝置圖

2.1 脫殼裝置設(shè)計(jì)

脫殼分選一體機(jī)的核心部件是脫殼裝置，該裝置的主要作用是對油茶果進(jìn)行擠壓與摩擦，使果殼破損開裂，讓油茶籽能夠外露并與油茶果殼分離，其結(jié)構(gòu)見圖3。由圖3可知，該裝置用螺紋連接將柵板兩端固定在機(jī)架上。經(jīng)查閱資料得知，油茶果的直徑近似為正態(tài)分布，其分布的中位數(shù)為35 mm，最大值為50 mm。因此滾筒上分布的凹槽結(jié)構(gòu)大小設(shè)計(jì)為50～60 mm，弧形柵板與滾筒之間的工作間隙大小逐漸從60 mm收縮到25 mm。這樣既能避免進(jìn)入的油茶果出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，又能夠?qū)τ筒韫M(jìn)行高效的破殼。另外，工作間隙和凹槽間隙都可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要進(jìn)行調(diào)整，以提高其適應(yīng)性。

圖3 脫殼裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 分選裝置設(shè)計(jì)

分選裝置對正上方脫殼裝置落下的物料進(jìn)行進(jìn)一步的攪動(dòng)分離，將未被完全分離的籽和殼分開。分選裝置主要由絞龍（螺旋輸送）軸和弧形槽篩網(wǎng)組成，見圖4。其工作原理為：絞龍軸上有按螺旋線規(guī)律盤旋的葉片，在傳動(dòng)裝置的帶動(dòng)下與圓弧槽篩網(wǎng)配合使用。物料從脫殼裝置落下，落入弧形槽篩網(wǎng)后受到螺旋葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的法向推力作用沿著篩網(wǎng)槽軸向運(yùn)動(dòng)。物料受到該推力的徑向分力和葉片的摩擦力，但是物料本身有重力及篩網(wǎng)對物料也有摩擦力，因此物料不與螺旋葉片一起旋轉(zhuǎn)。從脫殼裝置落下的混合物料在葉片的帶動(dòng)下進(jìn)一步分離，油茶籽落入出籽斗，大的油茶果殼也可在螺旋葉片推向力的作用下被送到出殼斗，實(shí)現(xiàn)油茶籽和油茶果的進(jìn)一步分離和初步分選。

圖4 分選裝置結(jié)構(gòu)圖

2.3 傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

考慮到油茶果脫殼分選機(jī)的脫殼裝置和分選裝置傳動(dòng)比不同，脫殼裝置的傳動(dòng)使用聯(lián)軸器連接減速電機(jī)來提供，而分選裝置的螺旋輸送軸與電機(jī)之間的傳動(dòng)使用帶輪與V帶的傳動(dòng)方式來提供。

3 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

油茶果脫殼分選一體機(jī)是在現(xiàn)有機(jī)械式分級(jí)系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加智能分級(jí)控制系統(tǒng)構(gòu)建而成的。油茶果依次經(jīng)過脫殼裝置、分選裝置、傳動(dòng)裝置，使果殼與果籽彼此分離。改進(jìn)的油茶果脫殼分選一體機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、維修方便、操作容易、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可有效提高油茶果脫殼效率，節(jié)省時(shí)間和人力資源，并且具有一定的創(chuàng)新性：一是設(shè)計(jì)了對油茶果的破殼狀況的檢測，對于未破殼和不完全破殼的油茶果進(jìn)行剔除作業(yè)，提高了成品的質(zhì)量，減少了分揀過程中的人力投入；二是在破殼前進(jìn)行水分檢測，剔除含水量過高的油茶果，提高破殼的效率和質(zhì)量，減少設(shè)備損耗和故障率；三是針對不同使用場合、不同特性的油茶果設(shè)計(jì)生產(chǎn)不同規(guī)格的設(shè)備，可以在實(shí)際應(yīng)用中提高生產(chǎn)效率，減少生產(chǎn)成本。該裝置可以用于大型油茶果生產(chǎn)加工基地的產(chǎn)品鏈初前端，也可以用于山區(qū)，便于運(yùn)輸，具有應(yīng)用范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。