油茶果劃線破殼裝置設(shè)計(jì)*

肖本貴，胡淑芬，鄧勇杰，賴曲芳，劉 斌，張廬陵，曹昕奕，李涵泰，郭宇輝，翁徐杰，易 康

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江西 南昌 330045；2.江西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330045)

0 引言

油茶是我國(guó)特有的木本油料作物[1]，在我國(guó)有2 000多年的栽培和使用歷史。油茶籽提煉的茶籽油含有豐富的不飽和脂肪酸，同時(shí)還富含維生素E、角鯊烯、甾醇、多酚等活性物質(zhì)，有極高的保健和藥用價(jià)值，對(duì)調(diào)節(jié)血脂、預(yù)防和減少心腦血管疾病，增強(qiáng)人體免疫機(jī)能等具有非常積極的作用[2]，且具有一定的美容養(yǎng)顏?zhàn)饔?，所以茶油有著“油中軟黃金”的美譽(yù)[3]。近年來(lái)，隨著我國(guó)油茶種植面積的不斷增加，對(duì)油茶果機(jī)械化加工的需求日益突出。

油茶果由茶籽與茶殼組成[4]。茶籽的主要成分為脂肪、蛋白質(zhì)及淀粉等，可用來(lái)提煉茶油[5]。而茶殼主要由纖維素構(gòu)成，不含油脂，且纖維素對(duì)油脂加工及加工設(shè)備的運(yùn)行不利，須做脫殼處理。傳統(tǒng)的油茶果加工方法主要是堆漚、攤曬，再通過(guò)人工篩選，但人工篩選成本高，生產(chǎn)效率低，且新鮮的油茶果如不及時(shí)進(jìn)行脫殼、篩分、干燥處理，極易導(dǎo)致果實(shí)腐爛、霉變[6]?，F(xiàn)有的油茶果機(jī)械脫殼設(shè)備及方法，根據(jù)脫殼工作原理的不同，可以分為間隙擠壓揉搓法[7]、柔性輥抽打法[8]、碾搓法[9]等?，F(xiàn)有的油茶果破殼裝置存在傷籽率和破籽率較高、破殼后籽殼難以清選等技術(shù)難題[10-11]。

針對(duì)以上問(wèn)題，課題組設(shè)計(jì)了一種油茶果劃線破殼裝置。該裝置通過(guò)可垂直移動(dòng)的彈簧刀片，使刀片在不損傷油茶籽的情況下對(duì)油茶果殼劃線一周，再通過(guò)碾輪將劃線后的油茶果碾壓破殼。有利于減少破殼過(guò)程中對(duì)茶籽的損傷，破殼后茶殼的尺寸較為規(guī)則，便于后續(xù)茶籽和茶殼的清選。該裝置適用于多尺度油茶果的破殼，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

油茶果劃線破殼裝置的破殼工作過(guò)程可以分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是對(duì)油茶果進(jìn)行劃線，第二個(gè)階段是對(duì)劃線后的油茶果進(jìn)行碾壓破殼。由這兩個(gè)階段實(shí)現(xiàn)油茶果的完整破殼，使得茶殼的破開(kāi)有規(guī)律，茶籽不易破損，且有利于后續(xù)油茶籽殼的清選[12]。

油茶果劃線破殼裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由機(jī)架、固定在機(jī)架上的油茶果入料裝置、物料輸送裝置、劃線裝置、碾壓裝置等組成。該劃線破殼裝置的動(dòng)力由3個(gè)三相異步電機(jī)提供，組件與電機(jī)之間均采用V帶傳動(dòng)。物料輸送裝置中的一根主傳動(dòng)軸與三根從動(dòng)軸之間同樣使用V帶傳動(dòng)。

圖1 油茶果劃線破殼裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of camellia oleifera fruit shell breaking device

1.2 工作原理

油茶果劃線破殼裝置工作原理圖如圖2所示。

圖2 油茶果劃線破殼裝置原理圖Fig.2 Schematic diagram of camellia oleifera fruit shell breaking device

油茶果通過(guò)入料裝置的送料滾筒逐個(gè)運(yùn)輸至物料輸送裝置的輸送帶上，通過(guò)輸送帶逐一橫躺式輸送至劃線裝置工作區(qū)，油茶果在彈簧刀片與輸送帶的相互作用下發(fā)生滾動(dòng)，使得彈簧刀片在油茶果殼腹部中間表面劃線一周；劃線后的油茶果通過(guò)輸送帶輸送到物料輸送裝置尾端，在高速旋轉(zhuǎn)的碾輪的作用下，對(duì)已劃線的油茶果腹部進(jìn)行碾壓破殼，茶殼與茶籽從出料口排出。

2 關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)

2.1 入料裝置設(shè)計(jì)

入料裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，入料裝置主要包括入料斗、送料滾筒、撥料輪、導(dǎo)料板等部分。油茶果進(jìn)入入料斗，通過(guò)入料斗下方出口處的撥料輪將油茶果送至送料滾筒內(nèi)；油茶果沿著安裝在送料滾筒外側(cè)的導(dǎo)料板進(jìn)入到輸送裝置。由于在輸送過(guò)程中入料斗下方出口處容易發(fā)生搭橋或一次進(jìn)入好幾個(gè)油茶果的情況，導(dǎo)致油茶果入料斗出口處堵塞，從而影響油茶果劃線破殼裝置的正常運(yùn)行。故在入料斗下方出口對(duì)中向右5 mm處安裝一個(gè)撥料輪，撥動(dòng)油茶果順著入料斗下方出口順利進(jìn)入送料滾筒；均布在送料滾筒圓周上的斜凹槽只能容納一個(gè)油茶果，該設(shè)計(jì)保證了送料滾筒每次送到輸送裝置上的油茶果是單一周期性間隔的，以滿足裝置工作要求。

圖3 入料裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of feeding device

2.2 劃線裝置設(shè)計(jì)

油茶果劃線裝置如圖4所示，主要由機(jī)架、刀片、刀片固定板、刃口保持板、彈簧、連桿和滑塊等組成。刀片固定板夾持的刀片刀口向下，刀片長(zhǎng)度為100 mm，刀片在刃口保持板的作用下刃口只伸出1.5 mm，且刀刃呈一定的水平角度，為5°，即隨著物料傳送方向，刀刃與輸送帶間距離由大到??；兩塊刀片固定板與連桿通過(guò)焊接方式固定；連桿穿過(guò)滑塊上的通孔；彈簧套在連桿上，一端固定在刀片固定板處，另一端固定在滑塊上。整個(gè)劃線裝置通過(guò)兩塊滑塊用螺釘連接固定在機(jī)架上。

圖4 刀具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Tool structure diagram

劃線裝置中彈簧力的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，彈簧力的大小須大于油茶果殼的劃線破殼力，而小于油茶籽的劃線破殼力。油茶果分級(jí)后尺寸公差應(yīng)限制在5 mm之內(nèi)。當(dāng)油茶果通過(guò)輸送裝置進(jìn)入劃線裝置時(shí)，通過(guò)劃線裝置上彈簧力的調(diào)整作用，連桿可根據(jù)油茶果的尺寸以及刀口處受力的變化而沿著滑塊的通孔上下滑動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)彈簧刀片的刀刃只劃開(kāi)油茶果殼而不損傷油茶果殼內(nèi)的茶籽，從而保證果殼內(nèi)茶籽的完好性。油茶果在彈簧刀片與輸送帶的相互作用下發(fā)生滾動(dòng)，使得彈簧刀片在果殼表面劃線一周，劃線裝置原理示意圖如圖5所示。

圖5 劃線裝置原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of scribing device

2.3 碾輪設(shè)計(jì)

經(jīng)劃線后的油茶果，需要進(jìn)行破殼。碾壓過(guò)程中，由于碾輪與軸套（固定在輸出軸上，位于輸送帶之間）、油茶果之間的摩擦力對(duì)油茶果做向下滑移運(yùn)動(dòng)的作用很小，可近似看作油茶果在重力的作用下做純滾動(dòng)。此時(shí)，可以將油茶果的運(yùn)動(dòng)分解為繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)和質(zhì)心的平動(dòng)[13]。即油茶果在碾壓過(guò)程中既做轉(zhuǎn)動(dòng)又做平動(dòng)。平動(dòng)可使油茶果在碾壓過(guò)程中受到較大的碾壓變形，確保油茶果可以完整破殼；轉(zhuǎn)動(dòng)則可使油茶果受到均勻的碾壓，然后使得破殼后的油茶籽殼混合物從碾輪下方排出。

碾輪采用的是凸輪結(jié)構(gòu)，如圖6所示，凸輪結(jié)構(gòu)在碾壓受力時(shí)與圓周受力相似，而凸輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)會(huì)大大地減少出料口油茶籽殼的堵塞。

圖6 碾輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Roller structure diagram

3 結(jié)論

課題組通過(guò)對(duì)油茶果、茶殼和茶籽物料特性的分析，設(shè)計(jì)了油茶劃線切割與碾壓破殼相結(jié)合的油茶果劃線破殼裝置。相比于傳統(tǒng)的油茶果破殼裝置，該裝置在加工過(guò)程的傷籽率和破籽率大幅降低，分離后的茶籽、茶殼尺寸差異大，進(jìn)而提高了油茶籽殼的清選效率。