油茶果脱壳装置设计及试验

唐湘，谢方平,2*，李旭，刘大为，王修善，毛利成

(1.湖南农业大学工学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省现代农业装备工程技术研究中心，湖南 长沙 410128)

油茶果由果皮、种壳、种仁组成。种仁主要成分为脂肪、淀粉、蛋白质、皂素等，用来提炼茶油；果皮和种壳的主要成分为粗纤维，不含油脂，占整个鲜果的45%～65%。由于带壳压榨会带走油分，影响出油率，对加工油脂不利[1]，因此，油茶果加工利用前需作脱壳去皮处理。

目前，油茶鲜果去皮主要采用人工方式[2]，耗费大量人力、物力，效率低下，不能满足油茶籽产业化的要求。机械代替人工去皮成为众多油茶种植大户、油脂加工企业的普遍要求。常见的机械脱壳方法包括撞击法、剪切法、挤压法、碾搓法、搓撕法[3]。由于油茶机械加工起步较晚，还没形成规范的采后处理技术，油茶鲜果脱壳设备主要借鉴其他坚果类脱壳设备[4–7]。与油茶果物理特性相近的澳洲坚果的脱壳普遍采用挤压原理，利用压板或螺旋杆压破果壳，但容易损伤果仁。涂立新[8]利用搓擦原理研究了一种油茶果剥壳机，采用螺纹钢条焊成的内外笼式剥壳装置，茶果在内外笼之间受搓挤实现剥壳。由于螺纹钢条间隙不能调整，大于碎果外径，另外油茶果大小不一，茶籽和碎果也有可能挤入外笼或内笼，因此该装置不能很好清选茶籽和果壳，对不同大小的油茶果适应性较差。王建等[9]采用剪切原理研究了一种油茶果剥壳机，利用刀片对茶果进行切割剥壳，剥壳速度较快，但果仁极易被刀片挤碎。樊涛等[10]研制的油茶果脱皮机采用挤压原理，将果壳挤裂去皮，脱壳效率较高，但对油茶果的大小的适应性差，果仁容易被挤碎。蓝峰等[11]运用撞击、挤压和揉搓原理，研制了油茶果脱壳清选机，采用回转半径不同的脱壳杆，脱壳杆呈一定锥角和扭角，在滚筒里形成锲形脱壳室进行撞击、挤压脱壳，能适应不同大小的油茶果，脱壳效率较高，但只适合堆沤摊晒开裂茶果脱壳，且结构较为复杂，制作成本大。笔者对脱壳原理和脱壳机整体结构加以改进，采用撞击、搓擦原理进行脱壳，通过分析与试验研究找出合理的工作参数，保证了较高的脱壳率和较低的损伤率，并且能够适应含水率在60%以下的且不同大小的油茶鲜果脱壳。

1 油茶果脱壳装置的设计

1.1 总体结构

油茶果脱壳装置由喂料斗、脱壳装置、动力传输部件、机架等构成，总体结构如图1 所示。

图1 油茶果脱壳装置结构 Fig.1 Structural sketch of camellia fruit dehulling device

喂料装置设置在脱壳装置的上部，由料斗、喂料量调节板组成，用于调节喂料量。脱壳室包括上、下壳体、脱壳装置。脱壳装置由离心甩盘、齿圈等组成。甩盘呈锥钵状，其上焊接有若干个螺旋叶片，并紧配合固接在输出轴一端；齿圈固定在脱壳室壳体内；脱壳室下壳体与机架相连，内设有分离装置；机架装有行走轮，可移动。

1.2 工作原理

油茶果脱壳在离心甩盘和齿圈之间的脱壳室内进行。油茶果进入喂料斗后，由自身的重力作用形成薄层，落入脱壳室，在受到高速旋转的离心甩盘叶片的打击后，油茶果破裂，以产生较大的离心速度飞出，与脱壳室内的齿圈撞击搓擦，实现脱壳。

1.3 关键部件结构设计

1.3.1 离心甩盘

离心甩盘上焊接有叶片，借助叶片撞击力、摩擦力以及离心力的作用，将油茶果甩出，采用螺旋叶片能更好地甩出油茶果。

参考其他物料脱壳机参数，采用功率为2～3 kW的调速电机，转速控制在0～1 200 r/min；考虑到脱壳室的大小与产量的关系，离心甩盘的半径取0.2 m；考虑到油茶果实的直径为20～50 mm，螺旋叶片设置8 片，且对称排列(图2)。

图2 离心甩盘结构 Fig.2 Sketch of centrifugal plate

1.3.2 齿圈

图3 齿圈结构 Fig.3 Sketch of ringgear

油茶果被离心甩盘甩出后，与齿圈(图3)撞击搓 擦。为加大撞击力度，钢圈上焊接齿条，考虑到加工成本，采取竖直方向布置，经测定，茶果最大直径为50 mm，因而齿条间距设计为55 mm，可防撞击时卡住油茶果。

2 脱壳原理分析

新鲜油茶果的含水率较高，可以近似看作塑性材料。脱壳元件与油茶果冲击开始时产生弹性变形，当最大冲击力超过油茶果的屈服极限时，油茶果破裂，继而脱壳。

假设忽略冲击过程中油茶果与脱壳元件之间的摩擦；冲击变形量远远小于油茶果的尺寸；脱壳元件为齿条，其截面为平面，与油茶果发生正碰撞或对心碰撞；油茶果简化为各向同性、均匀的球体，则油茶果与脱壳元件冲击接触如图4 所示。图中，v 为油茶果撞击脱壳元件的速度，δ 为油茶果的变形量。

图4 脱壳元件与油茶果冲击接触分析 Fig.4 Sketch of impact between camellia fruit and dehulling component

油茶果与脱壳元件撞击时，设R0为油茶果的曲率半径，E1和E2为脱壳元件和油茶果的弹性模量，μ1和μ2为脱壳元件和油茶果的泊松比。根据Hertz理论[12]，圆球与平面接触时，变形量δ 为：

式中：P 为冲击力；E*为综合弹性模量，

参照徐丽章等[13]对水稻谷粒冲击损伤临界速度的分析，可知油茶果的最大变形量：

由式(1)和(2)可知，油茶果与脱壳元件间最大冲击力：

由(3)式可知油茶果与脱壳元件撞击前的相对速度为：

油茶果飞离甩盘后，由于速度较大，甩盘与齿圈间距较小，可以看作与脱壳元件正面撞击，茶果撞击脱壳元件的速度近似为茶果的飞离速度。

假设油茶果从甩盘最外端沿水平方向甩出，则飞离速度v =2πLn，式中：n 为主轴转速；L 为离心甩盘的半径。

结合式(4)可得，油茶果与脱壳元件冲击发生破裂时，所需的甩盘转速：

可计算出使油茶果发生破裂所需的甩盘转速。从式(3)、式(5)可看出，影响撞击脱壳冲击力的主要因素除与油茶果自身特性有关外，还和甩盘转速和喂料量有关。

3 油茶果撞击脱壳试验

3.1 试验材料

成熟后的油茶鲜果呈球形，直径为20～50 mm，质量15.35～20.86g。油茶籽丰满厚实，质量0.461～ 1.46g，存在明显差异。新鲜果较硬，含水率高，果壳包裹着茶籽，油茶果采摘堆沤几天后，果壳与茶籽间隙增大，容易开裂。

2013年11月，选用长沙市场普通油茶果进行验证试验。该油菜果无堆沤摊晒，含水率65%以上，茶果最大直径50 mm，最小直径20 mm，完整、无虫害。

3.2 试验设计

3.2.1 试验指标

根据生产实际要求，将脱壳率与茶籽破损率作为性能的主要评价指标。脱壳率为脱壳后的茶果与喂入的油茶果总重的百分比。破损率为清选出的破碎和受损油茶籽与油茶籽总重的百分比。

3.2.2 试验方法

选取甩盘转速和喂料量作为影响因素，来评价脱壳机的工作特性，并初步确定工作参数。

每组试验3次，结果取其平均值。每次试验样本为5 kg 油茶果。

通过调节调速电机的转速来控制脱壳时离心甩盘的速度，甩盘转速应大于油茶果脆性断裂所需甩盘转速的计算值。根据预备试验情况，设置甩盘转速分别为600、700、800、900、1 000 r/min，测定脱壳率和破损率；考虑到油茶果脱壳生产率的实际要求，设置喂料量分别为288、396、504、612、800 kg/h，分别测定脱壳率和破损率。

3.3 结果与分析

3.3.1 甩盘转速对脱壳率和破损率的影响

由图5 可知，当甩盘转速为600～700 r/min 时，随着转速的增大，脱壳率急剧增加；当甩盘转速为700～1 000 r/min 时，随着转速增大，脱壳率未有明显变化，但破损率随之增大。因为转速增大时，油茶果被甩盘甩出的速度增加，即与齿圈撞击速度增大，撞击力增加，油茶果的脱壳率和破损率随之提高，速度增加到一定程度时，已经满足油茶果的破壳，同时也会增加油茶籽的破损，从而脱壳率没有大幅增加，破损率则显著增加。

图5 不同甩盘转速下的油茶果的脱壳率和破损率 Fig.5 The hulling rate and damage rate of C. oleifera fruit under different rotating speed

综合考虑脱壳率和破损率，甩盘转速在700 r/min 左右较理想。

3.3.2 喂料量对脱壳率和破损率的影响

由图6 可知，脱壳率随着喂料量增大呈先增加后降低趋势，尤其当喂料量大于504 kg/h 时，脱壳率急剧下降，破损率整体变化则相对较小。原因在于喂料量较小时，脱壳室内存留物料较少，荚果之间的挤压阻滞作用小，果仁容易排出脱壳室，脱净率低；随着喂料量的增大，脱壳室存留物料量增加，荚果之间的挤压摩擦作用逐渐增大，在一定程度上增加了物料在脱壳室内的停留时间，脱净率增加，喂料量超过504 kg/h 时，脱壳室内存留物料过多，一部分荚果来不及脱壳就被排出脱壳室，造成脱净率急剧下降，破损率随之也降低。

图6 不同喂料量下的油茶果的脱壳率和破损率 Fig.6 The hulling rate and damage rate of C. oleifera fruit under different feeding speed

综合考虑脱壳率、破损率以及生产效率，喂料量应控制在500 kg/h 左右。

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