油茶果脱壳与清选关键技术及工艺研究

刘 浩， 王焱清, 袁 博

(1 湖北工业大学农业机械研究设计院， 湖北 武汉 430068； 2 武汉城市职业学院， 湖北 武汉 430064)



油茶果脱壳与清选关键技术及工艺研究

刘 浩1， 王焱清1, 袁 博2

(1 湖北工业大学农业机械研究设计院， 湖北 武汉 430068； 2 武汉城市职业学院， 湖北 武汉 430064)

为了找出一种适合油茶果的无损伤脱壳、清选方法，通过实验分析油茶果相关特性，据此对油茶果采取分级初选、碾压式脱壳。通过间隙可调式格栅结构完成对油茶果的初次筛选，控制加工油茶果的体积。采用脱壳机构碾压轮与底板之间的间隙对油茶果进行碾压脱壳，脱壳间隙可调，以满足油茶果按大小、分批次加工的需要。利用油茶果果皮与茶籽颜色的差异，通过CCD工业线阵相机与图像处理控制系统完成对果皮与茶籽的清选分离。实验结果表明：将油茶果摊晒1 d，待果皮含水率普遍达到15.2%以下，整果脱壳成功率可以达到99.6%以上。此时籽中含皮率为95.3%，皮中含籽率为95.8%。

无损； 颜色清选； 脱壳理论

油茶(Camellia oleifera Abel)，是我国特有的食用油料植物，有两千余年的栽培和利用历史。目前，我国油茶面积约有300万公顷，油茶籽年产量100万t左右，年产茶油约26万t，产值约110亿元。[1]油茶果主要分布在长江流域及其以南地区，其中江西、湖南、广西三省(区)占到全国总面积的76．2%。茶油是一种非常健康的食用油，其不饱和油酸含量达到78%，高于大部分橄榄油。市面上的油茶果处理加工设备并不多，主要是以剥壳设备为主。由于油茶果体积差异较大，导致市面上的油茶果剥壳机脱壳率与果粒破损率都比较大，实际应用推广困难。

1 脱壳机结构及工作原理

1.1 脱壳理论分析

考虑同个油茶果的皮厚度接近，将其考虑为均匀厚度的薄球壳。对油茶果进行脱壳时，果壳受外力作用，产生两类薄膜应力Nφ、Nθ，弯曲力矩Mφ、Mθ及横向剪力Qφ。

在远离外力集中点的区域，此时果皮受到弯矩很小，可以忽略[2]。采用无矩理论[3]计算，内力总和与外力P相等，即

图1 果壳受力情况

图2 薄膜应力及横向剪力 图3 弯曲力矩

而在外力集中点的区域，此时果皮受到的较大弯矩作用，需根据弯矩理论进行计算。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

摊晒后的油茶果果壳在受力过程中塑性变形很小，所以将泊松比u值取为0，代入式(1)～(8)计算可得

Mφ=Mθ=-

Qφ=-

根据计算结果，当油茶果受到应力集中的作用时，薄膜力Nθ、Nφ在集中力处最大，在远离应力集中的最大圆截面处最小，两者相差系数

取油茶果平均半径r=12mm，平均厚度h=1.4mm，代入可得C=11.654，在实际工况中，外力并非作用在油茶果的一个点上，Mφ、Mθ、Qφ并非计算结果趋于无穷大，而是实际工况中是一个很大的值。因此，当油茶果受到应力集中作用时，在应力集中处首先产生破裂裂纹，且随着外力p增大而破裂。 农作物脱壳通常采用挤压、撞击、剪切、碾压等施加外力方式来进行脱壳。

根据断裂理论，交变应力有利于裂纹的产生与扩展。结合前述计算结果，设计碾压滚轮的脱壳结构来对油茶果进行脱壳处理。

1.2 脱壳机结构特点及工作原理

考虑到采摘下来的茶果体积差异较大，大小并不规则，一颗采摘下的油茶果树果子，小果围径在15～18mm之间，而大果围径在35～42mm之间。为此设计了分级机构对油茶果进行处理(图4)，该分级机构采用的是间隙可调式格栅结构，通过调节格栅之间的间距来控制所进入的油茶果大小，对油茶果按大小进行分批次的脱壳处理，后续的碾压机构以及振动筛筛网都设计有可调功能与之配套，有效提高了脱壳效果。

1-机架; 2-变速电机; 3-皮带传动; 4-料斗;

如图5所示，油茶果进入料斗后达到格栅分级机构，小于格栅间隙的茶果将漏过格栅从出料斗中落出，等待下一批次的加工。符合大小的油茶果将通过格栅传送至脱壳机构，脱壳机构底板为倾斜式设计，油茶果由于自身重力作用进入碾压轮，在碾压作用下脱壳。为防止油茶果在碾压轮内堵塞，碾压轮上设计有4个光滑凸起部，对碾压轮下的茶果具有很好的推送作用。

图5 脱壳机构示意图

脱壳过后的菜籽与果皮落入振动筛进行初次清选处理(图6)，振动筛采用偏心轮机构来完成抛发运动，电动机主轴O通过偏心轮A点带动三层振动筛结构。通过实验统计，可分离出70%左右的果皮和茶籽。

图6 振动筛结构示意图

2 茶籽与果皮分离工艺

菜籽与果皮的分离一直是油茶果采后处理的难点。目前，油茶果的菜籽与果皮分离技术尚处于起步阶段，也未见相关应用推广的报道。

除筛选技术之外，笔者对传统农作物清选较常采用的风选技术进行过实验，由于果皮与菜籽的平均密度较为接近，风选效果非常一般。

油茶果果皮随着成熟程度不同呈现出淡黄、绿色、青色、红褐色与菜籽的黑紫色形成明显的差异。受此启发，将色选工艺应用到菜籽与果皮的二次精选之中。 图7为茶籽与果皮分离工艺试验样机。经过碾压脱壳的果皮与茶籽混合物通过振动给料器落入色选通道，在进入通道的同时CCD镜头会拍下果皮和茶籽的图像，然后传送给控制系统处理，控制系统根据果皮与茶籽颜色差异得出不同的处理结果，最后反馈给电机来控制拨片的方向，达到茶籽与果皮分离的目的。

1-机架; 2-振动给料器; 3-电机与拨片;

3 油茶果脱壳与清选技术试验

3.1 试验材料

三元实业有限公司基地油茶果

3.2 试验方法

首先测量果皮含水率对脱壳效果的影响。对采摘下来的油茶果进行分批处理，通过实验电炉对其进行加热处理，每批次加热时间不同使其果皮含水率呈现梯度分布，最后投入脱壳机构检验其脱壳率。

式中：wT为果皮与茶籽完全分离后的质量之和，wZ为果皮与茶籽未完全分离后的质量之和。

测试碾压滚轮转速对脱壳效果的影响。将采摘的油茶果分5个批次投入脱壳机构进行脱壳，每个批次投入油茶果质量相等，转速依次提高。

测试摊晒时间与清选率的关系。将刚采摘下来的油茶果用脱壳机构进行脱壳处理(少量未脱壳的油茶果清理出来),处理后的果皮与茶籽混合物进行分批摊晒处理，每批次的果皮与茶籽混合物质量相等，摊晒时间不同，达到设计摊晒时间后，将油茶果果皮与茶籽混合物投入清选系统，检验其清选率。

清选率1为茶籽清选成功率，其中w1为清选后茶籽个数，w2为清选后茶籽与果皮的总数；清选率2为果皮清选成功率，其中w3为清选后果皮个数，w4为清选后果皮与茶籽的总数。

3.3 油茶果果皮含水率对脱壳效果影响

油茶果脱壳过程中，果皮的含水率起着非常重要的作用。传统的油茶果采后处理会对油茶果进行堆沤、摊晒来促其开裂，整个周期往往达到一周以上，但长时间的堆沤、摊晒降低了生产效率，对场地的要求也比较高。本试验对油茶果进行分类加热处理，对加热时间的不同得到不同的果皮含水率进行比较，得到合适脱壳机脱壳的果皮含水率。

从图8中可以看出，随着果皮含水率的下降，油茶果通过脱壳装置达到果壳分离的成功率越高。当果皮含水率达到15.2%时，脱壳成功率高达99.6%。

图8 果皮含水率对脱壳率的影响

3.4 碾压滚轮转速对脱壳效果影响

脱壳机构中的碾压滚轮作为脱壳过程中对油茶果的主要施力机构，对整个脱壳效果也有不小影响。将果皮含水率为15.2%油茶果投入脱壳机构进行脱壳，碾压滚轮转速逐渐增大，其脱壳效果如图9所示。随着碾压滚轮的转速增加，油茶果的脱壳成功率也逐渐上升，当碾压滚轮转速超过220r/min时，油茶果脱壳成功率高达99.8%，但转速继续增加脱壳率并没有随之增加。

图9 碾压滚轮转速对脱壳效果的影响

3.5 摊晒时间对清选效果影响

油茶果采摘下来后，在摊晒过程中果皮颜色也会发生变化，这会对采用色选工艺进行果皮与茶籽清选分离的效果有一定影响。将采摘下来的油茶果立即进行脱壳处理，脱壳处理后的果皮与茶籽的混合物分类进行摊晒处理，根据摊晒时间的不同来比较最终果皮与茶籽的清选分离效果。

如图10所示，随着摊晒时间的增加，油茶果果皮颜色受光照影响逐渐加深，色选机清选成功率逐渐下降。摊晒1d的成功率最高，此时清选率1为95.3%，清选率2为95.8%，果皮含水率经过测量普遍达到15.2%以下，整果脱壳成功率可以达到99.6%以上。

图10 摊晒时间对清选效果的影响

[1] 国家林业局 . 全国茶油产业发展规划(2009-2020)[EB/OL].[2012-05-17]http://wenku.baidu.com/view/aaa8d6d649649b6648d74736.html.

[2]S铁摩辛柯.薄壳理论[M].本书翻译组，译.北京：科学出版社,1977:48-15.

[3] 吴子岳.核桃剥壳机的理论分析与试验研究[J].南京农业大学学报，1996,19：96-100.

[4] 蓝 峰.油茶果脱壳清选机的研制与试验[J].农业工程学报，2012,28：33-39.

[5] 张 麟.油茶籽脱壳与仁壳分离设备试验[J].农业工程学报，2004,20：140-142.

[责任编校： 张 众]

On the Key Technology and Process of Shelling and Cleaning of Camellia Fruit

LIU Hao1，WANG Yanqing1， YUAN Bo2

(1ResearchandDesignInstituteofAgriculturalMechanicalEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China;2WuhanCityVocationalCollege,Wuhan430064,China)

In order to find out a suitable nondestructive fruit shelling and cleaning method, the research, based on the related features of experimental analysis of camellia fruit, graded and shelled camellia fruit through rolled shelling technology. It finished the first step of selection using a gap adjusting grating structure, and controlled the camellia fruit processing volume. It crushed shells of camellia using the gap between the rolling wheel and the bottom. The shelling gap is adjustable to meet the processing needs of camellia fruit by size and batch. It finished the sorting of the skin and tea seed using the difference between fruit peel and the seed color by a CCD industrial front camera and image processing control system. The experimental results show that after the fruit was tedded for a day and the skin moisture was generally below 15.2%, the whole fruit shelling success rate can reach above 99.6%. By this time the rate of seed containing skin is 95.3%, and the rate of skin containing seed is 95.8%.

nondestructive； color sorting； shelling theory

2014-09-22

刘 浩(1986-)， 男， 湖北武汉人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为机械设计

1003-4684(2015)01-0065-04

S233.75

A