油茶果分级滚筒筛设计

2018-01-30陈泽君康四清

湖南林业科技 2017年6期

康地，陈泽君，李阳，康四清

油茶为我国特有的木本食用油料树种，与油橄榄、油棕、椰子并称为世界四大木本油料植物，与乌桕、油桐和核桃并称为我国四大木本油料植物［1］。油茶果由果壳（皮）和茶籽组成，茶籽由茶籽壳和茶仁组成，果壳不含油脂，含木质素、多缩戊糖、鞣质和皂素等，对加工油脂不利，须作脱壳处理［2］。近年来随着大量丰产油茶基地的建设，油茶产量逐年大幅增加，鲜果届时大量集中采摘上市。目前油茶鲜果处理多为纯人工方式，将鲜果采取堆沤、翻晒、手工剥壳及分选［3］，所需时间长且劳动强度大、场地大。油茶鲜果剥壳技术和设备的研究近期才刚起步，加工时没有对油茶果进行大小分类，而是混合加工［4-15］。油茶果由于自然、品种、抚育等因素造成油茶果尺寸大小不一，形状各异；部分大果的籽比小果的尺寸大，同时小果含独籽的概率高；这些因素导致油茶果机械处理过程中破损率高、净度低，加大了油茶果处理成本，加之南方 10-12 月多阴冷天气，导致破损的茶果和油茶籽易霉变、易腐烂、油脂酸败，严重影响产品质量。该研究根据油茶果尺寸分布情况，采用滚筒筛对油茶果进行非等差分级，再进行后续环节加工，有效降低了破损率、提高了剥壳率和净度。

1 油茶果材料收集

油茶果收集于祁东县城连墟乡龙家亭村，祁东县奇林油茶科技有限公司，为 6～8 年生良种油茶林湘林 1 号、湘林 15 号、茶陵二仙 15 号、茶陵二仙 343、华硕等品种。共调查收集油茶果 1 443 个。

2 油茶果尺寸分布模型拟合

油茶果横径范围为 18～48 mm，变动幅度大，平均 29.4 mm，标准差 5.32 mm。主要分布在果实横径为 22～38 mm 之间，占总数的 90.37%。内含独籽的油茶果范围主要集中在 26 mm 以下。

油茶果按 1 mm 间距把所有的油茶果果实分成 31 组。各组油茶果果实所占总数的百分比分布进行正态分布拟合（见图 1），呈现油茶果数量 N 从油茶果横径 d 关系，拟合模型如下：

图1 不同果实横径数量分布Fig.1Number of different fruit diameter at the equatorial section

3 滚筒筛设计

3.1 设计原理

滚筒筛设计为喂入口高而末端低，分为若干级，每级上分布不同尺寸的长方孔，各级的长方孔尺寸不同。从物料喂入口至最后出口，后组长方孔尺寸比前组大，小于第一组长方孔尺寸的油茶果从第一组掉出为第一级别进入后续处理环节，以下依次类推。这种分级效率较高，目前广泛应用于食品分级领域，由于横径在 26 mm 以下的油茶果含独籽概率高，而独籽在剥壳处理中极易破损，因此滚筒筛筛孔尺寸在 26 mm 以下的分级极差较小。为了保证设备的处理能力，筛孔尺寸在 26 mm 以上的分级极差较大。

工作时，油茶果由喂入口进入筛筒内，沿着旋转筛筒的内壁上升。当上升至一定高度后落下。如此反复，逐步向筛筒另一端的出口移动。在这一过程中，小于筛孔的物料通过筛孔漏出；大于筛孔的油茶果随着筛筒转动被带到筛筒的下一级，从而完成分选作业。总体机构如图 3 所示。

图2 滚筒式分级机Fig.2 Roller-type classifier

3.2 滚筒筛分级设计

考虑到油茶果尺寸范围、后续处理需求，将滚筒筛的分级定为 6 级，各级的筛网的宽度 Li与各级下筛的油茶果数量 Ni按如下公式设计：

在实际分级工作时，第一级主要筛分出泥土、石头、树叶、小树枝等小杂，同时将物料打散。剩下各级将油茶果按规定尺寸分级。

3.3 滚筒筛筛孔设计

生产率 P生由以下公式计算：

式中：z 为滚筒筛上筛孔总数；P生为生产率；λ 为在同一秒内从筛孔中掉下物料的系数，因分级机型和物料性质不同而异，滚筒式可取 1.0%～2.5%；m 为物料的平均质量。根据生产率 P生可以计算出筛孔总数 z。

滚筒筛筛网各级筛孔尺寸根据油茶果横径分布情况设计为：a1＝22 mm、a2＝24 mm、a3＝26 mm、a4＝29 mm、a5＝33 mm。油茶果经过第 5级筛网筛分后，不再经过筛网筛分而直接进入下一道加工环节。

3.4 筛面尺寸设计

当筛网总宽度 L总确定后，根据式（2）计算出各级筛网的宽度 Li，基于筛孔尺寸 ai，计算出各级筛网筛孔列数。根据筛孔总数计算出各级筛网每列的筛孔数，通过筛孔尺寸 bi，计算出各级筛网长 Bi；以 Bmax＝max{Bi} 计算出滚筒筛的半径。

图3 筛网展开Fig.3 Sieve screen expansion

3.5 滚筒筛转速设计

滚筒筛转速 n 直接影响筛分效果，同时也与滚筒筛半径有密切关系，油茶果在滚筒中的受力情况如图 4 所示：

图4 油茶果受力情况Fig.4 Camellia oleifera fruit force situation

对滚筒中的油茶果作为质点 Q，它处于升角 β 时受重力 G 和离心力 Fc作用，则油茶果在滚筒筛上产生的摩擦力 Ff；当油茶果沿滚筒切线方向的重力分力 Gsinβ≤Ff 时油茶果与滚筒筛一起向上运动；当 Gsinβ≥Ff 时，即开始向下滑动，此时亦为油茶果位于滚筒内表面的最高点。因此当Gsinβ＝Ff 时，油茶果处于有效筛分的最高点。

式中：f0为油茶果与滚筒筛摩擦系数；m 为油茶果质量；g 为重力加速度；R 为滚筒筛内半径；v 为油茶果 Q 运动的线速度；n 为滚筒筛转速；φ 为摩擦角。

带入 Gsinβ＝Ff 化简得：

3.6 滚筒筛功率设计

油茶果滚筒筛采用中间轴式传动，则功率 P功为：

式中：G1为滚筒自重；L 为滚筒长度；D 为滚筒直径；ρ 为油茶果密度；κ 为油茶果在滚筒中的填充系数；η 为传动效率。

3.7 滚筒筛设计

参数确定滚筒筛长为 2.2 m，直径为 0.6 m；筛网级数为 6 级；转速为 20 r/min；电机功率为0.75 kw。

油茶果处理成套装备设计滚筒筛分为 6 级总长为 2.2 m。其他主要参数选取如下表：

计算得出滚筒筛半径 R＝268.58 mm，便于设计取 300 mm；转速 n 取（22.4 r/min～31.6 r/min），考虑滚筒筛有一定倾角 n 取（20 r/min～27 r/min）；功率 P功＝0.586 kw，因此选用功率 0.75 kw 方便电机选型。

表1 主要参数Tab.1 Main parameters

4 讨论

油茶果由于自然和人为因素造成油茶果尺寸范围广，部分大果的籽比小果的尺寸大；同时油茶果具有小果含独籽的概率高，果壳厚而硬，籽壳薄而脆等特性。未分级的有油茶果在后续加工处理中剥壳率、破损率、净度等指标难以保证。项目组设计的滚筒筛采用非等差分级技术，不仅保证小果加工处理效果，亦兼顾了大果的处理效率。滚筒筛分级机构结构简单、工作平稳、效率较高、物料机械损伤小，符合油茶果加工条件。设备于株洲丰科林业装备科技有限责任公司进行生产实验，滚筒筛如图 5 所示：

图5 滚筒筛实物Fig.5 The physical of Roller sieve

筛分油茶果过程中，油茶果具有初速度同时滚筒筛存在一定倾角，存在越级下筛现象，在筛网中安装部分挡片则有效解决该问题，筛分效果良好。

根据湖南省 7～8 年生常见品种油茶果根据数量与横径的拟合模型进行滚筒筛相关参数设计：长为 2.2 m；直径为 0.6 m；筛网级数为 6 级，各级长方形筛孔的宽度尺寸为：22 mm、24 mm、26 mm、29 mm、33 mm；转速为 20 r/min；电机功率为 0.75 kw。经过生产加工实验检测，经分级后的油茶果处理加工效果显著提高：剥壳率为99.3%、破碎率为 1.7%、净度为 98.7%。此油茶果分级技术可为供油茶果处理成套设备提供参考。

［1］张超英．谈我国油茶产业的发展［J］．国家林业局管理干部学院学报，2013，12（1）：21-24.

［2］彭阳生，奚如春．油茶栽培及茶籽油制取［M］．北京：金盾出版社，2006.

［3］崔勇，蓝峰，苏子昊，等．油茶栽培机械化作业技术路线研究［J］．南方农机，2010（1）：42-45.

［4］王潘龙，陈少双，王国兴，等．一种油茶果剥壳机：中国专利，201620555012.5［P］．2017-01-04.

［5］陈仁崇．一种油茶果剥壳机：中国专利，201620890880.9［P］．2016-08-17.

［6］李万元．一种油茶果剥壳机：中国专利，201410445129.3［P］．2014-12-10.

［7］曹洽瑄．一种移动式油茶果剥壳机：中国专利，201620794119.5［P］．2017-03-01.

［8］李忠和，唐婷，颜彦，等．一种离心式油茶果剥壳装置：中国专利，201520429819.X［P］．2016-01-20.

［9］李小周，王其林，张义祥，等．一种油茶果剥壳、烘干一体机：中国专利，201520755242.1［P］．2016-03-23.

［10］黎子明，苏子昊，谢舒．油茶果脱壳清选机组设计［J］．农业工程，2014，4（6）：99-100.

［11］唐湘，谢方平，李旭，等．油茶果脱壳装置设计及试验［J］．湖南农业大学学报，2014，40（6）：665-668.

［12］崔勇，蓝峰，苏子昊，等．油茶脱壳清选机的研制与试验［J］．农业工程学报，2012（15）：33-39.