多通道气动刨削式油茶果破壳机设计

王焱清 马君 熊韧

摘要：采用刨削加工作为脱壳手段，设计了专用气动推压手爪，以环形推压手爪阵列为核心，构成多通道气动刨削式油茶果破壳机。根据运动原理，分析了推压手爪的运动力学性能及果实在刀条上的运动轨迹。通过切削力监测，证明推压手爪提供了刨削加工所需的切削力。采用试制的原型机配套通用色选机进行脱壳清选试验，加工未经摊晒的油茶果，脱壳率超过99%、破子率小于2%、子中含壳率小于2%。

关键词：油茶果；脱壳清选；刨削式破壳；气动推压手爪

中图分类号：S226.4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）12-0100-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.12.027

Abstract： In order to reduce seed damage in fresh Camellia oleifera shelling， the planer machining is used and the specific pneumatic pushing hand is innovated. The multi-channel pneumatic planer for Camellia oleifera shelling is constructed based on a matrix of pushing hands mounted on the rotating cylinder. Each rotating pushing hand pushes a fruit forward by certain down force on the blade bar， and the two wings of the spherical shell is cut off by the blades. The kinematic character of the pneumatic pushing hand is analyzed， and the motion trajectory of the fruit on the blade bar is described. By monitoring the cutting force，it is confirmed that the pushing hands give proper action forces for planer operation. Using the self-developed prototype planer and general color sortor，fresh Camellia oleifera fruit shelling and sorting test was carried out and the satisfactory result was obtained， the shelling rate>99%， seed damage rate<2%，shell content in seed<2%.

Key words： Camellia oleifera； shelling and sorting； shelling by planer machining； pneumatic pushing hand

油茶是中国特有的木本油料树种，主要分布于湖南、江西、湖北等南方地区，预计到2020年，全国油茶种植规模将达467万hm2，茶油产量达250万t[1，2]。油茶果集中采摘后，需破壳取出茶子，用于榨油。人工脱壳清选耗费工时，且易受天气影响[3]。

随着农村人口城镇化步伐加快，机械化脱壳清选工艺及装备研究受到重视。中国农业机械化科学研究院朱广飞等[4]设计了一种滚筒挤压式破壳机，用于加工未经摊晒的油茶果，平均脱壳率为96.91%、平均碎子率为3.38%。蓝峰等[5]、黎子明等[6]研制的破壳机，通过在锲形脱壳室内对油茶果进行撞击、挤压和揉搓进行破壳，适宜加工经堆沤摊晒开裂、含水率20%～55%的果实，脱壳率超过99%、碎子率2%～3%。李阳等[7]研制出一种揉搓式油茶果破壳机，用于加工堆沤摊晒开裂、含水率低于55%的油茶果，脱壳率超过97%，碎子率小于5%。唐湘等[8]设计了一种撞击式破壳机，用于加工未摊晒、含水率65%以上的油茶果，脱壳率达到85.3%、碎子率为6.5%，其他有关破壳机的研究报道还有许多[9-20]。

1 多通道气动刨削式油茶果破壳机总体结构及工作原理

油茶果机械化脱壳，关键问题集中在于：①降低茶子破损；②直接加工未经摊晒的油茶果（图1）。采用刨削工艺连续逐颗地切除果实的部分果壳进行脱壳加工，从而降低挤压力，减少茶子破损。

1.1 总体结构

多通道气动刨削式油茶果破壳机總体结构如图2所示，主要部件包括振动给料斗、滚筒、气动推压机构（推压手爪）和刀条。

1）振动给料斗。振动给料斗功能是将油茶果连续均匀地输送到破壳机内。

2）滚筒。滚筒功能是带动推压手爪转动以及为推压手爪提供压缩空气。滚筒为中空、封闭的圆形转轴，一端安装旋转接头，可将压缩空气引入转轴空腔。

3）推压手爪。推压手爪是破壳机的核心部件，如图3所示，主要部件包括压指装置、推杆装置、换向阀和推指装置。

4）刀条。刀条结构如图4所示，由刀片、节块和刀轴构成。刀片为梯形，上窄下宽，侧棱开有刃口，刀片由节块分隔依次安装在刀轴上。在滚筒上方，相对排列的一对刀条，构成一条V形槽状破壳通道。破壳通道的功能是卡持并切削油茶果，每条通道对映不同直径范围的果实。推压手爪的压指介于两刀条之间，其顶端在V形槽上方。

5）空压系统。破壳机的空压系统如图5所示，主要部件为空气压缩机、空气过滤器、压力调节阀、压指气缸、换向阀以及推指气缸。压力调节阀的功能是调节供气压力。

6）整体布置和工作效率。在滚筒上以环形陈列形式均匀安装多个推压手爪，如截面圆上设置M行，轴线方向上设置N列。理论上，滚筒转动一周可破碎（M×N）颗果实，例如，一台16（4×4）个推压手爪的破壳机，压剥辊子转速80 r/min，油茶果平均重量20 g/颗，则每小时理论工作效率为76 800颗/h或 1 536 kg/h。实际作业效率比理论低，可按理论效率的70%计。

1.2 推压手爪运动力学分析

1）齿尖旋转半径。破壳机运动原理如图6所示。推压手爪为安装在滚筒上的直动滑杆机构。根据几何关系，压指齿尖相对于滚筒中心O的旋转半径是压指气缸行程c的函数Rt（c）。通过建立数学模型并采用MATLAB软件进行求解，选取一组连杆参数，得到的齿尖旋转半径曲线如图7所示。

当滚筒转动时，压指推动油茶果向前移动，其弧形顶端逐渐接近果实；当弧顶接触且不能推动果实时，则压指向后摆动、齿尖旋转半径减小，压指齿尖咬入果壳，带动果实随齿尖向后摆动。

2）压指弧顶法向作用力。压指弧顶的作用是施加向下的作用力于果实。根据力矩平衡原则，其法向作用力Fp与气缸供气压力成正比，可表示为：

Fp（c，λ）=K（c，λ）×A×P （1）

式中，Fp—压指法向作用力，N；K（c，λ）—压指法向作用力与供气压力关系函数；A—压指气缸活塞面积，mm2；P—供气压力，MPa；λ—压指弧顶位置，°；c—压指气缸行程，mm。

经计算，得到c=0时关系曲线Kc=0（λ）和λ=20°时关系曲线Kλ=20（c），如图8所示。

根据上述关系曲线可知，压指具有合适的力学属性，在初始位置及逆向摆动过程中的任何位置均能以必要的作用力将果实按压在刀条上。

1.3 果实在卡点处的运动及受力分析

当油茶果卡持在两个刀片之间不能继续向前移动时的位置称为卡点。在卡点处，果实的运动轨迹如图9所示。

当滚筒转动而果实不向前移动时，压指受果实阻碍向后摆动，带动果实绕刀片摆动，同时，压指气缸向下移动。当压指气缸移动到预先设定的位置时，推指弹出，在压指齿尖下方与果壳接触，推动果实返回到原卡点位置。果实以上运动过程，相当于在卡点处自转了一定角度（果实中心运动路线为O′-O″-O？苁）。

在卡点处，果实起初受到的作用力为压指作用力Fy′，推指弹出后受到的作用力为压指作用力Fy？苁和推指作用力Ft。作用力Fy？苁和Ft沿移动方向（x轴）的分量显著大于Fy′的移动方向分量，即加工果壳的切削力增大。当滚筒持续旋转时，推压手爪推动果实越过卡点向前移动，嵌入刀片的两侧果壳被切除，实现了刀条对果壳的刨削加工过程。

1.4 破壳步骤

根据以上工作原理，破壳过程细分为推移、咬合、刨削、推散及复位。结合高速摄像机拍摄的视频图像（图10），具体步骤描述如下。

1）推移。推压手爪随滚筒转动，压指推动破壳通道上的油茶果向前移动（图10a）。

2）咬合。当压指无法推动油茶果时，油茶果卡在节块间的刀片上。滚筒继续转动，压指随之逆向摆动，指尖旋转半径变小，逐渐接近并咬入果壳（图10b和图10c）。

3）刨削。压指逆向摆动，压指气缸活塞克服压缩空气施加的作用力后退。当活塞到达预定位置，换向阀换向，推指气缸进气，推指弹出顶在果壳上。在推指和压指的双重作用下，果实再次向前移动，嵌入刀片的两侧果壳被切除（图10d）。

4）推散。果壳部分被切除后，果壳整体承压能力下降，推压手爪的作用力使整个果壳散开，果壳和茶子充分分离（图10e）。

5）复位。果壳破碎后，压指移动阻力下降，压指气缸在压缩空气推动下回位。同时，推杆松开，换向阀更换到排气位置，推指气缸自行回位，推指縮回。气动推压手爪各部件返回到初始位置，进入下一轮工作状态。

1.5 切削力监测

利用K3D120-500N型三轴力传感器监测刀条及切削力监测结果如图11所示。切削力（红色曲线）瞬时增大，证明推压手爪在卡点处对果壳的作用力发生了突变，刀片对果壳的刨削加工得以实现。

2 配套通用色选机的脱壳清选工艺试验

2.1 实例试验

试验在湖北三元实业有限公司生产基地进行，以公司种植基地采收的“阳新桐茶”系列油茶果为试验材料。从堆沤5 d的油茶果中，采用分级机选取直径32～42 mm的果实一批，摊晒在晒场上。天气晴朗、最高气温17～25 ℃、最低气温8～12 ℃。

完整的脱壳清选工艺为刨削破壳-碾压分离-振动筛分-颜色分选。经过筛分和色选后，脱壳的物料分为3类：粗壳料（振动筛第一层物料）、子料（振动筛第二层和第三层物料经色选机分选后出子口排出的物料）、碎壳料（色选机出壳口排出的物料）。采用手工挑选方法，又将以上3类物料分为整子（无损伤的茶子）、损子（子壳破损露出子仁）及壳片（表1），其中粗壳料中还含有果料（未破壳的果实及果壳和茶子仍黏接在一起的物料）。

以脱壳率、破子率及子中含壳率为技术指标评价试验效果，其计算方法：

脱壳率=（m-m10）/m×100%；

破子率=（m12+m22+m32）/（m11+m21+m31+m12+m22+m32）×100%；

子中含壳率=m23/m2×100%。

2.2 结果分析

2.2.1 供气压力对刨削破壳效果的影响 采用气动刨削式破壳机，以不同的供气压力加工未经摊晒的油茶果，破壳后计算脱壳率和破子率，结果如图12所示。

供气压力与脱壳效果有直接关系。在挑出的果料中，如果有一些果实未破裂，则需要增大供气压力；如果果实全部破裂，则可适当降低供气压力。使用过高的供气压力，破子率会上升。

采用刨削破壳的脱壳率为70%～85%。未经摊曬的油茶果含水率较高，果壳包裹茶子较为紧密。在切除部分果壳后，部分茶子仍然会与果壳黏接在一起，需要进一步分离处理。

2.2.2 摊晒时间对脱壳效果的影响 采用完整的脱壳清选工艺（刨削破壳+碾压分离+振动筛分+颜色分选）加工摊晒时间不同的油茶果，试验结果如图13所示。分析试验结果可知，①脱壳率均在99%以上，与摊晒时间无关联；②增加摊晒时间，尤其摊晒 5 d后，破子率下降；③子中含壳率与摊晒时间有关联，摊晒时间超过3 d，子中含壳率有上升趋势。这是因为，摊晒后少量果壳颜色变成深褐色，与茶子颜色接近，降低了色选机的分选效果。

脱壳清选试验表明，采用多通道气动刨削式油茶果破壳机和通用色选机构建的机械化脱壳清选工艺流程，适用于加工堆沤未摊晒的油茶果。在合适的工艺条件下，加工未经摊晒的油茶果，脱净率超过99%，破子率小于2%、子中含壳率小于2%。

现场工人直观评价，破壳后的物料中仅可见少量茶子损伤，且损伤的茶子，形体保持基本完整，不影响使用。总体而言，采用刨削破壳机配套通用色选机构建的脱壳清选工艺，工作效率高、茶子破损少，分选效果好，可完全替代人工脱壳清选作业。

3 结论

1）经过反复试验，研制出专用气动推压手爪，以此为核心部件设计出多通道气动刨削式油茶果破壳机，以连续逐颗作业方式对油茶果进行破壳加工。

2）根据破壳机运动原理，采用数学计算方法得到推压手爪的运动力学性能曲线，分析了在推压手爪作用下果实被刀片切削瞬间的运动轨迹及受力状态。采用力传感器监测到的切削力瞬时增大及高速摄像机拍摄到的推压手爪运动和果壳破裂过程，验证了理论分析和实际工况的一致性。

3）多通道气动刨削式油茶果破壳机配套通用色选机构建的脱壳清选工艺流程，适宜加工堆沤未摊晒的油茶果，脱净率超过99%、破子率小于2%、子中含壳率小于2%。

参考文献：

[1] 彭阳生，奚如春.油茶栽培及茶子油制取[M].北京：金盾出版社，2010.

[2] 国家林业局.全国油茶产业发展规划（2009～2020年）[R].2009.

[3] 李新金，兰 峰，苏子昊.油茶果脱壳清选机国内研究现状及成套加工工艺初探[J].南方农机，2014（6）：5-8.

[4] 朱广飞，任嘉嘉，王 振.油茶果脱壳机的设计与工作参数优化[J].农业工程学报，2016，32（7）：19-27.

[5] 蓝 峰，崔 勇，苏子昊.油茶果脱壳清选机的研制与试验[J].农业工程学报，2012（15）：33-38.

[6] 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（6）：99-100.

[7] 李 阳，王 勇，邓腊云.揉搓型油茶果分类脱壳分选机的脱壳和清选效果研究[J].湖南林业科技，2015（2）：38-42.

[8] 唐 湘，谢方平，李 旭.油茶果脱壳装置设计及试验[J].湖南农业大学学报（自然科学版），2014（6）：665-668.

[9] 樊 涛，吴兆迁，曲振兴.油茶果脱青皮机的设计[J].林业机械与木工设备，2011（10）：35-36.

[10] 张 风，杨志斌，张劲夫.油茶鲜果剥壳机机械设计原理[J].湖北林业科技，2013（3）：21-23.

[11] 刘 浩，王焱清，袁 博.油茶果脱壳与清选关键技术及工艺研究[J].湖北工业大学学报，2015（1）：65-68.

[12] 郭传真.油茶果皮子分离装置的设计与试验研究[D].武汉：华中农业大学，2011.

[13] 杨树松，李立君，高自成.基于挤压揉搓方法的油茶果破壳性能的试验研究[J].农机化研究，2015（9）：173-175.

[14] 黄凤洪，李文林，夏伏建.油茶子脱壳机的研制与应用[J].农业工程学报，2006，22（11）：147-151.

[15] 王 建，余 艳，张 明.油茶果剥壳机[P].中国专利：201220612

586.3.

[16] 涂立新，涂立宏，王志伟.油茶果剥壳机[P].中国专利：201010168

969.1.

[17] 吕文德，章红强，吕秋英.一种油茶果脱壳机[P].中国专利：2012

20304390.8.

[18] 李立君，周 健.油茶果微波爆壳的特性研究[J].中南林业科技大学学报，2011（11）：49-52.

[19] 梁文斌，谭益民，佘祥威.催裂剂对油茶果采后生理效应与品质的影响[J].中南林业科技大学学报，2010（8）：72-77.

[20] 黄义松，杨一辉，涂样胜.江西油茶种植产业化现状及发展对策思考[J].绿色科技，2014（1）：121-123.