碾压式油茶籽脱壳装置设计及仿真分析

熊平原，王 毅，许信仟，薛淼杰，张浩新，李泽林，胡文钦

(仲恺农业工程学院 机电工程学院，广州 510225)

0 引言

油茶是我国特有的木本油料，广泛种植于长江以南地区，提取的油脂具有丰富的营养价值，被誉为“东方橄榄油”[1-2]。茶油的主要提取来源为油茶籽，油茶籽又可破解为籽仁和籽壳。其中，籽壳含油量极低，带壳榨油，不但不能从壳中榨出油，反而会被壳纤维吸走部分油脂，降低了出油率，同时坚硬的籽壳还会增加榨油机械的磨损[3-4]。传统油茶籽脱壳采用人工堆晒的方法，工作效率低，劳动强度大，如遇南方梅雨天气会导致油茶籽发霉、变质。因此，机械化脱壳是促进油茶产业发展和提高茶油品质的必然选择。

油茶的主产区在我国，其它地区仅东南亚有少量种植，因此国外对油茶籽脱壳技术的报道较少，但对坚果和谷类物料脱壳方法和装置研究较多。Gupta R.K等[5]采用离心力脱壳法，设计出一套葵花籽脱壳装置，通过正交试验得到了最佳工作参数，脱壳率可达80%。Katsuru H等[6]研制出一种花生脱壳机，通过更换凹板筛来调节脱壳间隙，能适应不同品种的花生脱壳作业。日本佐竹公司[7]生产出一台HU10FT 型胶辊砻谷机，能够实现无脉冲振动喂料，全程自动化控制，脱壳率较高。蓝峰[8]等利用挤压揉搓原理研发出一种油茶果脱壳机，主要脱壳结构是3根脱壳杆，脱壳杆呈一定扭转角度和倾斜角度安装且回转半径不同；黄凤洪等[9]等设计出一种滚筒式油茶果脱壳装置，果体受到两个辊筒上不同类型筋的相互挤压揉搓而破碎，达到脱壳效果。熊平原等[10-11]研制出一种3层振动筛式油茶青果脱壳筛分一体机，脱壳效率达95%。

目前，国内对油茶青果脱壳设备研制较多，而对油茶籽的脱壳方案仍处在探索阶段。为此，在已有物料脱壳方法基础上，结合油茶籽生物学特性，设计出一套轻巧型油茶籽脱壳装置，并构建其三维实体模型，对油茶籽运动轨迹及破壳力进行仿真分析，通过样机试验验证方案的可行性。

1 脱壳装置整体结构

通过试验发现，油茶籽一般呈三角形或菱形状，单颗油茶籽体积范围为0.5～2.45cm3，油茶籽之间存在较大的体积差异，如图1(a)所示。油茶籽壳体较薄，平均厚度仅0.5mm[见图1(b)]，且和籽仁之间贴合不紧密，存在一定间隙，当油茶籽被晾晒或者水分流失严重时尤为明显，间隙平均值可达3mm。

为提高脱壳效率，借鉴已有脱壳方法，油茶籽可采用碾压式破壳，减少对籽仁的损伤。同时，为适应南方山区环境，机具应结构小巧、功耗低。碾压式油茶籽脱壳装置主要由动力源、传动系统、脱壳机构及其它辅件组成，如图2所示。

工作原理如下：油茶籽从入料斗进入脱壳箱，在脱壳箱内高速旋转的辊轴连同压筋将油茶籽卷入弧形筛网；弧形筛网由许多相邻的筛条组成，筛条间隙小于油茶籽尺寸，茶籽在压筋和筛条的相互挤压作用下破裂成籽壳和籽仁，随后从筛条间隙落料，在出料口处被收集。

图1 油茶籽特性

1.入料斗 2.辊轴 3.压筋 4.筛网 5.脱壳箱 6.出料口 7.机架 8.电机 9.防护罩 10.皮带传动

2 关键零部件设计

2.1 辊轴结构设计

辊轴是脱壳装置的核心部件，由1根阶梯转动轴及其在圆柱面上焊接的8条压筋和1条螺旋板组合而成，如图3所示。压筋用于拨动油茶籽运动，且与筛网形成挤压腔，其直径不宜设计过小或过大。如直径过小，则压筋与油茶籽的挤压接触面小，接触不稳，油茶籽会打转，破壳效果差；如直径过大，则会挤伤到籽仁，导致破损率升高，同时减小了有效破壳空间，增加了转动体质量，提高了功率消耗。压筋直径应略大于油茶籽仁尺寸为宜，故取为12mm。结合转动轴总体尺寸，压筋长度分为80、220、260、270mm等4种规格。螺旋板实为导料机构，将入料斗中的油茶籽有序喂入脱壳腔中，防止堵塞及卡死现象。螺旋板采用3mm钣金钢条，旋转角度为315°，右旋，径向宽度为21mm，轴向长度为70mm。

图3 辊轴结构

2.2 转动轴尺寸计算

转动轴是辊轴的基体，为阶梯实心轴，材料为Q235钢。在脱壳过程中，转动轴是受力的主体零件，其最小轴径dmin应满足扭转强度约束条件，即

(1)

式中P—轴所传递的功率(kW)；

n—轴的转速(r/min)；

[τT]—许用扭转切应力(MPa)。

同时，由于作用在转动轴径向上的合力较大，最小轴径dmin也应满足抗弯强度约束条件，即

(2)

式中Mca—当量弯矩(N·mm)；

[σ-1]b—脉动循环状态下的许用应力(MPa)。

转动轴按阶梯划分为A、B、C、D、E、F等6段，如图4所示。A段轴径最小，装配皮带轮，且含有键槽，其直径应在最小轴径dmin的基础上加大5%，取d1=25mm，L1=43.5mm。B、F段安装轴承，与轴承内圈过盈配合，采用6006-2Z型深沟球轴承，故d2=d6=30mm，L6=39.5mm。为避免轴承与皮带轮靠得太近，B段适当加长，L2=46mm。C、E段无配合关系，用于形成轴肩及传递扭矩，d3=d5=35mm，长度由机架和脱壳箱的总体尺寸确定，L3=56mm，L5=105mm。D段是转动轴的重要部位，与压筋、螺旋板组成油茶籽脱壳的执行部件，其轴径决定了脱壳作业面积和脱壳效率，由文献[12]得，d4=130mm，L4=435mm。

图4 转动轴结构

2.3 筛网结构设计

筛网由2个侧板和20根等距筛条焊接而成，呈弧形结构，焊接要求牢固，无焊接缺陷，筛条中间装配一个弧形筋，以加强网筛的强度，如图5所示。筛条间距应大于油茶籽仁尺寸而小于油茶籽尺寸，可取为18mm。脱壳时，筛网与辊轴配合使用，筛条与辊轴压筋之间的距离需小于或等于油茶籽壳的最小尺寸，才能保证破壳彻底。依据辊轴结构参数，确定筛网的弧形半径为87.5mm，长度应比辊轴长一些，取总长为454mm。

图5 筛网结构

2.4 入料斗结构设计

入料斗采用倒梯台设计，下端设置一个较小的入料口，如图6所示。在装配时，入料口在辊轴螺旋板的上方，因此入料斗只有一侧能喂入油茶籽，通过两块调节板来控制喂入量。入料斗采用灰铸铁焊接而成，在尺寸和配合上无特殊要求。

图6 入料斗结构

3 仿真分析及样机试验

3.1 模型建立

用三维软件SolidWords建立油茶籽脱壳装置三维模型。为了便于仿真、减少约束，并且根据研究的内容和目的，模型中只保留油茶籽脱壳装置的执行机构(即辊轴和筛网)及进料机构，其他无需研究和不影响仿真效果的零件被省略，同时省略了轴承、螺栓、螺母和垫圈等仿真无关标准件，用于仿真分析的油茶籽简化为圆形几何体。将建好的模型导出为Parasolid格式，装配关系要保证正确，零件不要有干涉，然后将其导入到ADAMS中，完成SolidWords和ADAMS之间的图形数据转换，导入后的模型如图7所示。定义坐标轴如下：Z轴正方向平行于辊轴中心线向左，Y轴正方向垂直向上，X轴正方向垂直与辊轴中心线向前。

图7 ADAMS仿真模型

3.2 仿真结果分析

侧板和筛条均采用45钢，密度为7 800kg/m3；油茶籽直径为22mm，密度为560kg/m3。油茶籽与零件的接触参数设置为：接触刚度1×105N/mm，刚度贡献指数2.2，阻尼系数10，全阻尼穿透值0.3mm。定义辊轴转速为600r/min，仿真时间为2s。油茶籽在Z向、X向的运动轨迹及所受力值变化如图8所示。

图8 油茶籽运动轨迹及力值变化

由图8(a)可知：油茶籽在0.2～0.6s内轴向位移量直线上升，后基本保持不变。该段时间内，油茶籽与螺旋板接触，在螺旋板的推动作用下，油茶籽沿辊轴轴向平稳移动。这表明，螺旋板具有很好的疏导油茶籽的作用，能够使油茶籽在轴向均匀分布，防止油茶籽拥堵在入料口。

由图8(b)可知：油茶籽在X向的运动轨迹呈周期性变化。油茶籽在辊轴压筋的带动下，随着辊轴在筛网内转动，大概旋转3个周期后被压破，从出料口下落。

由图8(c)可知：油茶籽在1.26s时受到极值力作用，此时油茶籽壳被压破。该极值力约为88.1N，与油茶籽破壳实验结果相符[12]，表明仿真模型的可靠性。

3.3 样机试验

实物样机如图9所示。试验于2016年11月在仲恺农业工程学院农业工程研究所进行，油茶籽选用产自广东省梅州地区的“湘林210”品种。样机试验过程为：将油茶籽晒干至籽壳含水率为25%，剔除烂籽、破籽和尺寸过小的籽，将80kg油茶籽一次性喂入脱壳机入料斗内，调整辊轴转速为400r/min，进行脱壳作业；从出料口收集仁、壳混合物，分拣出完整籽仁、碎仁、未破壳的油茶籽。

图9 试验样机

参照国标《JB/T5688.2-2007花生剥壳机试验方法》，计算脱壳率和碎仁率。试验重复进行3次，得到平均脱壳率为95.62%，平均碎仁率为1.35%，如表1所示。样机试验表明：脱壳装置设计方案可行，运行稳定，提高了油茶籽脱壳率，降低了碎仁率。

脱壳率计算公式为

(3)

式中W—脱壳后混合物总量(kg)；

W3—未破壳或半破壳油茶籽量(kg)。

碎仁率计算公式为

(4)

式中W1—完整籽仁量(kg)；

W2—碎仁量(kg)。

表1 试验结果

4 结论

1)参考已有物料脱壳方法，结合油茶籽生物学特性，设计出一套轻巧型碾压式油茶籽脱壳装置，并对关键零部件结构尺寸进行计算。

2)仿真结果表明：螺旋板具有很好疏导油茶籽的作用，能够使油茶籽在轴向均匀分布，防止堵塞。油茶籽在辊轴压筋的驱动下，随辊轴在筛网内转动，压破后从出料口下落。油茶籽破壳力约为88.1N。

3)样机试验表明：脱壳装置设计方案可行，运行稳定，含水率为25%的油茶籽脱壳率高达95.62%，碎仁率降低为1.35%。