立锥结构式油茶脱壳机技术分析研究

汤晶宇， 张禹鑫， 吴 昊， 寇 欣， 曲振兴， 王 东， 徐克生

(1.中国林业科学研究院林业新技术研究所，北京 100091；2.国家林业和草原局哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；3.哈尔滨理工大学，黑龙江 哈尔滨150080)

为实现油茶果的机械化脱壳，解放劳动生产力、提高工作效率，研究者们根据油茶果的生物学特征开发出形式多样的油茶果脱壳装备，根据不同结构脱壳原理大体可分为揉搓、对搓、撞击、切割与挤压等[1]。如何提高油茶果脱壳的效率、降低脱壳过程中的损伤率是优化脱壳设备的主要研究方向。

1 油茶脱壳技术研究现状

1.1 油茶脱壳技术原理

揉搓脱壳是将油茶果实置于脱壳区间内，通过运动的脱壳结构对油茶果实施加挤压力和摩擦力，在揉搓过程中使油茶果实逐渐松散，达到壳籽分离的目的。此脱壳区间一般设置有花纹凸起和揉搓楞筋来增强对油茶果实的挤压力和摩擦力，增强脱壳效果。

对搓脱壳脱壳区间内部结构存在相对运动，作用在油茶果上表现为对向撕扯，进而形成摩擦力帮助壳籽分离。此脱壳区间一般多为有速度差的固定压板与输送带组合或一对输送带组合。

撞击脱壳是通过装置带动油茶果实旋转运动，在离心力的作用下使油茶果与击打辊或冲击板等作用装置发生碰撞，果实外壳破裂，壳与籽在这一变形过程中发生分离。

切割脱壳是在脱壳区间设置与果实产生相对运动的刀片或针辊，当果实运动至剪切机构中时，所受剪切力导致果实破裂。

挤压脱壳通常在脱壳区间设置有成对的挤压板或压辊，一对挤压结构之间存在相对运动，以挤压板为例，一般为一个定板一个动板，通过向处于其中的果实施加挤压力使果壳受压变形。

1.2 立锥式油茶脱壳

立锥式油茶脱壳属于揉搓式脱壳，相比较其他结构油茶脱壳机，其上方喂入油茶果较为方便，有效脱粒面积比卧式占机器比较大，油茶果在脱壳区间停滞时间较长，因此脱净率较高。从经济性角度看，卧式脱壳机的传动系统采用多级传送带与链传动，而立锥式脱壳机的传动系统按照竖直线轴布置，结构简单紧凑占地面积小[2]。但由于立锥式脱壳装备的自身结构形式限制，喂入量增加时易造成脱壳区间堵塞，从而增加油茶籽破损率，故在相同时间内立锥式油茶脱壳量要明显低于其他方式，更加适用于进行少量精准脱壳与科研试验[3]。目前在实际油茶脱壳领域中立锥式油茶脱壳机没有得到广泛的应用，针对性的研究相对较少。

2 立锥式油茶脱壳机结构

2.1 工作原理

立锥式油茶脱壳机基于立式薄层流动脱壳原理，主要通过内筒和外筒的相对运动对其间隙中的油茶果实进行差速挤搓，差速挤搓力和脱壳区间存在的形状各异楞筋突起、具有摩擦力的表面对果实产生打击力共同实现脱壳动作。

2.2 脱壳区间结构形式

在进行立锥式脱壳机研制与试验中，为适应不同油茶品种的生物特性与尺寸特征，脱壳机结构形式多样。脱壳区间一般包括动力旋转内筒与固定外筒，结构形式大致分为以下几种。

(1)内筒为同旋转主轴运动的圆柱体，如图1所示。内筒表面分布有楞筋，外筒为倒圆台形状[4]，内外筒之间形成间隙由大变小的脱壳空间，针对不同尺寸油茶果进行脱壳。

图1 内筒圆柱体

(2)旋转内筒为正圆台形状[5]，如图2所示。内筒上设置有滚花花纹，配合无动力外筒进行脱壳，此形式外筒一般竖直方向位置可移动以调整脱壳间隙。为增大脱壳行程，脱壳区间正圆台边线与底面所形成角度一般较小。

图2 内筒正圆台形状

(3)内筒为正圆锥倒圆台结构形式组合，如图3所示。正圆锥内筒部分方便进料，且在此部分设置球状突起[6]，此结构进料时对果实起到撞击挤压作用，倒圆台部分对果实进一步碾搓，脱净率较高，进料过多时易堵塞。

图3 内筒正圆锥倒圆台结构

内筒为倒圆台接倾角更大的倒圆台[7]，如图4所示。以便于脱壳后导向果实下落到下一机器结构内，防止果实堵塞造成破碎。

图4 内筒双圆台结构

脱壳外筒有封闭式与开放式两种形式。封闭式整体封闭，结构形式随内筒，具有相同的角度。开放式为网格式凹板筛、栅条式凹板筛，其在防止堵塞的同时对脱壳后果实的不同形态进行筛分，保证较好地完成脱壳，又能降低脱壳结构对果仁造成的伤害。脱壳区间结构形式的不断改进完善，为立锥结构式油茶果脱壳机的应用创造了良好的发展前景。

2.3 辅助壳籽分离机构

通过立锥结构式脱壳机脱壳后的油茶果已经分裂开，但仍有部分茶籽被果壳包裹，因此脱壳机下一般设置有辅助壳籽分离装置，用于将被果壳包裹的油茶籽与果壳分离[8]。

3 几种作物的立锥式脱壳设备

3.1 立锥式巴旦木脱壳设备

塔里木大学范修文等[9]研制的圆锥式巴旦木破壳分离机如图5所示。该机为防止脱壳滚筒堵塞，在作物进料口下设置了均布器。巴旦木在脱壳前期受到橡胶螺旋筋条的击打作用，脱壳后期依靠内外滚筒的挤搓作用进行脱壳。螺旋筋条推动脱壳后的果仁向下运动，减少果仁在脱壳区间的停留时间，其中锥式凹板筛能够促使巴旦木充分脱壳。

图5 圆锥式巴旦木破壳分离机

3.2 立锥式蓖麻脱壳设备

沈阳农业大学侯俊明等[10]研制的双圆台锥式蓖麻脱壳清选机如图6所示。该机上下脱壳滚筒对蓖麻蒴果施加挤压力与摩擦力，实现破壳动作后落入脱壳机辅助机构中，辅助机构包括振动孔筛与高压离心风机，对揉搓后的蓖麻进行壳籽分离处理。

图6 双圆台锥式蓖麻脱壳清选机

3.3 立锥式花生脱壳设备

沈阳农业大学陆荣等[11]研制的立锥式花生脱壳装置如图7所示。该机通过均料锥和导流片合理分布花生荚果，辅助机构为喂入量调节板，能够保证一部分花生荚果脱离脱壳区间后才进行花生荚果的继续喂入，实现了脱壳机喂入量的自调节，避免堵塞的同时保证了花生荚果受力均匀，提高脱壳效率。

图7 立锥式花生脱壳装置

4 立锥式油茶脱壳机脱壳关键技术分析

油茶果在脱壳区间内受到滚筒内部凸起结构的碰撞冲击力与滚筒内侧的挤压对搓力，随导向机构向下运动的同时受果实自身重力的作用使果实下落。通过参考其他作物的立锥结构式脱壳设备以及立锥式油茶脱壳原理可知，影响油茶脱壳效果的因素主要有滚筒转速、脱壳区间材料与形式、滚筒锥角与脱壳筒间隙等。

脱壳滚筒转速需综合考虑油茶果壳的生物特征如厚度、含水率等因素，当脱壳滚筒转速升高时，滚筒内部凸起结构对果实产生的击打力与内外筒对果实的搓擦力随之增大，会导致油茶破损率增大；若转速过小则会导致油茶脱壳不充分，破壳效果不理想。

脱壳区间所用材料决定了脱壳机工作时内外滚筒对果实摩擦力的大小，脱壳区间内表面形式不同即凸点或楞筋对油茶果产生的冲击力大小也不同，脱壳区间的材料选择与结构形式直接影响茶果在脱壳滚筒中的受力情况。

脱壳滚筒锥角直接影响果实是否能够顺利进入到脱壳区间[12]，影响果实在脱壳区间的停留时间，决定了脱壳作用时间、果实下落速度与脱壳行程。

通过对脱壳滚筒间隙的设计，求解果实在脱壳区间中的受力变形情况，为果实的动力学分析提供理论依据，当脱壳间隙即最小极限间隙值逐渐增大时，油茶果达到脱壳条件的位移与时间随之增加[13]，影响果实运动速度从而影响脱壳效果。

另外，脱壳筒内的楞筋分布螺旋升角、楞筋数目和进料口结构形式等变量都会对脱壳效果造成一定的影响。

5 小结

目前的立锥结构式油茶脱壳机在工作效率与损伤率之间无法取得最优效果，在今后的研究中除了通过对油茶果实进行受力分析来计算主要影响因素的合理取值范围，还应同时确认其他因素产生的影响效果，并结合多因素对脱壳效果产生的共同影响进行立锥结构式油茶脱壳设备的研制与优化。