切割式油茶果脱蒲机设计与试验

2021-06-30陈礼东胡淑珍姚占斌任嘉嘉潘锋波洪毅晓

农业工程 2021年5期

陈礼东，胡淑珍，姚占斌，任嘉嘉，潘锋波，洪毅晓

(1.中国农业机械化科学研究院，北京 100083； 2.中机康元粮油装备有限公司，北京 100083；3.青田县侨乡农业发展有限公司，浙江青田 323900)

0 引言

油茶与橄榄、油棕、椰子并称世界4大木本油料，属于我国重要的木本油料作物，有我国“木本油之首”的称号[1-3]。茶籽中富含油酸、亚油酸和亚麻酸等不饱和脂肪酸，油脂组成结构及理化性质与橄榄油相似，因此又被称为“东方橄榄油”[4-5]。茶蒲中含有多糖、茶皂素等物质，可用于医药、饲料等工业领域[6-8]。油茶产业是江西、湖南和广西等地重要的经济支柱产业[9-10]。

油茶果经过脱蒲分离、茶籽干燥后可用于油脂加工产业。在脱蒲分离阶段，脱蒲率、茶籽有效得率、分离效率及精度等指标能有效评价茶籽油茶果脱蒲机的优良性，为茶油产业提供基础设备。现有技术主要有辊筒挤压、气动刨削和碾压等方法实现油茶果脱蒲[11-18]。而茶籽大多数呈不规则形状，通过以上方法脱蒲后，产生的茶蒲与茶籽难以实现分离。因此，设计切割式油茶果脱蒲机，使脱蒲过程中，尽量降低茶蒲碎片的尺寸，便于与茶籽分离。

1 试验材料特性

1.1 外形尺寸

试验原料采用湖南祁阳地区所产油茶果。该地区油茶果外形多呈球形(图1)，有利于茶果分级挑选。

图1 油茶果Fig.1 Camellia oleifera fruit

利用游标卡尺对油茶果进行抽样测量，结果如图2～4所示。

图3 茶籽尺寸分布Fig.3 Size distribution of tea seeds

图4 茶蒲厚度分布Fig.4 Size distribution of tea shell

(1)油茶果粒径尺寸分布于10～60 mm，其中直径在20～45 mm的油茶果约占样本的81%，而30～35 mm范围内的分布最多，约占样本的20%。

(2)油茶籽粒的长边尺寸分布于8～31 mm，其中在11～22 mm约占样本的81%；短边尺寸分布于2～25 mm，其中5～6 mm约占样本的80%。

(3)茶蒲厚度分布于1～6 mm，其中2～5 mm约占样本的85%，茶蒲顶部和根部普遍比中间厚约3 mm。

1.2 力学特性

力学特性试验所用原材料与上文相同，试验仪器采用由深圳三思纵横科技股份有限公司生产的UTM4304型电子万能试验机。

取新鲜的油茶果30颗，分为两组进行静态压缩试验，分别进行纵向(果根沿果顶部方向)和横向(与纵向垂直)匀速(0.5 mm/s)加载试验(图5)。根据电脑软件显示曲线，记录曲线突变时显示的破蒲力和破蒲位移，将记录的破蒲力结果按照顺序排列后，如图6所示。

图5 静态压缩试验Fig.5 Static compression test

图6 油茶果破蒲力及位移Fig.6 Breaking force and displacement of Camellia oleifera fruit

油茶果横向破蒲力大于纵向破蒲力。横向载荷最大可达到657 N，破蒲力平均值416 N；纵向载荷最大435 N，破蒲力平均值330 N。横向破蒲位移平均值2.4 mm；纵向破蒲位移平均值2.1 mm。

横向破蒲力大于纵向破蒲力可能与油茶果在生长过程中形成纹理且沿纵向分布有关[19-20]。

2 切割式脱蒲分离机设计

2.1 设计原理

由于经过搓擦、击打和摩擦等方式脱蒲后，产生的茶蒲与茶籽在形状、尺寸上差距不明显，难以区分。切割式脱蒲机先对油茶果表面进行浅层处理，在油茶果表面产生多道切缝而不断裂，然后利用脱蒲结构进行脱蒲处理；脱蒲工作时，油茶果茶蒲在冲击力的作用下，在切缝处产生应力集中而断裂开，使茶籽与茶蒲分开。以此产生尺寸较小的茶蒲碎片，短小的茶蒲碎片与茶籽在尺寸上存在较大差距，可通过筛网形式实现分离。

2.2 切割结构设计

根据油茶果的力学特性并结合设计原理，切割结构及工作过程如图7所示。

1.辊筒 2.短齿 3.进料室 4.油茶果图7 切割结构工作示意Fig.7 Working diagram of cutting structure

工作时，油茶果经过进料斗进入至切割辊筒之间的间隙内，辊筒上均匀布置的若干短齿可对油茶果表面进行切割，使油茶果表面产生多道切缝而不使其裂开。对不同果蒲厚度的油茶果，可更换具有适当切割齿深度的切割辊筒，辊筒中心距可根据油茶果粒径的大小进行调节。

根据所设计的结构，在理想条件下，短齿及辊筒的输入功率P为

(1)

式中f1——电机扭力，N

P——电机功率，kW

n——转速，r/min

r——短齿半径，m

同时考虑到切割齿在高速旋转过程，对油茶果产生的冲击力f2为

(2)

(3)

(4)

式中m——油茶果质量，kg

t——切割时间，s

l——切割齿长度，mm

q——数量

p——切割齿圆周方向间距，mm

扭力f1与冲击力f2之和，应当大于油茶果脱蒲力，才能使油茶果表面产生切缝。整合式(1)～(4)后，则油茶果破蒲力F为

(5)

在此条件下，切割结构的处理量w为

(6)

式中w——处理量，kg/h

L——辊筒长度，mm

d——油茶果平均直径，mm

φ——物料填充系数，0.05～0.45，取0.15[21]

整合式(3)和(6)后，处理量w为

(7)

2.3 脱蒲结构设计

经过切割结构处理后，油茶果表面产生多道切缝。在力的作用下，茶蒲沿切缝断开。为了降低对茶籽的损伤，采用柔性橡胶板，结构如图8所示。

1.连接轴 2.螺母 3.夹板 4.半圆筛 5.橡胶板 6.盖板图8 脱蒲结构Fig.8 Shell structure

经过切割处理后的油茶果进入脱蒲结构内，柔性橡胶板对其施加击打作用，使茶蒲与茶籽分开。带有切缝的茶蒲在多个橡胶板的作用下，沿切缝断裂，以此产生尺寸较小的茶蒲碎片，然后由底部的半圆筛漏出至出渣口。以螺旋方式安装的柔性橡胶板产生的螺旋推力，将茶籽输送至侧面出籽口，以此实现茶籽与茶蒲的分离。

将旋转的橡胶板设定为静止状态，油茶果作为运动状态。运动的油茶果对橡胶板形成冲击，此冲击力使油茶果沿裂缝破裂。则油茶果的运动速度为

(8)

式中v0——油茶果运动速度，m/s

F0——冲击力，N

t——冲击接触时间，拟定为0.01 s

则橡胶板的转速n为

(9)

式中n——橡胶板转速，r/min

v——橡胶板速度，m/s

r0——接触点半径，拟定为0.5 m

2.4 总体结构及相关参数

为了避免切割短齿对茶籽造成的损伤及切缝数量不足等问题，油茶果需要按照径粒大小进行分级，切割辊筒中心距根据径粒大小进行调节。

根据所设计的切割结构及脱蒲结构，结合工程资料，切割式油茶果脱蒲机整体结构如图9所示。

1.带轮 2.进料斗 3.联轴器 4.减速电机 5.切割结构 6.脱蒲结构 7.出籽口 8.机架 9.电机 10.出蒲口 11.调节螺杆图9 切割式脱蒲机整体结构Fig.9 Structure of cutting and shelling machine for Camellia oleifera fruit

辊筒长度初步拟定为L=650 mm，半径r=110 mm；短齿均匀布置q=30个，深度2.5 mm，宽度1 mm，长度l=5 mm，轴向间距10 mm。油茶果平均直径d=35 mm，平均质量m=25 g[22]。

油茶果破蒲力F按横向平均破蒲力416 N计算，平均质量0.025 kg。带入式(6)和(7)后得出油茶果的运动速度为166 m/s，橡胶板转速n约为3 171 r/min。

结合相关研究及工程技术经验，橡胶板的转速应≥250 r/min。由速度与冲击力之间的关系可知，橡胶板的转速越高，对油茶果形成的冲击力越大。橡胶板转速越高，油茶果在多个橡胶板的作用下，产生的茶蒲碎片也越多；同样地，茶籽受到的击打作用力越大，被损坏的茶籽也就越多。因此，脱蒲结构的转速不宜超过300 r/min[11]。式(6)未考虑到多个橡胶板连续作用，因此橡胶板的转速计算值与实际值之间存在较大差异。