油茶果划线破壳装置设计*

肖本贵，胡淑芬，邓勇杰，赖曲芳，刘 斌，张庐陵，曹昕奕，李涵泰，郭宇辉，翁徐杰，易 康

(1.江西农业大学工学院，江西 南昌 330045；2.江西省现代农业装备重点实验室，江西 南昌 330045)

0 引言

油茶是我国特有的木本油料作物[1]，在我国有2 000多年的栽培和使用历史。油茶籽提炼的茶籽油含有丰富的不饱和脂肪酸，同时还富含维生素E、角鲨烯、甾醇、多酚等活性物质，有极高的保健和药用价值，对调节血脂、预防和减少心脑血管疾病，增强人体免疫机能等具有非常积极的作用[2]，且具有一定的美容养颜作用，所以茶油有着“油中软黄金”的美誉[3]。近年来，随着我国油茶种植面积的不断增加，对油茶果机械化加工的需求日益突出。

油茶果由茶籽与茶壳组成[4]。茶籽的主要成分为脂肪、蛋白质及淀粉等，可用来提炼茶油[5]。而茶壳主要由纤维素构成，不含油脂，且纤维素对油脂加工及加工设备的运行不利，须做脱壳处理。传统的油茶果加工方法主要是堆沤、摊晒，再通过人工筛选，但人工筛选成本高，生产效率低，且新鲜的油茶果如不及时进行脱壳、筛分、干燥处理，极易导致果实腐烂、霉变[6]。现有的油茶果机械脱壳设备及方法，根据脱壳工作原理的不同，可以分为间隙挤压揉搓法[7]、柔性辊抽打法[8]、碾搓法[9]等。现有的油茶果破壳装置存在伤籽率和破籽率较高、破壳后籽壳难以清选等技术难题[10-11]。

针对以上问题，课题组设计了一种油茶果划线破壳装置。该装置通过可垂直移动的弹簧刀片，使刀片在不损伤油茶籽的情况下对油茶果壳划线一周，再通过碾轮将划线后的油茶果碾压破壳。有利于减少破壳过程中对茶籽的损伤，破壳后茶壳的尺寸较为规则，便于后续茶籽和茶壳的清选。该装置适用于多尺度油茶果的破壳，结构简单，操作方便。

1 整机结构及工作原理

1.1 整机结构设计

油茶果划线破壳装置的破壳工作过程可以分为两个阶段，第一个阶段是对油茶果进行划线，第二个阶段是对划线后的油茶果进行碾压破壳。由这两个阶段实现油茶果的完整破壳，使得茶壳的破开有规律，茶籽不易破损，且有利于后续油茶籽壳的清选[12]。

油茶果划线破壳装置结构示意图如图1所示，主要由机架、固定在机架上的油茶果入料装置、物料输送装置、划线装置、碾压装置等组成。该划线破壳装置的动力由3个三相异步电机提供，组件与电机之间均采用V带传动。物料输送装置中的一根主传动轴与三根从动轴之间同样使用V带传动。

图1 油茶果划线破壳装置结构示意图Fig.1 Structure diagram of camellia oleifera fruit shell breaking device

1.2 工作原理

油茶果划线破壳装置工作原理图如图2所示。

图2 油茶果划线破壳装置原理图Fig.2 Schematic diagram of camellia oleifera fruit shell breaking device

油茶果通过入料装置的送料滚筒逐个运输至物料输送装置的输送带上，通过输送带逐一横躺式输送至划线装置工作区，油茶果在弹簧刀片与输送带的相互作用下发生滚动，使得弹簧刀片在油茶果壳腹部中间表面划线一周；划线后的油茶果通过输送带输送到物料输送装置尾端，在高速旋转的碾轮的作用下，对已划线的油茶果腹部进行碾压破壳，茶壳与茶籽从出料口排出。

2 关键零部件的设计

2.1 入料装置设计

入料装置的结构示意图如图3所示，入料装置主要包括入料斗、送料滚筒、拨料轮、导料板等部分。油茶果进入入料斗，通过入料斗下方出口处的拨料轮将油茶果送至送料滚筒内；油茶果沿着安装在送料滚筒外侧的导料板进入到输送装置。由于在输送过程中入料斗下方出口处容易发生搭桥或一次进入好几个油茶果的情况，导致油茶果入料斗出口处堵塞，从而影响油茶果划线破壳装置的正常运行。故在入料斗下方出口对中向右5 mm处安装一个拨料轮，拨动油茶果顺着入料斗下方出口顺利进入送料滚筒；均布在送料滚筒圆周上的斜凹槽只能容纳一个油茶果，该设计保证了送料滚筒每次送到输送装置上的油茶果是单一周期性间隔的，以满足装置工作要求。

图3 入料装置结构示意图Fig.3 Structure diagram of feeding device

2.2 划线装置设计

油茶果划线装置如图4所示，主要由机架、刀片、刀片固定板、刃口保持板、弹簧、连杆和滑块等组成。刀片固定板夹持的刀片刀口向下，刀片长度为100 mm，刀片在刃口保持板的作用下刃口只伸出1.5 mm，且刀刃呈一定的水平角度，为5°，即随着物料传送方向，刀刃与输送带间距离由大到小；两块刀片固定板与连杆通过焊接方式固定；连杆穿过滑块上的通孔；弹簧套在连杆上，一端固定在刀片固定板处，另一端固定在滑块上。整个划线装置通过两块滑块用螺钉连接固定在机架上。

图4 刀具结构示意图Fig.4 Tool structure diagram

划线装置中弹簧力的设计至关重要，弹簧力的大小须大于油茶果壳的划线破壳力，而小于油茶籽的划线破壳力。油茶果分级后尺寸公差应限制在5 mm之内。当油茶果通过输送装置进入划线装置时，通过划线装置上弹簧力的调整作用，连杆可根据油茶果的尺寸以及刀口处受力的变化而沿着滑块的通孔上下滑动，以实现弹簧刀片的刀刃只划开油茶果壳而不损伤油茶果壳内的茶籽，从而保证果壳内茶籽的完好性。油茶果在弹簧刀片与输送带的相互作用下发生滚动，使得弹簧刀片在果壳表面划线一周，划线装置原理示意图如图5所示。

图5 划线装置原理示意图Fig.5 Schematic diagram of scribing device

2.3 碾轮设计

经划线后的油茶果，需要进行破壳。碾压过程中，由于碾轮与轴套（固定在输出轴上，位于输送带之间）、油茶果之间的摩擦力对油茶果做向下滑移运动的作用很小，可近似看作油茶果在重力的作用下做纯滚动。此时，可以将油茶果的运动分解为绕质心的转动和质心的平动[13]。即油茶果在碾压过程中既做转动又做平动。平动可使油茶果在碾压过程中受到较大的碾压变形，确保油茶果可以完整破壳；转动则可使油茶果受到均匀的碾压，然后使得破壳后的油茶籽壳混合物从碾轮下方排出。

碾轮采用的是凸轮结构，如图6所示，凸轮结构在碾压受力时与圆周受力相似，而凸轮结构的设计会大大地减少出料口油茶籽壳的堵塞。

图6 碾轮结构示意图Fig.6 Roller structure diagram

3 结论

课题组通过对油茶果、茶壳和茶籽物料特性的分析，设计了油茶划线切割与碾压破壳相结合的油茶果划线破壳装置。相比于传统的油茶果破壳装置，该装置在加工过程的伤籽率和破籽率大幅降低，分离后的茶籽、茶壳尺寸差异大，进而提高了油茶籽壳的清选效率。