油茶青果分级机结构设计*

熊平原 ， 廖东庆 ，王旭东 ，吴均毅 ，王 毅 ，廖志强 ，罗宏炼

（1.仲恺农业工程学院机电工程学院，广东 广州 510225；2.广东省振声科技股份有限公司，广东 梅州 514700；3.广东省特种设备检测研究院梅州检测院，广东 梅州 514072；4.梅州市农业综合服务中心，广东 梅州 514021）

0 引言

油茶是我国特有的木本油料树种，其榨出的茶油与橄榄油、棕油、椰子油并称世界四大植物油[1-2]。油茶青果机械化处理是油茶高质量发展的必然需求，目前已研制出一些油茶果脱壳机具，助力实现果粒高效、快速破壳[3-7]。然而，采摘回来的油茶青果果粒尺寸差异较大，现有脱壳机构的破壳间隙恒定，导致破壳率不高。为提高油茶青果破壳率，需要在破壳前按果粒尺寸大小对油茶青果进行分级，再按不同的大小级别分类脱壳。由于人工分拣油茶果劳动强度大、效率低，急需设计出一套结构简单、效率高的油茶青果分级机，以实现油茶脱壳全程机械化。

国内外学者对油茶青果分级装备研究较少，但对水果机械化分级研究较为深入。Sofu等[8]开发出一种苹果分级系统，通过图像识别出苹果直径、颜色和表面缺陷程度等特征来判定苹果等级；Hasankhani 等[9]研发出一种马铃薯分级系统，通过马铃薯颜色和大小判定级别，识别率达97%；朱占江等[10]设计出一种多段组合型滚杠式果品分级加工生产系统，通过设置多个单级分级机能够把产品分成不同级别；黄传豪[11]设计出一种滚筒式水果分级筛选机，通过改变各级滚筒孔径实现尺寸分级。基于图像识别的水果分级法可从尺寸大小、果皮色泽、表面缺陷等多维度对果实进行精准分类，但设计、制造及维护成本高，并未实现广泛应用。滚筒式水果分级法原理简单、设备便宜、作业量大，可作为油茶青果分级机的设计参考。

1 整体结构

油茶青果分级机采用卧式分布，主要由机架、进料斗、多级圆筒筛、螺旋绞龙、传动系统、电机、多级出料斗等组成，其整体结构如图1所示。

图1 油茶青果分级机整体结构

工作时，油茶青果由进料斗喂入，螺旋绞龙被电机带动不间断旋转，油茶青果在螺纹推动作用下向前移动，并贴紧圆筒筛面滚动，当果实尺寸小于筛孔直径时，青果从筛孔落入对应级别出料斗中，以实现不同尺寸油茶青果分选。该油茶青果分级机具有结构简单、造价低、分级效率高等优点。

2 关键零部件设计

2.1 绞龙结构设计

绞龙的作用是推动油茶青果向前输送，采用螺纹叶片结构，水平固定，绞龙结构如图2 所示。油茶青果受到螺纹叶片轴向推动作用和法向挤压作用，其中，直径D和螺距S为关键结构尺寸。

图2 绞龙结构示意图

2.2 绞龙直径D

绞龙直径与分级机作业量、绞龙倾斜角度、圆筒筛结构及油茶青果物料特性等因素有关[12]，可由以下公式求得：

式中，K——油茶青果特性系数，取值0.216；Q——分级作业量，取值0.8 t/h；φ——油茶青果填充系数，取值0.22；ρ——油茶青果堆积密度，取值0.65 t/m3；C——绞龙倾斜角度校正系数，取值0.65。

代入公式（1）后圆整可取D=512 mm。

2.3 螺纹螺距S

绞龙螺纹螺距影响油茶青果向前移动状态，当分级作业量Q和直径D确定后，改变螺距，油茶青果运动的滑移面发生变化，其速度分布也随之改变。通常，螺纹螺距由以下公式计算[13]：

式中，K1——螺距系数，当水平放置时，K1=0.8~1.0；当倾斜放置或物料流动性差时，K1≤0.8。

由于油茶青果流动性一般，可取K1=0.6，代入公式（2）得S=307.2 mm，圆整可取S=300 mm。

2.4 圆筒筛孔数Z

圆筒筛孔数影响油茶青果分级质量和效率，决定了分级机的作业量，作业量Q可由以下公式计算：

式中，Z——筛孔数；λ——每秒从筛孔穿过系数；m——油茶青果平均重量，单位g；

λ会随着圆筒筛的材质和形状而变化，此设计取值2%；成熟后的油茶青果是呈球形的形状，直径为20 mm~50 mm，质量是15.35 g~20.86 g，取值18 g。当设计作业量为0.8 t/h 时，求得Z=618。

2.5 圆筒筛网尺寸

如将圆筒筛网展开成平面，可得如下关系：

式中，Z0——每级孔数；P——排数；E——每排孔数；L——每级筛网长度；D0——每级筛孔直径；S——筛孔间隙。

油茶青果尺寸分4 级，每级筛孔直径分别为25 mm、34 mm、43 mm、52 mm，每级筛孔间隙分别为14 mm、18 mm、22 mm、26 mm，筛网总长为2 150 mm。

3 结语

1）课题组设计出一套结构简单、维修成本低、作业效率高的油茶青果分级装置，该装置包含多级圆筒筛、螺旋绞龙、传动系统、多级出料斗、机架等部件。

2）对螺旋绞龙、圆筒筛等关键部件进行结构设计和参数计算，绞龙直径可取512 mm，螺距取300 mm，每级筛孔数取618，每级筛孔直径分别为25 mm、34 mm、43 mm、52 mm，每级筛孔间隙分别为14 mm、18 mm、22 mm、26 mm。

3）本研究为油茶青果分级机样机制造提供了理论和数据基础，进一步促进了油茶产业的高质量发展。