熊平原，王 毅，許信仟，薛淼杰，張浩新，李澤林，胡文欽

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510225)

0 引言

油茶是我國(guó)特有的木本油料，廣泛種植于長(zhǎng)江以南地區(qū)，提取的油脂具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，被譽(yù)為“東方橄欖油”[1-2]。茶油的主要提取來(lái)源為油茶籽，油茶籽又可破解為籽仁和籽殼。其中，籽殼含油量極低，帶殼榨油，不但不能從殼中榨出油，反而會(huì)被殼纖維吸走部分油脂，降低了出油率，同時(shí)堅(jiān)硬的籽殼還會(huì)增加榨油機(jī)械的磨損[3-4]。傳統(tǒng)油茶籽脫殼采用人工堆曬的方法，工作效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，如遇南方梅雨天氣會(huì)導(dǎo)致油茶籽發(fā)霉、變質(zhì)。因此，機(jī)械化脫殼是促進(jìn)油茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展和提高茶油品質(zhì)的必然選擇。

油茶的主產(chǎn)區(qū)在我國(guó)，其它地區(qū)僅東南亞有少量種植，因此國(guó)外對(duì)油茶籽脫殼技術(shù)的報(bào)道較少，但對(duì)堅(jiān)果和谷類物料脫殼方法和裝置研究較多。Gupta R.K等[5]采用離心力脫殼法，設(shè)計(jì)出一套葵花籽脫殼裝置，通過(guò)正交試驗(yàn)得到了最佳工作參數(shù)，脫殼率可達(dá)80%。Katsuru H等[6]研制出一種花生脫殼機(jī)，通過(guò)更換凹板篩來(lái)調(diào)節(jié)脫殼間隙，能適應(yīng)不同品種的花生脫殼作業(yè)。日本佐竹公司[7]生產(chǎn)出一臺(tái)HU10FT 型膠輥礱谷機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)脈沖振動(dòng)喂料，全程自動(dòng)化控制，脫殼率較高。藍(lán)峰[8]等利用擠壓揉搓原理研發(fā)出一種油茶果脫殼機(jī)，主要脫殼結(jié)構(gòu)是3根脫殼桿，脫殼桿呈一定扭轉(zhuǎn)角度和傾斜角度安裝且回轉(zhuǎn)半徑不同；黃鳳洪等[9]等設(shè)計(jì)出一種滾筒式油茶果脫殼裝置，果體受到兩個(gè)輥筒上不同類型筋的相互擠壓揉搓而破碎，達(dá)到脫殼效果。熊平原等[10-11]研制出一種3層振動(dòng)篩式油茶青果脫殼篩分一體機(jī)，脫殼效率達(dá)95%。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)油茶青果脫殼設(shè)備研制較多，而對(duì)油茶籽的脫殼方案仍處在探索階段。為此，在已有物料脫殼方法基礎(chǔ)上，結(jié)合油茶籽生物學(xué)特性，設(shè)計(jì)出一套輕巧型油茶籽脫殼裝置，并構(gòu)建其三維實(shí)體模型，對(duì)油茶籽運(yùn)動(dòng)軌跡及破殼力進(jìn)行仿真分析，通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證方案的可行性。

1 脫殼裝置整體結(jié)構(gòu)

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，油茶籽一般呈三角形或菱形狀，單顆油茶籽體積范圍為0.5～2.45cm3，油茶籽之間存在較大的體積差異，如圖1(a)所示。油茶籽殼體較薄，平均厚度僅0.5mm[見(jiàn)圖1(b)]，且和籽仁之間貼合不緊密，存在一定間隙，當(dāng)油茶籽被晾曬或者水分流失嚴(yán)重時(shí)尤為明顯，間隙平均值可達(dá)3mm。

為提高脫殼效率，借鑒已有脫殼方法，油茶籽可采用碾壓式破殼，減少對(duì)籽仁的損傷。同時(shí)，為適應(yīng)南方山區(qū)環(huán)境，機(jī)具應(yīng)結(jié)構(gòu)小巧、功耗低。碾壓式油茶籽脫殼裝置主要由動(dòng)力源、傳動(dòng)系統(tǒng)、脫殼機(jī)構(gòu)及其它輔件組成，如圖2所示。

工作原理如下：油茶籽從入料斗進(jìn)入脫殼箱，在脫殼箱內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的輥軸連同壓筋將油茶籽卷入弧形篩網(wǎng)；弧形篩網(wǎng)由許多相鄰的篩條組成，篩條間隙小于油茶籽尺寸，茶籽在壓筋和篩條的相互擠壓作用下破裂成籽殼和籽仁，隨后從篩條間隙落料，在出料口處被收集。

圖1 油茶籽特性

1.入料斗 2.輥軸 3.壓筋 4.篩網(wǎng) 5.脫殼箱 6.出料口 7.機(jī)架 8.電機(jī) 9.防護(hù)罩 10.皮帶傳動(dòng)

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 輥軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輥軸是脫殼裝置的核心部件，由1根階梯轉(zhuǎn)動(dòng)軸及其在圓柱面上焊接的8條壓筋和1條螺旋板組合而成，如圖3所示。壓筋用于撥動(dòng)油茶籽運(yùn)動(dòng)，且與篩網(wǎng)形成擠壓腔，其直徑不宜設(shè)計(jì)過(guò)小或過(guò)大。如直徑過(guò)小，則壓筋與油茶籽的擠壓接觸面小，接觸不穩(wěn)，油茶籽會(huì)打轉(zhuǎn)，破殼效果差；如直徑過(guò)大，則會(huì)擠傷到籽仁，導(dǎo)致破損率升高，同時(shí)減小了有效破殼空間，增加了轉(zhuǎn)動(dòng)體質(zhì)量，提高了功率消耗。壓筋直徑應(yīng)略大于油茶籽仁尺寸為宜，故取為12mm。結(jié)合轉(zhuǎn)動(dòng)軸總體尺寸，壓筋長(zhǎng)度分為80、220、260、270mm等4種規(guī)格。螺旋板實(shí)為導(dǎo)料機(jī)構(gòu)，將入料斗中的油茶籽有序喂入脫殼腔中，防止堵塞及卡死現(xiàn)象。螺旋板采用3mm鈑金鋼條，旋轉(zhuǎn)角度為315°，右旋，徑向?qū)挾葹?1mm，軸向長(zhǎng)度為70mm。

圖3 輥軸結(jié)構(gòu)

2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)軸尺寸計(jì)算

轉(zhuǎn)動(dòng)軸是輥軸的基體，為階梯實(shí)心軸，材料為Q235鋼。在脫殼過(guò)程中，轉(zhuǎn)動(dòng)軸是受力的主體零件，其最小軸徑dmin應(yīng)滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度約束條件，即

(1)

式中P—軸所傳遞的功率(kW)；

n—軸的轉(zhuǎn)速(r/min)；

[τT]—許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力(MPa)。

同時(shí)，由于作用在轉(zhuǎn)動(dòng)軸徑向上的合力較大，最小軸徑dmin也應(yīng)滿足抗彎強(qiáng)度約束條件，即

(2)

式中Mca—當(dāng)量彎矩(N·mm)；

[σ-1]b—脈動(dòng)循環(huán)狀態(tài)下的許用應(yīng)力(MPa)。

轉(zhuǎn)動(dòng)軸按階梯劃分為A、B、C、D、E、F等6段，如圖4所示。A段軸徑最小，裝配皮帶輪，且含有鍵槽，其直徑應(yīng)在最小軸徑dmin的基礎(chǔ)上加大5%，取d1=25mm，L1=43.5mm。B、F段安裝軸承，與軸承內(nèi)圈過(guò)盈配合，采用6006-2Z型深溝球軸承，故d2=d6=30mm，L6=39.5mm。為避免軸承與皮帶輪靠得太近，B段適當(dāng)加長(zhǎng)，L2=46mm。C、E段無(wú)配合關(guān)系，用于形成軸肩及傳遞扭矩，d3=d5=35mm，長(zhǎng)度由機(jī)架和脫殼箱的總體尺寸確定，L3=56mm，L5=105mm。D段是轉(zhuǎn)動(dòng)軸的重要部位，與壓筋、螺旋板組成油茶籽脫殼的執(zhí)行部件，其軸徑?jīng)Q定了脫殼作業(yè)面積和脫殼效率，由文獻(xiàn)[12]得，d4=130mm，L4=435mm。

圖4 轉(zhuǎn)動(dòng)軸結(jié)構(gòu)

2.3 篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

篩網(wǎng)由2個(gè)側(cè)板和20根等距篩條焊接而成，呈弧形結(jié)構(gòu)，焊接要求牢固，無(wú)焊接缺陷，篩條中間裝配一個(gè)弧形筋，以加強(qiáng)網(wǎng)篩的強(qiáng)度，如圖5所示。篩條間距應(yīng)大于油茶籽仁尺寸而小于油茶籽尺寸，可取為18mm。脫殼時(shí)，篩網(wǎng)與輥軸配合使用，篩條與輥軸壓筋之間的距離需小于或等于油茶籽殼的最小尺寸，才能保證破殼徹底。依據(jù)輥軸結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定篩網(wǎng)的弧形半徑為87.5mm，長(zhǎng)度應(yīng)比輥軸長(zhǎng)一些，取總長(zhǎng)為454mm。

圖5 篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.4 入料斗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

入料斗采用倒梯臺(tái)設(shè)計(jì)，下端設(shè)置一個(gè)較小的入料口，如圖6所示。在裝配時(shí)，入料口在輥軸螺旋板的上方，因此入料斗只有一側(cè)能喂入油茶籽，通過(guò)兩塊調(diào)節(jié)板來(lái)控制喂入量。入料斗采用灰鑄鐵焊接而成，在尺寸和配合上無(wú)特殊要求。

圖6 入料斗結(jié)構(gòu)

3 仿真分析及樣機(jī)試驗(yàn)

3.1 模型建立

用三維軟件SolidWords建立油茶籽脫殼裝置三維模型。為了便于仿真、減少約束，并且根據(jù)研究的內(nèi)容和目的，模型中只保留油茶籽脫殼裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即輥軸和篩網(wǎng))及進(jìn)料機(jī)構(gòu)，其他無(wú)需研究和不影響仿真效果的零件被省略，同時(shí)省略了軸承、螺栓、螺母和墊圈等仿真無(wú)關(guān)標(biāo)準(zhǔn)件，用于仿真分析的油茶籽簡(jiǎn)化為圓形幾何體。將建好的模型導(dǎo)出為Parasolid格式，裝配關(guān)系要保證正確，零件不要有干涉，然后將其導(dǎo)入到ADAMS中，完成SolidWords和ADAMS之間的圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，導(dǎo)入后的模型如圖7所示。定義坐標(biāo)軸如下：Z軸正方向平行于輥軸中心線向左，Y軸正方向垂直向上，X軸正方向垂直與輥軸中心線向前。

圖7 ADAMS仿真模型

3.2 仿真結(jié)果分析

側(cè)板和篩條均采用45鋼，密度為7 800kg/m3；油茶籽直徑為22mm，密度為560kg/m3。油茶籽與零件的接觸參數(shù)設(shè)置為：接觸剛度1×105N/mm，剛度貢獻(xiàn)指數(shù)2.2，阻尼系數(shù)10，全阻尼穿透值0.3mm。定義輥軸轉(zhuǎn)速為600r/min，仿真時(shí)間為2s。油茶籽在Z向、X向的運(yùn)動(dòng)軌跡及所受力值變化如圖8所示。

圖8 油茶籽運(yùn)動(dòng)軌跡及力值變化

由圖8(a)可知：油茶籽在0.2～0.6s內(nèi)軸向位移量直線上升，后基本保持不變。該段時(shí)間內(nèi)，油茶籽與螺旋板接觸，在螺旋板的推動(dòng)作用下，油茶籽沿輥軸軸向平穩(wěn)移動(dòng)。這表明，螺旋板具有很好的疏導(dǎo)油茶籽的作用，能夠使油茶籽在軸向均勻分布，防止油茶籽擁堵在入料口。

由圖8(b)可知：油茶籽在X向的運(yùn)動(dòng)軌跡呈周期性變化。油茶籽在輥軸壓筋的帶動(dòng)下，隨著輥軸在篩網(wǎng)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，大概旋轉(zhuǎn)3個(gè)周期后被壓破，從出料口下落。

由圖8(c)可知：油茶籽在1.26s時(shí)受到極值力作用，此時(shí)油茶籽殼被壓破。該極值力約為88.1N，與油茶籽破殼實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符[12]，表明仿真模型的可靠性。

3.3 樣機(jī)試驗(yàn)

實(shí)物樣機(jī)如圖9所示。試驗(yàn)于2016年11月在仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院農(nóng)業(yè)工程研究所進(jìn)行，油茶籽選用產(chǎn)自廣東省梅州地區(qū)的“湘林210”品種。樣機(jī)試驗(yàn)過(guò)程為：將油茶籽曬干至籽殼含水率為25%，剔除爛籽、破籽和尺寸過(guò)小的籽，將80kg油茶籽一次性喂入脫殼機(jī)入料斗內(nèi)，調(diào)整輥軸轉(zhuǎn)速為400r/min，進(jìn)行脫殼作業(yè)；從出料口收集仁、殼混合物，分揀出完整籽仁、碎仁、未破殼的油茶籽。

圖9 試驗(yàn)樣機(jī)

參照國(guó)標(biāo)《JB/T5688.2-2007花生剝殼機(jī)試驗(yàn)方法》，計(jì)算脫殼率和碎仁率。試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，得到平均脫殼率為95.62%，平均碎仁率為1.35%，如表1所示。樣機(jī)試驗(yàn)表明：脫殼裝置設(shè)計(jì)方案可行，運(yùn)行穩(wěn)定，提高了油茶籽脫殼率，降低了碎仁率。

脫殼率計(jì)算公式為

(3)

式中W—脫殼后混合物總量(kg)；

W3—未破殼或半破殼油茶籽量(kg)。

碎仁率計(jì)算公式為

(4)

式中W1—完整籽仁量(kg)；

W2—碎仁量(kg)。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1)參考已有物料脫殼方法，結(jié)合油茶籽生物學(xué)特性，設(shè)計(jì)出一套輕巧型碾壓式油茶籽脫殼裝置，并對(duì)關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行計(jì)算。

2)仿真結(jié)果表明：螺旋板具有很好疏導(dǎo)油茶籽的作用，能夠使油茶籽在軸向均勻分布，防止堵塞。油茶籽在輥軸壓筋的驅(qū)動(dòng)下，隨輥軸在篩網(wǎng)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，壓破后從出料口下落。油茶籽破殼力約為88.1N。

3)樣機(jī)試驗(yàn)表明：脫殼裝置設(shè)計(jì)方案可行，運(yùn)行穩(wěn)定，含水率為25%的油茶籽脫殼率高達(dá)95.62%，碎仁率降低為1.35%。