陳禮東，胡淑珍，姚占斌，任嘉嘉，潘鋒波，洪毅曉

(1.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083； 2.中機(jī)康元糧油裝備有限公司，北京 100083；3.青田縣僑鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，浙江 青田 323900)

0 引言

油茶與橄欖、油棕、椰子并稱世界4大木本油料，屬于我國重要的木本油料作物，有我國“木本油之首”的稱號[1-3]。茶籽中富含油酸、亞油酸和亞麻酸等不飽和脂肪酸，油脂組成結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)與橄欖油相似，因此又被稱為“東方橄欖油”[4-5]。茶蒲中含有多糖、茶皂素等物質(zhì)，可用于醫(yī)藥、飼料等工業(yè)領(lǐng)域[6-8]。油茶產(chǎn)業(yè)是江西、湖南和廣西等地重要的經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)[9-10]。

油茶果經(jīng)過脫蒲分離、茶籽干燥后可用于油脂加工產(chǎn)業(yè)。在脫蒲分離階段，脫蒲率、茶籽有效得率、分離效率及精度等指標(biāo)能有效評價茶籽油茶果脫蒲機(jī)的優(yōu)良性，為茶油產(chǎn)業(yè)提供基礎(chǔ)設(shè)備?，F(xiàn)有技術(shù)主要有輥筒擠壓、氣動刨削和碾壓等方法實(shí)現(xiàn)油茶果脫蒲[11-18]。而茶籽大多數(shù)呈不規(guī)則形狀，通過以上方法脫蒲后，產(chǎn)生的茶蒲與茶籽難以實(shí)現(xiàn)分離。因此，設(shè)計(jì)切割式油茶果脫蒲機(jī)，使脫蒲過程中，盡量降低茶蒲碎片的尺寸，便于與茶籽分離。

1 試驗(yàn)材料特性

1.1 外形尺寸

試驗(yàn)原料采用湖南祁陽地區(qū)所產(chǎn)油茶果。該地區(qū)油茶果外形多呈球形(圖1)，有利于茶果分級挑選。

圖1 油茶果Fig.1 Camellia oleifera fruit

利用游標(biāo)卡尺對油茶果進(jìn)行抽樣測量，結(jié)果如圖2～4所示。

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

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

(1)油茶果粒徑尺寸分布于10～60 mm，其中直徑在20～45 mm的油茶果約占樣本的81%，而30～35 mm范圍內(nèi)的分布最多，約占樣本的20%。

(2)油茶籽粒的長邊尺寸分布于8～31 mm，其中在11～22 mm約占樣本的81%；短邊尺寸分布于2～25 mm，其中5～6 mm約占樣本的80%。

(3)茶蒲厚度分布于1～6 mm，其中2～5 mm約占樣本的85%，茶蒲頂部和根部普遍比中間厚約3 mm。

1.2 力學(xué)特性

力學(xué)特性試驗(yàn)所用原材料與上文相同，試驗(yàn)儀器采用由深圳三思縱橫科技股份有限公司生產(chǎn)的UTM4304型電子萬能試驗(yàn)機(jī)。

取新鮮的油茶果30顆，分為兩組進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，分別進(jìn)行縱向(果根沿果頂部方向)和橫向(與縱向垂直)勻速(0.5 mm/s)加載試驗(yàn)(圖5)。根據(jù)電腦軟件顯示曲線，記錄曲線突變時顯示的破蒲力和破蒲位移，將記錄的破蒲力結(jié)果按照順序排列后，如圖6所示。

圖5 靜態(tài)壓縮試驗(yàn)Fig.5 Static compression test

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

油茶果橫向破蒲力大于縱向破蒲力。橫向載荷最大可達(dá)到657 N，破蒲力平均值416 N；縱向載荷最大435 N，破蒲力平均值330 N。橫向破蒲位移平均值2.4 mm；縱向破蒲位移平均值2.1 mm。

橫向破蒲力大于縱向破蒲力可能與油茶果在生長過程中形成紋理且沿縱向分布有關(guān)[19-20]。

2 切割式脫蒲分離機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

由于經(jīng)過搓擦、擊打和摩擦等方式脫蒲后，產(chǎn)生的茶蒲與茶籽在形狀、尺寸上差距不明顯，難以區(qū)分。切割式脫蒲機(jī)先對油茶果表面進(jìn)行淺層處理，在油茶果表面產(chǎn)生多道切縫而不斷裂，然后利用脫蒲結(jié)構(gòu)進(jìn)行脫蒲處理；脫蒲工作時，油茶果茶蒲在沖擊力的作用下，在切縫處產(chǎn)生應(yīng)力集中而斷裂開，使茶籽與茶蒲分開。以此產(chǎn)生尺寸較小的茶蒲碎片，短小的茶蒲碎片與茶籽在尺寸上存在較大差距，可通過篩網(wǎng)形式實(shí)現(xiàn)分離。

2.2 切割結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)油茶果的力學(xué)特性并結(jié)合設(shè)計(jì)原理，切割結(jié)構(gòu)及工作過程如圖7所示。

1.輥筒 2.短齒 3.進(jìn)料室 4.油茶果圖7 切割結(jié)構(gòu)工作示意Fig.7 Working diagram of cutting structure

工作時，油茶果經(jīng)過進(jìn)料斗進(jìn)入至切割輥筒之間的間隙內(nèi)，輥筒上均勻布置的若干短齒可對油茶果表面進(jìn)行切割，使油茶果表面產(chǎn)生多道切縫而不使其裂開。對不同果蒲厚度的油茶果，可更換具有適當(dāng)切割齒深度的切割輥筒，輥筒中心距可根據(jù)油茶果粒徑的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。

根據(jù)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，在理想條件下，短齒及輥筒的輸入功率P為

(1)

式中f1——電機(jī)扭力，N

P——電機(jī)功率，kW

n——轉(zhuǎn)速，r/min

r——短齒半徑，m

同時考慮到切割齒在高速旋轉(zhuǎn)過程，對油茶果產(chǎn)生的沖擊力f2為

(2)

(3)

(4)

式中m——油茶果質(zhì)量，kg

t——切割時間，s

l——切割齒長度，mm

q——數(shù)量

p——切割齒圓周方向間距，mm

扭力f1與沖擊力f2之和，應(yīng)當(dāng)大于油茶果脫蒲力，才能使油茶果表面產(chǎn)生切縫。整合式(1)～(4)后，則油茶果破蒲力F為

(5)

在此條件下，切割結(jié)構(gòu)的處理量w為

(6)

式中w——處理量，kg/h

L——輥筒長度，mm

d——油茶果平均直徑，mm

φ——物料填充系數(shù)，0.05～0.45，取0.15[21]

整合式(3)和(6)后，處理量w為

(7)

2.3 脫蒲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)過切割結(jié)構(gòu)處理后，油茶果表面產(chǎn)生多道切縫。在力的作用下，茶蒲沿切縫斷開。為了降低對茶籽的損傷，采用柔性橡膠板，結(jié)構(gòu)如圖8所示。

1.連接軸 2.螺母 3.夾板 4.半圓篩 5.橡膠板 6.蓋板圖8 脫蒲結(jié)構(gòu)Fig.8 Shell structure

經(jīng)過切割處理后的油茶果進(jìn)入脫蒲結(jié)構(gòu)內(nèi)，柔性橡膠板對其施加擊打作用，使茶蒲與茶籽分開。帶有切縫的茶蒲在多個橡膠板的作用下，沿切縫斷裂，以此產(chǎn)生尺寸較小的茶蒲碎片，然后由底部的半圓篩漏出至出渣口。以螺旋方式安裝的柔性橡膠板產(chǎn)生的螺旋推力，將茶籽輸送至側(cè)面出籽口，以此實(shí)現(xiàn)茶籽與茶蒲的分離。

將旋轉(zhuǎn)的橡膠板設(shè)定為靜止?fàn)顟B(tài)，油茶果作為運(yùn)動狀態(tài)。運(yùn)動的油茶果對橡膠板形成沖擊，此沖擊力使油茶果沿裂縫破裂。則油茶果的運(yùn)動速度為

(8)

式中v0——油茶果運(yùn)動速度，m/s

F0——沖擊力，N

t——沖擊接觸時間，擬定為0.01 s

則橡膠板的轉(zhuǎn)速n為

(9)

式中n——橡膠板轉(zhuǎn)速，r/min

v——橡膠板速度，m/s

r0——接觸點(diǎn)半徑，擬定為0.5 m

2.4 總體結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)

為了避免切割短齒對茶籽造成的損傷及切縫數(shù)量不足等問題，油茶果需要按照徑粒大小進(jìn)行分級，切割輥筒中心距根據(jù)徑粒大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。

根據(jù)所設(shè)計(jì)的切割結(jié)構(gòu)及脫蒲結(jié)構(gòu)，結(jié)合工程資料，切割式油茶果脫蒲機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

1.帶輪 2.進(jìn)料斗 3.聯(lián)軸器 4.減速電機(jī) 5.切割結(jié)構(gòu) 6.脫蒲結(jié)構(gòu) 7.出籽口 8.機(jī)架 9.電機(jī) 10.出蒲口 11.調(diào)節(jié)螺桿圖9 切割式脫蒲機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of cutting and shelling machine for Camellia oleifera fruit

輥筒長度初步擬定為L=650 mm，半徑r=110 mm；短齒均勻布置q=30個，深度2.5 mm，寬度1 mm，長度l=5 mm，軸向間距10 mm。油茶果平均直徑d=35 mm，平均質(zhì)量m=25 g[22]。

油茶果破蒲力F按橫向平均破蒲力416 N計(jì)算，平均質(zhì)量0.025 kg。帶入式(6)和(7)后得出油茶果的運(yùn)動速度為166 m/s，橡膠板轉(zhuǎn)速n約為3 171 r/min。

結(jié)合相關(guān)研究及工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，橡膠板的轉(zhuǎn)速應(yīng)≥250 r/min。由速度與沖擊力之間的關(guān)系可知，橡膠板的轉(zhuǎn)速越高，對油茶果形成的沖擊力越大。橡膠板轉(zhuǎn)速越高，油茶果在多個橡膠板的作用下，產(chǎn)生的茶蒲碎片也越多；同樣地，茶籽受到的擊打作用力越大，被損壞的茶籽也就越多。因此，脫蒲結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)速不宜超過300 r/min[11]。式(6)未考慮到多個橡膠板連續(xù)作用，因此橡膠板的轉(zhuǎn)速計(jì)算值與實(shí)際值之間存在較大差異。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)方法

先開機(jī)使設(shè)備空載穩(wěn)定運(yùn)行，然后取等質(zhì)量(20 kg)、果徑均勻(30～35 mm)油茶果原料，一次性投入至料斗內(nèi)，待全部物料從出籽口和出蒲口漏出后，統(tǒng)計(jì)相關(guān)參數(shù)。

茶果脫蒲率η1為

(10)

式中m0——投入至脫蒲進(jìn)料斗內(nèi)油茶果質(zhì)量，kg

m1——出籽口未完全分裂開油茶果質(zhì)量，kg

茶籽有效得率η2為

(11)

式中m2——出籽口收集的全部茶籽質(zhì)量，kg

m3——完好的茶籽質(zhì)量，kg

蒲籽分離率η3為

(12)

式中m4——出籽口和出蒲口全部茶蒲質(zhì)量，kg

m5——出蒲口茶蒲質(zhì)量，kg

3.2 試驗(yàn)結(jié)論

分別以輥筒轉(zhuǎn)速、橡膠板轉(zhuǎn)速、切割深度為自變量，以脫蒲率、有效得率和分離率為因變量，每個自變量取5個水平進(jìn)行試驗(yàn)分析。

在以輥筒轉(zhuǎn)速為變量試驗(yàn)組中，橡膠板轉(zhuǎn)速260 r/min，切割深度2 mm，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 輥筒轉(zhuǎn)速對指標(biāo)的影響Fig.10 Influence of roller speed on indicators

由圖10得知，隨著輥筒轉(zhuǎn)速的增加，脫蒲率先增加后降低，脫蒲率最高達(dá)到87%；分離率的變化幅度較??；茶籽有效得率小范圍內(nèi)先降低后增加。

橡膠板轉(zhuǎn)速試驗(yàn)組中，輥筒轉(zhuǎn)速120 r/min，切割深度2 mm。試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 橡膠板轉(zhuǎn)速對指標(biāo)的影響Fig.11 Influence of rotation speed on indicators

由圖11得知，橡膠板轉(zhuǎn)速對有效得率的影響最明顯，有效得率隨著橡膠板轉(zhuǎn)速的增加而逐漸降低，最低達(dá)到94.2%。橡膠板轉(zhuǎn)速對脫蒲率和分離率的影響均較小，隨著橡膠板轉(zhuǎn)速的增加，脫蒲率在小范圍內(nèi)有所增加，分離率先增加后降低。

在切割深度試驗(yàn)組中，更換具有不同切割齒深度的切割輥筒來控制切割深度，輥筒轉(zhuǎn)速120 r/min，橡膠板轉(zhuǎn)速260 r/min，試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12 切割深度對指標(biāo)的影響Fig.12 Influence of cutting depth on indicators

由圖12得知，隨著切割深度的增加，脫蒲率和有效得率都有明顯的變化趨勢，脫蒲率逐漸增加，最高為97%，而有效得率逐漸降低，有效得率最低為95.2%，分離率整體變化不大。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種切割式油茶果脫蒲分離機(jī)，能有效實(shí)現(xiàn)油茶果的脫蒲及分離，并在一定程度上能保證茶籽的完整性，提高茶籽的有效得率。

(1)脫蒲率受輥筒轉(zhuǎn)速、橡膠板轉(zhuǎn)速和切割深度的影響程度不同。脫蒲率隨輥筒轉(zhuǎn)速的增加而先增加后降低；隨著橡膠板轉(zhuǎn)速增加在小范圍內(nèi)增加；隨著切割深度的增加而增加，增幅最大。

(2)有效得率受輥筒轉(zhuǎn)速、橡膠板轉(zhuǎn)速和切割深度的影響不一。輥筒轉(zhuǎn)速的增加對有效得率的影響效果不明顯；橡膠板轉(zhuǎn)速和切割深度的增加均使有效得率呈逐漸降低狀態(tài)。

(3)分離率受輥筒轉(zhuǎn)速、橡膠板轉(zhuǎn)速和切割深度影響較小，整體在60%～75%范圍內(nèi)變化。