王 東， 寇 欣， 曲振興， 范志遠(yuǎn)， 向文博， 薛晨陽， 湯晶宇*

(1.國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.國家林業(yè)和草原局林業(yè)機電工程重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150086；3.國家林業(yè)和草原局林業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，黑龍江 哈爾濱 150086)

油茶是世界四大木本食用油料作物，截止2020年我國油茶種植面積達(dá)6 800萬畝[1]。油茶除具有食用功能和保健功能外，在化工、醫(yī)藥、化妝品、生物有機肥、飼料等方面應(yīng)用廣泛，且具有“不與農(nóng)爭地，不與人爭糧”的獨特優(yōu)勢，對推進(jìn)國土綠化、鄉(xiāng)村振興、保障糧油安全等具有重要意義[2，3]。目前，機械脫殼采用的原理主要有撞擊法、剪切法、擠壓法、碾搓法、搓撕法和仿形法[4]等。陳禮東[5]等依據(jù)剪切和撞擊原理設(shè)計了一臺油茶果脫殼機；胡一飛[6]等模仿人工剝殼設(shè)計了一臺油茶果分級脫殼機；廖配[7]等采用撞擊原理設(shè)計了一種油茶果破殼裝置。此外，李陽[8]、郭傳真[9]、張風(fēng)[10]等、楊樹松[11]等、熊平原[12]等、劉亮亮[13]、王焱清[14]等均對油茶果脫殼裝置做過相關(guān)研究。

近幾年，國內(nèi)油茶脫殼機械雖發(fā)展迅速，但市面上絕大多數(shù)油茶果脫殼機械普遍存在脫凈率低、茶籽破碎率高等問題。針對上述問題，本文設(shè)計了一種四通道油茶果脫殼機，對該機的關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計，為驗證該機是否達(dá)到預(yù)期設(shè)計效果，采用回歸分析和響應(yīng)曲面分析法，對該機進(jìn)行了試驗驗證，對影響脫殼效果的關(guān)鍵因素進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，以期為實際生產(chǎn)提供參數(shù)指導(dǎo)。

1 油茶果物理特性研究

1.1 油茶果

油茶果主要由油茶殼、油茶籽和隔膜構(gòu)成，形態(tài)呈球形和紡錘形，剛采摘的油茶鮮果表皮顏色以褐綠色為主，堆漚后表皮顏色會逐漸加深，直徑在40～50 mm范圍以內(nèi)的叫大果；20～25 mm范圍內(nèi)的叫小果，一枚油茶果一般由1～5粒油茶籽構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 油茶果

1.2 油茶果、籽粒徑分布

以安徽油茶基地種植的油茶果為試驗對象，選取位于尺寸密集分布區(qū)間的油茶籽作為試驗的樣本，樣本容量為1 000，部分試驗樣本如圖2所示。定義油茶果胸徑、橫徑與油茶籽橫向、縱向、徑向尺寸如圖3所示。

圖2 部分試驗樣本

圖3 油茶果胸徑、橫徑與油茶籽橫向、縱向、徑向尺寸

油茶果粒徑尺寸統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：油茶果胸徑在20～25 mm內(nèi)分布最多，端徑在25～30 mm內(nèi)分布最多，30～35 mm內(nèi)胸徑和端徑分布相近。由油茶果粒徑統(tǒng)計結(jié)果可知，油茶果粒徑分布差異較大，脫殼前需對油茶果進(jìn)行分級。

圖4 油茶果粒徑分布范圍

油茶籽橫向、縱向、徑向尺寸統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示。由圖5可得：油茶籽各個方向的尺寸分布不均且分布廣泛，整體差異化明顯；縱向尺寸在10～20 mm之間占比87%，橫向尺寸在7～13 mm之間占比95%，徑向尺寸在5～11 mm之間占比86%。

圖5 油茶籽尺寸分布圖

2 脫殼機結(jié)構(gòu)設(shè)計

油茶青果脫殼機主要由機架、分級裝置、脫殼裝置、粗選裝置、電機、傳動元件和電控元件等組成，如圖6所示。油茶果的分級主要是在分級裝置中完成的，相鄰的兩根橡膠導(dǎo)軌帶前窄后寬，待分級的油茶果隨著導(dǎo)軌帶的轉(zhuǎn)動完成分級。脫殼裝置由四級脫殼滾筒組成，分級后的油茶果分別進(jìn)入對應(yīng)的脫殼滾筒中脫殼。脫殼后產(chǎn)生的殼籽混合物經(jīng)粗選裝置篩選，得到半脫及未脫的油茶果、較大的殼籽混合物、相對較小的殼籽混合物和殼籽碎渣。

圖6 油茶青果脫殼機1.機架；2.振動篩；3.搖桿；4.四級脫殼滾筒；5.三級脫殼滾筒；6.超大果導(dǎo)板；7.進(jìn)料口；8.多豁口板；9.二級脫殼滾筒；10.一級脫殼滾筒；11.電控箱；12.軸承套連桿；13.導(dǎo)軌帶；14.導(dǎo)軌輪；15.傳動帶；16.主電機

2.1 工作原理

油茶果經(jīng)進(jìn)料口進(jìn)入分選裝置落在導(dǎo)軌帶上并隨其不斷轉(zhuǎn)動，按照由小到大的順序依次掉落在分級板上，分級裝置可按實際工作需要調(diào)節(jié)卡槽完成多級分級。分級后的油茶果從各級脫殼進(jìn)料口進(jìn)入脫殼裝置內(nèi)，多通道脫殼裝置由四級脫殼滾筒組成，每級脫殼滾筒都是單獨的脫殼通道，在滾筒內(nèi)部，脫殼桿左旋25°安裝在脫殼盤上，在脫殼滾筒內(nèi)部形成楔形間隙，有利于為脫殼作業(yè)提供空間，脫殼桿上設(shè)有套筒，用來緩沖脫殼桿對油茶籽的沖擊力，降低茶籽破損率，脫殼主軸轉(zhuǎn)動帶動脫殼桿繞軸旋轉(zhuǎn)，油茶果隨著脫殼桿在滾筒內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運動，油茶果受到擊打、揉搓以及茶果與茶果之間的擠壓和摩擦，在這一系列的復(fù)雜運動中發(fā)生破殼，最終完成脫殼作業(yè)。脫殼后形成的油茶殼與油茶籽的混合物，從柵條的縫隙中排出，掉落在多通道粗選裝置上，經(jīng)過粗選裝置層層篩分后，形態(tài)尺寸相近的殼籽混合物進(jìn)入到清選裝置，做進(jìn)一步的精細(xì)化清選處理，而尺寸較大的油茶殼和一些碎小殘渣則排出粗選裝置外，進(jìn)而完成油茶果的脫殼工作和殼籽初步分離工作?；诠ぷ髟碇贫ǖ墓ぷ髁鞒虉D如圖7所示。

圖7 油茶青果脫殼機工作流程

2.2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.2.1 分級裝置設(shè)計

一般來說，油茶果在脫殼時所需的撞擊力F與油茶果的大小呈正比，即油茶果越大所需的撞擊力F值就越大。當(dāng)一定大小的撞擊力F對中等大小的油茶果具有最佳脫殼效果時，同一脫殼筒內(nèi)較小的油茶果破籽率會大幅上升，較大的油茶果脫凈率會大幅下降。所以，在脫殼前對油茶果進(jìn)行分級，使一定大小范圍內(nèi)的油茶果與合適的撞擊力F相匹配，是獲得較高脫凈率和較低破籽率的前提條件。

本機分級裝置主要由進(jìn)料口、機架、橡膠導(dǎo)軌帶和導(dǎo)軌輪等組成，分級裝置結(jié)構(gòu)如圖8所示。分級裝置單獨設(shè)計有分級電機，可接民用220 V電壓。分級裝置設(shè)計有11根橡膠導(dǎo)軌帶，每根導(dǎo)軌帶與4個導(dǎo)軌輪配套，導(dǎo)軌帶安裝于導(dǎo)軌輪上。分級底板上設(shè)計有擋板，可按照需要利用擋板進(jìn)行多級分級。橡膠導(dǎo)軌帶整體呈扇形漸變分布，油茶果隨橡膠導(dǎo)軌帶轉(zhuǎn)動而移動時，直徑在18～25 mm的油茶果經(jīng)分級底板進(jìn)入到一級脫殼滾筒中進(jìn)行脫殼；直徑在25～30 mm的油茶果經(jīng)分級底板進(jìn)入到二級脫殼滾筒中進(jìn)行脫殼；直徑在30～40 mm的油茶果經(jīng)分級底板進(jìn)入到三級脫殼滾筒中進(jìn)行脫殼；直徑在40～50 mm的油茶果經(jīng)分級底板進(jìn)入到四級脫殼滾筒中進(jìn)行脫殼，直徑大于50的油茶果經(jīng)由導(dǎo)板進(jìn)入到四級滾筒中進(jìn)行脫殼。

圖8 分級裝置1.分級裝置進(jìn)料口；2.機架；3.橡膠導(dǎo)軌帶；4.導(dǎo)板；5.動力帶輪；6.傳動軸；7.傳動帶輪；8.導(dǎo)軌輪

2.2.2 脫殼滾筒設(shè)計

脫殼滾筒主要由脫殼滾筒上組件、脫殼桿、脫殼主軸、脫殼盤、弧形柵條篩等構(gòu)成，如圖9所示。脫殼主軸直徑設(shè)計為35 mm，脫殼桿每側(cè)的脫殼盤上均開有3個耳槽，相鄰耳槽孔夾角為120°，耳槽長、寬尺寸分別為60 mm、18 mm。為了更好地處理來自分級裝置的尺寸大小不一的油茶果，需要調(diào)整各級滾筒內(nèi)脫殼桿頂部到耳槽孔下端的距離，從一級到四級的距離分別是0 mm、10 mm、20 mm、30 mm。脫殼滾筒底部設(shè)計有柵條篩，每級圓弧柵條間隙大小與各級脫殼滾筒的油茶果尺寸相匹配。為了保證脫殼效果達(dá)到最優(yōu)，使設(shè)備更具有普適性，還可針對不同地區(qū)不同品種的油茶果，對每級脫殼通道的脫殼間隙做出適當(dāng)?shù)母淖儭?/p>

圖9 脫殼滾筒1.脫殼滾筒上組件；2.脫殼桿；3.脫殼主軸；4.脫殼盤；5.弧形柵條篩

2.2.3 粗選裝置設(shè)計

粗選裝置如圖10所示，主要由振動篩篩體、篩網(wǎng)、振動篩支撐軸和擺桿等組成。脫殼機工作時，主電機帶動小帶輪，小帶輪帶動大帶輪，由于偏心輪與大帶輪同軸，而振動篩連接于偏心輪的另一端，從而帶動振動篩作搖擺運動。振動篩呈4°傾角，有利于油茶果脫殼后產(chǎn)生的殼籽混合物快速移動實現(xiàn)快速篩選。殼籽混合物經(jīng)三層篩網(wǎng)的篩選后，一級輸出口輸出大殼、半脫及未脫油茶果，進(jìn)而進(jìn)行二次脫殼；二級輸出口輸出較大的殼籽混合物，配合一級清選機進(jìn)行殼籽清選，避免了一級清選機對較小茶籽造成破損；三級輸出口輸出較小的殼籽混合物，配合二級清選機實現(xiàn)精細(xì)化清選；四級輸出口輸出脫殼過程中產(chǎn)生的殼籽碎渣，避免碎渣部分參與清選。

圖10 粗選裝置1.機架；2.振動篩支撐軸；3.一級輸出口；4.二級輸出口；5.三級輸出口；6.四級輸出口；7.擺桿；8.振動篩篩體；9.篩面；10.振動篩傳動軸；11.軸承座

3 脫殼性能試驗

3.1 試驗對象與設(shè)備

以安徽油茶基地種植采摘的油茶鮮果為試驗對象，試驗設(shè)備包括油茶青果脫殼機、數(shù)顯轉(zhuǎn)速表、變頻器和電子秤等。

3.2 試驗因素與指標(biāo)

脫殼試驗選取喂入量、脫殼盤扭轉(zhuǎn)角度、脫殼桿直徑作為試驗因素，試驗水平與因素編碼值如表1所示。采用響應(yīng)面分析法(RSM)來設(shè)計脫殼試驗，采用Box-Behnken Design(BBD)中心組合的設(shè)計原理，試驗數(shù)據(jù)分析采用Design-Expert軟件。脫殼試驗時設(shè)置固定的脫殼轉(zhuǎn)速為400 r/min，每組試驗油茶果總質(zhì)量為100 kg。試驗選取脫凈率y1和破損率y2為試驗指標(biāo)，脫凈率y1=(WW+WS+WP)/(WW+WS+WP+Wb)×100，破損率y2=(WS+WP)/(WW+WS+WP)×100，式中：WW為完整的油茶籽質(zhì)量(kg)；WP為破碎的油茶籽質(zhì)量(kg)；WS為損傷的油茶籽質(zhì)量(kg)；Wb為未完全脫開的油茶果質(zhì)量(kg)。

圖11 試驗對象與設(shè)備

表1 試驗水平與因素編碼

3.3 試驗結(jié)果與分析

試驗通過調(diào)整上料機的電機轉(zhuǎn)速改變油茶果喂入量，調(diào)整脫殼通道兩側(cè)脫殼盤與輥軸間銜接位置的角度調(diào)整脫殼盤扭轉(zhuǎn)角，脫殼桿直徑的調(diào)整策略是選取三組不同直徑的脫殼桿。試驗方案與結(jié)果如表2所示。

表2 試驗方案與結(jié)果

3.3.1 脫凈率回歸分析

脫凈率方差分析如表3所示，根據(jù)表2的試驗數(shù)據(jù)可得脫凈率的回歸方程為：

y1=98.11+0.723 8A-2.52B-0.843 7C

+0.032 5AB+1.13AC-0.247 5BC

-1.29A2-1.46B2-0.083 5C2

表3為脫殼試驗脫凈率的方差分析結(jié)果，由表3可得：該模型的P值<0.000 1，即模型顯著性極高，且失擬項不顯著，R2=0.988 6，說明回歸數(shù)學(xué)模型與真實試驗?zāi)Ｐ椭g的擬合精度較高，適用于分析脫凈率，各影響因素對脫凈率的影響程度強弱依次是B、C、A。

表3 脫凈率方差分析結(jié)果

3.3.2 脫凈率響應(yīng)面分析

利用響應(yīng)面分析軟件得到脫殼盤扭轉(zhuǎn)角、喂入量和脫殼桿直徑對脫凈率影響的響應(yīng)面分析結(jié)果如圖12所示。由圖12(a)可知，當(dāng)喂入量一定時，脫凈率隨著脫殼盤扭轉(zhuǎn)角的增大呈先上升后降低的趨勢，這是因為隨著脫殼盤扭轉(zhuǎn)角的增大油茶果與脫殼通道間發(fā)生碰撞摩擦的概率增大，油茶果之間、油茶果與脫殼通道之間發(fā)生碰撞的次數(shù)增多，當(dāng)脫殼盤扭轉(zhuǎn)角增大到一定角度時，楔形腔的推力使得油茶果加快脫離脫殼進(jìn)程，所以脫凈率會呈先增大后降低的趨勢；當(dāng)脫殼盤扭轉(zhuǎn)角一定時，脫凈率隨著喂入量的增大呈降低趨勢，這是因為在有限的脫殼空間內(nèi)，油茶果的破殼力處于較理想的狀態(tài)，伴隨著油茶果的不斷填充，內(nèi)部空間出現(xiàn)積壓，茶果與茶果之間的碰撞力度會逐漸減弱，所以脫凈率逐漸降低。

圖12 各因素對脫凈率影響的響應(yīng)曲面

如圖12(b)所示，當(dāng)脫殼桿直徑一定時，脫凈率隨脫殼盤扭轉(zhuǎn)角的增大呈先上升后降低的趨勢，這是因為脫殼盤扭轉(zhuǎn)角度增大使得脫殼滾筒內(nèi)部的楔形空間增大，茶果與茶果、茶果與脫殼滾筒之間具備多次碰撞的條件，使得脫凈率升高，當(dāng)脫殼盤扭轉(zhuǎn)角度增大到一定值時，油茶果受到較大的推力，加快排出脫殼通道，所以脫凈率會呈先上升后下降的趨勢；當(dāng)脫殼盤扭轉(zhuǎn)角一定時，脫凈率隨著脫殼桿直徑的增大緩慢地提高，但提高的趨勢不明顯，說明當(dāng)喂入量一定時，改變軸套的直徑對油茶果脫凈率的影響有限。

如圖12(c)，當(dāng)脫殼桿直徑一定時，脫凈率隨著喂入量的增大呈下降趨勢，這是因為脫殼腔內(nèi)，油茶果的破殼力處于較理想的狀態(tài)，隨著油茶果喂入量的不斷增大，脫殼腔內(nèi)油茶果堆積，使得油茶果之間、油茶果與脫殼通道的碰撞力度逐漸減弱，所以脫凈率會呈逐漸下降的趨勢；當(dāng)喂入量一定時，隨著脫殼桿直徑的增大，脫凈率呈逐漸下降的趨勢，但下降的趨勢不明顯，說明當(dāng)喂入量一定時，改變脫殼桿直徑對油茶果脫凈率的影響有限。

3.3.3 破損率回歸分析

由表2的試驗結(jié)果，可得破損率的回歸方程型為：

y2=2.54+0.767 5A-0.542 5B-1.15C

+0.582 5AB+0.402 5AC+0.192 5BC

+0.456 2A2+0.051 2B2+0.656 3C2

表4為茶籽破損率的方差分析結(jié)果，模型的P值在極顯著范圍內(nèi)，且失擬項不顯著，R2=0.955 6，由以上分析可得該模型適用于分析脫殼試驗的破損率。從上述回歸方程中可得各個試驗因素對破損率的影響，影響程度大小依次是C、A、B。

表4 破損率方差分析結(jié)果

3.3.4 破損率響應(yīng)面分析

脫殼盤扭轉(zhuǎn)角、喂入量和脫殼桿直徑對破損率影響的響應(yīng)面分析結(jié)果如圖13所示。由圖13(a)可知，當(dāng)喂入量一定時，茶籽破損率隨著脫殼盤扭轉(zhuǎn)角的增大呈現(xiàn)下降后上升的趨勢，這是因為隨著脫殼盤扭轉(zhuǎn)角的增大，脫殼滾筒內(nèi)部的楔形空間逐步增大，腔內(nèi)油茶籽的碰撞概率降低，茶籽破損率隨之降低，當(dāng)脫殼盤扭轉(zhuǎn)角增大到一定值時，楔形空間內(nèi)油茶籽受到的撞擊逐漸增大，所以茶籽破損率呈先下降后上升的趨勢。當(dāng)脫殼盤扭轉(zhuǎn)角一定時，隨著喂入量的逐漸增大，破損率呈逐漸下降的趨勢，這是因為隨著喂入量的增大，油茶果在脫殼腔內(nèi)逐漸增加，油茶果得到充分脫殼，脫殼腔內(nèi)殼籽混合物填充充分，茶籽碰撞幾率降低，所以破損率會呈下降趨勢。

圖13 各因素對破損率影響的響應(yīng)曲線

由圖13(b)可知，當(dāng)脫殼桿直徑一定時，破損率隨著脫殼盤扭轉(zhuǎn)角的增大呈先下降后升高的趨勢，這是因為隨著脫殼盤扭轉(zhuǎn)角的增大，楔形腔空間逐漸增大，茶籽碰撞概率降低，破損率隨之降低；當(dāng)脫殼盤扭轉(zhuǎn)角增大到一定值時，脫殼桿與茶籽的碰撞概率增加，茶籽破損率隨之增大。由圖13(c)可知，當(dāng)脫殼桿直徑一定時，隨著喂入量的增大破損率呈下降趨勢，這是因為隨著喂入量的增大，油茶果在脫殼腔內(nèi)逐漸增加，油茶果得到充分脫殼，脫殼腔內(nèi)殼籽混合物填充充分，茶籽碰撞幾率降低，所以破損率會呈下降趨勢。

3.3.5 參數(shù)優(yōu)化

通過對脫殼試驗的響應(yīng)面分析可知，為了使油茶果脫殼機達(dá)到最佳工作狀態(tài)，即脫凈率達(dá)到最高，破損率最低，需要對目前的試驗數(shù)據(jù)做參數(shù)優(yōu)化處理，從而實現(xiàn)改變油茶脫殼機工作質(zhì)量不佳的現(xiàn)狀，為此建立如下目標(biāo)函數(shù)：

通過設(shè)置脫凈率最大、破損率最小，在Design-expert中計算得最優(yōu)解為A=24.84、B=1845.47、C=25.02，脫凈率為98.49%，破損率為2.28%。

調(diào)整脫殼盤扭轉(zhuǎn)角為25°、喂入量為1 845 kg/h、脫殼桿直徑為25 mm，對脫殼機進(jìn)行3次參數(shù)組合試驗，試驗結(jié)果取3次試驗平均值。經(jīng)計算，脫凈率為98.32%，茶籽破損率為2.33%。通過脫殼試驗的進(jìn)一步驗證，可以證明脫殼試驗的響應(yīng)面分析模型可行。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了四通道油茶青果果脫殼機，對該機分級、脫殼和粗選裝置進(jìn)行了設(shè)計，該機可以適用于不同大小、品種的油茶果脫殼，現(xiàn)場試驗結(jié)果表明該機脫殼效果較佳，具有較高的脫凈率和較低的茶籽破損率。

(2)分析了油茶果的物理特性，對油茶果粒徑和油茶籽尺寸進(jìn)行測量和統(tǒng)計，得出油茶果的粒徑分布范圍較廣，同一品種的油茶果粒徑尺寸分布范圍差異性明顯。

(3)以脫殼盤扭轉(zhuǎn)角、喂入量、脫殼桿直徑為試驗因素，以脫凈率和茶籽破損率為試驗指標(biāo)開展脫殼性能試驗，試驗結(jié)果表明，當(dāng)脫殼盤扭轉(zhuǎn)角為24.84°，喂入量為1 745.47 kg/h，脫殼桿直徑為25.02 mm時，脫殼機達(dá)到最佳脫殼效果。調(diào)整脫殼盤扭轉(zhuǎn)角為25°、喂入量為1 845 kg/h、脫殼桿直徑為25 mm，對脫殼機進(jìn)行3次參數(shù)組合試驗，試驗結(jié)果取3次試驗平均值。經(jīng)計算，脫凈率為98.32%，茶籽破損率為2.33%。