熊平原 ， 廖東慶 ，王旭東 ，吳均毅 ，王 毅 ，廖志強(qiáng) ，羅宏煉

（1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510225；2.廣東省振聲科技股份有限公司，廣東 梅州 514700；3.廣東省特種設(shè)備檢測研究院梅州檢測院，廣東 梅州 514072；4.梅州市農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，廣東 梅州 514021）

0 引言

油茶是我國特有的木本油料樹種，其榨出的茶油與橄欖油、棕油、椰子油并稱世界四大植物油[1-2]。油茶青果機(jī)械化處理是油茶高質(zhì)量發(fā)展的必然需求，目前已研制出一些油茶果脫殼機(jī)具，助力實(shí)現(xiàn)果粒高效、快速破殼[3-7]。然而，采摘回來的油茶青果果粒尺寸差異較大，現(xiàn)有脫殼機(jī)構(gòu)的破殼間隙恒定，導(dǎo)致破殼率不高。為提高油茶青果破殼率，需要在破殼前按果粒尺寸大小對油茶青果進(jìn)行分級，再按不同的大小級別分類脫殼。由于人工分揀油茶果勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，急需設(shè)計(jì)出一套結(jié)構(gòu)簡單、效率高的油茶青果分級機(jī)，以實(shí)現(xiàn)油茶脫殼全程機(jī)械化。

國內(nèi)外學(xué)者對油茶青果分級裝備研究較少，但對水果機(jī)械化分級研究較為深入。Sofu等[8]開發(fā)出一種蘋果分級系統(tǒng)，通過圖像識別出蘋果直徑、顏色和表面缺陷程度等特征來判定蘋果等級；Hasankhani 等[9]研發(fā)出一種馬鈴薯分級系統(tǒng)，通過馬鈴薯顏色和大小判定級別，識別率達(dá)97%；朱占江等[10]設(shè)計(jì)出一種多段組合型滾杠式果品分級加工生產(chǎn)系統(tǒng)，通過設(shè)置多個(gè)單級分級機(jī)能夠把產(chǎn)品分成不同級別；黃傳豪[11]設(shè)計(jì)出一種滾筒式水果分級篩選機(jī)，通過改變各級滾筒孔徑實(shí)現(xiàn)尺寸分級?；趫D像識別的水果分級法可從尺寸大小、果皮色澤、表面缺陷等多維度對果實(shí)進(jìn)行精準(zhǔn)分類，但設(shè)計(jì)、制造及維護(hù)成本高，并未實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。滾筒式水果分級法原理簡單、設(shè)備便宜、作業(yè)量大，可作為油茶青果分級機(jī)的設(shè)計(jì)參考。

1 整體結(jié)構(gòu)

油茶青果分級機(jī)采用臥式分布，主要由機(jī)架、進(jìn)料斗、多級圓筒篩、螺旋絞龍、傳動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)、多級出料斗等組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 油茶青果分級機(jī)整體結(jié)構(gòu)

工作時(shí)，油茶青果由進(jìn)料斗喂入，螺旋絞龍被電機(jī)帶動(dòng)不間斷旋轉(zhuǎn)，油茶青果在螺紋推動(dòng)作用下向前移動(dòng)，并貼緊圓筒篩面滾動(dòng)，當(dāng)果實(shí)尺寸小于篩孔直徑時(shí)，青果從篩孔落入對應(yīng)級別出料斗中，以實(shí)現(xiàn)不同尺寸油茶青果分選。該油茶青果分級機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、分級效率高等優(yōu)點(diǎn)。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 絞龍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

絞龍的作用是推動(dòng)油茶青果向前輸送，采用螺紋葉片結(jié)構(gòu)，水平固定，絞龍結(jié)構(gòu)如圖2 所示。油茶青果受到螺紋葉片軸向推動(dòng)作用和法向擠壓作用，其中，直徑D和螺距S為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸。

圖2 絞龍結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 絞龍直徑D

絞龍直徑與分級機(jī)作業(yè)量、絞龍傾斜角度、圓筒篩結(jié)構(gòu)及油茶青果物料特性等因素有關(guān)[12]，可由以下公式求得：

式中，K——油茶青果特性系數(shù)，取值0.216；Q——分級作業(yè)量，取值0.8 t/h；φ——油茶青果填充系數(shù)，取值0.22；ρ——油茶青果堆積密度，取值0.65 t/m3；C——絞龍傾斜角度校正系數(shù)，取值0.65。

代入公式（1）后圓整可取D=512 mm。

2.3 螺紋螺距S

絞龍螺紋螺距影響油茶青果向前移動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)分級作業(yè)量Q和直徑D確定后，改變螺距，油茶青果運(yùn)動(dòng)的滑移面發(fā)生變化，其速度分布也隨之改變。通常，螺紋螺距由以下公式計(jì)算[13]：

式中，K1——螺距系數(shù)，當(dāng)水平放置時(shí)，K1=0.8~1.0；當(dāng)傾斜放置或物料流動(dòng)性差時(shí)，K1≤0.8。

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

2.4 圓筒篩孔數(shù)Z

圓筒篩孔數(shù)影響油茶青果分級質(zhì)量和效率，決定了分級機(jī)的作業(yè)量，作業(yè)量Q可由以下公式計(jì)算：

式中，Z——篩孔數(shù)；λ——每秒從篩孔穿過系數(shù)；m——油茶青果平均重量，單位g；

λ會(huì)隨著圓筒篩的材質(zhì)和形狀而變化，此設(shè)計(jì)取值2%；成熟后的油茶青果是呈球形的形狀，直徑為20 mm~50 mm，質(zhì)量是15.35 g~20.86 g，取值18 g。當(dāng)設(shè)計(jì)作業(yè)量為0.8 t/h 時(shí)，求得Z=618。

2.5 圓筒篩網(wǎng)尺寸

如將圓筒篩網(wǎng)展開成平面，可得如下關(guān)系：

式中，Z0——每級孔數(shù)；P——排數(shù)；E——每排孔數(shù)；L——每級篩網(wǎng)長度；D0——每級篩孔直徑；S——篩孔間隙。

油茶青果尺寸分4 級，每級篩孔直徑分別為25 mm、34 mm、43 mm、52 mm，每級篩孔間隙分別為14 mm、18 mm、22 mm、26 mm，篩網(wǎng)總長為2 150 mm。

3 結(jié)語

1）課題組設(shè)計(jì)出一套結(jié)構(gòu)簡單、維修成本低、作業(yè)效率高的油茶青果分級裝置，該裝置包含多級圓筒篩、螺旋絞龍、傳動(dòng)系統(tǒng)、多級出料斗、機(jī)架等部件。

2）對螺旋絞龍、圓筒篩等關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算，絞龍直徑可取512 mm，螺距取300 mm，每級篩孔數(shù)取618，每級篩孔直徑分別為25 mm、34 mm、43 mm、52 mm，每級篩孔間隙分別為14 mm、18 mm、22 mm、26 mm。

3）本研究為油茶青果分級機(jī)樣機(jī)制造提供了理論和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，進(jìn)一步促進(jìn)了油茶產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。