油茶果分級(jí)滾筒篩設(shè)計(jì)

康 地，陳澤君，李 陽(yáng)，康四清

油茶為我國(guó)特有的木本食用油料樹(shù)種，與油橄欖、油棕、 椰子并稱為世界四大木本油料植物，與烏桕、油桐和核桃并稱為我國(guó)四大木本油料植物［1］。油茶果由果殼（皮）和茶籽組成，茶籽由茶籽殼和茶仁組成，果殼不含油脂，含木質(zhì)素、多縮戊糖、鞣質(zhì)和皂素等，對(duì)加工油脂不利，須作脫殼處理［2］。近年來(lái)隨著大量豐產(chǎn)油茶基地的建設(shè)，油茶產(chǎn)量逐年大幅增加，鮮果屆時(shí)大量集中采摘上市。目前油茶鮮果處理多為純?nèi)斯し绞剑瑢Ⅴr果采取堆漚、翻曬、手工剝殼及分選［3］，所需時(shí)間長(zhǎng)且勞動(dòng)強(qiáng)度大、場(chǎng)地大。油茶鮮果剝殼技術(shù)和設(shè)備的研究近期才剛起步，加工時(shí)沒(méi)有對(duì)油茶果進(jìn)行大小分類，而是混合加工［4-15］。油茶果由于自然、品種、撫育等因素造成油茶果尺寸大小不一，形狀各異；部分大果的籽比小果的尺寸大，同時(shí)小果含獨(dú)籽的概率高；這些因素導(dǎo)致油茶果機(jī)械處理過(guò)程中破損率高、凈度低，加大了油茶果處理成本，加之南方 10-12 月多陰冷天氣，導(dǎo)致破損的茶果和油茶籽易霉變、易腐爛、油脂酸敗，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。該研究根據(jù)油茶果尺寸分布情況，采用滾筒篩對(duì)油茶果進(jìn)行非等差分級(jí)，再進(jìn)行后續(xù)環(huán)節(jié)加工，有效降低了破損率、提高了剝殼率和凈度。

1 油茶果材料收集

油茶果收集于祁東縣城連墟鄉(xiāng)龍家亭村，祁東縣奇林油茶科技有限公司，為 6～8 年生良種油茶林湘林 1 號(hào)、湘林 15 號(hào)、茶陵二仙 15 號(hào)、茶陵二仙 343、華碩等品種。共調(diào)查收集油茶果 1 443 個(gè)。

2 油茶果尺寸分布模型擬合

油茶果橫徑范圍為 18～48 mm，變動(dòng)幅度大，平均 29.4 mm，標(biāo)準(zhǔn)差 5.32 mm。主要分布在果實(shí)橫徑為 22～38 mm 之間，占總數(shù)的 90.37%。內(nèi)含獨(dú)籽的油茶果范圍主要集中在 26 mm 以下。

油茶果按 1 mm 間距把所有的油茶果果實(shí)分成 31 組。各組油茶果果實(shí)所占總數(shù)的百分比分布進(jìn)行正態(tài)分布擬合（見(jiàn)圖 1），呈現(xiàn)油茶果數(shù)量 N 從油茶果橫徑 d 關(guān)系，擬合模型如下：

圖1 不同果實(shí)橫徑數(shù)量分布Fig.1Number of different fruit diameter at the equatorial section

3 滾筒篩設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原理

滾筒篩設(shè)計(jì)為喂入口高而末端低，分為若干級(jí)，每級(jí)上分布不同尺寸的長(zhǎng)方孔，各級(jí)的長(zhǎng)方孔尺寸不同。從物料喂入口至最后出口，后組長(zhǎng)方孔尺寸比前組大，小于第一組長(zhǎng)方孔尺寸的油茶果從第一組掉出為第一級(jí)別進(jìn)入后續(xù)處理環(huán)節(jié)，以下依次類推。這種分級(jí)效率較高，目前廣泛應(yīng)用于食品分級(jí)領(lǐng)域，由于橫徑在 26 mm 以下的油茶果含獨(dú)籽概率高，而獨(dú)籽在剝殼處理中極易破損，因此滾筒篩篩孔尺寸在 26 mm 以下的分級(jí)極差較小。為了保證設(shè)備的處理能力，篩孔尺寸在 26 mm 以上的分級(jí)極差較大。

工作時(shí)，油茶果由喂入口進(jìn)入篩筒內(nèi)，沿著旋轉(zhuǎn)篩筒的內(nèi)壁上升。當(dāng)上升至一定高度后落下。如此反復(fù)，逐步向篩筒另一端的出口移動(dòng)。在這一過(guò)程中，小于篩孔的物料通過(guò)篩孔漏出；大于篩孔的油茶果隨著篩筒轉(zhuǎn)動(dòng)被帶到篩筒的下一級(jí)，從而完成分選作業(yè)。總體機(jī)構(gòu)如圖 3 所示。

圖2 滾筒式分級(jí)機(jī)Fig.2 Roller-type classifier

3.2 滾筒篩分級(jí)設(shè)計(jì)

考慮到油茶果尺寸范圍、后續(xù)處理需求，將滾筒篩的分級(jí)定為 6 級(jí)，各級(jí)的篩網(wǎng)的寬度 Li與各級(jí)下篩的油茶果數(shù)量 Ni按如下公式設(shè)計(jì)：

在實(shí)際分級(jí)工作時(shí)，第一級(jí)主要篩分出泥土、石頭、樹(shù)葉、小樹(shù)枝等小雜，同時(shí)將物料打散。剩下各級(jí)將油茶果按規(guī)定尺寸分級(jí)。

3.3 滾筒篩篩孔設(shè)計(jì)

生產(chǎn)率 P生由以下公式計(jì)算：

式中：z 為滾筒篩上篩孔總數(shù)；P生為生產(chǎn)率；λ 為在同一秒內(nèi)從篩孔中掉下物料的系數(shù)，因分級(jí)機(jī)型和物料性質(zhì)不同而異，滾筒式可取 1.0%～2.5%；m 為物料的平均質(zhì)量。根據(jù)生產(chǎn)率 P生可以計(jì)算出篩孔總數(shù) z。

滾筒篩篩網(wǎng)各級(jí)篩孔尺寸根據(jù)油茶果橫徑分布情況設(shè)計(jì)為：a1＝22 mm、a2＝24 mm、a3＝26 mm、a4＝29 mm、a5＝33 mm。油茶果經(jīng)過(guò)第 5級(jí)篩網(wǎng)篩分后，不再經(jīng)過(guò)篩網(wǎng)篩分而直接進(jìn)入下一道加工環(huán)節(jié)。

3.4 篩面尺寸設(shè)計(jì)

當(dāng)篩網(wǎng)總寬度 L總確定后，根據(jù)式（2）計(jì)算出各級(jí)篩網(wǎng)的寬度 Li，基于篩孔尺寸 ai，計(jì)算出各級(jí)篩網(wǎng)篩孔列數(shù)。根據(jù)篩孔總數(shù)計(jì)算出各級(jí)篩網(wǎng)每列的篩孔數(shù)，通過(guò)篩孔尺寸 bi，計(jì)算出各級(jí)篩網(wǎng)長(zhǎng) Bi；以 Bmax＝max{Bi} 計(jì)算出滾筒篩的半徑。

圖3 篩網(wǎng)展開(kāi)Fig.3 Sieve screen expansion

3.5 滾筒篩轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)

滾筒篩轉(zhuǎn)速 n 直接影響篩分效果，同時(shí)也與滾筒篩半徑有密切關(guān)系，油茶果在滾筒中的受力情況如圖 4 所示：

圖4 油茶果受力情況Fig.4 Camellia oleifera fruit force situation

對(duì)滾筒中的油茶果作為質(zhì)點(diǎn) Q，它處于升角 β 時(shí)受重力 G 和離心力 Fc作用，則油茶果在滾筒篩上產(chǎn)生的摩擦力 Ff；當(dāng)油茶果沿滾筒切線方向的重力分力 Gsinβ≤Ff 時(shí)油茶果與滾筒篩一起向上運(yùn)動(dòng)；當(dāng) Gsinβ≥Ff 時(shí)，即開(kāi)始向下滑動(dòng)，此時(shí)亦為油茶果位于滾筒內(nèi)表面的最高點(diǎn)。因此當(dāng)Gsinβ＝Ff 時(shí)，油茶果處于有效篩分的最高點(diǎn)。

式中：f0為油茶果與滾筒篩摩擦系數(shù)；m 為油茶果質(zhì)量；g 為重力加速度；R 為滾筒篩內(nèi)半徑；v 為油茶果 Q 運(yùn)動(dòng)的線速度；n 為滾筒篩轉(zhuǎn)速；φ 為摩擦角。

帶入 Gsinβ＝Ff 化簡(jiǎn)得：

3.6 滾筒篩功率設(shè)計(jì)

油茶果滾筒篩采用中間軸式傳動(dòng)，則功率 P功為：

式中：G1為滾筒自重；L 為滾筒長(zhǎng)度；D 為滾筒直徑；ρ 為油茶果密度；κ 為油茶果在滾筒中的填充系數(shù)；η 為傳動(dòng)效率。

3.7 滾筒篩設(shè)計(jì)

參數(shù)確定滾筒篩長(zhǎng)為 2.2 m，直徑為 0.6 m；篩網(wǎng)級(jí)數(shù)為 6 級(jí)；轉(zhuǎn)速為 20 r/min；電機(jī)功率為0.75 kw。

油茶果處理成套裝備設(shè)計(jì)滾筒篩分為 6 級(jí)總長(zhǎng)為 2.2 m。其他主要參數(shù)選取如下表：

計(jì)算得出滾筒篩半徑 R＝268.58 mm，便于設(shè)計(jì)取 300 mm；轉(zhuǎn)速 n ?。?2.4 r/min～31.6 r/min），考慮滾筒篩有一定傾角 n 取（20 r/min～27 r/min）；功率 P功＝0.586 kw，因此選用功率 0.75 kw 方便電機(jī)選型。

表1 主要參數(shù)Tab.1 Main parameters

4 討論

油茶果由于自然和人為因素造成油茶果尺寸范圍廣，部分大果的籽比小果的尺寸大；同時(shí)油茶果具有小果含獨(dú)籽的概率高，果殼厚而硬，籽殼薄而脆等特性。未分級(jí)的有油茶果在后續(xù)加工處理中剝殼率、破損率、凈度等指標(biāo)難以保證。項(xiàng)目組設(shè)計(jì)的滾筒篩采用非等差分級(jí)技術(shù)，不僅保證小果加工處理效果，亦兼顧了大果的處理效率。滾筒篩分級(jí)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作平穩(wěn)、效率較高、物料機(jī)械損傷小，符合油茶果加工條件。設(shè)備于株洲豐科林業(yè)裝備科技有限責(zé)任公司進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，滾筒篩如圖 5 所示：

圖5 滾筒篩實(shí)物Fig.5 The physical of Roller sieve

篩分油茶果過(guò)程中，油茶果具有初速度同時(shí)滾筒篩存在一定傾角，存在越級(jí)下篩現(xiàn)象，在篩網(wǎng)中安裝部分擋片則有效解決該問(wèn)題，篩分效果良好。

根據(jù)湖南省 7～8 年生常見(jiàn)品種油茶果根據(jù)數(shù)量與橫徑的擬合模型進(jìn)行滾筒篩相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)：長(zhǎng)為 2.2 m；直徑為 0.6 m；篩網(wǎng)級(jí)數(shù)為 6 級(jí)，各級(jí)長(zhǎng)方形篩孔的寬度尺寸為：22 mm、24 mm、26 mm、29 mm、33 mm；轉(zhuǎn)速為 20 r/min；電機(jī)功率為 0.75 kw。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)加工實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，經(jīng)分級(jí)后的油茶果處理加工效果顯著提高：剝殼率為99.3%、破碎率為 1.7%、凈度為 98.7%。此油茶果分級(jí)技術(shù)可為供油茶果處理成套設(shè)備提供參考。

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