油用牡丹脫粒機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張志紅，耿令新，謝金法，陶 滿，姬江濤，侯小改

(河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

0 引言

油用牡丹是我國特有的木本油料作物，在我國山東菏澤、河南洛陽、安徽銅陵等20個(gè)多省區(qū)都有種植，具有適合我國大面積推廣又不與糧食爭地的特點(diǎn)[1-5]。牡丹籽含油量更是高達(dá)22%，牡丹籽油中不飽和脂肪酸含量90%以上，多不飽和脂肪酸α-亞麻酸含量超過40%，是橄欖油的140倍，具有預(yù)防心腦血管病、降血脂、降低臨界性高血壓、抑制癌癥的發(fā)生和轉(zhuǎn)移，以及增強(qiáng)智力等作用[6-9]。

牡丹籽要進(jìn)行深加工，就必須先把牡丹籽從牡丹果莢中分離出來。目前，油用牡丹的種植已有一定的規(guī)模，但由于油用牡丹產(chǎn)業(yè)是近幾年才興起的，還沒有油用牡丹脫粒技術(shù)的相關(guān)研究。對(duì)于物料脫殼方法和脫殼裝備，國內(nèi)外的研究已相當(dāng)成熟[10-15]，而油用牡丹果莢屬農(nóng)業(yè)物料，與花生、大豆果莢等有相似之處，因此可以借鑒現(xiàn)有的裝備根據(jù)油用牡丹果莢自身的生物特性進(jìn)行改造和研究。本文在自制的油用牡丹果莢脫粒機(jī)上對(duì)油用牡丹果莢進(jìn)行單因素脫粒試驗(yàn)，并進(jìn)行相應(yīng)分析。

1 總體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 脫粒機(jī)總體結(jié)構(gòu)

油用牡丹果莢脫粒機(jī)主要由機(jī)架、進(jìn)料裝置、脫粒裝置和接料小車等構(gòu)成，如圖1所示。

1.進(jìn)料口 2.拋料甩盤 3.脫粒元件 4.滾筒 5.機(jī)架 6.篩網(wǎng) 7.出料口 8.接料小車圖1 油用牡丹脫粒機(jī)總體結(jié)構(gòu)左視圖Fig.1 Oil peony podding machine overall structure of the left view

脫粒裝置主要由脫粒區(qū)、排莢區(qū)、落料區(qū)等構(gòu)成，如圖2所示。其中，脫粒區(qū)為整個(gè)裝置的關(guān)鍵部分。

機(jī)蓋內(nèi)部有導(dǎo)向板，滾筒上安裝有6個(gè)板尺，脫粒元件與板尺焊接角度為30°且成螺旋排布；當(dāng)脫粒滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，果莢在脫粒元件和機(jī)蓋的配合下向后方脫粒區(qū)移動(dòng)。

1.2 工作原理

油用牡丹果莢從進(jìn)料口喂入時(shí)，果莢被葉片高速拋入脫粒室中，滾筒上脫粒元件撥動(dòng)果莢沿凹板篩做圓周運(yùn)動(dòng)；由于脫粒元件與滾筒板尺有30°的夾角，且機(jī)蓋內(nèi)部有導(dǎo)向板，因此果莢在脫粒的同時(shí)沿軸向不斷向排莢口移動(dòng)，果莢殼從脫粒區(qū)排出，牡丹籽粒則從凹板篩漏入接料小車中。果莢在脫粒時(shí)始終充滿脫粒室，因此脫粒元件撥動(dòng)果莢時(shí)具有一定的推力和打擊力，即果莢是在受到推、擠、打的情況下與凹板篩接觸，與凹板篩做復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到擠壓揉搓的效果。果莢與果莢之間同樣存在擠壓和揉搓，因此脫殼室內(nèi)所有果莢的任何部位都有充分?jǐn)D揉的機(jī)會(huì)，從而有效提高了果莢的脫凈率。

圖2 油用牡丹脫粒機(jī)總體結(jié)構(gòu)主視圖Fig.2 Oil peony podding machine overall structure of the main view

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 脫粒滾筒

2.1.1 滾筒直徑

滾筒直徑的大小與凹板弧長有密切的關(guān)系，本機(jī)中凹板弧長因包角限制不能增大，因此選用較大的滾筒直徑。由農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)查得，板齒滾筒的齒頂圓直徑為300～600mm，因此選定脫粒滾筒齒頂圓直徑為500mm，滾筒直徑確定為360mm。

2.1.2 滾筒長度

滾筒長度對(duì)果莢脫粒質(zhì)量有著重要的影響，滾筒過長則多余的滾筒長度不能發(fā)揮其作用，增加功耗和制造成本且使機(jī)體變大；滾筒過短則果莢在脫粒室內(nèi)停留時(shí)間短，影響脫凈率。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)分析，取脫粒滾筒長度為820mm。

2.1.3 滾筒脫粒元件

脫粒元件是直接與果莢接觸的結(jié)構(gòu)，其形狀和尺寸不同，對(duì)果莢的作用就不同。對(duì)于牡丹果莢，既可以在打擊力作用下脫粒，還可以在擠壓力和揉搓力作用下脫粒。本文選用高度為55mm、寬度為60mm的L形齒和弓形齒以及弓齒和L形齒的混合齒3種脫粒元件，通過試驗(yàn)確定哪種脫粒元件脫粒效果好。脫粒元件如圖3所示。其在滾筒上的排列圖如圖4所示。

(a) 弓形齒 (b) L形齒圖3 脫粒元件Fig.3 Threshing elements

圖4 脫粒元件排列圖Fig.4 The arrangement of threshing elements

2.2 篩網(wǎng)

篩網(wǎng)除了和滾筒組成脫粒室起脫粒作用外，還應(yīng)起分離脫出物的作用，使脫出的牡丹籽粒和果莢殼能快速分離，減少籽粒的破碎。由于牡丹籽粒皆為橢圓形或扁圓形，因此本文選用圓孔篩。通過對(duì)牡丹籽粒幾何尺寸的測量和分析，篩孔直徑定為15mm。

2.3 進(jìn)料裝置

進(jìn)料裝置是將牡丹果莢從喂入口拋入脫粒機(jī)機(jī)體的一個(gè)機(jī)構(gòu)，作用是使喂入的果莢在葉片的打擊下忽然得到一個(gè)高的速度，然后順利進(jìn)入脫粒室內(nèi)進(jìn)行脫粒。其設(shè)計(jì)的合理與否關(guān)系到脫粒機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和工作質(zhì)量(即喂入口是否堵塞和脫粒率低)。本文在進(jìn)料口處設(shè)置帶有葉片的葉輪組成進(jìn)料裝置，對(duì)油用牡丹果莢進(jìn)行加速。

2.4 脫粒機(jī)機(jī)蓋

脫粒機(jī)機(jī)蓋和脫粒室形成一個(gè)封閉的脫?？臻g，果莢在其中做復(fù)合運(yùn)動(dòng)。機(jī)蓋呈半圓形，內(nèi)壁有薄鋼板焊接而成的螺旋形導(dǎo)向板，螺旋升角為30°。機(jī)蓋兩端和圓孔篩兩端一起通過螺栓固定在機(jī)架上，便于拆卸和維修；機(jī)蓋后端設(shè)置有排莢口。

3 試驗(yàn)方案的確定

選取滾筒轉(zhuǎn)速、喂入量、果莢含水率3個(gè)因素，以果莢脫凈率與籽粒破碎率為指標(biāo)，用不同的脫粒元件進(jìn)行單因素試驗(yàn)，從單因素試驗(yàn)分析得出最佳的脫粒參數(shù)并進(jìn)行驗(yàn)證。通過試驗(yàn)初步確定滾筒轉(zhuǎn)速范圍為300～900r/min，喂入量范圍為0.6～1.8kg/s，果莢含水率的范圍22.76%～70.23%。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)果莢脫凈率和籽粒破碎率的影響

滾筒轉(zhuǎn)速是脫粒設(shè)備的重要性能參數(shù)，其設(shè)置的合理與否關(guān)系著脫粒機(jī)能否實(shí)現(xiàn)其功能。為找到滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)果莢脫凈率和籽粒破碎率的影響規(guī)律，用3種不同的脫粒元件，在喂入量為1.2kg/s、果莢含水率為43.65%條件下進(jìn)行試驗(yàn)，得到了滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)脫凈率的影響Fig.5 Effect of drum speed on Pod removal rate

圖6 滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)籽粒破碎率的影響Fig.6 Effect of drum speed on breaking rate

由圖5可知：3種脫粒元件的脫凈率都隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加先升高后降低，主要是因?yàn)闈L筒轉(zhuǎn)速在300～750r/min范圍內(nèi)隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，滾筒與牡丹果莢接觸次數(shù)增多，對(duì)果莢的打擊力增強(qiáng)；滾筒轉(zhuǎn)速超過750r/min后，由于牡丹果莢軸向運(yùn)動(dòng)加快，滾筒與果莢的接觸次數(shù)反而較少，因此脫凈率便開始降低。

由圖6可知：3種脫粒元件的籽粒破碎率都隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加而升高。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速增加時(shí)，脫粒元件的線速度增加，對(duì)籽粒的打擊力就越大。其中，弓形齒的破碎率最高，L形齒的破碎率最低。

4.2 喂入量對(duì)果莢脫凈率和籽粒破碎率的影響

喂入量不同對(duì)果莢的脫凈率和籽粒的破碎率有著重要的影響：喂入量過大，脫粒機(jī)容易堵塞，降低脫粒效率；喂入量過小則不能滿足生產(chǎn)上的需要，也不能充分發(fā)揮脫粒機(jī)的功能。本試驗(yàn)在固定果莢含水率為43.65%、滾筒轉(zhuǎn)速為750r/min進(jìn)行了試驗(yàn)，得到了喂入量對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 喂入量對(duì)籽粒脫凈率的影響Fig.7 Effect of feed quantity on Pod removal rate

圖8 喂入量對(duì)籽粒破碎率的影響Fig.8 Effect of feed quantity on breaking rate

由圖7可知：3種脫粒元件的脫粒率變化總趨勢相似，都隨著喂入量的增加而降低。當(dāng)喂入量低于1.2kg/s時(shí)，脫凈率變化不大，脫粒元件為弓齒形脫凈率最高，此時(shí)果莢是有序脫粒；當(dāng)喂入量高于1.2kg/s時(shí)，脫凈率猛降，混合形齒脫凈率較高，此時(shí)脫粒室內(nèi)果莢增多，部分果莢可能沒有和脫粒元件接觸就被排出機(jī)體。

由圖8可知：隨著喂入量的增加，籽粒破碎率不斷增加，弓形齒籽粒破碎率最大，L形齒籽粒破碎率最??；此時(shí)，果莢無序脫粒增大，果莢與果莢之間的相互隨機(jī)作用也增加，因此籽粒破碎率增加。

4.3 含水率對(duì)果莢脫凈率和籽粒破碎率的影響

牡丹果莢剛采摘時(shí)含水率較高，果莢殼較軟，籽粒還未完全成熟，易破碎，果莢殼與籽粒之間有黏性物質(zhì)，脫粒時(shí)果莢殼與籽粒不易分離；當(dāng)含水率低于某一特定值時(shí)，果莢殼和籽粒殼都變硬，脫粒難度增大，籽粒不易破碎。

本試驗(yàn)固定滾筒轉(zhuǎn)速為750r/min、喂入量為1.2kg/s時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 果莢含水率對(duì)脫凈率的影響Fig.9 Effect of pod moisture on Pod removal rate

圖10 果莢含水率對(duì)籽粒破碎率的影響Fig.10 Effect of pod moisture on breaking rate

由圖9可知：果莢含水率降低時(shí)，3種脫粒元件的脫凈率變化趨勢相同，都隨著果莢含水率的降低先升高后降低。果莢含水率高于40%，弓形齒的脫凈率較高；低于40%時(shí)L形齒脫凈率較高，并在含水率為34.85%時(shí)脫凈率最大為82.48%。分析其原因：弓形齒主要起打擊作用，擠壓作用較小，含水率較高時(shí)，果莢殼較軟，弓齒的打擊作用易破莢；L形齒是擠壓揉搓為主，打擊為輔，含水率較低時(shí)，果莢殼逐漸變硬，L形齒的擠壓揉搓易破莢。

由圖10可知：3種脫粒元件的籽粒破碎率都隨著含水率的降低而降低，弓形齒的破碎率一直處于最高水平，L形齒的破碎率一直處于最低水平。這主要是因?yàn)殡S著含水率的降低，牡丹籽粒的殼逐漸變硬，對(duì)籽粒的保護(hù)隨之加強(qiáng)，籽粒不易破碎。

4.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

通過對(duì)油用牡丹果莢的脫粒率和籽粒破碎率的單因素試驗(yàn)，用3種不同的脫粒元件分析了脫粒參數(shù)對(duì)各個(gè)指標(biāo)的影響，得出單因素對(duì)牡丹果莢脫粒過程的影響趨勢。通過分析可得出當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為750r/min、喂入量為1.2kg/s、含水率為34.85%時(shí)，用L形齒脫粒效果最好。

為了驗(yàn)證分析結(jié)果，本文取脫粒元件為L形齒，固定滾筒轉(zhuǎn)速為750r/min、喂入量為1.2kg/s、含水率為34.85%，再次對(duì)油用牡丹果莢進(jìn)行脫粒試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為脫凈率83.23%，破碎率2.78%，脫粒效果如圖11所示。

圖11 油用牡丹果莢脫粒效果Fig.11 Removal effect of oil peony fruit pod

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了油用牡丹果莢脫粒機(jī)，主要由機(jī)架、進(jìn)料裝置、脫粒裝置和接料小車等構(gòu)成，其可以實(shí)現(xiàn)油用牡丹果莢的脫粒工作，且效果良好。

2)通過對(duì)油用牡丹果莢脫粒試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著滾筒轉(zhuǎn)速的升高，破碎率一直增加，脫凈率先增加后減小。在轉(zhuǎn)速為750r/min時(shí)，3種脫粒元件的脫凈率均取得最大值，混合形齒脫凈率最大，弓形齒破碎率最大；隨著喂入量的增加，3種脫粒元件的脫凈率減小，破碎率均增加，在喂入量高于1.2kg/s時(shí)，脫凈率降幅明顯增大；隨著含水率的減少，脫凈率先增加后減小，破碎率一直減小。

3)無論滾筒轉(zhuǎn)速、喂入量、含水率如何變化，弓形齒的破碎率一直最高，L形齒的破碎率一直最低。

4)通過分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為750r/min、喂入量為1.2kg/s、含水率為34.85%時(shí)，用L形齒脫粒效果最好。

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