多通道高速刨削式油茶果破殼機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

霍俊 王焱清 孫記委 盧周成

[摘 要]為提高加工對(duì)象適應(yīng)性及減少茶籽破損，設(shè)計(jì)一種基于刨削原理的多通道高速刨削式油茶果破殼機(jī)，對(duì)其工作原理及其關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。以推進(jìn)滾筒轉(zhuǎn)速和攤曬天數(shù)為試變量因子，進(jìn)行油茶果脫殼試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：破殼率超過(guò)99%，碎籽率小于1%。

[關(guān)鍵詞]油茶果；刨削式破殼；齒輪驅(qū)動(dòng)；農(nóng)業(yè)機(jī)械

[中圖分類號(hào)]S226.4[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

為了直接加工油茶鮮果及減少破殼過(guò)程中的茶籽破損，一些研究將機(jī)械切割作為重要的技術(shù)措施用于破殼機(jī)設(shè)計(jì)。馬君等^[1]采用刨削原理，設(shè)計(jì)了多通道氣動(dòng)刨削式油茶果破殼機(jī)；陳禮東等^[2]設(shè)計(jì)了一種由切割結(jié)構(gòu)、脫蒲結(jié)構(gòu)等組成的切割式油茶果脫蒲機(jī)。其他類型的破殼機(jī)具則主要采用揉搓、擠壓、撞擊等破殼方式^39]，如朱廣飛等^[4]、浙江縉云縣沃德瑞機(jī)械制造有限公司^[5]、黃鳳洪等^[6]、藍(lán)峰等^[7]、唐湘等^[8]、肖靜等^[9]進(jìn)行的相關(guān)研究。開發(fā)加工品質(zhì)高、普適性廣的新型油茶果破殼機(jī)，仍然是增強(qiáng)國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械化薄弱環(huán)節(jié)的主要舉措。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

多通道高速刨削式油茶果破殼機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要結(jié)構(gòu)有振動(dòng)料斗、壓料滾筒、推進(jìn)滾筒、彈簧推板、壓刨刀及環(huán)形刀桿。機(jī)具作業(yè)采用仿人作業(yè)進(jìn)行刨削破殼，加工對(duì)象為油茶鮮果，無(wú)需攤曬，節(jié)省了攤曬空間和攤曬時(shí)間，極大地提高了作業(yè)效率。

多通道高速刨削式破殼機(jī)工作時(shí)，經(jīng)過(guò)分選直徑在一定范圍的果實(shí)均勻地進(jìn)入振動(dòng)料斗，油茶果經(jīng)由振動(dòng)料斗到輸送腔內(nèi)，保證油茶果連貫地輸送到壓料滾筒凹槽內(nèi)，并保證凹槽內(nèi)油茶果的唯一性，自動(dòng)掉入到兩撥片之間形成的凹槽內(nèi)。當(dāng)壓料滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，油茶果沿輸送腔自動(dòng)地輸送到物料通道上，并沿通道繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)一段距離后，在物料通道頂蓋的作用下離開壓料滾筒。在驅(qū)動(dòng)齒輪對(duì)的驅(qū)動(dòng)下，推進(jìn)滾筒隨著壓料滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，其上的推桿自行插入兩個(gè)刀桿之間，接力推進(jìn)滾筒，持續(xù)推動(dòng)果實(shí)沿物料通道向前移動(dòng)至壓刨刀處。在壓刨刀的按壓下，果實(shí)兩側(cè)翼和頂部果殼分別被刀桿上的環(huán)形刀片和壓刨刀的刀片切除，果殼在壓刨刀和推桿的擠壓下自行散開，內(nèi)部籽粒和果殼分離。果實(shí)破殼過(guò)程在不損傷內(nèi)部茶籽的情況下順利完成。

1.2 多通道高速刨削式油茶果破殼機(jī)性能參數(shù)

如圖1所示，油茶果掉入壓料滾筒，隨后推進(jìn)滾筒接力完成破殼。為簡(jiǎn)化計(jì)算，取推進(jìn)滾筒每轉(zhuǎn)半圈在一個(gè)破殼通道有一個(gè)果子發(fā)生破殼，多通道刀片刨削式油茶果破殼機(jī)的作業(yè)速度

根據(jù)實(shí)際測(cè)量，一顆油茶果的質(zhì)量約為20 g（直徑30～35 mm），取0.02 kg/顆，共計(jì)5個(gè)破殼通道，推進(jìn)滾筒轉(zhuǎn)速取360 r/h；為防止堵塞，采用間歇式給料，給料效率取0.5，即可算得作業(yè)速度為360 kg/h。

多通道高速刨削式油茶果破殼機(jī)的主要性能參數(shù)如表1所示。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 破殼裝置的設(shè)計(jì)

破殼裝置主要由刀桿和壓刨刀兩部分組成（圖2）。 兩相鄰刀桿構(gòu)成一個(gè)油茶果通道，作為油茶果的前進(jìn)路線，到達(dá)設(shè)定位置時(shí)在刀桿上刀片和壓刨刀的作用下完成破殼。

2.1.1 刀桿的設(shè)計(jì) 刀桿主要由刀軸和刀片兩部分組成（圖3）。刀片呈環(huán)形，與軸方向垂直安裝，刀刃呈45°，左端略高于右端，兩翼不利于破殼工作的被去掉。在推進(jìn)滾筒上方，兩相鄰排列的刀桿構(gòu)成一條弧形槽狀破殼通道（破殼通道的作用是輸送、卡持和切削油茶果），兩相鄰刀桿間距離可對(duì)應(yīng)不同直徑范圍油茶果。推進(jìn)滾筒的推桿介于兩刀桿之間，其頂端位于弧形通道上方。

2.1.2 壓刨刀的設(shè)計(jì) 壓刨刀主要由刀頭、導(dǎo)桿、刀柄組成（圖4）。刨削刀桿主體為勾形扁平長(zhǎng)條，下端為軸承，焊接在軸上，與機(jī)架上的限位裝置配合能夠進(jìn)行一定角度的旋轉(zhuǎn)，并在刀桿背部焊有導(dǎo)桿，用以配合壓力彈簧。當(dāng)油茶果受推進(jìn)滾筒推桿的推力在破殼通道上往壓刨刀方向水平移動(dòng)時(shí)，油茶果首先接觸到壓刨刀刀頭部分的刀片，進(jìn)入卡持狀態(tài)，推桿持續(xù)給予油茶果作用力，推力經(jīng)油茶果傳遞至壓刨刀，隨后壓刨刀開始轉(zhuǎn)動(dòng)，油茶果與第三層刀片接觸，壓力彈簧受反作用力使得油茶果與壓刨刀始終保持接觸狀態(tài)。若此時(shí)油茶果硬度較小會(huì)發(fā)生破殼；若油茶果硬度較大，壓刨刀繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)直至限位角度，油茶果受推桿推力在刀片上被強(qiáng)制發(fā)生破殼。因選擇的油茶果的直徑是一個(gè)范圍值（30～35 mm），若壓刨刀固定，直徑過(guò)大的油茶果發(fā)生多次破殼，會(huì)出現(xiàn)碎籽的情況。單次破殼作業(yè)完成后，壓刨刀受彈簧的壓力歸位。限位裝置主要由內(nèi)六角圓柱螺釘以及限位板組成，其作用為限制壓刨刀的旋轉(zhuǎn)角度，保證刀頭部分能與油茶果進(jìn)行充分破殼，不會(huì)使硬度較大的果子溜走。刀桿前端與刀桿背部呈120°。破殼時(shí)刨削刀后仰，考慮到破殼時(shí)的穩(wěn)定性，后仰角度不能過(guò)大，設(shè)計(jì)刀桿背部長(zhǎng)度為270 mm，刀桿尾端長(zhǎng)度為70 mm。

刀頭由刀座和刀片組成（圖4）。刀座與水平面呈30°，三層刀片依次垂直嵌入刀座，刀片呈弧形，便于對(duì)油茶果上半部分的刨削作業(yè)，刀片中部鏤空便于推桿及時(shí)清理刨削油茶果的剩余殘?jiān)?，三層刀片依次?duì)應(yīng)著不同直徑的油茶果刨削，保證在預(yù)選范圍內(nèi)的油茶果得到充分破殼。

2.2 滾筒對(duì)的設(shè)計(jì)

油茶果進(jìn)入凹形卡槽后，在傳動(dòng)過(guò)程中，左方壓料撥片推著油茶果在物料通道前行，于交匯處完成壓料滾筒凹形卡槽和推料滾筒凸形推桿的切換（每個(gè)凹槽對(duì)應(yīng)一個(gè)凸桿），自此推進(jìn)滾筒凸桿推動(dòng)油茶果前行（圖6）。

2.2.1 壓料滾筒的設(shè)計(jì) 壓料滾筒主要由中空滾筒、階梯軸、環(huán)形擋板和凹形壓料撥片組成（圖7）。凹形壓料撥片在滾筒上均勻分布，兩凹形壓料撥片與兩相鄰環(huán)形側(cè)板形成一個(gè)物料卡槽，壓料滾筒配合前端裝置完成油茶果的單顆入槽。為了保證物料在卡槽中有足夠的空間且只容納單顆油茶果，兩壓料撥片端面的垂直距離應(yīng)大于范圍類油茶果最大顆粒直徑，又小于范圍類兩倍油茶果最小顆粒直徑。兩壓料撥片外端面的垂直距離

式中：R為范圍內(nèi)油茶果最小半徑，mm；L為兩壓料撥片外端面垂直距離，mm；n為撥片數(shù)量；D為壓料滾筒外徑，mm。

2.2.2 推進(jìn)滾筒的設(shè)計(jì) 推進(jìn)滾筒主要由中空滾筒、階梯軸、凸形推桿組成（圖8）。推進(jìn)滾筒起兩個(gè)作用：一是接力從壓料滾筒出來(lái)的油茶果，使其繼續(xù)在刀桿形成的導(dǎo)軌通道移動(dòng)；二是在環(huán)形刀片以及壓刨刀片切入油茶果時(shí)提供作用力。推桿外端為凸形，既保證與凹形槽片交接時(shí)的穩(wěn)定性，又方便刨削后清理油茶果殘?jiān)?/p>

為了滿足油茶果在壓料滾筒和推進(jìn)滾筒上的切換，設(shè)計(jì)兩滾筒為上下結(jié)構(gòu)，為滿足空間結(jié)構(gòu)，將兩滾筒錯(cuò)開一定角度。壓料滾筒中心位于刀桿左側(cè)第一個(gè)環(huán)形刀片處，且壓料滾筒上方推桿做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)經(jīng)過(guò)壓刨刀前端刀片。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)實(shí)例

試驗(yàn)場(chǎng)地為湖北省咸寧市通山縣的黃袍山國(guó)家油茶果產(chǎn)業(yè)示范園。

完整的破殼流程分為刨削破殼—碾壓分離。經(jīng)滾筒篩將直徑為30～35mm的果實(shí)挑選出來(lái)，每次試驗(yàn)取定量油茶鮮果，先進(jìn)行刨削破殼，得到果殼、油茶果整籽、碎籽（圖9左）及果料（圖9右），挑選出未完全破殼的果料，經(jīng)二次碾壓處理得到果殼、油茶果整籽、碎籽。其物料分類見表2。

以脫殼率和碎籽率為技術(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)試驗(yàn)效果，其計(jì)算公式如下：

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 推進(jìn)滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)破殼效果的影響 采用多通道高速刨削式油茶果破殼機(jī)試驗(yàn)，以推進(jìn)滾筒轉(zhuǎn)速為研究對(duì)象，保證料斗傾角為20°，油茶果為鮮果（攤曬天數(shù)為0），通過(guò)調(diào)整推進(jìn)滾筒轉(zhuǎn)速的大小進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。推進(jìn)滾筒轉(zhuǎn)速逐漸增大，脫殼率也逐漸上升。當(dāng)推進(jìn)滾筒轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)，脫殼率達(dá)80.27%，同時(shí)碎籽率先減小后增大，這是因?yàn)橥七M(jìn)滾筒轉(zhuǎn)速太低時(shí)，轉(zhuǎn)矩不足，遇到包裹力大的油茶果會(huì)造成短暫性卡頓，導(dǎo)致破殼不均勻，碎籽率較高；推進(jìn)滾筒轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，轉(zhuǎn)矩過(guò)大，使得推桿給油茶果的推力過(guò)大，刀片切入油茶果表皮過(guò)深，使得碎籽率增大。

3.2.2 攤曬天數(shù)對(duì)破殼效果的影響 采用完整的脫殼工藝（刨削破殼＋碾壓分離）加工攤曬時(shí)間不同的油茶果。料斗傾角為20°，推進(jìn)滾筒轉(zhuǎn)速為80 r/min，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。隨著攤曬天數(shù)的增加，脫殼率也不斷增加，最后穩(wěn)定在99.7%，整體增幅不大；同時(shí)碎籽率也不斷增大，最后仍不足1%，整體上試驗(yàn)各指標(biāo)與攤曬天數(shù)呈微弱的正相關(guān)性。在攤曬天數(shù)為1 d時(shí)與整體趨勢(shì)相悖，這是因?yàn)閿倳? d的油茶果水分下降，包裹力減小，部分油茶果會(huì)微微開口露出籽來(lái)卻又不完全露出來(lái)，使破殼條件更加完善，其后隨著攤曬天數(shù)增加，油茶果開口越大，更容易使得籽接觸到刀片，且果實(shí)更加畸形，碎籽率也不斷增大。

試驗(yàn)表明，多通道高速刨削式油茶果破殼機(jī)適用于加工未攤曬的油茶鮮果，在合適的加工條件下，脫殼率超過(guò)99%，碎籽率小于1%。

4 結(jié)論

1）以刨削原理為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種適用加工新鮮油茶果的破殼機(jī)，對(duì)其原理和特點(diǎn)進(jìn)行了分析，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2）以脫殼率和碎籽率為試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)，分別將推進(jìn)滾筒轉(zhuǎn)速和攤曬天數(shù)作為試驗(yàn)因素進(jìn)行脫殼試驗(yàn)，得到了各試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)的影響規(guī)律。

3）在合適的加工條件下，采用完整的脫殼工藝（刨削破殼＋碾壓分離）進(jìn)行破殼試驗(yàn)，脫殼率超過(guò)99%，碎籽率小于1%。以刨削原理為基礎(chǔ)，適用加工新鮮油茶果的破殼機(jī)，對(duì)其原理和特點(diǎn)進(jìn)行了分析，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

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Design and Experimental Research of Multi-channel Blade High

speed Planer for Camellia Oleifera Shelling

HUO Jun^1，2，WANG Yanqing^1，2，SUN Jiwei^1，2， LU Zhoucheng^1，2

（1 School of Mechanical Engineering， Hubei Univ. of Tech.， Wuhan 430068，China;

2 Hubei Agricultural Machinery Engin. Research and Design Institute， Wuhan 430068，China）

Abstract：In order to improve the adaptability of processing objects and reduce the damage of tea seeds， a gear driven camellia oil fruit high-speed planer was designed based on planing principle， and its working principle and the structural design of its key components were analyzed. Taking the rotation speed of the propulsion drum and the days of drying as test variables， the shell breaking rate of camellia oleifera fruit was over 99% and the seed breaking rate was less than 1%.

Keywords：Camellia oleifera; Shelling by planer machining; gear drive; agricultural machinery

[責(zé)任編校：張 眾]