油用牡丹脱粒机的设计与试验

张志红，耿令新，谢金法，陶 满，姬江涛，侯小改

(河南科技大学 农业装备工程学院，河南 洛阳 471003)

0 引言

油用牡丹是我国特有的木本油料作物，在我国山东菏泽、河南洛阳、安徽铜陵等20个多省区都有种植，具有适合我国大面积推广又不与粮食争地的特点[1-5]。牡丹籽含油量更是高达22%，牡丹籽油中不饱和脂肪酸含量90%以上，多不饱和脂肪酸α-亚麻酸含量超过40%，是橄榄油的140倍，具有预防心脑血管病、降血脂、降低临界性高血压、抑制癌症的发生和转移，以及增强智力等作用[6-9]。

牡丹籽要进行深加工，就必须先把牡丹籽从牡丹果荚中分离出来。目前，油用牡丹的种植已有一定的规模，但由于油用牡丹产业是近几年才兴起的，还没有油用牡丹脱粒技术的相关研究。对于物料脱壳方法和脱壳装备，国内外的研究已相当成熟[10-15]，而油用牡丹果荚属农业物料，与花生、大豆果荚等有相似之处，因此可以借鉴现有的装备根据油用牡丹果荚自身的生物特性进行改造和研究。本文在自制的油用牡丹果荚脱粒机上对油用牡丹果荚进行单因素脱粒试验，并进行相应分析。

1 总体结构和工作原理

1.1 脱粒机总体结构

油用牡丹果荚脱粒机主要由机架、进料装置、脱粒装置和接料小车等构成，如图1所示。

1.进料口 2.抛料甩盘 3.脱粒元件 4.滚筒 5.机架 6.筛网 7.出料口 8.接料小车图1 油用牡丹脱粒机总体结构左视图Fig.1 Oil peony podding machine overall structure of the left view

脱粒装置主要由脱粒区、排荚区、落料区等构成，如图2所示。其中，脱粒区为整个装置的关键部分。

机盖内部有导向板，滚筒上安装有6个板尺，脱粒元件与板尺焊接角度为30°且成螺旋排布；当脱粒滚筒转动时，果荚在脱粒元件和机盖的配合下向后方脱粒区移动。

1.2 工作原理

油用牡丹果荚从进料口喂入时，果荚被叶片高速抛入脱粒室中，滚筒上脱粒元件拨动果荚沿凹板筛做圆周运动；由于脱粒元件与滚筒板尺有30°的夹角，且机盖内部有导向板，因此果荚在脱粒的同时沿轴向不断向排荚口移动，果荚壳从脱粒区排出，牡丹籽粒则从凹板筛漏入接料小车中。果荚在脱粒时始终充满脱粒室，因此脱粒元件拨动果荚时具有一定的推力和打击力，即果荚是在受到推、挤、打的情况下与凹板筛接触，与凹板筛做复杂的相对运动，以达到挤压揉搓的效果。果荚与果荚之间同样存在挤压和揉搓，因此脱壳室内所有果荚的任何部位都有充分挤揉的机会，从而有效提高了果荚的脱净率。

图2 油用牡丹脱粒机总体结构主视图Fig.2 Oil peony podding machine overall structure of the main view

2 主要部件设计

2.1 脱粒滚筒

2.1.1 滚筒直径

滚筒直径的大小与凹板弧长有密切的关系，本机中凹板弧长因包角限制不能增大，因此选用较大的滚筒直径。由农业机械学查得，板齿滚筒的齿顶圆直径为300～600mm，因此选定脱粒滚筒齿顶圆直径为500mm，滚筒直径确定为360mm。

2.1.2 滚筒长度

滚筒长度对果荚脱粒质量有着重要的影响，滚筒过长则多余的滚筒长度不能发挥其作用，增加功耗和制造成本且使机体变大；滚筒过短则果荚在脱粒室内停留时间短，影响脱净率。由试验数据总结分析，取脱粒滚筒长度为820mm。

2.1.3 滚筒脱粒元件

脱粒元件是直接与果荚接触的结构，其形状和尺寸不同，对果荚的作用就不同。对于牡丹果荚，既可以在打击力作用下脱粒，还可以在挤压力和揉搓力作用下脱粒。本文选用高度为55mm、宽度为60mm的L形齿和弓形齿以及弓齿和L形齿的混合齿3种脱粒元件，通过试验确定哪种脱粒元件脱粒效果好。脱粒元件如图3所示。其在滚筒上的排列图如图4所示。

(a) 弓形齿 (b) L形齿图3 脱粒元件Fig.3 Threshing elements

图4 脱粒元件排列图Fig.4 The arrangement of threshing elements

2.2 筛网

筛网除了和滚筒组成脱粒室起脱粒作用外，还应起分离脱出物的作用，使脱出的牡丹籽粒和果荚壳能快速分离，减少籽粒的破碎。由于牡丹籽粒皆为椭圆形或扁圆形，因此本文选用圆孔筛。通过对牡丹籽粒几何尺寸的测量和分析，筛孔直径定为15mm。

2.3 进料装置

进料装置是将牡丹果荚从喂入口抛入脱粒机机体的一个机构，作用是使喂入的果荚在叶片的打击下忽然得到一个高的速度，然后顺利进入脱粒室内进行脱粒。其设计的合理与否关系到脱粒机的正常运转和工作质量(即喂入口是否堵塞和脱粒率低)。本文在进料口处设置带有叶片的叶轮组成进料装置，对油用牡丹果荚进行加速。

2.4 脱粒机机盖

脱粒机机盖和脱粒室形成一个封闭的脱粒空间，果荚在其中做复合运动。机盖呈半圆形，内壁有薄钢板焊接而成的螺旋形导向板，螺旋升角为30°。机盖两端和圆孔筛两端一起通过螺栓固定在机架上，便于拆卸和维修；机盖后端设置有排荚口。

3 试验方案的确定

选取滚筒转速、喂入量、果荚含水率3个因素，以果荚脱净率与籽粒破碎率为指标，用不同的脱粒元件进行单因素试验，从单因素试验分析得出最佳的脱粒参数并进行验证。通过试验初步确定滚筒转速范围为300～900r/min，喂入量范围为0.6～1.8kg/s，果荚含水率的范围22.76%～70.23%。

4 试验结果与分析

4.1 滚筒转速对果荚脱净率和籽粒破碎率的影响

滚筒转速是脱粒设备的重要性能参数，其设置的合理与否关系着脱粒机能否实现其功能。为找到滚筒转速对果荚脱净率和籽粒破碎率的影响规律，用3种不同的脱粒元件，在喂入量为1.2kg/s、果荚含水率为43.65%条件下进行试验，得到了滚筒转速对试验指标的影响关系，试验结果如图5和图6所示。

图5 滚筒转速对脱净率的影响Fig.5 Effect of drum speed on Pod removal rate

图6 滚筒转速对籽粒破碎率的影响Fig.6 Effect of drum speed on breaking rate

由图5可知：3种脱粒元件的脱净率都随着滚筒转速的增加先升高后降低，主要是因为滚筒转速在300～750r/min范围内随着滚筒转速的增加，滚筒与牡丹果荚接触次数增多，对果荚的打击力增强；滚筒转速超过750r/min后，由于牡丹果荚轴向运动加快，滚筒与果荚的接触次数反而较少，因此脱净率便开始降低。

由图6可知：3种脱粒元件的籽粒破碎率都随着滚筒转速的增加而升高。当滚筒转速增加时，脱粒元件的线速度增加，对籽粒的打击力就越大。其中，弓形齿的破碎率最高，L形齿的破碎率最低。

4.2 喂入量对果荚脱净率和籽粒破碎率的影响

喂入量不同对果荚的脱净率和籽粒的破碎率有着重要的影响：喂入量过大，脱粒机容易堵塞，降低脱粒效率；喂入量过小则不能满足生产上的需要，也不能充分发挥脱粒机的功能。本试验在固定果荚含水率为43.65%、滚筒转速为750r/min进行了试验，得到了喂入量对试验指标的影响关系，试验结果如图7和图8所示。

图7 喂入量对籽粒脱净率的影响Fig.7 Effect of feed quantity on Pod removal rate

图8 喂入量对籽粒破碎率的影响Fig.8 Effect of feed quantity on breaking rate

由图7可知：3种脱粒元件的脱粒率变化总趋势相似，都随着喂入量的增加而降低。当喂入量低于1.2kg/s时，脱净率变化不大，脱粒元件为弓齿形脱净率最高，此时果荚是有序脱粒；当喂入量高于1.2kg/s时，脱净率猛降，混合形齿脱净率较高，此时脱粒室内果荚增多，部分果荚可能没有和脱粒元件接触就被排出机体。

由图8可知：随着喂入量的增加，籽粒破碎率不断增加，弓形齿籽粒破碎率最大，L形齿籽粒破碎率最小；此时，果荚无序脱粒增大，果荚与果荚之间的相互随机作用也增加，因此籽粒破碎率增加。

4.3 含水率对果荚脱净率和籽粒破碎率的影响

牡丹果荚刚采摘时含水率较高，果荚壳较软，籽粒还未完全成熟，易破碎，果荚壳与籽粒之间有黏性物质，脱粒时果荚壳与籽粒不易分离；当含水率低于某一特定值时，果荚壳和籽粒壳都变硬，脱粒难度增大，籽粒不易破碎。

本试验固定滚筒转速为750r/min、喂入量为1.2kg/s时进行试验。试验结果如图9和图10所示。

图9 果荚含水率对脱净率的影响Fig.9 Effect of pod moisture on Pod removal rate

图10 果荚含水率对籽粒破碎率的影响Fig.10 Effect of pod moisture on breaking rate

由图9可知：果荚含水率降低时，3种脱粒元件的脱净率变化趋势相同，都随着果荚含水率的降低先升高后降低。果荚含水率高于40%，弓形齿的脱净率较高；低于40%时L形齿脱净率较高，并在含水率为34.85%时脱净率最大为82.48%。分析其原因：弓形齿主要起打击作用，挤压作用较小，含水率较高时，果荚壳较软，弓齿的打击作用易破荚；L形齿是挤压揉搓为主，打击为辅，含水率较低时，果荚壳逐渐变硬，L形齿的挤压揉搓易破荚。

由图10可知：3种脱粒元件的籽粒破碎率都随着含水率的降低而降低，弓形齿的破碎率一直处于最高水平，L形齿的破碎率一直处于最低水平。这主要是因为随着含水率的降低，牡丹籽粒的壳逐渐变硬，对籽粒的保护随之加强，籽粒不易破碎。

4.4 验证试验

通过对油用牡丹果荚的脱粒率和籽粒破碎率的单因素试验，用3种不同的脱粒元件分析了脱粒参数对各个指标的影响，得出单因素对牡丹果荚脱粒过程的影响趋势。通过分析可得出当滚筒转速为750r/min、喂入量为1.2kg/s、含水率为34.85%时，用L形齿脱粒效果最好。

为了验证分析结果，本文取脱粒元件为L形齿，固定滚筒转速为750r/min、喂入量为1.2kg/s、含水率为34.85%，再次对油用牡丹果荚进行脱粒试验，试验结果为脱净率83.23%，破碎率2.78%，脱粒效果如图11所示。

图11 油用牡丹果荚脱粒效果Fig.11 Removal effect of oil peony fruit pod

5 结论

1)设计了油用牡丹果荚脱粒机，主要由机架、进料装置、脱粒装置和接料小车等构成，其可以实现油用牡丹果荚的脱粒工作，且效果良好。

2)通过对油用牡丹果荚脱粒试验发现：随着滚筒转速的升高，破碎率一直增加，脱净率先增加后减小。在转速为750r/min时，3种脱粒元件的脱净率均取得最大值，混合形齿脱净率最大，弓形齿破碎率最大；随着喂入量的增加，3种脱粒元件的脱净率减小，破碎率均增加，在喂入量高于1.2kg/s时，脱净率降幅明显增大；随着含水率的减少，脱净率先增加后减小，破碎率一直减小。

3)无论滚筒转速、喂入量、含水率如何变化，弓形齿的破碎率一直最高，L形齿的破碎率一直最低。

4)通过分析和试验验证，当滚筒转速为750r/min、喂入量为1.2kg/s、含水率为34.85%时，用L形齿脱粒效果最好。

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