多通道高速刨削式油茶果破壳机设计与试验

霍俊 王焱清 孙记委 卢周成

[摘 要]为提高加工对象适应性及减少茶籽破损，设计一种基于刨削原理的多通道高速刨削式油茶果破壳机，对其工作原理及其关键部件的结构设计进行分析。以推进滚筒转速和摊晒天数为试变量因子，进行油茶果脱壳试验。试验结果表明：破壳率超过99%，碎籽率小于1%。

[关键词]油茶果；刨削式破壳；齿轮驱动；农业机械

[中图分类号]S226.4[文献标识码]A

为了直接加工油茶鲜果及减少破壳过程中的茶籽破损，一些研究将机械切割作为重要的技术措施用于破壳机设计。马君等^[1]采用刨削原理，设计了多通道气动刨削式油茶果破壳机；陈礼东等^[2]设计了一种由切割结构、脱蒲结构等组成的切割式油茶果脱蒲机。其他类型的破壳机具则主要采用揉搓、挤压、撞击等破壳方式^39]，如朱广飞等^[4]、浙江缙云县沃德瑞机械制造有限公司^[5]、黄凤洪等^[6]、蓝峰等^[7]、唐湘等^[8]、肖静等^[9]进行的相关研究。开发加工品质高、普适性广的新型油茶果破壳机，仍然是增强国内农业机械化薄弱环节的主要举措。

1 整机结构及工作原理

1.1 总体结构及工作原理

多通道高速刨削式油茶果破壳机的总体结构如图1所示，其主要结构有振动料斗、压料滚筒、推进滚筒、弹簧推板、压刨刀及环形刀杆。机具作业采用仿人作业进行刨削破壳，加工对象为油茶鲜果，无需摊晒，节省了摊晒空间和摊晒时间，极大地提高了作业效率。

多通道高速刨削式破殼机工作时，经过分选直径在一定范围的果实均匀地进入振动料斗，油茶果经由振动料斗到输送腔内，保证油茶果连贯地输送到压料滚筒凹槽内，并保证凹槽内油茶果的唯一性，自动掉入到两拨片之间形成的凹槽内。当压料滚筒转动时，油茶果沿输送腔自动地输送到物料通道上，并沿通道继续向前运动一段距离后，在物料通道顶盖的作用下离开压料滚筒。在驱动齿轮对的驱动下，推进滚筒随着压料滚筒转动，其上的推杆自行插入两个刀杆之间，接力推进滚筒，持续推动果实沿物料通道向前移动至压刨刀处。在压刨刀的按压下，果实两侧翼和顶部果壳分别被刀杆上的环形刀片和压刨刀的刀片切除，果壳在压刨刀和推杆的挤压下自行散开，内部籽粒和果壳分离。果实破壳过程在不损伤内部茶籽的情况下顺利完成。

1.2 多通道高速刨削式油茶果破壳机性能参数

如图1所示，油茶果掉入压料滚筒，随后推进滚筒接力完成破壳。为简化计算，取推进滚筒每转半圈在一个破壳通道有一个果子发生破壳，多通道刀片刨削式油茶果破壳机的作业速度

根据实际测量，一颗油茶果的质量约为20 g（直径30～35 mm），取0.02 kg/颗，共计5个破壳通道，推进滚筒转速取360 r/h；为防止堵塞，采用间歇式给料，给料效率取0.5，即可算得作业速度为360 kg/h。

多通道高速刨削式油茶果破壳机的主要性能参数如表1所示。

2 关键部件的设计

2.1 破壳装置的设计

破壳装置主要由刀杆和压刨刀两部分组成（图2）。 两相邻刀杆构成一个油茶果通道，作为油茶果的前进路线，到达设定位置时在刀杆上刀片和压刨刀的作用下完成破壳。

2.1.1 刀杆的设计 刀杆主要由刀轴和刀片两部分组成（图3）。刀片呈环形，与轴方向垂直安装，刀刃呈45°，左端略高于右端，两翼不利于破壳工作的被去掉。在推进滚筒上方，两相邻排列的刀杆构成一条弧形槽状破壳通道（破壳通道的作用是输送、卡持和切削油茶果），两相邻刀杆间距离可对应不同直径范围油茶果。推进滚筒的推杆介于两刀杆之间，其顶端位于弧形通道上方。

2.1.2 压刨刀的设计 压刨刀主要由刀头、导杆、刀柄组成（图4）。刨削刀杆主体为勾形扁平长条，下端为轴承，焊接在轴上，与机架上的限位装置配合能够进行一定角度的旋转，并在刀杆背部焊有导杆，用以配合压力弹簧。当油茶果受推进滚筒推杆的推力在破壳通道上往压刨刀方向水平移动时，油茶果首先接触到压刨刀刀头部分的刀片，进入卡持状态，推杆持续给予油茶果作用力，推力经油茶果传递至压刨刀，随后压刨刀开始转动，油茶果与第三层刀片接触，压力弹簧受反作用力使得油茶果与压刨刀始终保持接触状态。若此时油茶果硬度较小会发生破壳；若油茶果硬度较大，压刨刀继续转动直至限位角度，油茶果受推杆推力在刀片上被强制发生破壳。因选择的油茶果的直径是一个范围值（30～35 mm），若压刨刀固定，直径过大的油茶果发生多次破壳，会出现碎籽的情况。单次破壳作业完成后，压刨刀受弹簧的压力归位。限位装置主要由内六角圆柱螺钉以及限位板组成，其作用为限制压刨刀的旋转角度，保证刀头部分能与油茶果进行充分破壳，不会使硬度较大的果子溜走。刀杆前端与刀杆背部呈120°。破壳时刨削刀后仰，考虑到破壳时的稳定性，后仰角度不能过大，设计刀杆背部长度为270 mm，刀杆尾端长度为70 mm。

刀头由刀座和刀片组成（图4）。刀座与水平面呈30°，三层刀片依次垂直嵌入刀座，刀片呈弧形，便于对油茶果上半部分的刨削作业，刀片中部镂空便于推杆及时清理刨削油茶果的剩余残渣，三层刀片依次对应着不同直径的油茶果刨削，保证在预选范围内的油茶果得到充分破壳。

2.2 滚筒对的设计

油茶果进入凹形卡槽后，在传动过程中，左方压料拨片推着油茶果在物料通道前行，于交汇处完成压料滚筒凹形卡槽和推料滚筒凸形推杆的切换（每个凹槽对应一个凸杆），自此推进滚筒凸杆推动油茶果前行（图6）。

2.2.1 压料滚筒的设计 压料滚筒主要由中空滚筒、阶梯轴、环形挡板和凹形压料拨片组成（图7）。凹形压料拨片在滚筒上均匀分布，两凹形压料拨片与两相邻环形侧板形成一个物料卡槽，压料滚筒配合前端装置完成油茶果的单颗入槽。为了保证物料在卡槽中有足够的空间且只容纳单颗油茶果，两压料拨片端面的垂直距离应大于范围类油茶果最大颗粒直径，又小于范围类两倍油茶果最小颗粒直径。两压料拨片外端面的垂直距离

式中：R为范围内油茶果最小半径，mm；L为两压料拨片外端面垂直距离，mm；n为拨片数量；D为压料滚筒外径，mm。

2.2.2 推进滚筒的设计 推进滚筒主要由中空滚筒、阶梯轴、凸形推杆组成（图8）。推进滚筒起两个作用：一是接力从压料滚筒出来的油茶果，使其继续在刀杆形成的导轨通道移动；二是在环形刀片以及压刨刀片切入油茶果时提供作用力。推杆外端为凸形，既保证与凹形槽片交接时的稳定性，又方便刨削后清理油茶果残渣。

为了满足油茶果在压料滚筒和推进滚筒上的切换，设计两滚筒为上下结构，为满足空间结构，将两滚筒错开一定角度。压料滚筒中心位于刀杆左侧第一个环形刀片处，且压料滚筒上方推杆做圆周运动时经过压刨刀前端刀片。

3 试验与分析

3.1 试验实例

试验场地为湖北省咸宁市通山县的黄袍山国家油茶果产业示范园。

完整的破壳流程分为刨削破壳—碾压分离。经滚筒筛将直径为30～35mm的果实挑选出来，每次试验取定量油茶鲜果，先进行刨削破壳，得到果壳、油茶果整籽、碎籽（图9左）及果料（图9右），挑选出未完全破壳的果料，经二次碾压处理得到果壳、油茶果整籽、碎籽。其物料分类见表2。

以脱壳率和碎籽率为技术指标评价试验效果，其计算公式如下：

3.2 结果分析

3.2.1 推进滚筒转速对破壳效果的影响 采用多通道高速刨削式油茶果破壳机试验，以推进滚筒转速为研究对象，保证料斗倾角为20°，油茶果为鲜果（摊晒天数为0），通过调整推进滚筒转速的大小进行试验，试验结果如图10所示。推进滚筒转速逐渐增大，脱壳率也逐渐上升。当推进滚筒转速为100 r/min时，脱壳率达80.27%，同时碎籽率先减小后增大，这是因为推进滚筒转速太低时，转矩不足，遇到包裹力大的油茶果会造成短暂性卡顿，导致破壳不均匀，碎籽率较高；推进滚筒转速过高时，转矩过大，使得推杆给油茶果的推力过大，刀片切入油茶果表皮过深，使得碎籽率增大。

3.2.2 摊晒天数对破壳效果的影响 采用完整的脱壳工艺（刨削破壳＋碾压分离）加工摊晒时间不同的油茶果。料斗倾角为20°，推进滚筒转速为80 r/min，试验结果如图11所示。随着摊晒天数的增加，脱壳率也不断增加，最后稳定在99.7%，整体增幅不大；同时碎籽率也不断增大，最后仍不足1%，整体上试验各指标与摊晒天数呈微弱的正相关性。在摊晒天数为1 d时与整体趋势相悖，这是因为摊晒1 d的油茶果水分下降，包裹力减小，部分油茶果会微微开口露出籽来却又不完全露出来，使破壳条件更加完善，其后随着摊晒天数增加，油茶果开口越大，更容易使得籽接触到刀片，且果实更加畸形，碎籽率也不断增大。

试验表明，多通道高速刨削式油茶果破壳机适用于加工未摊晒的油茶鲜果，在合适的加工条件下，脱壳率超过99%，碎籽率小于1%。

4 结论

1）以刨削原理为基础，设计一种适用加工新鲜油茶果的破壳机，对其原理和特点进行了分析，对关键部件进行了设计。

2）以脱壳率和碎籽率为试验技术指标，分别将推进滚筒转速和摊晒天数作为试验因素进行脱壳试验，得到了各试验因素对试验技术指标的影响规律。

3）在合适的加工条件下，采用完整的脱壳工艺（刨削破壳＋碾压分离）进行破壳试验，脱壳率超过99%，碎籽率小于1%。以刨削原理为基础，适用加工新鲜油茶果的破壳机，对其原理和特点进行了分析，对关键部件进行了设计。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 彭阳生，奚如春.油茶栽培及茶子油制取[M].北京：金盾出版社， 2010.

[2] 张超英.谈我国油茶产业的发展[J].国家林业局管理干部學院学报，2013，12（01）：21-24.

[3] 邢朝宏，李进伟，金青哲，等.我国油茶籽的综合利用[J].粮油食品科技，2011，19（04）：13-16.

[4] 李朵姣，孔向军，方顺忠. 茶籽高效增值开发利用研究进展[J]. 中国保健营养（下旬刊），2014（04）：2382.

[5] 王瑞元.特种油脂的营养价值[J].粮油加工与食品机械，2004（01）：9-10.

[6] 陈礼东，胡淑珍，任嘉嘉，等.油茶果脱蒲分离机研究现状[J].农业工程，2020，10（08）：68-75.

[7] 王焱清，马君，熊韧.多通道气动刨削式油茶果破壳机设计[J].湖北农业科学，2018，57（12）：100-105.

[8] 陈礼东，胡淑珍，姚占斌，等.切割式油茶果脱蒲机设计与试验[J].农业工程，2021，11（05）：80-85.

[9] 兰峰，苏子昊，邹和东.油茶果脱蒲清选技术进展[J].南方林业科学，2020，48（04）：46-51.

[10]朱广飞，任嘉嘉，王振，等.油茶果脱壳机的设计与工作参数优化[J].农业工程学报，2016，32（07）：19-27.

[11]李新金，兰峰，苏子昊.油茶果脱壳清选机国内研究现状及成套加工工艺初探[J].南方农机，2014（06）：5-8.

[12]黄凤洪，李文林，夏伏建，等.油茶籽脱壳机的研制与应用[J].农业工程学报，2006（11）：147-151.

[13]蓝峰，崔勇，苏子昊，等.油茶果脱壳清选机的研制与试验[J].农业工程学报，2012，28（15）：33-39.

[14]唐湘，谢方平，李旭，等.油茶果脱壳装置设计及试验[J].湖南农业大学学报（自然科学版），2014，40（06）：665-668.

[15]肖静，李立君，杨蹈宇，等.抓夹式油茶果壳籽清选机设计与试验研究[J].农机化研究，2017，39（04）：93-97

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

[責任编校：张 众]