碾壓式油茶籽脫殼裝置設計及仿真分析

熊平原，王 毅，許信仟，薛淼杰，張浩新，李澤林，胡文欽

(仲愷農業工程學院 機電工程學院，廣州 510225)

0 引言

油茶是我國特有的木本油料，廣泛種植于長江以南地區，提取的油脂具有豐富的營養價值，被譽為“東方橄欖油”[1-2]。茶油的主要提取來源為油茶籽，油茶籽又可破解為籽仁和籽殼。其中，籽殼含油量極低，帶殼榨油，不但不能從殼中榨出油，反而會被殼纖維吸走部分油脂，降低了出油率，同時堅硬的籽殼還會增加榨油機械的磨損[3-4]。傳統油茶籽脫殼采用人工堆曬的方法，工作效率低，勞動強度大，如遇南方梅雨天氣會導致油茶籽發霉、變質。因此，機械化脫殼是促進油茶產業發展和提高茶油品質的必然選擇。

油茶的主產區在我國，其它地區僅東南亞有少量種植，因此國外對油茶籽脫殼技術的報道較少，但對堅果和谷類物料脫殼方法和裝置研究較多。Gupta R.K等[5]采用離心力脫殼法，設計出一套葵花籽脫殼裝置，通過正交試驗得到了最佳工作參數，脫殼率可達80%。Katsuru H等[6]研制出一種花生脫殼機，通過更換凹板篩來調節脫殼間隙，能適應不同品種的花生脫殼作業。日本佐竹公司[7]生產出一臺HU10FT 型膠輥礱谷機，能夠實現無脈沖振動喂料，全程自動化控制，脫殼率較高。藍峰[8]等利用擠壓揉搓原理研發出一種油茶果脫殼機，主要脫殼結構是3根脫殼桿，脫殼桿呈一定扭轉角度和傾斜角度安裝且回轉半徑不同；黃鳳洪等[9]等設計出一種滾筒式油茶果脫殼裝置，果體受到兩個輥筒上不同類型筋的相互擠壓揉搓而破碎，達到脫殼效果。熊平原等[10-11]研制出一種3層振動篩式油茶青果脫殼篩分一體機，脫殼效率達95%。

目前，國內對油茶青果脫殼設備研制較多，而對油茶籽的脫殼方案仍處在探索階段。為此，在已有物料脫殼方法基礎上，結合油茶籽生物學特性，設計出一套輕巧型油茶籽脫殼裝置，并構建其三維實體模型，對油茶籽運動軌跡及破殼力進行仿真分析，通過樣機試驗驗證方案的可行性。

1 脫殼裝置整體結構

通過試驗發現，油茶籽一般呈三角形或菱形狀，單顆油茶籽體積范圍為0.5～2.45cm3，油茶籽之間存在較大的體積差異，如圖1(a)所示。油茶籽殼體較薄，平均厚度僅0.5mm[見圖1(b)]，且和籽仁之間貼合不緊密，存在一定間隙，當油茶籽被晾曬或者水分流失嚴重時尤為明顯，間隙平均值可達3mm。

為提高脫殼效率，借鑒已有脫殼方法，油茶籽可采用碾壓式破殼，減少對籽仁的損傷。同時，為適應南方山區環境，機具應結構小巧、功耗低。碾壓式油茶籽脫殼裝置主要由動力源、傳動系統、脫殼機構及其它輔件組成，如圖2所示。

工作原理如下：油茶籽從入料斗進入脫殼箱，在脫殼箱內高速旋轉的輥軸連同壓筋將油茶籽卷入弧形篩網；弧形篩網由許多相鄰的篩條組成，篩條間隙小于油茶籽尺寸，茶籽在壓筋和篩條的相互擠壓作用下破裂成籽殼和籽仁，隨后從篩條間隙落料，在出料口處被收集。

圖1 油茶籽特性

1.入料斗 2.輥軸 3.壓筋 4.篩網 5.脫殼箱 6.出料口 7.機架 8.電機 9.防護罩 10.皮帶傳動

2 關鍵零部件設計

2.1 輥軸結構設計

輥軸是脫殼裝置的核心部件，由1根階梯轉動軸及其在圓柱面上焊接的8條壓筋和1條螺旋板組合而成，如圖3所示。壓筋用于撥動油茶籽運動，且與篩網形成擠壓腔，其直徑不宜設計過小或過大。如直徑過小，則壓筋與油茶籽的擠壓接觸面小，接觸不穩，油茶籽會打轉，破殼效果差；如直徑過大，則會擠傷到籽仁，導致破損率升高，同時減小了有效破殼空間，增加了轉動體質量，提高了功率消耗。壓筋直徑應略大于油茶籽仁尺寸為宜，故取為12mm。結合轉動軸總體尺寸，壓筋長度分為80、220、260、270mm等4種規格。螺旋板實為導料機構，將入料斗中的油茶籽有序喂入脫殼腔中，防止堵塞及卡死現象。螺旋板采用3mm鈑金鋼條，旋轉角度為315°，右旋，徑向寬度為21mm，軸向長度為70mm。

圖3 輥軸結構

2.2 轉動軸尺寸計算

轉動軸是輥軸的基體，為階梯實心軸，材料為Q235鋼。在脫殼過程中，轉動軸是受力的主體零件，其最小軸徑dmin應滿足扭轉強度約束條件，即

(1)

式中P—軸所傳遞的功率(kW)；

n—軸的轉速(r/min)；

[τT]—許用扭轉切應力(MPa)。

同時，由于作用在轉動軸徑向上的合力較大，最小軸徑dmin也應滿足抗彎強度約束條件，即

(2)

式中Mca—當量彎矩(N·mm)；

[σ-1]b—脈動循環狀態下的許用應力(MPa)。

轉動軸按階梯劃分為A、B、C、D、E、F等6段，如圖4所示。A段軸徑最小，裝配皮帶輪，且含有鍵槽，其直徑應在最小軸徑dmin的基礎上加大5%，取d1=25mm，L1=43.5mm。B、F段安裝軸承，與軸承內圈過盈配合，采用6006-2Z型深溝球軸承，故d2=d6=30mm，L6=39.5mm。為避免軸承與皮帶輪靠得太近，B段適當加長，L2=46mm。C、E段無配合關系，用于形成軸肩及傳遞扭矩，d3=d5=35mm，長度由機架和脫殼箱的總體尺寸確定，L3=56mm，L5=105mm。D段是轉動軸的重要部位，與壓筋、螺旋板組成油茶籽脫殼的執行部件，其軸徑決定了脫殼作業面積和脫殼效率，由文獻[12]得，d4=130mm，L4=435mm。

圖4 轉動軸結構

2.3 篩網結構設計

篩網由2個側板和20根等距篩條焊接而成，呈弧形結構，焊接要求牢固，無焊接缺陷，篩條中間裝配一個弧形筋，以加強網篩的強度，如圖5所示。篩條間距應大于油茶籽仁尺寸而小于油茶籽尺寸，可取為18mm。脫殼時，篩網與輥軸配合使用，篩條與輥軸壓筋之間的距離需小于或等于油茶籽殼的最小尺寸，才能保證破殼徹底。依據輥軸結構參數，確定篩網的弧形半徑為87.5mm，長度應比輥軸長一些，取總長為454mm。

圖5 篩網結構

2.4 入料斗結構設計

入料斗采用倒梯臺設計，下端設置一個較小的入料口，如圖6所示。在裝配時，入料口在輥軸螺旋板的上方，因此入料斗只有一側能喂入油茶籽，通過兩塊調節板來控制喂入量。入料斗采用灰鑄鐵焊接而成，在尺寸和配合上無特殊要求。

圖6 入料斗結構

3 仿真分析及樣機試驗

3.1 模型建立

用三維軟件SolidWords建立油茶籽脫殼裝置三維模型。為了便于仿真、減少約束，并且根據研究的內容和目的，模型中只保留油茶籽脫殼裝置的執行機構(即輥軸和篩網)及進料機構，其他無需研究和不影響仿真效果的零件被省略，同時省略了軸承、螺栓、螺母和墊圈等仿真無關標準件，用于仿真分析的油茶籽簡化為圓形幾何體。將建好的模型導出為Parasolid格式，裝配關系要保證正確，零件不要有干涉，然后將其導入到ADAMS中，完成SolidWords和ADAMS之間的圖形數據轉換，導入后的模型如圖7所示。定義坐標軸如下：Z軸正方向平行于輥軸中心線向左，Y軸正方向垂直向上，X軸正方向垂直與輥軸中心線向前。

圖7 ADAMS仿真模型

3.2 仿真結果分析

側板和篩條均采用45鋼，密度為7 800kg/m3；油茶籽直徑為22mm，密度為560kg/m3。油茶籽與零件的接觸參數設置為：接觸剛度1×105N/mm，剛度貢獻指數2.2，阻尼系數10，全阻尼穿透值0.3mm。定義輥軸轉速為600r/min，仿真時間為2s。油茶籽在Z向、X向的運動軌跡及所受力值變化如圖8所示。

圖8 油茶籽運動軌跡及力值變化

由圖8(a)可知：油茶籽在0.2～0.6s內軸向位移量直線上升，后基本保持不變。該段時間內，油茶籽與螺旋板接觸，在螺旋板的推動作用下，油茶籽沿輥軸軸向平穩移動。這表明，螺旋板具有很好的疏導油茶籽的作用，能夠使油茶籽在軸向均勻分布，防止油茶籽擁堵在入料口。

由圖8(b)可知：油茶籽在X向的運動軌跡呈周期性變化。油茶籽在輥軸壓筋的帶動下，隨著輥軸在篩網內轉動，大概旋轉3個周期后被壓破，從出料口下落。

由圖8(c)可知：油茶籽在1.26s時受到極值力作用，此時油茶籽殼被壓破。該極值力約為88.1N，與油茶籽破殼實驗結果相符[12]，表明仿真模型的可靠性。

3.3 樣機試驗

實物樣機如圖9所示。試驗于2016年11月在仲愷農業工程學院農業工程研究所進行，油茶籽選用產自廣東省梅州地區的“湘林210”品種。樣機試驗過程為：將油茶籽曬干至籽殼含水率為25%，剔除爛籽、破籽和尺寸過小的籽，將80kg油茶籽一次性喂入脫殼機入料斗內，調整輥軸轉速為400r/min，進行脫殼作業；從出料口收集仁、殼混合物，分揀出完整籽仁、碎仁、未破殼的油茶籽。

圖9 試驗樣機

參照國標《JB/T5688.2-2007花生剝殼機試驗方法》，計算脫殼率和碎仁率。試驗重復進行3次，得到平均脫殼率為95.62%，平均碎仁率為1.35%，如表1所示。樣機試驗表明：脫殼裝置設計方案可行，運行穩定，提高了油茶籽脫殼率，降低了碎仁率。

脫殼率計算公式為

(3)

式中W—脫殼后混合物總量(kg)；

W3—未破殼或半破殼油茶籽量(kg)。

碎仁率計算公式為

(4)

式中W1—完整籽仁量(kg)；

W2—碎仁量(kg)。

表1 試驗結果

4 結論

1)參考已有物料脫殼方法，結合油茶籽生物學特性，設計出一套輕巧型碾壓式油茶籽脫殼裝置，并對關鍵零部件結構尺寸進行計算。

2)仿真結果表明：螺旋板具有很好疏導油茶籽的作用，能夠使油茶籽在軸向均勻分布，防止堵塞。油茶籽在輥軸壓筋的驅動下，隨輥軸在篩網內轉動，壓破后從出料口下落。油茶籽破殼力約為88.1N。

3)樣機試驗表明：脫殼裝置設計方案可行，運行穩定，含水率為25%的油茶籽脫殼率高達95.62%，碎仁率降低為1.35%。