一種油茶果脫殼裝置的設(shè)計與試驗

一種油茶果脫殼裝置的設(shè)計與試驗

油茶果實由果皮、果皮和種子組成。種仁主要成分為脂肪、淀粉、蛋白質(zhì)、皂素等,用來提煉茶油;果皮和種殼的主要成分為粗纖維,不含油脂,占整個鮮果的45%~65%。由于帶殼壓榨會帶走油分,影響出油率,對加工油脂不利,因此,油茶果加工利用前需作脫殼去皮處理。目前,油茶鮮果去皮主要采用人工方式,耗費大量人力、物力,效率低下,不能滿足油茶籽產(chǎn)業(yè)化的要求。機械代替人工去皮成為眾多油茶種植大戶、油脂加工企業(yè)的普遍要求。常見的機械脫殼方法包括撞擊法、剪切法、擠壓法、碾搓法、搓撕法。由于油茶機械加工起步較晚,還沒形成規(guī)范的采后處理技術(shù),油茶鮮果脫殼設(shè)備主要借鑒其他堅果類脫殼設(shè)備。與油茶果物理特性相近的澳洲堅果的脫殼普遍采用擠壓原理,利用壓板或螺旋桿壓破果殼,但容易損傷果仁。涂立新利用搓擦原理研究了一種油茶果剝殼機,采用螺紋鋼條焊成的內(nèi)外籠式剝殼裝置,茶果在內(nèi)外籠之間受搓擠實現(xiàn)剝殼。由于螺紋鋼條間隙不能調(diào)整,大于碎果外徑,另外油茶果大小不一,茶籽和碎果也有可能擠入外籠或內(nèi)籠,因此該裝置不能很好清選茶籽和果殼,對不同大小的油茶果適應(yīng)性較差。王建等采用剪切原理研究了一種油茶果剝殼機,利用刀片對茶果進行切割剝殼,剝殼速度較快,但果仁極易被刀片擠碎。樊濤等研制的油茶果脫皮機采用擠壓原理,將果殼擠裂去皮,脫殼效率較高,但對油茶果的大小的適應(yīng)性差,果仁容易被擠碎。藍(lán)峰等運用撞擊、擠壓和揉搓原理,研制了油茶果脫殼清選機,采用回轉(zhuǎn)半徑不同的脫殼桿,脫殼桿呈一定錐角和扭角,在滾筒里形成鍥形脫殼室進行撞擊、擠壓脫殼,能適應(yīng)不同大小的油茶果,脫殼效率較高,但只適合堆漚攤曬開裂茶果脫殼,且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,制作成本大。筆者對脫殼原理和脫殼機整體結(jié)構(gòu)加以改進,采用撞擊、搓擦原理進行脫殼,通過分析與試驗研究找出合理的工作參數(shù),保證了較高的脫殼率和較低的損傷率,并且能夠適應(yīng)含水率在60%以下的且不同大小的油茶鮮果脫殼。1提取油茶果實的設(shè)備設(shè)計1.1脫殼室及分離裝置設(shè)計油茶果脫殼裝置由喂料斗、脫殼裝置、動力傳輸部件、機架等構(gòu)成,總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。喂料裝置設(shè)置在脫殼裝置的上部,由料斗、喂料量調(diào)節(jié)板組成,用于調(diào)節(jié)喂料量。脫殼室包括上、下殼體、脫殼裝置。脫殼裝置由離心甩盤、齒圈等組成。甩盤呈錐缽狀,其上焊接有若干個螺旋葉片,并緊配合固接在輸出軸一端;齒圈固定在脫殼室殼體內(nèi);脫殼室下殼體與機架相連,內(nèi)設(shè)有分離裝置;機架裝有行走輪,可移動。1.2脫殼和城市脫殼工作原理油茶果脫殼在離心甩盤和齒圈之間的脫殼室內(nèi)進行。油茶果進入喂料斗后,由自身的重力作用形成薄層,落入脫殼室,在受到高速旋轉(zhuǎn)的離心甩盤葉片的打擊后,油茶果破裂,以產(chǎn)生較大的離心速度飛出,與脫殼室內(nèi)的齒圈撞擊搓擦,實現(xiàn)脫殼。1.3關(guān)鍵部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計1.3.1u3000葉片脫殼機離心甩盤上焊接有葉片,借助葉片撞擊力、摩擦力以及離心力的作用,將油茶果甩出,采用螺旋葉片能更好地甩出油茶果。參考其他物料脫殼機參數(shù),采用功率為2~3kW的調(diào)速電機,轉(zhuǎn)速控制在0~1200r/min;考慮到脫殼室的大小與產(chǎn)量的關(guān)系,離心甩盤的半徑取0.2m;考慮到油茶果實的直徑為20~50mm,螺旋葉片設(shè)置8片,且對稱排列(圖2)。1.3.2齒條間距設(shè)計油茶果被離心甩盤甩出后,與齒圈(圖3)撞擊搓擦。為加大撞擊力度,鋼圈上焊接齒條,考慮到加工成本,采取豎直方向布置,經(jīng)測定,茶果最大直徑為50mm,因而齒條間距設(shè)計為55mm,可防撞擊時卡住油茶果。2油茶果與脫殼元件沖擊解決轉(zhuǎn)速新鮮油茶果的含水率較高,可以近似看作塑性材料。脫殼元件與油茶果沖擊開始時產(chǎn)生彈性變形,當(dāng)最大沖擊力超過油茶果的屈服極限時,油茶果破裂,繼而脫殼。假設(shè)忽略沖擊過程中油茶果與脫殼元件之間的摩擦;沖擊變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于油茶果的尺寸;脫殼元件為齒條,其截面為平面,與油茶果發(fā)生正碰撞或?qū)π呐鲎?油茶果簡化為各向同性、均勻的球體,則油茶果與脫殼元件沖擊接觸如圖4所示。圖中,v為油茶果撞擊脫殼元件的速度,δ為油茶果的變形量。油茶果與脫殼元件撞擊時,設(shè)R0為油茶果的曲率半徑,E1和E2為脫殼元件和油茶果的彈性模量,μ1和μ2為脫殼元件和油茶果的泊松比。根據(jù)Hertz理論,圓球與平面接觸時,變形量δ為:由式(1)和(2)可知,油茶果與脫殼元件間最大沖擊力:由(3)式可知油茶果與脫殼元件撞擊前的相對速度為:油茶果飛離甩盤后,由于速度較大,甩盤與齒圈間距較小,可以看作與脫殼元件正面撞擊,茶果撞擊脫殼元件的速度近似為茶果的飛離速度。假設(shè)油茶果從甩盤最外端沿水平方向甩出,則飛離速度v=2πLn,式中:n為主軸轉(zhuǎn)速;L為離心甩盤的半徑。結(jié)合式(4)可得,油茶果與脫殼元件沖擊發(fā)生破裂時,所需的甩盤轉(zhuǎn)速:可計算出使油茶果發(fā)生破裂所需的甩盤轉(zhuǎn)速。從式(3)、式(5)可看出,影響撞擊脫殼沖擊力的主要因素除與油茶果自身特性有關(guān)外,還和甩盤轉(zhuǎn)速和喂料量有關(guān)。3油茶果實皮下剝皮試驗3.1長沙油茶果實驗成熟后的油茶鮮果呈球形,直徑為20~50mm,質(zhì)量15.35~20.86g。油茶籽豐滿厚實,質(zhì)量0.461~1.46g,存在明顯差異。新鮮果較硬,含水率高,果殼包裹著茶籽,油茶果采摘堆漚幾天后,果殼與茶籽間隙增大,容易開裂。2013年11月,選用長沙市場普通油茶果進行驗證試驗。該油菜果無堆漚攤曬,含水率65%以上,茶果最大直徑50mm,最小直徑20mm,完整、無蟲害。3.2試驗設(shè)計3.2.1脫殼率的測定根據(jù)生產(chǎn)實際要求,將脫殼率與茶籽破損率作為性能的主要評價指標(biāo)。脫殼率為脫殼后的茶果與喂入的油茶果總重的百分比。破損率為清選出的破碎和受損油茶籽與油茶籽總重的百分比。3.2.2降壓機轉(zhuǎn)速試驗選取甩盤轉(zhuǎn)速和喂料量作為影響因素,來評價脫殼機的工作特性,并初步確定工作參數(shù)。每組試驗3次,結(jié)果取其平均值。每次試驗樣本為5kg油茶果。通過調(diào)節(jié)調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速來控制脫殼時離心甩盤的速度,甩盤轉(zhuǎn)速應(yīng)大于油茶果脆性斷裂所需甩盤轉(zhuǎn)速的計算值。根據(jù)預(yù)備試驗情況,設(shè)置甩盤轉(zhuǎn)速分別為600、700、800、900、1000r/min,測定脫殼率和破損率;考慮到油茶果脫殼生產(chǎn)率的實際要求,設(shè)置喂料量分別為288、396、504、612、800kg/h,分別測定脫殼率和破損率。3.3結(jié)果與分析3.3.1轉(zhuǎn)速對油茶脫殼率和破損率的影響由圖5可知,當(dāng)甩盤轉(zhuǎn)速為600~700r/min時,隨著轉(zhuǎn)速的增大,脫殼率急劇增加;當(dāng)甩盤轉(zhuǎn)速為700~1000r/min時,隨著轉(zhuǎn)速增大,脫殼率未有明顯變化,但破損率隨之增大。因為轉(zhuǎn)速增大時,油茶果被甩盤甩出的速度增加,即與齒圈撞擊速度增大,撞擊力增加,油茶果的脫殼率和破損率隨之提高,速度增加到一定程度時,已經(jīng)滿足油茶果的破殼,同時也會增加油茶籽的破損,從而脫殼率沒有大幅增加,破損率則顯著增加。綜合考慮脫殼率和破損率,甩盤轉(zhuǎn)速在700r/min左右較理想。3.3.2脫殼室殘留物料量過由圖6可知,脫殼率隨著喂料量增大呈先增加后降低趨勢,尤其當(dāng)喂料量大于504kg/h時,脫殼率急劇下降,破損率整體變化則相對較小。原因在于喂料量較小時,脫殼室內(nèi)存留物料較少,莢果之間的擠壓阻滯作用小,果仁容易排出脫殼室,脫凈率低;隨著喂料量的增大,脫殼室存留物料量增加,莢果之間的擠壓摩擦作用逐漸增大,在一