油茶果脫殼與清選關(guān)鍵技術(shù)及工藝研究

劉 浩， 王焱清, 袁 博

(1 湖北工業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機械研究設(shè)計院， 湖北 武漢 430068； 2 武漢城市職業(yè)學(xué)院， 湖北 武漢 430064)

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油茶果脫殼與清選關(guān)鍵技術(shù)及工藝研究

劉 浩1， 王焱清1, 袁 博2

(1 湖北工業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機械研究設(shè)計院， 湖北 武漢 430068； 2 武漢城市職業(yè)學(xué)院， 湖北 武漢 430064)

為了找出一種適合油茶果的無損傷脫殼、清選方法，通過實驗分析油茶果相關(guān)特性，據(jù)此對油茶果采取分級初選、碾壓式脫殼。通過間隙可調(diào)式格柵結(jié)構(gòu)完成對油茶果的初次篩選，控制加工油茶果的體積。采用脫殼機構(gòu)碾壓輪與底板之間的間隙對油茶果進行碾壓脫殼，脫殼間隙可調(diào)，以滿足油茶果按大小、分批次加工的需要。利用油茶果果皮與茶籽顏色的差異，通過CCD工業(yè)線陣相機與圖像處理控制系統(tǒng)完成對果皮與茶籽的清選分離。實驗結(jié)果表明：將油茶果攤曬1 d，待果皮含水率普遍達到15.2%以下，整果脫殼成功率可以達到99.6%以上。此時籽中含皮率為95.3%，皮中含籽率為95.8%。

無損； 顏色清選； 脫殼理論

油茶(Camellia oleifera Abel)，是我國特有的食用油料植物，有兩千余年的栽培和利用歷史。目前，我國油茶面積約有300萬公頃，油茶籽年產(chǎn)量100萬t左右，年產(chǎn)茶油約26萬t，產(chǎn)值約110億元。[1]油茶果主要分布在長江流域及其以南地區(qū)，其中江西、湖南、廣西三省(區(qū))占到全國總面積的76．2%。茶油是一種非常健康的食用油，其不飽和油酸含量達到78%，高于大部分橄欖油。市面上的油茶果處理加工設(shè)備并不多，主要是以剝殼設(shè)備為主。由于油茶果體積差異較大，導(dǎo)致市面上的油茶果剝殼機脫殼率與果粒破損率都比較大，實際應(yīng)用推廣困難。

1 脫殼機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 脫殼理論分析

考慮同個油茶果的皮厚度接近，將其考慮為均勻厚度的薄球殼。對油茶果進行脫殼時，果殼受外力作用，產(chǎn)生兩類薄膜應(yīng)力Nφ、Nθ，彎曲力矩Mφ、Mθ及橫向剪力Qφ。

在遠離外力集中點的區(qū)域，此時果皮受到彎矩很小，可以忽略[2]。采用無矩理論[3]計算，內(nèi)力總和與外力P相等，即

圖1 果殼受力情況

圖2 薄膜應(yīng)力及橫向剪力 圖3 彎曲力矩

而在外力集中點的區(qū)域，此時果皮受到的較大彎矩作用，需根據(jù)彎矩理論進行計算。

(1)

(2)

(3)

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(6)

(7)

(8)

攤曬后的油茶果果殼在受力過程中塑性變形很小，所以將泊松比u值取為0，代入式(1)～(8)計算可得

Mφ=Mθ=-

Qφ=-

根據(jù)計算結(jié)果，當(dāng)油茶果受到應(yīng)力集中的作用時，薄膜力Nθ、Nφ在集中力處最大，在遠離應(yīng)力集中的最大圓截面處最小，兩者相差系數(shù)

取油茶果平均半徑r=12mm，平均厚度h=1.4mm，代入可得C=11.654，在實際工況中，外力并非作用在油茶果的一個點上，Mφ、Mθ、Qφ并非計算結(jié)果趨于無窮大，而是實際工況中是一個很大的值。因此，當(dāng)油茶果受到應(yīng)力集中作用時，在應(yīng)力集中處首先產(chǎn)生破裂裂紋，且隨著外力p增大而破裂。 農(nóng)作物脫殼通常采用擠壓、撞擊、剪切、碾壓等施加外力方式來進行脫殼。

根據(jù)斷裂理論，交變應(yīng)力有利于裂紋的產(chǎn)生與擴展。結(jié)合前述計算結(jié)果，設(shè)計碾壓滾輪的脫殼結(jié)構(gòu)來對油茶果進行脫殼處理。

1.2 脫殼機結(jié)構(gòu)特點及工作原理

考慮到采摘下來的茶果體積差異較大，大小并不規(guī)則，一顆采摘下的油茶果樹果子，小果圍徑在15～18mm之間，而大果圍徑在35～42mm之間。為此設(shè)計了分級機構(gòu)對油茶果進行處理(圖4)，該分級機構(gòu)采用的是間隙可調(diào)式格柵結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)格柵之間的間距來控制所進入的油茶果大小，對油茶果按大小進行分批次的脫殼處理，后續(xù)的碾壓機構(gòu)以及振動篩篩網(wǎng)都設(shè)計有可調(diào)功能與之配套，有效提高了脫殼效果。

1-機架; 2-變速電機; 3-皮帶傳動; 4-料斗;

如圖5所示，油茶果進入料斗后達到格柵分級機構(gòu)，小于格柵間隙的茶果將漏過格柵從出料斗中落出，等待下一批次的加工。符合大小的油茶果將通過格柵傳送至脫殼機構(gòu)，脫殼機構(gòu)底板為傾斜式設(shè)計，油茶果由于自身重力作用進入碾壓輪，在碾壓作用下脫殼。為防止油茶果在碾壓輪內(nèi)堵塞，碾壓輪上設(shè)計有4個光滑凸起部，對碾壓輪下的茶果具有很好的推送作用。

圖5 脫殼機構(gòu)示意圖

脫殼過后的菜籽與果皮落入振動篩進行初次清選處理(圖6)，振動篩采用偏心輪機構(gòu)來完成拋發(fā)運動，電動機主軸O通過偏心輪A點帶動三層振動篩結(jié)構(gòu)。通過實驗統(tǒng)計，可分離出70%左右的果皮和茶籽。

圖6 振動篩結(jié)構(gòu)示意圖

2 茶籽與果皮分離工藝

菜籽與果皮的分離一直是油茶果采后處理的難點。目前，油茶果的菜籽與果皮分離技術(shù)尚處于起步階段，也未見相關(guān)應(yīng)用推廣的報道。

除篩選技術(shù)之外，筆者對傳統(tǒng)農(nóng)作物清選較常采用的風(fēng)選技術(shù)進行過實驗，由于果皮與菜籽的平均密度較為接近，風(fēng)選效果非常一般。

油茶果果皮隨著成熟程度不同呈現(xiàn)出淡黃、綠色、青色、紅褐色與菜籽的黑紫色形成明顯的差異。受此啟發(fā)，將色選工藝應(yīng)用到菜籽與果皮的二次精選之中。 圖7為茶籽與果皮分離工藝試驗樣機。經(jīng)過碾壓脫殼的果皮與茶籽混合物通過振動給料器落入色選通道，在進入通道的同時CCD鏡頭會拍下果皮和茶籽的圖像，然后傳送給控制系統(tǒng)處理，控制系統(tǒng)根據(jù)果皮與茶籽顏色差異得出不同的處理結(jié)果，最后反饋給電機來控制撥片的方向，達到茶籽與果皮分離的目的。

1-機架; 2-振動給料器; 3-電機與撥片;

3 油茶果脫殼與清選技術(shù)試驗

3.1 試驗材料

三元實業(yè)有限公司基地油茶果

3.2 試驗方法

首先測量果皮含水率對脫殼效果的影響。對采摘下來的油茶果進行分批處理，通過實驗電爐對其進行加熱處理，每批次加熱時間不同使其果皮含水率呈現(xiàn)梯度分布，最后投入脫殼機構(gòu)檢驗其脫殼率。

式中：wT為果皮與茶籽完全分離后的質(zhì)量之和，wZ為果皮與茶籽未完全分離后的質(zhì)量之和。

測試碾壓滾輪轉(zhuǎn)速對脫殼效果的影響。將采摘的油茶果分5個批次投入脫殼機構(gòu)進行脫殼，每個批次投入油茶果質(zhì)量相等，轉(zhuǎn)速依次提高。

測試攤曬時間與清選率的關(guān)系。將剛采摘下來的油茶果用脫殼機構(gòu)進行脫殼處理(少量未脫殼的油茶果清理出來),處理后的果皮與茶籽混合物進行分批攤曬處理，每批次的果皮與茶籽混合物質(zhì)量相等，攤曬時間不同，達到設(shè)計攤曬時間后，將油茶果果皮與茶籽混合物投入清選系統(tǒng)，檢驗其清選率。

清選率1為茶籽清選成功率，其中w1為清選后茶籽個數(shù)，w2為清選后茶籽與果皮的總數(shù)；清選率2為果皮清選成功率，其中w3為清選后果皮個數(shù)，w4為清選后果皮與茶籽的總數(shù)。

3.3 油茶果果皮含水率對脫殼效果影響

油茶果脫殼過程中，果皮的含水率起著非常重要的作用。傳統(tǒng)的油茶果采后處理會對油茶果進行堆漚、攤曬來促其開裂，整個周期往往達到一周以上，但長時間的堆漚、攤曬降低了生產(chǎn)效率，對場地的要求也比較高。本試驗對油茶果進行分類加熱處理，對加熱時間的不同得到不同的果皮含水率進行比較，得到合適脫殼機脫殼的果皮含水率。

從圖8中可以看出，隨著果皮含水率的下降，油茶果通過脫殼裝置達到果殼分離的成功率越高。當(dāng)果皮含水率達到15.2%時，脫殼成功率高達99.6%。

圖8 果皮含水率對脫殼率的影響

3.4 碾壓滾輪轉(zhuǎn)速對脫殼效果影響

脫殼機構(gòu)中的碾壓滾輪作為脫殼過程中對油茶果的主要施力機構(gòu)，對整個脫殼效果也有不小影響。將果皮含水率為15.2%油茶果投入脫殼機構(gòu)進行脫殼，碾壓滾輪轉(zhuǎn)速逐漸增大，其脫殼效果如圖9所示。隨著碾壓滾輪的轉(zhuǎn)速增加，油茶果的脫殼成功率也逐漸上升，當(dāng)碾壓滾輪轉(zhuǎn)速超過220r/min時，油茶果脫殼成功率高達99.8%，但轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加脫殼率并沒有隨之增加。

圖9 碾壓滾輪轉(zhuǎn)速對脫殼效果的影響

3.5 攤曬時間對清選效果影響

油茶果采摘下來后，在攤曬過程中果皮顏色也會發(fā)生變化，這會對采用色選工藝進行果皮與茶籽清選分離的效果有一定影響。將采摘下來的油茶果立即進行脫殼處理，脫殼處理后的果皮與茶籽的混合物分類進行攤曬處理，根據(jù)攤曬時間的不同來比較最終果皮與茶籽的清選分離效果。

如圖10所示，隨著攤曬時間的增加，油茶果果皮顏色受光照影響逐漸加深，色選機清選成功率逐漸下降。攤曬1d的成功率最高，此時清選率1為95.3%，清選率2為95.8%，果皮含水率經(jīng)過測量普遍達到15.2%以下，整果脫殼成功率可以達到99.6%以上。

圖10 攤曬時間對清選效果的影響

[1] 國家林業(yè)局 . 全國茶油產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2009-2020)[EB/OL].[2012-05-17]http://wenku.baidu.com/view/aaa8d6d649649b6648d74736.html.

[2]S鐵摩辛柯.薄殼理論[M].本書翻譯組，譯.北京：科學(xué)出版社,1977:48-15.

[3] 吳子岳.核桃剝殼機的理論分析與試驗研究[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1996,19：96-100.

[4] 藍 峰.油茶果脫殼清選機的研制與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012,28：33-39.

[5] 張 麟.油茶籽脫殼與仁殼分離設(shè)備試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2004,20：140-142.

[責(zé)任編校： 張 眾]

On the Key Technology and Process of Shelling and Cleaning of Camellia Fruit

LIU Hao1，WANG Yanqing1， YUAN Bo2

(1ResearchandDesignInstituteofAgriculturalMechanicalEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China;2WuhanCityVocationalCollege,Wuhan430064,China)

In order to find out a suitable nondestructive fruit shelling and cleaning method, the research, based on the related features of experimental analysis of camellia fruit, graded and shelled camellia fruit through rolled shelling technology. It finished the first step of selection using a gap adjusting grating structure, and controlled the camellia fruit processing volume. It crushed shells of camellia using the gap between the rolling wheel and the bottom. The shelling gap is adjustable to meet the processing needs of camellia fruit by size and batch. It finished the sorting of the skin and tea seed using the difference between fruit peel and the seed color by a CCD industrial front camera and image processing control system. The experimental results show that after the fruit was tedded for a day and the skin moisture was generally below 15.2%, the whole fruit shelling success rate can reach above 99.6%. By this time the rate of seed containing skin is 95.3%, and the rate of skin containing seed is 95.8%.

nondestructive； color sorting； shelling theory

2014-09-22

劉 浩(1986-)， 男， 湖北武漢人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向為機械設(shè)計

1003-4684(2015)01-0065-04

S233.75

A