康 地，陳澤君，李 陽，康四清

油茶為我國特有的木本食用油料樹種，與油橄欖、油棕、 椰子并稱為世界四大木本油料植物，與烏桕、油桐和核桃并稱為我國四大木本油料植物［1］。油茶果由果殼（皮）和茶籽組成，茶籽由茶籽殼和茶仁組成，果殼不含油脂，含木質素、多縮戊糖、鞣質和皂素等，對加工油脂不利，須作脫殼處理［2］。近年來隨著大量豐產油茶基地的建設，油茶產量逐年大幅增加，鮮果屆時大量集中采摘上市。目前油茶鮮果處理多為純人工方式，將鮮果采取堆漚、翻曬、手工剝殼及分選［3］，所需時間長且勞動強度大、場地大。油茶鮮果剝殼技術和設備的研究近期才剛起步，加工時沒有對油茶果進行大小分類，而是混合加工［4-15］。油茶果由于自然、品種、撫育等因素造成油茶果尺寸大小不一，形狀各異；部分大果的籽比小果的尺寸大，同時小果含獨籽的概率高；這些因素導致油茶果機械處理過程中破損率高、凈度低，加大了油茶果處理成本，加之南方 10-12 月多陰冷天氣，導致破損的茶果和油茶籽易霉變、易腐爛、油脂酸敗，嚴重影響產品質量。該研究根據油茶果尺寸分布情況，采用滾筒篩對油茶果進行非等差分級，再進行后續(xù)環(huán)節(jié)加工，有效降低了破損率、提高了剝殼率和凈度。

1 油茶果材料收集

油茶果收集于祁東縣城連墟鄉(xiāng)龍家亭村，祁東縣奇林油茶科技有限公司，為 6～8 年生良種油茶林湘林 1 號、湘林 15 號、茶陵二仙 15 號、茶陵二仙 343、華碩等品種。共調查收集油茶果 1 443 個。

2 油茶果尺寸分布模型擬合

油茶果橫徑范圍為 18～48 mm，變動幅度大，平均 29.4 mm，標準差 5.32 mm。主要分布在果實橫徑為 22～38 mm 之間，占總數(shù)的 90.37%。內含獨籽的油茶果范圍主要集中在 26 mm 以下。

油茶果按 1 mm 間距把所有的油茶果果實分成 31 組。各組油茶果果實所占總數(shù)的百分比分布進行正態(tài)分布擬合（見圖 1），呈現(xiàn)油茶果數(shù)量 N 從油茶果橫徑 d 關系，擬合模型如下：

圖1 不同果實橫徑數(shù)量分布Fig.1Number of different fruit diameter at the equatorial section

3 滾筒篩設計

3.1 設計原理

滾筒篩設計為喂入口高而末端低，分為若干級，每級上分布不同尺寸的長方孔，各級的長方孔尺寸不同。從物料喂入口至最后出口，后組長方孔尺寸比前組大，小于第一組長方孔尺寸的油茶果從第一組掉出為第一級別進入后續(xù)處理環(huán)節(jié)，以下依次類推。這種分級效率較高，目前廣泛應用于食品分級領域，由于橫徑在 26 mm 以下的油茶果含獨籽概率高，而獨籽在剝殼處理中極易破損，因此滾筒篩篩孔尺寸在 26 mm 以下的分級極差較小。為了保證設備的處理能力，篩孔尺寸在 26 mm 以上的分級極差較大。

工作時，油茶果由喂入口進入篩筒內，沿著旋轉篩筒的內壁上升。當上升至一定高度后落下。如此反復，逐步向篩筒另一端的出口移動。在這一過程中，小于篩孔的物料通過篩孔漏出；大于篩孔的油茶果隨著篩筒轉動被帶到篩筒的下一級，從而完成分選作業(yè)。總體機構如圖 3 所示。

圖2 滾筒式分級機Fig.2 Roller-type classifier

3.2 滾筒篩分級設計

考慮到油茶果尺寸范圍、后續(xù)處理需求，將滾筒篩的分級定為 6 級，各級的篩網的寬度 Li與各級下篩的油茶果數(shù)量 Ni按如下公式設計：

在實際分級工作時，第一級主要篩分出泥土、石頭、樹葉、小樹枝等小雜，同時將物料打散。剩下各級將油茶果按規(guī)定尺寸分級。

3.3 滾筒篩篩孔設計

生產率 P生由以下公式計算：

式中：z 為滾筒篩上篩孔總數(shù)；P生為生產率；λ 為在同一秒內從篩孔中掉下物料的系數(shù)，因分級機型和物料性質不同而異，滾筒式可取 1.0%～2.5%；m 為物料的平均質量。根據生產率 P生可以計算出篩孔總數(shù) z。

滾筒篩篩網各級篩孔尺寸根據油茶果橫徑分布情況設計為：a1＝22 mm、a2＝24 mm、a3＝26 mm、a4＝29 mm、a5＝33 mm。油茶果經過第 5級篩網篩分后，不再經過篩網篩分而直接進入下一道加工環(huán)節(jié)。

3.4 篩面尺寸設計

當篩網總寬度 L總確定后，根據式（2）計算出各級篩網的寬度 Li，基于篩孔尺寸 ai，計算出各級篩網篩孔列數(shù)。根據篩孔總數(shù)計算出各級篩網每列的篩孔數(shù)，通過篩孔尺寸 bi，計算出各級篩網長 Bi；以 Bmax＝max{Bi} 計算出滾筒篩的半徑。

圖3 篩網展開Fig.3 Sieve screen expansion

3.5 滾筒篩轉速設計

滾筒篩轉速 n 直接影響篩分效果，同時也與滾筒篩半徑有密切關系，油茶果在滾筒中的受力情況如圖 4 所示：

圖4 油茶果受力情況Fig.4 Camellia oleifera fruit force situation

對滾筒中的油茶果作為質點 Q，它處于升角 β 時受重力 G 和離心力 Fc作用，則油茶果在滾筒篩上產生的摩擦力 Ff；當油茶果沿滾筒切線方向的重力分力 Gsinβ≤Ff 時油茶果與滾筒篩一起向上運動；當 Gsinβ≥Ff 時，即開始向下滑動，此時亦為油茶果位于滾筒內表面的最高點。因此當Gsinβ＝Ff 時，油茶果處于有效篩分的最高點。

式中：f0為油茶果與滾筒篩摩擦系數(shù)；m 為油茶果質量；g 為重力加速度；R 為滾筒篩內半徑；v 為油茶果 Q 運動的線速度；n 為滾筒篩轉速；φ 為摩擦角。

帶入 Gsinβ＝Ff 化簡得：

3.6 滾筒篩功率設計

油茶果滾筒篩采用中間軸式傳動，則功率 P功為：

式中：G1為滾筒自重；L 為滾筒長度；D 為滾筒直徑；ρ 為油茶果密度；κ 為油茶果在滾筒中的填充系數(shù)；η 為傳動效率。

3.7 滾筒篩設計

參數(shù)確定滾筒篩長為 2.2 m，直徑為 0.6 m；篩網級數(shù)為 6 級；轉速為 20 r/min；電機功率為0.75 kw。

油茶果處理成套裝備設計滾筒篩分為 6 級總長為 2.2 m。其他主要參數(shù)選取如下表：

計算得出滾筒篩半徑 R＝268.58 mm，便于設計取 300 mm；轉速 n 取（22.4 r/min～31.6 r/min），考慮滾筒篩有一定傾角 n ?。?0 r/min～27 r/min）；功率 P功＝0.586 kw，因此選用功率 0.75 kw 方便電機選型。

表1 主要參數(shù)Tab.1 Main parameters

4 討論

油茶果由于自然和人為因素造成油茶果尺寸范圍廣，部分大果的籽比小果的尺寸大；同時油茶果具有小果含獨籽的概率高，果殼厚而硬，籽殼薄而脆等特性。未分級的有油茶果在后續(xù)加工處理中剝殼率、破損率、凈度等指標難以保證。項目組設計的滾筒篩采用非等差分級技術，不僅保證小果加工處理效果，亦兼顧了大果的處理效率。滾筒篩分級機構結構簡單、工作平穩(wěn)、效率較高、物料機械損傷小，符合油茶果加工條件。設備于株洲豐科林業(yè)裝備科技有限責任公司進行生產實驗，滾筒篩如圖 5 所示：

圖5 滾筒篩實物Fig.5 The physical of Roller sieve

篩分油茶果過程中，油茶果具有初速度同時滾筒篩存在一定傾角，存在越級下篩現(xiàn)象，在篩網中安裝部分擋片則有效解決該問題，篩分效果良好。

根據湖南省 7～8 年生常見品種油茶果根據數(shù)量與橫徑的擬合模型進行滾筒篩相關參數(shù)設計：長為 2.2 m；直徑為 0.6 m；篩網級數(shù)為 6 級，各級長方形篩孔的寬度尺寸為：22 mm、24 mm、26 mm、29 mm、33 mm；轉速為 20 r/min；電機功率為 0.75 kw。經過生產加工實驗檢測，經分級后的油茶果處理加工效果顯著提高：剝殼率為99.3%、破碎率為 1.7%、凈度為 98.7%。此油茶果分級技術可為供油茶果處理成套設備提供參考。

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