油茶果剥壳机设计说明书

JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY本 科 毕 业 设 计题目 油茶果剥壳机设计 学 院：姓 名：学 号：专 业：年 级：指导教师二 0 一四 年 五 月1摘 要摘要：通过对油茶果的特点进行分析，并根据其果壳为木质化的特点。油茶果脱壳机为柔性挤压，从而达到脱壳的目的，种子剥壳能力和技术要求符合本文提出的参数，通过验证试验样机能够满足实际生产的工艺及要求。关键词：油茶果；脱壳机；Pro/E；2AbstractAbstract: Based on the analysis of characteristics of Camellia oleiferafruit,and according to its nutlet lignification.when the fruit into hulling machine of the flexible extrusion,so as to achieve the purpose of shell,seed duction capacity and technical parameters of Camelliaoleiferahulling machine proposed in this paper,through the verification test prototype can satisfy the actual production process and requirements.Keywords:Camellia oleifera fruit;hulling machine;pro/e3目 录摘 要 .1Abstract.21 引言 .42 油茶果的特性及剥壳试验 .42.1 油茶果的特性 .42.2 油茶果的剥壳试验 .63 剥壳机的主要结构和工作原理 .63.1 剥壳机的主要结构 .63.2 剥壳机的工作原理 .74 剥壳机的主要参数确定及主要结构设计 .74.1 动力机的选择 .74.2 剥壳杆的设计 .84.3 传动带的设计计算 .85 轴 .105.1 选择轴的材料 .105.2 轴的结构设计 .105.3 轴承选用 .115.4 轴上零件定位 11参考文献 .13致谢 .1441 引言油茶是一类只有在中国才能生长的木本油料植物，具有两千多年悠久的培育历史以及丰富的利用经验，并且其拥有较高的营养价值，因此油茶又被冠上了“东方橄榄油”的美好赞誉。根据相关资料的显示，目前，在中国大地上的油茶已经种植的面积大约有300万平方米，每年收获的油茶籽产量大约有100多万吨左右，每年生产的茶油总量能达到26万吨，产值约110亿元。油茶种植的主要分布区域是在我国长江流域及其以南的14个省、市、区，当中以江西、广西、湖南这三个省为主要的种植区域，三省总种植面积大约占到了全国总种植面积的76.2%。其中又以江西省为主，该省现在有油茶林种植面积约为76万平方米，面积和产量均已位列至全国第二。油茶果是由果壳和茶籽组成的，茶籽是由茶籽壳和茶仁组成的，果壳中不含有油脂，富含有木质素、多缩戊糖、鞣质和皂素等等，果壳对加工油脂会不利，所以必须要进行脱壳处理。目前油茶鲜果脱壳大多数是纯手工方式的，首先将鲜果采摘后一般先堆35天，完成茶果的后熟过程，并且有利于油茶蒲的开裂，然后再摊晒脱籽。这对大规模的油茶种植并不适用，而近年大量丰产油茶基地的建设，油茶产量在逐年大幅增加，油茶鲜果大量集中采摘上市，纯手工的方式完全不能应付呈几何增长的油茶产量，但是由于缺乏脱壳清选机械，脱壳环节将成为众多油脂加工企业、油茶种植大户原料处理的首大难题。近些年来，国家政府表现出了对油茶产业的高度重视，出台了一系列相关的扶持油茶生产的优惠补贴政策，这给油茶产业带来了巨大的发展商机。但是油茶果脱壳的技术和机器的研究在国内却都是最近两年才刚刚起步，并且清选技术因为研究难度大更是处于一片空白当中，查阅相关资料了解到国内目前只有专利201020194564报道了一种油茶果剥壳机。该机器主要的剥壳结构是采用由一圈螺纹钢条焊接而成的内外笼式的机构，并且在该内外笼之间形成一个进料端大、出料端小的类似锥形的剥壳腔，油茶果在该内外笼之间将受到搓挤而致使果皮破碎，内笼的内外壁设有导料输送螺旋叶片机构，该叶片是用来输送挤入的茶籽。锥形剥壳室的间隙则需要根据要进行处理的油茶果大小来进行相关调整的，因此使用起来并不是非常方便。此外，由于该设计的相邻螺纹钢条之间间隙大于油茶果果皮剥壳分离之后碎果的外径，而油茶果有大径也有小径，碎果外径和茶籽外径也都是大小不一，碎果和茶籽都有一定的可能会被挤入内笼，同样碎果和茶籽也有一定的可能会被挤入外笼，所以该原理及其结构并不是能够很好的来进行清选果壳和茶籽。此外一些诸如福建的锥栗、浙江的板栗、两广的龙眼等一些坚果脱壳的技术的研究就有比较多的相关报道，例如广西亚热带作物研究所在2008年所成功研制的DGT-A/B型多功能干果脱壳机，就能很好的适用于诸如板栗、油茶、核桃、澳洲坚果等类型干果的脱壳，但是主要用于澳洲坚果的脱壳，并且也没有果壳与籽粒的清选设备，而是采用人工来进行清选。所以不能够大规模的推广开来使用。而另外一款由樊涛等研制的油茶果脱壳机，虽然脱壳率比较高，但是果仁却很容易被挤碎，并且同样的没有清选的功能，该机采用2个挤压辊进行挤压的原理将果壳进行挤裂。所以也不能很好的进行推广给广大的茶农所使用。综上，目前油茶果脱壳、果壳和茶籽清选组合的技术及其机械尚处于一片空白，市场迫切希望能有一种既能有效的对油茶果进行脱壳，并且又能将果壳和茶籽进行清选的组合机械出现。52 油茶果的特性及剥壳试验2.1 油茶果的特性 2.1.1 形状一般来说，成熟的油茶果都是不规则圆形或者椭圆形，大小不一，小的直径为2023mm，大的能达到4550mm，质量为15.4317.95g，除去外形之外，其它性状都存在着非常明显的差异。茶籽外形呈现出多边圆形或着棱形，果实丰满并且厚实；裂开的果壳形似小树叶状，两头有类似的尖角，但是厚薄并不均匀，油茶果靠近树枝的根部比较薄，只有23mm，而顶部则比较厚，有45mm。油茶果最显著的生物特性是：新鲜果较硬，富含较高的水分，壳与茶籽间距为00.2mm，果壳包裹着籽比较紧密，而中间有一层薄薄的隔膜，茶果在摊晒后35天会从顶部自动裂开，但是根部还是连在一起，形如花瓣状，用纯手工就很容易剥开，茶果的该特性适于采用挤压、揉搓法来脱壳，并且这些数据也为脱壳和清选的设计提供了很好的依据。图鲜茶果仁尺寸图2.1.2 水分茶果的收获时间可以按品种分为在每年的10月中旬至11月初，刚刚采摘下来的茶果富含较高的水分：果壳的平均含水率能达到72.23%，茶籽为43.6%，果仁为55.59%。茶果摊晒后35天会自动开裂，这时水分会开始慢慢的挥发。茶果含水率对处理量影响较大，刚刚采摘下来的未开裂的茶果会比较紧密，在脱壳室内受到脱壳杆更强烈的撞击和挤压、揉搓，需要消耗更长的时间，所以处理量会受到很大影响，而随着茶果开裂，含水率也会下降，此时，茶果在脱壳室内只要受到脱壳杆轻微的撞击和相互揉搓，籽粒便会迅速与果壳分离开来，快速穿过筛孔，从而提高了效率。但是含水率进一步降低对处理量影响不大。2.1.3 密度为了找寻最佳的果壳与籽清选方法，用“针压法”和“排水法”测定了鲜果、壳与籽粒的密度，数据见表1。从表1中可知，刚刚采摘下来的油茶果的壳与籽粒的密度相差并不是很大，而且都不相同，这和参考文献里报道的油茶籽的生物学特性是相同的。表1 果、壳、籽的密度Table 1 Density of camellia oleifera fruit, shell and seedgcm-36序号果壳籽粒1 0.952 0.891 0.9972 0.941 0.843 0.9793 0.946 0.812 1.0174 0.975 0.821 1.071平均值0.954 0.842 1.0162.1.4 压力试验该试验采用了WEW-600微机液压万能试验机来测定刚刚采摘下来的油茶果受到压力开裂所需要的压力值，加载速度5mm/s，挑选直径小、中、大的茶果各4个，另外随机抽选2个大的茶果来进行测定，所测得的数据如下表2。表2 茶果受压开裂压力值Table 2 Stress rupture force of camellia oleifera fruit序号果壳厚度/mm 施压方向平均含水率/% 茶果外径/mm 压力值/N1 33.5 纵压55.59 2330 2762 35 纵压55.59 2330 2953 23 横压55.59 2330 3204 35 横压55.59 2330 4535 23 纵压55.59 3040 4406 33.5 纵压55.59 3040 3927 23 横压55.59 3040 4048 35 横压55.59 3040 4239 35 纵压55.59 4050 26710 35 纵压55.59 4050 41311 33.5 横压55.59 4050 44212 35 横压55.59 4050 80013 35 横压55.59 4050 52014 35 横压55.59 4050 541注：横压是指平行于茶果根顶连线方向进行施压，纵压是指垂直于茶果根顶连线方向进行施压，横、纵压果壳开裂都是指沿着纵向方向。从上表2可以看出，横压受到的力比纵压受到的力要大许多，最大值可以达到800N，这可以作为脱壳杆设计依据，因此表格中大的茶果所受到的横压比纵压多列了2组数据。2.2 油茶果的剥壳试验 根据茶果种子与果皮的物理特性区别，常用的脱壳机的结构大致可以分为以下几种类型：（1）间隙挤压式：这种类型的设备适用于果皮与果仁之间有一定的间隙并且种子大小比较均匀的种子来进行脱皮；（2）滚刀旋切式：这种类型的设备适用于果实体积较大的、内部只包含一粒呈圆形种籽并且种籽坚硬而不易破裂的种子来进行脱皮；（3）离心抛摔式：这种类型的设备适用于果皮坚硬、果仁坚韧性比较好的并且种子大小并不均匀的种子来进行脱皮；（4）自碾搓式：这种类型的设备是在压力的作用下使种子之间相互挤搓从而达到果皮脱离的目的。其适用于果皮比较脆而且果仁具有韧性的种子来进行脱皮；7（5）抽打搅拌式：这种类型的设备适合果皮很容易开裂或着已经开裂的，并且只需稍微施加外力辅助作用就可以对果实进行脱皮的种子。通过一些试验，可以得出方法二、三、四、五是产生机械钢性的冲击从而致使种皮产生破损的，而方法一是机械的柔性冲击，该冲击对种皮无破损。因此在此次机械设计中，决定采用机械柔性挤压的方法来进行油茶鲜果剥壳。3 剥壳机的主要结构和工作原理3.1 剥壳机的主要结构油茶果剥壳机采用了立式的设计，该机主要是由进料斗、挤压轴、挤压滚筒、橡胶层、机座、电机、皮带轮组、三角带组成的。 为了保证剥壳率能达到99%以上，因此大果球需要挤压至少3次以上，小的果球则要挤压2次以上。并且为了保证籽皮不会破损，设计时是采用柔性挤压。果球在机器内是采用自由落体下落的，挤压轴采用的是三棱式锥体设计。图 1 总体结构三维图3.2 剥壳机的工作原理 油茶果球是通过进料斗进入到挤压筒中和挤压轴的间隙之中，然后再由电机通过皮带轮带动挤压轴进行旋转，挤压轴上的三棱角通过旋转撞击油茶果在挤压8筒的压力下，油茶果球受到了反作用力而破裂，然后在两到三次反复作用下达到果壳与茶籽分离落下的目的。4 剥壳机的主要参数确定及主要机构设计4.1 动力机的选择电机的参数如下:750W/220V电流24A、转速1500转/min（选配给500W/380V电机或着是两冲程汽油机LY52;2.4马力） 。 4.2 剥壳机构的设计4.2.1 剥壳杆总成剥壳杆是剥壳机的主要工作部件，它主要是一根三棱式椎体挤压轴。图 2 剥壳杆三维图4.2.2 滚筒的设计根据之前对油茶果性状进行的各种分析，了解到油茶果仁不能受到太大的挤压力，因此对滚筒的材料进行要求，为了满足柔性挤压而又降低成本降低重量的要求，所以挤压筒选用2mm的钢板，并且在表面附着上一层10mm橡胶层来避免被挤压致使果仁破碎。为了保证果仁能在滚筒内受到充分的挤压而是果仁与果壳分离，滚筒长度采用900mm。4.2.3 筛孔的直径9最后是果皮和果仁的筛选装置，首先在滚筒下半边圆孔筛的筛孔直径的选定依据：该尺寸应该比茶籽的最大几何尺寸大12mm，在大量测量了野生和园艺种植油茶的品种之后，测得最大籽粒的几何尺寸一般都在1826mm左右，因此取筛孔的直径为 25。筛孔的直径必须要选得适合，如果过大的话，必然会使脱净率降低，如果过小的话，那么会使已经脱壳了的籽粒不能够及时的通过筛孔而继续停留在滚筒内受到撞击、挤压和揉搓而破碎，从而造成了不必要的浪费。接下来在机座上设有一层带有筛孔的板子进行二次分离，从而达到较高的清选机率。 4.3 传动带的设计计算4.3.1 已知条件及设计内容已知：电动机的额定功率 P小带轮的转速 n1=1440r/min传动比取 i=2(推荐值 i-25,传动比小时带轮包角大传动不易打滑）皮带日工作 10 小时，载荷变动较大。4.3.2 设计步骤和方法计算功率 Pca 是根据传递的功率 P 和传动带的工作条件而设定的Pca=KAP式中：Pca计算功率KA工况系数，取 KA=1.5.见文献【2】表 8-7P传递额定功率将已知的数据带入公式得到：Pca=1.5X7.5=11.25KW（2）选择 V 带的带型根据计算功率 Pca 和小带轮的转速，从文献【2】表 8-11 选取 B 型号普通 V 带的带型。 （d1=125140mm)（3）确定带轮的基准直径 dd 并验算带式 v1 )参考文献【2】表 8-6 和表 8-8 初选小带轮直径 dd1=125mm.2)验算带速：根据公式 v=nd/60X10009.42m/s 故符合条件，因此取之3）就算大带轮的基准直径 dd2dd2=idd1=2X125=250mm 从文献【2】表 8-8 中可知：250mm 属于 B 型V 带轮基准直径系列中的标准值，故取之(4）确定中心距 a 及 V 带的基准长度 Ld1)根据带传动总体尺寸的限制条件和要求，结合公式初定中心距 a010（dd2-dd1）=90 故符合条件。（6）确定带的根数Z=Pca/Pt=KaP/(P+P0)KaKL依次查表可得各数据，P0为单根皮带的基本额定功率，由 B 型带i=2,n1=1440r/min,查表8-4b 并计算得出 P0=0.4568KW 最后得出Z=4.967 圆整后取 Z=5(7)确定带的初拉力 F0单根 V 带所需的最小初拉力根据公式（F0）min=500(2.5-Ka)Pca/Kazv+qv2q 为传动带单位长度质量，B 型取0.18Kg/m,代入数据得（F0）min=210N.对于新安装的 V 带，初拉力为1.5（F0）min，对于运转后的 V 带。初拉力为1.3（F0）min取 F0=1.5（F0）min=315N（8）计算带传动的压力轴 Fp计算压力轴公式 Fp=2zF0sin1/2=2X5X315Xsin162.1/2=3111.6N4.3.3 传动带轮的设计（1）带轮的材料：带轮常用的材料为灰铸铁。当带速 v25m/s,采用 HT150;带速 v=2530m/s 时采用 HT200;当转速较高时可以采用铸铁或用钢板冲压后焊接而成。此外，传递功率小的可以采用铸铝或塑料。本次设计 v=9.42m/s,所以带轮材料采用 HT150。（2）带轮的结构形式本次设计中，小带轮采用孔板式，大带轮采用孔板式。11图 4 带轮三维图5.1 轴5.1.1 选择轴的材料选择轴的材料为 45 号钢，经过调制处理之后，其机械性能由机械设计表 6-1 查得： ， ， ， ；650bMPa360sPa130MPa15Pa查表机械设计6-4， 。1b 初步计算轴径按机械设计 P370 式 15-2 其中：p 为输入功率、n 为轴的转速。30minAd考虑到轴端装轴端挡圈需开键槽，将其轴径增 4%5%，故取轴的直径为100mm。5.1.2 轴的结构设计按工作要求，轴上所支承的零件主要有轴套、键、轴端挡圈以及滚动轴承。根据轴上零件的定位、加工要求以及不同的零件装配方案，参考轴的结构设计的基本要求，可确定轴的各段尺寸，可以得出轴的结构。5.1.3 轴承选用1） 轴承选型考虑驱动轴在的较大弯矩作用下会产生弯曲变形，深沟球轴承装在轴上后，在轴承的轴向游隙范围内，可限制轴两个方向的轴向位移，承受径向载荷，也可同时承受径向载荷和轴向载荷。基本参数如表 5-1。表 5-1 轴承 6216 基本参数基本尺寸 /mm 额定载荷 /kN12d D B rCor80 140 26 71.5 54.2考虑整机是立式摆放的，所以需要一个圆锥滚子轴承承受以径向载荷为主的径向与轴向联合载荷。基本参数如表 5-2。表 5-2 轴承 32220 基本参数基本尺寸 /mm 额定载荷 /kNd D B rCor100 180 46 340 5202) 轴的强度校核按弯扭合成应力校核轴的强度，进行校核时，已知 T=713.8Nm，取 。 6.0轴的计算应力为：抗弯截面系数 )105(.1.03-min3dW。MpaTMca 53.176/8.728/)( 292 前方已选定材料为 40Cr 钢，调质处理， ，因 ，故安全。c3）轴承的寿命计算轴承主要承受径向载荷，轴向载荷很小并可以忽略中等冲击。其当量动载荷为：kNFfPRp 54.1602.51式中： 载荷系数，中等冲击取 1.21.8。pf其寿命为：hPCnLrh 230)54.168(.7)(167/0式中： 轴承的寿命指数，滚子轴承 =10/3。 故驱动轴轴承的工作寿命为 24362 小时。5.1.4 轴上零件的定位实心轴与大带轮的连接采用平键连接，根据机械设计手册表 5-2-1 普通平键的型式和尺寸见以下, 键槽用键槽铣刀加工。键选平键键：8732 （GB/T 1096-2003）13平键的校核 根据 4pTMPadhlT 转矩， ；Nmd 轴的直径， ；h 键的高度， ； 键的工作长度， ；l由机械设计手册表 3.1 查得 。304