孙小永，李 滨，潘荣晴，杨其双，袁晓雅，窦捷龙

（1.东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.东北林业大学信息与计算机工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040；3.东北林业大学奥林学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

近年来，茶油市场快速发展，社会对茶油的需求大幅增加，茶油及其相关行业迎来了更广阔的发展空间。油茶果的采摘以及采摘后的脱壳取籽、烘干或晒干都影响茶油的品质。传统的油茶果脱壳方法是摊晒茶果使果壳自动开裂，再由人工剥壳取籽，在此过程中，果壳不一定能完全破裂开，且整个过程费时、费力，效率低下，不利于实现规模化和产业化。为此本文设计了一种油茶果脱壳分选一体机。

1 研究现状及背景

我国油茶果脱壳设备的工作方式包括碾压、挤压、搓擦、剪切、撞击等。部分脱壳装置配有风选装置、齿辊结构和摩擦分选装置，用于分选脱壳后的物料。我国油茶果脱壳设备存在一些突出问题，如适应性差、破损率高、脱壳率低、自动化程度低，虽然种类多，但缺乏互换性和通用性，没有形成统一的标准和生产规范，还需进一步发展。

自2018年龙川绿油农业发展有限公司骆东梅发明油茶果自动剥粒装置到2020年广东康帝绿色生物科技有限公司彭程发明油茶果采摘筛选一体化装置[1]，我国在油茶果脱壳处理技术方面取得了一定的进展，但是与外国相比还存在一定差距。国内学者蓝峰、崔勇、苏子昊等研究了部分种类坚果的果壳含水量与脱壳效果之间的关系[2]，并通过大量实验得出结论，茶籽与油茶果壳的含水量多少会对脱壳效果造成影响[3]。研究发现，随着果壳含水率上升，油茶果与脱壳装置之间的摩擦减小，最大应力降低，脱壳的数量和质量都有了一定程度的下降[4]。基于对这些问题的研究与实验，国内外油茶果企业对脱壳分选机械装置有了新的研究思路和发展方向，即可以适当采用一些现代智能化的算法实现机器视觉技术检测[5]，根据油茶果颜色、纹理、几何形状多种图像特征的分选方法，进行油茶果的自动脱壳。排除人为主观因素的干扰，这些方法能有效提高油茶果脱壳效率，节省时间和人力资源。近年来，我国在设备机械化和自动化方面的研究越来越深入，研究和制造更多智能化的农用器械将更好地为我国的农业生产与发展作出贡献。

2 研发方案及结构设计

为了实现对油茶果的智能化分选，需要对不同的油茶果进行识别，设计研发方案，根据油茶果的物理特性和设计目标设定总体结构。本文设计的油茶果脱壳分选一体机主要由脱壳装置、分选装置和传动装置三大部分和机架等组成。脱壳装置主要完成脱壳和喂料工作，分选装置主要完成油茶果壳和油茶果籽的分离以及二者初步筛选分离的工作。油茶果脱壳分选一体机结构见第103页图1。

1）本文设计的油茶果脱壳分选一体机主要依靠特殊的脱壳分选装置来完成各项工作，该一体机结构相对简单、设计合理、工作效率高。如图1所示，在脱壳装置中，滚筒上凹槽的结构形式为油茶果向前运动和脱壳作业提供了推力和挤压力，使油茶果被压裂开。在螺旋叶片的带动下，从脱壳装置输送出的油茶果壳和油茶果籽不断分开，然后进行分选作业，小的油茶果籽从弧形筛网处落入出籽斗，大的油茶果壳在螺旋叶片推向力的作用下被送到出壳斗[6]。在此部分中，两部件之间的间隙是沿着油茶果的运动方向逐渐缩小的，因此该一体机可以适应不同粒径的油茶果。采用这样的结构形式与工作原理，不但避免了直接撞击易破损茶籽的问题，又能保证较高的脱壳率。

图1 油茶果脱壳分选一体机结构图

2）该一体机采用具有光线补偿的摄像头，以保证在不同光线条件下可获取高质量的图像信息。

3）该设计基于图像信息处理算法，通过主成分分析或模板匹配，可准确识别不同的油茶果形状。

4）在油茶果智能化分选之前，设置油茶果水分检测装置，对含水量过高、不易破壳的油茶果进行剔除作业，含水量合适后再进行破壳处理。

5）在油茶果智能化分选之后，设置油茶果破壳效果检测装置，以机器视觉对破壳作业后的油茶果进行形状、大小和颜色的识别，识别装置见图2。对于未破壳的、不完全破壳的油茶果进行剔除作业，等待进行二次破壳。

图2 视觉识别装置图

2.1 脱壳装置设计

脱壳分选一体机的核心部件是脱壳装置，该装置的主要作用是对油茶果进行挤压与摩擦，使果壳破损开裂，让油茶籽能够外露并与油茶果壳分离，其结构见图3。由图3可知，该装置用螺纹连接将栅板两端固定在机架上。经查阅资料得知，油茶果的直径近似为正态分布，其分布的中位数为35 mm，最大值为50 mm。因此滚筒上分布的凹槽结构大小设计为50～60 mm，弧形栅板与滚筒之间的工作间隙大小逐渐从60 mm收缩到25 mm。这样既能避免进入的油茶果出现重叠现象，又能够对油茶果进行高效的破壳。另外，工作间隙和凹槽间隙都可根据实际生产需要进行调整，以提高其适应性。

图3 脱壳装置结构图

2.2 分选装置设计

分选装置对正上方脱壳装置落下的物料进行进一步的搅动分离，将未被完全分离的籽和壳分开。分选装置主要由绞龙（螺旋输送）轴和弧形槽筛网组成，见图4。其工作原理为：绞龙轴上有按螺旋线规律盘旋的叶片，在传动装置的带动下与圆弧槽筛网配合使用。物料从脱壳装置落下，落入弧形槽筛网后受到螺旋叶片转动时的法向推力作用沿着筛网槽轴向运动。物料受到该推力的径向分力和叶片的摩擦力，但是物料本身有重力及筛网对物料也有摩擦力，因此物料不与螺旋叶片一起旋转。从脱壳装置落下的混合物料在叶片的带动下进一步分离，油茶籽落入出籽斗，大的油茶果壳也可在螺旋叶片推向力的作用下被送到出壳斗，实现油茶籽和油茶果的进一步分离和初步分选。

图4 分选装置结构图

2.3 传动装置设计

考虑到油茶果脱壳分选机的脱壳装置和分选装置传动比不同，脱壳装置的传动使用联轴器连接减速电机来提供，而分选装置的螺旋输送轴与电机之间的传动使用带轮与V带的传动方式来提供。

3 创新点及应用

油茶果脱壳分选一体机是在现有机械式分级系统基础上增加智能分级控制系统构建而成的。油茶果依次经过脱壳装置、分选装置、传动装置，使果壳与果籽彼此分离。改进的油茶果脱壳分选一体机具有结构紧凑、工作可靠、维修方便、操作容易、成本低等优点，可有效提高油茶果脱壳效率，节省时间和人力资源，并且具有一定的创新性：一是设计了对油茶果的破壳状况的检测，对于未破壳和不完全破壳的油茶果进行剔除作业，提高了成品的质量，减少了分拣过程中的人力投入；二是在破壳前进行水分检测，剔除含水量过高的油茶果，提高破壳的效率和质量，减少设备损耗和故障率；三是针对不同使用场合、不同特性的油茶果设计生产不同规格的设备，可以在实际应用中提高生产效率，减少生产成本。该装置可以用于大型油茶果生产加工基地的产品链初前端，也可以用于山区，便于运输，具有应用范围广、适应性强的优点。