卵形體質(zhì)量和材質(zhì)對大小頭自動定向運動的影響

孫 柯 姜 松 朱紅力 徐 斌

SUN Ke 1 JIANG Song 1 ZHU Hong－li 2 XU Bin 1

（1.江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

（1.School of Food and Biological Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China；2.School of the Environment and Safety Engineering，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China）

在禽蛋大小頭自動定向處理中，實現(xiàn)自動定向的關(guān)鍵運動是禽蛋在輸送輥上的軸向運動和翻轉(zhuǎn)運動［1］，其中軸向運動是通過禽蛋與輸送輥之間組成的摩擦輪傳動關(guān)系實現(xiàn)的［2］，翻轉(zhuǎn)運動是通過禽蛋與輸送輥和導(dǎo)向桿之間組成的凸輪傳動關(guān)系實現(xiàn)的［3］。這兩種運動即定向運動的核心是禽蛋與輸送輥之間的摩擦作用，而禽蛋的質(zhì)量和材質(zhì)是影響禽蛋與輸送輥之間摩擦作用的主要因素。

目前，禽蛋大小頭自動定向的分析主要集中在定向運動的機理、不同禽蛋的運動規(guī)律分析和定向裝置不同工作參數(shù)對禽蛋運動的影響［4，5］，以及禽蛋在輸送輥上靜態(tài)和動態(tài)姿態(tài)及其參數(shù)的分析［6］。在這些文獻的試驗研究中所有的試樣都是禽蛋。但由于禽蛋表面覆蓋有不同的蛋白質(zhì)保護膜［7］，禽蛋內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和不均勻性，質(zhì)量、蛋形和蛋殼表面狀況的離散性，導(dǎo)致禽蛋定向試驗結(jié)果誤差比較大，不能充分反映禽蛋質(zhì)量和表面狀況對軸向運動和翻轉(zhuǎn)運動的影響，而禽蛋和非禽蛋卵形體的質(zhì)量、表面狀況等對定向運動參數(shù)的影響是卵形體定向技術(shù)的應(yīng)用研究和定向裝置開發(fā)的基礎(chǔ)。目前其相關(guān)研究未見文獻報道。

本研究擬利用與禽蛋尺寸相近的塑料和鋁質(zhì)卵形體，探究塑料和鋁質(zhì)卵形體定向運動的規(guī)律以及質(zhì)量和材質(zhì)對卵形體軸向運動和翻轉(zhuǎn)運動的影響，并與禽蛋作比較分析，為卵形體大小頭自動定向技術(shù)的應(yīng)用和裝置的開發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與設(shè)備

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗材料

3 枚形狀和材質(zhì)相同的塑料空心卵形體，購于北京陸陸美術(shù)用品店。分別用大米、大米—鋼珠混合物和鋼珠對3枚塑料卵形體緊密填充，制作成不同質(zhì)量的3枚同形狀塑料卵形體A、B和C，3枚塑料卵形體長軸均為59.5 mm，短軸均為45.7 mm，質(zhì)量分別為64.9，156.9，284.6 g，用文獻［8］的方法進行估算，其密度分別約為0.998，2.410，4.380 g／cm3。

鋁質(zhì)卵形體，用數(shù)控機床加工制成，長軸為59.7 mm，短軸為41.4 mm，蛋形角（長軸中點處禽蛋輪廓與長軸的夾角［9］）為8°，質(zhì)量為145.0 g，其密度約為2.75 g／cm3。

鴨蛋和洋雞蛋各1枚，鴨蛋長短軸和質(zhì)量分別為63.2 mm，45.5 mm 和72.6 g，其密度約為1.06 g／cm3；洋雞蛋長短軸和質(zhì)量分別為57.2 mm，45.1 mm和63.9 g，其密度約為1.05 g／cm3。購于江蘇大學(xué)凱源旅游超市，表面清潔無裂紋。

1.1.2 試驗設(shè)備

禽蛋大小頭定向運動綜合試驗臺：江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院自制（圖1）；

電子數(shù)顯游標卡尺：G101－103－101型，0～150 mm，分辨率0.02 mm，上海量具刃具廠；

物性 儀：TA.XT.Plus 型，英 國 Stable Micro System公司；

摩擦系數(shù)測定輔助裝置，江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院自制；

電子天平：TE612－L型，賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；

不銹鋼直尺：最小刻度1 mm，市售。

1.2 試驗方法

圖1 禽蛋定向運動綜合試驗臺Figure 1 Test device of orientation motions of eggs

1.2.1 卵形體定向運動過程的攝錄和圖像截取 在禽蛋定向運動綜合試驗臺的輸送輥旁放置不銹鋼直尺，利用試驗臺的攝錄系統(tǒng)分別將各條件下卵形體在試驗臺上進行軸向運動和翻轉(zhuǎn)運動的過程錄制為視頻。軸向運動拍攝方向為卵形體正上方，用QQ影音v3.7每隔0.5 s截取拍攝視頻中的圖像；翻轉(zhuǎn)運動拍攝方向為卵形體正上方和輸送輥軸線方向，每隔1／24 s截取拍攝視頻中的圖像。

1.2.2 軸向運動參數(shù)的測定 參照文獻［10］的軸向運動參數(shù)測定方法，對卵形體軸向運動的水平偏轉(zhuǎn)角和軸向位移進行測定。

1.2.3 翻轉(zhuǎn)運動參數(shù)的測定

（1）翻滾距離的測定：用 Adobe Photoshop v12.0讀取由卵形體正上方拍攝的翻轉(zhuǎn)運動視頻所截取的翻轉(zhuǎn)運動起始狀態(tài)（卵形體未翻轉(zhuǎn)）和完成狀態(tài)（卵形體完成翻轉(zhuǎn)）的圖像。用Adobe Photoshop v12.0中的度量工具在起始狀態(tài)和完成狀態(tài)圖像中作與卵形體小頭端相切的垂線并延長至標尺的刻度線，讀取標尺上的刻度值。設(shè)起始狀態(tài)和完成狀態(tài)對應(yīng)的刻度值分別為S1和S2，則翻滾距離

式中：

S——翻滾距離，mm；

S2——完成狀態(tài)對應(yīng)的刻度值，mm；

S1——起始狀態(tài)對應(yīng)的刻度值，mm。

（2）導(dǎo)向桿作用距離測定：用 Adobe Photoshop v12.0讀取從卵形體正上方拍攝的翻轉(zhuǎn)運動視頻所截取的翻轉(zhuǎn)運動起始狀態(tài)和臨界狀態(tài)（卵形體長軸垂直于輸送輥軸線）的圖像，用 Adobe Photoshop v12.0中的度量工具在起始狀態(tài)和臨界狀態(tài)圖像中分別作與卵形體小頭端相切的垂線和過導(dǎo)向桿與卵形體接觸點的垂線，并延長至標尺的刻度線，讀取標尺上的刻度值。設(shè)臨界狀態(tài)對應(yīng)的刻度值為S3，則導(dǎo)向桿作用距離

式中：

X——導(dǎo)向桿作用距離，mm；

S3——臨界狀態(tài)對應(yīng)的刻度值，mm。

（3）側(cè)偏角的測定：用Adobe Photoshop軟件讀取由輸送輥軸線方向拍攝的翻轉(zhuǎn)運動視頻所截取的翻轉(zhuǎn)運動臨界狀態(tài)的圖像，用Adobe Photoshop軟件中的度量工具作出圖像中卵形體的長軸線，并從軟件中讀取所作長軸線與水平方向的夾角α，則側(cè)偏角

式中：

β——側(cè)偏角，°；

α——禽蛋長軸線與水平方向的夾角，°。

1.2.4 不同質(zhì)量卵形體定向運動參數(shù)的測定 利用禽蛋定向運動綜合試驗臺對3枚不同質(zhì)量的塑料卵形體進行軸向運動和翻轉(zhuǎn)運動試驗并測量運動參數(shù)，試驗條件為輸送輥材質(zhì)尼龍，輸送輥直徑Φ40 mm，輸送輥間距10 mm，輸送輥轉(zhuǎn)速和輸送速度70 mm／s，導(dǎo)向桿彎曲角度30°。每組軸向運動試驗平行3次，取平均值；每組翻轉(zhuǎn)運動試驗平行5次，取平均值。

1.2.5 不同材質(zhì)卵形體定向運動參數(shù)的測定 利用禽蛋定向運動綜合試驗臺對塑料卵形體B、鋁質(zhì)卵形體、洋雞蛋和鴨蛋分別進行軸向運動和翻轉(zhuǎn)運動試驗并測量運動參數(shù)，試驗條件為輸送輥直徑Φ40 mm，輸送輥間距10 mm，輸送輥轉(zhuǎn)速和輸送輥輸送速度70 mm／s，導(dǎo)向桿彎曲角度30°。每組軸向運動試驗平行3次，每組翻轉(zhuǎn)運動試驗平行5次。

1.2.6 卵形體與輸送輥間靜摩擦系數(shù)的測定 摩擦系數(shù)測定輔助裝置放置于物性儀臺架上，輸送輥固定于測定裝置上，待測卵形體放置于輸送輥上，再將一根尼龍線的一端粘貼在待測卵形體小頭端點，另一端越過定滑輪連接在物性儀探頭上，如圖2所示。測量條件為輸送輥直徑Φ40 mm，輸送輥間距0 mm，輸送輥材料為尼龍。利用物性儀拉伸試驗。測試模式為 Return to start，測前速度為1 mm／s，測試速度為0.5 mm／s，測后速度為10 mm／s，測試距離為50 mm，觸發(fā)力為0.05 N。平行5次測量卵形體開始移動時的拉力，設(shè)其平均值為F。再用電子天平測量卵形體的質(zhì)量m。則靜摩擦系數(shù)

式中：

η——靜摩擦系數(shù)；

F——卵形體開始移動時的物性儀探頭的拉力，N；

m——卵形體質(zhì)量，g；

g——重力加速度，mm／s2。

圖2 摩擦系數(shù)測定輔助裝置Figure 2 Measurement device of friction coefficient

2 結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量對塑料卵形體定向運動的影響

2.1.1 質(zhì)量對塑料卵形體軸向運動的影響 由圖3可知，塑料卵形體A、B和C的水平偏轉(zhuǎn)角和單位時間軸向位移差異不明顯，這與文獻［2］的軸向運動位移主要取決于輸送輥的線速度、水平偏轉(zhuǎn)角和卵形體與輸送輥接觸狀況有關(guān)的分析吻合；此外，其軸向運動規(guī)律與禽蛋相似［2］。

圖3 質(zhì)量對塑料卵形體軸向運動的影響Figure 3 Effects of mass on axial motions of plastic ovoids

2.1.2 質(zhì)量對卵形體翻轉(zhuǎn)運動的影響 由圖4可知，塑料卵形體A、B和C翻轉(zhuǎn)運動的翻滾距離、導(dǎo)向桿作用距離差異不明顯，這與文獻［3］的禽蛋翻滾距離和導(dǎo)向桿作用距離主要取決于長短軸長度的分析吻合；而塑料卵形體的側(cè)偏角隨著質(zhì)量的增加而增大。卵形體翻轉(zhuǎn)運動時，其傳動關(guān)系為無定軸的凸輪傳動［3］，質(zhì)量較大的卵形體翻轉(zhuǎn)運動時由于運動阻力比較大，導(dǎo)致側(cè)偏角偏大。

圖4 質(zhì)量對塑料卵形體翻轉(zhuǎn)運動的影響Figure 4 Effects of mass on turnover motions of plastic ovoids

2.2 材質(zhì)對卵形體定向運動的影響

2.2.1 不同材質(zhì)卵形體與輸送輥間靜摩擦系數(shù) 所測定不同材質(zhì)卵形體與輸送輥間靜摩擦系數(shù)見表1。4種卵形體與尼龍輸送輥間靜摩擦系數(shù)大小順序為洋雞蛋＞塑料卵形體＞鋁質(zhì)卵形體，鴨蛋靜摩擦系數(shù)與洋雞蛋相近。

表1 不同材質(zhì)卵形體與輸送輥間靜摩擦系數(shù)Table 1 Static friction coefficients between different ovoids and nylon convey rollers

2.2.2 材質(zhì)對卵形體軸向運動的影響 由圖5可知，塑料和鋁質(zhì)卵形體在輸送輥上軸向運動的運動規(guī)律與禽蛋相似。軸向運動穩(wěn)定后洋雞蛋水平偏轉(zhuǎn)角較大，鋁質(zhì)卵形體較小，而鴨蛋穩(wěn)定后的水平偏轉(zhuǎn)角與塑料卵形體相近。4種卵形體單位時間軸向位移順序為洋雞蛋＞塑料卵形體＞鴨蛋＞鋁質(zhì)卵形體。

圖5 材質(zhì)對卵形體軸向運動的影響Figure 5 Effects of the materials on axial motion of ovoids

洋雞蛋、塑料卵形體和鋁質(zhì)卵形體水平偏轉(zhuǎn)角大小順序與這3種卵形體和輸送輥間靜摩擦系數(shù)的大小順序吻合。這表明靜摩擦系數(shù)是卵形體軸向運動水平偏轉(zhuǎn)角的重要影響因素。而鴨蛋輪廓與洋雞蛋、塑料卵形體和鋁質(zhì)卵形體輪廓不同，鴨蛋的輪廓更接近于標準橢球體，而洋雞蛋、塑料卵形體和鋁質(zhì)卵形體大小頭區(qū)別較為明顯，而卵形體大小頭差異性不同會影響卵形體與輸送輥接觸的平衡接觸圓位置［5］。卵形體大小頭差異性對軸向運動的影響有待于深入研究。

4 種卵形體單位時間軸向位移大小順序與其水平偏轉(zhuǎn)角大小順序一致，與文獻［2］的報道吻合。

2.2.3 材質(zhì)對卵形體翻轉(zhuǎn)運動的影響 由圖6可知，塑料和鋁質(zhì)卵形體在相鄰輸送輥和導(dǎo)向桿作用下的翻轉(zhuǎn)運動的運動規(guī)律與禽蛋類似。4種卵形體翻滾距離和導(dǎo)向桿作用距離大小順序為鴨蛋＞塑料卵形體＞鋁質(zhì)卵形體，洋雞蛋與鋁質(zhì)卵形體相近。4種卵形體翻轉(zhuǎn)運動的側(cè)偏角順序為鋁質(zhì)卵形體＞鴨蛋＞塑料卵形體＞洋雞蛋。

圖6 材質(zhì)對卵形體翻轉(zhuǎn)運動的影響Figure 6 Effects of materials on turnover motion of ovoids

4 種卵形體翻滾距離和導(dǎo)桿作用距離大小順序與其長短軸長度順序一致，與文獻［2］吻合。鋁質(zhì)卵形體、塑料卵形體和洋雞蛋側(cè)偏角大小順序與這3種卵形體和輸送輥間的靜摩擦系數(shù)大小順序一致，而鴨蛋的側(cè)偏角不一致。由于4種卵形體的材質(zhì)、特征參數(shù)的不同，側(cè)偏角影響因素比較復(fù)雜需作進一步研究。

3 結(jié)論

（1）卵形體質(zhì)量對其軸向運動的水平偏轉(zhuǎn)角和單位時間軸向位移無明顯影響，對其翻轉(zhuǎn)運動的翻滾距離和導(dǎo)向桿作用距離無明顯影響。

（2）非禽蛋卵形體軸向運動和翻轉(zhuǎn)運動的規(guī)律與禽蛋相似，禽蛋大小頭自動定向技術(shù)可應(yīng)用于非禽蛋卵形體。

（3）軸向運動穩(wěn)定階段4種卵形體水平偏轉(zhuǎn)角和單位時間軸向位移大小順序均為洋雞蛋＞塑料卵形體＞鋁質(zhì)卵形體，而鴨蛋的水平偏轉(zhuǎn)角和單位時間位移與塑料卵形體接近。

（4）翻轉(zhuǎn)運動的翻滾距離和導(dǎo)向桿作用距離大小順序均為鴨蛋＞塑料卵形體＞鋁質(zhì)卵形體，而洋雞蛋的翻滾距離和導(dǎo)向桿作用距離與鋁質(zhì)卵形體相近。翻轉(zhuǎn)運動的側(cè)偏角大小順序為鋁質(zhì)卵形體＞鴨蛋＞塑料卵形體＞洋雞蛋。

1 姜松，王國江，漆虹，等.禽蛋大小頭自動定向排列系統(tǒng)設(shè)計［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2012，43（6）：113～117.

2 姜松，姜奕奕，孫柯，等.禽蛋大小頭自動定向排列中軸向運動機理研究［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2013，44（10）：209～215.

3 姜松，孫柯，楊德勇，等.禽蛋大小頭自動定向排列中翻轉(zhuǎn)運動機理研究［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2014，45（3）：215～222.

4 漆虹.禽蛋大小頭自動定向排列研究與裝置研制［D］.鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2011.

5 王國江.禽蛋自動定向中軸向運動和翻轉(zhuǎn)運動規(guī)律的研究及試驗臺的研制［D］.鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2013.

6 姜松，蔣曉峰，陳章耀，等.禽蛋在輸送支撐輥上傾角影響因素的理論分析與試驗驗證［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28（13）：244～250.

7 陳金泉，任祖方，任奕林.鴨蛋殼與雞蛋殼超微結(jié)構(gòu)比較研究［J］.中國家禽，2010，32（24）：24～26.

8 姜松，漆虹，王國江，等.禽蛋基本特性參數(shù)分析與試驗［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2012，43（4）：138～142.

9 任奕林，王樹才，丁幼春，等.雞蛋殼生物力學(xué)特性分析及試驗研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23（6）：145～149.

10 姜松，孫柯，姜奕奕.卵形體農(nóng)產(chǎn)品大小頭自動定向運動參數(shù)的測定方法及裝置：中國，CN201310406778.8［P］.2013—09—10.