基于Inventor的重心變換式水果大小分選機(jī)設(shè)計(jì)

徐力群　陳旭　姬中林　李懂　相宇

摘 要 為適應(yīng)我國(guó)水果種植散戶用機(jī)械設(shè)備代替人工分選的需求，利用大小不同的水果重心位置亦不同的原理設(shè)計(jì)出一款水果大小分選機(jī)。采用Inventor軟件，對(duì)水果分選機(jī)的送料系統(tǒng)、分選系統(tǒng)、出料系統(tǒng)及機(jī)架等主要零部件進(jìn)行三維建模和裝配，并應(yīng)用集成在Inventor中的ANSYS有限元分析模塊對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行應(yīng)力分析。結(jié)果表明：該設(shè)備結(jié)構(gòu)合理，具備精確分選水果大小的功能。

關(guān)鍵詞 水果分選；Inventor；三維建模；裝配；應(yīng)力分析

中圖分類號(hào) TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）15-0005-02

自20世紀(jì)90年代初，我國(guó)的水果產(chǎn)量就躍居世界第一位，但產(chǎn)出的水果較國(guó)外同類產(chǎn)品價(jià)格卻低得多。其主要原因是我國(guó)水果的產(chǎn)后處理技術(shù)沒(méi)有得到相應(yīng)的發(fā)展和推廣。水果的產(chǎn)后處理包括分選、清洗、打蠟等，其中分選更是產(chǎn)后處理的重中之重。全自動(dòng)的大型水果分選設(shè)備已經(jīng)在發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛的應(yīng)用，但此類設(shè)備體系龐大、價(jià)格昂貴，根本不適合我國(guó)以家庭為單位“包產(chǎn)到戶”的分散種植模式。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)常見(jiàn)的機(jī)械式水果分選機(jī)原理和篩子類似，此類分選機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜；但在分選過(guò)程中水果與水果之間以及水果與設(shè)備之間容易發(fā)生擠壓、碰撞和摩擦，造成水果表面受損進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量。這也是該類分選機(jī)也沒(méi)有得到推廣的重要原因。因此，我國(guó)的水果分選大都還是由人工完成，不僅效率不高，而且分選精度也極低。為了提高我國(guó)水果產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，減輕果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，現(xiàn)基于Inventor軟件設(shè)計(jì)出一款主要針對(duì)蘋(píng)果、柑橘等在我國(guó)水果生產(chǎn)中占很大比重的球狀水果進(jìn)行分選的重心變換式水果分選機(jī)。

1 分選機(jī)的工作原理

重心變換式水果分選機(jī)的整體結(jié)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、送料系統(tǒng)、分選系統(tǒng)、下料軌道、機(jī)架等組成。送料系統(tǒng)由料倉(cāng)、送料軌道及彈性擋板構(gòu)成，將采摘后的水果倒入料倉(cāng)，水果依靠自重進(jìn)入送料軌道，經(jīng)彈性擋板的緩沖、定向完成水果輸送的工作。分選系統(tǒng)的主要裝置為數(shù)條運(yùn)轉(zhuǎn)速度相同但末端位置不同的傳送帶，當(dāng)水果由送料系統(tǒng)進(jìn)入分選系統(tǒng)后，傳送帶在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)水果沿?fù)趿习灞谶\(yùn)動(dòng)，體型最大的水果由于重心懸空落入下料軌道，體型較小的水果由于重心位置依然處于傳送帶的正上方得以繼續(xù)前進(jìn)。當(dāng)剩余水果運(yùn)動(dòng)到最外層傳送帶末端時(shí)，一部分水果因重心隨外層傳送帶的消失而懸空，落入下料軌道。以此類推，當(dāng)只剩下最后一條傳送帶時(shí)，體型最小的水果落入對(duì)應(yīng)等級(jí)的下料軌道，完成水果的精確分級(jí)。為了保護(hù)水果表面，分別在與水果有接觸的部位安裝上棉墊，以確保水果表皮的柔性接觸。另外，本機(jī)采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，大大提高了分選機(jī)的工作效率。

2 分選機(jī)零部件設(shè)計(jì)

2.1 料倉(cāng)的設(shè)計(jì)

為了避免水果在出口處形成拱形結(jié)構(gòu)阻塞出料口，料倉(cāng)選用倉(cāng)斗式結(jié)構(gòu)，其中影響物料流動(dòng)的料倉(cāng)棱角大小為：

式中：h為倉(cāng)斗垂直高度，mm；a、b為倉(cāng)斗邊長(zhǎng)，mm。

出料口設(shè)計(jì)成側(cè)斜式，有效的出口截面積

其中：滿足條件：

式中：D為出料口直徑，mm；為水果平均尺寸，mm。

2.2 送料軌道的設(shè)計(jì)

送料軌道與料倉(cāng)出口平滑連接，軌道上寬下窄，其寬度恰好只能允許單個(gè)水果通過(guò)，這樣可以確保水果在進(jìn)入分選系統(tǒng)前整齊地排成一排。軌道末端所設(shè)的彈性擋板，既起到緩沖的作用又可保證水果在進(jìn)入分選系統(tǒng)的瞬間緊靠擋料板，實(shí)現(xiàn)水果的逐個(gè)定向輸送。

2.3 分選帶的設(shè)計(jì)

分選系統(tǒng)分別由數(shù)條末端位置不同的傳送帶組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且?guī)鲃?dòng)緩沖吸振、傳動(dòng)平穩(wěn)的特點(diǎn)保證了水果在分選的過(guò)程中始終相對(duì)靜止，這就有效克服了傳統(tǒng)機(jī)械式水果分選機(jī)在分選過(guò)程中因振動(dòng)激烈導(dǎo)致水果與水果之間、水果與機(jī)械壁之間相互摩擦、碰撞進(jìn)而降低產(chǎn)品質(zhì)量的缺點(diǎn)。由于水果所處位置會(huì)直接影響重心所在位置，這就要求在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮如何將水果固定在某個(gè)位置從而確保重心位置僅與水果的體積大小相關(guān)，故將傳送帶設(shè)計(jì)成遠(yuǎn)離擋料板處厚靠近擋料板處薄的形狀，這樣形成的斜面會(huì)使水果在整個(gè)分選的過(guò)程中緊靠擋料板，顯著提高了水果分選機(jī)的分選精度。

2.4 擋料板的設(shè)計(jì)

分選過(guò)程中，水果總是緊靠擋料板隨傳送帶向前運(yùn)動(dòng)，為了避免水果因產(chǎn)生的摩擦在傳送帶上打滑，分選機(jī)兩側(cè)的擋料板各分布著一排密集的滾杠，以確保整個(gè)分選過(guò)程中水果隨傳送帶平穩(wěn)向前運(yùn)動(dòng)。

2.5 樣機(jī)裝配

在Inventor軟件中完成零部件的3D建模后，這些零部件還需進(jìn)行組裝裝配和裝配干擾檢查，最后裝配后得到整體的裝配圖，如圖3所示。

3 關(guān)鍵零部件校核

綜合考慮該設(shè)備中各零部件的受力情況及重要性，應(yīng)用集成在Inventor中的ANSYS有限元分析模塊對(duì)機(jī)身和帶輪主軸進(jìn)行應(yīng)力分析。首先將所建模型進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，確認(rèn)材料種類，根據(jù)機(jī)身和帶輪主軸的使用要求和受力情況添加約束和載荷，最后進(jìn)行有限元分析計(jì)算，得到應(yīng)力分布情況、應(yīng)變和變形狀況，并對(duì)不合理的部位進(jìn)行修改，直至滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文基于Inventor軟件實(shí)現(xiàn)了重心變換式水果分選機(jī)關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)和裝配，直觀地表達(dá)了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖。事實(shí)證明，Inventor軟件在縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，減少設(shè)計(jì)上出現(xiàn)原則性錯(cuò)誤等方面都有著重要意義，為新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了良好的條件。

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