長桿狀蔬果分選機(jī)單果上料裝置的研制

朱洪迎，綦耀光，杜宏偉,，王鳳凱，韓仲志,2b

(1.中國石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院；b.理信與信息科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266109)

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長桿狀蔬果分選機(jī)單果上料裝置的研制

朱洪迎1，綦耀光1，杜宏偉1,2a，王鳳凱2a，韓仲志1,2b

(1.中國石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院；b.理信與信息科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266109)

長桿狀蔬果分選機(jī)工作時(shí)要求蔬果單向且單果輸送，才能保證其分選效率。為此，設(shè)計(jì)了一種適合于胡蘿卜、茄子等長桿狀蔬果自動(dòng)分級(jí)機(jī)的單果上料裝置，主要由進(jìn)料斗、隔板輸送帶、輸送滾筒和調(diào)節(jié)防護(hù)裝置等部分組成。本設(shè)計(jì)以胡蘿卜為研究對象，通過對胡蘿卜在輸送帶上的受力分析、隔板尺寸參數(shù)的理論推導(dǎo)及胡蘿卜在出口的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析，合理選擇了單果上料裝置的結(jié)構(gòu)尺寸及動(dòng)力參數(shù)，以保證胡蘿卜的單果上料，為其它長桿狀蔬果分選機(jī)的單果裝置提供依據(jù)。試驗(yàn)證明：單果裝置單果率約為89%，計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際工作狀況基本相符。

長桿狀蔬果；單果輸送；單果率；隔板輸送帶

0 引言

目前，國內(nèi)對于長桿狀蔬果分級(jí)裝置的研究較少，裝備也落后于發(fā)達(dá)國家，蔬果分級(jí)工作基本上依靠機(jī)械與人工相配合的方式實(shí)現(xiàn)[1]。國內(nèi)目前對胡蘿卜、茄子、黃瓜等長桿狀蔬果分級(jí)主要有手工和半自動(dòng)兩種方式。人工分選是完全靠勞動(dòng)者將清洗好的蔬果進(jìn)行篩選，把認(rèn)為合格的蔬果按長短分級(jí)。整個(gè)過程都是靠肉眼根據(jù)蔬果的大小、顏色等對其進(jìn)行分選，具有較大的主觀性、分級(jí)不夠精確、勞動(dòng)強(qiáng)度大且工作效率低，質(zhì)量難以保證。半自動(dòng)分級(jí)是采用機(jī)器自動(dòng)上料輸送、人工分級(jí)的方式。該方式效率有所提高、勞動(dòng)力消耗有所下降，但分級(jí)主觀性依然存在，分級(jí)質(zhì)量不高。在高效率生產(chǎn)和勞動(dòng)成本不斷提高的今天，長桿狀果蔬分級(jí)作業(yè)全過程的機(jī)械化已是必然趨勢。

目前，國內(nèi)已有專家學(xué)者進(jìn)行黃瓜、胡蘿卜等長桿狀蔬果分級(jí)機(jī)的研發(fā)及制造，并取得顯著成果[2-6]。由于蔬果的品種、生長影響因素等不同，導(dǎo)致其形狀各異、長短不一等。因此，在分級(jí)或圖像處理過程中，需要對蔬果逐個(gè)分析，才能保證蔬果處理的準(zhǔn)確性與可靠性[7-10]。蔬果分級(jí)過程中，單果上料是實(shí)現(xiàn)蔬果精確分級(jí)的前提，但目前的蔬果單果上料裝置的單果率較低，無法滿足企業(yè)生產(chǎn)率的需求，需要進(jìn)一步研究[10-13]。為了提高長桿狀蔬果分選機(jī)的單果率，本文以胡蘿卜為例，通過物料特性統(tǒng)計(jì)分析，研制開發(fā)了長桿狀蔬果單果上料裝置，并進(jìn)行了裝置關(guān)鍵參數(shù)的驗(yàn)證試驗(yàn)。該裝置可以通過調(diào)節(jié)隔板距離、高度和長度，也可滿足黃瓜、茄子等長桿狀果蔬的單果上料，具有較好的通用性。

1 單果上料裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

單果上料裝置主要包括機(jī)架、進(jìn)料斗、出料斗、隔板輸送帶、輸送滾筒及調(diào)節(jié)防護(hù)裝置等，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理

長桿狀蔬果經(jīng)清洗機(jī)清洗之后首先進(jìn)入進(jìn)料斗，上料機(jī)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)滾筒帶動(dòng)從動(dòng)滾筒與隔板輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)；蔬果在隔板上自動(dòng)單果上料后，經(jīng)過輸送帶帶至出料口輸出。通過合理確定隔板輸送帶的參數(shù)，如隔板的高度、輸送帶整體的角度及速度等，合理設(shè)計(jì)輸送帶與出料斗、進(jìn)料斗之間的距離，最終達(dá)到高效率單果上料的目的。

2 關(guān)鍵部件及主要參數(shù)

本機(jī)以長桿狀蔬果胡蘿卜為分選對象，對青島店埠鎮(zhèn)種植的紅映二號(hào)等品種的胡蘿卜進(jìn)行了物料特性參數(shù)統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。以表1中參數(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)制造了長桿狀蔬果單果上料裝置。

1.隔板輸送帶 2.支撐板 3.防護(hù)欄 4.出料斗 5.機(jī)架 6.調(diào)節(jié)鎖緊裝置 7.軸承座 8.進(jìn)料斗 9.從動(dòng)滾筒 10.主動(dòng)滾筒圖1 單果上料裝置結(jié)構(gòu)圖表1 該胡蘿卜基本物料特性參數(shù)

指標(biāo)長度最大直徑最小有效直徑平均值173.2mm45.2mm23.1mm最大值257.2mm74.4mm35.9mm最小值85.3mm13.4mm16.1mm變異系數(shù)0.230.250.25

2.1 輸送帶隔板尺寸參數(shù)

隔板的選型對于單果上料裝置的設(shè)計(jì)尤為重要，會(huì)直接影響蔬果輸送的單果效率。長桿狀蔬果安放在隔板上，一方面受到隔板的支持力，另一方面受到自身重力的作用有往下滾落的趨勢，如果隔板的尺寸不合理，可能會(huì)造成蔬果堆積或者難以提升等問題。因此，合理分析長桿狀蔬果在隔板上的受力狀態(tài)，找出合適的尺寸參數(shù)范圍尤為重要。下面以胡蘿卜為例，給出隔板尺寸確定的理論計(jì)算過程。

1)隔板高度。將胡蘿卜簡化為等徑圓柱體，其重心位于中心軸上，胡蘿卜在不同高度的隔板的受力情況如圖2所示。當(dāng)重力的作用線位于隔板與胡蘿卜兩個(gè)接觸點(diǎn)外側(cè)時(shí)，胡蘿卜有從隔板上滑落的趨勢。由圖2幾何關(guān)系計(jì)算可得，保證胡蘿卜不滑落的隔板高度最小值為

Lmin=Rmax(1-cosa)

(1)

其中，Rmax最大胡蘿卜半徑，取Rmax=37.2mm；a為輸送傾斜角度(°)。

取a=35°，計(jì)算得：Lmin=6.72mm。

當(dāng)胡蘿卜產(chǎn)生堆積時(shí)，臨界情況為小型胡蘿卜堆積在小胡蘿卜與隔板產(chǎn)生的凹槽內(nèi)。如利用幾何關(guān)系進(jìn)行隔板最大高度的計(jì)算過程復(fù)雜，在此進(jìn)行簡化計(jì)算。

隔板高度最大值滿足以下條件，有

Lmax=Rmin(3-cosa)

(2)

其中，Rmin為最小胡蘿卜半徑，取Rmin=11.75mm。計(jì)算得：Lmax=25.62mm。

故當(dāng)a=35°時(shí)，保證既不堆積也不空果的隔板高度范圍為6.72～25.62mm。初定隔板高度為25mm。

(a) 最大隔板高度時(shí)的受力狀況

(b) 最小隔板高度時(shí)的受力狀況圖2 胡蘿卜受力分析

2)隔板長度。胡蘿卜的最大長度為260.5mm，為了保證隔板能夠?qū)⒚扛}卜提升起來，按照胡蘿卜最大長度，初定隔板的長度為270mm，輸送帶寬B=270mm。

3)隔板間隔。胡蘿卜的最大直徑為74.4mm，為保證正常容果且不產(chǎn)生堆積，隔板最大值為74.4mm?？紤]到胡蘿卜可能有一定的彎曲或者不規(guī)則，將隔板間距進(jìn)行適當(dāng)放大，初定隔板間隔為80mm。

2.2 單果輸送帶的設(shè)計(jì)

1)輸送帶帶速。需根據(jù)長桿狀果蔬的產(chǎn)量、平均質(zhì)量以及其受力狀況進(jìn)行設(shè)計(jì)。為使得果蔬在所設(shè)定的帶速下，從進(jìn)料斗平穩(wěn)進(jìn)入輸送帶的隔板間隔中，而不會(huì)在進(jìn)料斗內(nèi)造成大量胡蘿卜堆積，還要盡量減少單個(gè)隔板間隔內(nèi)空果和多果的現(xiàn)象。預(yù)設(shè)輸送帶的最佳帶速v=0.21m/s。

2)輸送帶傾斜角度。在提升輸送果蔬上料的過程中，其單果效率受到隔板尺寸及輸送傾斜角度的影響。傾斜角度過大會(huì)導(dǎo)致提升輸送效果差，長桿狀蔬果無法承載于隔板上；傾斜角度過小會(huì)產(chǎn)生堆積[14]。為了保證單果率，其輸送帶的傾斜角度應(yīng)大于其物料的動(dòng)堆積角度[11]?？紤]安裝及蔬果可穩(wěn)定地盛放于隔板之間，并且有利于單果率，初定傾角為35°。

2.3 輸送滾筒類型的選擇及參數(shù)確定

主動(dòng)滾筒由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)隔板輸送帶與從動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，而輸送滾筒按照所承受載荷的大小分為輕型、中型、重型及工程級(jí)滾筒[14-15]。由于長桿狀蔬果單果輸送裝置所需功率小，滾筒所承受載荷小，在此選用輕型滾筒。輕型傳動(dòng)滾筒通過輻板與外板全焊接，輪轂與軸用鍵進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞以及定位，其滾筒結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 輕型滾筒結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)前述表1數(shù)據(jù)，初選輸送帶寬B=270mm，輸送滾筒長度L=280mm。

滾筒直徑的大小直接影響輸送帶的彎曲應(yīng)力大小。由《運(yùn)輸設(shè)計(jì)手冊》知：帶式輸送機(jī)的滾筒直徑與輸送帶的構(gòu)造、所受應(yīng)力的大小及帶的接頭形式有關(guān)，經(jīng)計(jì)算后，取滾筒直徑為D=100mm。

3 試驗(yàn)效果

對研制的單果上料裝置樣機(jī)進(jìn)行了單果輸送試驗(yàn)。通過試驗(yàn)對某些初定最佳參數(shù)做了適當(dāng)調(diào)整，隔板高度調(diào)整為H=36mm。

總胡蘿卜數(shù)定義為某隔板從進(jìn)料斗上料到該隔板進(jìn)入出料斗出料期間隔板輸送帶上胡蘿卜的總數(shù)。單果數(shù)定義為在運(yùn)輸過程中兩個(gè)隔板之間只有一個(gè)胡蘿卜隔板間隔個(gè)數(shù)?？展麛?shù)定義為在運(yùn)輸工程中兩個(gè)隔板之間沒有胡蘿卜的隔板間隔個(gè)數(shù)。單果率為單果數(shù)與總胡蘿卜數(shù)的比值。試驗(yàn)結(jié)果均采用多次試驗(yàn)取其平均值的方法(不同隔板高度實(shí)驗(yàn)時(shí)隔板間距不變)。

試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 隔板高度對單果率影響

圖5 輸送帶角度對單果率

圖6 輸送帶速度對單果率

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出：當(dāng)輸送帶隔板高度為36mm、輸送帶角度為20°、輸送帶速度為650mm/s時(shí)，單果效果最佳，可以實(shí)現(xiàn)單果目的。

4 結(jié)論

該設(shè)計(jì)方案利用機(jī)械原理結(jié)合長桿狀果蔬的外形特點(diǎn)，研制出一種新型的長桿狀果蔬單果輸送裝置。以胡蘿卜為例，對單果輸送裝置的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)計(jì)算，初步確定了輸送帶速、傾斜角度及隔板的尺寸；在此基礎(chǔ)上對胡蘿卜進(jìn)行了受力及運(yùn)動(dòng)分析，完成了單果上料裝置各個(gè)零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了單果上料的目的。

本機(jī)器雖基本實(shí)現(xiàn)了胡蘿卜單果輸送的目標(biāo)，但如果進(jìn)一步提高輸送速度，胡蘿卜會(huì)受到損傷，且單果率有所下降，因而制約了該機(jī)器效率的進(jìn)一步提高，因此該單果輸送機(jī)具有進(jìn)一步改進(jìn)的可能。

[1] 劉李峰.我國胡蘿卜產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].上海蔬菜，2006(2)：4-6.

[2] 杜宏偉, 鄧立苗, 熊凱,等. 基于計(jì)算機(jī)視覺的胡蘿卜外觀品質(zhì)分級(jí)系統(tǒng)與裝備[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2015，37(1):196-200.

[3] 韓仲志，熊凱，李言照，等.一種全自動(dòng)胡蘿卜清洗分級(jí)包裝裝置：中國，CN102530300A[P].2012-12-30.

[4] 杜宏偉, 鄧立苗, 韓仲志,等. 胡蘿卜自動(dòng)分級(jí)機(jī)機(jī)械裝置的研制[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2015,37(10):124-127.

[5] 陳海濤, 任珂珂, 余嘉. 胡蘿卜物理力學(xué)特性的試驗(yàn)研究[C]//紀(jì)念中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)成立 30 周年暨中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì) 2009 年學(xué)術(shù)年會(huì) (CSAE 2009) 論文集, 2009.

[6] 韓霞, 陳海濤, 頓國強(qiáng),等. 胡蘿卜收獲機(jī)械化研究的現(xiàn)狀分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2015,37(7):259-263.

[7] 李平，郁網(wǎng)慶.國內(nèi)外胡蘿卜產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與前景展望[J].中國果菜，2004(3)：6-7.

[8] 鄭瑤瑤，夏延斌.胡蘿卜營養(yǎng)保健功能及其開發(fā)前景[J].包裝與食品機(jī)械，2006，24(5)：35-37.

[9] Gentili L. Conveying and off-loading apparatus for machines for the automatic selection of agricultural products such as fruit: U.S. Patent 5,101,982[P]. 1992-04-07.

[10] Mills G A, Brown I A. Apparatus for spinning fruit for sorting thereof: U.S. Patent 4,726,898[P].1988-02-23.

[11] 陳青云.農(nóng)業(yè)設(shè)施學(xué)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2001：127-172.

[12] 唐偉強(qiáng).食品通用機(jī)械與設(shè)備[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2010：9-31

[13] 邱鳳霞. 帶式輸送機(jī)的最大傾角[J]. 物料搬運(yùn)與分離技術(shù), 1997(3):46-52.

[14] 郭俊武, 王濤, 張建權(quán).大傾角帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)[J].煤礦現(xiàn)代化, 2013(6) :58-60.

[15] 于巖，李維堅(jiān).運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1998.

Design of Single-Fruit Loading Machine for Long-Bar Shaped Fruits and Vegetables

Zhu Hongying1， Qi Yaoguang1， Du Hongwei1,2a， Wang Fengkai2a， Han Zhongzhi1,2b

(1.College of Mechanical and Electronic Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580，China; 2.a.College of Mechanical and Electronic Engineering; b.College of Sciences and Information Science, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109，China)

When the automatic grading machine for long-bar shaped fruits and vegetables working correctly, as long as vegetable & Fruit are one-way and single-fruit transportation, the grading efficiency can be ensured.This paper described the design of a automatic grading and loading device for long-bar shaped fruits and vegetables,such as carrot and eggplant. This machine was mainly made up by the feeding hopper, separator conveyor belt,conveyor roller and regulation and some other parts.This design takes the carrot as the research object.By the stress analysis of the carrot on the conveyor belt and the theoretical derivation of the size parameters of the separator,including analyzing of the moving state of carrot in export,the selection of the fruit on the structure size of feeding device and dynamic parameter were completed reasonably.So that the single loading for carrots can be realized.This paper also provided reference basis for other long-bar shaped fruits and vegetables. The experiments showed that single fruit rate of this automatic grading machine was 89%, and the theoretical calculation data were basically consistent with the actual working conditions.

long-bar shaped fruits and vegetables; single-fruit conveying; single fruit rate; separator conveyer belt

2016-02-05

山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2015YZ107)

朱洪迎(1989-)，山東臨沂人，碩士研究生，(E-mail)cying0326@163.com。

杜宏偉(1976-)，女，山東聊城人，講師，博士研究生，(E-mail)dhwfair@163.com。

S226.5;TH122

A

1003-188X(2017)03-0125-04