基于中型水果的自動(dòng)分級(jí)包裝一體機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)

劉曉君，鄭少梅，孟廣耀，王建

（青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，山東 青島 266520）

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)的水果分級(jí)包裝一體機(jī)發(fā)展較為落后，并且只針對(duì)小型果進(jìn)行研發(fā)，普及面較窄，不能形成水果分級(jí)包裝流水線發(fā)展，導(dǎo)致在分級(jí)包裝過(guò)程中消耗大量人力物力，自動(dòng)化程度較低。常用包裝材料有塑料發(fā)泡網(wǎng)、瓦楞紙板襯墊、塑料薄膜袋等。通過(guò)對(duì)常用緩沖包裝材料進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，分析不同緩沖包裝材料對(duì)水果振動(dòng)傳遞率和損傷率的影響，結(jié)果表明，水果套網(wǎng)包裝材料使用塑料發(fā)泡網(wǎng)時(shí)，水果的損傷率會(huì)大幅度降低[1]。

對(duì)現(xiàn)有包裝設(shè)備進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，大部分設(shè)備只支持塑料薄膜袋包裝，通用性較差，并且由于塑料薄膜不能實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸途中的減震緩沖作用，容易使水果受到損傷；對(duì)于塑料發(fā)泡網(wǎng)的研究較國(guó)外發(fā)展較晚，現(xiàn)階段只停留在手工包裝或者半自動(dòng)包裝的基礎(chǔ)上[2]，無(wú)法與自動(dòng)化生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力相比[3]，人工成本越來(lái)越高[4]。為解決這一問(wèn)題，現(xiàn)設(shè)計(jì)一種基于塑料發(fā)泡網(wǎng)的自動(dòng)化的水果分級(jí)包裝一體機(jī)，以減輕勞動(dòng)力，提高包裝精度[5-8]，降低成本，達(dá)到先進(jìn)水平，降低勞動(dòng)危險(xiǎn)系數(shù)[9]，提高競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)我國(guó)這樣一個(gè)水果生產(chǎn)大國(guó)具有深遠(yuǎn)意義[10-11]。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

整機(jī)由水果分級(jí)機(jī)、包裝機(jī)和傳送帶等3 個(gè)部分組成。首先通過(guò)分級(jí)機(jī)對(duì)水果進(jìn)行等級(jí)篩選，經(jīng)過(guò)特定傳送機(jī)構(gòu)輸送到包裝機(jī)部分，然后利用棘輪來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水果的單獨(dú)分流包裝，最后通過(guò)傳送帶輸送到指定區(qū)域進(jìn)行存儲(chǔ)，整機(jī)設(shè)備見(jiàn)圖1。

圖1 整機(jī)模型Fig.1 Complete machine model

2 工作原理

從果園采摘的水果進(jìn)入倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行篩選時(shí)，通過(guò)上料裝置運(yùn)送至分級(jí)機(jī)部分，經(jīng)過(guò)分級(jí)系統(tǒng)的篩選后，利用落差法通過(guò)特制的分流裝置和棘輪相互配合，使水果單個(gè)進(jìn)入包裝機(jī)部分，利用塑料發(fā)泡網(wǎng)的物理特性，通過(guò)導(dǎo)向滑輪和掛鉤相互配合使發(fā)泡網(wǎng)套在輸送滑道末端的仿生套筒上，在進(jìn)行一次單果包裝完成后，利用電機(jī)帶動(dòng)切斷裝置對(duì)發(fā)泡網(wǎng)進(jìn)行剪斷，水果落入放在傳送帶上的紙箱內(nèi)，紙箱下方有重力感應(yīng)裝置，當(dāng)達(dá)到設(shè)定質(zhì)量時(shí)，傳送帶啟動(dòng)，運(yùn)送至指定位置。

3 主要機(jī)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 傳送盤(pán)

包裝機(jī)部分主要由傳送、棘輪分流、水果套網(wǎng)等部分組成，水果從分級(jí)機(jī)到包裝機(jī)需經(jīng)過(guò)特制的沖壓模型分流，見(jiàn)圖2。

圖2Fig.2 Fruit conveyor model diagram

水果傳送盤(pán)部分結(jié)構(gòu)是利用水果的圓形特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)水果從分級(jí)機(jī)傾倒至傳送盤(pán)時(shí)，由于傳送盤(pán)中間有凸起，自動(dòng)向兩邊滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)第1 次分流；為方便計(jì)算將水果考慮成球形，為了保證水果能順利進(jìn)行分流，對(duì)傳送盤(pán)的傾斜角度進(jìn)行分析計(jì)算，見(jiàn)圖3。

圖3 水果受力分析示意圖Fig.3 Schematic diagram of fruit stress analysis

式中：Fn為傳送帶對(duì)水果的支撐力；Ff為傳送帶對(duì)水果的摩擦力；G為水果重力；α為傳送帶和桌面夾角；δ1為傳送盤(pán)對(duì)水果的滾動(dòng)摩擦阻力因數(shù)。

結(jié)合式（1）、（2）、（3）可得：

由式（4）可知，傳送盤(pán)的傾斜角度與水果質(zhì)量無(wú)關(guān)，與傳送盤(pán)和水果間的滾動(dòng)摩擦阻力因數(shù)有關(guān)。為更加精準(zhǔn)地設(shè)計(jì)每種尺寸傳送盤(pán)的角度，需要充分考慮δ1的值，防止因角度過(guò)大，水果從果杯翻轉(zhuǎn)至傳送盤(pán)時(shí)的高度過(guò)大，從而對(duì)水果表面造成損傷。根據(jù)文獻(xiàn)[12]提到的實(shí)驗(yàn)方法可知，水果從高空落下整個(gè)過(guò)程中滾動(dòng)摩擦所做的功為W1，水平拋出的動(dòng)能為Ek，重力所做的功為W重，根據(jù)能量守恒定理可知：

水果在滾落時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角度非常小，為α?xí)r，通過(guò)微元法知，水果對(duì)每段經(jīng)過(guò)的圓弧的正壓力是不變的，因此認(rèn)為此過(guò)程摩擦力都為：

不同材料的摩擦因數(shù)實(shí)驗(yàn)原理見(jiàn)圖4。

圖4 實(shí)驗(yàn)原理Fig.4 Experimental principle

經(jīng)實(shí)驗(yàn)可知，各種工業(yè)用材料和水果間的滾動(dòng)摩擦因數(shù)及安裝角度見(jiàn)表1。

表1 水果和不同材料間滾動(dòng)摩擦因數(shù)及安裝角度Tab.1 Rolling friction coefficient and installation angle between fruit and different materials

選用的傳送盤(pán)材料為PTFE（聚四氟乙烯），傳送盤(pán)與地面角度為2.290°，為了方便安裝取角度為3°。

3.2 棘輪

經(jīng)過(guò)傳送盤(pán)的水果自動(dòng)向兩側(cè)分流，輸送至棘輪處進(jìn)行二次分流，棘輪處設(shè)有多個(gè)凹型槽，凹型槽的大小根據(jù)水果直徑設(shè)計(jì)，該設(shè)備設(shè)計(jì)有70、75、80、85、90、100 mm 等6 種尺寸，確保每個(gè)水果在輸送至此處時(shí)不會(huì)因果徑過(guò)大或者過(guò)小而受到損傷，這里以80 mm 為例，利用電機(jī)帶動(dòng)棘輪旋轉(zhuǎn)45°，將單個(gè)水果運(yùn)送到套網(wǎng)機(jī)構(gòu)處進(jìn)行單獨(dú)包裝。

為更好地保護(hù)水果，避免在包裝過(guò)程中對(duì)水果表面造成損傷，這就要求電機(jī)滿足精確、頻繁的啟停要求，而普通電機(jī)難以實(shí)現(xiàn)，因此，這里選用45DF 型凸輪分割器搭配電機(jī)使用[13]。現(xiàn)在市面上電機(jī)主要有步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)，2 種電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 不同電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab.2 Comparison of advantages and disadvantages of different motors

通過(guò)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)能很好地滿足使用要求，且成本較低，因此選用45DF 型凸輪分割器搭配步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行定角度旋轉(zhuǎn)。當(dāng)棘輪處于圖5 所示位置時(shí)，凸輪分割器停止工作，水果從水果出口進(jìn)入下一階段工序。

圖5 棘輪工作示意圖Fig.5 Ratchet working diagram

這里以80 mm 尺寸為例，包裝機(jī)工作狀況：空載啟動(dòng)，有輕微振動(dòng)，單向運(yùn)轉(zhuǎn)，滿載狀態(tài)雙班制工作。水果套網(wǎng)包裝動(dòng)力依靠電動(dòng)機(jī)提供，其經(jīng)濟(jì)性、合理性、安全性是選擇電動(dòng)機(jī)應(yīng)遵循的原則，能否正確合理地選用電動(dòng)機(jī)，對(duì)設(shè)備的工作性能會(huì)產(chǎn)生較大的影響[14]。

電機(jī)在運(yùn)行時(shí)分為啟動(dòng)和正常工作2 個(gè)階段。啟動(dòng)階段的轉(zhuǎn)矩為T(mén)1，正常工作時(shí)的轉(zhuǎn)矩為T(mén)2。

式中：F1為慣性力；R1為慣性半徑；m為棘輪和電機(jī)軸質(zhì)量；a為由靜止到正常工作的加速度；t為加速時(shí)間；v為正常工作速度。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用直徑為300 mm 的棘輪，棘輪每轉(zhuǎn)過(guò)45°后間隔1 s 再進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，周期為16 s，勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間為8 s，棘輪周長(zhǎng)為942 mm，由此可計(jì)算出速度v為117.75 mm/s。為了實(shí)現(xiàn)快速加工，取加速時(shí)間為0.5 s，m為6 kg，則有：

式中：F2為摩擦阻力；R2受力點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑；f為軸承滾動(dòng)摩擦因數(shù)，可根據(jù)使用軸承的結(jié)構(gòu)查表；N為正壓力，其值為棘輪和電機(jī)軸重力之和。

為了使摩擦力盡可能減少，這里選用深溝球軸承，f為0.001 5，則：

電動(dòng)機(jī)通的常見(jiàn)轉(zhuǎn)速為750、1 000、1 500、2 000 r/min等，根據(jù)電動(dòng)機(jī)制造原理，功率相同時(shí)，電動(dòng)機(jī)若額定轉(zhuǎn)速越高，其電磁轉(zhuǎn)矩外形尺寸就越小，成本就越低且質(zhì)量也越小，故選擇功率因數(shù)和工作效率相對(duì)較高的4極轉(zhuǎn)速為1 500 r/min 的電機(jī)，電機(jī)額定功率為24 W[15]。電機(jī)工作時(shí)間和角度關(guān)系見(jiàn)圖6。

圖6 時(shí)間與角度的關(guān)系Fig.6 Relationship between time and angle

由圖6 可知，以每16 s 為1 個(gè)周期進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)對(duì)水果進(jìn)行單個(gè)分流。

3.3 包裝機(jī)構(gòu)

水果經(jīng)過(guò)棘輪的篩選，進(jìn)入包裝機(jī)構(gòu)，見(jiàn)圖7，該包裝機(jī)構(gòu)利用仿生學(xué)原理，將滑道末端設(shè)計(jì)成鴨嘴形狀便于發(fā)泡型塑料網(wǎng)進(jìn)行包裝。該機(jī)構(gòu)的包裝原理：發(fā)泡型塑料網(wǎng)套固定在撐網(wǎng)筒上，滑輪通過(guò)電機(jī)的帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)進(jìn)而帶動(dòng)網(wǎng)套向前移動(dòng)，在經(jīng)過(guò)掛鉤時(shí)，安裝在掛鉤上的傳感器將信號(hào)傳送給滑道處的電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，利用凸輪的推程將網(wǎng)套套在仿生套網(wǎng)裝置上，利用凸輪遠(yuǎn)休止完成套網(wǎng)后，凸輪回程掛鉤復(fù)位，刀片接收到掛鉤復(fù)位信號(hào)后，由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)1 周切斷網(wǎng)套，水果落入下方收集箱，完成一次套網(wǎng)。

圖7 包裝機(jī)示意圖Fig.7 Schematic diagram of packaging machine

掛鉤結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。該掛鉤底部采用球面副，可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)調(diào)節(jié)角度，通過(guò)緊定螺釘鎖緊，在帶動(dòng)網(wǎng)套前進(jìn)時(shí)，網(wǎng)套掛鉤可以很好地鉤住網(wǎng)孔。在掛鉤復(fù)位時(shí)，由于掛鉤有一定的傾斜角度，可以很好地進(jìn)行脫離，不會(huì)對(duì)網(wǎng)套產(chǎn)生拉扯作用，在下一個(gè)套袋行程開(kāi)始時(shí)插刀重新插入網(wǎng)套進(jìn)行拉網(wǎng)包裝運(yùn)動(dòng)[16]。

圖8 掛鉤結(jié)構(gòu)Fig.8 Hook structure

4 關(guān)鍵部件仿真分析

4.1 傳送盤(pán)

為了更好地使水果進(jìn)行第1 步分流，將輸送裝置導(dǎo)入Ansys 中進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖9。由圖9 可知，最大變形量出現(xiàn)在傳送盤(pán)的末端，最大值為0.503 69 mm，由此可知傳送盤(pán)在運(yùn)行過(guò)程中并不會(huì)對(duì)第1 次分流結(jié)果產(chǎn)生影響，可以實(shí)現(xiàn)分流效果。

圖9 傳送盤(pán)仿真分析結(jié)果Fig.9 Conveyor simulation analysis result

4.2 凸輪機(jī)構(gòu)

為了使掛鉤很好地進(jìn)行工作，將模型（圖10a）導(dǎo)入軟件進(jìn)行分析，其工作時(shí)推程s和時(shí)間關(guān)系見(jiàn)圖10b。由圖10b 可知，推程最遠(yuǎn)為280 mm，所用時(shí)間為1 s，遠(yuǎn)休止進(jìn)程時(shí)間為0.3 s，滿足套網(wǎng)需求。

圖10 凸輪模型仿真結(jié)果Fig.10 Cam model simulation result

4.3 棘輪部分仿真分析

為了驗(yàn)證棘輪在運(yùn)行過(guò)程中的受力和變形情況，將模型導(dǎo)入Ansys 軟件得到變形及應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，見(jiàn)圖11。由圖11 可知，最大變形量為5.763 9×10-5mm，最大應(yīng)變?yōu)?.799×10-7，最大應(yīng)力為0.959 6 Pa，都符合設(shè)計(jì)要求，不會(huì)因變形過(guò)大導(dǎo)致水果傳送不流暢。

圖11 仿真分析結(jié)果Fig.11 Simulation analysis result

5 結(jié)語(yǔ)

1）針對(duì)水果分級(jí)包裝生產(chǎn)線存在不能連續(xù)加工的缺點(diǎn)，利用發(fā)泡型塑料網(wǎng)的物理特性，設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)連續(xù)包裝的分級(jí)包裝一體機(jī)。

2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出傳送盤(pán)的最佳傾斜角度，并用Ansys 進(jìn)行力學(xué)分析校核，利用凸輪急回特性實(shí)現(xiàn)掛鉤的快速套網(wǎng)功能，并利用Adams 驗(yàn)證掛鉤套網(wǎng)的可行性。

3）通過(guò)該一體機(jī)可以有效降低勞動(dòng)力成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，滿足自動(dòng)化、智能化發(fā)展趨勢(shì)。