徐瑞群，王陳陽(yáng)，鄭艷萍

（鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州450001）

近球形硬殼堅(jiān)果的分級(jí)機(jī)設(shè)計(jì)

徐瑞群，王陳陽(yáng)，鄭艷萍

（鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州450001）

文章提出一種新型的近球形硬殼堅(jiān)果分級(jí)機(jī)，該設(shè)備以堅(jiān)果大小分級(jí)理論為基礎(chǔ)，含進(jìn)料分離機(jī)構(gòu)、分級(jí)機(jī)構(gòu)和回位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。該機(jī)構(gòu)的完成，不僅能保證較高的分級(jí)精度，還能夠?qū)崿F(xiàn)較高的分級(jí)效率。

堅(jiān)果分級(jí)；擠壓；自動(dòng)回位

隨著消費(fèi)者對(duì)堅(jiān)果類(lèi)農(nóng)產(chǎn)品的食用要求和農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的逐步提高，分級(jí)已經(jīng)成為堅(jiān)果采集后首要的一個(gè)環(huán)節(jié)。堅(jiān)果的分級(jí)有利于后續(xù)的加工，更有利于提高農(nóng)產(chǎn)品附加值，提升優(yōu)良產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

傳統(tǒng)的手工分級(jí)已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前大產(chǎn)量和有更高分級(jí)要求的堅(jiān)果生產(chǎn)條件，就目前來(lái)說(shuō)，對(duì)于球形堅(jiān)果大小的機(jī)械分級(jí)方法主要有：配重分級(jí)，柵條式滾筒分級(jí)，擋板分級(jí)，光電式分級(jí)等。不同的分級(jí)要求有不同的分級(jí)方法。配重分級(jí)主要以產(chǎn)品重力為分級(jí)條件，但是由于堅(jiān)果類(lèi)產(chǎn)品質(zhì)量較小，大小不同的產(chǎn)品其質(zhì)量的差別不大，因此其分級(jí)精度不會(huì)太高。柵條滾筒式及擋板式均是按照尺寸分級(jí)，兩者區(qū)別在于前者通過(guò)螺旋管推動(dòng)堅(jiān)果通過(guò)篩選柵條進(jìn)行分級(jí)，后者使用通過(guò)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力使干果通過(guò)擋板分級(jí)，兩者都能夠以較高效率進(jìn)行分級(jí)，但是其分級(jí)精度不高。文章所研究設(shè)備，不僅能保證較高的分級(jí)效率，還能保證較高的分級(jí)精度。

1 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該分級(jí)機(jī)包括進(jìn)料分離和分級(jí)機(jī)構(gòu)，回位機(jī)構(gòu)等組成。

（1）分離和分級(jí)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。分離和分級(jí)機(jī)構(gòu)主要包含分離滾筒、助推滾輪、擠壓滾輪、擠壓轉(zhuǎn)板、擋塊等部分，用于把成堆的堅(jiān)果分離成排滾落到分級(jí)機(jī)構(gòu)，使它們相互之間產(chǎn)生一定間隔，并使之快速通過(guò)分級(jí)處，進(jìn)行準(zhǔn)確分級(jí)。

其工作原理如圖1所示。分離滾筒順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，堅(jiān)果從滾道掉落至滾筒槽中，隨著滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)槽右側(cè)下傾時(shí)，堅(jiān)果從滾筒槽中滾落，下落至右側(cè)滾道中，在這個(gè)過(guò)程中，左側(cè)堅(jiān)果無(wú)法繼續(xù)往前，而實(shí)現(xiàn)堅(jiān)果的分離。分隔時(shí)長(zhǎng)為滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)半周的時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)堅(jiān)果滾落至右側(cè)滾道時(shí)，助推滾輪以更快的線速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)使堅(jiān)果加速往前，進(jìn)入擠壓轉(zhuǎn)板段。

圖1 分離和分級(jí)機(jī)構(gòu)

限制擠壓轉(zhuǎn)板位置的擋塊結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，當(dāng)堅(jiān)果尺寸過(guò)大時(shí)，堅(jiān)果受到擠壓滾輪的擠壓，同時(shí)堅(jiān)果對(duì)擠壓轉(zhuǎn)板也有一個(gè)壓力，進(jìn)而擠壓板對(duì)擋塊產(chǎn)生一個(gè)向右的分力使彈簧被壓縮，擋塊右移，當(dāng)擠壓轉(zhuǎn)板右端轉(zhuǎn)動(dòng)至擋塊尖端處時(shí)，擠壓轉(zhuǎn)板因自身重力和堅(jiān)果重力而自動(dòng)往下轉(zhuǎn)動(dòng)（至限位點(diǎn)），同時(shí)堅(jiān)果滾落，實(shí)現(xiàn)堅(jiān)果的分級(jí)。

圖2 擋塊原理

擠壓轉(zhuǎn)板設(shè)計(jì)為槽形結(jié)構(gòu)，這使它在擠壓力和擋塊對(duì)其豎向分力的作用下其變形較小，因此當(dāng)堅(jiān)果比擠壓轉(zhuǎn)板和擠壓滾子的距離大于確定值時(shí)，擠壓轉(zhuǎn)板在擠壓處會(huì)產(chǎn)生該確定值高度的豎向位移，同時(shí)擠壓轉(zhuǎn)板最右端會(huì)有一個(gè)更大的豎向位移，所以擋塊對(duì)擠壓轉(zhuǎn)板最右端的位移動(dòng)作響應(yīng)更準(zhǔn)確，從而提高了分級(jí)的精度。

（2）回位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)?；匚粰C(jī)構(gòu)主要由偏心輪、滑塊、推桿等組成機(jī)構(gòu)，其主要作用是使因堅(jiān)果過(guò)大擠壓下落的擠壓轉(zhuǎn)板回復(fù)至初始位置，如圖3所示?；瑝K固定，可在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。工作時(shí)，偏心輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿隨推桿軸運(yùn)動(dòng)，當(dāng)偏心輪軸心在連桿對(duì)應(yīng)的線上時(shí)，連桿右端與偏心輪軸心相距最短或最長(zhǎng)，當(dāng)其距離最長(zhǎng)時(shí)使之剛好能將擠壓轉(zhuǎn)板推回初始位置。為了保證回位機(jī)構(gòu)與分離機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)性，分離機(jī)構(gòu)的角速度應(yīng)為偏心輪角速度的兩倍，同時(shí)需要調(diào)整偏心輪的初始轉(zhuǎn)角，以使回位的動(dòng)作滯后于分級(jí)的動(dòng)作。如果堅(jiān)果尺寸不夠大，能夠順利通過(guò)該擠壓轉(zhuǎn)板段，那么擠壓轉(zhuǎn)板處于原位置。曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)不影響擠壓轉(zhuǎn)板，如果尺寸比預(yù)設(shè)大，則會(huì)將擠壓轉(zhuǎn)板擠壓掉落下來(lái)，一定的滯后時(shí)間后，回位機(jī)構(gòu)將擠壓轉(zhuǎn)板推回。

圖3 回位機(jī)構(gòu)

可以看出，該結(jié)構(gòu)只能夠保證一個(gè)產(chǎn)品尺寸臨界值，若需要確定尺寸范圍內(nèi)的堅(jiān)果，可以設(shè)置多個(gè)該結(jié)構(gòu)，逐次分級(jí)。

2 機(jī)構(gòu)可行性分析

選取分離滾筒角速度為偏心圓的兩倍，即二者之間的傳動(dòng)比為2：1，可保證滾筒運(yùn)送堅(jiān)果頻率與偏心圓推回運(yùn)動(dòng)的頻率一致。

為了保證推回運(yùn)動(dòng)不與堅(jiān)果被滾子擠壓的過(guò)程相干涉，必須保證擠壓轉(zhuǎn)板不同時(shí)與推桿和堅(jiān)果接觸，因此，需要計(jì)算出推桿與擠壓轉(zhuǎn)板的接觸角度。

圖4 接觸角計(jì)算

假定推桿與擠壓轉(zhuǎn)板剛好接觸，于是將推桿與擠壓板的接觸點(diǎn)用滑塊連接起來(lái)，如圖4所示，由該結(jié)構(gòu)，得：

式中l(wèi)1為推桿長(zhǎng)度；l2為擠壓板上被推動(dòng)平面與擠壓板軸心的距離；b為偏心輪軸心至滑塊軸心的距離；r為偏心輪軸心至連接偏心輪和推桿的軸心的距離；γ為偏心輪轉(zhuǎn)角。

設(shè)坐標(biāo)原點(diǎn)為偏心輪軸心，則(x1,y1）為擠壓板軸心坐標(biāo)；（x2,y2）為推桿與擠壓板接觸點(diǎn)的坐標(biāo)；α為點(diǎn)(x1,y1）與點(diǎn)（x2,y2）連線與其上端滾道部分的夾角；β為偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)φ角后，擠壓板隨之轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

圖4中l(wèi)1,l2,b,r,x1,y1預(yù)先確定時(shí)，隨著γ的變化有一個(gè)最大值在此基礎(chǔ)上預(yù)先給定值β，以保證堅(jiān)果能夠從板上掉下，而不被卡住，當(dāng)時(shí)，由上式計(jì)算可得γ，α的確定的兩組解γ1，α1和γ2，α2（在2π范圍內(nèi)取解），可得接觸角為由偏心輪轉(zhuǎn)速和接觸角知在給定限位角β的條件下推桿與擠壓板的非接觸時(shí)長(zhǎng)t。通過(guò)調(diào)整各值可以使接觸角變小，前述時(shí)間變長(zhǎng)。

堅(jiān)果在尺寸較小即不會(huì)從擠壓板上掉落時(shí)能否通過(guò)滾道與兩個(gè)三個(gè)主要因素相關(guān)，包括堅(jiān)果通過(guò)擠壓板時(shí)的速度，擠壓板的滾道部分的長(zhǎng)度a（如圖3）和通過(guò)擠壓板所允許的時(shí)間也就是前述的非接觸時(shí)長(zhǎng)t。通過(guò)調(diào)整助推滾輪和擠壓滾子轉(zhuǎn)速來(lái)改變堅(jiān)果在擠壓板上的運(yùn)動(dòng)速度，盡量取較短a值的以保證堅(jiān)果在時(shí)間段t內(nèi)能通過(guò)擠壓板從而使得該結(jié)構(gòu)能夠完成分級(jí)功能而不發(fā)生干涉。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的近球形堅(jiān)果，設(shè)計(jì)了一種新分級(jí)機(jī)，該機(jī)構(gòu)以堅(jiān)果大小分級(jí)理論為基礎(chǔ)進(jìn)行工作。文章通過(guò)對(duì)其基本原理的說(shuō)明和該機(jī)構(gòu)運(yùn)行的可行性分析，說(shuō)明該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是合理的，該機(jī)構(gòu)既能實(shí)現(xiàn)更好的分級(jí)精度，也能提高分級(jí)效率，在實(shí)際生產(chǎn)中有一定的應(yīng)用前景。

［1］高志,劉瑩.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社,2009.

徐瑞群（1994-），男，湖南衡陽(yáng)人，主要研究方向：機(jī)械工程。