輥軸式大棗自動分級機(jī)的研制

文懷興 - 王春普 - 周改梅 -

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

輥軸式大棗自動分級機(jī)的研制

文懷興WENHuai-xing王春普WANGChun-pu周改梅ZHOUGai-mei

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

設(shè)計(jì)了大棗自動分級設(shè)備。對大棗機(jī)構(gòu)特性進(jìn)行分析，對大棗自動分級設(shè)備工作原理進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)由振動器、料斗、料斗內(nèi)側(cè)擋板組成的上料機(jī)構(gòu)；圓柱形篩條軸、錐形篩條軸、隔板組成分級機(jī)構(gòu)；步進(jìn)電機(jī)、錐齒輪、傳動帶組成傳動機(jī)構(gòu)；儲料斗、出料通道組成儲料裝置。對分級設(shè)備分級篩條的變形進(jìn)行有限元分析，確保分級機(jī)構(gòu)能準(zhǔn)確運(yùn)行。

大棗；分級；輥軸分級法；有限元分析

中國是世界上最大的棗生產(chǎn)國，95%以上的棗產(chǎn)品均產(chǎn)自中國[1]。大棗食品生產(chǎn)過程中要進(jìn)行儲存、加工、運(yùn)輸、銷售等環(huán)節(jié)[2]，而分級是其中必不可少的步驟。目前中國研發(fā)的大棗分級設(shè)備可以分為機(jī)械式和智能式兩類，其中智能式分級設(shè)備主要是指基于圖像處理即機(jī)器視覺技術(shù)的新型分級設(shè)備[3]。目前機(jī)器視覺技術(shù)已應(yīng)用到大棗大小、顏色、缺陷的檢測上，設(shè)計(jì)了以機(jī)器視覺為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)大棗自動分級的設(shè)備[4]。由于機(jī)器視覺設(shè)備造價(jià)高，且技術(shù)不太完善，目前還沒有進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用階段。機(jī)械式分級方法主要有滾筒柵條式分級法、輥軸分級法，例如6ZF-0.5型大棗分級機(jī)[5]、6FG-900型核桃分級機(jī)[6]、5BF-3型水果分級機(jī)[7]等。滾筒柵條式分級法優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低，結(jié)構(gòu)簡單[8]。但分級時(shí)大棗容易卡在篩條之間，造成大棗堆積，導(dǎo)致分選效率降低，容易劃傷大棗表皮[9]，不利于大棗的分級。傳統(tǒng)的輥軸式分機(jī)的輥軸為圓柱形，而采用錐形篩條軸與圓柱形篩條軸相間安裝，可以保證輥軸軸心相互平行，且更容易分級。分級機(jī)構(gòu)包括圓柱形篩條軸、錐形篩條軸、隔板和分級底層擋板。分級原理：分級篩條軸是由錐形篩條軸與圓柱形篩條軸相間設(shè)置組成，每根錐形篩條軸的直徑從左至右逐漸縮小，相鄰的圓柱形篩條軸與錐形篩條軸之間形成的分級間隙從左至右依次變大，即可將棗分級到不同的落料斗里。本試驗(yàn)擬設(shè)計(jì)一種成本低，結(jié)構(gòu)較為簡單，分級效率高，無損大棗表皮，適合一些中小型企業(yè)使用的分級設(shè)備，并進(jìn)行有限元分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 大棗機(jī)構(gòu)特性分析

1.1 大棗直徑分布范圍

選用靈武長棗為大棗樣本，測量工具為精度0.02 mm的游標(biāo)卡尺，剔除其中形狀怪異的大棗，隨機(jī)選取100粒大棗作為檢測樣本，測量大棗直徑D并把測量結(jié)果分成10組。用直方圖對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，畫出大棗直徑頻度分布圖見圖1，由圖1可知，大棗直徑分布范圍比較大，分布比較分散，但都有一個(gè)集中區(qū)域，大多集中在25～28 mm的范圍內(nèi)，所占百分比為54%，所以在對大棗進(jìn)行分級時(shí)，可以把大棗按直徑大小分為三級，分別為20～25，25～28，28～31 mm。

1.2 大棗摩擦系數(shù)分析

大棗的靜摩擦系數(shù)是一項(xiàng)重要的物理參數(shù)，與篩條軸的材料有關(guān)[10]。不計(jì)分級篩條軸對大棗向前的推力，對分級篩條上的大棗進(jìn)行受力分析見圖2，較大的大棗約為30 g，從受力分析可以看出大棗從傾斜的排序板上下滑時(shí)所受到的阻力主要為大棗與排序板之間的摩擦力。由受力平衡條件得：

圖1 大棗直徑分布圖Figure 1 Distribution of jujube’s diameter

f=Gsinα，

(1)

N=Gcosα，

(2)

f=μN(yùn)，

(3)

式中：

N——排序板對大棗的支持力，N；

G——大棗自身的重力，N；

α——排序板的傾斜角，(°)；

μ——大棗與排序板之間的摩擦系數(shù)；

f——排序板表面對大棗的摩擦力，N。

圖2 大棗的受力分析圖Figure 2 Force analysis diagram of jujube

聯(lián)立式(1)～(3)得 ：

μ=tanα。

(4)

在此選擇鋁合金、45鋼、不銹鋼3種材料進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)式(4)可知，通過試驗(yàn)測定大棗在該材料上的摩擦角α，確定大棗的靜摩擦系數(shù)μ。將大棗分別放到3種材料的面板上，然后抬高面板的一側(cè)，測定大棗剛好滑下時(shí)，面板遠(yuǎn)離水平面的角度，這個(gè)角度就是大棗與該材料的摩擦角α，每種材料進(jìn)行多次測量，至少3次，取平均值并記錄見表1。

利用試驗(yàn)測定新鮮的大棗在鋁合金、45鋼、不銹鋼3種材料上的靜摩擦系數(shù)分別為0.176 1，0.324 7，0.212 4。由于45鋼的靜摩擦系數(shù)最大，棗更容易在輥軸上滾動。故選用45鋼作為篩條軸的材料，輥軸的傾斜角應(yīng)大于18°。

表1 大棗的靜摩擦系數(shù)Table 1 Static friction coefficient of jujube

2 總體方案的設(shè)計(jì)及分析

大棗自動分級設(shè)備的主要功能是實(shí)現(xiàn)大棗的有序上料，平穩(wěn)傳動，有序分級等功能[11]。根據(jù)這一基本要求，設(shè)計(jì)了如圖3所示的設(shè)計(jì)方案。

具體的工作過程：大棗通過料斗14進(jìn)入排序板上的排序軸16中，電機(jī)10通過帶傳動3帶動毛刷軸18轉(zhuǎn)動，進(jìn)而通過錐齒輪19帶動錐齒輪軸17轉(zhuǎn)動，帶傳動15的兩端分別連接著錐齒輪軸17和排序軸16，動力間接傳遞到排序軸16上。排序軸16和圓柱形篩條軸22及錐形篩條軸23之間均用剛性聯(lián)軸器連接，圓柱形篩條軸22通過帶傳動帶動，處于持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，并且圓柱形篩條軸表面用3 mm厚的黏性比較強(qiáng)的自黏型膠條以螺旋狀纏繞一層，以保證圓柱形篩條軸22在轉(zhuǎn)動的同時(shí)帶動大棗向前運(yùn)行。當(dāng)電源接通時(shí)，在大棗分級設(shè)備中，一方面毛刷轉(zhuǎn)動保證通過分級區(qū)域的大棗為單層，另一方面圓柱形篩條軸轉(zhuǎn)動帶動大棗在改變姿態(tài)的同時(shí)向前運(yùn)行。由于傾斜和振動的作用，大棗順著凹形槽的排序軸16下滑，到達(dá)安裝毛刷軸18的位置時(shí)，毛刷持續(xù)旋轉(zhuǎn)保證進(jìn)入分級篩條軸的大棗為單層，并且均為縱向進(jìn)入。分級篩條軸是由錐形軸23與圓柱軸22相間安裝的，每根錐形軸的直徑從左至右變小，相鄰兩根圓柱軸與錐形軸之間形成的間隙從左至右依次變大，從而達(dá)到分級的作用。大棗通過出料口20a分別落入對應(yīng)的儲料斗7中。

1. 振動器 2. 料斗內(nèi)側(cè)擋板 3. 帶傳動a 4. 隔板 5. 安裝板 6. 出料通道 7. 儲料斗 8. 機(jī)架 9. 傾斜支架 10. 電機(jī) 11. 帶傳動軸 12. 分級左側(cè)板 13. 帶傳動b 14. 料斗 15. 帶傳動c 16. 排序軸 17. 錐齒輪軸 18. 毛刷軸 19. 錐齒輪 20. 分級底層擋板 20a. 出料孔 21. 分級右側(cè)板 22. 圓柱形篩條軸 23. 錐形篩條軸

圖3 分級方案示意圖

Figure 3 Schematic diagram of the grading scheme

2.2 主要部件的設(shè)計(jì)及分析

2.2.1 分級機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 測定大棗分級機(jī)構(gòu)的分級精度的指標(biāo)是分級合格率[12]，按照GB/T 5667—2008農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)試驗(yàn)方法中所規(guī)定的內(nèi)容得知，對于某等級大棗分級合格的直徑范圍可以用式(5)表示。對于該分級機(jī)構(gòu)，影響分級精度的因素有大棗的喂入量、圓柱形分級篩條軸的轉(zhuǎn)速、分級篩條軸的傾斜角度。在大棗分級過程中，增大大棗的喂入量可以提高分級機(jī)構(gòu)的效率，但同時(shí)會增加分級誤差，降低分級精度。所以需要確定合理的大棗分級方案，對其具體機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，找到分級效率與分級精度之間的平衡點(diǎn)，可以保證在達(dá)到一定的分級精度的同時(shí)，有很高的分級效率。

X1-0.5×(X2-X1)≤X≤X2+0.5×(X2-X1)，

利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算廁紙進(jìn)入下水道產(chǎn)生COD總量，取平均COD濃度值為50 mg/L；需自來水量即一戶家庭若將廁紙丟棄在馬桶中會產(chǎn)生COD：7 667.16 L×50 mg/L=3.83×10-4 t 所以全國城鎮(zhèn)家庭戶產(chǎn)生的COD為： 21 470萬戶×3.83×10-4 t=82 306.96 t，根據(jù)2015年環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)廢水排放情況，得到城鎮(zhèn)生活源COD排放846.90萬噸[11]，計(jì)算廁紙進(jìn)入下水道產(chǎn)生的COD占總城鎮(zhèn)生活污染源百分比(%)：

(5)

式中：

X——某一等級大棗直徑合格范圍，mm；

X1——某一等級大棗直徑合格下限值，mm；

X2——某一等級大棗直徑合格上限值，mm。

2.2.2 分級機(jī)構(gòu)傾斜角的設(shè)計(jì) 通過式(4)可知，滑槽與水平面之間的夾角大于大棗與滑槽之間的靜摩擦角時(shí)，大棗的運(yùn)動可以通過傾斜的排序板自動實(shí)現(xiàn)，這樣可以節(jié)省動力。

選擇分級篩條軸的材料為45鋼，根據(jù)1.2的內(nèi)容，大棗與45鋼之間的摩擦角為18°，則分級篩條軸與水平面之間的夾角α>18°，在此，選擇α=20°，整體分級機(jī)構(gòu)的傾斜角也設(shè)定為20°。

2.2.3 篩條軸的有限元分析

(1) 篩條軸的變形分析：篩條軸由轉(zhuǎn)動的圓柱形軸和靜止的錐形軸構(gòu)成，圓柱形軸和錐形軸相互交替安裝，當(dāng)動力傳遞到圓柱形軸時(shí)，圓柱形軸轉(zhuǎn)動，大棗在改變姿態(tài)的同時(shí)向前移動。

該分級機(jī)構(gòu)的原理就是根據(jù)圓柱形軸和錐形軸所形成的分級間隙的變化進(jìn)行分級，若篩條軸在穩(wěn)定狀態(tài)下變形太大，將嚴(yán)重影響篩條軸的正常轉(zhuǎn)動，對分級精度也有影響，圖4為篩條軸在穩(wěn)定狀態(tài)下的變形對分級精度的影響情況。

由圖4可得：

(6)

式中：

1. 錐形篩條軸 2. 大棗 3. 圓柱形篩條軸圖4 篩條軸的變形分析Figure 4 Deformation analysis of grading shaft

Δd1——錐形篩條軸在穩(wěn)定狀態(tài)下的最大變形量，mm；

Δd2——圓柱形篩條軸在穩(wěn)定狀態(tài)下的最大變形量，mm；

D1——理論上該分級間隙處可以通過的大棗的最大直徑，mm；

D2——實(shí)際上該分級間隙處可以通過的大棗的最大直徑，mm。

(2) 篩條軸的有限元分析：用ANSYS軟件對圓柱形篩條軸和錐形篩條軸進(jìn)行靜力學(xué)分析，該機(jī)構(gòu)中的錐形篩條軸和圓柱形篩條軸相當(dāng)于處于空載的狀態(tài)。將模型導(dǎo)入ANSYS內(nèi)，定義材料的屬性，密度為7.85E+03 kg/m3，彈性模量為2.0E+11 Pa，泊松比為0.3。用ANSYS Workbench 12.0對單根軸進(jìn)行有限元分析比較簡單，主要包括網(wǎng)格的劃分、載荷的加載和最終求解，查看其在穩(wěn)定狀態(tài)的變形情況。

錐形篩條軸是靜止的，相當(dāng)于只承受自身重力，對模型施加完載荷和邊界條件后進(jìn)行求解，得到用云圖的方式顯示的錐形篩條軸的總變形見圖5。

圓柱形篩條軸是轉(zhuǎn)動的，對于不加任何負(fù)載的軸轉(zhuǎn)動時(shí)相當(dāng)于空轉(zhuǎn)，只需要給一個(gè)啟動扭矩就可以實(shí)現(xiàn)，該軸的質(zhì)量約為17 kg，回轉(zhuǎn)半徑按最大半徑22.5 mm計(jì)算，則它的轉(zhuǎn)動慣量J=mr2/2=0.005 312 5 kg·m2，設(shè)定軸在3 s恒轉(zhuǎn)速為30 r/min，則它的角加速度為6.67 rad/s2，則軸的轉(zhuǎn)動扭矩為T=Jα=0.035 435 N·m。對圓柱形篩條軸施加完載荷和邊界條件后進(jìn)行求解，得到圓柱形篩條軸的總變形見圖6。

由圖5、6可以看出，錐形篩條軸和圓柱形篩條軸的最大變形分別為0.696 58，1.984 70 mm，并且其最大變形都出現(xiàn)在軸的中間位置處，即Δd1=0.696 58 mm，Δd2=1.984 7 mm，該位置處紅棗的分級直徑范圍為25～28 mm，即D1=25～28 mm，由式(6)得D2≈25.055～28.049 mm，紅棗的最大直徑的差值ΔD=D2-D1=0.055～0.049 mm，這個(gè)差值很小，不影響分級精度，也不影響圓柱形篩條軸的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，所以圓柱形篩條軸和錐形篩條軸的變形都在允許范圍內(nèi)，不需要額外加支撐。

圖5 錐形篩條軸總變形Figure 5 Deflection of tapering shaft

圖6 圓柱形篩條軸總變形Figure 6 Deflection of cylindricalshaft

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)所用的大棗為靈武大棗，直徑為20～31 mm。選500枚大棗作為試驗(yàn)總樣本，分為5組，每組100枚。實(shí)驗(yàn)所用的測量工具為德國美耐特公司生產(chǎn)的MNT-150型游標(biāo)卡尺300 mm/0.02 mm。記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

3.2 結(jié)果與分析

由表2可知，直徑20～25 mm的棗全部落入一號儲料斗，分級效率為100%；25～28 mm的棗個(gè)別落入一號儲料斗，絕大部分落入二號儲料斗，無落入三號儲料斗，分級效率為98.5%；28～31 mm的棗無落入一號儲料斗，個(gè)別落入二號儲料斗，絕大部分落入三號儲料斗，分級效率為98%。綜合分級率在98%以上。實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)備滿足企業(yè)生產(chǎn)要求。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Experiment data

4 結(jié)論

(1) 本試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的大棗自動分級設(shè)備具分級效率高、平穩(wěn)性能好、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，同時(shí)避免了滾筒柵條式劃傷棗皮的問題。

(2) 通過試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)大棗的直徑范圍，確定大棗分級層次。通過靜摩擦系數(shù)的試驗(yàn)，選出最佳輥軸材料以及合適的輥軸傾斜角，解決了根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)選輥軸材料、傾斜角問題。

(3) 對于形狀過圓的棗該設(shè)計(jì)可能會產(chǎn)生串級現(xiàn)象。如何避免該串級現(xiàn)象，將是下一步研究的重點(diǎn)。

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Research of automatic classification technology and equipment for Jujube

(DepartmentofMechanicalandElectricalEngineering,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,Shannxi710021,China)

An automatic grading equipment of jujube was designed, and its mechanism characteristics and working principle of automatic grading were analyzed in this study. This design consisted of feed mechanism for the composition of vibrator, hopper, hopper inside baffle, and the grading mechanism for the composition of cylindrical sieve shaft, conical sieve axis, a baffle plate, transmit mechanism for the composition of stepping motor, bevel gear, belt drive; storage device for the composition of a storage hopper and a discharging channel. The grading equipment of deformation finite element was analyzed, ensuring the classification mechanism ran correctly. Moreover, the finite element of the deformation of the grade bar was analyzed to ensure the accurate operation of the grading mechanism.

jujube;classification; classified method of the roller type；the finite element analysis

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.04.017