基于Inventor的重心變換式水果大小分選機設計

徐力群　陳旭　姬中林　李懂　相宇

摘 要 為適應我國水果種植散戶用機械設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計出一款水果大小分選機。采用Inventor軟件，對水果分選機的送料系統、分選系統、出料系統及機架等主要零部件進行三維建模和裝配，并應用集成在Inventor中的ANSYS有限元分析模塊對關鍵零部件進行應力分析。結果表明：該設備結構合理，具備精確分選水果大小的功能。

關鍵詞 水果分選；Inventor；三維建模；裝配；應力分析

中圖分類號 TP2 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）15-0005-02

自20世紀90年代初，我國的水果產量就躍居世界第一位，但產出的水果較國外同類產品價格卻低得多。其主要原因是我國水果的產后處理技術沒有得到相應的發展和推廣。水果的產后處理包括分選、清洗、打蠟等，其中分選更是產后處理的重中之重。全自動的大型水果分選設備已經在發達國家得到廣泛的應用，但此類設備體系龐大、價格昂貴，根本不適合我國以家庭為單位“包產到戶”的分散種植模式。國內市場常見的機械式水果分選機原理和篩子類似，此類分選機結構簡單、價格便宜；但在分選過程中水果與水果之間以及水果與設備之間容易發生擠壓、碰撞和摩擦，造成水果表面受損進而影響產品質量。這也是該類分選機也沒有得到推廣的重要原因。因此，我國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。為了提高我國水果產品競爭力，減輕果農的勞動強度，現基于Inventor軟件設計出一款主要針對蘋果、柑橘等在我國水果生產中占很大比重的球狀水果進行分選的重心變換式水果分選機。

1 分選機的工作原理

重心變換式水果分選機的整體結構主要由驅動系統、送料系統、分選系統、下料軌道、機架等組成。送料系統由料倉、送料軌道及彈性擋板構成，將采摘后的水果倒入料倉，水果依靠自重進入送料軌道，經彈性擋板的緩沖、定向完成水果輸送的工作。分選系統的主要裝置為數條運轉速度相同但末端位置不同的傳送帶，當水果由送料系統進入分選系統后，傳送帶在電動機的驅動下帶動水果沿擋料板壁運動，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前進。當剩余水果運動到最外層傳送帶末端時，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，當只剩下最后一條傳送帶時，體型最小的水果落入對應等級的下料軌道，完成水果的精確分級。為了保護水果表面，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，本機采用對稱結構，大大提高了分選機的工作效率。

2 分選機零部件設計

2.1 料倉的設計

為了避免水果在出口處形成拱形結構阻塞出料口，料倉選用倉斗式結構，其中影響物料流動的料倉棱角大小為：

式中：h為倉斗垂直高度，mm；a、b為倉斗邊長，mm。

出料口設計成側斜式，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 送料軌道的設計

送料軌道與料倉出口平滑連接，軌道上寬下窄，其寬度恰好只能允許單個水果通過，這樣可以確保水果在進入分選系統前整齊地排成一排。軌道末端所設的彈性擋板，既起到緩沖的作用又可保證水果在進入分選系統的瞬間緊靠擋料板，實現水果的逐個定向輸送。

2.3 分選帶的設計

分選系統分別由數條末端位置不同的傳送帶組成，結構簡單，而且帶傳動緩沖吸振、傳動平穩的特點保證了水果在分選的過程中始終相對靜止，這就有效克服了傳統機械式水果分選機在分選過程中因振動激烈導致水果與水果之間、水果與機械壁之間相互摩擦、碰撞進而降低產品質量的缺點。由于水果所處位置會直接影響重心所在位置，這就要求在設計時要考慮如何將水果固定在某個位置從而確保重心位置僅與水果的體積大小相關，故將傳送帶設計成遠離擋料板處厚靠近擋料板處薄的形狀，這樣形成的斜面會使水果在整個分選的過程中緊靠擋料板，顯著提高了水果分選機的分選精度。

2.4 擋料板的設計

分選過程中，水果總是緊靠擋料板隨傳送帶向前運動，為了避免水果因產生的摩擦在傳送帶上打滑，分選機兩側的擋料板各分布著一排密集的滾杠，以確保整個分選過程中水果隨傳送帶平穩向前運動。

2.5 樣機裝配

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 關鍵零部件校核

綜合考慮該設備中各零部件的受力情況及重要性，應用集成在Inventor中的ANSYS有限元分析模塊對機身和帶輪主軸進行應力分析。首先將所建模型進行實體網格劃分，確認材料種類，根據機身和帶輪主軸的使用要求和受力情況添加約束和載荷，最后進行有限元分析計算，得到應力分布情況、應變和變形狀況，并對不合理的部位進行修改，直至滿足設計要求。

4 結論

本文基于Inventor軟件實現了重心變換式水果分選機關鍵零部件的設計和裝配，直觀地表達了產品的設計意圖。事實證明，Inventor軟件在縮短產品設計周期，減少設計上出現原則性錯誤等方面都有著重要意義，為新產品的開發提供了良好的條件。

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