哈密瓜在線檢測輸送翻轉裝置的設計與試驗

李小霞 ，馬本學 ，王文霞 ，張若宇

（1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.農業部西北農業裝備重點實驗室，新疆 石河子 832000）

1 引言

我國是水果生產大國，統計數據顯示，自2001 年以來，在世界甜瓜的四大生產國中國、伊朗、土耳其、埃及中，中國甜瓜產量據世界首位[1]。但是在甜瓜的出口國家或者地區中，西班牙首屈一指，出口量占世界總出口量的20.5%，而我國居世界第九位，僅占世界出口量的2.97%[2]。國家統計局數據顯示，在中國的各地區甜瓜產量中，新疆，山東，河南產量最多，其中新疆甜瓜產量據我國甜瓜產量的第一位。但是山東，廣東和云南三個地區是我國的甜瓜出口的主要地區[3]。新疆特殊的地理環境，晝夜溫差大，日照時間長，使新疆生產的瓜果甘甜可口，備受人們喜愛，新疆甜瓜主要是哈密瓜，產量大，品質好。哈密瓜是新疆傳統的名優特產品之一，在國內外市場上享有較高的聲譽和知名度，而且具有較強的生產區域性，是新疆特色農業和創匯農業，成為發展農村經濟的主要種植業途徑之一。但是出口量小，除了新疆位居祖國西部地區，出口不方便，還有一個主要原因是哈密瓜產后處理水平低，缺少高檔的禮品果，在我國一帶一路的新絲綢之路的開發戰略下，努力做好新疆哈密瓜產后的檢測分級處理是提高哈密瓜出口量和銷售價格，增加瓜農收入的主要措施。因此，這里設計制造了一種用于哈密瓜在線檢測的輸送翻轉裝置，該裝置能滿足哈密瓜在線檢測分級設備純小時工作2.23t 的生產效率，具有一定的實用價值。

2 整機裝置結構和工作原理

2.1 整機裝置結構

哈密瓜在線檢測分級裝置主要由哈密瓜輸送翻轉裝置、稱重傳感器顯示裝置、黑箱、哈密瓜分級卸料裝置和哈密瓜分級集裝箱等構成，如圖1 所示。

圖1 總體結構圖Fig.1 Overall Structure

2.2 工作原理

該哈密瓜檢測分級裝置的工作原理，如圖2 所示。人工上料，哈密瓜隨著輸送翻轉裝置一起向前運動，進入黑箱，觸發傳感器打開LED 燈和內置相機進行圖像采集，同時安裝在輸送軌道上的稱重傳感器完成重量檢測。檢測完成后，哈密瓜繼續向前運動，在黑箱的近紅外光譜檢測區完成漫透射近紅外光譜信息的采集。之后將信息傳給電腦，通過和已經建立好的哈密瓜模型等級特征對比分析，判斷出被測哈密瓜的等級信號。將此信號通過對應的串口傳給PLC。PLC 控制電磁推桿動作，完成哈密瓜分級，分級后哈密瓜通過卸料通道進入集裝箱。

圖2 工作原理圖Fig.2 Working Principle

3 輸送翻轉裝置設計

該裝置主要由鏈條、翻板底座、輸送翻板等組成。其中，鏈條與鏈輪和哈密瓜輸送翻轉裝置配合，完成輸送動作。翻板底座首先與鏈條通過螺栓配合，完成輸送翻轉裝置的固定，其次與輸送翻板通過銷軸和扭簧三者配合，保持正常狀態下輸送翻轉裝置處于水平位置。

哈密瓜輸送翻轉裝置的工作原理主要是由輸送和翻轉兩個動作協同配合完成，具體作業過程，如圖3 所示。哈密瓜進入分級區，分級區安裝有四個電磁推桿，檢測區的信號傳遞給電腦，電腦分析判斷后給出信號控制電磁推桿電缸正轉，推桿伸出，安裝在推桿最上端的翻板承載桿一起運動到與其正上方的輸送翻板接觸，哈密瓜和輸送翻板一起在推桿的推動下，利用杠桿原理，輸送翻板和哈密瓜一起向上繞著銷軸旋轉一定角度，置于輸送翻板上的哈密瓜在重力的作用下，沿著分級通道滾入卸料集裝箱，同時電缸反轉，推桿回收，安裝在其上的翻板承載桿一起返程，哈密瓜輸送翻板在扭簧的作用下，回到水平位置。

圖3 翻轉裝置安裝示意圖Fig.3 Flip Device Installation Diagram

4 輸送翻轉裝置關鍵部件仿真分析

在哈密瓜輸送翻轉裝置中，輸送翻板是與其直接接觸的零件。為驗證輸送翻板的可靠性，用Ansys 進行仿真分析，先對翻板進行受力分析，如圖4 所示。其中：

式中：F1—電磁推桿豎直方向的分力；F2—電磁推桿豎直方向的分力；F3—電磁推桿水平方向的分力；G—哈密瓜的重力。

哈密瓜輸送翻轉裝置工作時，翻板主要受到兩個力的作用，哈密瓜的重力G 和電磁推桿的作用力F，哈密瓜的平均質量為2.5kg，重力為25N，電動推桿力的大小是50N，通過計算電磁推桿的安裝是與水平方向的夾角α 等于60°，此時翻板所受的力F3為18.3N，F2為 25 N。

圖4 哈密瓜輸送翻板受力示意圖Fig.4 Schematic Diagram of the Melon Delivery Flap

設計的哈密瓜輸送翻板零件采用模具生產，所用的材料是聚碳酸酯（PC），其泊松比為0.3902，密度為 1.2×103kg/m3，彈性模量為3320MPa，彎曲強度105MPa。在Workbench 中，完成材料屬性定義，添加約束條件，完成網格劃分，進行靜應力分析[11]。

通過分析得到哈密瓜輸送翻板的最大靜應力為7.8566×10-2MPa 遠遠小于PC 材料的許用應力值105MPa，設計合理，進行加工制造。

圖5 哈密瓜輸送翻板仿真結果圖Fig.5 Hami Melon Delivery Flap Simulation Results

5 哈密瓜輸送翻轉裝置試驗

5.1 試驗因素及方法

根據其工作原理，影響該裝置翻轉卸料主要因素有三個：電動機的轉速n；電磁推桿完成單個哈密瓜分級卸料的行程時間t；電磁推桿支撐桿兩端的傾角θ。在哈密瓜數量一定時，n 越大，相同時間內從上料區輸送到分級區的哈密瓜數量越多，t 越大，行程越大，越容易實現輸送翻板和哈密瓜一起翻轉卸料，θ 越小，支撐面積越大，在分級卸料的時候哈密瓜和翻板一起的翻轉越平穩。但是電機轉速過快、行程時間太長或者翻板支撐桿角太小都會導致推桿在回程過程中翻板支撐桿碰到相鄰輸送翻板，造成機械故障。本試驗的目的是通過正交試驗找到n、θ 和t 的最佳組合，使哈密瓜輸送翻轉裝置滿足檢測分級要求。

表1 試驗因素與水平Tab.1 Experimental Factors and Levels

表2 試驗方案及結果Tab.2 Experimental Protocols and Results

試驗樣本哈密瓜選擇石河子市103 團共計100 個，一級、二級、三級和四級哈密瓜各25 個。對表面清潔，放置24h 后進行試驗。根據試驗目的，設計三因素三水平的正交試驗，進行9 次[7]試驗，試驗因素和水平，如表1 所示。結果，如表2 所示。

5.2 結果分析

根據試驗結果，可得各因素模型方差分析，如表3 所示。

表3 因素模型方差分析Tab.3 Factor Analysis of Variance Analysis

5.2.1 回歸方程

結合各影響因素，模型回歸方程，如式（4）所示。

5.2.2 哈密瓜成功翻轉數目方差分析

利用Design-Expert 8.0.6 軟件對三個因素進行分析，研究各因素對哈密瓜成功翻轉數目影響趨勢，在方差分析中，F 值是一個重要指標，F 越大，P 越小，表明分析結果越可靠[7-10]。當0.01≤P＜0.05 則結果顯著，當 0.001≤P＜0.01 則表示結果極顯著，當 P＞0.05 則結果被認為沒有統計顯著性，如果P＜0.05 則可認為分析結果是有效的[7]。

由以上分析可得，哈密瓜成功翻轉數目模型的P=0.0035＜0.05，表明此模型是極顯著的。而電機轉速A 的P=0.0073、推桿行程時間B 的P=0.0087、輸送翻板承載桿角度C 的P=0.0046，均小于0.01 且大于0.001，可判斷3 個因素均為極顯著，且對哈密瓜成功翻轉數目的影響順序為C>A>B，即翻板支撐桿角度的影響最顯著。

5.2.3 試驗因素對成功翻轉數目的影響分析

當翻板支撐桿傾角固定在0 水平（C=15°）且當推桿行程時間（B）和電機轉速（A）分別變化時，隨著B 的增大，M 先增大后減小，最小約是68 個，最大約為80 個，如圖6（a）所示。電機轉速是（A1）2r/min 時，對應的M 約為 75 個。隨著電動機轉速的增加，哈密瓜成功翻轉數目也是先增大后減小，原因是隨著電機轉速增加，輸送到分級區的哈密瓜數目增多，推桿動作完成分級的哈密瓜數目也增加，當電機轉速大于3r/min 的時候，輸送到分級區的哈密瓜數目繼續增加，但是受到翻板支撐桿角度和推桿行程時間影響，發生機械故障，哈密瓜成功翻轉數目減小。

圖6 各因素對哈密瓜成功翻轉數目的影響Fig.6 Influence of Various Factors on the Number of Successful Turnover of Hami Melon

當推桿行程時間處于0 水平（B2=1.8 s）且翻板支撐桿傾角和電動機轉速發生變化時，M 也發生變化，如圖6（b）所示。隨著C的增加，M 先增大后減小，在C2=15°的時候達到最大值。原因是隨著電動機轉速增加，由上料區輸送到分級區的哈密瓜數目增多，但是由于翻板支撐桿角度增大時，電動推桿接收信號動作時翻板支撐桿和輸送翻板的接觸面積減小，在推動翻板的時候作用力和作用時間都減小，不能成功的使翻板轉過規定的角度，不能達到翻轉卸料的目的，故并非兩者越大越好。實驗結果表明，交互作用的最佳組合是A2C2。

如圖6（c）所示，沿著C 軸的方向，當翻板支撐桿傾角增加，推桿行程時間是低水平時（B3=1.6s），哈密瓜成功翻轉數目先增大后減小，最大值約為70；推桿行程時間是0 水平（B2=1.8 s）時，對應的哈密瓜成功翻轉數目先增大后減小，最大值約為85；推桿行程時間是1 水平（B1=2.0 s）時，回歸函數M 也是先增大后減小，最大值約為75。電機轉速和電動推桿的速度一定，隨著翻板角度的增加，推桿行程時間增加，哈密瓜成功翻轉數目增加，但是兩者增加到一定程度時，受到電機轉速的影響，推桿在回程過程中會碰到相鄰翻板，造成機械故障，所以當兩者增加到一定程度時，部分哈密瓜未能成功翻轉，所以成功翻轉的哈密瓜數目先增大后減小。

綜合以上三種情況，圖6（a）中A2B2的組合最佳，M 約是80個，圖6（b）中 C2A2的組合最佳，M 約是 81 個，圖6（c）中 B2C2的組合最佳，M 約是85 個，可以得出在A（電機轉速），B（推桿行程時間）和C（翻板支撐桿傾角）三個影響因素中，翻板支撐桿傾角的影響最大，其次為推桿行程時間，最后是電動機轉速。三個因素的影響規律并非越大越好或者越小越好，都是先增大后減小，并找到試驗的最佳組合為A2B2C2（電機轉速為3r/min，推桿行程時間為1.8s，翻板支撐桿角度為15°）。

6 結論

（1）針對目前哈密瓜的檢測和分級人工勞動強度大，生產率低的問題，設計了一種用于哈密瓜在線檢測分級的輸送翻轉裝置。

（2）對哈密瓜輸送翻板進行了Ansys 仿真分析，得到哈密瓜輸送翻板的最大靜應力為7.8566×10-2MPa，小于PC 材料的許用應力值105MPa，哈密瓜輸送翻板的總變形最大量為5.2973×10-4mm。

（3）完成哈蜜瓜輸送翻轉裝置翻轉卸料試驗，結果表明：該翻轉裝置翻轉卸料時，電機轉速n 為3 r/min、推桿行程時間t 為1.8 s，翻板支撐桿角度θ 為15°是最佳組合。并進行驗證試驗，理論值與實際值誤差小于5%，滿足哈密瓜檢測分級要求。