采后甘藍單體排序定向輸送裝置設計與試驗

崔功佩 王京崢 文雙濤 衛詠哲 崔永杰,3 牛子杰,4

(1.西北農林科技大學機械與電子工程學院， 陜西楊凌 712100；2.中國重汽集團濟南特種車有限公司， 濟南 250117； 3.農業農村部農業物聯網重點實驗室， 陜西楊凌 712100；4.陜西省農業信息感知與智能服務重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

商品化處理能夠有效提高采后甘藍品質及經濟附加值，已成為甘藍產業的發展趨勢[1-2]。然而，在商品化處理過程中，采后甘藍上料及定向排序作業多以人工為主，其生產效率低、勞動強度大，且人工成本高[3-5]。因此，亟需設計一種采后甘藍單體排序定向輸送裝置，從而為后續根部整修、檢測、分級等環節提供有利條件。

目前，在用于農產品采后加工的上料排序輸送裝置方面國內外學者已進行了大量研究。文獻[6]設計了一種轉盤式對蝦逐只分離裝置，該裝置可實現對蝦的自動、有序、逐只喂入。文獻[7]設計了定向排列縱橫切分馬鈴薯種薯切塊機，該機可同時完成清土除雜、分選、排列、切塊等多種作業。文獻[8]設計了定量變距螺旋結構，并提出一種變距螺旋結構流量的計算方法。文獻[9]設計了一種防堵塞、高能效的揉碎玉米秸稈螺旋-氣力耦合輸送裝置，并進行了參數優化。文獻[10]設計了鏈式氣動沖切自動化干紅棗去核機，該機可實現紅棗個體自動定向排布上料和有效去核。文獻[11-12]基于空間幾何最小作用原理設計了鮮杏單體排序間隔輸送裝置和動態定向輸送裝置。文獻[13]基于荔枝的物性特征和柔性去核刀具，設計了一種自動定向、去核、剝殼和分離一體聯動的荔枝定向去核剝殼機。文獻[14-16]基于禽蛋軸向運動及翻轉運動機理研發了禽蛋大小頭自動定向排列系統。在文獻[17]研究的基礎上，文獻[18]設計了一種蘋果專用輸送機構。文獻[19-21]對水果機器視覺分選機的卸料和翻轉機構進行了優化設計。文獻[22]根據蘋果的形狀和幾何參數設計了定向試驗平臺。文獻[23-24]結合自動視頻采集系統開發了適用于商業的蘋果定向系統。文獻[25-26]利用蘋果自身的慣性特性實現了蘋果滾動輸送過程的動態定向。文獻[27]設計了一種適用于商業化的雙錐滾子蘋果定向機構。然而，國內外關于采后甘藍自動上料排序輸送裝置的研究較少。文獻[28]提出一種基于轉動慣量的采后甘藍自動定向方法，并對甘藍翻轉卸料[29]和自動調向[30]進行了仿真分析和結構設計，但作業性能仍需進一步優化和改進。

針對上述問題，結合采后甘藍的物理參數和轉動慣量特性，本文設計一種采后甘藍單體排序定向輸送裝置，以實現空間堆疊的采后甘藍單體的有序輸送及自動定向作業，從而提高采后甘藍整修處理的作業效率和質量，并為采后甘藍商品化處理系統的研發提供理論依據。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

單體排序定向輸送是采后甘藍商品化處理系統[31]的第一道工序，該裝置的總體結構如圖1所示，主要由機架、甘藍箱、卸料板、單層喂入輥、曲面緩沖軌道、限位輥、變螺距輸送輥、錐形輥等組成。按照各機構功能的不同，該裝置可分為翻轉卸料機構、單層喂入緩沖機構、變螺距單體排序機構和錐形輥定向輸送機構。

1.2 工作原理

采后甘藍單體排序定向輸送裝置的工作流程可依次劃分為翻轉卸料、單層喂入緩沖、變螺距單體排序和錐形輥定向輸送。具體步驟如下：

(1)翻轉卸料。采后甘藍隨甘藍箱轉動一定角度到達卸料初始位置，然后以固定角速度打開卸料板；采后甘藍在自身重力及摩擦力的作用下，由高到低依次經由卸料板滾落至單層喂入緩沖區域。

(2)單層喂入緩沖。空間堆疊的采后甘藍經由相向轉動的單層喂入輥，在自身重力和單層喂入輥的摩擦力作用下呈單層狀態排出；繼而經由曲面緩沖軌道的引導實現垂直運動向水平運動的轉化。

(3)變螺距單體排序。運動至曲面緩沖軌道末端的采后甘藍在限位輥的作用下，單體依次進入變螺距輸送輥形成的通道內；并經變螺距輸送輥的螺旋推動作用實現采后甘藍的單體排序輸送。

(4)錐形輥定向輸送。采后甘藍單體依次進入由4個錐形輥形成的穩定空間內，受摩擦力作用做轉動運動；基于采后甘藍的轉動慣量特性，根部姿態隨機的采后甘藍逐漸繞其中心軸動態穩定運動，實現根部姿態一致性的定向輸送作業。

2 關鍵部件結構及參數設計

2.1 翻轉卸料機構

翻轉卸料機構主要由機架、推動氣缸、翻轉主軸、翻轉架、甘藍箱、側擋板、卸料板、卸料氣缸、合頁等組成，如圖2a所示。翻轉架通過翻轉主軸與機架固定，并在推動氣缸伸出作用下實現其翻轉作業；隨后，通過合頁鉸接與翻轉架固定的卸料板在卸料氣缸收縮作用下逐漸打開，進而實現采后甘藍的卸料作業。同時，甘藍箱上方設有側擋板，以防止翻轉卸料過程中采后甘藍發生掉落。具體控制流程如圖2b所示。

為保證采后甘藍順利完成翻轉卸料作業，需對推動氣缸和卸料氣缸的運動行程進行計算，如圖3所示，圖中點A和B分別為推動氣缸固定鉸鏈中心點和翻轉主軸中心點，點D和E分別為卸料氣缸固定鉸鏈中心點和合頁銷軸中心點。

推動氣缸和卸料氣缸推桿由初始位置(點C和點F)運動至最終位置(點C′和點F′)后，翻轉架和卸料板形成的卸料平面傾角應大于采后甘藍的休止角。測得采后甘藍的休止角約為10°，故翻轉架的翻轉角α1應不小于100°，卸料板的翻轉角β1應不小于90°。由三角形邊長關系和氣缸結構可知，推動氣缸和卸料氣缸應滿足

(1)

(2)

式中lAC、lAB、lBC——初始位置時推動氣缸線段AC、AB、BC的長度，mm

α0——翻轉架初始角，(°)

lAC′——推動氣缸伸出后的長度，mm

lBC′——線段BC′的長度，與線段BC的長度相等，mm

lDF、lDE、lEF——初始位置時卸料氣缸線段DF、DE、EF的長度，mm

β0——卸料板初始角，(°)

lDF′——卸料氣缸收縮后的長度，mm

lEF′——線段EF′的長度，與線段EF的長度相等，mm

根據前期預試驗和仿真結果[29]，翻轉架的翻轉角α1確定為120°，卸料板的翻轉角β1確定為90°；翻轉架的理想初始角α0為0°，卸料板的理想初始角β0為180°。聯立式(1)和式(2)，可得

(3)

根據翻轉架和甘藍箱的結構尺寸，lBC選取為300 mm，lEF選取為400 mm；根據式(3)的計算結果，lAB選取為800 mm，lDE選取為150 mm。將其代入式(1)可知，推動氣缸和卸料氣缸的行程應滿足

(4)

2.2 單層喂入緩沖機構

單層喂入緩沖機構主要由機架、電機、鏈傳動機構、單層喂入輥、緩沖層、保護罩、側擋板、曲面緩沖軌道等組成，如圖4所示。電機通過鏈傳動機構帶動1對覆有緩沖層的單層喂入輥等速相向運動，使空間堆疊的采后甘藍以單層狀態釋放至曲面緩沖軌道，引導其從垂直方向運動轉化為水平方向運動。同時，在單層喂入輥上方和曲面緩沖軌道兩側分別設置有保護罩和側擋板，以防止采后甘藍被鏈傳動機構夾傷或掉落。

采后甘藍單層喂入及曲面緩沖過程如圖5(圖中O1、O2分別為單層喂入輥的旋轉中心，O、O′、O″分別為不同狀態下采后甘藍的質心，P為曲面緩沖軌道起點，S為最速降線的起點，E為曲面緩沖軌道終點)所示，并將采后甘藍簡化為球體進行受力及運動分析。

2.2.1單層喂入階段

采后甘藍在單層喂入階段的受力如圖5a所示。根據達朗貝爾原理[32]，采后甘藍受力平衡方程為

(5)

式中FN1、FN2——采后甘藍所受支撐力，N

f1、f2——采后甘藍所受摩擦力，N

γ——采后甘藍初始喂入角，(°)

G——采后甘藍重力，N

FI——采后甘藍慣性力，N

μ1——緩沖層對采后甘藍的摩擦因數

m——采后甘藍質量，kg

a——采后甘藍加速度，m/s2

經計算可得

(6)

式中g——重力加速度，m/s2

由于采后甘藍從卸料板到單層喂入輥的滾落距離較小，其在喂入瞬間的速度可忽略不計。為保證采后甘藍順利實現低損單層喂入，該瞬間采后甘藍加速度應不小于其重力加速度，即式(6)應滿足

tanγ≤μ1

(7)

其中，緩沖層材料為海綿，其對采后甘藍的摩擦因數μ1測定為0.56，代入式(7)可知γ范圍為0°～ 29.25°；由上文可知，采后甘藍的休止角為10°，故γ范圍為10°～ 29.25°。此外，如圖5b所示，采后甘藍與覆有緩沖層的單層喂入輥的結構關系應滿足

(8)

式中r——采后甘藍半徑，mm

L——單層喂入輥軸間距，mm

R1——緩沖層外半徑，mm

R2——緩沖層最小壓縮半徑，mm

聯立式(7)和式(8)可得

(9)

通過上述分析與初步試驗，采后甘藍初始喂入角γ取值為18°。以“中甘15號”甘藍為試驗對象，其半徑r范圍為59.55～74.51 mm[28]；單層喂入輥軸間距L取值為300 mm，緩沖層外半徑R1取值為95 mm，緩沖層最小壓縮半徑R2取值為70 mm。單層喂入輥轉速n0確定為40～60 r/min[33]，單層喂入輥半徑R取值為45 mm，故海綿厚度為50 mm，壓縮率為50%。

2.2.2曲面緩沖階段

如圖5所示，曲面緩沖軌道的軌跡線主要由在點S處相切的線段PS和最速降線SE兩部分組成。其中，最速降線SE的曲線方程為

(10)

式中x——采后甘藍x軸方向運動距離，mm

y——采后甘藍y軸方向運動距離，mm

rc——最速降線旋轉圓半徑，mm

τ——最速降線旋轉圓滾動角，rad

采后甘藍在曲面緩沖階段的運動符合能量守恒定律，由此可知

(11)

式中v0——采后甘藍脫離單層喂入輥的瞬時速度，m/s

h1——線段PS的垂直高度，m

vS——采后甘藍在點S的瞬時速度，m/s

h2——最速降線SE的垂直高度，m

Wf——摩擦力在最速降線上所做的功，N·m

vE——采后甘藍在點E的瞬時速度，m/s

fi——采后甘藍在最速降線上所受摩擦力，N

ds——最速降線軌跡微元，m

μ2——曲面緩沖軌道對采后甘藍的摩擦因數

聯立式(10)和式(11)，可得

(12)

通過上述分析與擺動沖擊試驗，線段PS的垂直高度h1取值為100 mm，傾角σ取值為75°；最速降線旋轉圓半徑rc取值為125 mm。故最速降線SE的垂直高度h2為250 mm，曲面緩沖軌道的總高度H為350 mm。

2.3 變螺距單體排序機構

變螺距單體排序機構主要由機架、電機、鏈傳動機構、限位輥、防護板、變螺距輸送輥、螺旋肋等組成，如圖6所示。單層喂入的采后甘藍經1對限位輥引導，單體依次進入等速同向轉動的1對變螺距輸送輥形成的通道內；并在螺旋肋推動作用下逐漸實現單體排序輸送。此外，在變螺距輸送輥兩側設置有防護板，以避免采后甘藍在變螺距單體排序過程中發生掉落。

結合工作狀況和經驗公式[34]，變螺距輸送輥直徑應滿足

(13)

式中D——變螺距輸送輥直徑，mm

φ——采后甘藍與變螺距輸送輥的摩擦角，(°)

l——變螺距輸送輥間隙，mm

結合采后甘藍物理參數[28]和設計經驗，變螺距輸送輥間隙l確定為40 mm，變螺距輸送輥直徑D確定為120 mm。兩個變螺距輸送輥上的螺旋肋以180°的初始角交錯安裝，使相同螺距的螺旋肋形成相對穩定的平行空間。螺旋肋采用左旋20 mm的圓鋼，以保證不同尺寸采后甘藍均可實現單體排序。

螺旋肋與變螺距輸送輥交線的展開方程為

(14)

式中Y——螺旋軸向進程，mm

X——螺旋軸回轉長度，mm

S0——最終螺距，mm

N——變螺距圈數

由此可得，螺旋肋與變螺距輸送輥交線的第n圈螺距Sn為

(15)

(16)

式中Yn——第n圈螺旋軸向進程，mm

L0——變螺距輸送輥長度，mm

結合采后甘藍物理參數[28]，螺旋肋最終螺距S0確定為220 mm，變螺距輸送輥長度L0確定為1 200 mm，故變螺距圈數N選取為9。將其代入式(14)和式(15)，并考慮過小螺距不便加工等因素，螺旋肋與變螺距輸送輥交線的各圈螺距分別確定為：S2為36.7 mm，S3為61.1 mm，S4為85.6 mm，S5為110.0 mm，S6為134.4 mm，S7為158.9 mm，S8為183.3 mm，S9為207.8 mm。根據變螺距單體排序機構性能需求，變螺距輸送輥轉速確定為20～40 r/min；限位輥直徑確定為80 mm，限位輥高度確定為200 mm，限位輥間距確定為240 mm。

2.4 錐形輥定向輸送機構

由前期ADAMS仿真結果發現，錐形輥條件下采后甘藍中心軸與輥輪軸線的夾角、定向所需時間、定向成功率等定向指標值均優于圓柱輥[28,30]條件下的定向指標值，故本文采用錐形輥作為采后甘藍定向的核心部件。錐形輥定向輸送機構主要由機架、電機、鏈傳動機構、聯軸器、被動齒輪、支撐軸、錐形輥、齒條等組成，如圖7所示。采后甘藍單體以隨機姿態落入4個錐形輥形成的穩定空間內，并在錐形輥的支持力和摩擦力作用下保持穩定；隨后，采后甘藍在齒輪齒條副作用下隨錐形輥作等速旋轉運動，并因其轉動慣量特性逐漸繞其中心軸線穩定轉動[28]，進而實現采后甘藍的定向輸送。

鏈傳動機構的鏈條上均勻分布若干加長銷，并通過內置軸承的聯軸器與支撐軸連接固定，使其隨鏈條勻速運動；當成對安裝在支撐軸上的被動齒輪與齒條嚙合運動時，成對安裝在支撐軸上的錐形輥隨支撐軸和被動齒輪做同向轉動，如圖8(圖中v1為輸送鏈條線速度，ω1為主動鏈輪角速度，ω2為錐形輥角速度)所示。

基于前期研制的自動調向裝置[30]和預試驗結果，錐形輥最小直徑確定為70 mm，錐形輥錐角確定為20°，錐形輥厚度確定為30 mm。根據主動鏈輪分度圓直徑為154.87 mm，設計配套的鏈傳動機構；采后甘藍定向成功所需時間為6.8 s[28]，齒條長度確定為1 m。為避免采后甘藍因錐形輥間隙過大而掉落，或因其角速度過大而飛出，在預試驗基礎上，錐形輥徑向間隙確定為50 mm，軸向間隙確定為60 mm，錐形輥角速度確定為9～15 rad/s。

3 樣機性能試驗

3.1 材料與設備

2020年11月于西北農林科技大學附近的常樂綜合市場購買新鮮的“中甘15號”甘藍120顆，并在農業農村部農業物聯網重點實驗室進行性能試驗。樣品橫徑范圍為114～128 mm，縱徑范圍為108～124 mm，株高范圍為132～155 mm，質量范圍為527～795 g，球度范圍為87%～94%。

根據關鍵結構及參數設計，對采后甘藍單體排序定向輸送裝置進行了樣機試制，如圖9所示。試驗設備還包括東莞萬創電子制品有限公司生產的AR926型激光測速儀(量程為2.5～99 999 rad/min，精度為±0.05%)，美國微軟公司生產的LifeCam Studio型攝像頭(最高分辨率為2 304像素×1 728像素，最大幀率為30 f/s)，日本OLYMPUS公司生產的i-SPEED型高速攝影機(最大幀率為10 000 f/s)。

3.2 試驗方法

為了探究各關鍵因素對采后甘藍單體排序定向輸送的影響規律，根據采后甘藍單體排序定向輸送過程的受力及運動仿真分析[28-30]和預試驗結果，本文以卸料氣缸運行速度、單層喂入輥轉速、變螺距輸送輥轉速和輸送鏈條線速度為試驗因素，單體排序成功率和定向成功率為試驗指標進行正交試驗，各因素的取值范圍如表1所示。其中，輸送鏈條線速度與單體排序成功率不相關，故在以單體排序成功率為試驗指標的正交試驗中將其設置為空列處理。每組試驗以30顆采后甘藍為試驗樣本且重復3次，取平均值作為試驗結果。

表1 正交試驗因素水平

單體排序成功率通過高速攝影技術進行量化分析[29]，具體步驟如下：

(1)基于高速攝影機獲取采后甘藍的單體排序實時視頻，視頻編碼格式為hsv，拍攝幀率為500 f/s。

(2)利用i-SPEED Suit軟件以60幀的間隔時間進行分幀處理，從而得到對應圖像。

(3)分別從坐標紙5個不同位置選取標準尺寸為150 mm的區域，在高速攝影中計算可知其對應的像素數平均值為137，故設定比例系數為0.913。

(4)選取采后甘藍的質心為人工提取特征點，以此得到該瞬間各采后甘藍的坐標位置，進而得到相鄰采后甘藍的間距，如圖10所示。

目前尚無采后甘藍單體排序效果的標準，借鑒鮮杏單體排序性能指標[12]，將一個螺距內有且僅有一個采后甘藍，即目標采后甘藍與下一采后甘藍的間距不小于207.8 mm時，定義為單體排序成功。

定向成功率通過圖像處理技術進行量化分析[28,30]，通過Photoshop軟件標尺工具分別得到俯視圖像和側視圖像中采后甘藍中心軸與錐形輥軸線的夾角δ1和δ2，如圖11所示。

采后甘藍中心軸與錐形輥軸線的夾角δ計算式為

(17)

結合采后甘藍根部整修需求[3]，將采后甘藍繞中心軸以固定角度穩定運動，且采后甘藍中心軸與錐形輥軸線的夾角不大于10°，視為定向成功。

3.3 結果與分析

3.3.1單體排序成功率

采后甘藍單體排序正交試驗結果如表2所示，A、B、C分別表示卸料氣缸運行速度、單層喂入輥轉速、變螺距輸送輥轉速的水平值。由極差分析可知，試驗因素對單體排序成功率的影響主次順序為卸料氣缸運行速度、變螺距輸送輥轉速、單層喂入輥轉速，最優參數組合(單體排序成功率最高)為A1B2C2。

表2 單體排序正交試驗結果

3.3.2定向成功率

采后甘藍定向正交試驗結果如表3所示，D表

表3 定向正交試驗結果

示輸送鏈條線速度的水平值。由極差分析可知，試驗因素對定向成功率的影響主次順序為輸送鏈條線速度、卸料氣缸運行速度、變螺距輸送輥轉速、單層喂入輥轉速，最優參數組合(定向成功率最高)為A1B2C2D2。

對比表2和表3可知，在相同參數組合下，定向成功率均小于單體排序成功率，即單體排序是采后甘藍實現自動定向的前提。綜合考慮采后甘藍單體排序和定向輸送效果，最優參數組合確定為A1B2C2D2，即卸料氣缸運行速度為10 mm/s、單層喂入輥轉速為50 r/min、變螺距輸送輥轉速為30 r/min、輸送鏈條線速度為300 mm/s。

3.4 試驗驗證

為了驗證參數優化結果，隨機選取“中甘15號”甘藍60顆，以最優參數組合(卸料氣缸運行速度為10 mm/s、單層喂入輥轉速為50 r/min、變螺距輸送輥轉速為30 r/min、輸送鏈條線速度為300 mm/s)，在采后甘藍單體排序定向輸送裝置上進行試驗驗證，試驗結果如表4所示。

表4 驗證試驗結果

試驗結果表明，采后甘藍單體排序定向輸送裝置在最優參數組合下單體排序成功率平均值為(96.50±2.54)%，定向成功率平均值為(95.17±3.28)%，基本滿足采后甘藍商品化處理的需求。此外，由于該裝置為試驗樣機，尺寸較小，單通道作業效率約為1 004 kg/h，后續將通過多通道組合作業進一步提高作業效率。

4 結論

(1)提出一種采后甘藍單體排序定向輸送方法，對翻轉卸料機構、單層喂入緩沖機構、變螺距單體排序機構、錐形輥定向輸送機構等關鍵部件進行了結構設計，試制了采后甘藍單體排序定向輸送裝置樣機，并進行了性能試驗。

(2)正交試驗表明：影響單體排序成功率的主次順序為卸料氣缸運行速度、變螺距輸送輥轉速、單層喂入輥轉速；影響定向成功率的主次順序為輸送鏈條線速度、卸料氣缸運行速度、變螺距輸送輥轉速、單層喂入輥轉速。最優參數組合為卸料氣缸運行速度10 mm/s、單層喂入輥轉速50 r/min、變螺距輸送輥轉速30 r/min、輸送鏈條線速度300 mm/s。

(3)驗證試驗表明，在最優參數組合下，采后甘藍單體排序定向輸送裝置單體排序成功率平均值為96.50%，定向成功率平均值為95.17%，標準差分別為2.54%、3.28%，單通道作業效率約為1 004 kg/h。本研究可為采后甘藍商品化處理系統的研發提供條件支撐與理論依據。