雞蛋分級包裝系統(tǒng)的設(shè)計與實驗

周二剛

雞蛋分級包裝系統(tǒng)的設(shè)計與實驗

周二剛

（山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太原 030032）

為了提高我國鮮雞蛋分機加工的效率和質(zhì)量，需設(shè)計一臺高效、穩(wěn)定的雞蛋分級包裝生產(chǎn)線。根據(jù)雞蛋分級加工包裝的具體需求，基于凸輪齒輪等機械結(jié)構(gòu)的傳動原理，設(shè)計一臺雞蛋分級包裝生產(chǎn)線，此雞蛋分級包裝生產(chǎn)線由一臺1 000W的電動機驅(qū)動，通過鏈及齒輪等傳動，實現(xiàn)雞蛋的稱量、分級、裝托等工序。按設(shè)計加工完成后，安裝樣機并進行實驗，得出此雞蛋分級包裝系統(tǒng)測量誤差正確分級率為97%，對100枚雞蛋重復(fù)20次實驗僅有3枚破損，破損率較低。經(jīng)測試，其生產(chǎn)率最高為35 000枚/h。此雞蛋分級包裝系統(tǒng)設(shè)計達到了設(shè)計要求，符合市場需求，為國內(nèi)雞蛋初加工提供了一種技術(shù)方案。

雞蛋；分級包裝；結(jié)構(gòu)設(shè)計；實驗

隨著人們生活質(zhì)量的提高，對食品的品質(zhì)要求越來越高，雞蛋作為日常餐桌上重要的組成，其品質(zhì)越來越受到重視，人們越發(fā)注重它的品質(zhì)和品牌，對鮮蛋進行分級、包裝，形成品牌效應(yīng)的需求越來越高[1-3]。雞蛋分級包裝是雞蛋售前處理的一道重要工序，目前，發(fā)達國家對雞蛋分級包裝的效率較高，其分級包裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率最高能達到18萬枚/h，而國內(nèi)市場上一般的雞蛋稱量分級機生產(chǎn)效率普遍為20 000枚/h左右[4-6]。文中結(jié)合一般中小型企業(yè)對雞蛋分級包裝的實際需求，研究了一臺生產(chǎn)效率為35 000枚/h的雞蛋稱量、分級包裝生產(chǎn)線。

1 雞蛋分級包裝生產(chǎn)線的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

此雞蛋分級包裝生產(chǎn)線主要由稱量部分、翻轉(zhuǎn)分級裝置、自動降托機、傳送蛋盤部分、自動裝托部分和機架等組成。

雞蛋從圖1中箭頭位置進入生產(chǎn)線，沿6條輸送線進入電子稱量，電子稱量采用的是零速稱量[7]，即在稱量時雞蛋是靜止的；電子稱量后，雞蛋被撥板送入翻轉(zhuǎn)分級裝置，使雞蛋的大頭朝上，并將6條輸送線上的雞蛋并為單排；在雞蛋稱量完成時，上位機已經(jīng)對每個雞蛋做了定位和分級，通過PLC控制相應(yīng)的卸料電磁閥，將每個等級的雞蛋分入相應(yīng)的蛋盤中，然后蛋盤會進入相應(yīng)的裝托機中，各個等級的降托機在上位機的控制下會自動將紙漿蛋盤降落，從而實現(xiàn)雞蛋的稱量分級包裝。

1.稱量部分；2.翻轉(zhuǎn)分級裝置；3.自動降托機；4.傳送蛋盤部分；5.自動裝托部分；6.機架。

雞蛋分級包裝生產(chǎn)線的傳動原理見圖2，雞蛋分級包裝生產(chǎn)線由一臺1 000 W的電動機驅(qū)動，電動機通過鏈傳動將動力傳輸給傳動軸，過渡鏈輪1、過渡鏈輪2、過渡鏈輪3均與傳動軸固連，通過過渡鏈輪3將動力傳送到稱量裝置，通過過渡鏈輪1將動力傳送到翻轉(zhuǎn)分級裝置，稱量部分和翻轉(zhuǎn)分級部分的動力通過一個電機輸出，其動作能夠協(xié)調(diào)一致，從而降低雞蛋的破損率。

稱量鏈輪、稱量張緊鏈輪、齒輪1、齒輪2及其他連接鏈輪組成稱量部分的輸送鏈，其中稱量張緊鏈輪為張緊輪，齒輪1與齒輪2的材料為塑料，齒輪1與撥蛋板固連在一起，在稱量輸送鏈上，每4個鏈節(jié)裝有一個托輥，送鏈上的鏈輪齒數(shù)均為16齒，鏈輪每轉(zhuǎn)1周，處理4排雞蛋，旋轉(zhuǎn)撥蛋板也剛好轉(zhuǎn)1周。輸送線主動鏈輪、輸送線張緊鏈輪、翻轉(zhuǎn)鏈輪及其他連接鏈輪組成單排分級輸送鏈，其動力通過過渡鏈輪1傳輸，其中輸送線張緊鏈輪為張緊輪。翻轉(zhuǎn)鏈輪、翻轉(zhuǎn)偏心鏈輪和其他連接鏈輪組成翻轉(zhuǎn)部分，其動力通過翻轉(zhuǎn)鏈輪傳輸，翻轉(zhuǎn)擺桿鏈輪是張緊輪，翻轉(zhuǎn)擺桿鏈輪也起過渡的作用，翻轉(zhuǎn)偏心鏈輪與翻轉(zhuǎn)小鏈輪相連接，而翻轉(zhuǎn)小鏈輪與6個執(zhí)行單元相連。

1.稱量鏈輪；2.稱量張緊鏈輪；3.輸送線主動鏈輪； 4.輸送線張緊鏈輪；5.翻轉(zhuǎn)鏈輪；6.翻轉(zhuǎn)擺桿鏈輪； 7.翻轉(zhuǎn)偏心鏈輪；8.傳動軸；9.過渡鏈輪1；10.過渡鏈輪2； 11.過渡鏈輪3；12.齒輪1；13.齒輪2；14.翻轉(zhuǎn)小鏈輪。

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 稱量部分

此雞蛋分級包裝生產(chǎn)線上的6條輸送線同時稱量[8-9]。稱量部分結(jié)構(gòu)見圖3，鏈輪每轉(zhuǎn)1周，帶動凸輪和撥蛋片轉(zhuǎn)動1周，4片撥蛋片均勻布置在與凸輪鏈接的軸上，因此鏈輪每轉(zhuǎn)動1周會撥蛋4次，總共24枚雞蛋。凸輪圓周方向均勻分布4個葉片，因此，凸輪每轉(zhuǎn)1周會使搖桿搖擺4次，當(dāng)搖桿向上運動時，雞蛋沿著撥蛋片的滑動到支架上，進行稱量，同時搖桿向下運動，稱量完成后，旋轉(zhuǎn)過來的下一片撥蛋片將雞蛋撥走，使雞蛋沿著導(dǎo)蛋槽進入下一環(huán)節(jié)。導(dǎo)蛋槽的間隔板由橡膠制成，可有效減少雞蛋的損傷。

1.凸輪；2.搖桿；3.稱量傳感器；4.保護傘；5.支撐桿； 6.支架7.導(dǎo)蛋槽；8.撥蛋片；9.齒輪；10.鏈輪。

2.2 翻轉(zhuǎn)部分

雞蛋翻轉(zhuǎn)分級部分為整個生產(chǎn)線的核心部分，其基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，由動力部分、執(zhí)行部分和機架組成。動力部分主要由曲柄鏈輪、擺桿鏈輪、偏心鏈輪及鏈條等組成[10-11]。其中擺桿鏈輪的一端通過1段鏈條和1個拉簧固定在機架上。執(zhí)行部分與動力部分末端的6個鏈輪連接。執(zhí)行部分由6個執(zhí)行單元組成，并通過1根長導(dǎo)桿連接在一起，因此可以使6個執(zhí)行單元的動作一致，從而降低破損率。

圖4 翻轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)

執(zhí)行單元的結(jié)構(gòu)見圖5。稱量完成的雞蛋沿導(dǎo)蛋槽進入蛋托2中，然后蛋夾3落下將雞蛋固定在蛋托上，保證在翻轉(zhuǎn)的過程中雞蛋不脫落，同時保證雞蛋不被夾破，這個力度的把握由夾蛋扭簧10決定[12-14]。執(zhí)行單元在擺桿7的帶動下逆時針旋轉(zhuǎn)，在導(dǎo)桿1的作用下，蛋托順時針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)竭_最低點時，蛋夾松開，雞蛋實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，蛋夾松開的位置由扇形板5決定，然后雞蛋掉入分級通道中。動作完成后執(zhí)行單元在復(fù)位扭簧9的作用下實現(xiàn)復(fù)位，重復(fù)上述動作。

1.導(dǎo)桿；2.蛋托；3.蛋夾；4.彈片；5.扇形板；6.固定塊；7.擺桿； 8.撥桿9.復(fù)位扭簧；10.夾蛋扭簧；11.安裝板；12.軸套。

2.3 裝托部分

裝托部分的結(jié)構(gòu)是一個曲柄滑塊機構(gòu)，裝托單元組件在曲柄和導(dǎo)桿的作用下進行上下運動。其結(jié)構(gòu)如圖6所示，由于雞蛋的外形差異較大，所以托盤的中心距差異較大。目前，市場上的雞蛋托盤的中心距一般為47～53 mm，為了使裝托機構(gòu)適應(yīng)不同中心距的托盤，設(shè)計有不同安裝孔的調(diào)節(jié)板，通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)板上條孔的安裝位置來配合不同中心距的托盤。

1.曲柄；2.導(dǎo)桿；3.運動板；4.裝托單元； 5.旋轉(zhuǎn)塊；6.調(diào)節(jié)板。

3 樣機實驗

雞蛋分級包裝系統(tǒng)的設(shè)計加工完成后的樣機局部圖見圖7。

圖7 樣機局部圖

在超市購買100枚完好的新鮮雞蛋并將其編號，采用精度為0.01 g的電子稱將每個雞蛋稱量并記錄分級，分級標(biāo)準(zhǔn)：質(zhì)量70～100 g為一級；質(zhì)量63～70 g為二級；質(zhì)量55～63 g為三級；質(zhì)量50～55 g為四級；質(zhì)量45～50 g為五級；然后將100枚雞蛋放入分級樣機中進行分級包裝。

系統(tǒng)將每個雞蛋的稱量數(shù)據(jù)存儲在PLC的寄存器中，讀取寄存器數(shù)據(jù)，然后與電子秤稱量的數(shù)據(jù)進行對比，統(tǒng)計分析后得到100枚雞蛋的測量誤差范圍分布，見表1。

表1 誤差范圍分布

Tab.1 Range of error

由表1分析可得，測量誤差在1 g以內(nèi)的雞蛋數(shù)量占86%，誤差在1.5 g以內(nèi)的雞蛋數(shù)量占96%。

造成誤差的主要原因：雞蛋稱量時靜止時間太短，稱量傳感器不是很靈敏；生產(chǎn)線運行時的振動影響稱量傳感器精度；稱量精度受到控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法的影響[15]。

雞蛋的等級分布見表2，實際查看后得到，1枚實際為三級的雞蛋被分為二級，1枚實際為四級的雞蛋被分為三級，1枚實際為五級的雞蛋被分為四級，因此雞蛋的正確分級率為97%。經(jīng)分析，被分級錯誤的雞蛋質(zhì)量恰好接近于等級分界線，由于存在測量誤差，使得此雞蛋的等級被錯分。

表2 等級分布

Tab.2 Distribution of level

另外，重復(fù)20次實驗后，有3枚雞蛋破損，全部出現(xiàn)在稱量后撥蛋片撥走雞蛋的過程中，分析原因可能是撥蛋片與導(dǎo)蛋槽之間存在一定擠壓，后續(xù)可改進這部分結(jié)構(gòu)。

經(jīng)測試，此雞蛋分級包裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)率最高為35 000枚/h，達到設(shè)計要求。

4 結(jié)語

文中針對國內(nèi)雞蛋初加工技術(shù)的短板設(shè)計了一臺雞蛋分級包裝生產(chǎn)線，對其基本結(jié)構(gòu)和工作原理進行了簡要介紹，對其關(guān)鍵部分，即稱量部分、翻轉(zhuǎn)部分和裝托部分的結(jié)構(gòu)作了具體介紹。通過樣機實驗得到，該分級包裝生產(chǎn)線的分級率為97%，具有較小的誤差率和破損率，分級包裝生產(chǎn)率為35 000枚/h，達到了設(shè)計要求，為國內(nèi)雞蛋初加工提供了一種技術(shù)方案。

[1] 馬美湖, 邱寧, 黃茜, 等. 我國蛋品加工業(yè)發(fā)展情況及特點[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù), 2015(2): 26-31.

MA Mei-hu, QIU Ning, HUANG Qian, et al. Development and Characteristics of Egg Processing Industry in China[J]. Agricultural Engineering Technology, 2015(2): 26-31.

[2] 楊寧. 2014年我國蛋雞產(chǎn)業(yè)狀況及發(fā)展趨勢[J]. 中國畜牧雜志, 2015(2): 32-37.

YANG Ning. Current Situation and Development Trends of Chinese Egg Industry in 2014[J]. Chinese Journal of Animal Science, 2015(2): 32-37.

[3] 鐘鈺, 劉合光, 秦富. 我國蛋品企業(yè)出口問題調(diào)查[J]. 農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備, 2010(23): 9-10.

ZHONG Yu, LIU He-guang, QIN Fu. Investigation on Export Problems of Egg Products Enterprises in China[J]. Agricultural Technology & Equipment, 2010(23): 9-10.

[4] 馬美湖. 我國蛋品工業(yè)科技成就、差距及發(fā)展前景的探討[J]. 中國家禽, 2002(19): 33-39.

MA Mei-hu. Discussion on Scientific and Technological Achievements, Gaps and Development Prospects of China's Egg Industry[J]. China Poultry, 2002(19): 33-39.

[5] LAWRENCE K C, YOON S C, JONES D R, et al. Modified Pressure System for Imaging Egg Cracks[J]. Transactions of the ASABE, 2009, 52(3): 983-990.

[6] 王樹才. 我國蛋品加工裝備制造業(yè)的發(fā)展之路[J]. 中國禽業(yè)導(dǎo)刊, 2009, 26(12): 11-13.

WANG Shu-cai. Development Road of Egg Processing Equipment Manufacturing Industry in China[J]. Guide to Chinese Poultry, 2009, 26(12): 11-13.

[7] 王樹才, 夏高兵, 周雨程, 等. 禽蛋分級生產(chǎn)線零速電子稱量裝置: 中國, 203952126U[P]. 2014-11-26.

WANG Shu-cai, XIA Gao-bing, ZHOU Yu-cheng, et al. Zero-Speed Electronic Weighing Device on Egg Grading Production Line: China, 203952126U[P]. 2014-11-26.

[8] 薛少平, 閻勤勞, 朱琳, 等. 偏心鏈輪傳動裝置的運動特性分析[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2001(5): 127-130.

XUE Shao-ping, YAN Qin-lao, ZHU Lin, et al. The Characteristic Analysis on Transmission of Cam Chain Wheel Gearing[J]. Journal of Northwest A & F University (Natural Science Edition), 2001(5): 127-130.

[9] QU Qing-wen, WANG Shao-qing, SUN Tian-ke, et al. Trajectory Comprehensive Analysis on Double Eccentric Wheel Drive System[C]// Digital Manufacturing and Automation (ICDMA), 2012 Third International Conference on IEEE, 2012: 998-1001.

[10] 楊莉, 馬賽, 賀剛, 等. 往復(fù)式切割器偏心輪曲柄擺桿機構(gòu)運動仿真[J]. 農(nóng)業(yè)工程, 2015(1): 59-62.

YANG Li, MA Sai, HE Gang, et al. Movement Simulation of Eccentric Wheel Crank Swing Link Mechanism of Reciprocating Cutter[J]. Agricultural Engineering, 2015(1): 59-62.

[11] 肖蓉川, 楊柳嫦. 偏心鏈輪機構(gòu)在顆粒包裝機中的分析與設(shè)計[J]. 包裝工程, 2008, 29(7): 50-52.

XIAO Rong-chuan, YANG Liu-chang. Analysis and Design of Eccentric Sprocket Mechanism for Particles Automatic Packaging Machine[J]. Packaging Engineering, 2008, 29(7): 50-52.

[12] 徐敏雅. 三通道禽蛋分級生產(chǎn)線總體設(shè)計及包裝機的研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2013: 25-26.

XU Min-ya. Overall Design of Three-Channel Egg Grading Production Line and Research on Packaging Machine[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2013: 25-26.

[13] 張晨. 基于單片機的禽蛋檢測分級與包裝控制系統(tǒng)研究[D]. 呼和浩特: 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué), 2013: 38-40.

ZHANG Chen. Research on the Control System of Egg Detection, Grading and Packaging Based on Single Chip Microcomputer[D]. Hohhot: Inner Mongolia Agricultural University, 2013: 38-40.

[14] USUI Y, NAKANO K, SAITOU M. Studies on Nondestructive Detection of Abnormal Eggs[J]. Nogyo Shisetsu, 2001(2): 61-62.

[15] 楊春偉. 基于DSP的多通道禽蛋動態(tài)稱量及分級控制研究與開發(fā)[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2016: 43-46.

YANG Chun-wei. Research and Development of Dynamic Weighing and Grading Control of Multi-channel Egg Based on DSP[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2016: 43-46.

Design and Experiment of Egg Grading and Packaging System

ZHOU Er-gang

(Shanxi Polytechnic College, Taiyuan 030032, China)

The work aims to design an efficient and stable egg grading and packaging production line to improve the efficiency and quality of fresh egg processing by extension machine in China. According to the specific requirements of graded processing and packaging of eggs and based on the transmission principle of CAM gear and other mechanical structures, an egg grading and packaging production line was designed. The egg grading and packaging production line was actuated by a 1 000 W motor and was driven by chains and gears to realize the procedures of weighing, grading and loading of eggs. After processing according to the design, the prototype was installed and the experiment was carried out. It was found that the correct grading rate of the measurement error of the egg grading and packaging system was 97%, and 3 eggs were damaged after 20 repeated experiments on 100 eggs, with a low breakage rate. The highest productivity was 35 000 eggs per hour after testing. The egg grading and packaging system designed meets the design requirements, meets the market demand, and provides a technical solution for graded processing of eggs in China.

eggs; grading and packaging; structural design; experiment

TB486

A

1001-3563(2022)19-0268-05

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.19.032

2021–12–15

山西省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃“1331工程”研究專項課題（ZX—18130）

周二剛（1981—），男，碩士，講師，主要研究方向:從事電氣控制，自動控制。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋