紅橙自動分級裝備結構設計*

梁卓賢 ，郭延艷 ，何萬濤

（嶺南師范學院，廣東 湛江 524048）

0 引言

在我國，擁有種類豐富、品質優良的各類橙子，如黔陽冰糖橙、鄰水臍橙、瓊中綠橙等。同時，在廣東省廉江市也有一種譽為中國國家地理標志性產品的廉江紅橙。廉江紅橙是廣東省廉江市特產，產地范圍處于廣東省廉江市青平鎮等八個行政區域，廉江紅橙在當地農業和農村經濟發展中有著十分重要的地位。目前，紅橙以鮮果采摘銷售為主要售賣途徑，因為種植戶多數是個體戶，以小家庭生產為主，所以采后處理水平較低，通常采用人工篩選分級處理，不僅浪費人力，且分級效果不佳、效率低，使得水果產后處理成本增高、品質低并且不能實現紅橙的優質優價，缺乏市場競爭力[1]。相較于人工篩選，機械式自動分級具有效率高、速度快的特點，對水果分級有明顯優勢[2]。市面上已有的水果自動分級裝備雖自動化程度高、效率高，但體積大、價格高，并不適合小規模的農戶使用，所以需要一款體積小、價格低、維護成本低、速度快且效率高的適合散戶使用的紅橙自動分級裝備。

本課題研究的是滾筒式紅橙自動分級機裝備，能有效提高紅橙的分級效率，減少人力的浪費，且分級裝備具有使用壽命長、成本低、易維護、機構簡單等優點，在水果分級篩選過程中能保證紅橙的質量，實現紅橙的優質優價。作為一款簡單便捷且成本低的水果分級裝備，其具有重要的研究意義與應用價值，能滿足小型橙子種植戶對于橙子的分級要求，實現降低成本的目的，增加果農收入。

1 紅橙自動分級裝備的結構設計

1.1 整體方案設計

設計自動分級裝備的目的是提高水果的分級效率。將紅橙分為5 個等級，紅橙直徑≤40 mm 為小果，40 mm~50 mm（含）為中小果，50 mm~60 mm（含）為中果，60 mm~70 mm（含）為大果，﹥70 mm為特大果。滾筒式自動分級裝備的整體結構主要分為傳動機構、分級機構、支撐固定結構、水果喂入和輸出結構，其整體結構如圖1所示。

圖1 滾筒式紅橙自動分級裝備整體結構

1.2 主要機構設計

1.2.1 分級機構的設計

本文設計的分級裝備采用多級滾筒分級機構[3]，多級滾筒分級裝備應用廣泛，不僅用于蔬菜水果和干果分選，還應用于輕工業等行業中固態顆粒的篩選。滾筒式分級裝備具有結構穩定、使用壽命長、維護方便等特點，其結構如圖2 所示。分級機構主要由支架、鏈輪、鏈條、滾筒、分果槽、摩擦輪和干輪構成，其原理是由電機帶動主動鏈輪轉動，鏈輪與鏈條嚙合傳動，帶動從動鏈輪轉動，從動鏈輪與滾筒由傳動軸相連，進而帶動四個滾筒勻速轉動，當紅橙的尺寸小于滾筒孔徑時掉落到分果槽上，尺寸較大的紅橙在滾筒的帶動下繼續向下一級滾筒滾動[3]。

圖2 分級機構結構

1.2.2 滾筒結構的設計

滾筒的材料為硬質塑料，其結構采用網孔式。區別于柵條式滾筒，網孔式滾筒不用設置一定的傾斜角度，各個分級滾筒的尺寸一致，直徑都為250 mm，根據滾筒的孔徑大小從小到大依次排列設置在支架上。根據分選的目標將紅橙分為5 級，因此設置四個等級的滾筒，一級滾筒的孔尺寸為40 mm，二級滾筒的孔尺寸為50 mm，三級滾筒的孔尺寸為60 mm，四級滾筒的孔尺寸為70 mm，大于70 mm的紅橙會被第四級滾筒帶到最后一個分果槽上，以此完成5級的分選。

1.2.3 分果槽的設計

本文設計的分級機構采用的是內置分果槽滾筒式分級機構[4]，滾筒的直徑與分果槽寬度接近，這樣設計使得分果槽與滾筒內壁的縫隙較小，結構緊湊，避免分級出來的紅橙從縫隙掉出而不落到分果槽上。分果槽通過鋼管支架以一定的傾斜度銜接在滾筒內部，當紅橙從分級孔掉落到分果槽上時，紅橙由于重力作用而發生滾動，在分果槽的出料口上加裝分級袋或者果籃，用來收集分離出分級機構的紅橙。

2 電機型號的選擇

本文設計的滾筒從一級到四級每排的分級孔分別是5 個、5 個、4 個、4 個，每個滾筒每次分級最多有三排分級孔可以帶動紅橙進行下一級的分選，所以分級機構一次最多可以帶動54 個紅橙進行分級。為了使紅橙進入分級機構的速度與分級機構滾筒的轉速一致，需分析喂料機構輸送帶的轉速。分級機構平均每分鐘需要分級300 個紅橙，則喂料機構每分鐘需要喂入分級機構300 個紅橙。假設相鄰兩根滾杠之間平均每次可帶動5 個紅橙，且滾杠間距為70 mm，取安全系數為2，則喂料機構每分鐘輸送紅橙的距離為：

由上式可得，喂料機構輸送紅橙的速度為：

查閱資料可知，平均單個紅橙的重量為165 g，即喂料機構每分鐘輸送紅橙的總質量為：

本文設計的喂料機構和分級機構均采用鏈輪傳動，而鏈傳動平均傳動比準確，傳動效率高，軸間適應范圍較大，能在溫度較高、濕度較大的環境中使用[5]。兩個機構均采用z=21 齒的鏈輪[6]，因此傳動比為1，采用鏈號為16B 的鏈條，根據《機械設計手冊》[7]可查得，鏈號為16B的鏈條的節距為p=25.4 mm。

則鏈輪的分度圓直徑為：

則可算得喂料機構的鏈輪轉速[8]為：

鏈輪帶動紅橙運動的最小受力F1為：

式中，μ——紅橙和滾杠的摩擦系數，因為紅橙是在兩根滾杠之間，故μ=1；m——運輸紅橙的總質量，由上述可知，m=49.5 kg；ɡ——重力加速度，取ɡ=9.8 m/s2；θ——鏈條與水平面所成夾角，經測量得θ=4.92°。

根據上述數據，可算得：

因此，電機帶動喂料機構轉動的功率為：

由上文可知，分級機構中的滾筒一次性帶動紅橙所要承受的最多的力為：

式中，m1——54 個紅橙的總質量。

在設計時，需要考慮到裝備的損壞與安全問題，取安全系數k=2，因此電機需要為滾筒提供的轉矩為：

式中，R——滾筒半徑，R=0.125 m。

因為分級機構的滾筒和喂料機構的輸送帶轉速一致，因此n1=n2=15.75 r/min，則根據上述數據可算得電機在分級機構中所需的功率為：

故電機所需的總功率為：

根據計算的結果，考慮價格等因素，選擇的電機型號為R37~167-37 的邁傳斜鏈輪減速電機，參數如表1所示。

表1 R37~167-37的邁傳斜鏈輪減速電機參數

3 關鍵結構的校核

3.1 鏈輪的強度校核

本文設計的鏈輪是將電機的功率傳遞到滾筒的轉動軸和喂料機構的前軸上，以此帶動滾筒和喂料機構轉動，擬定電機轉軸上兩個鏈輪的材料為45 號鋼，做調質處理，鏈輪齒數均為z=21，傳動比為1；采用鏈號為16B 的鏈條，其節距為p=25.4 mm，分度圓直徑為D=170.42 mm，即半徑為r=85.21 mm。

由公式（7）可知，鏈輪所受到的力為F1=526.7 N，由此可算得電機帶動鏈輪轉動所需的轉矩為：

在對電機選型中的計算可知，電機需要提供給喂料機構的功率為P1=0.074 kW，鏈輪的轉速為n1=15.75 r/min。

鏈輪所受的約束反力為：

喂料機構的前軸的長度為L1=838 mm，經測量，鏈輪約束點到前軸端點的距離L2=106 mm。可以算得鏈輪的彎矩為：

根據查閱的資料[9]可得，第三強度校核公式為：

式中，M1——鏈輪所受彎矩，由式（15）知M1=663.18 N·m；T2—— 電機對鏈輪的扭矩，由式（1 3）知T2=44.88 N·m；W——抗彎截面系數，易計算得；[σ]——45 鋼的許用應力，查閱資料[10]可知，取[σ]=120 MPa。

代入數據計算得，彎曲應力為：

綜上所述，鏈輪的強度符合要求，可以使用。

3.2 分級機構的軸承校核

分析紅橙自動分級裝備整體對軸承的受力，軸承主要受徑向力而不受軸向力，具體如表2 所示，其徑向動載系數和軸向動載系數分別為X=1，Y=0。通過分析，該分級裝備重量大概為20 kg，則分級機構的軸承當量動載荷為：

表2 徑向動載荷X和軸向動載荷Y

式中，Fr——滾筒一次性帶動紅橙所要承受的最多的力和分級裝備重力的總和。

本文設計的分級裝備，一天工作8 h，每年工作300 d，使用壽命10 年，則分級機構軸承的預估壽命為：

由公式（5）可知，鏈輪的轉速n1=15.75 r/min，則分級機構軸承的基本額定載荷值為：

根據《機械設計基礎》[11]，深溝球軸承型號參照表如表3 所示，依據本文設計的分級機構軸承直徑d=35 mm，選取型號為6007 的深溝球軸承，其額定載荷為Cr=19.8 kN。

表3 深溝球軸承型號參照表

校核分級機構軸承的公式為：

代入數據得：綜上所述，通過對分級機構軸承的校核，所采用的分級機構軸承符合本文設計的要求。

4 總結

本文為實現廉江紅橙的優質優價，設計了一款滾筒式自動分級裝備。在本次設計過程中，為了更直觀地展現出紅橙自動分級裝備，首先利用SolidWorks三維建模軟件進行1∶1 的模型建構，將分級裝備分為喂料機構、分級機構等進行裝配體配合，完成三維實體的建模，確保結構的可裝配性；其次，根據裝備的需求，計算出該裝備傳動時所需的功率，從而完成電機的選型；最后，對分級裝備的鏈輪和軸承等關鍵結構進行校核計算，以確保裝備設計的合理性。