王運(yùn)祥，馬本學(xué)，楊　杰，王　靜，葉晉濤，蔣　偉，呂　琛，張　巍

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　832003)

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雙錐壓縮式哈密瓜承載托輥的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算

王運(yùn)祥，馬本學(xué)，楊杰，王靜，葉晉濤，蔣偉，呂琛，張巍

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832003)

摘要：針對(duì)當(dāng)前水果檢測(cè)分級(jí)過程中大型水果承載托輥形式單一的問題，設(shè)計(jì)了一種新型雙錐壓縮式哈密瓜承載托輥。該托輥不僅能夠?qū)崿F(xiàn)哈密瓜的360°旋轉(zhuǎn)，還能夠在蓄能彈簧的作用下自動(dòng)適應(yīng)不同大小的哈密瓜，增加哈密瓜在旋轉(zhuǎn)過程中的穩(wěn)定性。通過對(duì)100個(gè)成熟哈密瓜樣本進(jìn)行測(cè)量，建立了哈密瓜的質(zhì)量及縱橫徑尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)，并在此數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上對(duì)雙錐壓縮式哈密瓜承載托輥的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：雙錐壓縮式哈密瓜承載托輥的承載范圍為1.5~5kg，錐形滾子的斜邊與中心軸線之間的角度為29°，彈簧剛度為0.169N/mm。本文所設(shè)計(jì)的雙錐壓縮式哈密瓜承載托輥能夠較好地適應(yīng)哈密瓜的檢測(cè)分級(jí)，具有一定的創(chuàng)新性。

關(guān)鍵詞：承載托輥；雙錐滾子；哈密瓜；檢測(cè)分級(jí)

0引言

哈密瓜是我國(guó)新疆地區(qū)的特色水果之一，其產(chǎn)量和種植面積都相當(dāng)大；但是面對(duì)國(guó)際水果市場(chǎng)，出口量并不是很高，主要原因在于我國(guó)哈密瓜產(chǎn)后處理環(huán)節(jié)相對(duì)薄弱。其產(chǎn)后處理水平的高低在很大程度上取決于產(chǎn)后處理設(shè)備。目前，國(guó)外已有相當(dāng)多的關(guān)于水果檢測(cè)分級(jí)方面的研究，且已經(jīng)產(chǎn)生了部分水果檢測(cè)分級(jí)的設(shè)備[1-3]；而國(guó)內(nèi)有關(guān)水果的產(chǎn)后處理設(shè)備還較少，特別是對(duì)于哈密瓜這樣的大型水果。國(guó)內(nèi)在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域已經(jīng)有越來越多的學(xué)者結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)開始對(duì)各種水果進(jìn)行研究[4-5]，并設(shè)計(jì)了部分水果產(chǎn)后處理設(shè)備。其中，徐惠榮、應(yīng)義斌等人，在其文章“雙錐式滾子水果輸送翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的研究”當(dāng)中就提出了一種利用雙錐式滾子來承載水果的方法[6]，而這種方式的承載托輥卻對(duì)于水果形狀和體積都有一定的要求。

通常情況下，機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)水果的檢測(cè)過程大多需要將水果進(jìn)行均勻翻轉(zhuǎn)，以獲得水果的全表面信息，因此用于承載和旋轉(zhuǎn)水果的機(jī)械裝置便成了水果檢測(cè)裝置的關(guān)鍵部件。它即要實(shí)現(xiàn)水果的旋轉(zhuǎn)和輸送功能，又要保證水果在輸送過程中的穩(wěn)定性，這就需要對(duì)承載托輥的形式進(jìn)行深入研究。目前，最常見的承載托輥的形式主要有直托輥[7]、直圓錐型托輥[8]及雙錐式托輥[6]等。這些類型的承載托輥雖然能夠在一定程度上適應(yīng)水果的檢測(cè)分級(jí)，但其在水果的輸送和旋轉(zhuǎn)過程中所表現(xiàn)出來的穩(wěn)定效果卻存在著較大的差異。對(duì)于我國(guó)新疆地區(qū)的特色水果—哈密瓜來說，由于其自身的地域特色，雖然已有部分學(xué)者對(duì)于其品質(zhì)信息進(jìn)行了相關(guān)研究，如李鋒霞、馬本學(xué)等人，在其文章“哈密瓜堅(jiān)實(shí)度的高光譜無損檢測(cè)技術(shù)”中對(duì)哈密瓜品質(zhì)的研究[9]；但是有關(guān)其分級(jí)機(jī)械方面的研究較少，缺乏相應(yīng)的分級(jí)設(shè)備。為此，本文針對(duì)我國(guó)新疆地區(qū)哈密瓜的檢測(cè)分級(jí)現(xiàn)狀，通過對(duì)100個(gè)成熟的哈密瓜樣本進(jìn)行測(cè)量獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一種新型的專門針對(duì)哈密瓜等大型水果檢測(cè)分級(jí)的承載托輥，具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)用價(jià)值。

1整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1)整體結(jié)構(gòu)。雙錐式哈密瓜承載托輥主要由承載軸、摩擦輪、傳動(dòng)銷軸、錐形滾子及壓縮彈簧等組成，其結(jié)構(gòu)呈對(duì)稱分布，如圖1所示。其中，承載軸主要用于連接兩端的鏈條輸送帶，并為其他部件提供支撐。錐形滾子用尼龍材料制成，其外輪廓呈斜錐形，內(nèi)部設(shè)有滑動(dòng)孔和彈簧槽，滑動(dòng)孔與承載軸之間為間隙配合，可實(shí)現(xiàn)錐形滾子與承載軸之間的軸向滑動(dòng)和繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)；彈簧槽用于安裝彈簧，并為彈簧提供軸向間距。另外，在錐形滾子的后端面上還設(shè)有3個(gè)均勻分布的絲孔，用于安裝傳動(dòng)銷軸。摩擦輪通過軸承安裝在承載軸上，并通過軸臺(tái)和軸用彈性擋圈實(shí)現(xiàn)軸向定位，可繞承載軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，其外徑大于錐形滾子的大端直徑。在摩擦輪的端面上設(shè)有3個(gè)均勻分布的通孔，其通孔圓心到軸心的距離與錐形滾子上均勻分布的絲孔圓心到軸心的距離相等。傳動(dòng)銷軸一端為螺紋桿，另一端為光滑桿，帶螺紋的一端與錐形滾子實(shí)現(xiàn)螺紋連接，另一端穿過摩擦輪的通孔，并可沿通孔方向自由滑動(dòng)。壓縮彈簧安裝在承載軸上，在錐形滾子和摩擦輪之間，為錐形滾子提供軸向壓緊力。

(a)　主視圖

(b)　錐形滾子左視圖　　　　　　　　　　　　 (c)　錐形滾子剖視圖　　　　　　　　　 (d)　摩擦輪主視圖

基本工作原理：工作時(shí)，雙錐型壓縮式哈密瓜承載托輥按照一定的間距均勻分布在鏈條輸送帶上，鏈條輸送帶帶動(dòng)承載托輥整體向前運(yùn)動(dòng)；承載托輥向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，摩擦輪在外部摩擦力的作用下自主轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過通過傳動(dòng)銷軸帶動(dòng)錐形滾子轉(zhuǎn)動(dòng)；哈密瓜位于兩組承載托輥的4個(gè)錐形滾子之上，在錐形滾子的摩擦作用下實(shí)現(xiàn)自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又在鏈條輸送帶的作用下實(shí)現(xiàn)了前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。哈密瓜在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的過程中，由于其自身重力，會(huì)對(duì)錐形滾子產(chǎn)生垂直于其斜面方向的壓力，該壓力的水平分量會(huì)對(duì)彈簧產(chǎn)生一定的壓縮，使得錐形滾子產(chǎn)生軸向移動(dòng)；當(dāng)彈簧被壓縮到一定程度之后，彈簧力與該水平分量相互平衡，進(jìn)而使得哈密瓜處于一種穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)。圖2為雙錐型壓縮式哈密瓜承載托輥承載大、中、小3種類型哈密瓜時(shí)的工作狀態(tài)示意圖。由于哈密瓜自身重量的不同，使得3種工作狀態(tài)下，彈簧的壓縮行程也不同。

(a)　小型哈密瓜承載示意圖　　　　　　　　 (b)　中型哈密瓜承載示意圖　　　　　　　　(c)　大型哈密瓜承載示意圖

本文所設(shè)計(jì)的雙錐型壓縮式哈密瓜承載托輥，在原有雙錐式承載托輥[6]的基礎(chǔ)上，添加了蓄能元件—彈簧，使其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)哈密瓜的直線運(yùn)輸和360°旋轉(zhuǎn)，還能夠自動(dòng)適應(yīng)不同大小的哈密瓜，在結(jié)構(gòu)形式上具有一定的創(chuàng)新性，能夠較好地適用于哈密瓜檢測(cè)分級(jí)。

2托輥承載范圍和極限哈密瓜尺寸的確定

2.1　哈密瓜承載托輥承載范圍的確定

為確定本文所設(shè)計(jì)的雙錐型壓縮式哈密瓜承載托輥的設(shè)計(jì)承載范圍，需要測(cè)量并計(jì)算出哈密瓜的實(shí)際平均質(zhì)量和縱橫徑值等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。針對(duì)當(dāng)前哈密瓜種類繁多、品質(zhì)不一等現(xiàn)象，為使所獲得的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更具有普遍性，選取當(dāng)前新疆地區(qū)種植面積較大的哈密瓜品種—金皇后作為研究對(duì)象，在其成熟期隨機(jī)選取一批哈密瓜樣本共100個(gè)，分別測(cè)量其縱徑、橫徑和質(zhì)量，并建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，然后利用該數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算上述3個(gè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的平均值。

具體測(cè)量過程為：首先，用電子稱測(cè)樣本質(zhì)量；其次，用游標(biāo)卡尺測(cè)量哈密瓜的縱徑和橫徑，并記錄數(shù)據(jù)。其基本數(shù)據(jù)如表1所示。

表1哈密瓜樣本基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)

Table 1The basic database of Hami melon samples

基本數(shù)據(jù)質(zhì)量/kg縱徑/mm橫徑/mm12.5622.516.122.5320.816.233.1923.017.142.7522.715.852.9323.316.163.0022.316.3…………953.2123.316.6963.1423.316.7973.0023.016.3983.4024.117.4992.8022.016.31003.4225.116.7平均值2.77224.5158.0

根據(jù)表1所得100個(gè)哈密瓜樣本的基本數(shù)據(jù)，結(jié)合EXCEL的計(jì)算功能，計(jì)算出這批哈密瓜樣本基本數(shù)據(jù)的平均值為：哈密瓜平均縱徑A平均=224.5mm；平均橫徑B平均=158.0mm；平均質(zhì)量M平均=2.77kg。

根據(jù)哈密瓜樣本的平均質(zhì)量M平均=2.77kg，再結(jié)合當(dāng)前哈密瓜大小的實(shí)際情況，將錐形滾子所能夠承載的哈密瓜的質(zhì)量范圍確定為1.5~5kg，即當(dāng)哈密瓜的質(zhì)量為1.5kg時(shí)，承載托輥處于最小行程狀態(tài)，如圖2(a)所示；而當(dāng)哈密瓜的質(zhì)量為5kg時(shí)，承載托輥處于最大行程狀態(tài)，如圖2(c)所示。

2.2　最大和最小哈密瓜縱橫徑尺寸的確定

為簡(jiǎn)化計(jì)算，本設(shè)計(jì)將不同大小的哈密瓜均看作是密度均勻且相等的橢球體，并根據(jù)2.1節(jié)計(jì)算得到的哈密瓜平均縱徑值、平均橫徑值和平均質(zhì)量值，來推算最大和最小哈密瓜的縱橫徑尺寸，相關(guān)計(jì)算如下：

1)平均橢球比計(jì)算，有

γ=A平均/B平均=1.42

式中A平均—哈密瓜平均縱徑；

B平均—哈密瓜平均橫徑。

由此可得，哈密瓜的縱徑A與橫徑B之間的平均比例關(guān)系為

A=1.42B

(1)

2)體積計(jì)算，有

V=4πabc/3

(2)

式中a—哈密瓜橢球體x軸半徑；

b—哈密瓜橢球體y軸半徑；

c—哈密瓜橢球體z軸半徑。

根據(jù)哈密瓜平均橢球模型的特點(diǎn)，式(2)中a為樣本哈密瓜縱徑的1/2，即a=A/2，而哈密瓜的y軸和z軸半徑同為哈密瓜橫徑的1/2，即b=c=B/2。由此式(2)可化簡(jiǎn)為

V=πAB2/6

(3)

式中A—哈密瓜縱徑；

B—哈密瓜橫徑。

3)密度計(jì)算，有

ρ=M/V

(4)

式中M—哈密瓜質(zhì)量；

V—哈密瓜橢球體體積。

在哈密瓜密度相等的條件下，由式(1)、式(3)、式(4)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為：最大哈密瓜的縱徑A最大=273.18mm、橫徑B最大=192.38mm，最小哈密瓜的縱徑A最小=182.87mm、橫徑B最小=128.78mm。對(duì)相關(guān)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，得到哈密瓜承載托輥的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　哈密瓜基本數(shù)據(jù)

3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及彈簧剛度的確定

3.1　錐形滾子的設(shè)計(jì)

3.1.1斜邊與中心軸線之間角度的確定

斜邊與中心軸線之間角度的確定必須要遵循適應(yīng)大多數(shù)哈密瓜的原則。因此，以平均哈密瓜縱橫徑為基本尺寸，建立哈密瓜平均橢圓曲線模型。以該曲線模型作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，根據(jù)哈密瓜檢測(cè)分級(jí)裝置對(duì)哈密瓜旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的要求，結(jié)合承載托輥的實(shí)際尺寸，確定錐形滾子與哈密瓜之間的接觸點(diǎn)位于距離橢圓短軸中心線45~90mm的區(qū)域內(nèi)。該區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)到橢圓短軸中心線的距離占長(zhǎng)軸半徑的40%~80%左右，是哈密瓜的最佳承載區(qū)段。如圖3所示：連接兩極限點(diǎn)得到橢圓的一條內(nèi)接弦，以此弦與水平方向的夾角作為錐形滾子的斜邊與中心軸線之間的夾角，測(cè)得該角度為α=29.06°，修正后取α=29°。

圖3　錐形滾子斜角設(shè)計(jì)圖

3.1.2斜邊長(zhǎng)度的確定

斜邊長(zhǎng)度的確定原則：①閉合狀態(tài)下，最大哈密瓜的輪廓與斜邊相切，切點(diǎn)位于斜邊上限位置；②閉合狀態(tài)下，最小哈密瓜的輪廓與斜邊相切，切點(diǎn)位于斜邊中點(diǎn)附近。斜邊長(zhǎng)度的確定過程如圖4所示，測(cè)得斜邊長(zhǎng)度l=73.8mm。

錐形滾子斜邊與中心軸線之間夾角的確定是以適應(yīng)大多數(shù)哈密瓜為原則的，而斜邊的長(zhǎng)度的確定則必須以最大和最小哈密瓜的縱橫徑尺寸為基礎(chǔ)，這種設(shè)計(jì)方法能夠使承載托輥具有更大的適用范圍。

1.最大哈密瓜橢圓曲線與斜邊的切點(diǎn)

3.2　彈簧剛度的確定

3.2.1受力分析

根據(jù)錐形滾子的結(jié)構(gòu)和哈密瓜的輪廓曲線可知：兩者之間的接觸方式屬于點(diǎn)線接觸，錐形滾子對(duì)哈密瓜的支撐力方向垂直于錐形滾子的斜邊。為簡(jiǎn)化計(jì)算可將錐形滾子對(duì)哈密瓜的支撐力分解到兩個(gè)平面上進(jìn)行受力分析，這兩個(gè)平面分別為過哈密瓜長(zhǎng)軸和承載托輥中心軸的平面及哈密瓜橢圓曲線與錐形滾子接觸點(diǎn)處垂直于承載托輥軸線方向的平面，其對(duì)應(yīng)的受力分析圖分別如圖5和圖6所示。

圖5　圖6的A-A方向截面受力圖

圖6　接觸點(diǎn)處截面受力圖

(5)

2N1sinβ+2N2sinβ-mg=0

(6)

式中F彈—壓縮彈簧對(duì)錐形滾子的壓力；

μ—錐形滾子(尼龍)與滑動(dòng)軸(45號(hào)鋼)之間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)，取μ=0.05；

N1、N2—前后雙錐滾子對(duì)哈密瓜的支撐力F支垂直于承載軸方向的分力，靜態(tài)分析時(shí)N2=N1，且N1=F支cosα；

α—錐形滾子斜邊與中心軸線之間的夾角，α=29°；

經(jīng)計(jì)算可得

(7)

3.2.2彈簧剛度的確定

如圖2(a)、(c)所示，使得雙錐式承載托輥在承載最小哈密瓜時(shí)處于臨界閉合狀態(tài)，承載最大哈密瓜時(shí)處于最大張開狀態(tài)，并且將臨界閉合狀態(tài)下的最小哈密瓜曲線模型與錐形滾子斜面的接觸點(diǎn)作為理想接觸點(diǎn)，即對(duì)于不同大小的哈密瓜來說在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下總在該點(diǎn)處與錐形滾子接觸。因此，最大和最小哈密瓜與錐形滾子的接觸點(diǎn)之間的水平距離即錐形滾子的最大行程。

根據(jù)整機(jī)設(shè)計(jì)要求，按照式(7)分別選取3組不同的間距進(jìn)行計(jì)算彈簧力，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3不同間距條件下彈簧力計(jì)算結(jié)果

Table 3The calculation results of spring force under different

spacing condition

間距/mm最大哈密瓜β角/(°)彈簧力/N最小哈密瓜β角/(°)彈簧力/N彈簧力之差/N10062.26.9852.82.334.6512554.37.6040.92.834.7714547.48.3928.83.854.54

由表3計(jì)算結(jié)果可知：對(duì)于不同大小的哈密瓜來說，隨著承載托輥間距a的增大，其彈簧力也逐漸增大。為使得承載托輥更好地適應(yīng)較大范圍的哈密瓜，結(jié)合整機(jī)裝置的實(shí)際尺寸，選取承載托輥間距為a=125mm。在此間距條件下，承載托輥在承載最大和最小哈密瓜時(shí)，其彈簧力之差為ΔF=4.77N，錐形滾子的最大行程為h=28.2mm。由此，根據(jù)胡克定律計(jì)算彈簧剛度為

k=ΔF/h=0.169N/mm。

4結(jié)論

通過對(duì)100個(gè)成熟哈密瓜樣本的質(zhì)量和縱橫徑值進(jìn)行測(cè)量，建立了哈密瓜基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，并在此數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型雙錐壓縮式哈密瓜承載托輥。這種形式的承載托輥不僅能夠?qū)崿F(xiàn)哈密瓜的360°旋轉(zhuǎn)，還能夠自動(dòng)適應(yīng)不同大小的哈密瓜，有效增加了哈密瓜在旋轉(zhuǎn)過程中的穩(wěn)定性。另外，本文還在上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上對(duì)這種雙錐壓縮式哈密瓜承載托輥的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：雙錐壓縮式哈密瓜承載托輥的承載范圍為1.5~5kg，錐形滾子的斜邊與中心軸線之間的角度為α=29°，彈簧剛度為k=0.169N/mm。

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Design and Calculation for the Parameters of a New Compressible Biconical Carrying Idler for Hami Melon

Wang Yunxiang, Ma Benxue, Yang Jie, Wang Jing, Ye Jintao,

Jiang Wei, Lv Chen, Zhang Wei

(Mechanical and Electrical Engineering College, Shihezi University, Shihezi 832003, China)

Abstract：For the single issue of carrying idler’s types of large fruit in the current Hami melon’s detection and grading process.This paper designed a new biconical carrying idler for Hami melon which can be compressed repeatedly, and the carrying idler can not only achieve Hami melon’s 360°rotating, also can automatically adapt to different sizes of Hami melon under the action of the accumulator spring. This feature effectively increases the stability of Hami melon during the rotation.Through measurement of 100 ripe Hami melon,we established a basic database of Hami melon’s weight, longitudinal diameter and transverse diameter, and designed and calculated for the parameters of the new compressible biconical carrying idler for Hami melon.The results show that, the carrying scope of the new compressible biconical carrying idler for Hami melon is 1.5kg ~ 5kg, the angle between the hypotenuse and the center axis of the tapered roller is 29°,the spring stiffness is 0.169N/mm. The new compressible biconical carrying idler for Hami melon designed by this article can better adapt to the current Hami melon’s detection and grading process, with a certain degree of innovation.

Key words：carrying idler; bicone roller; hami melon; detection and grading

中圖分類號(hào)：S226.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)09-0088-06

作者簡(jiǎn)介：王運(yùn)祥(1985-)，男，山東定陶人，碩士研究生，(E-mail)wyx_asdf@126.com。通訊作者：馬本學(xué)(1970-)，男，新疆石河子人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)mbx_shz@163.com。

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAD19B03)

收稿日期：2015-09-14