黃水華，黃宗亮

（1.方大特鋼科技股份有限公司，江西 南昌 330012；2.南昌工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江西 南昌 330099）

0 引言

水果分級是水果流入市場銷售的第一個重要環(huán)節(jié)，對水果銷售產(chǎn)生的收益將產(chǎn)生很大的影響。隨著科技的發(fā)展，市面上的水果種類越來越多，人們對水果的品質(zhì)要求也是越來越高，但有些水果往往因?yàn)闆]有進(jìn)行分級篩選直接進(jìn)行銷售，導(dǎo)致水果銷量不佳，收益降低，因此，對水果進(jìn)行分級篩選是提升水果品質(zhì)的重要手段之一，具有現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)意義。

我國是水果種植大國，且產(chǎn)量逐年呈上升趨勢，絕大部分種植戶是農(nóng)村集體和個體戶經(jīng)營，由于種植經(jīng)驗(yàn)和果園經(jīng)營方法不同，產(chǎn)出的水果品質(zhì)也相差很大。水果批發(fā)商若同時收購品質(zhì)不一的水果，銷售時將面臨定價困難或銷量不佳等問題，而在產(chǎn)地進(jìn)行人工分級，不僅勞動強(qiáng)度大，效率低，而且準(zhǔn)確度低[1，2]。鑒于此，本文設(shè)計借鑒市場已有的水果分選裝置結(jié)構(gòu)，擬設(shè)計一款適用于農(nóng)村集體和個體水果種植戶的經(jīng)濟(jì)實(shí)用型“球狀”水果分選裝置，按直徑大小對剛采摘的水果進(jìn)行分級，旨在降低水果種植戶和個體經(jīng)營戶的勞動成本，以及因水果分級不及時而造成堆積產(chǎn)生的果品損耗，提高其生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

1 “球狀”水果分選裝置總體方案

“球狀”水果分選裝置主要結(jié)構(gòu)包括進(jìn)料斗、傳送裝置、傳送裝置支架、分級滾筒、滾筒支架、集料槽、果籃及傳動裝置等，如圖1所示。

圖1 “球狀”水果分選裝置的三維結(jié)構(gòu)

進(jìn)料斗在整個裝置中的主要作用是將水果通過傳送裝置送入分級滾筒進(jìn)行分級，在工作時，先由人工將水果倒入進(jìn)料斗，通過進(jìn)料斗緩沖后的水果到達(dá)傳送裝置，隨后通過傳送裝置進(jìn)入分級滾筒按直徑大小進(jìn)行分級篩選。當(dāng)水果經(jīng)過分級后，落入對應(yīng)的集料槽中，集料槽放有果籃或者其他容器用于收集分級篩選后的水果。傳送裝置除了輸送，還起緩沖作用，水果從出料口出來的時候速度較大，若直接進(jìn)入分級裝置中，可能會出現(xiàn)分級不準(zhǔn)，而傳送裝置的緩沖作用使水果輸送速度降低，提高分級的準(zhǔn)確度。分級滾筒即為分級裝置的主要工作零件，是“球狀”水果分選裝置的關(guān)鍵部分，其作用是將水果按直徑大小進(jìn)行準(zhǔn)確且充分的分級篩選，設(shè)計時將對分級滾筒的生產(chǎn)能力進(jìn)行分析，確定分級滾筒的直徑、長度和轉(zhuǎn)速。傳動裝置的作用則是驅(qū)動分級滾筒轉(zhuǎn)動，使得滾筒內(nèi)的水果一起轉(zhuǎn)動，防止水果卡在分級滾筒間隙中，影響分級效果。

2 進(jìn)料斗設(shè)計

進(jìn)料斗外觀設(shè)計為梯形，用于防止水果倒入進(jìn)料斗后，因流出速度過快而卡在出料口的情況發(fā)生。進(jìn)料斗選用塑性和韌性較好的20鋼，沖壓成型，上方進(jìn)料部分和下方出料部分焊接而成，總高760 mm（其中上方進(jìn)料部分500 mm，下方出料部分260 mm），上寬600 mm，下寬400 mm，厚2 mm，如圖2所示。

圖2 進(jìn)料斗的結(jié)構(gòu)

3 分級滾筒設(shè)計

分級滾筒是分選裝置的關(guān)鍵部分，整個滾筒按分級需求分為五級，各級柵條間隙不同，同級間隙一致。分級滾筒工作時，水果經(jīng)由輸送機(jī)喂入分級滾筒，由于滾筒有一定的角度傾斜，水果在分級滾筒內(nèi)轉(zhuǎn)動的同時落入不同間隙的集料槽內(nèi)，完成水果的分級篩選，超出最大分級間隙的水果則是從滾筒尾部流出，累積一定量后可以再次分級，使水果的分級更加充分。若水果卡在分級間隙則隨著滾筒一起滾動，利用再次被喂入水果產(chǎn)生的壓力或水果間的彈力將卡住的水果壓入集料槽中，水果也不會遭到損壞，有效降低了壞果率。

3.1 分級滾筒生產(chǎn)能力分析

生產(chǎn)能力計算式1[3]：

式中，G為生產(chǎn)能力，T/h；Z為分級滾筒上的柵條間隙總數(shù)目；λ為在1 s內(nèi)從柵條間隙掉下的物料系數(shù)，根據(jù)分級機(jī)形式和物料的性質(zhì)不同，分級滾筒所取的系數(shù)也不同，一般取1.0%～2.5%，形態(tài)較小的取大些，較大的取小些；M為物料的平均質(zhì)量，g。

由式1可知，生產(chǎn)能力G、分級滾筒上的柵條間隙總數(shù)目Z、物料系數(shù)λ與物料平均質(zhì)量M成正比。G由用戶給定，根據(jù)要進(jìn)行分級處理的水果種類測定可得M，將G、λ和M代入式1可求得Z，隨后可按需分配各級應(yīng)有的柵條數(shù)目。

3.2 滾筒直徑和長度確定

取G=1T/h，分級的所用的水果以普通蘋果為例，物料系數(shù)λ取1.0%，普通蘋果的平均質(zhì)量M約為150 g～300 g，本設(shè)計取300 g為例，代入式（1）中，可得分級滾筒的柵條間隙總數(shù)為92個，分級滾筒分為五級，可以按照第一級22個，第二級20個，第三級18個，第四和第五各16個來分配，若將分級滾筒展成平面，則滾筒直徑=分級間隙W1×各級的柵條數(shù)量+柵條寬度W2×各級柵條數(shù)量。

柵條寬度取15 mm，柵條數(shù)量與柵條間隙數(shù)量相等，滾筒的分級間隙分別是第一級60 mm，每一級遞10 mm，最后一級為100 mm。根據(jù)已知的數(shù)據(jù)，可得第一級滾筒直徑為525 mm，第二級滾筒直徑為541 mm，第三級滾筒直徑為544 mm，第四級滾筒直徑為534 mm，第五級滾筒直徑為585 mm。取最大的直徑作為分級滾筒直徑，即分級滾筒的直徑為585 mm，滾筒直徑增大，則各級的柵條寬度需要調(diào)整達(dá)到符合要求的寬度，各級的柵條寬度W計算式：

由式（2）計算可得，第一級柵條寬度為23.5 mm，第二級柵條寬度為22 mm，第三級柵條寬度為22 mm，第四級柵條寬度為25 mm，第五級的柵條寬度為15 mm。

根據(jù)分級滾筒的最佳直徑和長度之比1∶（4～6），本設(shè)計取1∶4，得到分級滾筒長2340 mm，如圖3所示。

圖3 分級滾筒的結(jié)構(gòu)

3.3 分級滾筒的轉(zhuǎn)速確定

分級滾筒在工作時，以一定的速度轉(zhuǎn)動，帶動筒內(nèi)水果一起轉(zhuǎn)動以達(dá)到充分分級的目的。分級滾筒在運(yùn)轉(zhuǎn)時，筒內(nèi)水果的離心力應(yīng)大于水果的重力，才能保證水果不會緊貼在分級滾筒內(nèi)部無法分離，導(dǎo)致水果無法進(jìn)入柵條分級間隙，這對分級效率有較大的影響。若分級滾筒轉(zhuǎn)速過高，又會導(dǎo)致水果卡在分級間隙，影響分級滾筒的正常工作，對分級效率同樣有較大影響。柵條滾筒的最高轉(zhuǎn)速應(yīng)該滿足式（3），最低轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足式（4）。

式中，N為分級滾筒轉(zhuǎn)速，r/min；g為重力加速度，9.8 N/m2；R為分級滾筒半徑，m；f為水果與分級滾筒的摩擦系數(shù)，約為0.14～0.4。

已知分級滾筒直徑為585 mm，代入式（3）和式（4）中，可計算得出分級滾筒的最高轉(zhuǎn)速約為55 r/min，最低約為21 r/min。

4 分級滾筒有限元分析

分級滾筒是整個裝置里的重要零件，其強(qiáng)度直接影響到水果分級裝置的水果分級效率和使用壽命，因此對分級滾筒進(jìn)行有限元分析是有必要的。分級滾筒在工作時會不斷承受水果的沖擊以及水果的壓力，因此要對分級滾筒做靜應(yīng)力分析是非常有必要的，即校核工作時的分級滾筒的位移、應(yīng)力、應(yīng)變的分布情況。在本設(shè)計中，所使用的有限元分析工具為SolidWorks三維建模軟件中的SOLIDWORKS Simulation功能插件。

打開SolidWorks軟件，在文件夾中找到已經(jīng)建好的分級滾筒模型，打開模型，然后在工具中找到插件，點(diǎn)擊插件，勾選SOLIDWORKS Simulation，點(diǎn)擊確定后等待新算例的建立完成，新算例設(shè)置完成后進(jìn)入新算例界面，選擇靜應(yīng)力分析，在新算例界面選擇好材料并將其應(yīng)用到分級滾筒上，點(diǎn)擊新算例界面上的網(wǎng)格，點(diǎn)擊生成網(wǎng)格，進(jìn)入網(wǎng)格劃分界面，選擇合適的網(wǎng)格密度，選擇基于曲率的網(wǎng)格，設(shè)置好最大單元大小和最小單元大小，點(diǎn)擊確定，生成網(wǎng)格。

通過以上對分級滾筒模型設(shè)置好的約束和載荷后，對此算例進(jìn)行求解，得到滾筒應(yīng)力分析（圖4）、位移分析（圖5）和應(yīng)變分析（圖6）。

圖4 滾筒應(yīng)力分析

圖5 滾筒位移分析

圖6 滾筒應(yīng)變分析

通過對分級滾筒的應(yīng)力、位移、應(yīng)變的有限元分析結(jié)果可知，在外部載荷的作用下，越靠近分級滾筒中間形變越嚴(yán)重，且越靠近第五級的柵條處的應(yīng)力越大，從應(yīng)力分布圖進(jìn)行分析，應(yīng)力未超過材料的極限應(yīng)力，故本設(shè)計的分級滾筒是安全可靠的。

5 結(jié)語

“球狀”水果大小分選機(jī)主要由進(jìn)料斗、傳送裝置、分級裝置以及集料槽和電動機(jī)組成，先由人工將水果裝入送料斗，水果從送料斗落入傳送裝置，經(jīng)由傳送裝置送入分級裝置分級后，分級裝置在低速電動機(jī)帶動下緩慢轉(zhuǎn)動，帶動里面的水果一起轉(zhuǎn)動，防止水果卡在分級間隙，加快了分選速度，分級后的水果落入分級裝置下方的集料槽，完成水果分選。水果分選作為衡量水果經(jīng)濟(jì)價值的重要依據(jù)之一，在果農(nóng)和廠商進(jìn)行水果貿(mào)易時，提前篩選分級的水果可根據(jù)等級定價，能有效促進(jìn)我國果業(yè)的發(fā)展，提高水果貿(mào)易效益。