基于Inventor的重心變換式水果大小分選機設(shè)計

徐力群　陳旭　姬中林　李懂　相宇

摘 要 為適應(yīng)我國水果種植散戶用機械設(shè)備代替人工分選的需求，利用大小不同的水果重心位置亦不同的原理設(shè)計出一款水果大小分選機。采用Inventor軟件，對水果分選機的送料系統(tǒng)、分選系統(tǒng)、出料系統(tǒng)及機架等主要零部件進行三維建模和裝配，并應(yīng)用集成在Inventor中的ANSYS有限元分析模塊對關(guān)鍵零部件進行應(yīng)力分析。結(jié)果表明：該設(shè)備結(jié)構(gòu)合理，具備精確分選水果大小的功能。

關(guān)鍵詞 水果分選；Inventor；三維建模；裝配；應(yīng)力分析

中圖分類號 TP2 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）15-0005-02

自20世紀(jì)90年代初，我國的水果產(chǎn)量就躍居世界第一位，但產(chǎn)出的水果較國外同類產(chǎn)品價格卻低得多。其主要原因是我國水果的產(chǎn)后處理技術(shù)沒有得到相應(yīng)的發(fā)展和推廣。水果的產(chǎn)后處理包括分選、清洗、打蠟等，其中分選更是產(chǎn)后處理的重中之重。全自動的大型水果分選設(shè)備已經(jīng)在發(fā)達(dá)國家得到廣泛的應(yīng)用，但此類設(shè)備體系龐大、價格昂貴，根本不適合我國以家庭為單位“包產(chǎn)到戶”的分散種植模式。國內(nèi)市場常見的機械式水果分選機原理和篩子類似，此類分選機結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜；但在分選過程中水果與水果之間以及水果與設(shè)備之間容易發(fā)生擠壓、碰撞和摩擦，造成水果表面受損進而影響產(chǎn)品質(zhì)量。這也是該類分選機也沒有得到推廣的重要原因。因此，我國的水果分選大都還是由人工完成，不僅效率不高，而且分選精度也極低。為了提高我國水果產(chǎn)品競爭力，減輕果農(nóng)的勞動強度，現(xiàn)基于Inventor軟件設(shè)計出一款主要針對蘋果、柑橘等在我國水果生產(chǎn)中占很大比重的球狀水果進行分選的重心變換式水果分選機。

1 分選機的工作原理

重心變換式水果分選機的整體結(jié)構(gòu)主要由驅(qū)動系統(tǒng)、送料系統(tǒng)、分選系統(tǒng)、下料軌道、機架等組成。送料系統(tǒng)由料倉、送料軌道及彈性擋板構(gòu)成，將采摘后的水果倒入料倉，水果依靠自重進入送料軌道，經(jīng)彈性擋板的緩沖、定向完成水果輸送的工作。分選系統(tǒng)的主要裝置為數(shù)條運轉(zhuǎn)速度相同但末端位置不同的傳送帶，當(dāng)水果由送料系統(tǒng)進入分選系統(tǒng)后，傳送帶在電動機的驅(qū)動下帶動水果沿?fù)趿习灞谶\動，體型最大的水果由于重心懸空落入下料軌道，體型較小的水果由于重心位置依然處于傳送帶的正上方得以繼續(xù)前進。當(dāng)剩余水果運動到最外層傳送帶末端時，一部分水果因重心隨外層傳送帶的消失而懸空，落入下料軌道。以此類推，當(dāng)只剩下最后一條傳送帶時，體型最小的水果落入對應(yīng)等級的下料軌道，完成水果的精確分級。為了保護水果表面，分別在與水果有接觸的部位安裝上棉墊，以確保水果表皮的柔性接觸。另外，本機采用對稱結(jié)構(gòu)，大大提高了分選機的工作效率。

2 分選機零部件設(shè)計

2.1 料倉的設(shè)計

為了避免水果在出口處形成拱形結(jié)構(gòu)阻塞出料口，料倉選用倉斗式結(jié)構(gòu)，其中影響物料流動的料倉棱角大小為：

式中：h為倉斗垂直高度，mm；a、b為倉斗邊長，mm。

出料口設(shè)計成側(cè)斜式，有效的出口截面積

其中：滿足條件：

式中：D為出料口直徑，mm；為水果平均尺寸，mm。

2.2 送料軌道的設(shè)計

送料軌道與料倉出口平滑連接，軌道上寬下窄，其寬度恰好只能允許單個水果通過，這樣可以確保水果在進入分選系統(tǒng)前整齊地排成一排。軌道末端所設(shè)的彈性擋板，既起到緩沖的作用又可保證水果在進入分選系統(tǒng)的瞬間緊靠擋料板，實現(xiàn)水果的逐個定向輸送。

2.3 分選帶的設(shè)計

分選系統(tǒng)分別由數(shù)條末端位置不同的傳送帶組成，結(jié)構(gòu)簡單，而且?guī)鲃泳彌_吸振、傳動平穩(wěn)的特點保證了水果在分選的過程中始終相對靜止，這就有效克服了傳統(tǒng)機械式水果分選機在分選過程中因振動激烈導(dǎo)致水果與水果之間、水果與機械壁之間相互摩擦、碰撞進而降低產(chǎn)品質(zhì)量的缺點。由于水果所處位置會直接影響重心所在位置，這就要求在設(shè)計時要考慮如何將水果固定在某個位置從而確保重心位置僅與水果的體積大小相關(guān)，故將傳送帶設(shè)計成遠(yuǎn)離擋料板處厚靠近擋料板處薄的形狀，這樣形成的斜面會使水果在整個分選的過程中緊靠擋料板，顯著提高了水果分選機的分選精度。

2.4 擋料板的設(shè)計

分選過程中，水果總是緊靠擋料板隨傳送帶向前運動，為了避免水果因產(chǎn)生的摩擦在傳送帶上打滑，分選機兩側(cè)的擋料板各分布著一排密集的滾杠，以確保整個分選過程中水果隨傳送帶平穩(wěn)向前運動。

2.5 樣機裝配

在Inventor軟件中完成零部件的3D建模后，這些零部件還需進行組裝裝配和裝配干擾檢查，最后裝配后得到整體的裝配圖，如圖3所示。

3 關(guān)鍵零部件校核

綜合考慮該設(shè)備中各零部件的受力情況及重要性，應(yīng)用集成在Inventor中的ANSYS有限元分析模塊對機身和帶輪主軸進行應(yīng)力分析。首先將所建模型進行實體網(wǎng)格劃分，確認(rèn)材料種類，根據(jù)機身和帶輪主軸的使用要求和受力情況添加約束和載荷，最后進行有限元分析計算，得到應(yīng)力分布情況、應(yīng)變和變形狀況，并對不合理的部位進行修改，直至滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

本文基于Inventor軟件實現(xiàn)了重心變換式水果分選機關(guān)鍵零部件的設(shè)計和裝配，直觀地表達(dá)了產(chǎn)品的設(shè)計意圖。事實證明，Inventor軟件在縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，減少設(shè)計上出現(xiàn)原則性錯誤等方面都有著重要意義，為新產(chǎn)品的開發(fā)提供了良好的條件。

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