近球形硬殼堅果的分級機設計

徐瑞群，王陳陽，鄭艷萍

（鄭州大學機械工程學院，河南鄭州450001）

近球形硬殼堅果的分級機設計

徐瑞群，王陳陽，鄭艷萍

（鄭州大學機械工程學院，河南鄭州450001）

文章提出一種新型的近球形硬殼堅果分級機，該設備以堅果大小分級理論為基礎，含進料分離機構、分級機構和回位機構設計。該機構的完成，不僅能保證較高的分級精度，還能夠實現較高的分級效率。

堅果分級；擠壓；自動回位

隨著消費者對堅果類農產品的食用要求和農業機械化水平的逐步提高，分級已經成為堅果采集后首要的一個環節。堅果的分級有利于后續的加工，更有利于提高農產品附加值，提升優良產品的市場競爭力。

傳統的手工分級已經不能適應當前大產量和有更高分級要求的堅果生產條件，就目前來說，對于球形堅果大小的機械分級方法主要有：配重分級，柵條式滾筒分級，擋板分級，光電式分級等。不同的分級要求有不同的分級方法。配重分級主要以產品重力為分級條件，但是由于堅果類產品質量較小，大小不同的產品其質量的差別不大，因此其分級精度不會太高。柵條滾筒式及擋板式均是按照尺寸分級，兩者區別在于前者通過螺旋管推動堅果通過篩選柵條進行分級，后者使用通過旋轉產生離心力使干果通過擋板分級，兩者都能夠以較高效率進行分級，但是其分級精度不高。文章所研究設備，不僅能保證較高的分級效率，還能保證較高的分級精度。

1 關鍵結構設計

該分級機包括進料分離和分級機構，回位機構等組成。

（1）分離和分級機構設計。分離和分級機構主要包含分離滾筒、助推滾輪、擠壓滾輪、擠壓轉板、擋塊等部分，用于把成堆的堅果分離成排滾落到分級機構，使它們相互之間產生一定間隔，并使之快速通過分級處，進行準確分級。

其工作原理如圖1所示。分離滾筒順時針轉動，堅果從滾道掉落至滾筒槽中，隨著滾筒的轉動，當槽右側下傾時，堅果從滾筒槽中滾落，下落至右側滾道中，在這個過程中，左側堅果無法繼續往前，而實現堅果的分離。分隔時長為滾筒轉動半周的時長。當堅果滾落至右側滾道時，助推滾輪以更快的線速度順時針轉動使堅果加速往前，進入擠壓轉板段。

圖1 分離和分級機構

限制擠壓轉板位置的擋塊結構原理如圖2所示，當堅果尺寸過大時，堅果受到擠壓滾輪的擠壓，同時堅果對擠壓轉板也有一個壓力，進而擠壓板對擋塊產生一個向右的分力使彈簧被壓縮，擋塊右移，當擠壓轉板右端轉動至擋塊尖端處時，擠壓轉板因自身重力和堅果重力而自動往下轉動（至限位點），同時堅果滾落，實現堅果的分級。

圖2 擋塊原理

擠壓轉板設計為槽形結構，這使它在擠壓力和擋塊對其豎向分力的作用下其變形較小，因此當堅果比擠壓轉板和擠壓滾子的距離大于確定值時，擠壓轉板在擠壓處會產生該確定值高度的豎向位移，同時擠壓轉板最右端會有一個更大的豎向位移，所以擋塊對擠壓轉板最右端的位移動作響應更準確，從而提高了分級的精度。

（2）回位機構設計。回位機構主要由偏心輪、滑塊、推桿等組成機構，其主要作用是使因堅果過大擠壓下落的擠壓轉板回復至初始位置，如圖3所示。滑塊固定，可在平面內轉動。工作時，偏心輪軸轉動，帶動偏心輪轉動，連桿隨推桿軸運動，當偏心輪軸心在連桿對應的線上時，連桿右端與偏心輪軸心相距最短或最長，當其距離最長時使之剛好能將擠壓轉板推回初始位置。為了保證回位機構與分離機構的協調性，分離機構的角速度應為偏心輪角速度的兩倍，同時需要調整偏心輪的初始轉角，以使回位的動作滯后于分級的動作。如果堅果尺寸不夠大，能夠順利通過該擠壓轉板段，那么擠壓轉板處于原位置。曲軸轉動不影響擠壓轉板，如果尺寸比預設大，則會將擠壓轉板擠壓掉落下來，一定的滯后時間后，回位機構將擠壓轉板推回。

圖3 回位機構

可以看出，該結構只能夠保證一個產品尺寸臨界值，若需要確定尺寸范圍內的堅果，可以設置多個該結構，逐次分級。

2 機構可行性分析

選取分離滾筒角速度為偏心圓的兩倍，即二者之間的傳動比為2：1，可保證滾筒運送堅果頻率與偏心圓推回運動的頻率一致。

為了保證推回運動不與堅果被滾子擠壓的過程相干涉，必須保證擠壓轉板不同時與推桿和堅果接觸，因此，需要計算出推桿與擠壓轉板的接觸角度。

圖4 接觸角計算

假定推桿與擠壓轉板剛好接觸，于是將推桿與擠壓板的接觸點用滑塊連接起來，如圖4所示，由該結構，得：

式中l1為推桿長度；l2為擠壓板上被推動平面與擠壓板軸心的距離；b為偏心輪軸心至滑塊軸心的距離；r為偏心輪軸心至連接偏心輪和推桿的軸心的距離；γ為偏心輪轉角。

設坐標原點為偏心輪軸心，則(x1,y1）為擠壓板軸心坐標；（x2,y2）為推桿與擠壓板接觸點的坐標；α為點(x1,y1）與點（x2,y2）連線與其上端滾道部分的夾角；β為偏心輪轉動φ角后，擠壓板隨之轉動的角度。

圖4中l1,l2,b,r,x1,y1預先確定時，隨著γ的變化有一個最大值在此基礎上預先給定值β，以保證堅果能夠從板上掉下，而不被卡住，當時，由上式計算可得γ，α的確定的兩組解γ1，α1和γ2，α2（在2π范圍內取解），可得接觸角為由偏心輪轉速和接觸角知在給定限位角β的條件下推桿與擠壓板的非接觸時長t。通過調整各值可以使接觸角變小，前述時間變長。

堅果在尺寸較小即不會從擠壓板上掉落時能否通過滾道與兩個三個主要因素相關，包括堅果通過擠壓板時的速度，擠壓板的滾道部分的長度a（如圖3）和通過擠壓板所允許的時間也就是前述的非接觸時長t。通過調整助推滾輪和擠壓滾子轉速來改變堅果在擠壓板上的運動速度，盡量取較短a值的以保證堅果在時間段t內能通過擠壓板從而使得該結構能夠完成分級功能而不發生干涉。

3 結語

針對農業生產中常見的近球形堅果，設計了一種新分級機，該機構以堅果大小分級理論為基礎進行工作。文章通過對其基本原理的說明和該機構運行的可行性分析，說明該機構的設計是合理的，該機構既能實現更好的分級精度，也能提高分級效率，在實際生產中有一定的應用前景。

［1］高志,劉瑩.機械創新設計［M］.北京：清華大學出版社,2009.

徐瑞群（1994-），男，湖南衡陽人，主要研究方向：機械工程。