鮮玉米自動(dòng)分揀機(jī)的研制

李巖舟，黃恩文，王 凱，彭安校，李啟鋒，吳再英

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530000)

0 引言

玉米是一種營養(yǎng)豐富的食糧，營養(yǎng)學(xué)家稱玉米為“谷物黃金”，稱鮮食玉米為“綠色蔬菜”“新型營養(yǎng)保健食品”“長壽食品”等。玉米鮮食還有多種醫(yī)療保健功效，所以玉米已然成為一種重要的蔬菜[1]。中國的玉米產(chǎn)量從2014年的2.156 7億t[2]增長至2015年的2.245 8億t[3],增幅約4.1%，可見我國是玉米生產(chǎn)大國。而收獲的玉米鮮穗在脫離母體后，籽粒養(yǎng)分含量會(huì)發(fā)生變化：一是呼吸作用消耗籽粒中可溶性糖類；二是可溶性糖類迅速轉(zhuǎn)化為淀粉，使籽粒中可溶性物質(zhì)迅速下降，失去商品性質(zhì)。因此，對玉米進(jìn)行分揀和包裝利于鮮食玉米的保鮮，從而便于運(yùn)輸和銷售。由于目前市場主要根據(jù)玉米長度劃分價(jià)格，且部分消費(fèi)者因?yàn)樽约盒枨蠛拖埠玫牟煌瑢τ衩椎拈L度也有不同要求，因此對鮮玉米按長度分揀很有必要。所以，鮮食玉米分揀機(jī)器能順應(yīng)市場的發(fā)展。

通過查閱國內(nèi)外鮮玉米分揀的相關(guān)文獻(xiàn)，可以得到以下分揀方式：人工分揀、光電門分揀和氣吹式分揀。其中，人工分揀效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，分揀不準(zhǔn)確；用光電門檢測鮮玉米長度，由于分揀時(shí)鮮玉米會(huì)帶有粉塵，粉塵影響會(huì)降低測量的精確度和設(shè)備使用壽命；氣吹式分揀鮮玉米要及時(shí)充氣保持氣壓，耗能大。且光電門分揀和氣吹式分揀機(jī)器都存在體積偏大、價(jià)格高的特點(diǎn)，不適合以廣西農(nóng)戶和從事鮮玉米經(jīng)銷的個(gè)體經(jīng)銷商為主的小規(guī)模用戶的需求。

為此，在現(xiàn)有的鮮玉米分揀方法的基礎(chǔ)上，利用自由落體原理，設(shè)計(jì)了一種鮮玉米分揀機(jī)。該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)鮮玉米的分揀，且結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、實(shí)用性強(qiáng)，分揀成功率達(dá)到70%以上。

1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

鮮玉米自動(dòng)分揀機(jī)主要由電機(jī)、動(dòng)力傳動(dòng)部分、自動(dòng)送料斗、玉米滑槽及自動(dòng)分揀裝置組成，如圖1所示。

鮮玉米自動(dòng)分揀機(jī)包括機(jī)架、分揀裝置和驅(qū)動(dòng)裝置。分揀裝置安裝在機(jī)架上，包括傳送部、主動(dòng)輪和從動(dòng)輪，傳送部套在主動(dòng)輪和所述從動(dòng)輪上，并隨主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)；傳送部的頂面能夠放置并運(yùn)輸鮮玉米，在運(yùn)輸過程中，傳送部頂面與鮮玉米的接觸面積逐漸減小，以使鮮玉米的重心位置逐漸偏離傳送部，當(dāng)鮮玉米的重心移除傳送部頂面后，由于重力作用，鮮玉米從傳送部頂面掉落；驅(qū)動(dòng)裝置與所述主動(dòng)輪連接，以提供所述主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)所需的動(dòng)力。

鮮玉米自動(dòng)分揀機(jī)的工作流程，如圖2所示。傳動(dòng)時(shí)，經(jīng)末級鏈條、中級鏈條、初級鏈條帶動(dòng)末級從動(dòng)鏈輪組、次級從動(dòng)鏈輪組和末級傳動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，初級傳動(dòng)軸、次級傳動(dòng)軸和中級傳分由電機(jī)提供動(dòng)力，二級傳動(dòng)鏈輪經(jīng)短鏈條帶動(dòng)初級傳動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)末級傳動(dòng)軸帶動(dòng)主動(dòng)鏈輪組轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.撥齒 2.末級傳動(dòng)鏈輪 3.擋板 4.初級傳動(dòng)軸 5.末級從動(dòng)鏈輪組 6.次級傳動(dòng)軸 7.中級傳動(dòng)軸 8.次級從動(dòng)鏈輪組 9.彈簧支撐 10.送料斗 11.玉米滑槽 12.主動(dòng)鏈輪組 13.末級傳動(dòng)軸 14.一級軸承座 15.電機(jī) 16.大號集物箱 17.中號集物箱 18.小號集物箱 19.特小號集物箱 20.二級軸承座 21.末級鏈條 22.三級軸承座 23.中級鏈條 24.四級軸承座 25.初級鏈條 26.短鏈條 27.中級傳動(dòng)鏈輪 28.末級傳動(dòng)軸 29.初級傳動(dòng)鏈輪 30.五級軸承座 31.六級軸承座 32.七級軸承座

圖2 鮮玉米自動(dòng)分揀機(jī)工作流程圖

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 喂料裝置設(shè)計(jì)

喂料裝置主要由喂料斗、振動(dòng)電機(jī)和支撐彈簧組成，如圖3所示。鮮玉米從喂料斗倒入，通過參閱資料及實(shí)際測量，得到鮮玉米的直徑在40～60mm之間[4]，所以喂料斗下端口直徑設(shè)計(jì)為80mm，可實(shí)現(xiàn)鮮玉米逐一進(jìn)入玉米滑槽的目的。振動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)使得鮮玉米在喂料斗中不易造成阻塞，能順利地進(jìn)入玉米滑槽。

1.喂料斗 2.支撐彈簧

2.2 玉米滑槽設(shè)計(jì)

鮮玉米進(jìn)入自動(dòng)分揀裝置前，其姿態(tài)需與擋板垂直，若鮮玉米以傾斜的姿態(tài)進(jìn)入自動(dòng)分揀裝置，重心的位置離擋板的距離就會(huì)變短，則分離的鮮玉米的實(shí)際長度與分揀長度不符合。玉米滑槽(見圖4、圖5)為曲面結(jié)構(gòu)，滑槽上底部向內(nèi)側(cè)傾斜，使鮮玉米在進(jìn)入滑槽上部滑動(dòng)時(shí)向內(nèi)側(cè)滾動(dòng)，滑槽上下部分曲面是等曲率連接；滑槽下部分曲面向外側(cè)傾斜，當(dāng)鮮玉米滑入下部時(shí)，滑動(dòng)的同時(shí)鮮玉米向滑槽外側(cè)滾動(dòng)，保證了玉米在滑槽下落的同時(shí)在下部底板處；導(dǎo)向擋板的作用使得玉米保持與鏈條垂直的姿態(tài)下滾動(dòng)進(jìn)入撥齒的V型間隙。底槽開口是為了使滑槽與撥齒配合，且防止撥齒因滑槽的阻擋而不能正常工作；滑槽底端弧形開口是為了減少鮮玉米在滑槽滑落至下部時(shí)因?yàn)榛坌倍葴p小而增加的摩擦阻力。玉米滑槽能在鮮玉米進(jìn)入自動(dòng)分揀裝置前就把鮮玉米的姿態(tài)矯正好，形成與擋板近似垂直的姿態(tài)進(jìn)入分揀裝置。

2.3 分揀裝置的設(shè)計(jì)

分揀部分如圖6所示。鮮玉米從玉米滑槽滾落進(jìn)入撥齒的V型間隙，與擋板成垂直姿態(tài)；隨著鏈條向后運(yùn)動(dòng)，撥齒起到架住鮮玉米的作用，使其始終與鏈條保持垂直姿態(tài)。

1.底槽開口 2.導(dǎo)向擋板 3.滑槽下部底板 4.滑槽中部開口 5.滑槽上部底板

1.擋板 2.撥齒 3.底槽開口 4.導(dǎo)向擋板 圖5 玉米滑槽與鏈條連接部分局部放大圖

1.擋板 2.撥齒 3.末級鏈條 4.中級鏈條 5.初級鏈條 6.大號集物箱 7.中號集物箱 8.小號集物箱 9.特小號集物箱

鮮玉米從玉米滑槽滑落進(jìn)入撥齒間的V型間隙時(shí)，有一端是始終抵住擋板的。3條鏈條的長度不同，間距也不同，每一條鏈條對應(yīng)一個(gè)長度級別的鮮玉米，通過3條鏈條，一共分成4個(gè)長度級別；第一級別的鮮玉米長度最長，從三級鏈條上掉落進(jìn)入大號集物箱，依次往后逐級遞減，最短一級從末級鏈條末尾處掉落進(jìn)入特小號集物箱。分揀裝置簡單地利用鮮玉米的重心，把鮮玉米按鮮玉米的長度進(jìn)行了分揀。

3 性能試驗(yàn)與結(jié)果分析

選用長度大小不一的鮮玉米作為鮮玉米自動(dòng)分揀機(jī)的性能試驗(yàn)材料。試驗(yàn)方案：玉米30個(gè)一次試驗(yàn)數(shù)量級放落。試驗(yàn)分5批次，每一批次進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)，共150個(gè)玉米。其中，長度180mm以上玉米25個(gè)，長度140～180mm之間的玉米50個(gè)，長度100～140mm之間的玉米50個(gè)，長度100mm以下的玉米25個(gè)。每一批次實(shí)驗(yàn)中玉米的長度等級分配按1∶2∶2∶1進(jìn)行分配，共進(jìn)行25次試驗(yàn)。試驗(yàn)測試結(jié)果如表1所示。

表1 玉米分批次實(shí)驗(yàn)成功率

試驗(yàn)測試的結(jié)果表明：

1)將30個(gè)待分揀的鮮玉米倒入送料斗中，在送料斗振動(dòng)與彈簧支撐相配合下，把鮮玉米震落進(jìn)入玉米滑槽，實(shí)現(xiàn)單個(gè)鮮玉米分離。

2)鮮玉米通過玉米滑槽矯正玉米下滑姿態(tài)，在撥齒的配合下順利地使鮮玉米保持垂直在鏈條上隨鏈條無相對移動(dòng)滑動(dòng)。

3)當(dāng)鮮玉米重心在鏈條外面時(shí)，鮮玉米實(shí)現(xiàn)掉落，進(jìn)入相應(yīng)的集物箱實(shí)現(xiàn)對鮮玉米的分揀。

4)結(jié)果表明：在鮮玉米自動(dòng)分揀機(jī)實(shí)現(xiàn)玉米分揀的過程中，無因設(shè)備原因出現(xiàn)損傷玉米的現(xiàn)象，根據(jù)在分揀30個(gè)玉米時(shí)所消耗的時(shí)間可計(jì)算出每分鐘可實(shí)現(xiàn)90個(gè)玉米的分揀，且分揀成功率可達(dá)83.3%以上。試驗(yàn)中部分鮮玉米靠近擋板的一端與擋板間存在一定距離，導(dǎo)致分揀失敗，所以增加鏈條所在平面的傾斜度可以提高分揀成功率。

4 結(jié)論

該鮮玉米自動(dòng)化分揀機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、造價(jià)低、性能良好、能較好地實(shí)現(xiàn)對鮮玉米自動(dòng)分揀，填補(bǔ)了目前市場上鮮玉米器械的空缺，可在鮮玉米經(jīng)銷和種植基地廣泛地推廣應(yīng)用。