“球狀”水果分選裝置設計

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.南昌工程學院機械工程學院，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節，對水果銷售產生的收益將產生很大的影響。隨著科技的發展，市面上的水果種類越來越多，人們對水果的品質要求也是越來越高，但有些水果往往因為沒有進行分級篩選直接進行銷售，導致水果銷量不佳，收益降低，因此，對水果進行分級篩選是提升水果品質的重要手段之一，具有現實的經濟意義。

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

1 “球狀”水果分選裝置總體方案

“球狀”水果分選裝置主要結構包括進料斗、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構

進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行分級，在工作時，先由人工將水果倒入進料斗，通過進料斗緩沖后的水果到達傳送裝置，隨后通過傳送裝置進入分級滾筒按直徑大小進行分級篩選。當水果經過分級后，落入對應的集料槽中，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，若直接進入分級裝置中，可能會出現分級不準，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”水果分選裝置的關鍵部分，其作用是將水果按直徑大小進行準確且充分的分級篩選，設計時將對分級滾筒的生產能力進行分析，確定分級滾筒的直徑、長度和轉速。傳動裝置的作用則是驅動分級滾筒轉動，使得滾筒內的水果一起轉動，防止水果卡在分級滾筒間隙中，影響分級效果。

2 進料斗設計

進料斗外觀設計為梯形，用于防止水果倒入進料斗后，因流出速度過快而卡在出料口的情況發生。進料斗選用塑性和韌性較好的20鋼，沖壓成型，上方進料部分和下方出料部分焊接而成，總高760 mm（其中上方進料部分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 進料斗的結構

3 分級滾筒設計

分級滾筒是分選裝置的關鍵部分，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，水果經由輸送機喂入分級滾筒，由于滾筒有一定的角度傾斜，水果在分級滾筒內轉動的同時落入不同間隙的集料槽內，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 分級滾筒生產能力分析

生產能力計算式1[3]：

式中，G為生產能力，T/h；Z為分級滾筒上的柵條間隙總數目；λ為在1 s內從柵條間隙掉下的物料系數，根據分級機形式和物料的性質不同，分級滾筒所取的系數也不同，一般取1.0%～2.5%，形態較小的取大些，較大的取小些；M為物料的平均質量，g。

由式1可知，生產能力G、分級滾筒上的柵條間隙總數目Z、物料系數λ與物料平均質量M成正比。G由用戶給定，根據要進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有的柵條數目。

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λ取1.0%，普通蘋果的平均質量M約為150 g～300 g，本設計取300 g為例，代入式（1）中，可得分級滾筒的柵條間隙總數為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×各級的柵條數量+柵條寬度W2×各級柵條數量。

柵條寬度取15 mm，柵條數量與柵條間隙數量相等，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。根據已知的數據，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整達到符合要求的寬度，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。

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

圖3 分級滾筒的結構

3.3 分級滾筒的轉速確定

分級滾筒在工作時，以一定的速度轉動，帶動筒內水果一起轉動以達到充分分級的目的。分級滾筒在運轉時，筒內水果的離心力應大于水果的重力，才能保證水果不會緊貼在分級滾筒內部無法分離，導致水果無法進入柵條分級間隙，這對分級效率有較大的影響。若分級滾筒轉速過高，又會導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。柵條滾筒的最高轉速應該滿足式（3），最低轉速應滿足式（4）。

式中，N為分級滾筒轉速，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，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、應力、應變的分布情況。在本設計中，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建好的分級滾筒模型，打開模型，然后在工具中找到插件，點擊插件，勾選SOLIDWORKS Simulation，點擊確定后等待新算例的建立完成，新算例設置完成后進入新算例界面，選擇靜應力分析，在新算例界面選擇好材料并將其應用到分級滾筒上，點擊新算例界面上的網格，點擊生成網格，進入網格劃分界面，選擇合適的網格密度，選擇基于曲率的網格，設置好最大單元大小和最小單元大小，點擊確定，生成網格。

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

圖4 滾筒應力分析

圖5 滾筒位移分析

圖6 滾筒應變分析

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

5 結語

“球狀”水果大小分選機主要由進料斗、傳送裝置、分級裝置以及集料槽和電動機組成，先由人工將水果裝入送料斗，水果從送料斗落入傳送裝置，經由傳送裝置送入分級裝置分級后，分級裝置在低速電動機帶動下緩慢轉動，帶動里面的水果一起轉動，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濟價值的重要依據之一，在果農和廠商進行水果貿易時，提前篩選分級的水果可根據等級定價，能有效促進我國果業的發展，提高水果貿易效益。