基于中型水果的自動分級包裝一體機設備的設計

劉曉君，鄭少梅，孟廣耀，王建

（青島理工大學 機械與汽車工程學院，山東 青島 266520）

現階段國內的水果分級包裝一體機發展較為落后，并且只針對小型果進行研發，普及面較窄，不能形成水果分級包裝流水線發展，導致在分級包裝過程中消耗大量人力物力，自動化程度較低。常用包裝材料有塑料發泡網、瓦楞紙板襯墊、塑料薄膜袋等。通過對常用緩沖包裝材料進行力學試驗，分析不同緩沖包裝材料對水果振動傳遞率和損傷率的影響，結果表明，水果套網包裝材料使用塑料發泡網時，水果的損傷率會大幅度降低[1]。

對現有包裝設備進行研究發現，大部分設備只支持塑料薄膜袋包裝，通用性較差，并且由于塑料薄膜不能實現運輸途中的減震緩沖作用，容易使水果受到損傷；對于塑料發泡網的研究較國外發展較晚，現階段只停留在手工包裝或者半自動包裝的基礎上[2]，無法與自動化生產線的生產能力相比[3]，人工成本越來越高[4]。為解決這一問題，現設計一種基于塑料發泡網的自動化的水果分級包裝一體機，以減輕勞動力，提高包裝精度[5-8]，降低成本，達到先進水平，降低勞動危險系數[9]，提高競爭力，對我國這樣一個水果生產大國具有深遠意義[10-11]。

1 整機結構

整機由水果分級機、包裝機和傳送帶等3 個部分組成。首先通過分級機對水果進行等級篩選，經過特定傳送機構輸送到包裝機部分，然后利用棘輪來實現對水果的單獨分流包裝，最后通過傳送帶輸送到指定區域進行存儲，整機設備見圖1。

圖1 整機模型Fig.1 Complete machine model

2 工作原理

從果園采摘的水果進入倉庫進行篩選時，通過上料裝置運送至分級機部分，經過分級系統的篩選后，利用落差法通過特制的分流裝置和棘輪相互配合，使水果單個進入包裝機部分，利用塑料發泡網的物理特性，通過導向滑輪和掛鉤相互配合使發泡網套在輸送滑道末端的仿生套筒上，在進行一次單果包裝完成后，利用電機帶動切斷裝置對發泡網進行剪斷，水果落入放在傳送帶上的紙箱內，紙箱下方有重力感應裝置，當達到設定質量時，傳送帶啟動，運送至指定位置。

3 主要機構及參數設計

3.1 傳送盤

包裝機部分主要由傳送、棘輪分流、水果套網等部分組成，水果從分級機到包裝機需經過特制的沖壓模型分流，見圖2。

圖2Fig.2 Fruit conveyor model diagram

水果傳送盤部分結構是利用水果的圓形特性進行設計，當水果從分級機傾倒至傳送盤時，由于傳送盤中間有凸起，自動向兩邊滾動，實現第1 次分流；為方便計算將水果考慮成球形，為了保證水果能順利進行分流，對傳送盤的傾斜角度進行分析計算，見圖3。

圖3 水果受力分析示意圖Fig.3 Schematic diagram of fruit stress analysis

式中：Fn為傳送帶對水果的支撐力；Ff為傳送帶對水果的摩擦力；G為水果重力；α為傳送帶和桌面夾角；δ1為傳送盤對水果的滾動摩擦阻力因數。

結合式（1）、（2）、（3）可得：

由式（4）可知，傳送盤的傾斜角度與水果質量無關，與傳送盤和水果間的滾動摩擦阻力因數有關。為更加精準地設計每種尺寸傳送盤的角度，需要充分考慮δ1的值，防止因角度過大，水果從果杯翻轉至傳送盤時的高度過大，從而對水果表面造成損傷。根據文獻[12]提到的實驗方法可知，水果從高空落下整個過程中滾動摩擦所做的功為W1，水平拋出的動能為Ek，重力所做的功為W重，根據能量守恒定理可知：

水果在滾落時轉動角度非常小，為α時，通過微元法知，水果對每段經過的圓弧的正壓力是不變的，因此認為此過程摩擦力都為：

不同材料的摩擦因數實驗原理見圖4。

圖4 實驗原理Fig.4 Experimental principle

經實驗可知，各種工業用材料和水果間的滾動摩擦因數及安裝角度見表1。

表1 水果和不同材料間滾動摩擦因數及安裝角度Tab.1 Rolling friction coefficient and installation angle between fruit and different materials

選用的傳送盤材料為PTFE（聚四氟乙烯），傳送盤與地面角度為2.290°，為了方便安裝取角度為3°。

3.2 棘輪

經過傳送盤的水果自動向兩側分流，輸送至棘輪處進行二次分流，棘輪處設有多個凹型槽，凹型槽的大小根據水果直徑設計，該設備設計有70、75、80、85、90、100 mm 等6 種尺寸，確保每個水果在輸送至此處時不會因果徑過大或者過小而受到損傷，這里以80 mm 為例，利用電機帶動棘輪旋轉45°，將單個水果運送到套網機構處進行單獨包裝。

為更好地保護水果，避免在包裝過程中對水果表面造成損傷，這就要求電機滿足精確、頻繁的啟停要求，而普通電機難以實現，因此，這里選用45DF 型凸輪分割器搭配電機使用[13]。現在市面上電機主要有步進電機和伺服電機，2 種電機優缺點見表2。

表2 不同電機優缺點對比Tab.2 Comparison of advantages and disadvantages of different motors

通過對比可發現，步進電機能很好地滿足使用要求，且成本較低，因此選用45DF 型凸輪分割器搭配步進電機進行定角度旋轉。當棘輪處于圖5 所示位置時，凸輪分割器停止工作，水果從水果出口進入下一階段工序。

圖5 棘輪工作示意圖Fig.5 Ratchet working diagram

這里以80 mm 尺寸為例，包裝機工作狀況：空載啟動，有輕微振動，單向運轉，滿載狀態雙班制工作。水果套網包裝動力依靠電動機提供，其經濟性、合理性、安全性是選擇電動機應遵循的原則，能否正確合理地選用電動機，對設備的工作性能會產生較大的影響[14]。

電機在運行時分為啟動和正常工作2 個階段。啟動階段的轉矩為T1，正常工作時的轉矩為T2。

式中：F1為慣性力；R1為慣性半徑；m為棘輪和電機軸質量；a為由靜止到正常工作的加速度；t為加速時間；v為正常工作速度。

根據設計要求選用直徑為300 mm 的棘輪，棘輪每轉過45°后間隔1 s 再進行轉動，周期為16 s，勻速運動時間為8 s，棘輪周長為942 mm，由此可計算出速度v為117.75 mm/s。為了實現快速加工，取加速時間為0.5 s，m為6 kg，則有：

式中：F2為摩擦阻力；R2受力點的旋轉半徑；f為軸承滾動摩擦因數，可根據使用軸承的結構查表；N為正壓力，其值為棘輪和電機軸重力之和。

為了使摩擦力盡可能減少，這里選用深溝球軸承，f為0.001 5，則：

電動機通的常見轉速為750、1 000、1 500、2 000 r/min等，根據電動機制造原理，功率相同時，電動機若額定轉速越高，其電磁轉矩外形尺寸就越小，成本就越低且質量也越小，故選擇功率因數和工作效率相對較高的4極轉速為1 500 r/min 的電機，電機額定功率為24 W[15]。電機工作時間和角度關系見圖6。

圖6 時間與角度的關系Fig.6 Relationship between time and angle

由圖6 可知，以每16 s 為1 個周期進行旋轉運動來對水果進行單個分流。

3.3 包裝機構

水果經過棘輪的篩選，進入包裝機構，見圖7，該包裝機構利用仿生學原理，將滑道末端設計成鴨嘴形狀便于發泡型塑料網進行包裝。該機構的包裝原理：發泡型塑料網套固定在撐網筒上，滑輪通過電機的帶動旋轉進而帶動網套向前移動，在經過掛鉤時，安裝在掛鉤上的傳感器將信號傳送給滑道處的電動機，帶動凸輪旋轉，利用凸輪的推程將網套套在仿生套網裝置上，利用凸輪遠休止完成套網后，凸輪回程掛鉤復位，刀片接收到掛鉤復位信號后，由電機帶動旋轉1 周切斷網套，水果落入下方收集箱，完成一次套網。

圖7 包裝機示意圖Fig.7 Schematic diagram of packaging machine

掛鉤結構見圖8。該掛鉤底部采用球面副，可以根據實際情況來調節角度，通過緊定螺釘鎖緊，在帶動網套前進時，網套掛鉤可以很好地鉤住網孔。在掛鉤復位時，由于掛鉤有一定的傾斜角度，可以很好地進行脫離，不會對網套產生拉扯作用，在下一個套袋行程開始時插刀重新插入網套進行拉網包裝運動[16]。

圖8 掛鉤結構Fig.8 Hook structure

4 關鍵部件仿真分析

4.1 傳送盤

為了更好地使水果進行第1 步分流，將輸送裝置導入Ansys 中進行分析，結果見圖9。由圖9 可知，最大變形量出現在傳送盤的末端，最大值為0.503 69 mm，由此可知傳送盤在運行過程中并不會對第1 次分流結果產生影響，可以實現分流效果。

圖9 傳送盤仿真分析結果Fig.9 Conveyor simulation analysis result

4.2 凸輪機構

為了使掛鉤很好地進行工作，將模型（圖10a）導入軟件進行分析，其工作時推程s和時間關系見圖10b。由圖10b 可知，推程最遠為280 mm，所用時間為1 s，遠休止進程時間為0.3 s，滿足套網需求。

圖10 凸輪模型仿真結果Fig.10 Cam model simulation result

4.3 棘輪部分仿真分析

為了驗證棘輪在運行過程中的受力和變形情況，將模型導入Ansys 軟件得到變形及應力應變結果，見圖11。由圖11 可知，最大變形量為5.763 9×10-5mm，最大應變為4.799×10-7，最大應力為0.959 6 Pa，都符合設計要求，不會因變形過大導致水果傳送不流暢。

圖11 仿真分析結果Fig.11 Simulation analysis result

5 結語

1）針對水果分級包裝生產線存在不能連續加工的缺點，利用發泡型塑料網的物理特性，設計了一種可以實現單個連續包裝的分級包裝一體機。

2）通過實驗得出傳送盤的最佳傾斜角度，并用Ansys 進行力學分析校核，利用凸輪急回特性實現掛鉤的快速套網功能，并利用Adams 驗證掛鉤套網的可行性。

3）通過該一體機可以有效降低勞動力成本，提高經濟效益，滿足自動化、智能化發展趨勢。