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軌道式圓形果蔬分級機(jī)設(shè)計(jì) 摘 要:我國是農(nóng)業(yè)大國，按果蔬的重量和大小進(jìn)行分級的工作是由機(jī)器來完成的，這符合人們習(xí)慣上的分級要求。目前果蔬品種很多，有些不同品種的果蔬密度差異甚小，若按重量和大小分級結(jié)果基本一致，因此，按大小對一些果蔬分級是合理的，科學(xué)的。軌道式圓形果蔬分級機(jī)工作時，果蔬在皮帶上表面運(yùn)動，相對運(yùn)動較小，對果蔬的損傷較小。此法適用于球形或近似球形的果蔬的分級，從結(jié)構(gòu)上較易實(shí)現(xiàn)，成本較低，分級精度較高，在國內(nèi)外應(yīng)用較廣。 關(guān)鍵詞：軌道式，果蔬，皮帶條，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) Design of rail type round fruit and vegetable classifier Student:Gong Xue Tutor:Gao Yingwu (College of Engineering,, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China, China) Abstract:China is a large agricultural country. The classification of fruits and vegetables according to their weight and size is done by machines. This is in line with people's customary classification requirements. At present, there are many fruit varieties, and some different varieties of fruit and vegetable density are very small. If the results are basically the same according to the weight and size, it is reasonable and scientific to classify some fruits and vegetables by size. When the track type circular fruit and vegetable grader works, the fruits and vegetables move on the upper surface of the belt, the relative movement is smaller, and the damage to fruits and vegetables is smaller. This method is suitable for grading of spherical or near spherical fruits and vegetables. It is easy to realize in structure, low in cost and high in classification accuracy, and is widely applied at home and abroad. . Key words：Track type, fruit and vegetable, gate bar, structure design 目 錄 第一章 前言 1 1.1引言 1 1.2國內(nèi)外分級機(jī)械的研究與發(fā)展 1 1.2.1國外分級機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.2.2國內(nèi)分級機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.3課題研究意義 3 1.4課題研究內(nèi)容 3 1.5本章小結(jié) 3 第二章 軌道式圓形分級機(jī)總體方案分析 4 2.1分級裝置的類型 4 2.2 軌道式分級機(jī) 6 2.2.1工作原理 6 2.2.2結(jié)構(gòu)分析 7 2.3軌道式分級機(jī)的工藝參數(shù)分析 8 2.3.1設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 8 2.3.2生產(chǎn)能力分析 8 2.3.3尺寸分析 9 2.4軌道式分級機(jī)設(shè)計(jì)時應(yīng)注意事項(xiàng) 10 2.5本章小結(jié) 10 第三章 動力傳輸部件的選擇與設(shè)計(jì) 11 3.1電動機(jī)的選擇 11 3.1.1直流他勵電動機(jī) 11 3.1.2三相異步電動機(jī) 11 3.1.3選擇的電動機(jī) 11 3.2聯(lián)軸器 11 3.3鏈傳動 12 3.3.1鏈傳動簡述 12 3.3.2鏈傳動的設(shè)計(jì) 12 3.4總體校核計(jì)算 13 3.4.1軌道轉(zhuǎn)速的確定 13 3.4.2功率計(jì)算 16 3.4.3傳動裝置總效率η和電動機(jī)功率Pr 17 3.4.4鏈輪的選擇 19 第四章 軌道式果蔬分級機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 4.1總體結(jié)構(gòu)分析及三維圖 21 4.2本章小結(jié) 23 第五章 結(jié)論 25 參考文獻(xiàn) 26 致謝 28 1 前言 1.1 引言 我國是果蔬生產(chǎn)的大國，特別是90年代以來發(fā)展更為迅速。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，2004年我國果蔬總產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到15243噸，比2003年增長5%，占世界總產(chǎn)量的12.7%，果蔬產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為我國南方主產(chǎn)區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的一大支柱產(chǎn)業(yè)，為促進(jìn)農(nóng)民增收、擴(kuò)大城鄉(xiāng)居民就業(yè)和改善生態(tài)環(huán)境做出了積極貢獻(xiàn)。雖然我國果蔬產(chǎn)量很大，但國內(nèi)果蔬價格低，“賣果難”問題經(jīng)常出現(xiàn)，果蔬生產(chǎn)快速發(fā)展的勢頭受到抑制，而且中國果蔬以本土消費(fèi)為主，參與國際貿(mào)易的比例一直很低，出口量不到國際果蔬交易的3%。其中一個重要原因就是采后商品化處理落后，外觀質(zhì)量較差，導(dǎo)致果蔬的市場競爭力薄弱。果蔬采后商品化處理包括：清洗、打蠟、分級、包裝。分級是果品商品化處理的重要環(huán)節(jié)，它在技術(shù)方面發(fā)展最快并在最近幾年發(fā)生了根本的變化。目前我國國內(nèi)果蔬商品化處理過程中清洗，打蠟設(shè)備已經(jīng)比較成熟，關(guān)鍵在于分級技術(shù)比較落后。果蔬外部品質(zhì)的主要分級指標(biāo)是果蔬的果形、大小、色澤、表面質(zhì)量和顏色，本課題針對果蔬大小進(jìn)行分級研究，以提高生產(chǎn)力，提高果蔬質(zhì)量，加快果蔬采后商品化的國際進(jìn)程。 1.2 國內(nèi)外分級機(jī)械的研究與發(fā)展 1.2.1 國外分級機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀 國外早期果蔬自動分級方法主要通過CCD相機(jī)，采用無損檢測、計(jì)算機(jī)分析處理等手段對果蔬逐一進(jìn)行分析判別后得出綜合結(jié)論。利用機(jī)器視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部品質(zhì)無損檢測是目前國際上正在研究的熱點(diǎn)課題。 除了使用高效的信息處理技術(shù)，果蔬的質(zhì)量無損檢測手段包括紅外線、近紅外線檢測等光學(xué)檢測方法和高光譜、多光譜技術(shù)等。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是模仿生物大腦結(jié)構(gòu)和功能而構(gòu)成的信息處理技術(shù)，在機(jī)器視覺系統(tǒng)中應(yīng)用可以提高品質(zhì)識別的智能性。 德國研制了較先進(jìn)的微機(jī)控制重量分級機(jī)，其采用最新電子儀器測定重量，可按需要進(jìn)行準(zhǔn)確的分級，分級精度較高;其使用了結(jié)構(gòu)特別的滑槽，落差小，果實(shí)不受沖擊、無損傷;分級、裝箱所需時間僅為傳統(tǒng)的1/2。 美國Auto line公司的果蔬分級設(shè)備在世界上處于領(lǐng)先地位，其產(chǎn)品已經(jīng)系列化(5個型號)，能夠按照重量、顏色、形狀分級，傳送通道可以多達(dá)9道，出口可達(dá)60個，每道的最高傳送速率為12個/秒，其傳輸系統(tǒng)可以容納不同尺寸的果蔬，其視覺系統(tǒng)采用兩架單色相機(jī)，能計(jì)算出果蔬的三維尺寸。 西班牙Aleixos使用多光譜相機(jī)檢測柑橘，圖像在兩塊DSR中并行運(yùn)算，顏色識別正確率達(dá)94%，由于損傷處和正常處的熱輻射不同，用熱紅外線圖像對損傷的判別準(zhǔn)確率達(dá)100%，實(shí)驗(yàn)證明，在損傷后30-180s時，擦傷處和正常處至少有1-20度溫差，但熱紅外線圖像必須在環(huán)境溫度變化下才可以檢測。 意大利最新研制的Italy-001-A型分級機(jī)，可將果實(shí)大小進(jìn)行無級分級，其主要是利用一條帶有網(wǎng)眼的分級傳送帶，在這條傳送帶上，從左到右，其網(wǎng)眼的孔徑是無級變化的，網(wǎng)眼在最左邊時，孔徑最小，傳送帶向右運(yùn)行時，網(wǎng)眼孔徑也就隨之增大，到達(dá)最右邊時，孔徑最大。當(dāng)傳送帶從下端向回運(yùn)行時，網(wǎng)眼孔又由大變小。就是說，傳送帶上的網(wǎng)眼孔徑就像照相機(jī)的快門那樣，隨著傳送帶的運(yùn)行方向不同，可以由小變大或由大變小。果實(shí)最先落在傳送帶左邊時，小的果實(shí)漏下來，隨著傳送帶的向右運(yùn)行，大的果實(shí)開始落下，這樣就將果實(shí)由小到大進(jìn)行了多級分級。 美國Kavdir等使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對柑橘進(jìn)行分級，把缺陷和物理特征作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的輸入?yún)?shù)，對果蔬，柚子分級的準(zhǔn)確率為98.5%，利用ANN的泛化功能，對果蔬的彩色RGB圖像，結(jié)合顏色和果形分析，獲得魯棒性，實(shí)時性的分類結(jié)果。 日本三菱電器公司研制的果蔬成熟度分級機(jī)，是利用傳感器綜合測出梨的表面顏色、對特定光的透光率、形狀和大小，并與事先貯存在計(jì)算機(jī)中的優(yōu)良梨的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，推算出成熟度和含糖量，但是大小分級是其基礎(chǔ)。[1] 1.2.2國內(nèi)分級機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀 我國對于分級技術(shù)的研究經(jīng)歷了如下三個階段：20世紀(jì)70年代末，以引進(jìn)國外技術(shù)及設(shè)備為主，國內(nèi)對此基本上是空白的；20 世紀(jì) 80 至 90 年代，我國加工技術(shù)逐步發(fā)展起來，人們逐漸認(rèn)識到了分級技術(shù)的重要性，于是開始引進(jìn)、學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)，并開始進(jìn)行新設(shè)備的開發(fā)工作，國內(nèi)開始出現(xiàn)分級設(shè)備的研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家，20世紀(jì)90年代中期以來，由于市場對分級技術(shù)及設(shè)備的要求越來越高，并且此時國內(nèi)對分級技術(shù)的研究積累也達(dá)到了一定程度，且取得了顯著進(jìn)步，并開發(fā)出了諸多具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)、新設(shè)備。但盡管如此，與發(fā)達(dá)國家相比，中國目前在分級領(lǐng)域仍然存在大型設(shè)備不足、工藝控制技術(shù)落后、磨耗和單位產(chǎn)品能耗偏高、特殊粒形的生產(chǎn)工藝和設(shè)備落后等問題。[2] 我國的果蔬分級研究已經(jīng)有三十年時間，已經(jīng)取得一批研究成果，分級性能指標(biāo)已經(jīng)超過目前市場上的果蔬分級設(shè)備產(chǎn)品。果蔬分級機(jī)器人的研究成功，將有利于改變國產(chǎn)果蔬和農(nóng)產(chǎn)品的外觀質(zhì)量較差，同一批產(chǎn)品中良莠不齊，混等混級等現(xiàn)狀。若以我國蘋果產(chǎn)量的50％(約3000萬噸)通過自動分級處理來說，每公斤大概可以增值0.2 元，那么總量即能夠增值6 億元。可想而知，這對提高我國果蔬的品質(zhì)，增強(qiáng)參與國際競爭的能力，并大大降低工人的勞動強(qiáng)度，具有重要的理論意義和實(shí)際意義，并能創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 1.3課題研究意義 我國是果蔬生產(chǎn)大國，自動分級技術(shù)對提高我國生鮮果蔬的市場競爭力有很大的幫助。特別是90年代以來，我國的果蔬產(chǎn)量明顯提高，果蔬生產(chǎn)已經(jīng)成為中國農(nóng)村的支柱型產(chǎn)業(yè)，成為縮小城鄉(xiāng)差距和農(nóng)民增產(chǎn)增收的重要途徑。對果蔬大小分級的研究，在國內(nèi)還不是特別的完善，對果蔬分級的研究可以明顯的提高果蔬產(chǎn)后商品化的價值，增加中國果蔬的國際競爭力，提高生產(chǎn)效率。因此我們選擇了軌道式圓形分級機(jī)。它與目前普遍采用的振動軌道式分級機(jī)相比具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡單；②效率高；③價格低廉；④功耗??；⑤傷果率低；軌道式圓形分級機(jī)存在的缺點(diǎn)是分級精度不高。[3] 1.4 課題研究內(nèi)容 1）重點(diǎn)研究果蔬大小分級機(jī)的工作原理和核心部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)； 2）通過替換核心部件篩筒，用以達(dá)到對于不同物料進(jìn)行分級的目的； 3）物料特性的研究，測定不同品種、不同地區(qū)主產(chǎn)果蔬形狀及外形尺寸，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定分級篩尺寸。 1.5 本章小結(jié) 我國是果蔬生產(chǎn)大國，果蔬年產(chǎn)量達(dá)近千萬噸，居世界之首，但采后處理能力不到總產(chǎn)量的15%，果蔬分級機(jī)的發(fā)展已經(jīng)成為制約我國農(nóng)業(yè)出口發(fā)展的主要原因。本章詳細(xì)分析了果蔬分級機(jī)械的國內(nèi)外研究與發(fā)展的情況，闡述了課題研究的目的和意義，并明確了本課題的研究內(nèi)容。 2 軌道式圓形分級機(jī)總體方案分析 2.1 分級裝置的類型 （1）錐輥式分級裝置 錐輥式分級裝置采用的是一對相對轉(zhuǎn)動的錐形輥，如圖2.1（圖中各參數(shù)的單位為mm），果蔬在兩錐形輥的帶動下不停地上升和下落，同時，果蔬在重力和上端果蔬對其側(cè)向擠壓力的共同作用下沿錐形輥向下移動，直至兩錐形輥的間隙大于果蔬的直徑時，果蔬通過間隙落下。[4] 1．錐輥 2．果蔬 圖 2.1 錐輥式分級原理圖 Fig.2.1 Cone roller type classification principle diagram 該裝置分級效果不好，因?yàn)椋? ① 果實(shí)大量喂入時，上層的果蔬無法及時地與下層果蔬進(jìn)行交換，造成前一級果蔬在后一級甚至后幾級才被分離出去，出現(xiàn)分級混雜、混級率增大的現(xiàn)象。 ② 由于大多果蔬是橢球形的，這些果蔬在下滑的時候，會因下滾姿態(tài)的不同，而在不同的位置下落，從而造成分級誤差。 （2）圓孔篩分級裝置 圖2.2是圓孔篩分級原理圖，該圓孔篩與水平線的夾角為α。篩孔由右往左逐漸變大，果蔬在重力和摩擦力的共同作用下沿篩壁下滑并通過合適的孔口落下。 該圓孔篩的轉(zhuǎn)速范圍為： R—果蔬半徑 m，n—圓孔篩轉(zhuǎn)速 r/min 圖 2.2 圓孔篩分級原理 該裝置的一個缺點(diǎn)是：在分級的過程中，有時會出現(xiàn)果蔬堵塞篩孔的現(xiàn)象，尤其是在大量喂入時。 （3）平面振動篩分級裝置 圖2.3 為平面振動篩裝置簡圖。該振動篩分級裝置是由三個篩子組成。篩子振動時，果蔬與篩面產(chǎn)生相對滑動，尺寸小于篩孔的果蔬有可能通過篩孔，掉入下篩，其余的留在篩面上，并沿篩面流向一側(cè)，由集料口收集。[5] 通過果蔬分級試驗(yàn)表明這種分級裝置分級效果差，基本不能實(shí)現(xiàn)正常分級。 圖 2.3 平面振動篩裝置簡圖 （4）軌道式圓形分級裝置 如圖2.4所示，篩分部分由四段軌道組成，每段軌道的皮帶條間隙不同，第一級到第四級皮帶條的間隙逐漸增大。果蔬在篩筒內(nèi)軸向隨著皮帶一起做運(yùn)動；軸與果蔬具有彈性而且篩筒與水平面有一定的夾角所以作曲線或直線運(yùn)動。當(dāng)果蔬到達(dá)篩筒時，厚度尺寸小的果蔬在摩擦力的作用下從第一級被分離出來，厚度尺寸大的果蔬在軌道的帶動下運(yùn)動到下一級繼續(xù)篩選，如此重復(fù)直到第四級果蔬從側(cè)面分出為止。 圖 2.4 軌道分級結(jié)構(gòu)圖 2.2 軌道式分級機(jī) 2.2.1 工作原理 軌道式分級機(jī)由進(jìn)料機(jī)構(gòu)、篩體、卸料斗和傳動機(jī)構(gòu)等組成，軌道上的皮帶處于一個面上。軌道式圓形分級機(jī)的篩體分部分由四段組成，每段的皮帶條間隙不同，第一級到第四級皮帶條間隙逐漸增大。果蔬在篩筒內(nèi)軸向隨著軌道一起做運(yùn)動。當(dāng)果蔬進(jìn)入篩筒時，厚度尺寸小的果蔬在摩擦力的作用下從第一級被分離出來，厚度尺寸較大的會在軌道的帶動下運(yùn)動到下一級繼續(xù)篩選，如此重復(fù)直到第四級干果從側(cè)面出料斗分出為止，從而達(dá)到分級的目的。 工作時，被篩物料由喂入斗裝入篩筒內(nèi)，隨旋轉(zhuǎn)的篩筒內(nèi)壁上升，至一定高度后松散落下，如此反復(fù)進(jìn)行，連續(xù)進(jìn)入篩筒內(nèi)的物料受壓力和松散性的影響，逐步向篩筒另一端的出口移動；同時，在這一過程中小于皮帶條間隙的物料通過皮帶條間隙漏出，被配置在篩筒下部的振動輸送裝置運(yùn)至篩下物出料口，大于皮帶條間隙的物料被帶到篩分的另一端通過篩上物出料口流出完成分級過程。 2.2.2 結(jié)構(gòu)分析 軌道式分級機(jī)主要由分級結(jié)構(gòu)、支承裝置、傳動裝置、收集料斗、清篩裝置五部分組成。 圖2.5 軌道式分級機(jī) (1) 分級結(jié)構(gòu) 它是該設(shè)備的主要構(gòu)件，用直徑為10mm的鋼管焊成圓柱形轉(zhuǎn)簡。在轉(zhuǎn)筒上通過皮帶互相連接，達(dá)到幾個轉(zhuǎn)筒可以轉(zhuǎn)動的效果。皮帶條間隙是不均勻的，而同一節(jié)皮帶條間隙一樣。整個轉(zhuǎn)簡上進(jìn)料口端小，出料口端大。每節(jié)轉(zhuǎn)筒下裝有一個收集料斗。 (2) 支承裝置 由滾圈3、摩擦輪4、機(jī)架7和軸承組成。滾圈3固定在軌道2上，并將簡體重力傳遞給摩擦輪4，整個設(shè)備由角鋼焊成的機(jī)架7文本。 (3) 傳動裝置 目前有如下幾種。 第一種：采用電動機(jī)通過皮帶輪、變速箱、鏈輪及一對齒輪傳動，而其中一個大齒輪就連接在軌道出料口的邊緣上，另一個小齒輪則與傳動系統(tǒng)相連接作為主動齒輪，把動力傳給大齒輪而驅(qū)動軌道轉(zhuǎn)動。 第二種：中間軸式傳動。軌道的中心線上沒有傳動軸，用支臂與軌道連，傳動系統(tǒng)把動力傳至中心軸，由中心軸帶動滾動軸轉(zhuǎn)動。這種傳動方式比第一種簡單，但因軌道較長，其中心軸也長，在軌道中間又很難設(shè)置中間軸承，因此，若中心軸的剛度稍差，則往往產(chǎn)生擾動而使?jié)L動的運(yùn)行不平衡。同時，由于果蔬有時和中心軸及支臂碰撞而產(chǎn)生機(jī)械傷，故目前使用這種形式的亦逐漸減少。 (4) 清篩裝置 一般物料的清篩裝置，可以選擇水沖式或毛刷式，工作時原料應(yīng)通過皮帶條間隙流出，才能達(dá)到分級的目的，但對于尺寸較大的如蘑菇，皮帶條間往往被物料堵塞而影響分級效果。因此，要根據(jù)所分級物料的實(shí)際情況，安裝清篩裝置，將堵在皮帶條間中的物料擠回軌道內(nèi)。通常在軌道外壁平行于其軸線安裝一個木制滾軸，木輥的支撐可采取通心軸式或自身軸式，在彈簧作用下壓緊在軌道外壁來達(dá)到清篩目的。 2.3 軌道式分級機(jī)的工藝參數(shù)分析 2.3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 料斗可采用0.5~1mm的不銹鋼板制造，為方便清洗和防止阻塞，在出料口位置設(shè)計(jì)有清洗門，可將上面板和料斗板進(jìn)行鉸鏈接。雖然各廠都采用軌道式分級機(jī)對同樣原料進(jìn)行分級，但使用效果不同，不同效率相差較大。其主要原因是對參數(shù)掌握不好，各級間互相配合不當(dāng)之故。 2.3.2 生產(chǎn)能力分析 生產(chǎn)能力G可由下式計(jì)算 （2-1） 式中 G——生產(chǎn)能力，t／h； Z——軌道上皮帶條間隙總數(shù)； A——在同1s內(nèi)從篩孔中掉下物料的系數(shù)。因分級機(jī)形式和物料性質(zhì)不同而異，軌道式分級機(jī)可取1.0%～2.5%； m——軌道內(nèi)物料平均質(zhì)量，g。 2.3.3 尺寸分析 從式(2.1)可知，G與Z、和m成正比。設(shè)計(jì)時，G是由廠方或任務(wù)書規(guī)定的，處理的物料一般已事先確定，通過測定可得m，然后根據(jù)(2-1)求得Z，即是軌道上所需的皮帶間隙總數(shù)。取1000個果蔬進(jìn)行總體稱重，求出果蔬的平均重量，再分別求出1000個果蔬中的最大直徑和最小直徑進(jìn)行直徑測量，并求出平均直徑，得到下表： 表2.1 果蔬直徑與孔徑安排 Table2.1 The diameter of orange and bore of the machine 分級 一級 二級 三級 四級 果蔬直徑d(mm) 46 53 66 83 各級孔徑d(mm) 50 60 70 80 所有果蔬的平均重量m(g) 150 從理論上說，每級的鋼管數(shù)之和應(yīng)等于皮帶條間隙數(shù)Z，每級長度之和就是所設(shè)計(jì)的軌道長度。但有時計(jì)算出的軌道直徑，各級都不相同，無法聯(lián)接在一起。因此，一般是取軌道中直徑最大的一級作為整個軌道的直徑，其他各級因直徑增大了，可把鋼管直徑或皮帶條間隙距離適當(dāng)放大即可。 在初步確定了軌道的直徑和長度后，用直徑比長度＝1：(4～6)進(jìn)行校核，若不在這范圍內(nèi)，就應(yīng)重新調(diào)整每級皮帶條間隙數(shù)，以達(dá)到此比例范圍內(nèi)為止。 2.4 軌道式分級機(jī)設(shè)計(jì)時應(yīng)注意事項(xiàng) （1）用摩擦輪傳動雖好處很多，但滾圈與摩擦輪之間因摩擦?xí)a(chǎn)生鐵屑掉進(jìn)軌道里，直接污染產(chǎn)品，設(shè)計(jì)時必須充分注意這點(diǎn)。 （2）軌道內(nèi)物料升高主要是靠軌道轉(zhuǎn)動和物料對軌道內(nèi)壁的摩擦力，因而升角不高，只有40°～45°。這樣，軌道直徑雖大，但其篩面利用率只有1/6～l/8，其余占軌道的大部分篩面并沒有被利用。若能把升角提高，就能提高篩面利用率，有些廠采取在軌道中緊貼篩面焊上幾根管子的辦法，效果較顯著。 （3）篩面的傾斜度對生產(chǎn)率影響較大。對圓筒篩，其軸線應(yīng)與水平面成3°～9°的傾斜角。 （4）軌道式分級機(jī)工作時很平穩(wěn)，但其篩孔易堵塞，機(jī)械占地面積很大，在同等生產(chǎn)能力是，其尺寸比平篩大得多，金屬消耗量大，同時對原料的適應(yīng)性差，要設(shè)清理裝置。 （5）軌道上面的滾圈或連接圈。目前多用角鋼彎制，由于橢圓度的存在，在軌道轉(zhuǎn)動時會有所跳動，若軌道跳動使物料離開篩面的話，會影響分級，所以采用澆鑄滾圈的方法更為理想。 2.5 本章小結(jié) 本章首先分析了分級機(jī)核心部件分級裝置的類型，通過對比其優(yōu)缺點(diǎn)，選取皮帶條軌道分級機(jī)做為分級機(jī)的分級裝置；同時闡述了軌道式分級機(jī)的工作原理及其結(jié)構(gòu)，分析其工藝參數(shù)和在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)多注意的事項(xiàng)，為下面章節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)打下鋪墊。 3 動力傳輸部件的選擇與設(shè)計(jì) 3.1 電動機(jī)的選擇 目前市場上電動機(jī)的類型有很多，按結(jié)構(gòu)和工作原理可以分為：直流電動機(jī)、同步電動機(jī)、異步電動機(jī)。根據(jù)研究本次重點(diǎn)討論一下兩種：直流他勵電動機(jī)和三相異步電動機(jī)。 3.1.1 直流他勵電動機(jī) 直流電動機(jī)有一下特性： 1）靠改變外電路外串電阻調(diào)節(jié)速度機(jī)械特性軟，電阻越大特性越軟，穩(wěn)定性能越低，空載時調(diào)速范圍不大，調(diào)速電阻耗電量較大，很少應(yīng)用； 2）改變電動機(jī)電樞供電電壓U：電壓連續(xù)變化可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，一般額定電壓以下調(diào)節(jié)；調(diào)速特性與固有特性平行，機(jī)械特性硬度不變，穩(wěn)定度高，適合恒轉(zhuǎn)矩； 3）改變主磁通：無級平滑調(diào)速，額定功率以上調(diào)速，調(diào)速范圍不大，恒功率調(diào)速。 3.1.2 三相異步電動機(jī) 1）調(diào)壓調(diào)速：可以無級調(diào)速但是調(diào)節(jié)范圍不大； 2）轉(zhuǎn)子電路串電阻：簡單可靠，屬于有級調(diào)節(jié)，但是低速是功率損耗較大； 3）改變磁極對數(shù)：體積稍微大，價格較高，屬于有級調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單，效率較高，特性好，調(diào)節(jié)時所需附加設(shè)備較少，中小型機(jī)電聯(lián)合調(diào)速。 3.1.3 選擇的電動機(jī) 查表可知，電動機(jī)的選擇為：電動機(jī)的型號Y90L—6；額定功率1.1KW；滿載轉(zhuǎn)速910r/min；質(zhì)量25kg。 3.2 聯(lián)軸器 聯(lián)軸器用來把兩軸聯(lián)接在一起，使機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時不能分離；只有機(jī)械停車或?qū)⒙?lián)軸器拆開后，兩軸才能分離。 根據(jù)各種相對位移有無補(bǔ)償能力聯(lián)軸器可以分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器兩大類。撓性聯(lián)軸器又可以分為有彈性元件的撓性聯(lián)軸器和無彈性元件的撓性聯(lián)軸器。 表3.1 WS型雙十字萬向聯(lián)軸器的參數(shù) 型號 額定轉(zhuǎn)矩 T（N×m） d（H7） D L0J1型 重量（Kg）Y型 轉(zhuǎn)動慣量Y型 WS5 140 19 40 164 24.0 1.04 3.3 鏈傳動 3.3.1 鏈傳動簡述 鏈傳動是嚙合傳動，平均傳動比是準(zhǔn)確的。它是利用鏈與鏈輪輪齒的嚙合來傳遞動力和運(yùn)動的機(jī)械傳動。鏈條長度以鏈節(jié)數(shù)來表示。鏈節(jié)數(shù)最好取為偶數(shù)，以便鏈條聯(lián)成環(huán)形時正好是外鏈板與內(nèi)鏈板相接，接頭處可用彈簧夾或開口銷鎖緊。若鏈節(jié)數(shù)為奇數(shù)時，則需采用過渡鏈節(jié)。在鏈條受拉時，過渡鏈節(jié)還要承受附加的彎曲載荷，通常應(yīng)避免采用。 齒形鏈由許多沖壓而成的齒形鏈板用鉸鏈聯(lián)接而成，為避免嚙合時掉鏈，鏈條應(yīng)有導(dǎo)向板(分為內(nèi)導(dǎo)式和外導(dǎo)式)。齒形鏈板的兩側(cè)是直邊，工作時鏈板側(cè)邊與鏈輪齒廓相嚙合。鉸鏈可做成滑動副或滾動副，滾柱式可減少摩擦和磨損，效果較軸瓦式好。 與滾子鏈相比，齒形鏈運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲小、承受沖擊載荷的能力高；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格較貴、也較重，所以它的應(yīng)用沒有滾子鏈那樣廣泛。齒形鏈多用于高速(鏈速可達(dá)40m/s)或運(yùn)動精度要求較高的傳動。 圖3.1 鏈傳動 3.3.2 鏈傳動的設(shè)計(jì) （1） 傳動比i ：鏈的傳動比一般≤8，在低速和外廓尺寸不受限制的地方允許到10。如傳動比過大，則鏈包在小鏈輪上的包角過小，嚙合的齒數(shù)太少，這將加速輪齒的磨損，容易出現(xiàn)跳齒，破壞正常嚙合。通常包角最好不小于120。 傳動比i=2~3.5 （2）鏈輪齒數(shù)z1和z2　首先應(yīng)合理選擇小鏈輪齒數(shù)z1 。小鏈輪齒數(shù)不宜過少，過少時，傳動不平穩(wěn)、動載荷及鏈條磨損加劇，摩擦消耗功率增大，鉸鏈的比壓加大及鏈的工作拉力增大。但是z1不能太大，因?yàn)閦1大，z2更大，不僅增大傳動尺寸，而且鉸鏈磨損后容易引起脫鏈，將縮短鏈的使用壽命。因?yàn)槿翩湕l的鉸鏈發(fā)生磨損，將使鏈條節(jié)距變長、鏈輪節(jié)圓d'向齒頂移動。 節(jié)距增長量Δp與節(jié)圓外移量Δd`的關(guān)系。 由此可知Δp一定時，齒數(shù)越多節(jié)圓外移量Δd`就越大，也越容易發(fā)生跳齒和脫鏈現(xiàn)象。大鏈輪齒數(shù)z2按z2=iz1確定，一般應(yīng)使z2≤120。在選取鏈輪齒數(shù)時，應(yīng)同時考慮到均勻磨損的問題。由于鏈節(jié)數(shù)最好選用偶數(shù)，所以鏈輪齒數(shù)最好選質(zhì)數(shù)或不能整除鏈節(jié)數(shù)的數(shù)。 （3）鏈速和鏈輪的極限轉(zhuǎn)速 鏈速的提高受到動載荷的限制，所以一般最好不超過12m/s。鏈輪的最佳轉(zhuǎn)速和極限轉(zhuǎn)速可參看圖2。圖中接近于最大許用傳動功率時的轉(zhuǎn)速為最佳轉(zhuǎn)速，功率曲線右側(cè)豎線為極限轉(zhuǎn)速。 （4）鏈節(jié)距 鏈節(jié)距愈大，鏈和鏈輪齒各部尺寸也愈大，鏈的拉曳能力也愈大，但傳動的速度不均勻性、動載荷、噪聲等都將增加。因此設(shè)計(jì)時，在承載能力足夠的條件下，應(yīng)選取較小節(jié)距的單排鏈，高速重載時，可選用小節(jié)距的多排鏈。 （5）鏈的長度和中心距 若鏈傳動中心距過小，則小鏈輪上的包角也小，同時嚙合的鏈輪齒數(shù)也減少；若中心距過大，則易使鏈條抖動。一般可取中心距a=(30~50)p，最大中心矩amax≤80p 。 由此算出的鏈的節(jié)數(shù)，必須圓整為整數(shù)，且最好為偶數(shù)。然后根據(jù)圓整后的鏈節(jié)數(shù)用下式計(jì)算實(shí)際中心矩： 為了便于安裝鏈條和調(diào)節(jié)鏈的張緊程度，一般中心距設(shè)計(jì)成可以調(diào)節(jié)的。若中心距不能調(diào)節(jié)而又沒有張緊裝置時，應(yīng)將計(jì)算的中心距減小2~5mm。這樣可使鏈條有小的初垂度，以保持鏈傳動的張緊。 3.4 總體校核計(jì)算 3.4.1 軌道轉(zhuǎn)速的確定 軌道的轉(zhuǎn)速直接影響生產(chǎn)能力和分級效率，它還與直徑有密切的關(guān)系，不能隨意確定。下面推導(dǎo)它們之間的關(guān)系式。 當(dāng)物料與軌道一起回轉(zhuǎn)時，其受力情況如圖3.2所示。 圖3.2 物料在軌道中受力情況 對物料B，受到重力G和摩擦力C的作用。把G分解為G月和G兩個分力，前者分力要推動物科從篩面向下滑動，后者則把物料朝篩面上壓聚而在物科運(yùn)動時和摩擦力一起產(chǎn)生摩擦力T， （3-1） 式中 —物料對篩面的摩擦系數(shù) 由于T的存在使物料沿篩面向上運(yùn)動。物料受到的摩擦力C為： （N） （3-2） 式中 m——物科B的質(zhì)量(公斤) G——物科F的重力(牛) g——重力加速度(米／秒) R——軌道的內(nèi)半徑(米) v——物料B運(yùn)動的線速度(米／秒) （3-3） 式中 n——軌道轉(zhuǎn)數(shù)(轉(zhuǎn)／分) 將公式（3.3）代人公式（3.2）中得 （3-4） 當(dāng)物料B沿軌道切線方向的重力分力等于或大于摩擦力T時，即開始向下滑動，此時亦即物料B處于軌道內(nèi)表面的最高點(diǎn)。即：時，物科B處于最高點(diǎn)。 （為摩擦角） （3-5） 將公式3.1和代人化簡后得 （3-6） 據(jù)資科介紹，角(物料升角)應(yīng)稍大于物料對篩面的摩擦角=5～10°才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。即＝5～10°，對果蔬，＝0.7，則＝0.7，＝35°，那么＝40～45°(此為物科升高的最大角度)。 將和值代入公式（3-6）中并化簡得 （rad/m） 考慮到軌道實(shí)際上有一傾角，故通常取 實(shí)驗(yàn)裝置的軌道的直徑為 所以 式中 n——軌道轉(zhuǎn)速數(shù)，r／min； R——軌道的直徑，m。 由此可知，n和R成反比，一般情況下，軌道直徑愈大，其轉(zhuǎn)速愈小。 3.4.2 功率計(jì)算 (3-7) 式中 A——軌道表面積，； ——軌道材料厚度，m； —軌道材料重度，N／。 (3-8) 式中 R——軌道內(nèi)半徑，m； L——軌道長度，m； ——物料重度，N／； ——物料在軌道中的充填系數(shù)，0.05～0.10。 (3-9) 式中 D——軌道直徑，m； W——軌道本身重力與軌道內(nèi)原料重力之和，N。 由于傳動方式不同，功率計(jì)算方法也不同。對于中間軸式的傳動，其功率P為 (3-10) 式中 P——功率，W； n——軌道轉(zhuǎn)速，r／min； M——驅(qū)動軌道轉(zhuǎn)動所需之力矩，N·m ——傳動效率，0.6～0.7。 3.4.3 傳動裝置總效率η和電動機(jī)功率Pr 由手冊查得，在傳動裝置中，兩隊(duì)齒輪傳動每對η1=0.97，四對軸承每對=0.98，聯(lián)軸器每個η3=0.99。皮帶輪為η4=0.86總的效率 所需電動機(jī)輸出功率 所以，電動機(jī)的選擇為：電動機(jī)的型號Y90L—6；額定功率1.1KW；滿載轉(zhuǎn)速910r/min；質(zhì)量25kg。 P=1100W>Pr=58.18W 所以，該電動機(jī)的選擇符合實(shí)際功率的要求。 （1）傳動比和各級傳動比計(jì)算 由傳動比，取 取齒輪傳動的齒數(shù) 。則實(shí)際傳動比 ， 實(shí)際總傳動比 （2）Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軸轉(zhuǎn)速計(jì)算 （3）各軸功率、轉(zhuǎn)矩和軸的校核計(jì)算 電動機(jī)軸功率和轉(zhuǎn)矩 Ⅰ軸輸入功率和轉(zhuǎn)矩 選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)表3.2，取A0=120，于是得： 表3.2軸常用的幾種材料的及[13] Table3.2 TheandSeveral materials commonly used shaft 軸的材料 Q235-A、20 Q275、35 45 40Cr、35SiMn、38SiMnMo、3Cr13 /MPa 15～25 20～35 25～45 35～55 149～126 135～112 126～103 112～97 Ⅱ軸輸入功率和轉(zhuǎn)矩： Ⅲ軸輸入功率和轉(zhuǎn)矩： 3.4.4 鏈輪的選擇 1）確定計(jì)算功率Pca 由表查的工況系數(shù)K=1.1，故 Pca= KP=1.11.1KW=1.21KW 2）選取鏈條的型 根據(jù)Pca、n，確定選用A系滾子鏈 10A。 3）確定鏈輪基準(zhǔn)直徑 由相關(guān)參數(shù)選取主動輪基準(zhǔn)直徑d=60mm。 確定從動輪基準(zhǔn)直徑d=i d=560mm=300mm （3-10） 取d=315mm。 4）驗(yàn)算鏈條的速度 V=〈35m/s （3-11） 鏈條的速度合適。 5）確定鏈輪的基準(zhǔn)長度和傳動中心距 由公式0.7（d+ d）〈〈2（d+ d）， （3-12） 初步確定中心距為=400mm。 根據(jù)公式L=2+（d+ d）+=[2400+（315+60） +]mm=1388mm （3-13） 由表選擇鏈的基準(zhǔn)長度L=1400mm。 按公式計(jì)算實(shí)際中心距 =+ （3-14） 6）驗(yàn)算主動輪上的包角 由公式得 =180- （3-15） 主動輪上的包角合適。 7）計(jì)算鏈輪的根數(shù)z z= （3-16） 由n=1440r/min、d=60mm、i=3.8查表得P=1.6KW、、，，則 Z=， （3-17） 因此取z=4根。 8）計(jì)算預(yù)緊力F, （3-18） 查表得q=0.07Kg/m，故 （3-20） 9）計(jì)算作用在軸上的壓軸力F （3-19） 4 軌道式果蔬分級機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1 總體結(jié)構(gòu)分析及三維圖 本文所設(shè)計(jì)的圓筒篩式干果分級機(jī)外形尺寸（長×寬×高）為3152mm×845mm×1767mm；其主要由進(jìn)料裝置、出料裝置、清篩裝置、篩分裝置和傳動裝置5部分組成，見圖4.1所示。 圖4.1 果蔬大小分級機(jī)構(gòu)簡圖 1)進(jìn)料裝置 進(jìn)料裝置由進(jìn)料斗和插板活門共同組成，如圖4.2所示。進(jìn)料斗采用頂置式，其下表面與水平面成一定的角度，便于物料的滾動流下；插板活門附加在進(jìn)料斗與機(jī)架的聯(lián)結(jié)處，用以控制物料的喂入量及喂入速度。 圖4.2 進(jìn)料斗三維圖 2)清篩裝置 清篩裝置采用的材料是無毒無污染的天然橡膠，被安置在機(jī)架的頂部，天然橡膠與皮帶條軌道接觸。當(dāng)有物料被夾在兩根皮帶條之間無法移動而隨著軌道一起運(yùn)轉(zhuǎn)時，由于被夾的物料高出軌道一部分，就會與清篩部分相接觸，從而產(chǎn)生摩擦碰撞，使被夾物料脫落，保證軌道的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 3)出料裝置 果蔬分級機(jī)的出料部分共包括四個出料斗，如圖4.3所示。均勻地分布在機(jī)體正面的一側(cè)。出料斗的底面與水平面夾角成60°，便于物料的滾動流下；并且在出料斗的兩側(cè)裝有吊鉤，便于集料袋掛放固定。 圖4.3 出料斗三維圖 4)篩分裝置 如圖4.4所示，篩分部分由三段軌道組成，每段軌道的皮帶條間隙不同，第一級到第三級皮帶條的間隙逐漸增大。物料在篩筒內(nèi)徑向隨著軌道一起做圓周運(yùn)動；軸向上由于物料具有彈性而且篩筒與水平面有一定的夾角所以作曲線或直線運(yùn)動。當(dāng)物料進(jìn)入篩筒時，厚度尺寸小的物料在摩擦力的作用下從第一級被分離出來，厚度尺寸較大的物料在軌道的帶動下運(yùn)動到下一級繼續(xù)篩選，如此重復(fù)直到第四級物料從側(cè)面出料斗分出為止。目前國內(nèi)并沒有制定統(tǒng)一的關(guān)于果蔬、蘋果、橘子大小等級的國家標(biāo)準(zhǔn)，因此根據(jù)所測得的物料厚度尺寸和相關(guān)市場調(diào)查，三種物料的各級間的皮帶條間隙由農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)機(jī)化研究所的專家定出，如下表4-1所示。 表4-1果蔬分級機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì) 項(xiàng)目 一級 二級 三級 四級 各級長度L（mm) 600 600 600 600 各級皮帶條間距M（mm) 50 60 70 80 圖4.4 皮帶條軌道結(jié)構(gòu)三維圖 4.2 本章小結(jié) 本章主要介紹了果蔬大小分級機(jī)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)，進(jìn)料裝置、清篩裝置、篩分裝置、出料裝置、進(jìn)料裝置、整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合理安排了皮帶條間距，軌道長度，軌道傾斜度，以便于在果蔬大小分級時能使果蔬在軌道中運(yùn)動，達(dá)到一個好的分級效果。并且通過Autocad和Solidworks分別畫出了它們的二維視圖和三維視圖，形成一個立體直觀的設(shè)計(jì)思路。 5 結(jié) 論 我國果蔬生產(chǎn)數(shù)量大，賣果難的問題經(jīng)常出現(xiàn)，在國際市場的果蔬出口份額偏低，其中對果蔬分級檢測技術(shù)落后，缺乏先進(jìn)有效地分級系統(tǒng)，良莠不齊已成為制約我國果蔬出口的重要原因之一。果蔬分級機(jī)是果蔬加工必不可缺的初級設(shè)備，該設(shè)備的研制成功對我國干果加工具有重要的意義。本文通過對各種分級機(jī)核心部件分級裝置對比分析，采用皮帶條軌道式分級裝置，以果蔬為分級實(shí)物，對分級機(jī)動力系統(tǒng)和軌道以及整套設(shè)備進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)，并利用AutoCAD繪制了其核心部件圖。果蔬分級機(jī)的研制和推廣，對于提高農(nóng)業(yè)的發(fā)展水平，增加廣大農(nóng)戶的收入，促進(jìn)果蔬進(jìn)出口業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，都將具有重大的意義。 在上述研究過程中，取得了如下結(jié)果： （1）詳細(xì)的對比了分級機(jī)各類分級裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，選取皮帶條軌道式分級裝置作為分級機(jī)的核心部件，并以紅棗為分級實(shí)物，對分級裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 （2）分級機(jī)軌道的轉(zhuǎn)速是實(shí)物的分級良莠的最主要原因，因此，本文選取電動機(jī)，并通過二級減速器控制軌道的速度，以減少速度對分級的影響。 （3）對整個裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并用AutoCAD對分級機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 參考文獻(xiàn)： [1] 葉昱程，應(yīng)義斌. 果蔬品質(zhì)檢測與分級技術(shù)［J］. 農(nóng)機(jī)化研究. 2003 [2] 蔣煥煜, 應(yīng)義斌,等. 果品質(zhì)智能化實(shí)時檢測分級生產(chǎn)線的研究［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).2002 [3] 張方明，應(yīng)義斌.果蔬分級機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的研究和發(fā)展［J］. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用.2004 [4] 李慶中，汪懋華. 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Conveyor Design for Apple Orientation, An ASAE Meeting Presentation, Paper Number: 036123 致 謝 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)在高英武老師的指導(dǎo)下按期完成，感覺收獲頗多，這是我人生中第一次從事精密的設(shè)計(jì)工作。每次在設(shè)計(jì)中遇到問題，都得到了高老師悉心的指導(dǎo)，幫我改正設(shè)計(jì)錯誤，提供新的設(shè)計(jì)思路，讓我順利的完成了本次設(shè)計(jì)。 在設(shè)計(jì)過程中，我學(xué)會了獨(dú)立思考，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，綜合應(yīng)用各種知識，提高了我收集整理的能力，從設(shè)計(jì)開始到結(jié)束，高英武老師嚴(yán)格的要求，一絲不茍的指導(dǎo)，這一點(diǎn)深深的影響了我，在我日后的工作當(dāng)中，我要學(xué)習(xí)老師的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)態(tài)度和開拓進(jìn)取精神，無論是在學(xué)術(shù)領(lǐng)域還是其他領(lǐng)域，發(fā)揮自己的專長，為社會做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。 謹(jǐn)此論文獻(xiàn)給所有關(guān)心和幫助過我的老師、親人、同學(xué)和朋友們，我只有不斷的努力，創(chuàng)造美好的未來，才能回報(bào)老師及親人、朋友的深深厚愛和多年栽培。 感謝老師和同學(xué)們在大學(xué)四年生活中給予的照顧與包容。 - 31 -