【正文】 創(chuàng)造良好的效益 [13]?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)普遍采用的果蔬分級(jí)裝置有活動(dòng)果托式、篩選式、滾筒式、回轉(zhuǎn)帶式、輥軸式等等 [45]，然而這些分級(jí)裝置主要針對(duì)類(lèi)球形、易于滾動(dòng)的果蔬，如蘋(píng)果、橘子等。在查閱了國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料后，發(fā)現(xiàn)目前胡蘿卜自動(dòng)分級(jí)機(jī)尚未出現(xiàn)。手工分選，勞動(dòng)強(qiáng)度高，效率低，勞動(dòng)力消耗大，耗時(shí)多，主觀性強(qiáng)，難以保證質(zhì)量。該方式效率有所提高、勞動(dòng)力消耗有所下降，但分級(jí)主觀性依然存在，分級(jí)質(zhì)量不高。 為了提高胡蘿卜采 摘后處理的機(jī)械化水平，我們提出了運(yùn)行可靠、成本低廉的胡蘿卜自動(dòng)分級(jí)包裝機(jī)。同時(shí)，該裝置也適用黃瓜，茄子等長(zhǎng)桿狀果蔬，彌補(bǔ)了該類(lèi)果蔬分級(jí)裝置的空白。按照農(nóng)業(yè)物料學(xué)的研究方法，胡蘿卜根部為截頭正圓錐體，呈一頭粗，一頭小的不規(guī)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 則細(xì)長(zhǎng)桿狀，其基本物料特性與機(jī)械裝備尺寸的合理確定息息 相關(guān)，為機(jī)械設(shè)計(jì)提供了可靠合理的設(shè)計(jì)依據(jù)以及檢驗(yàn)指標(biāo)，具體參數(shù)如表 11 所示 [6]。 表 11 胡蘿卜基本物料特性參數(shù) 表 12 胡蘿卜國(guó)家分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)格 大（ L） 中（ M） ?。?S） 長(zhǎng)度 20 15~20 15 同一包裝中允許誤差 ≤3 ≤2 ≤1 果蔬分級(jí)機(jī) 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó) 外果蔬分級(jí)機(jī) 研究現(xiàn)狀 目前，國(guó)外果蔬分級(jí)機(jī)的研究主要集中于無(wú)損檢測(cè)等高新 技術(shù)，比如果蔬的電學(xué)特性、光學(xué)特性、聲波振動(dòng)特性、核磁共振技術(shù)、撞擊技術(shù)、電子鼻技術(shù)以及機(jī)械視覺(jué)技術(shù)等都已得到應(yīng)用。 機(jī)械視覺(jué)技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)中主要用于檢測(cè)果蔬的外觀品質(zhì)。其外觀品質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)主要有顏色、大小、表面缺陷、形狀和紋理等 [6]。該類(lèi)生產(chǎn)線上的檢測(cè)分揀裝置的機(jī)械形式也是多種多樣。如圖 11 所示為整體分級(jí)線 ，圖 12 為果杯式杠桿翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。分級(jí)線后端為果杯式杠桿翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，在判別好等級(jí)信號(hào)后，通過(guò)控制元件，使得電磁鐵通電，拉動(dòng)杠桿一端的果杯向上并翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)分級(jí)。 為了解決采集整個(gè)果品信息圖像這一問(wèn)題， Gee A. Mills 對(duì)輥軸輸送裝置進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種活動(dòng)轉(zhuǎn)輥式輸送裝置 [11]。 圖 13 活動(dòng)轉(zhuǎn)輥式輸送裝置工作示意圖 Luciano Gentili 設(shè)計(jì)了一種全新的輸送卸料裝置 — 雙錐式滾子輸送翻轉(zhuǎn)裝置 [12]，如圖14 所示。卸料時(shí)，通過(guò)增高果盤(pán)的一側(cè)活動(dòng)端，使果盤(pán)傾斜，果蔬從傾斜的托盤(pán)中滾落，完成分 級(jí)卸料。但整機(jī)造價(jià)高且安裝維護(hù)較困難，故常用于大型果蔬加工廠和大型農(nóng)場(chǎng)，對(duì)于國(guó)內(nèi)的小作坊式果蔬加工廠而言成本較高，故在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少。普遍采用的尺寸分級(jí)方式有滾筒式、帶式、輥軸式等 [13]。傳統(tǒng)的滾筒式分級(jí)機(jī)采用多級(jí)滾筒水平布置，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，但在各級(jí)滾筒銜接處容易產(chǎn)生機(jī)械損傷，傷果率高，因此也衍生了相應(yīng)的改進(jìn)機(jī)型。物料靠自重在 V 型槽內(nèi)順序滾動(dòng)輸送，依次將其送入開(kāi)有孔徑逐漸變大的分級(jí)孔的滾筒外壁上方。該裝置的分級(jí)滾筒呈階梯狀布置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且調(diào)整方便，但占用 空間大且物料在自重下滾動(dòng)輸送，分級(jí)速度不宜控制，果蔬在分級(jí)過(guò)程中易夾果造成機(jī)械損傷，普遍適用于蘋(píng)果、柑橘等中型球形果蔬。通過(guò)直徑依次減小的各層滾筒嵌套固聯(lián)在一起進(jìn)行分級(jí)，果蔬沿旋轉(zhuǎn)的滾筒內(nèi)壁上升，上升一定高度后靠重力松散落下進(jìn)行果徑的校核 。在滾筒的兩側(cè)安裝有錐筒形返料板，增加了物料在滾筒內(nèi)分級(jí)時(shí)間，改善了分級(jí)效果。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 圖 16 白果分級(jí)機(jī) 1 電機(jī) 2 減速器 3 進(jìn)料機(jī)構(gòu) 4 滾筒篩體 5 機(jī)架 6 卸料斗 遼寧省農(nóng)機(jī)站所設(shè)計(jì)的滾筒式分級(jí)機(jī) [17]，如圖 17 所示。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，但在輸送過(guò)程中容易夾果，且分級(jí)精度較低，易產(chǎn)生竄級(jí)，適用于球形果蔬。滾筒式分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分級(jí)效率高，是我國(guó)最常用的果蔬等級(jí)分級(jí)機(jī)。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 18 變螺距柵條式紅棗分級(jí)裝置結(jié)構(gòu)示意圖 1 進(jìn)料斗 2 傳動(dòng)鏈條 3 鏈輪 4 柵條滾筒 5 螺旋輸送葉片 6 電動(dòng)機(jī) 7 出料斗 8 清篩裝置 9 機(jī)架 （ 2）帶式 帶式分級(jí)機(jī)由兩相隔間距逐漸變大的回轉(zhuǎn)帶組成，在果蔬挾持于兩回轉(zhuǎn)帶間往前輸送，當(dāng)果蔬直徑小于兩條回轉(zhuǎn)帶間隙時(shí)則落入下方的相應(yīng)等級(jí)的輸送帶輸出。 圖 19 Atlas Pacific 公司帶式分級(jí)機(jī) 由帶式分級(jí)機(jī)衍生出來(lái)的還有雙輥式以及輥帶式分級(jí)機(jī)。等徑輥帶式分級(jí)機(jī)通過(guò)回轉(zhuǎn)帶帶面與圓柱形分級(jí)輥回轉(zhuǎn)軸線呈一定角度布置產(chǎn)生由小變大的間隙，變徑輥帶式采用錐形分級(jí)輥或者多段直徑不同的分級(jí)輥，兩回轉(zhuǎn)軸線水平布置，簡(jiǎn)化安裝和傳動(dòng)。廣西大學(xué)就 5BF3 型輥 帶水果分級(jí)機(jī) [22]為試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)各個(gè)影響水果分級(jí)精度的因素進(jìn)行了優(yōu)化，將分級(jí)精度提高到了 96%。適用于紅棗，蘋(píng)果等球型果蔬，對(duì)于胡蘿卜這種長(zhǎng)桿狀果蔬也可進(jìn)行直徑分級(jí)，但需配套設(shè)備將胡蘿卜夾持入輥帶之間才能正常工作。新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院研制的 6JGG1000型可變間隙輥軸式果蔬分級(jí)機(jī)以及其改進(jìn)機(jī)型 6FG3000 型滾杠式青核桃分級(jí)機(jī) [23， 24]。該裝置分級(jí)柔和，效率高且分級(jí)精度好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作安裝精度要求高，且速度配合要求嚴(yán)格。其輸送鏈板上開(kāi)有垂直長(zhǎng)槽，活動(dòng)輥軸兩端卡在長(zhǎng)槽內(nèi)，具有垂直方向的自由度，通過(guò)突起物的作用力，控制兩固定輥軸間的一根活動(dòng)輥軸升降，當(dāng)活動(dòng)輥上升至最高時(shí)，固定輥與活動(dòng)輥的間距最大，當(dāng)物料直徑小于該間隙時(shí)，從此處落下，否則停留在兩輥軸間繼續(xù)往前輸送。 圖 112 輥筒輸送帶及輥筒工作原理 同樣的，利用這種增加垂直距 離的方式，廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院設(shè)計(jì)了一種新型的鏈板式間距可調(diào)果類(lèi)分級(jí)機(jī) [25]，間隙的大小由螺桿升降裝置調(diào)節(jié)，以改變分級(jí)鏈板的間距。輥軸式分級(jí)機(jī)具有分級(jí)精度高，分級(jí)柔和等優(yōu)點(diǎn)，但也有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高等不可忽略的缺陷。 圖 113 鏈板式間距可調(diào)果類(lèi)分級(jí)機(jī) 存在的主要問(wèn)題 目前，在果蔬分級(jí)的技術(shù)研究上投入成本越來(lái)越多，但是對(duì)長(zhǎng)桿狀作物的分級(jí)設(shè)備的探索卻處于空白。在人工成本越來(lái)越昂貴的今天，對(duì)機(jī)械化程度的要求也逐漸變高，本文就當(dāng)前果蔬分級(jí)加工機(jī)械的現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)發(fā)現(xiàn)存在問(wèn)題如下： 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 （ 1） 現(xiàn)有分級(jí)機(jī)械基本上是針對(duì)球形以及類(lèi)球形果蔬，對(duì)胡蘿卜這種長(zhǎng)桿狀作物不適用。 （ 3） 機(jī)械式分級(jí)設(shè)備的分級(jí)指標(biāo)均為直徑參數(shù)，然而胡蘿卜國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的分級(jí)指標(biāo)為長(zhǎng)度，采用原有直徑類(lèi)的分級(jí)機(jī)械可能造成分級(jí)的誤差變大。 （ 1）進(jìn)行胡蘿卜自動(dòng)分級(jí)機(jī)總體方案的設(shè)計(jì)，比較方案實(shí)現(xiàn)的難易程度，進(jìn)行方案確定； （ 2）進(jìn)行相應(yīng)的勻果上料裝置和分級(jí)裝箱裝置的總體設(shè)計(jì)和相關(guān)主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、相關(guān)部件的選型計(jì)算以及最優(yōu)參數(shù)的確定； （ 3）繪制裝配圖和各非標(biāo)準(zhǔn)件零件圖； （ 4）對(duì)分級(jí)機(jī)總體進(jìn)行理論分析、檢驗(yàn)計(jì)算及校核優(yōu)化。 研究方法 （ 1）工廠參觀，進(jìn)行實(shí)地考察。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 技術(shù)路線 資料的收集與分析 確定 總體方案 勻果上料 裝置的設(shè)計(jì) 分級(jí)裝箱 裝置的設(shè)計(jì) 各主要機(jī)構(gòu)的 設(shè)計(jì) 計(jì)算和校核 撰寫(xiě)論文 ， 繪制圖紙 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 2 總體方案的確定 胡蘿卜自 動(dòng)分級(jí)機(jī)總體方案的確定 如圖 21 所示為胡蘿卜自動(dòng)分級(jí)包裝機(jī)的整體結(jié)構(gòu)示意圖，主要由兩個(gè)部分組成： 1.勻果上料裝置、 ，胡蘿卜首先經(jīng)過(guò)勻果上料裝置實(shí)現(xiàn)單果，然后通過(guò)分級(jí)裝箱裝置實(shí)現(xiàn)按長(zhǎng)度分級(jí)的要求。隔板輸送帶由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，將胡蘿卜均勻送入分級(jí)區(qū)。分級(jí)裝箱裝置由輸送裝置，基準(zhǔn)矯正裝置、分級(jí)裝箱裝置以及傳動(dòng)裝置等組成。各等級(jí)的胡蘿卜進(jìn)入相應(yīng)的 U形槽裝箱集果裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分級(jí)裝箱功能。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 22 傳動(dòng)方案 動(dòng)力傳遞路線： 分級(jí)裝置動(dòng)力輸入軸 電機(jī) 渦輪減速器Ⅰ 鏈傳動(dòng)Ⅱ 鏈傳動(dòng)Ⅲ 勻果裝置動(dòng)力輸入軸 勻果上料裝置的工作原理 勻果上料是進(jìn)行胡蘿卜分級(jí)前的準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，是防止胡蘿卜在分級(jí)過(guò)程中產(chǎn)生相互干擾的有效措施，并能減少胡蘿卜從清洗機(jī)口出來(lái)后產(chǎn)生的堆積。勻果上料裝置主要包括機(jī)架、進(jìn)料斗、鏈傳動(dòng)、隔板輸送帶、輸送滾筒以及調(diào)節(jié)防護(hù)裝置等，其結(jié)構(gòu)如圖 23 所示。該裝置由 輸送裝置、 分級(jí)基準(zhǔn)矯正 裝置、分級(jí)裝箱部分、傳動(dòng)部分以及機(jī)架等組成。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 圖 24 分級(jí)裝箱裝置結(jié)構(gòu)示意圖 1 輸送鏈輪 2 輸送鏈 3 小馬達(dá) 4 毛刷 5 基準(zhǔn)矯正擋板 6 支撐板 7 U 型槽 8 渦 輪減速器 9 電機(jī) 10 機(jī)架 11 從動(dòng)鏈輪 12 主動(dòng)鏈輪 13 S 級(jí)果出料口 14 M 級(jí)果出料口 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 3 相關(guān)參數(shù)的確定 勻果上料裝置 相關(guān)參數(shù)的確定 輸送帶帶速 根據(jù)任務(wù)書(shū)的要求，按照胡蘿卜的產(chǎn)量、隔板間隔以及胡蘿卜的平均質(zhì)量，推算得輸送帶的帶速 v 為： 3600v Q l m? 式中： = 1 5 0 0 k g /Q Q h? 胡 蘿 卜 的 產(chǎn) 量 ， 取 = 8 0 m mll? 隔 板 間 隔 ， 取 =gm ? 胡 蘿 卜 平 均 質(zhì) 量 160 計(jì)算得： 1 5 0 0 x 8 0 1 6 0 x 3 6 0 0 =0 . 2 1 /v m s? 輸送帶傾斜角度 在提升輸送胡蘿卜上料的過(guò)程中，其單果效率受到隔板尺寸以及輸送傾斜角度的影響。為了保證單果率，其輸送帶的傾斜角度應(yīng)大于其物料的動(dòng)堆積角度 [28]。 隔板尺寸參數(shù) 隔板的尺寸對(duì)勻果上料裝置的設(shè)計(jì)尤為重要，影響胡蘿卜勻果輸送裝置的單果效果。因此，合理分析胡蘿卜在隔板上 的受力狀態(tài)，找出合適的尺寸參數(shù)范圍，通過(guò)試驗(yàn)的方式確定最佳參數(shù)。當(dāng)重力的作用線位于隔板外側(cè)時(shí)，胡蘿卜有從隔板上落下的趨勢(shì)，由圖示的幾何關(guān)系計(jì)算可得，保證胡蘿卜不下落的隔板高度最小值： m in m ax(1 cos )l R a??公式請(qǐng)按要求編號(hào) 式中： maxR 為最大胡蘿卜半徑，取 mm? a為輸送傾斜角度，取 oa 35? 計(jì)算得： mm? 當(dāng)胡蘿卜產(chǎn)生堆積時(shí)，臨界 情況為小型胡蘿卜容納在大胡蘿卜與隔板產(chǎn)生的凹槽內(nèi)，故避免胡蘿卜產(chǎn)生堆積的隔板高度最大值： 22m a x m i n m i n m i n m i n m i n m i n( ) ( s i n ) c o sl R R R R R a R a? ? ? ? ? ? 式中： minR 為最小胡蘿卜半徑，取 ? 計(jì)算得： mm? 故當(dāng) 35a??時(shí)，保證既不堆果也不落果的隔板高度范圍為 ~。 圖 31 胡蘿卜在最大隔板高度時(shí)的受力狀況 圖 32 胡蘿卜在最小隔板高度時(shí)的受力狀況 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 （ 2）隔板長(zhǎng)度 胡蘿卜的最大長(zhǎng)度為 ，為了保證隔板能夠?qū)⒚扛}卜提升起來(lái)，按照胡蘿卜最大長(zhǎng)度，初定隔板的長(zhǎng)度為 270mm，輸送帶寬 B=270mm。又應(yīng)為胡蘿卜可能有一定的彎曲或者不規(guī)則，將隔板間距進(jìn)行適當(dāng)放大，初定隔板間隔為 80mm。由于胡蘿卜勻果輸送裝置所需功率小，滾筒所受載荷小，故選用輕型滾筒。 圖 33 輕型滾筒結(jié)構(gòu)圖 滾筒長(zhǎng)度與直徑的確定 根據(jù)胡蘿卜的長(zhǎng)度以及輸送帶寬 B=270mm，輸送輥筒長(zhǎng)度 L=280mm。由《運(yùn)輸設(shè)計(jì)手冊(cè)》知：帶式輸送機(jī)的滾筒直徑與輸送帶的構(gòu)造、所受應(yīng)力的大小、以及帶的接頭形式有關(guān)，計(jì)算得輸送帶許用比壓的滾筒直徑 [30]： 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 123 6 0 ( )[]3 6 0 (1 8 1 .1 9 6 .8 )0 .4 3 .1 4 2 7 09 4 .0FFDPBmm????????? ? ?? 式中： ??p 為 輸送帶所能承受的需用壓力，由運(yùn)輸設(shè)計(jì)手冊(cè)查得 :織物帶 ? ? MPa? ； 取滾筒直徑為 100D mm? 。在計(jì)算過(guò)程中，忽略軸承的摩擦力，取帶以及胡蘿卜為整體作為分析對(duì)象，受力如圖 34 所示，圖示中 G 為胡蘿卜以及帶的重力。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 計(jì)算得： NgmmG10)(