卵形体质量和材质对大小头自动定向运动的影响

2014-05-03朱红力

食品与机械 2014年3期

孙柯姜松朱红力徐斌

SUN Ke 1 JIANG Song 1 ZHU Hong－li 2 XU Bin 1

（1.江苏大学食品与生物工程学院，江苏镇江 212013；2.江苏大学环境与安全工程学院，江苏镇江 212013）

（1.School of Food and Biological Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China；2.School of the Environment and Safety Engineering，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China）

在禽蛋大小头自动定向处理中，实现自动定向的关键运动是禽蛋在输送辊上的轴向运动和翻转运动［1］，其中轴向运动是通过禽蛋与输送辊之间组成的摩擦轮传动关系实现的［2］，翻转运动是通过禽蛋与输送辊和导向杆之间组成的凸轮传动关系实现的［3］。这两种运动即定向运动的核心是禽蛋与输送辊之间的摩擦作用，而禽蛋的质量和材质是影响禽蛋与输送辊之间摩擦作用的主要因素。

目前，禽蛋大小头自动定向的分析主要集中在定向运动的机理、不同禽蛋的运动规律分析和定向装置不同工作参数对禽蛋运动的影响［4，5］，以及禽蛋在输送辊上静态和动态姿态及其参数的分析［6］。在这些文献的试验研究中所有的试样都是禽蛋。但由于禽蛋表面覆盖有不同的蛋白质保护膜［7］，禽蛋内部结构的复杂性和不均匀性，质量、蛋形和蛋壳表面状况的离散性，导致禽蛋定向试验结果误差比较大，不能充分反映禽蛋质量和表面状况对轴向运动和翻转运动的影响，而禽蛋和非禽蛋卵形体的质量、表面状况等对定向运动参数的影响是卵形体定向技术的应用研究和定向装置开发的基础。目前其相关研究未见文献报道。

本研究拟利用与禽蛋尺寸相近的塑料和铝质卵形体，探究塑料和铝质卵形体定向运动的规律以及质量和材质对卵形体轴向运动和翻转运动的影响，并与禽蛋作比较分析，为卵形体大小头自动定向技术的应用和装置的开发提供基础数据。

1 材料与设备

1.1 材料与仪器

1.1.1 试验材料

3 枚形状和材质相同的塑料空心卵形体，购于北京陆陆美术用品店。分别用大米、大米—钢珠混合物和钢珠对3枚塑料卵形体紧密填充，制作成不同质量的3枚同形状塑料卵形体A、B和C，3枚塑料卵形体长轴均为59.5 mm，短轴均为45.7 mm，质量分别为64.9，156.9，284.6 g，用文献［8］的方法进行估算，其密度分别约为0.998，2.410，4.380 g／cm3。

铝质卵形体，用数控机床加工制成，长轴为59.7 mm，短轴为41.4 mm，蛋形角（长轴中点处禽蛋轮廓与长轴的夹角［9］）为8°，质量为145.0 g，其密度约为2.75 g／cm3。

鸭蛋和洋鸡蛋各1枚，鸭蛋长短轴和质量分别为63.2 mm，45.5 mm 和72.6 g，其密度约为1.06 g／cm3；洋鸡蛋长短轴和质量分别为57.2 mm，45.1 mm和63.9 g，其密度约为1.05 g／cm3。购于江苏大学凯源旅游超市，表面清洁无裂纹。

1.1.2 试验设备

禽蛋大小头定向运动综合试验台：江苏大学食品与生物工程学院自制（图1）；

电子数显游标卡尺：G101－103－101型，0～150 mm，分辨率0.02 mm，上海量具刃具厂；

物性仪：TA.XT.Plus 型，英国 Stable Micro System公司；

摩擦系数测定辅助装置，江苏大学食品与生物工程学院自制；

电子天平：TE612－L型，赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；

不锈钢直尺：最小刻度1 mm，市售。

1.2 试验方法

图1 禽蛋定向运动综合试验台Figure 1 Test device of orientation motions of eggs

1.2.1 卵形体定向运动过程的摄录和图像截取在禽蛋定向运动综合试验台的输送辊旁放置不锈钢直尺，利用试验台的摄录系统分别将各条件下卵形体在试验台上进行轴向运动和翻转运动的过程录制为视频。轴向运动拍摄方向为卵形体正上方，用QQ影音v3.7每隔0.5 s截取拍摄视频中的图像；翻转运动拍摄方向为卵形体正上方和输送辊轴线方向，每隔1／24 s截取拍摄视频中的图像。

1.2.2 轴向运动参数的测定参照文献［10］的轴向运动参数测定方法，对卵形体轴向运动的水平偏转角和轴向位移进行测定。

1.2.3 翻转运动参数的测定

（1）翻滚距离的测定：用 Adobe Photoshop v12.0读取由卵形体正上方拍摄的翻转运动视频所截取的翻转运动起始状态（卵形体未翻转）和完成状态（卵形体完成翻转）的图像。用Adobe Photoshop v12.0中的度量工具在起始状态和完成状态图像中作与卵形体小头端相切的垂线并延长至标尺的刻度线，读取标尺上的刻度值。设起始状态和完成状态对应的刻度值分别为S1和S2，则翻滚距离

式中：

S——翻滚距离，mm；

S2——完成状态对应的刻度值，mm；

S1——起始状态对应的刻度值，mm。

（2）导向杆作用距离测定：用 Adobe Photoshop v12.0读取从卵形体正上方拍摄的翻转运动视频所截取的翻转运动起始状态和临界状态（卵形体长轴垂直于输送辊轴线）的图像，用 Adobe Photoshop v12.0中的度量工具在起始状态和临界状态图像中分别作与卵形体小头端相切的垂线和过导向杆与卵形体接触点的垂线，并延长至标尺的刻度线，读取标尺上的刻度值。设临界状态对应的刻度值为S3，则导向杆作用距离

式中：

X——导向杆作用距离，mm；

S3——临界状态对应的刻度值，mm。

（3）侧偏角的测定：用Adobe Photoshop软件读取由输送辊轴线方向拍摄的翻转运动视频所截取的翻转运动临界状态的图像，用Adobe Photoshop软件中的度量工具作出图像中卵形体的长轴线，并从软件中读取所作长轴线与水平方向的夹角α，则侧偏角

式中：

β——侧偏角，°；

α——禽蛋长轴线与水平方向的夹角，°。

1.2.4 不同质量卵形体定向运动参数的测定利用禽蛋定向运动综合试验台对3枚不同质量的塑料卵形体进行轴向运动和翻转运动试验并测量运动参数，试验条件为输送辊材质尼龙，输送辊直径Φ40 mm，输送辊间距10 mm，输送辊转速和输送速度70 mm／s，导向杆弯曲角度30°。每组轴向运动试验平行3次，取平均值；每组翻转运动试验平行5次，取平均值。

1.2.5 不同材质卵形体定向运动参数的测定利用禽蛋定向运动综合试验台对塑料卵形体B、铝质卵形体、洋鸡蛋和鸭蛋分别进行轴向运动和翻转运动试验并测量运动参数，试验条件为输送辊直径Φ40 mm，输送辊间距10 mm，输送辊转速和输送辊输送速度70 mm／s，导向杆弯曲角度30°。每组轴向运动试验平行3次，每组翻转运动试验平行5次。

1.2.6 卵形体与输送辊间静摩擦系数的测定摩擦系数测定辅助装置放置于物性仪台架上，输送辊固定于测定装置上，待测卵形体放置于输送辊上，再将一根尼龙线的一端粘贴在待测卵形体小头端点，另一端越过定滑轮连接在物性仪探头上，如图2所示。测量条件为输送辊直径Φ40 mm，输送辊间距0 mm，输送辊材料为尼龙。利用物性仪拉伸试验。测试模式为 Return to start，测前速度为1 mm／s，测试速度为0.5 mm／s，测后速度为10 mm／s，测试距离为50 mm，触发力为0.05 N。平行5次测量卵形体开始移动时的拉力，设其平均值为F。再用电子天平测量卵形体的质量m。则静摩擦系数

式中：

η——静摩擦系数；

F——卵形体开始移动时的物性仪探头的拉力，N；

m——卵形体质量，g；

g——重力加速度，mm／s2。

图2 摩擦系数测定辅助装置Figure 2 Measurement device of friction coefficient

2 结果与分析

2.1 质量对塑料卵形体定向运动的影响

2.1.1 质量对塑料卵形体轴向运动的影响由图3可知，塑料卵形体A、B和C的水平偏转角和单位时间轴向位移差异不明显，这与文献［2］的轴向运动位移主要取决于输送辊的线速度、水平偏转角和卵形体与输送辊接触状况有关的分析吻合；此外，其轴向运动规律与禽蛋相似［2］。

图3 质量对塑料卵形体轴向运动的影响Figure 3 Effects of mass on axial motions of plastic ovoids

2.1.2 质量对卵形体翻转运动的影响由图4可知，塑料卵形体A、B和C翻转运动的翻滚距离、导向杆作用距离差异不明显，这与文献［3］的禽蛋翻滚距离和导向杆作用距离主要取决于长短轴长度的分析吻合；而塑料卵形体的侧偏角随着质量的增加而增大。卵形体翻转运动时，其传动关系为无定轴的凸轮传动［3］，质量较大的卵形体翻转运动时由于运动阻力比较大，导致侧偏角偏大。

图4 质量对塑料卵形体翻转运动的影响Figure 4 Effects of mass on turnover motions of plastic ovoids

2.2 材质对卵形体定向运动的影响

2.2.1 不同材质卵形体与输送辊间静摩擦系数所测定不同材质卵形体与输送辊间静摩擦系数见表1。4种卵形体与尼龙输送辊间静摩擦系数大小顺序为洋鸡蛋＞塑料卵形体＞铝质卵形体，鸭蛋静摩擦系数与洋鸡蛋相近。

表1 不同材质卵形体与输送辊间静摩擦系数Table 1 Static friction coefficients between different ovoids and nylon convey rollers

2.2.2 材质对卵形体轴向运动的影响由图5可知，塑料和铝质卵形体在输送辊上轴向运动的运动规律与禽蛋相似。轴向运动稳定后洋鸡蛋水平偏转角较大，铝质卵形体较小，而鸭蛋稳定后的水平偏转角与塑料卵形体相近。4种卵形体单位时间轴向位移顺序为洋鸡蛋＞塑料卵形体＞鸭蛋＞铝质卵形体。

图5 材质对卵形体轴向运动的影响Figure 5 Effects of the materials on axial motion of ovoids

洋鸡蛋、塑料卵形体和铝质卵形体水平偏转角大小顺序与这3种卵形体和输送辊间静摩擦系数的大小顺序吻合。这表明静摩擦系数是卵形体轴向运动水平偏转角的重要影响因素。而鸭蛋轮廓与洋鸡蛋、塑料卵形体和铝质卵形体轮廓不同，鸭蛋的轮廓更接近于标准椭球体，而洋鸡蛋、塑料卵形体和铝质卵形体大小头区别较为明显，而卵形体大小头差异性不同会影响卵形体与输送辊接触的平衡接触圆位置［5］。卵形体大小头差异性对轴向运动的影响有待于深入研究。

4 种卵形体单位时间轴向位移大小顺序与其水平偏转角大小顺序一致，与文献［2］的报道吻合。

2.2.3 材质对卵形体翻转运动的影响由图6可知，塑料和铝质卵形体在相邻输送辊和导向杆作用下的翻转运动的运动规律与禽蛋类似。4种卵形体翻滚距离和导向杆作用距离大小顺序为鸭蛋＞塑料卵形体＞铝质卵形体，洋鸡蛋与铝质卵形体相近。4种卵形体翻转运动的侧偏角顺序为铝质卵形体＞鸭蛋＞塑料卵形体＞洋鸡蛋。