长杆状蔬果分选机单果上料装置的研制

朱洪迎，綦耀光，杜宏伟,，王凤凯，韩仲志,2b

(1.中国石油大学 机电工程学院，山东 青岛 266580；2.青岛农业大学 a.机电工程学院；b.理信与信息科学学院，山东 青岛 266109)



长杆状蔬果分选机单果上料装置的研制

朱洪迎1，綦耀光1，杜宏伟1,2a，王凤凯2a，韩仲志1,2b

(1.中国石油大学 机电工程学院，山东 青岛 266580；2.青岛农业大学 a.机电工程学院；b.理信与信息科学学院，山东 青岛 266109)

长杆状蔬果分选机工作时要求蔬果单向且单果输送，才能保证其分选效率。为此，设计了一种适合于胡萝卜、茄子等长杆状蔬果自动分级机的单果上料装置，主要由进料斗、隔板输送带、输送滚筒和调节防护装置等部分组成。本设计以胡萝卜为研究对象，通过对胡萝卜在输送带上的受力分析、隔板尺寸参数的理论推导及胡萝卜在出口的运动状态分析，合理选择了单果上料装置的结构尺寸及动力参数，以保证胡萝卜的单果上料，为其它长杆状蔬果分选机的单果装置提供依据。试验证明：单果装置单果率约为89%，计算数据与实际工作状况基本相符。

长杆状蔬果；单果输送；单果率；隔板输送带

0 引言

目前，国内对于长杆状蔬果分级装置的研究较少，装备也落后于发达国家，蔬果分级工作基本上依靠机械与人工相配合的方式实现[1]。国内目前对胡萝卜、茄子、黄瓜等长杆状蔬果分级主要有手工和半自动两种方式。人工分选是完全靠劳动者将清洗好的蔬果进行筛选，把认为合格的蔬果按长短分级。整个过程都是靠肉眼根据蔬果的大小、颜色等对其进行分选，具有较大的主观性、分级不够精确、劳动强度大且工作效率低，质量难以保证。半自动分级是采用机器自动上料输送、人工分级的方式。该方式效率有所提高、劳动力消耗有所下降，但分级主观性依然存在，分级质量不高。在高效率生产和劳动成本不断提高的今天，长杆状果蔬分级作业全过程的机械化已是必然趋势。

目前，国内已有专家学者进行黄瓜、胡萝卜等长杆状蔬果分级机的研发及制造，并取得显著成果[2-6]。由于蔬果的品种、生长影响因素等不同，导致其形状各异、长短不一等。因此，在分级或图像处理过程中，需要对蔬果逐个分析，才能保证蔬果处理的准确性与可靠性[7-10]。蔬果分级过程中，单果上料是实现蔬果精确分级的前提，但目前的蔬果单果上料装置的单果率较低，无法满足企业生产率的需求，需要进一步研究[10-13]。为了提高长杆状蔬果分选机的单果率，本文以胡萝卜为例，通过物料特性统计分析，研制开发了长杆状蔬果单果上料装置，并进行了装置关键参数的验证试验。该装置可以通过调节隔板距离、高度和长度，也可满足黄瓜、茄子等长杆状果蔬的单果上料，具有较好的通用性。

1 单果上料装置的结构及工作原理

1.1 总体结构

单果上料装置主要包括机架、进料斗、出料斗、隔板输送带、输送滚筒及调节防护装置等，结构如图1所示。

1.2 工作原理

长杆状蔬果经清洗机清洗之后首先进入进料斗，上料机由电机驱动主动滚筒带动从动滚筒与隔板输送带运转；蔬果在隔板上自动单果上料后，经过输送带带至出料口输出。通过合理确定隔板输送带的参数，如隔板的高度、输送带整体的角度及速度等，合理设计输送带与出料斗、进料斗之间的距离，最终达到高效率单果上料的目的。

2 关键部件及主要参数

本机以长杆状蔬果胡萝卜为分选对象，对青岛店埠镇种植的红映二号等品种的胡萝卜进行了物料特性参数统计，统计结果如表1所示。以表1中参数为基础，设计制造了长杆状蔬果单果上料装置。

1.隔板输送带 2.支撑板 3.防护栏 4.出料斗 5.机架 6.调节锁紧装置 7.轴承座 8.进料斗 9.从动滚筒 10.主动滚筒图1 单果上料装置结构图表1 该胡萝卜基本物料特性参数

指标长度最大直径最小有效直径平均值173.2mm45.2mm23.1mm最大值257.2mm74.4mm35.9mm最小值85.3mm13.4mm16.1mm变异系数0.230.250.25

2.1 输送带隔板尺寸参数

隔板的选型对于单果上料装置的设计尤为重要，会直接影响蔬果输送的单果效率。长杆状蔬果安放在隔板上，一方面受到隔板的支持力，另一方面受到自身重力的作用有往下滚落的趋势，如果隔板的尺寸不合理，可能会造成蔬果堆积或者难以提升等问题。因此，合理分析长杆状蔬果在隔板上的受力状态，找出合适的尺寸参数范围尤为重要。下面以胡萝卜为例，给出隔板尺寸确定的理论计算过程。

1)隔板高度。将胡萝卜简化为等径圆柱体，其重心位于中心轴上，胡萝卜在不同高度的隔板的受力情况如图2所示。当重力的作用线位于隔板与胡萝卜两个接触点外侧时，胡萝卜有从隔板上滑落的趋势。由图2几何关系计算可得，保证胡萝卜不滑落的隔板高度最小值为

Lmin=Rmax(1-cosa)

(1)

其中，Rmax最大胡萝卜半径，取Rmax=37.2mm；a为输送倾斜角度(°)。

取a=35°，计算得：Lmin=6.72mm。

当胡萝卜产生堆积时，临界情况为小型胡萝卜堆积在小胡萝卜与隔板产生的凹槽内。如利用几何关系进行隔板最大高度的计算过程复杂，在此进行简化计算。

隔板高度最大值满足以下条件，有

Lmax=Rmin(3-cosa)

(2)

其中，Rmin为最小胡萝卜半径，取Rmin=11.75mm。计算得：Lmax=25.62mm。

故当a=35°时，保证既不堆积也不空果的隔板高度范围为6.72～25.62mm。初定隔板高度为25mm。

(a) 最大隔板高度时的受力状况

(b) 最小隔板高度时的受力状况图2 胡萝卜受力分析

2)隔板长度。胡萝卜的最大长度为260.5mm，为了保证隔板能够将每根胡萝卜提升起来，按照胡萝卜最大长度，初定隔板的长度为270mm，输送带宽B=270mm。

3)隔板间隔。胡萝卜的最大直径为74.4mm，为保证正常容果且不产生堆积，隔板最大值为74.4mm。考虑到胡萝卜可能有一定的弯曲或者不规则，将隔板间距进行适当放大，初定隔板间隔为80mm。

2.2 单果输送带的设计

1)输送带带速。需根据长杆状果蔬的产量、平均质量以及其受力状况进行设计。为使得果蔬在所设定的带速下，从进料斗平稳进入输送带的隔板间隔中，而不会在进料斗内造成大量胡萝卜堆积，还要尽量减少单个隔板间隔内空果和多果的现象。预设输送带的最佳带速v=0.21m/s。

2)输送带倾斜角度。在提升输送果蔬上料的过程中，其单果效率受到隔板尺寸及输送倾斜角度的影响。倾斜角度过大会导致提升输送效果差，长杆状蔬果无法承载于隔板上；倾斜角度过小会产生堆积[14]。为了保证单果率，其输送带的倾斜角度应大于其物料的动堆积角度[11]。考虑安装及蔬果可稳定地盛放于隔板之间，并且有利于单果率，初定倾角为35°。

2.3 输送滚筒类型的选择及参数确定

主动滚筒由电动机驱动，带动隔板输送带与从动滚筒转动，而输送滚筒按照所承受载荷的大小分为轻型、中型、重型及工程级滚筒[14-15]。由于长杆状蔬果单果输送装置所需功率小，滚筒所承受载荷小，在此选用轻型滚筒。轻型传动滚筒通过辐板与外板全焊接，轮毂与轴用键进行连接，实现动力传递以及定位，其滚筒结构如图3所示。

图3 轻型滚筒结构图

根据前述表1数据，初选输送带宽B=270mm，输送滚筒长度L=280mm。

滚筒直径的大小直接影响输送带的弯曲应力大小。由《运输设计手册》知：带式输送机的滚筒直径与输送带的构造、所受应力的大小及带的接头形式有关，经计算后，取滚筒直径为D=100mm。

3 试验效果

对研制的单果上料装置样机进行了单果输送试验。通过试验对某些初定最佳参数做了适当调整，隔板高度调整为H=36mm。

总胡萝卜数定义为某隔板从进料斗上料到该隔板进入出料斗出料期间隔板输送带上胡萝卜的总数。单果数定义为在运输过程中两个隔板之间只有一个胡萝卜隔板间隔个数。空果数定义为在运输工程中两个隔板之间没有胡萝卜的隔板间隔个数。单果率为单果数与总胡萝卜数的比值。试验结果均采用多次试验取其平均值的方法(不同隔板高度实验时隔板间距不变)。

试验统计结果如图4～图6所示。

图4 隔板高度对单果率影响

图5 输送带角度对单果率

图6 输送带速度对单果率

根据试验数据可以得出：当输送带隔板高度为36mm、输送带角度为20°、输送带速度为650mm/s时，单果效果最佳，可以实现单果目的。

4 结论

该设计方案利用机械原理结合长杆状果蔬的外形特点，研制出一种新型的长杆状果蔬单果输送装置。以胡萝卜为例，对单果输送装置的各个参数进行了理论设计计算，初步确定了输送带速、倾斜角度及隔板的尺寸；在此基础上对胡萝卜进行了受力及运动分析，完成了单果上料装置各个零部件的结构设计，实现了单果上料的目的。

本机器虽基本实现了胡萝卜单果输送的目标，但如果进一步提高输送速度，胡萝卜会受到损伤，且单果率有所下降，因而制约了该机器效率的进一步提高，因此该单果输送机具有进一步改进的可能。

[1] 刘李峰.我国胡萝卜产业发展现状分析[J].上海蔬菜，2006(2)：4-6.

[2] 杜宏伟, 邓立苗, 熊凯,等. 基于计算机视觉的胡萝卜外观品质分级系统与装备[J].农机化研究, 2015，37(1):196-200.

[3] 韩仲志，熊凯，李言照，等.一种全自动胡萝卜清洗分级包装装置：中国，CN102530300A[P].2012-12-30.

[4] 杜宏伟, 邓立苗, 韩仲志,等. 胡萝卜自动分级机机械装置的研制[J]. 农机化研究, 2015,37(10):124-127.

[5] 陈海涛, 任珂珂, 余嘉. 胡萝卜物理力学特性的试验研究[C]//纪念中国农业工程学会成立 30 周年暨中国农业工程学会 2009 年学术年会 (CSAE 2009) 论文集, 2009.

[6] 韩霞, 陈海涛, 顿国强,等. 胡萝卜收获机械化研究的现状分析[J]. 农机化研究, 2015,37(7):259-263.

[7] 李平，郁网庆.国内外胡萝卜产业现状与前景展望[J].中国果菜，2004(3)：6-7.

[8] 郑瑶瑶，夏延斌.胡萝卜营养保健功能及其开发前景[J].包装与食品机械，2006，24(5)：35-37.

[9] Gentili L. Conveying and off-loading apparatus for machines for the automatic selection of agricultural products such as fruit: U.S. Patent 5,101,982[P]. 1992-04-07.

[10] Mills G A, Brown I A. Apparatus for spinning fruit for sorting thereof: U.S. Patent 4,726,898[P].1988-02-23.

[11] 陈青云.农业设施学[M].北京：中国农业大学出版社，2001：127-172.

[12] 唐伟强.食品通用机械与设备[M].广州：华南理工大学出版社，2010：9-31

[13] 邱凤霞. 带式输送机的最大倾角[J]. 物料搬运与分离技术, 1997(3):46-52.

[14] 郭俊武, 王涛, 张建权.大倾角带式输送机设计[J].煤矿现代化, 2013(6) :58-60.

[15] 于岩，李维坚.运输机械设计[M].徐州：中国矿业大学出版社，1998.

Design of Single-Fruit Loading Machine for Long-Bar Shaped Fruits and Vegetables

Zhu Hongying1， Qi Yaoguang1， Du Hongwei1,2a， Wang Fengkai2a， Han Zhongzhi1,2b

(1.College of Mechanical and Electronic Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580，China; 2.a.College of Mechanical and Electronic Engineering; b.College of Sciences and Information Science, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109，China)

When the automatic grading machine for long-bar shaped fruits and vegetables working correctly, as long as vegetable & Fruit are one-way and single-fruit transportation, the grading efficiency can be ensured.This paper described the design of a automatic grading and loading device for long-bar shaped fruits and vegetables,such as carrot and eggplant. This machine was mainly made up by the feeding hopper, separator conveyor belt,conveyor roller and regulation and some other parts.This design takes the carrot as the research object.By the stress analysis of the carrot on the conveyor belt and the theoretical derivation of the size parameters of the separator,including analyzing of the moving state of carrot in export,the selection of the fruit on the structure size of feeding device and dynamic parameter were completed reasonably.So that the single loading for carrots can be realized.This paper also provided reference basis for other long-bar shaped fruits and vegetables. The experiments showed that single fruit rate of this automatic grading machine was 89%, and the theoretical calculation data were basically consistent with the actual working conditions.

long-bar shaped fruits and vegetables; single-fruit conveying; single fruit rate; separator conveyer belt

2016-02-05

山东省农机装备研发创新计划项目(2015YZ107)

朱洪迎(1989-)，山东临沂人，硕士研究生，(E-mail)cying0326@163.com。

杜宏伟(1976-)，女，山东聊城人，讲师，博士研究生，(E-mail)dhwfair@163.com。

S226.5;TH122

A

1003-188X(2017)03-0125-04