红橙自动分级装备结构设计*

梁卓贤 ，郭延艳 ，何万涛

（岭南师范学院，广东 湛江 524048）

0 引言

在我国，拥有种类丰富、品质优良的各类橙子，如黔阳冰糖橙、邻水脐橙、琼中绿橙等。同时，在广东省廉江市也有一种誉为中国国家地理标志性产品的廉江红橙。廉江红橙是广东省廉江市特产，产地范围处于广东省廉江市青平镇等八个行政区域，廉江红橙在当地农业和农村经济发展中有着十分重要的地位。目前，红橙以鲜果采摘销售为主要售卖途径，因为种植户多数是个体户，以小家庭生产为主，所以采后处理水平较低，通常采用人工筛选分级处理，不仅浪费人力，且分级效果不佳、效率低，使得水果产后处理成本增高、品质低并且不能实现红橙的优质优价，缺乏市场竞争力[1]。相较于人工筛选，机械式自动分级具有效率高、速度快的特点，对水果分级有明显优势[2]。市面上已有的水果自动分级装备虽自动化程度高、效率高，但体积大、价格高，并不适合小规模的农户使用，所以需要一款体积小、价格低、维护成本低、速度快且效率高的适合散户使用的红橙自动分级装备。

本课题研究的是滚筒式红橙自动分级机装备，能有效提高红橙的分级效率，减少人力的浪费，且分级装备具有使用寿命长、成本低、易维护、机构简单等优点，在水果分级筛选过程中能保证红橙的质量，实现红橙的优质优价。作为一款简单便捷且成本低的水果分级装备，其具有重要的研究意义与应用价值，能满足小型橙子种植户对于橙子的分级要求，实现降低成本的目的，增加果农收入。

1 红橙自动分级装备的结构设计

1.1 整体方案设计

设计自动分级装备的目的是提高水果的分级效率。将红橙分为5 个等级，红橙直径≤40 mm 为小果，40 mm~50 mm（含）为中小果，50 mm~60 mm（含）为中果，60 mm~70 mm（含）为大果，﹥70 mm为特大果。滚筒式自动分级装备的整体结构主要分为传动机构、分级机构、支撑固定结构、水果喂入和输出结构，其整体结构如图1所示。

图1 滚筒式红橙自动分级装备整体结构

1.2 主要机构设计

1.2.1 分级机构的设计

本文设计的分级装备采用多级滚筒分级机构[3]，多级滚筒分级装备应用广泛，不仅用于蔬菜水果和干果分选，还应用于轻工业等行业中固态颗粒的筛选。滚筒式分级装备具有结构稳定、使用寿命长、维护方便等特点，其结构如图2 所示。分级机构主要由支架、链轮、链条、滚筒、分果槽、摩擦轮和干轮构成，其原理是由电机带动主动链轮转动，链轮与链条啮合传动，带动从动链轮转动，从动链轮与滚筒由传动轴相连，进而带动四个滚筒匀速转动，当红橙的尺寸小于滚筒孔径时掉落到分果槽上，尺寸较大的红橙在滚筒的带动下继续向下一级滚筒滚动[3]。

图2 分级机构结构

1.2.2 滚筒结构的设计

滚筒的材料为硬质塑料，其结构采用网孔式。区别于栅条式滚筒，网孔式滚筒不用设置一定的倾斜角度，各个分级滚筒的尺寸一致，直径都为250 mm，根据滚筒的孔径大小从小到大依次排列设置在支架上。根据分选的目标将红橙分为5 级，因此设置四个等级的滚筒，一级滚筒的孔尺寸为40 mm，二级滚筒的孔尺寸为50 mm，三级滚筒的孔尺寸为60 mm，四级滚筒的孔尺寸为70 mm，大于70 mm的红橙会被第四级滚筒带到最后一个分果槽上，以此完成5级的分选。

1.2.3 分果槽的设计

本文设计的分级机构采用的是内置分果槽滚筒式分级机构[4]，滚筒的直径与分果槽宽度接近，这样设计使得分果槽与滚筒内壁的缝隙较小，结构紧凑，避免分级出来的红橙从缝隙掉出而不落到分果槽上。分果槽通过钢管支架以一定的倾斜度衔接在滚筒内部，当红橙从分级孔掉落到分果槽上时，红橙由于重力作用而发生滚动，在分果槽的出料口上加装分级袋或者果篮，用来收集分离出分级机构的红橙。

2 电机型号的选择

本文设计的滚筒从一级到四级每排的分级孔分别是5 个、5 个、4 个、4 个，每个滚筒每次分级最多有三排分级孔可以带动红橙进行下一级的分选，所以分级机构一次最多可以带动54 个红橙进行分级。为了使红橙进入分级机构的速度与分级机构滚筒的转速一致，需分析喂料机构输送带的转速。分级机构平均每分钟需要分级300 个红橙，则喂料机构每分钟需要喂入分级机构300 个红橙。假设相邻两根滚杠之间平均每次可带动5 个红橙，且滚杠间距为70 mm，取安全系数为2，则喂料机构每分钟输送红橙的距离为：

由上式可得，喂料机构输送红橙的速度为：

查阅资料可知，平均单个红橙的重量为165 g，即喂料机构每分钟输送红橙的总质量为：

本文设计的喂料机构和分级机构均采用链轮传动，而链传动平均传动比准确，传动效率高，轴间适应范围较大，能在温度较高、湿度较大的环境中使用[5]。两个机构均采用z=21 齿的链轮[6]，因此传动比为1，采用链号为16B 的链条，根据《机械设计手册》[7]可查得，链号为16B的链条的节距为p=25.4 mm。

则链轮的分度圆直径为：

则可算得喂料机构的链轮转速[8]为：

链轮带动红橙运动的最小受力F1为：

式中，μ——红橙和滚杠的摩擦系数，因为红橙是在两根滚杠之间，故μ=1；m——运输红橙的总质量，由上述可知，m=49.5 kg；ɡ——重力加速度，取ɡ=9.8 m/s2；θ——链条与水平面所成夹角，经测量得θ=4.92°。

根据上述数据，可算得：

因此，电机带动喂料机构转动的功率为：

由上文可知，分级机构中的滚筒一次性带动红橙所要承受的最多的力为：

式中，m1——54 个红橙的总质量。

在设计时，需要考虑到装备的损坏与安全问题，取安全系数k=2，因此电机需要为滚筒提供的转矩为：

式中，R——滚筒半径，R=0.125 m。

因为分级机构的滚筒和喂料机构的输送带转速一致，因此n1=n2=15.75 r/min，则根据上述数据可算得电机在分级机构中所需的功率为：

故电机所需的总功率为：

根据计算的结果，考虑价格等因素，选择的电机型号为R37~167-37 的迈传斜链轮减速电机，参数如表1所示。

表1 R37~167-37的迈传斜链轮减速电机参数

3 关键结构的校核

3.1 链轮的强度校核

本文设计的链轮是将电机的功率传递到滚筒的转动轴和喂料机构的前轴上，以此带动滚筒和喂料机构转动，拟定电机转轴上两个链轮的材料为45 号钢，做调质处理，链轮齿数均为z=21，传动比为1；采用链号为16B 的链条，其节距为p=25.4 mm，分度圆直径为D=170.42 mm，即半径为r=85.21 mm。

由公式（7）可知，链轮所受到的力为F1=526.7 N，由此可算得电机带动链轮转动所需的转矩为：

在对电机选型中的计算可知，电机需要提供给喂料机构的功率为P1=0.074 kW，链轮的转速为n1=15.75 r/min。

链轮所受的约束反力为：

喂料机构的前轴的长度为L1=838 mm，经测量，链轮约束点到前轴端点的距离L2=106 mm。可以算得链轮的弯矩为：

根据查阅的资料[9]可得，第三强度校核公式为：

式中，M1——链轮所受弯矩，由式（15）知M1=663.18 N·m；T2—— 电机对链轮的扭矩，由式（1 3）知T2=44.88 N·m；W——抗弯截面系数，易计算得；[σ]——45 钢的许用应力，查阅资料[10]可知，取[σ]=120 MPa。

代入数据计算得，弯曲应力为：

综上所述，链轮的强度符合要求，可以使用。

3.2 分级机构的轴承校核

分析红橙自动分级装备整体对轴承的受力，轴承主要受径向力而不受轴向力，具体如表2 所示，其径向动载系数和轴向动载系数分别为X=1，Y=0。通过分析，该分级装备重量大概为20 kg，则分级机构的轴承当量动载荷为：

表2 径向动载荷X和轴向动载荷Y

式中，Fr——滚筒一次性带动红橙所要承受的最多的力和分级装备重力的总和。

本文设计的分级装备，一天工作8 h，每年工作300 d，使用寿命10 年，则分级机构轴承的预估寿命为：

由公式（5）可知，链轮的转速n1=15.75 r/min，则分级机构轴承的基本额定载荷值为：

根据《机械设计基础》[11]，深沟球轴承型号参照表如表3 所示，依据本文设计的分级机构轴承直径d=35 mm，选取型号为6007 的深沟球轴承，其额定载荷为Cr=19.8 kN。

表3 深沟球轴承型号参照表

校核分级机构轴承的公式为：

代入数据得：综上所述，通过对分级机构轴承的校核，所采用的分级机构轴承符合本文设计的要求。

4 总结

本文为实现廉江红橙的优质优价，设计了一款滚筒式自动分级装备。在本次设计过程中，为了更直观地展现出红橙自动分级装备，首先利用SolidWorks三维建模软件进行1∶1 的模型建构，将分级装备分为喂料机构、分级机构等进行装配体配合，完成三维实体的建模，确保结构的可装配性；其次，根据装备的需求，计算出该装备传动时所需的功率，从而完成电机的选型；最后，对分级装备的链轮和轴承等关键结构进行校核计算，以确保装备设计的合理性。