近球形硬壳坚果的分级机设计

徐瑞群，王陈阳，郑艳萍

（郑州大学机械工程学院，河南郑州450001）

近球形硬壳坚果的分级机设计

徐瑞群，王陈阳，郑艳萍

（郑州大学机械工程学院，河南郑州450001）

文章提出一种新型的近球形硬壳坚果分级机，该设备以坚果大小分级理论为基础，含进料分离机构、分级机构和回位机构设计。该机构的完成，不仅能保证较高的分级精度，还能够实现较高的分级效率。

坚果分级；挤压；自动回位

随着消费者对坚果类农产品的食用要求和农业机械化水平的逐步提高，分级已经成为坚果采集后首要的一个环节。坚果的分级有利于后续的加工，更有利于提高农产品附加值，提升优良产品的市场竞争力。

传统的手工分级已经不能适应当前大产量和有更高分级要求的坚果生产条件，就目前来说，对于球形坚果大小的机械分级方法主要有：配重分级，栅条式滚筒分级，挡板分级，光电式分级等。不同的分级要求有不同的分级方法。配重分级主要以产品重力为分级条件，但是由于坚果类产品质量较小，大小不同的产品其质量的差别不大，因此其分级精度不会太高。栅条滚筒式及挡板式均是按照尺寸分级，两者区别在于前者通过螺旋管推动坚果通过筛选栅条进行分级，后者使用通过旋转产生离心力使干果通过挡板分级，两者都能够以较高效率进行分级，但是其分级精度不高。文章所研究设备，不仅能保证较高的分级效率，还能保证较高的分级精度。

1 关键结构设计

该分级机包括进料分离和分级机构，回位机构等组成。

（1）分离和分级机构设计。分离和分级机构主要包含分离滚筒、助推滚轮、挤压滚轮、挤压转板、挡块等部分，用于把成堆的坚果分离成排滚落到分级机构，使它们相互之间产生一定间隔，并使之快速通过分级处，进行准确分级。

其工作原理如图1所示。分离滚筒顺时针转动，坚果从滚道掉落至滚筒槽中，随着滚筒的转动，当槽右侧下倾时，坚果从滚筒槽中滚落，下落至右侧滚道中，在这个过程中，左侧坚果无法继续往前，而实现坚果的分离。分隔时长为滚筒转动半周的时长。当坚果滚落至右侧滚道时，助推滚轮以更快的线速度顺时针转动使坚果加速往前，进入挤压转板段。

图1 分离和分级机构

限制挤压转板位置的挡块结构原理如图2所示，当坚果尺寸过大时，坚果受到挤压滚轮的挤压，同时坚果对挤压转板也有一个压力，进而挤压板对挡块产生一个向右的分力使弹簧被压缩，挡块右移，当挤压转板右端转动至挡块尖端处时，挤压转板因自身重力和坚果重力而自动往下转动（至限位点），同时坚果滚落，实现坚果的分级。

图2 挡块原理

挤压转板设计为槽形结构，这使它在挤压力和挡块对其竖向分力的作用下其变形较小，因此当坚果比挤压转板和挤压滚子的距离大于确定值时，挤压转板在挤压处会产生该确定值高度的竖向位移，同时挤压转板最右端会有一个更大的竖向位移，所以挡块对挤压转板最右端的位移动作响应更准确，从而提高了分级的精度。

（2）回位机构设计。回位机构主要由偏心轮、滑块、推杆等组成机构，其主要作用是使因坚果过大挤压下落的挤压转板回复至初始位置，如图3所示。滑块固定，可在平面内转动。工作时，偏心轮轴转动，带动偏心轮转动，连杆随推杆轴运动，当偏心轮轴心在连杆对应的线上时，连杆右端与偏心轮轴心相距最短或最长，当其距离最长时使之刚好能将挤压转板推回初始位置。为了保证回位机构与分离机构的协调性，分离机构的角速度应为偏心轮角速度的两倍，同时需要调整偏心轮的初始转角，以使回位的动作滞后于分级的动作。如果坚果尺寸不够大，能够顺利通过该挤压转板段，那么挤压转板处于原位置。曲轴转动不影响挤压转板，如果尺寸比预设大，则会将挤压转板挤压掉落下来，一定的滞后时间后，回位机构将挤压转板推回。

图3 回位机构

可以看出，该结构只能够保证一个产品尺寸临界值，若需要确定尺寸范围内的坚果，可以设置多个该结构，逐次分级。

2 机构可行性分析

选取分离滚筒角速度为偏心圆的两倍，即二者之间的传动比为2：1，可保证滚筒运送坚果频率与偏心圆推回运动的频率一致。

为了保证推回运动不与坚果被滚子挤压的过程相干涉，必须保证挤压转板不同时与推杆和坚果接触，因此，需要计算出推杆与挤压转板的接触角度。

图4 接触角计算

假定推杆与挤压转板刚好接触，于是将推杆与挤压板的接触点用滑块连接起来，如图4所示，由该结构，得：

式中l1为推杆长度；l2为挤压板上被推动平面与挤压板轴心的距离；b为偏心轮轴心至滑块轴心的距离；r为偏心轮轴心至连接偏心轮和推杆的轴心的距离；γ为偏心轮转角。

设坐标原点为偏心轮轴心，则(x1,y1）为挤压板轴心坐标；（x2,y2）为推杆与挤压板接触点的坐标；α为点(x1,y1）与点（x2,y2）连线与其上端滚道部分的夹角；β为偏心轮转动φ角后，挤压板随之转动的角度。

图4中l1,l2,b,r,x1,y1预先确定时，随着γ的变化有一个最大值在此基础上预先给定值β，以保证坚果能够从板上掉下，而不被卡住，当时，由上式计算可得γ，α的确定的两组解γ1，α1和γ2，α2（在2π范围内取解），可得接触角为由偏心轮转速和接触角知在给定限位角β的条件下推杆与挤压板的非接触时长t。通过调整各值可以使接触角变小，前述时间变长。

坚果在尺寸较小即不会从挤压板上掉落时能否通过滚道与两个三个主要因素相关，包括坚果通过挤压板时的速度，挤压板的滚道部分的长度a（如图3）和通过挤压板所允许的时间也就是前述的非接触时长t。通过调整助推滚轮和挤压滚子转速来改变坚果在挤压板上的运动速度，尽量取较短a值的以保证坚果在时间段t内能通过挤压板从而使得该结构能够完成分级功能而不发生干涉。

3 结语

针对农业生产中常见的近球形坚果，设计了一种新分级机，该机构以坚果大小分级理论为基础进行工作。文章通过对其基本原理的说明和该机构运行的可行性分析，说明该机构的设计是合理的，该机构既能实现更好的分级精度，也能提高分级效率，在实际生产中有一定的应用前景。

［1］高志,刘莹.机械创新设计［M］.北京：清华大学出版社,2009.

徐瑞群（1994-），男，湖南衡阳人，主要研究方向：机械工程。