黄水华，黄宗亮

（1.方大特钢科技股份有限公司，江西 南昌 330012；2.南昌工程学院机械工程学院，江西 南昌 330099）

0 引言

水果分级是水果流入市场销售的第一个重要环节，对水果销售产生的收益将产生很大的影响。随着科技的发展，市面上的水果种类越来越多，人们对水果的品质要求也是越来越高，但有些水果往往因为没有进行分级筛选直接进行销售，导致水果销量不佳，收益降低，因此，对水果进行分级筛选是提升水果品质的重要手段之一，具有现实的经济意义。

我国是水果种植大国，且产量逐年呈上升趋势，绝大部分种植户是农村集体和个体户经营，由于种植经验和果园经营方法不同，产出的水果品质也相差很大。水果批发商若同时收购品质不一的水果，销售时将面临定价困难或销量不佳等问题，而在产地进行人工分级，不仅劳动强度大，效率低，而且准确度低[1，2]。鉴于此，本文设计借鉴市场已有的水果分选装置结构，拟设计一款适用于农村集体和个体水果种植户的经济实用型“球状”水果分选装置，按直径大小对刚采摘的水果进行分级，旨在降低水果种植户和个体经营户的劳动成本，以及因水果分级不及时而造成堆积产生的果品损耗，提高其生产效率和经济效益。

1 “球状”水果分选装置总体方案

“球状”水果分选装置主要结构包括进料斗、传送装置、传送装置支架、分级滚筒、滚筒支架、集料槽、果篮及传动装置等，如图1所示。

图1 “球状”水果分选装置的三维结构

进料斗在整个装置中的主要作用是将水果通过传送装置送入分级滚筒进行分级，在工作时，先由人工将水果倒入进料斗，通过进料斗缓冲后的水果到达传送装置，随后通过传送装置进入分级滚筒按直径大小进行分级筛选。当水果经过分级后，落入对应的集料槽中，集料槽放有果篮或者其他容器用于收集分级筛选后的水果。传送装置除了输送，还起缓冲作用，水果从出料口出来的时候速度较大，若直接进入分级装置中，可能会出现分级不准，而传送装置的缓冲作用使水果输送速度降低，提高分级的准确度。分级滚筒即为分级装置的主要工作零件，是“球状”水果分选装置的关键部分，其作用是将水果按直径大小进行准确且充分的分级筛选，设计时将对分级滚筒的生产能力进行分析，确定分级滚筒的直径、长度和转速。传动装置的作用则是驱动分级滚筒转动，使得滚筒内的水果一起转动，防止水果卡在分级滚筒间隙中，影响分级效果。

2 进料斗设计

进料斗外观设计为梯形，用于防止水果倒入进料斗后，因流出速度过快而卡在出料口的情况发生。进料斗选用塑性和韧性较好的20钢，冲压成型，上方进料部分和下方出料部分焊接而成，总高760 mm（其中上方进料部分500 mm，下方出料部分260 mm），上宽600 mm，下宽400 mm，厚2 mm，如图2所示。

图2 进料斗的结构

3 分级滚筒设计

分级滚筒是分选装置的关键部分，整个滚筒按分级需求分为五级，各级栅条间隙不同，同级间隙一致。分级滚筒工作时，水果经由输送机喂入分级滚筒，由于滚筒有一定的角度倾斜，水果在分级滚筒内转动的同时落入不同间隙的集料槽内，完成水果的分级筛选，超出最大分级间隙的水果则是从滚筒尾部流出，累积一定量后可以再次分级，使水果的分级更加充分。若水果卡在分级间隙则随着滚筒一起滚动，利用再次被喂入水果产生的压力或水果间的弹力将卡住的水果压入集料槽中，水果也不会遭到损坏，有效降低了坏果率。

3.1 分级滚筒生产能力分析

生产能力计算式1[3]：

式中，G为生产能力，T/h；Z为分级滚筒上的栅条间隙总数目；λ为在1 s内从栅条间隙掉下的物料系数，根据分级机形式和物料的性质不同，分级滚筒所取的系数也不同，一般取1.0%～2.5%，形态较小的取大些，较大的取小些；M为物料的平均质量，g。

由式1可知，生产能力G、分级滚筒上的栅条间隙总数目Z、物料系数λ与物料平均质量M成正比。G由用户给定，根据要进行分级处理的水果种类测定可得M，将G、λ和M代入式1可求得Z，随后可按需分配各级应有的栅条数目。

3.2 滚筒直径和长度确定

取G=1T/h，分级的所用的水果以普通苹果为例，物料系数λ取1.0%，普通苹果的平均质量M约为150 g～300 g，本设计取300 g为例，代入式（1）中，可得分级滚筒的栅条间隙总数为92个，分级滚筒分为五级，可以按照第一级22个，第二级20个，第三级18个，第四和第五各16个来分配，若将分级滚筒展成平面，则滚筒直径=分级间隙W1×各级的栅条数量+栅条宽度W2×各级栅条数量。

栅条宽度取15 mm，栅条数量与栅条间隙数量相等，滚筒的分级间隙分别是第一级60 mm，每一级递10 mm，最后一级为100 mm。根据已知的数据，可得第一级滚筒直径为525 mm，第二级滚筒直径为541 mm，第三级滚筒直径为544 mm，第四级滚筒直径为534 mm，第五级滚筒直径为585 mm。取最大的直径作为分级滚筒直径，即分级滚筒的直径为585 mm，滚筒直径增大，则各级的栅条宽度需要调整达到符合要求的宽度，各级的栅条宽度W计算式：

由式（2）计算可得，第一级栅条宽度为23.5 mm，第二级栅条宽度为22 mm，第三级栅条宽度为22 mm，第四级栅条宽度为25 mm，第五级的栅条宽度为15 mm。

根据分级滚筒的最佳直径和长度之比1∶（4～6），本设计取1∶4，得到分级滚筒长2340 mm，如图3所示。

图3 分级滚筒的结构

3.3 分级滚筒的转速确定

分级滚筒在工作时，以一定的速度转动，带动筒内水果一起转动以达到充分分级的目的。分级滚筒在运转时，筒内水果的离心力应大于水果的重力，才能保证水果不会紧贴在分级滚筒内部无法分离，导致水果无法进入栅条分级间隙，这对分级效率有较大的影响。若分级滚筒转速过高，又会导致水果卡在分级间隙，影响分级滚筒的正常工作，对分级效率同样有较大影响。栅条滚筒的最高转速应该满足式（3），最低转速应满足式（4）。

式中，N为分级滚筒转速，r/min；g为重力加速度，9.8 N/m2；R为分级滚筒半径，m；f为水果与分级滚筒的摩擦系数，约为0.14～0.4。

已知分级滚筒直径为585 mm，代入式（3）和式（4）中，可计算得出分级滚筒的最高转速约为55 r/min，最低约为21 r/min。

4 分级滚筒有限元分析

分级滚筒是整个装置里的重要零件，其强度直接影响到水果分级装置的水果分级效率和使用寿命，因此对分级滚筒进行有限元分析是有必要的。分级滚筒在工作时会不断承受水果的冲击以及水果的压力，因此要对分级滚筒做静应力分析是非常有必要的，即校核工作时的分级滚筒的位移、应力、应变的分布情况。在本设计中，所使用的有限元分析工具为SolidWorks三维建模软件中的SOLIDWORKS Simulation功能插件。

打开SolidWorks软件，在文件夹中找到已经建好的分级滚筒模型，打开模型，然后在工具中找到插件，点击插件，勾选SOLIDWORKS Simulation，点击确定后等待新算例的建立完成，新算例设置完成后进入新算例界面，选择静应力分析，在新算例界面选择好材料并将其应用到分级滚筒上，点击新算例界面上的网格，点击生成网格，进入网格划分界面，选择合适的网格密度，选择基于曲率的网格，设置好最大单元大小和最小单元大小，点击确定，生成网格。

通过以上对分级滚筒模型设置好的约束和载荷后，对此算例进行求解，得到滚筒应力分析（图4）、位移分析（图5）和应变分析（图6）。

图4 滚筒应力分析

图5 滚筒位移分析

图6 滚筒应变分析

通过对分级滚筒的应力、位移、应变的有限元分析结果可知，在外部载荷的作用下，越靠近分级滚筒中间形变越严重，且越靠近第五级的栅条处的应力越大，从应力分布图进行分析，应力未超过材料的极限应力，故本设计的分级滚筒是安全可靠的。

5 结语

“球状”水果大小分选机主要由进料斗、传送装置、分级装置以及集料槽和电动机组成，先由人工将水果装入送料斗，水果从送料斗落入传送装置，经由传送装置送入分级装置分级后，分级装置在低速电动机带动下缓慢转动，带动里面的水果一起转动，防止水果卡在分级间隙，加快了分选速度，分级后的水果落入分级装置下方的集料槽，完成水果分选。水果分选作为衡量水果经济价值的重要依据之一，在果农和厂商进行水果贸易时，提前筛选分级的水果可根据等级定价，能有效促进我国果业的发展，提高水果贸易效益。