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摘要我们国家盛产橙子，一般情况下是机械化完成其大小分配的，这与我们的生产工艺是相符的。目前橙子品种很多，但不同品种的橙子密度差异甚小，若按重量和大小分级结果基本一致，因此，按大小对橙子分级是合理的，科学的。本课题设计的滚筒式橙子分级机，在机器工作的时候，橙子在滚筒的内表面和外表面运动，相对运动较小，对橙子的损伤较小。此法适用于球形或近似球形的物料的分级，从结构上较易实现，成本较低，分级精度较高，在国内外应用较广。关键词：滚筒分级机，橙子，栅条，结构设计AbstractThe number of orange production in China are large, and the grading according to the weight and size of the work is done by machines.At present, many varieties of oranges oranges, but density differences of different varieties of very small, if you are graded according to size and weight results are basically the same, therefore, according to the size of an orange grading is reasonable, scientific. This method is suitable for grading spherical or near spherical material, from the structure is more simple,low cost, high grading precision, and is widely used in domestic and abroad.Key words：rotary drum grader, orange, grizzly bar, physical design目录目录1 前言.- 1 -1.1 引言.- 1 -1.2 国内外分级机械的研究与发展.- 1 -1.2.1 国外分级机构的发展现状.- 1 -1.2.2 国内分级机构的发展现状.- 2 -1.3 课题研究意义.- 3 -1.4 课题研究内容 .- 3 -1.5 本章小结 .- 4 -2 栅条滚筒式分级机总体方案分析.- 5 -2.1 分级装置的类型 .- 5 -2.2 滚筒式分级机 .- 7 -2.2.1 工作原理.- 7 -2.2.2 结构分析.- 8 -2.3 滚筒式分级机的工艺参数分析 .- 10 -2.3.1 设计参数的确定.- 10 -2.3.2 生产能力分析.- 10 -2.3.3 尺寸分析.- 11 -2.4 滚筒式分级机设计时应注意事项 .- 12 -2.5 本章小结.- 12 -3 动力传输部件的选择与设计.- 13 -3.1 电动机的选择.- 13 -3.1.1 直流他励电动机.- 13 -3.1.2 三相异步电动机.- 13 -3.1.3 选择的电动机.- 13 -3.2 联轴器.- 14 -3.3 链传动 .- 14 -3.3.1 链传动简述.- 14 -3.3.2 链传动的设计.- 15 -3.4 总体校核计算 .- 16 -3.4.1 滚筒转速的确定.- 16 -3.4.2 功率计算.- 18 -3.4.3 传动装置总效率 和电动机功率 Pr.- 19 -4 栅条滚筒橙子分级机构设计.- 24 -4.1 总体结构分析及三维图 .- 24 -4.2 本章小结 .- 27 -5 结 论.- 28 -参考文献.- 29 -致 谢.- 31 - 1 -1 前言前言1.1 引言我国水果的种类繁多产量大，近二十年来发展特别的迅速。据我国官方数据显示，21 世纪初我国水果总量已达到了 15000 吨，较以前已经有了一个长足发展，水果产业已经成为我国南方主产区农村经济的一大支柱产业，为促进农民增收、扩大城乡居民就业和改善生态环境做出了积极贡献。即便我国有着基数很大的水果产量，由于国情原因，现在水果价格相对较低，并且经常出现滞销的现象，果农经常受到巨大的经济冲击，同时我国水果的出口率是很低的，这也是制约我国水果发展的短板。我国水果市场竞争力差的主要的因素就是，我国水果商品率低，包装差，整体的外观欠佳。水果采后商品化处理包括：清洗、打蜡、分级、包装。分级在水果的商品化中占有重要的地位，由于技术的革新在分级化处理中，发生了巨大变化。清洗、打蜡技术在应用中已经比较成熟，只有分级技术在水果的商品化环节的应用中还不够成功。水果外部品质的主要分级指标是水果的果形、大小、色泽、表面质量和颜色，本课题针对橙子大小进行分级研究，以提高生产力，提高水果质量，加快水果采后商品化的国际进程。1.2 国内外分级机械的研究与发展1.2.1 国外分级机构的发展现状依照 CCD 相机，应用计算机分析等技术条件对每一个水果进行检测，同时得到客观的结论在分级，这是国外应用较早的技术手段。机器的视觉技术在农产品内部品质的探测的应用，正成为国内外竞相研究热门课题。现在的一些光学的检测手段正在应用到水果的品质检验当中去，这些检测技术连同信息的处理技术正在为水果的检测提供便捷。人工神经网络技术是模仿生物大脑结构和功能而构成的信息处理技术，在机器视觉系统中应用可以提高品质识别的智能性。- 2 -德国发明的分级机机构，其分级的精度是非常高的，并且其紧凑的结构的设计，可以有效地减少果实损伤的几率，其核心技术是应用了一种先进的测量仪器，并且此种机构把水果的商品化的工艺缩短了近一半的时间。美国 Auto line 公司的水果分级设备在世界上处于领先地位，其产品已经系列化(5个型号)，能够按照重量、颜色、形状分级，传送通道可以多达 9 道，出口可达 60 个，每道的最高传送速率为 12 个/秒，其传输系统可以容纳不同尺寸的水果，其视觉系统采用两架单色相机，能计算出水果的三维尺寸。西班牙 Aleixos 使用多光谱相机检测柑橘，图像在两块 DSR 中并行运算，颜色识别正确率达 94%，由于损伤处和正常处的热辐射不同，用热红外线图像对损伤的判别准确率达 100%，实验证明，在损伤后 30-180s 时，擦伤处和正常处至少有 1-20 度温差，但热红外线图像必须在环境温度变化下才可以检测。Italy-001-A 型分级机是一种先进的分级机构，能够按照果实的大小进行很好的分类处理，其核心的部件就是一条传送带，其上面有很多的孔，其网眼中的孔径是无级变化的，网眼在最左边时，孔径最小，传送带向右运行时，网眼孔径也就随之增大，到达最右边时，孔径最大。当传送带从下端向回运行时，网眼孔又由大变小。就是说，传送带上的网眼孔径就像照相机的快门那样，随着传送带的运行方向不同，可以由小变大或由大变小。果实最先落在传送带左边时，小的果实漏下来，随着传送带的向右运行，大的果实开始落下，这样就将果实由小到大进行了多级分级。美国 Kavdir 等使用神经网络算法对柑橘进行分级，把缺陷和物理特征作为神经网络分类器的输入参数，对橙子，柚子分级的准确率为 98.5%，利用 ANN 的泛化功能，对橙子的彩色 RGB 图像，结合颜色和果形分析，获得鲁棒性，实时性的分类结果。日本三菱电器公司研制的水果成熟度分级机，是利用传感器综合测出梨的表面颜色、对特定光的透光率、形状和大小，并与事先贮存在计算机中的优良梨的数据进行对比，推算出成熟度和含糖量，但是大小分级是其基础。11.2.2 国内分级机构的发展现状分级技术在我国大体可分为引进、消化、吸收三个阶段，80 年代以前是主要以引进为主，国内的分级技术的研究几乎为零；随着技术的进步，我国制造业逐步发展成熟，同时国内开始意识到了分级机构在农业生产中的重要性，逐步的引进国外的生产- 3 -设备，同时国内的一些机构或者企业开始学习研究国外的技术，经过具体的测绘分析，对于分级技术的认识有了一个飞跃的发展，90 年代以后，根据市场对分级机构性能的要求的提高看，于此同时国内对于此种技术的研究已经积累了相当的经验，开发出了许多自主知识产权的产品。但尽管如此，与发达国家相比，中国目前在分级领域仍然存在大型设备不足、工艺控制技术落后、磨耗和单位产品能耗偏高、特殊粒形的生产工艺和设备落后等问题。2在近几十年水果分级研究中，我们已经积累了足够经验，并且可以说硕果累累，许多产品性能指标已经赶超国外很多产品。水果分级机器人的研究成功，将有利于改变国产水果和农产品的外观质量较差，同一批产品中良莠不齐，混等混级等现状。若以我国苹果产量的 50(约 3000 万吨)通过自动分级处理来说，每公斤大概可以增值 0.2 元，那么总量即能够增值 6 亿元。可想而知，这对提高我国水果的品质，增强参与国际竞争的能力，并大大降低工人的劳动强度，具有重要的理论意义和实际意义，并能创造巨大的经济效益和社会效益。1.3 课题研究意义我国是水果生产大国，自动分级技术对提高我国生鲜水果的市场竞争力有很大的帮助。特别是 90 年代以来，我国的水果产量明显提高，水果生产已经成为中国农村的支柱型产业，成为缩小城乡差距和农民增产增收的重要途径。对水果大小分级的研究，在国内还不是特别的完善，对橙子分级的研究可以明显的提高水果产后商品化的价值，增加中国水果的国际竞争力，提高生产效率。因此我们选择了栅条滚筒式分级机。它与目前普遍采用的振动滚筒式分级机相比具有以下一些优点：结构简单；效率高；价格低廉；功耗小；伤果率低；栅条滚筒式分级机存在的缺点是分级精度不高。31.4 课题研究内容1）本文研究橙子大小分级机工作原理以及主要部件组成和结构；2）通过对主要零部件的更换，可以达到筛分不同的大小物料的目的；3）物料特性的研究，测定不同品种、不同地区主产橙子形状及外形尺寸，根据相关标准确定分级筛尺寸。- 4 -1.5 本章小结我国是水果生产大国，橙子年产量达近千万吨，居世界之首，但采后处理能力不到总产量的 15%，水果分级机的发展已经成为制约我国农业出口发展的主要原因。本章详细分析了水果分级机械的国内外研究与发展的情况，阐述了课题研究的目的和意义，并明确了本课题的研究内容。- 5 -2 栅条滚筒式分级机总体方案分析栅条滚筒式分级机总体方案分析2.1 分级装置的类型（1）锥辊式分级装置锥辊式分级装置采用的是一对相对转动的锥形辊，如图 2.1（图中各参数的单位为 mm） ，橙子在两锥形辊的带动下不停地上升和下落，同时，橙子在重力和上端橙子对其侧向挤压力的共同作用下沿锥形辊向下移动，直至两锥形辊的间隙大于橙子的直径时，橙子通过间隙落下。41锥辊 2橙子图 2.1 锥辊式分级原理图Fig.2.1 Cone roller type classification principle diagram该装置分级效果不好，因为： 果实大量喂入时，上层的橙子无法及时地与下层橙子进行交换，造成前一级橙子在后一级甚至后几级才被分离出去，出现分级混杂、混级率增大的现象。- 6 - 由于大多橙子是椭球形的，这些橙子在下滑的时候，会因下滚姿态的不同，而在不同的位置下落，从而造成分级误差。（2）圆孔筛分级装置图 2.2 是圆孔筛分级原理图，该圆孔筛与水平线的夹角为 。筛孔由右往左逐渐变大，橙子在重力和离心力的共同作用下沿筛壁下滑并通过合适的孔口落下。该圆孔筛的转速范围为：RnR3023R橙子半径 m，n圆孔筛转速 r/min图 2.2 圆孔筛分级原理Fig.2.2 Sieve classification principle该结构存在一个致命缺陷：在机构工作过程中，如果加入就太多橙子，就很有可能把筛孔给堵塞。（3）平面振动筛分级装置图 2.3 为平面振动筛装置简图。该振动筛分级装置是由三个筛子组成。筛子振动时，橙子与筛面产生相对滑动，尺寸小于筛孔的橙子有可能通过筛孔，掉入下筛，其余的留在筛面上，并沿筛面流向一侧，由集料口收集。5经过试验的验证，在筛分橙子大小的过程中这种设计结构的效果是欠佳的。- 7 -图 2.3 平面振动筛装置简图Fig.2.3 Schematic plane vibration sieve（4）栅条滚筒式分级装置如图 2.4 所示，筛分部分由三段滚筒组成，每段滚筒的栅条间隙不同，第一级到第三级栅条的间隙逐渐增大。橙子在筛筒内轴向随着滚筒一起做圆周运动；轴与橙子具有弹性而且筛筒与水平面有一定的夹角所以作曲线或直线运动。当橙子到达筛筒时，厚度尺寸小的橙子在离心力的作用下从第一级被分离出来，厚度尺寸大的橙子在滚筒的带动下运动到下一级继续筛选，如此重复直到第四级橙子从侧面分出为止。图 2.4 栅条分级滚筒结构图Fig.2.4 Grid Classification drum structure diagram2.2 滚筒式分级机2.2.1 工作原理滚筒式分级机由进料机构、滚筒筛体、卸料斗和传动机构等组成，滚筒体倾斜角 可调。栅条滚筒式分级机的筛体分部分由三段滚筒组成，每段滚筒的栅条间隙不同，- 8 -第一级到第三级栅条间隙逐渐增大。橙子在筛筒内轴向随着滚筒一起做圆周运动；轴向上由于橙子具有弹性而且筛筒与水平面有一定的夹角所以作曲线或直线运动。当橙子进入筛筒时，厚度尺寸小的橙子在离心力的作用下从第一级被分离出来，厚度尺寸较大的会在滚筒的带动下运动到下一级继续筛选，如此重复直到第四级干果从侧面出料斗分出为止，从而达到分级的目的。工作时，被筛物料由喂入斗装入筛筒内，随旋转的筛筒内壁上升，至一定高度后松散落下，如此反复进行，连续进入筛筒内的物料受压力和松散性的影响，逐步向筛筒另一端的出口移动；同时，在这一过程中小于栅条间隙的物料通过栅条间隙漏出，被配置在筛筒下部的振动输送装置运至筛下物出料口，大于栅条间隙的物料被带到筛分的另一端通过筛上物出料口流出完成分级过程。2.2.2 结构分析滚筒式分级机主要由分级滚筒、支承装置、传动装置、收集料斗、清筛装置五部分组成。图 2.5 滚筒式分级机Fig.2.5 Drum type classifier(1) 分级滚筒- 9 -它是该设备的主要构件，用直径为 10mm 的钢管焊成圆柱形转简。转筒按分级需要设计成几节。节数为需分级数减 l，各节栅条间隙不同，而同一节栅条间隙一样。整个转简上进料口端孔径小，出料口端孔径大。各节用连接滚圈连接以起加强作用。每节转筒下装有一个收集料斗。(2) 支承装置由滚圈 3、摩擦轮 4、机架 7 和轴承组成。滚圈 3 固定在滚筒 2 上，并将简体重力传递给摩擦轮 4，整个设备由角钢焊成的机架 7 文本。(3) 传动装置目前有如下三种。第一种：采用电动机通过皮带轮、变速箱、链轮及一对齿轮传动，而其中一个大齿轮就连接在滚筒出料口的边缘上，另一个小齿轮则与传动系统相连接作为主动齿轮，把动力传给大齿轮而驱动滚筒转动。这种传动方式加工制造比较麻烦，由于滚筒直径较大而使转动不平衡，齿轮上的润滑油也往往滴在转筒中污染物料，故目前已逐渐被淘汰。第二种：中间轴式传动。滚筒的中心线上没有传动轴，用支臂与滚筒连，传动系统把动力传至中心轴，由中心轴带动滚动轴转动。这种传动方式比第一种简单，但因滚筒较长，其中心轴也长，在滚筒中间又很难设置中间轴承，因此，若中心轴的刚度稍差，则往往产生扰动而使滚动的运行不平衡。同时，由于水果有时和中心轴及支臂碰撞而产生机械伤，故目前使用这种形式的亦逐渐减少。第三种：摩擦传动。摩擦轮 4（见图 2.5）装在一根轴上，滚筒两边均有摩擦轮，并且互相对称，其夹角为 90，长轴一端（主动轴）与传动系统相连，另一端装有托轮，不与传动系统相连，主动轴从传动系统中得到动力后带动其上的摩擦轮转动，摩擦轮紧贴滚圈 3，滚圈 3 固定在转轴上。因此，摩擦轮与滚圈互相产生的摩擦力驱动滚筒转动。水果在滚筒内向出口处的运动靠滚筒内装置螺旋卷带或使滚筒有一倾斜角度来实现。苦水果是圆形或近似圆形时，采用后者为宜。物料滚动性差的，可采用前一种方法。运转时，滚筒上的小孔往往被原料堵塞而影响分级效果，因此常常在滚筒外壁装置木制滚轴，木制滚轴平行于滚筒的中心轴线，用弹簧使其压紧滚筒外壁，由于木滚轴的挤压，把堵塞在小孔中的原料挤进滚筒中。- 10 -(4) 清筛装置一般物料的清筛装置，可以选择水冲式或毛刷式，工作时原料应通过滚筒相应栅条间隙流出，才能达到分级的目的，但对于尺寸较大的如蘑菇，栅条间隙往往被物料堵塞而影响分级效果。因此，要根据所分级物料的实际情况，安装清筛装置，将堵在栅条间隙中的物料挤回滚筒内。通常在滚筒外壁平行于其轴线安装一个木制滚轴，木辊的支撑可采取通心轴式或自身轴式，在弹簧作用下压紧在滚筒外壁来达到清筛目的。分级时，在传动系统作用下，通过摩擦轮和滚圈使滚筒回转，当物料从进料斗 1加入后即随滚筒一起回转，小于第一级栅条间隙的物料落入第一级收集料斗中，大于最后一级栅条间隙的物料从滚筒排出进入最后一级料斗。2.3 滚筒式分级机的工艺参数分析2.3.1 设计参数的确定料斗可采用 0.51mm 的不锈钢板制造，为方便清洗和防止阻塞，在出料口位置设计有清洗门，可将上面板和料斗板进行铰链接。虽然各厂都采用滚筒式分级机对同样原料进行分级，但使用效果不同，不同效率相差较大。其主要原因是对参数掌握不好，各级间互相配合不当之故。本次使用效果较好的一组参数。滚筒的倾斜角度取 35；滚筒直径与长度之比为 1：(46)；滚筒上的筛孔排列用正三角形排列；滚筒的转速 1015r/min，一般不超过 30 r/min；滚筒筛孔直径根据原料情况和分级要求而定。2.3.2 生产能力分析生产能力 G 可由下式计算 mZ100010003600G（2-1）式中 G生产能力，th； Z滚筒上栅条间隙总数；- 11 - A在同 1s 内从筛孔中掉下物料的系数。因分级机形式和物料性质不同而异，滚筒式分级机可取 1.0%2.5%；青豆取大些，橙子取小些； m滚筒内物料平均质量，g。2.3.3 尺寸分析从式(2.1)可知，G 与 Z、和 m 成正比。设计时，G 是由厂方或任务书规定的，处理的物料一般已事先确定，通过测定可得 m，然后根据(2-1)求得 Z，即是滚筒上所需的栅条间隙总数。但由于各级栅条间隙不同而滚筒直径相同，所以这个栅条间隙总数不能平均分配在各个级中，而应根据工艺要求决定分成不同间隙大小的多少级别。再依级数设每级间隙数，确定同一级中栅条间隙数。取 1000 个橙子进行总体称重，求出橙子的平均重量，再分别求出 1000 个橙子中的最大直径和最小直径进行直径测量，并求出平均直径，得到下表：表 2.1 橙子直径与孔径安排Table2.1 The diameter of orange and bore of the machine分级一级二级三级橙子直径 d(mm)465366各级孔径 d(mm)506070所有橙子的平均重量 m(g)150从理论上说，每级的钢管数之和应等于栅条间隙数 Z，每级长度之和就是所设计的滚筒长度。但有时计算出的滚筒直径，各级都不相同，无法联接在一起。因此，一般是取滚筒中直径最大的一级作为整个滚筒的直径，其他各级因直径增大了，可把钢管直径或栅条间隙距离适当放大即可。在初步确定了滚筒的直径和长度后，用直径比长度1：(46)进行校核，若不在这范围内，就应重新调整每级栅条间隙数，以达到此比例范围内为止。- 12 -2.4 滚筒式分级机设计时应注意事项（1）用摩擦轮传动虽好处很多，但滚圈与摩擦轮之间因摩擦会产生铁屑掉进滚筒里，直接污染产品，设计时必须充分注意这点。（2）滚筒内物料升高主要是靠滚筒转动和物料对滚筒内壁的摩擦力，因而升角不高，只有 4045。这样，滚筒直径虽大，但其筛面利用率只有1/6l/8，其余占滚筒的大部分筛面并没有被利用。若能把升角提高，就能提高筛面利用率，有些厂采取在滚筒中紧贴筛面焊上几根管子的办法，效果较显著。（3）筛面的倾斜度对生产率影响较大。对圆筒筛，其轴线应与水平面成39的倾斜角。（4）滚筒式分级机工作时很平稳，但其筛孔易堵塞，机械占地面积很大，在同等生产能力是，其尺寸比平筛大得多，金属消耗量大，同时对原料的适应性差，要设清理装置。（5）滚筒上面的滚圈或连接圈。目前多用角钢弯制，由于椭圆度的存在，在滚筒转动时会有所跳动，若滚筒跳动使物料离开筛面的话，会影响分级，所以采用浇铸滚圈的方法更为理想。2.5 本章小结本章首先分析了分级机核心部件分级装置的类型，通过对比其优缺点，选取栅条滚筒分级机做为分级机的分级装置；同时阐述了滚筒式分级机的工作原理及其结构，分析其工艺参数和在设计过程中应多注意的事项，为下面章节结构设计打下铺垫。- 13 -3 动力传输部件的选择与设计动力传输部件的选择与设计3.1 电动机的选择目前市场上电动机的类型有很多，按结构和工作原理可以分为：直流电动机、同步电动机、异步电动机。根据研究本次重点讨论一下两种：直流他励电动机和三相异步电动机。3.1.1 直流他励电动机直流电动机有一下特性：1）靠改变外电路外串电阻调节速度机械特性软，电阻越大特性越软，稳定性能越低，空载时调速范围不大，调速电阻耗电量较大，很少应用；2）改变电动机电枢供电电压 U：电压连续变化可实现无级调速，一般额定电压以下调节；调速特性与固有特性平行，机械特性硬度不变，稳定度高，适合恒转矩；3）改变主磁通：无级平滑调速，额定功率以上调速，调速范围不大，恒功率调速。3.1.2 三相异步电动机1）调压调速：可以无级调速但是调节范围不大；2）转子电路串电阻：简单可靠，属于有级调节，但是低速是功率损耗较大；3）改变磁极对数：体积稍微大，价格较高，属于有级调节，结构简单，效率较高，特性好，调节时所需附加设备较少，中小型机电联合调速。3.1.3 选择的电动机查表可知，电动机的选择为：电动机的型号 Y90L6；额定功率 1.1KW；满载转速 910r/min；质量 25kg。- 14 -3.2 联轴器联轴器用来把两轴联接在一起，使机械运转时不能分离；只有机械停车或将联轴器拆开后，两轴才能分离。根据各种相对位移有无补偿能力联轴器可以分为刚性联轴器和挠性联轴器两大类。挠性联轴器又可以分为有弹性元件的挠性联轴器和无弹性元件的挠性联轴器。表 3.1 WS 型双十字万向联轴器的参数Table3.1 Parameters of WS type double cross universal coupling型号额定转矩T（Nm）d（H7）DL0J1 型重量（Kg）Y 型转动惯量 Y 型WS5140194016424.01.043.3 链传动3.3.1 链传动简述链传动是啮合传动，平均传动比是准确的。它是利用链与链轮轮齿的啮合来传递动力和运动的机械传动。链条长度以链节数来表示。链节数最好取为偶数，以便链条联成环形时正好是外链板与内链板相接，接头处可用弹簧夹或开口销锁紧。若链节数为奇数时，则需采用过渡链节。在链条受拉时，过渡链节还要承受附加的弯曲载荷，通常应避免采用。 齿形链由许多冲压而成的齿形链板用铰链联接而成，为避免啮合时掉链，链条应有导向板(分为内导式和外导式)。齿形链板的两侧是直边，工作时链板侧边与链轮齿廓相啮合。铰链可做成滑动副或滚动副，滚柱式可减少摩擦和磨损，效果较轴瓦式好。与滚子链相比，齿形链运转平稳、噪声小、承受冲击载荷的能力高；但结构复杂、价格较贵、也较重，所以它的应用没有滚子链那样广泛。齿形链多用于高速(链速可达 40m/s)或运动精度要求较高的传动。- 15 -图 3.1 链传动Fig. Chain drive 3.3.2 链传动的设计传动比 i ：链的传动比一般8，在低速和外廓尺寸不受限制的地方允许到10。如传动比过大，则链包在小链轮上的包角过小，啮合的齿数太少，这将加速轮齿的磨损，容易出现跳齿，破坏正常啮合。通常包角最好不小于 120。传动比 i=23.5 （2）链轮齿数 z1 和 z2首先应合理选择小链轮齿数 z1 。小链轮齿数不宜过少，过少时，传动不平稳、动载荷及链条磨损加剧，摩擦消耗功率增大，铰链的比压加大及链的工作拉力增大。但是 z1 不能太大，因为 z1 大，z2 更大，不仅增大传动尺寸，而且铰链磨损后容易引起脱链，将缩短链的使用寿命。因为若链条的铰链发生磨损，将使链条节距变长、链轮节圆 d向齿顶移动。 节距增长量 p与节圆外移量 d的关系。 由此可知 p 一定时，齿数越多节圆外移量 d就越大，也越容易发生跳齿和脱链现象。大链轮齿数 z2 按 z2=iz1 确定，一般应使 z2120。在选取链轮齿数时，应同时考虑到均匀磨损的问题。由于链节数最好选用偶数，所以链轮齿数最好选质数或不能整除链节数的数。 （3）链速和链轮的极限转速 链速的提高受到动载荷的限制，所以一般最好不超过 12m/s。链轮的最佳转速和极限转速可参看图 2。图中接近于最大许用传动功率时的转速为最佳转速，功率曲线右侧竖线为极限转速。 （4）链节距 链节距愈大，链和链轮齿各部尺寸也愈大，链的拉曳能力也愈大，但传动的速度不均匀性、动载荷、噪声等都将增加。因此设计时，在承载能力足够的条件下，应选取较小节距的单排链，高速重载时，可选用小节距的多排链。- 16 - （5）链的长度和中心距 若链传动中心距过小，则小链轮上的包角也小，同时啮合的链轮齿数也减少；若中心距过大，则易使链条抖动。一般可取中心距a=(3050)p，最大中心矩 amax80p 。 由此算出的链的节数，必须圆整为整数，且最好为偶数。然后根据圆整后的链节数用下式计算实际中心矩：2212121282244zzzztzzpap为了便于安装链条和调节链的张紧程度，一般中心距设计成可以调节的。若中心距不能调节而又没有张紧装置时，应将计算的中心距减小 25mm。这样可使链条有小的初垂度，以保持链传动的张紧。3.4 总体校核计算3.4.1 滚筒转速的确定滚筒的转速直接影响生产能力和分级效率，它还与直径有密切的关系，不能随意确定。下面推导它们之间的关系式。由于滚筒的倾角很小，可近似看作水平。当物料与滚筒一起回转时，其受力情况如图 3.2 所示。- 17 -图 3.2 物料在滚筒中受力情况Fig.3.2 The force on the material in the drum 对物料 B，受到重力 G 和离心力 C 的作用。把 G 分解为 G月和 Gsin两个分力，前者分力要推动物科从筛面向下滑动，后者则把物料朝筛面上压cos聚而在物科运动时和离心力一起产生摩擦力 T， （3-CGcosfT01）式中 物料对筛面的摩擦系数0f由于 T 的存在使物料沿筛面向上运动。物料受到的离心力 C 为： gRGvRmvC22（N） （3-2）式中 mB物科的质量GF物科的重力g重力加速度R滚筒的内半径vB物料运动的线速度 （3-3）30Rn60Rn2v式中 n滚筒转数(转分)将公式（3.3）代人公式（3.2）中得 （3-4） N900GRng900RnGC222当物料 B 沿滚筒切线方向的重力分力等于或大于摩擦力 T 时，即开始Gsin向下滑动，此时亦即物料 B 处于滚筒内表面的最高点。即：时，物科 B 处于最高点。0CGcosGsin- 18 - tgf0（为摩擦角） （3-5）将公式 3.1 和代人化简后得tgf0 900Rsinnsin2 （3-6）据资科介绍，角(物料升角)应稍大于物料对筛面的摩擦角=510才能正常运转。即510，对橙子，0.7，则0.7，35，那么0ftg4045(此为物科升高的最大角度)。将和值代入公式（3-6）中并化简得（rad/m）R161235Rsin105sin30Rsinsin30n考虑到滚筒实际上有一倾角，故通常取 RRn148实验装置的滚筒的直径为0.4Rm所以12.6 / min 22.134 / minnrr=式中 n滚筒转速数，rmin； R滚筒的直径，m。由此可知，n 和 R 成反比，一般情况下，滚筒直径愈大，其转速愈小。3.4.2 功率计算 (3-7)Aw 11W3.14 0.4 1.6 0.003 7800 9.8460.8N式中 A滚筒表面积，；2m 滚筒材料厚度，m；- 19 - 滚筒材料重度，N。3m (3-8)122LRw22W0.21.6 500 9.8 0.198.4704N式中 R滚筒内半径，m； L滚筒长度，m； 物料重度，N；13m 物料在滚筒中的充填系数，0.050.10。 (3-9) 2WDM (460.898.4704)0.4M111.84/2N m式中 D滚筒直径，m； W12滚筒本身重力w与滚筒内原料重力w和。由于传动方式不同，功率计算方法也不同。对于中间轴式的传动，其功率 P 为 (3-10)60MnP Mn111.84 15P46.66060 0.6W式中 P功率，W； n滚筒转速，rmin； M驱动滚筒转动所需之力矩，Nm 传动效率，0.60.7。3.4.3 传动装置总效率 和电动机功率 Pr- 20 -由手册查得，在传动装置中，两队齿轮传动每对 1=0.97，四对轴承每对=0.98，联轴器每个 3=0.99。皮带轮为 4=0.86 总的效率j12340.99 0.97 0.97 0.860.801 所需电动机输出功率46.6/58.180.801rsPPW所以，电动机的选择为：电动机的型号 Y90L6；额定功率 1.1KW；满载转速910r/min；质量 25kg。P=1100WPr=58.18W所以，该电动机的选择符合实际功率的要求。（1）传动比和各级传动比计算由传动比，取191060.715knin 取齿轮传动的齿数 。则实际传动比123426,78,18,72zzzz，2178326ziz4372418ziz实际总传动比1 23 412iii （2）、轴转速计算1211322910 / min910 / min/303.3 / min3303.3 / min/75.8 / min4nrrnnirrnnir（3）各轴功率、转矩和轴的校核计算电动机轴功率和转矩rPrT11001.1rPWKW661.19.55 109.55 1011543.96910rrPTN mmN mmn轴输入功率和转矩1P1T- 21 -131.10.991.089rPPKWKW66111.0899.55 109.55 1011428.52910rPTN mmN mmn选取轴的材料为 45 钢，调质处理。根据表 3.2，取 A0=120，于是得：1331011.08912012.74910pdAmmn表 3.2 轴常用的几种材料的及13 T0ATable3.2 TheandSeveral materials commonly used shaft T0A轴的材料Q235-A、20Q275、354540Cr、35SiMn、38SiMnMo、3Cr13/MPa T15252035 254535550A149126 135112 12610311297轴输入功率和转矩：2P2T21 11.0890.97 0.981.035jPPKWKW66221.0359.55 109.55 1032589.02303.3rPTN mmN mmn2332021.03512018.07303.3pdAmmn轴输入功率和转矩：3P3T3211.0350.97 0.980.98jPPKWKW663330.989.55 109.55 10123469.65775.8PTN mmN mmn3333030.9812028.1675.8pdAmmn- 22 -1）确定计算功率 Pca由表查的工况系数 K =1.1，故APca= K P=1.1 1.1KW=1.21KWA2）选取链条的型根据 Pca、n ，确定选用 A 系滚子链 10A。13）确定链轮基准直径由相关参数选取主动轮基准直径 d=60mm。1d确定从动轮基准直径 d=i d=5 60mm=300mm （3-2d1d10）取 d=315mm。2d4）验算链条的速度 V=35m/s （3-11）smsmndd/884. 1/60060600601006011链条的速度合适。5）确定链轮的基准长度和传动中心距由公式 0.7（d+ d） 2（d+ d） ， （3-12）1d2d0a1d2d初步确定中心距为=400mm。0a根据公式 L=2+2（d+ d）+=2 400+（315+60） +d0a1d2d021d24dadd2mm=1388mm （3-13）4004603152由表选择链的基准长度 L =1400mm。d按公式计算实际中心距 =+ （3-a0ammmmLLdd406213881400400214）- 23 -6）验算主动轮上的包角1由公式得 =180 - （3-11208 .1435 .57406603151805 .5712adddd15）主动轮上的包角合适。7）计算链轮的根数 z z z= （3-LaKKppPca)(0016）由 n =1440r/min、d=60mm、i=3.8 查表得 P =1.6KW、11d0KWP23. 00，则89. 0k96. 0lk Z Z=， （3-2 . 396. 089. 0)23. 060. 1 (517）因此取 z=4 根。8）计算预紧力 F ,0 （3-20)15.2(500qvKvzPFca18）查表得 q=0.07Kg/m，故 （3-NNF37.221884. 107. 0189. 05 . 24884. 155002020）9）计算作用在轴上的压轴力 Fp NNzFFp5 .126228 .143sin600422sin20 （3-19）- 24 -10）链轮结构图见附录图纸。- 25 -4 栅条滚筒橙子分级机构设计栅条滚筒橙子分级机构设计4.1 总体结构分析及三维图本文所设计的圆筒筛式干果分级机外形尺寸（长宽高）为2492mm700mm1500mm；其主要由进料装置、出料装置、清筛装置、筛分装置和传动装置 5 部分组成，见图 4.1 所示。 1.进料斗 2.传动链条 3.减速器 4.电动机 5. 清筛装置 6.出料斗 7. 栅条滚筒 8.机架 9.支撑轮 10.联轴器图 4.1 橙子大小分级机构简图Fig.4.1 The Oranges size classification diagram of mechanism 1)进料装置- 26 -进料装置由进料斗和插板活门共同组成，如图 4.2 所示。进料斗采用顶置式，其下表面与水平面成一定的角度，便于物料的滚动流下；插板活门附加在进料斗与机架的联结处，用以控制物料的喂入量及喂入速度。图 4.2 进料斗三维图Fig.4.2 The feed hopper three-dimensional map2)清筛装置清筛装置采用的材料是无毒无污染的天然橡胶，被安置在机架的顶部，天然橡胶与栅条滚筒接触。当有物料被夹在两根栅条之间无法移动而随着滚筒一起运转时，由于被夹的物料高出滚筒一部分，就会与清筛部分相接触，从而产生摩擦碰撞，使被夹物料脱落，保证滚筒的正常运转。3)出料装置橙子分级机的出料部分共包括四个出料斗，如图 4.3 所示。其中三个均匀地分布在机体正面的一侧、一个放置在侧面。出料斗的底面与水平面夹角成 60，便于物料的滚动流下；并且在出料斗的两侧装有吊钩，便于集料袋挂放固定。图 4.3 出料斗三维图Fig.4.3 The three-dimensional map4)筛分装置- 27 -如图 4.4 所示，筛分部分由三段滚筒组成，每段滚筒的栅条间隙不同，第一级到第三级栅条的间隙逐渐增大。物料在筛筒内径向随着滚筒一起做圆周运动；轴向上由于物料具有弹性而且筛筒与水平面有一定的夹角所以作曲线或直线运动。当物料进入筛筒时，厚度尺寸小的物料在离心力的作用下从第一级被分离出来，厚度尺寸较大的物料在滚筒的带动下运动到下一级继续筛选，如此重复直到第四级物料从侧面出料斗分出为止。目前国内并没有制定统一的关于橙子、苹果、橘子大小等级的国家标准，因此根据所测得的物料厚度尺寸和相关市场调查，三种物料的各级间的栅条间隙由新疆农业科学院农机化研究所的专家定出，如下表 4-1 所示。表 4-1 橙子分级机构的整体设计Table4-1 The overall design of orange grading mechanism项目一级二级三级各级长度 L（mm)480420480各级栅条间距M（mm)506070圆周长度 l（mm)900840640栅条滚筒的直径为：400mm，滚筒长度为：1380mm。图4.4 栅条滚筒结构三维图Fig.4.4 Grid cylinder structure of 3D graph- 28 -4.2 本章小结本章主要介绍了橙子大小分级机构主要结构，进料装置、清筛装置、筛分装置、出料装置、进料装置、整体的结构设计，合理安排了栅条间距，滚筒长度，滚筒倾斜度，以便于在橙子大小分级时能使橙子在滚筒中运动，达到一个好的分级效果。并且通过 Autocad 和 pro/e 分别画出了它们的二维视图和三维视图，形成一个立体直观的设计思路。- 29 -5 结结 论论我国水果生产数量大，卖果难的问题经常出现，在国际市场的水果出口份额偏低，其中对水果分级检测技术落后，缺乏先进有效地分级系统，良莠不齐已成为制约我国水果出口的重要原因之一。水果分级机是水果加工必不可缺的初级设备，该设备的研制成功对我国干果加工具有重要的意义。本文通过对各种分级机核心部件分级装置对比分析，采用栅条滚筒式分级装置，以橙子为分级实物，对分级机动力系统和滚筒以及整套设备进行了分析设计，并利用 AutoCAD 绘制了其核心部件图。水果分级机的研制和推广，对于提高农业的发展水平，增加广大农户的收入，促进水果进出口业的可持续发展，都将具有重大的意义。在上述研究过程中，取得了如下结果：（1）详细的对比了分级机各类分级装置的优缺点，选取栅条滚筒式分级装置作为分级机的核心部件，并以红枣为分级实物，对分级装置进行了设计。（2）分级机滚筒的转速是实物的分级良莠的最主要原因，因此，本文选取电动机，并通过二级减速器控制滚筒的速度，以减少速
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