李巖舟，黃恩文，王 凱，彭安校，李啟鋒，吳再英

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530000)

0 引言

玉米是一種營(yíng)養(yǎng)豐富的食糧，營(yíng)養(yǎng)學(xué)家稱(chēng)玉米為“谷物黃金”，稱(chēng)鮮食玉米為“綠色蔬菜”“新型營(yíng)養(yǎng)保健食品”“長(zhǎng)壽食品”等。玉米鮮食還有多種醫(yī)療保健功效，所以玉米已然成為一種重要的蔬菜[1]。中國(guó)的玉米產(chǎn)量從2014年的2.156 7億t[2]增長(zhǎng)至2015年的2.245 8億t[3],增幅約4.1%，可見(jiàn)我國(guó)是玉米生產(chǎn)大國(guó)。而收獲的玉米鮮穗在脫離母體后，籽粒養(yǎng)分含量會(huì)發(fā)生變化：一是呼吸作用消耗籽粒中可溶性糖類(lèi)；二是可溶性糖類(lèi)迅速轉(zhuǎn)化為淀粉，使籽粒中可溶性物質(zhì)迅速下降，失去商品性質(zhì)。因此，對(duì)玉米進(jìn)行分揀和包裝利于鮮食玉米的保鮮，從而便于運(yùn)輸和銷(xiāo)售。由于目前市場(chǎng)主要根據(jù)玉米長(zhǎng)度劃分價(jià)格，且部分消費(fèi)者因?yàn)樽约盒枨蠛拖埠玫牟煌瑢?duì)玉米的長(zhǎng)度也有不同要求，因此對(duì)鮮玉米按長(zhǎng)度分揀很有必要。所以，鮮食玉米分揀機(jī)器能順應(yīng)市場(chǎng)的發(fā)展。

通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外鮮玉米分揀的相關(guān)文獻(xiàn)，可以得到以下分揀方式：人工分揀、光電門(mén)分揀和氣吹式分揀。其中，人工分揀效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，分揀不準(zhǔn)確；用光電門(mén)檢測(cè)鮮玉米長(zhǎng)度，由于分揀時(shí)鮮玉米會(huì)帶有粉塵，粉塵影響會(huì)降低測(cè)量的精確度和設(shè)備使用壽命；氣吹式分揀鮮玉米要及時(shí)充氣保持氣壓，耗能大。且光電門(mén)分揀和氣吹式分揀機(jī)器都存在體積偏大、價(jià)格高的特點(diǎn)，不適合以廣西農(nóng)戶(hù)和從事鮮玉米經(jīng)銷(xiāo)的個(gè)體經(jīng)銷(xiāo)商為主的小規(guī)模用戶(hù)的需求。

為此，在現(xiàn)有的鮮玉米分揀方法的基礎(chǔ)上，利用自由落體原理，設(shè)計(jì)了一種鮮玉米分揀機(jī)。該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)鮮玉米的分揀，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、實(shí)用性強(qiáng)，分揀成功率達(dá)到70%以上。

1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

鮮玉米自動(dòng)分揀機(jī)主要由電機(jī)、動(dòng)力傳動(dòng)部分、自動(dòng)送料斗、玉米滑槽及自動(dòng)分揀裝置組成，如圖1所示。

鮮玉米自動(dòng)分揀機(jī)包括機(jī)架、分揀裝置和驅(qū)動(dòng)裝置。分揀裝置安裝在機(jī)架上，包括傳送部、主動(dòng)輪和從動(dòng)輪，傳送部套在主動(dòng)輪和所述從動(dòng)輪上，并隨主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)；傳送部的頂面能夠放置并運(yùn)輸鮮玉米，在運(yùn)輸過(guò)程中，傳送部頂面與鮮玉米的接觸面積逐漸減小，以使鮮玉米的重心位置逐漸偏離傳送部，當(dāng)鮮玉米的重心移除傳送部頂面后，由于重力作用，鮮玉米從傳送部頂面掉落；驅(qū)動(dòng)裝置與所述主動(dòng)輪連接，以提供所述主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)所需的動(dòng)力。

鮮玉米自動(dòng)分揀機(jī)的工作流程，如圖2所示。傳動(dòng)時(shí)，經(jīng)末級(jí)鏈條、中級(jí)鏈條、初級(jí)鏈條帶動(dòng)末級(jí)從動(dòng)鏈輪組、次級(jí)從動(dòng)鏈輪組和末級(jí)傳動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，初級(jí)傳動(dòng)軸、次級(jí)傳動(dòng)軸和中級(jí)傳分由電機(jī)提供動(dòng)力，二級(jí)傳動(dòng)鏈輪經(jīng)短鏈條帶動(dòng)初級(jí)傳動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)末級(jí)傳動(dòng)軸帶動(dòng)主動(dòng)鏈輪組轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.撥齒 2.末級(jí)傳動(dòng)鏈輪 3.擋板 4.初級(jí)傳動(dòng)軸 5.末級(jí)從動(dòng)鏈輪組 6.次級(jí)傳動(dòng)軸 7.中級(jí)傳動(dòng)軸 8.次級(jí)從動(dòng)鏈輪組 9.彈簧支撐 10.送料斗 11.玉米滑槽 12.主動(dòng)鏈輪組 13.末級(jí)傳動(dòng)軸 14.一級(jí)軸承座 15.電機(jī) 16.大號(hào)集物箱 17.中號(hào)集物箱 18.小號(hào)集物箱 19.特小號(hào)集物箱 20.二級(jí)軸承座 21.末級(jí)鏈條 22.三級(jí)軸承座 23.中級(jí)鏈條 24.四級(jí)軸承座 25.初級(jí)鏈條 26.短鏈條 27.中級(jí)傳動(dòng)鏈輪 28.末級(jí)傳動(dòng)軸 29.初級(jí)傳動(dòng)鏈輪 30.五級(jí)軸承座 31.六級(jí)軸承座 32.七級(jí)軸承座

圖2 鮮玉米自動(dòng)分揀機(jī)工作流程圖

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 喂料裝置設(shè)計(jì)

喂料裝置主要由喂料斗、振動(dòng)電機(jī)和支撐彈簧組成，如圖3所示。鮮玉米從喂料斗倒入，通過(guò)參閱資料及實(shí)際測(cè)量，得到鮮玉米的直徑在40～60mm之間[4]，所以喂料斗下端口直徑設(shè)計(jì)為80mm，可實(shí)現(xiàn)鮮玉米逐一進(jìn)入玉米滑槽的目的。振動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)使得鮮玉米在喂料斗中不易造成阻塞，能順利地進(jìn)入玉米滑槽。

1.喂料斗 2.支撐彈簧

2.2 玉米滑槽設(shè)計(jì)

鮮玉米進(jìn)入自動(dòng)分揀裝置前，其姿態(tài)需與擋板垂直，若鮮玉米以?xún)A斜的姿態(tài)進(jìn)入自動(dòng)分揀裝置，重心的位置離擋板的距離就會(huì)變短，則分離的鮮玉米的實(shí)際長(zhǎng)度與分揀長(zhǎng)度不符合。玉米滑槽(見(jiàn)圖4、圖5)為曲面結(jié)構(gòu)，滑槽上底部向內(nèi)側(cè)傾斜，使鮮玉米在進(jìn)入滑槽上部滑動(dòng)時(shí)向內(nèi)側(cè)滾動(dòng)，滑槽上下部分曲面是等曲率連接；滑槽下部分曲面向外側(cè)傾斜，當(dāng)鮮玉米滑入下部時(shí)，滑動(dòng)的同時(shí)鮮玉米向滑槽外側(cè)滾動(dòng)，保證了玉米在滑槽下落的同時(shí)在下部底板處；導(dǎo)向擋板的作用使得玉米保持與鏈條垂直的姿態(tài)下滾動(dòng)進(jìn)入撥齒的V型間隙。底槽開(kāi)口是為了使滑槽與撥齒配合，且防止撥齒因滑槽的阻擋而不能正常工作；滑槽底端弧形開(kāi)口是為了減少鮮玉米在滑槽滑落至下部時(shí)因?yàn)榛坌倍葴p小而增加的摩擦阻力。玉米滑槽能在鮮玉米進(jìn)入自動(dòng)分揀裝置前就把鮮玉米的姿態(tài)矯正好，形成與擋板近似垂直的姿態(tài)進(jìn)入分揀裝置。

2.3 分揀裝置的設(shè)計(jì)

分揀部分如圖6所示。鮮玉米從玉米滑槽滾落進(jìn)入撥齒的V型間隙，與擋板成垂直姿態(tài)；隨著鏈條向后運(yùn)動(dòng)，撥齒起到架住鮮玉米的作用，使其始終與鏈條保持垂直姿態(tài)。

1.底槽開(kāi)口 2.導(dǎo)向擋板 3.滑槽下部底板 4.滑槽中部開(kāi)口 5.滑槽上部底板

1.擋板 2.撥齒 3.底槽開(kāi)口 4.導(dǎo)向擋板 圖5 玉米滑槽與鏈條連接部分局部放大圖

1.擋板 2.撥齒 3.末級(jí)鏈條 4.中級(jí)鏈條 5.初級(jí)鏈條 6.大號(hào)集物箱 7.中號(hào)集物箱 8.小號(hào)集物箱 9.特小號(hào)集物箱

鮮玉米從玉米滑槽滑落進(jìn)入撥齒間的V型間隙時(shí)，有一端是始終抵住擋板的。3條鏈條的長(zhǎng)度不同，間距也不同，每一條鏈條對(duì)應(yīng)一個(gè)長(zhǎng)度級(jí)別的鮮玉米，通過(guò)3條鏈條，一共分成4個(gè)長(zhǎng)度級(jí)別；第一級(jí)別的鮮玉米長(zhǎng)度最長(zhǎng)，從三級(jí)鏈條上掉落進(jìn)入大號(hào)集物箱，依次往后逐級(jí)遞減，最短一級(jí)從末級(jí)鏈條末尾處掉落進(jìn)入特小號(hào)集物箱。分揀裝置簡(jiǎn)單地利用鮮玉米的重心，把鮮玉米按鮮玉米的長(zhǎng)度進(jìn)行了分揀。

3 性能試驗(yàn)與結(jié)果分析

選用長(zhǎng)度大小不一的鮮玉米作為鮮玉米自動(dòng)分揀機(jī)的性能試驗(yàn)材料。試驗(yàn)方案：玉米30個(gè)一次試驗(yàn)數(shù)量級(jí)放落。試驗(yàn)分5批次，每一批次進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)，共150個(gè)玉米。其中，長(zhǎng)度180mm以上玉米25個(gè)，長(zhǎng)度140～180mm之間的玉米50個(gè)，長(zhǎng)度100～140mm之間的玉米50個(gè)，長(zhǎng)度100mm以下的玉米25個(gè)。每一批次實(shí)驗(yàn)中玉米的長(zhǎng)度等級(jí)分配按1∶2∶2∶1進(jìn)行分配，共進(jìn)行25次試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 玉米分批次實(shí)驗(yàn)成功率

試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果表明：

1)將30個(gè)待分揀的鮮玉米倒入送料斗中，在送料斗振動(dòng)與彈簧支撐相配合下，把鮮玉米震落進(jìn)入玉米滑槽，實(shí)現(xiàn)單個(gè)鮮玉米分離。

2)鮮玉米通過(guò)玉米滑槽矯正玉米下滑姿態(tài)，在撥齒的配合下順利地使鮮玉米保持垂直在鏈條上隨鏈條無(wú)相對(duì)移動(dòng)滑動(dòng)。

3)當(dāng)鮮玉米重心在鏈條外面時(shí)，鮮玉米實(shí)現(xiàn)掉落，進(jìn)入相應(yīng)的集物箱實(shí)現(xiàn)對(duì)鮮玉米的分揀。

4)結(jié)果表明：在鮮玉米自動(dòng)分揀機(jī)實(shí)現(xiàn)玉米分揀的過(guò)程中，無(wú)因設(shè)備原因出現(xiàn)損傷玉米的現(xiàn)象，根據(jù)在分揀30個(gè)玉米時(shí)所消耗的時(shí)間可計(jì)算出每分鐘可實(shí)現(xiàn)90個(gè)玉米的分揀，且分揀成功率可達(dá)83.3%以上。試驗(yàn)中部分鮮玉米靠近擋板的一端與擋板間存在一定距離，導(dǎo)致分揀失敗，所以增加鏈條所在平面的傾斜度可以提高分揀成功率。

4 結(jié)論

該鮮玉米自動(dòng)化分揀機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、造價(jià)低、性能良好、能較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)鮮玉米自動(dòng)分揀，填補(bǔ)了目前市場(chǎng)上鮮玉米器械的空缺，可在鮮玉米經(jīng)銷(xiāo)和種植基地廣泛地推廣應(yīng)用。