潘 松,陳立才,吳羅發(fā),廖 禺,王康軍,周 宇

(1.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)工程研究所,南昌 330200;2.江西省智能農(nóng)機裝備工程研究中心,南昌 330200;3.江西省南豐縣旺達(dá)機械制造有限公司,江西 南豐 344500)

0 引言

芋頭具有良好的食用和藥用價值,芋頭中富含的多糖,具有增強細(xì)胞免疫和體液免疫的功能[1-5]。我國芋頭產(chǎn)量約占全球12%,且仍有增加趨勢。在芋頭產(chǎn)后銷售中,芋頭分選加工是銷售環(huán)節(jié)的最重要一步,芋頭分選后分類銷售,可以提高附加值,促進(jìn)農(nóng)戶和貿(mào)易商增收。目前,國內(nèi)芋頭的分選通常是根據(jù)肉眼判斷芋頭的大小,以手工方式進(jìn)行分級,不僅消耗大量的人力物力,因每個操作人員掌握的大小尺寸有一定的差異,導(dǎo)致分選出來的芋頭大小不統(tǒng)一,不利于準(zhǔn)確定價,從而影響了芋頭的規(guī)模化生產(chǎn)和銷售。

目前,國內(nèi)外對芋頭分選機械的研究沒有相關(guān)報道。日本已研究建立了一套完整的全程機械化芋頭生產(chǎn)線,主要包括起壟、播種、覆膜一體化種芽播種機,以及地膜回收機、子芋頭分離機、去側(cè)芽機和分選機[6]。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所研發(fā)優(yōu)質(zhì)芋頭高效種植農(nóng)機具作業(yè)順序為：播種、起壟、噴除草劑、覆蓋黑地膜等[7]。這些機械都側(cè)重于芋頭種植機械化研究,缺少專門針對芋頭分選的機械研究。因此,急需研發(fā)一種具有自動化程度高、便于操作、分選均勻、分選效率高、最大程度保護芋頭不受損傷的芋頭分選機械,將極大地減輕勞動強度,達(dá)到節(jié)本增效的目的。

1 整體結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計思路

果蔬分級主要分有尺寸分級、質(zhì)量分級、色選和圖像分級等方式[8],常見的果蔬尺寸分級是通過輥子轉(zhuǎn)動隨著運動間隙的不斷增大,使不同尺寸的物料在不同位置從輥子間隙落下,從而達(dá)到分級的目的[9]。該技術(shù)成熟,經(jīng)濟適用,性價比高。

芋頭的外形很不規(guī)則,且芋頭上面有很多的須,借鑒類似的果蔬分選機專利思路,如趙立新,一種水果外形大小等級分選機等專利[10-18],是沿著通過兩根管子的間隙從小變大的方式來研究對芋頭的分選方式。但是,在試驗中項目組發(fā)現(xiàn)：直接采用不銹鋼鋼管之間的間隙大小的變化來分選芋頭等級的設(shè)計方法,分選合格率達(dá)不到要求。通過仔細(xì)研究大量芋頭的形狀和外觀,專門設(shè)計了針對芋頭分選用的排管,每根排管上的片與片之間的間距剛好與芋頭的形狀相符,又考慮排管片距還需與絞龍的間距比例在合適范圍內(nèi)。在進(jìn)入分選機構(gòu)時,芋頭應(yīng)落在兩根排管之間,被前后4個片架起,通過4個支撐點支撐,排管自轉(zhuǎn)的同時帶動芋頭進(jìn)行翻轉(zhuǎn);當(dāng)?shù)竭_(dá)合適位置時,芋頭便從兩個排管之間落入機器內(nèi),再通過輸送帶輸送出機器。設(shè)計中的關(guān)鍵問題是要確定排管上的片之間間距和排管片距、絞龍片距比值。

芋頭從農(nóng)田里面挖出來直接運至機器進(jìn)行分選,大量的泥沙進(jìn)入機器,會嚴(yán)重磨損機器的皮帶、鏈條、塑料部件等,如何減少對機器的磨損和更好地排除、清理芋頭泥沙是項目組的設(shè)計關(guān)鍵之一。

1.2 設(shè)計參數(shù)

芋頭分選機應(yīng)按表1的要求設(shè)計,其作業(yè)質(zhì)量才能符合芋頭分選加工的要求。

表1 設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters

1.3 整機結(jié)構(gòu)

所研制的6GFJC-86芋頭分選機主要包括機架、上料機構(gòu)、分選機構(gòu)、驅(qū)動電機及輸送機構(gòu),如圖1～圖3所示。

1.機罩 2.左右蓋 3.傳動箱蓋 4.減速電機 5.調(diào)速變頻器箱 6.鏈輪鏈條 7.輸送輥軸 8.輸送架圖1 側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Side structure sketch

1.輥軸 2.輸送帶組合 3.輸送帶組合 4.可調(diào)擋料板 5.分選軸 6.雙節(jié)距鏈條 7.輸送輥軸 8.輸送架 9.鏈輪 10.鏈條 11.軸承座 12.鏈輪 13.軸 14.軸承座圖2 去除蓋板后的俯視結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Overhead structure diagram after removal of cover plate

圖3 6GFJC-86芋頭分選機Fig.3 6GFJC-86 taro sorter

上料機構(gòu)通過鏈輪傳動帶動輥軸循環(huán)運轉(zhuǎn),芋頭從上料斗倒入,輥軸將芋頭向前輸送,進(jìn)入到分選機構(gòu);在輸送過程中,通過輸送輥軸的翻滾使芋頭表面的大量泥土脫落,泥土掉落至機器底部;分選機構(gòu)利用分選軸間距的大小從小到大的設(shè)計原理,通過輥軸翻轉(zhuǎn)及輥軸間距從小均勻變大的方式,實現(xiàn)對芋頭按尺寸從小到大的連續(xù)分選。

1.3.1 上料機構(gòu)

上料機構(gòu)用于除去芋頭表面的泥土,人工搬運時無需抬高,節(jié)約人力,如圖4所示。其中,輸送架傾斜放置,一端置于機架頂端,另一端設(shè)于地面;輸送架靠近地面一端上設(shè)置進(jìn)料擋板框,驅(qū)動電機通過鏈條帶動輸送輥軸運轉(zhuǎn)。

圖4 上料機構(gòu)Fig.4 Feeding mechanism

上料機構(gòu)和機架拼接成整體,機架兩側(cè)設(shè)機架蓋板,機架底端四角設(shè)有萬向輪,萬向輪上設(shè)鎖定裝置,便于分選機的搬運。

1.3.2 分選機構(gòu)

基于工作過程，五個子領(lǐng)域分別是：入院護理；安全環(huán)境；維持健康；促進(jìn)健康；出院護理。主要以病人入院到出院的護理工作過程為主線[3]，并充分考慮到前后課程的銜接和知識的循序漸進(jìn)性進(jìn)行整合和微調(diào)。

分選機構(gòu)利用分選軸間距的大小,通過輥軸旋轉(zhuǎn)且配合輸送機構(gòu)不斷向前傳送的機械方式,實現(xiàn)對芋頭按尺寸進(jìn)行大小連續(xù)分選。分選軸每組間距不同,配合可調(diào)擋料板使尺寸一致的芋頭落入下料斗,實現(xiàn)芋頭的分級。

分選機構(gòu)包括渦輪減速電機、絞龍、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、主軸、從動軸、可調(diào)擋料板、輸送帶和下料斗,如圖5所示。蝸輪減速電機通過主軸帶動絞龍、傳動鏈條,進(jìn)而帶動分選軸循環(huán)運轉(zhuǎn);分選軸分布在輸送帶上方和機架底部形成環(huán)形,輸送帶組合將從分選軸落至輸送帶上面的芋頭輸送出來;出口處安裝有下料斗,輸送帶長度大于機架寬度并延伸至機架外,輸送帶與輸送帶之間設(shè)計有可調(diào)擋料板,防止分選后再混合。

圖5 分選機構(gòu)Fig.5 Sorting mechanism

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向軸、主軸、軸承座、鏈輪、第一直齒圓錐齒輪和第二直齒圓錐齒輪,如圖6所示。其中,轉(zhuǎn)向軸與主軸平行,兩軸之間通過鏈輪帶動,轉(zhuǎn)向軸上左右各有一個第一直齒圓錐齒輪,分別與絞龍軸頭處的第二直齒圓錐齒輪相互咬合。

1.軸 2.直齒圓錐齒輪 3.鏈輪 4.軸圖6 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)Fig.6 Steering system

相鄰螺旋環(huán)間的距離隨輸送方向逐漸增大,螺旋環(huán)的間距依據(jù)阿基米德螺旋線原理,循序漸進(jìn)增大,每個螺旋間距均比上一個螺旋間距增大固定值,使分選軸再向前運轉(zhuǎn)自身翻滾的同時,其間距也循序漸進(jìn)增大,從而保證芋頭剛好在自己合適的大小位置區(qū)間掉落至下方的輸送帶內(nèi);隨著傳送方向螺旋環(huán)間的距離變大,對應(yīng)位置所在的分選軸間距變大,從而使下料斗得到的芋頭尺寸更大。分選軸為特制的波浪狀排管,組數(shù)與輸送帶組合的組數(shù)、下料斗的個數(shù)對應(yīng),每組分選軸沿傳送方向逐漸增大,如圖7所示。

1.分選輥軸 2.雙節(jié)距鏈條 3.膠圈 4.絞龍圖7 分選軸Fig.7 Sorting axis

1.3.3 輸送機構(gòu)

輸送機構(gòu)包括輸送帶組合、一對絞龍軸、定位柱和螺旋環(huán)。其中,輸送帶組合設(shè)置在分選軸上半環(huán)下方,絞龍軸分別設(shè)置在機架上輸送帶組合兩側(cè)下方,絞龍軸軸身為螺旋環(huán)包裹,分選軸兩端設(shè)置用于限定于螺旋環(huán)的定位柱,定位柱放置于螺旋環(huán)間隙中。進(jìn)料擋板框上邊緣傾斜度小于輸送架上邊緣傾斜度,環(huán)繞輸送架底部形成進(jìn)料斗。輸送輥軸兩端設(shè)微齒輪,輸送輥軸兩端下方設(shè)用于增大摩擦的皮帶。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計及性能參數(shù)

2.1 分選機構(gòu)的設(shè)計

排管間距是芋頭分選的關(guān)鍵部件,直接影響芋頭的分選,這個是根據(jù)項目組從市場上獲得的客戶需要的等級規(guī)格進(jìn)行的設(shè)計,開始時,項目組設(shè)計的是每5mm一個等級間隔,如某個等級需要的是30mm,項目組就把這一段的排管間距設(shè)定為30mm;下一個等級是35mm,項目組就把下一段的排管間距設(shè)定為35mm。但是在實際試驗時發(fā)現(xiàn),有時由于排管的間距會在兩個等級替換的那一下突然增大,這就會出現(xiàn)很多突然拉寬的過程,導(dǎo)致有些芋頭本可以在上一等級落下,但是卻偶然進(jìn)入了下一等級。所以,項目組就根據(jù)設(shè)計每兩個排管的間距,按照絞龍每運轉(zhuǎn)前進(jìn)1圈,排管間的間距均勻增大1.5mm,即對絞龍片距的設(shè)計需要使用阿基米德螺旋線的設(shè)計。

2.2 提升機構(gòu)的設(shè)計

3 試驗

3.1 試驗條件

2018年10月,在江西省南豐縣進(jìn)行了試驗。試驗時,氣溫為23℃,平均風(fēng)速為0.5m/s。性能試驗在常溫常壓下進(jìn)行,試驗前調(diào)整芋頭分級機到正常工作狀態(tài),選擇芋頭作為試驗材料,芋頭大小不等,芋頭尺寸范圍為長度30～120mm、直徑30～50mm。試驗用電壓應(yīng)符合額定工作電壓要求,偏差不超過±5%,空運轉(zhuǎn)0.5h后,以額定生產(chǎn)率進(jìn)行正常分級作業(yè)檢測。

3.2 試驗方法

按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/NWJ 008-2017《芋頭分選機》和GB/T 5262-2008《農(nóng)業(yè)機械試驗條件測定方法的一般規(guī)定》的規(guī)定,對6GFJC-86芋頭分選機性能進(jìn)行試驗,主要測定樣機的分級合格率、損傷率、噪聲、噸料電耗和生產(chǎn)率5個項目。

3.3 試驗項目

3.3.1 分級合格率

選擇不少于2個分選等級的芋頭進(jìn)行抽樣檢查,每個等級連續(xù)抽樣100個,分別測量其外形尺寸。確定該等級尺寸分級合格范圍的上限值、下限值,數(shù)出該等級合格范圍內(nèi)的芋頭數(shù),再計算分級合格率。當(dāng)檢查所有等級的分級合格率都合格時,樣機的分級合格率才判定為合格。測3次,取平均值作為樣機分級合格率測定結(jié)果。

3.3.2 損傷率

任意挑選200個芋頭,全部收集后放置8h,將出現(xiàn)損傷的芋頭數(shù)除以200,再乘以100%計算損傷率。測3次,取平均值作為樣機損傷率測定結(jié)果。

3.3.3 噪聲

樣機周圍不放置障礙物,與墻壁的距離應(yīng)大于2m。將試驗儀器置于水平位置,傳聲器面向噪聲源,傳聲器距離地面高度為1.5m,與樣機的距離為1m(按基準(zhǔn)體表面計),用A權(quán)級慢檔進(jìn)行測量。每一次測量點數(shù)為4點,即沿樣機周圍測量表面矩形每一邊的中點,并測量相應(yīng)點的背景噪聲。實測噪聲應(yīng)大于背景噪聲10dB(A),否則重測。測3次,取4個點的最大值作為樣機噪聲測定結(jié)果。

3.3.4 噸料電耗、生產(chǎn)率

測量0.5h樣機消耗總電量和芋頭總處理質(zhì)量,計算后得出。試驗3次,取平均值作為樣機噸料電耗、生產(chǎn)率測定結(jié)果。

3.4 試驗結(jié)果

樣機的主要性能試驗結(jié)果如表2所示。由表2可知：作業(yè)性能穩(wěn)定,作業(yè)質(zhì)量滿足分選要求,主要性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求。

表2 主要性能試驗結(jié)果Table 2 Main performance test results

4 結(jié)論

1)通過對排管片距和片距之間及與螺旋絞龍間距的比例設(shè)計,實現(xiàn)芋頭最佳的分選效果。通過試驗不斷地優(yōu)化、改進(jìn),使其耐用、耐磨損,且更好地排除泥沙。

2)對樣機進(jìn)行了芋頭分選試驗,結(jié)果表明：該機作業(yè)性能穩(wěn)定,分級合格率為96.4%,損傷率為0.176%,噪聲為63.4dB(A),噸料電耗為0.164kW·h/t,生產(chǎn)率為5500kg/h,滿足芋頭分選質(zhì)量要求。

3)該機填補國內(nèi)此類機械研發(fā)空白,有利于降低人工成本、提高生產(chǎn)效益和作業(yè)效率,減輕了勞動強度,改善了勞動環(huán)境。整機設(shè)計合理,結(jié)構(gòu)簡單,操作維護方便,適應(yīng)性強,具有節(jié)能環(huán)保、勞動強度低、生產(chǎn)率高及性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點,具有良好的應(yīng)用和推廣價值。