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差動(dòng)分級(jí)式齒輥式破碎機(jī)
使用遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)
摘要：我們的差分級(jí)齒輥式破碎機(jī)結(jié)合了齒輥式破碎機(jī)，顎式破碎機(jī)的破碎比高，破碎效率高，多篩分的優(yōu)點(diǎn)，克服齒輥式破碎機(jī)的缺憾。動(dòng)顎破碎機(jī)采用曲柄搖桿機(jī)制，從而優(yōu)化動(dòng)態(tài)性能和改善破碎機(jī)的抗裂能力，我們建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)優(yōu)化傳輸角ｒ，以盡量減少行程特性值m。使用遺傳算法優(yōu)化的破碎機(jī)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)多對(duì)象的設(shè)計(jì)獲得最佳的結(jié)果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，顯示出動(dòng)顎式破碎機(jī)和裂解能力的性能得到改善。
關(guān)鍵詞：差分和分級(jí)齒輥式破碎機(jī)，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)遺傳算法多目標(biāo)優(yōu)化。
1.引言
在許多行業(yè)中，物料粉碎過(guò)程是不可缺少的（如采礦，金屬
冶煉的，化工等行業(yè)）。傳統(tǒng)式破碎機(jī)（例如，顎式破碎機(jī)，沖擊式破碎機(jī)，回轉(zhuǎn)式破碎機(jī)，錘式粉碎機(jī)），實(shí)現(xiàn)物資的粉碎破碎能力，主要取決于工作沖擊壓力的部分。這些破碎機(jī)效率低，能耗高。我們已經(jīng)不能滿足傳統(tǒng)的破碎機(jī)。在最近幾年，一個(gè)英國(guó)MMD齒輥式破碎機(jī)大量被使用。但是，從平時(shí)的調(diào)查來(lái)看，我們發(fā)現(xiàn)在這些齒輥式破碎機(jī)的一些不足之處：1）通過(guò)齒嚙合來(lái)破碎物料。所有需要被粉碎的原料礦物被輸送到一個(gè)粉碎腔，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)嚙合齒粉碎成微粒排出。破碎機(jī)未能完成實(shí)際的分級(jí)破碎，不僅使用了大量的能量，而且效率低下，破碎齒還會(huì)迅速出現(xiàn)損壞和金屬疲勞。 2）兩種情況下發(fā)生堵塞現(xiàn)象。一個(gè)是一種高流動(dòng)大塊的煤混有較小條的情況，另一種是濕潤(rùn)的煤會(huì)導(dǎo)致堵塞。齒輥式破碎機(jī)由于沒(méi)有有效的分級(jí)機(jī)制，結(jié)果是不令人滿意的，我們不能單靠齒嚙合。根據(jù)使用MMD齒輥式破碎機(jī)的一些煤礦區(qū)的調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)，他們大多數(shù)煤礦沒(méi)有要求的干燥度。 3）MMD破碎機(jī)的破碎能力通過(guò)提高傳動(dòng)部分的力來(lái)增加破碎的能力，從而導(dǎo)致高功耗和高成本?；谶@些考慮，并結(jié)合中國(guó)神華能源有限責(zé)任公司和神東煤炭分公司的需求，我們的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)新的，高效的差分和分級(jí)齒輥式破碎機(jī)，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)破碎機(jī)的缺陷。
如圖1所示，破碎機(jī)破碎部分組成的牙齒和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。動(dòng)顎曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的草圖如圖2。在搜索的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，
似乎有很多的文獻(xiàn)研究的目的只是在優(yōu)化的傳輸角度ｒ。例如，李等人只是選擇減少圖[2-3]中的行程特性值m。但是，在一個(gè)實(shí)際的和典型的破碎機(jī)設(shè)計(jì)中，動(dòng)顎的破碎能力和傳動(dòng)角，行程特性值m都有密切的聯(lián)系。我們已經(jīng)使用了GA（遺傳算法），以便優(yōu)化曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的差動(dòng)齒輥式破碎機(jī)的傳動(dòng)角ｒ，和最小行程值m。
1．電機(jī)組裝篩分機(jī)制；2.齒輥屏軸; 3.傳動(dòng)齒輪：4.粉碎齒; 5.動(dòng)顎 6. 調(diào)整機(jī)制
7.機(jī)殼 8. 裝配曲軸 9. 齒輥軸電機(jī)
圖1齒輥式破碎機(jī)結(jié)構(gòu)圖
圖2 齒輥式破碎機(jī)斷裂機(jī)制示意圖
2．曲柄搖桿的動(dòng)力學(xué)分析
一個(gè)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的性能依賴其連桿相對(duì)長(zhǎng)度。如果我們把搖臂?的長(zhǎng)度等于1，那么相對(duì)長(zhǎng)度的曲柄，連桿和身體幀分別為a，b和d。數(shù)學(xué)模型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是獨(dú)立的的實(shí)際長(zhǎng)度，這使得它更普遍。
2.1 最佳傳動(dòng)角ｒ
曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的傳輸力主要取決于傳動(dòng)角ｒ。輸送傾角更大，就能更好的傳輸力。在傳輸過(guò)程中，傳輸角度時(shí)刻變化。每個(gè)組件的選擇具有合適的尺寸，可以優(yōu)化得到最小傳動(dòng)角。因此，有必要增加傳輸角度，以提高傳輸力和破碎力。
兩個(gè)最小傳動(dòng)角的可能位置如圖所示。
圖3.最小傳動(dòng)角位置示意圖
2.3 行程特征值m
動(dòng)顎的行程，被分成水平和垂直的兩個(gè)部分。水平部分的功能是粉碎材料，垂直行程不能幫助粉碎，但也可以加速粉碎。遞減m的值既可以降低能耗和耐磨耗，同時(shí)，可以提高生產(chǎn)效率和提高破碎比。應(yīng)采取一些措施，以減少m的值。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，C點(diǎn)被取出進(jìn)行分析。幾何關(guān)系如圖所示。
圖4.曲軸和連桿路線圖
因此，行程特征值到C 點(diǎn)的距離是：m=h/s. 肘板的角度是:β=γ+α-90°，肘板的擺動(dòng)角度：
傾角大小取決于連桿機(jī)制和動(dòng)顎的力。它的取值范圍通常15°到20°之間。 s是水平行程，h是垂直行程。
3差分和分級(jí)齒輥式破碎機(jī)的動(dòng)顎的數(shù)學(xué)模型
根據(jù)動(dòng)力學(xué)分析，無(wú)論是傳動(dòng)角γ和行程特性C點(diǎn)的值都可以表示為相對(duì)長(zhǎng)度的曲柄，連桿和身體幀的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)變量是：
動(dòng)顎的目標(biāo)函數(shù)最大化的最小傳動(dòng)角γ：
動(dòng)顎的目標(biāo)函數(shù)最小化的行程特征m值??是：
適用以下約束：
1） 設(shè)計(jì)變量的邊界約束條件：
其中aimax和bimax是設(shè)計(jì)變量的上限和下限設(shè)計(jì)變量。
2） 擁有一個(gè)曲柄的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的條件：
3） 約束的傳輸角度：增加傳輸角度可以提高傳輸效率和增強(qiáng)水平行程。但是，過(guò)多大傳動(dòng)角具有相反的效果。
一種常見(jiàn)的情況是：
4）約束的行程特征值：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常m的范圍是1.5和2.5之間。
5）動(dòng)顎的水平行程S對(duì)生產(chǎn)力有明顯的影響。如果s是太小會(huì)降低生產(chǎn)率，但與此相反，它會(huì)加大破碎力，并導(dǎo)致過(guò)載損壞設(shè)備。水平行程的范圍：
其中dmin是排放口的最小尺寸。
6）肘板的角度約束。通常情況下，γ的范圍是18°至23°。綜上所述，優(yōu)化問(wèn)題的可以歸結(jié)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的問(wèn)題：
其中
多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的傳統(tǒng)解決方案，導(dǎo)致了低效率，并很容易導(dǎo)致一個(gè)明顯得局部問(wèn)題。但遺傳算法的方法是迭代運(yùn)行得到一個(gè)局部最優(yōu)解。通過(guò)可能的傳輸規(guī)則來(lái)指導(dǎo)搜索方向，GA搜索空間（如連通性，凸性等），并沒(méi)有特殊要求，不需要任何額外的信息。我們已應(yīng)用遺傳算法優(yōu)化了差分和分級(jí)齒輥式破碎機(jī)的
多對(duì)象設(shè)計(jì)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。
4遺傳算法
遺傳算法是一種隨機(jī)搜索方法，它模仿自然演化規(guī)律。GA第一次是在1975年由荷蘭提出，它有以下主要特點(diǎn)：它直接運(yùn)行在結(jié)構(gòu)化對(duì)象，沒(méi)有任何限制函數(shù)求導(dǎo)和連續(xù)性;它擁有隱式并行和改進(jìn)的能力全局優(yōu)化;通過(guò)使用隨機(jī)優(yōu)化方法，它可以自動(dòng)獲取和引導(dǎo)優(yōu)化的搜索空間，并且還可以調(diào)整沒(méi)有具體的自適應(yīng)搜索方向和規(guī)則。 GA具有的后期，一個(gè)重要技術(shù)OGY智能計(jì)算。主要方法是：1）編碼前的數(shù)據(jù)中搜索解空間，GA的數(shù)據(jù)表示，作為一個(gè)基因型表型的字符串結(jié)構(gòu)和各種組合獲得不同的點(diǎn)。 2）創(chuàng)建一個(gè)初始化的GE-菜單組：GA隨機(jī)生成N初始化字符串?dāng)?shù)據(jù)，其中每個(gè)數(shù)據(jù)被稱為一個(gè)單獨(dú)UAL和這些人形成一個(gè)屬組。 GA開(kāi)始使用的字符串?dāng)?shù)據(jù)作為初始迭代點(diǎn)。 3）個(gè)體適應(yīng)值估計(jì)的適應(yīng)性函數(shù)表示的質(zhì)量個(gè)人或溶液。針對(duì)不同的問(wèn)題，本一個(gè)適應(yīng)性函數(shù)的定義是不同的。 4）選擇：選擇的目的是選擇前CELLENT目前屬群和個(gè)人之間允許他們有機(jī)會(huì)繁殖后代的父母。選擇是這一思想的體現(xiàn)為GA。選擇的原則是，指示高適應(yīng)性viduals將有較大貢獻(xiàn)一個(gè)或多個(gè)后代的概率。 5）分頻點(diǎn)：這是最重要的操作GA。交叉操作可以生成新的屬具備的特點(diǎn)與前面的蒸發(fā)散一代。它體現(xiàn)了思想的信息交換。 6）基因突變：第一，GA隨機(jī)選擇個(gè)人從組屬。然后改變一個(gè)數(shù)據(jù)的值從字符串?dāng)?shù)據(jù)與給定的概率為選定的個(gè)人。類似生物宇宙，突變的概率GA是也很低，通常取值范圍為0.001至0.01，也就是說(shuō)，突變提供了一個(gè)機(jī)會(huì)產(chǎn)生新的個(gè)體。
5基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化
我們采取了不同的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)與差分和分級(jí)齒輥式破碎機(jī)我們的優(yōu)化對(duì)象壓榨能力為4000噸/小時(shí)。為了決定在曲軸的長(zhǎng)度，濃度曲柄搖桿桿與主體框架的連接獲得機(jī)制，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)（9）的最大值，該值的條件下行程速比系數(shù)為1.25時(shí)，連桿行程300毫米，傾角18°。我們使用遺傳算法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)設(shè)置屬群規(guī)模等于50，交叉概率性為0.8，變異概率為0.005和數(shù)代的演變?cè)?000。傳統(tǒng)的二進(jìn)制編碼方法比較相對(duì)方便的使用時(shí)，在理論分析。但對(duì)于多維和高精度數(shù)值校準(zhǔn)的問(wèn)題，它往往效率低，不準(zhǔn)確。我們用一個(gè)自然數(shù)編碼方法設(shè)置三個(gè)變量a，b和d的基因，有序的結(jié)合入染色體。例如
就包含在其中。
在初始化期間，GA將產(chǎn)生一個(gè)屬基團(tuán)，其中50個(gè)個(gè)體上產(chǎn)生的根據(jù)一個(gè)變量的范圍。我們選擇了式（9）為總目標(biāo)函數(shù)的值表示個(gè)人適應(yīng)性。作為例子，我們把個(gè)人的p和q被取代的式（9），即，（P）=0.8145，F(xiàn)（Q）=0.7887，F(xiàn)（P）> F（Q）。這表明，指示的p適應(yīng)性比q的更好。
輪盤賭的方法用于在選擇操作中，在輪盤賭的游戲，我們模仿和計(jì)算的總的適應(yīng)性和在同一時(shí)間的相對(duì)并累計(jì)每一個(gè)人的適應(yīng)性。然后，輪盤變成為50倍，和一個(gè)隨機(jī)號(hào)0和1之間的每個(gè)時(shí)間。一個(gè)數(shù)比較，可以選擇由個(gè)人的累積，為每個(gè)單獨(dú)的適應(yīng)性。例如，如果我們讓r是一個(gè)隨機(jī)數(shù)，然后FC（I）累計(jì)適應(yīng)性個(gè)體iFC（i +1）的累計(jì)個(gè)體適應(yīng)性I +1。如果FC（I）<=γ<=（i +1）的話，那么個(gè)體i+1將選擇。依此類推，所有選定的個(gè)人我們可以組成一個(gè)新屬組，并開(kāi)展交叉和變異操作。
單點(diǎn)雜交方法采用的是交叉操作，生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)介于01時(shí)屬組。如果數(shù)少于交叉概率和個(gè)人選擇一個(gè)偶數(shù)，那么配對(duì)后，可以實(shí)現(xiàn)交叉操作隨機(jī)的。以個(gè)人的p和q為配對(duì)例如，我們的交叉點(diǎn)設(shè)置為2，這意味著我們選擇了第二個(gè)基因跨越。后交叉操作，個(gè)人成為
方法是通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的突變操作，生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)介于0和1之間時(shí)屬組。如果的數(shù)量小于變異概率，當(dāng)前個(gè)人會(huì)發(fā)生變異。突變運(yùn)算的方思是類似初始化我們重建設(shè)計(jì)的邊界中的一個(gè)單獨(dú)的基因變量。
經(jīng)過(guò)選擇，交叉和變異操作，評(píng)價(jià)函數(shù)被調(diào)用，以確保最好的個(gè)人可以被保存。優(yōu)化結(jié)果（轉(zhuǎn)換）示于表1。
最優(yōu)化的結(jié)果，這已被應(yīng)用于在生產(chǎn)實(shí)踐中，能滿足約束情況。鄭州長(zhǎng)城冶金設(shè)備廠，與我們的合作廠家，產(chǎn)生了相應(yīng)的破碎機(jī)已經(jīng)在中國(guó)大量出售。根據(jù)實(shí)際工作情況，不同的差分和分級(jí)齒輥式破碎機(jī)具有破碎強(qiáng)度大的特點(diǎn)，高突破效率，穩(wěn)定的工作狀態(tài)，高能力清除堵塞和抗粘連和穩(wěn)定粒度破碎產(chǎn)品，所有這些都達(dá)到了他們預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
6結(jié)論
我們已經(jīng)用遺傳算法進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。我們可以聲明如下：
1）我們的差分和分級(jí)齒輥式破碎機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有很大的破碎比，破碎效率高。
2）由于它不同于傳統(tǒng)的優(yōu)化方法，GA可以開(kāi)展啟發(fā)式全局優(yōu)化。這是一個(gè)并行，并發(fā)和逐漸進(jìn)化搜索過(guò)程，在這過(guò)程中，避免局部最優(yōu)。
3）優(yōu)化的結(jié)果已在實(shí)踐中應(yīng)用的實(shí)際破碎機(jī)的工作狀態(tài)是穩(wěn)定的。工業(yè)上的應(yīng)用已被證明效果良好。也已表明，以優(yōu)化破碎機(jī)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)
多目標(biāo)設(shè)計(jì)與優(yōu)化傳動(dòng)角γ和動(dòng)顎m作為目標(biāo)函數(shù)最小化的行程特性，能獲得最佳效果。
致謝
作者向黃教授表達(dá)自己最真摯的感謝以及感謝嘉興集團(tuán)提供的寶貴意見(jiàn)。編者還要感謝鄭州長(zhǎng)城冶金設(shè)備廠免費(fèi)提供的有用的材料。
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摘要 我們國(guó)家盛產(chǎn)橙子，一般情況下是機(jī)械化完成其大小分配的，這與我們的生產(chǎn)工藝是相符的。 目前橙子品種很多，但不同品種的橙子密度差異甚小，若按重量和大小分級(jí)結(jié)果基本一致，因此， 按大小對(duì)橙子分級(jí)是合理的，科學(xué)的。本課題設(shè)計(jì)的滾筒式橙子分級(jí)機(jī)，在機(jī)器工作的時(shí)候，橙 子在滾筒的內(nèi)表面和外表面運(yùn)動(dòng)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)較小，對(duì)橙子的損傷較小。此法適用于球形或近似球 形的物料的分級(jí)，從結(jié)構(gòu)上較易實(shí)現(xiàn)，成本較低，分級(jí)精度較高，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣。 關(guān)鍵詞：滾筒分級(jí)機(jī)，橙子，柵條，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) Abstract The 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 目錄 1 前言 .............................................................................................................................................................- 1 - 1.1 引言 .................................................................................................................................................- 1 - 1.2 國(guó)內(nèi)外分級(jí)機(jī)械的研究與發(fā)展 .....................................................................................................- 1 - 1.2.1 國(guó)外分級(jí)機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀 .....................................................................................................- 1 - 1.2.2 國(guó)內(nèi)分級(jí)機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀 ......................................................................................................- 2 - 1.3 課題研究意義 ..................................................................................................................................- 3 - 1.4 課題研究?jī)?nèi)容 ...............................................................................................................................- 3 - 1.5 本章小結(jié) .......................................................................................................................................- 4 - 2 柵條滾筒式分級(jí)機(jī)總體方案分析 ................................................................................- 5 - 2.1 分級(jí)裝置的類型 ...........................................................................................................................- 5 - 2.2 滾筒式分級(jí)機(jī) ...............................................................................................................................- 7 - 2.2.1 工作原理 ...............................................................................................................................- 7 - 2.2.2 結(jié)構(gòu)分析 ...............................................................................................................................- 8 - 2.3 滾筒式分級(jí)機(jī)的工藝參數(shù)分析 .................................................................................................- 10 - 2.3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 .................................................................................................................- 10 - 2.3.2 生產(chǎn)能力分析 .....................................................................................................................- 10 - 2.3.3 尺寸分析 .............................................................................................................................- 11 - 2.4 滾筒式分級(jí)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意事項(xiàng) .............................................................................................- 12 - 2.5 本章小結(jié) .......................................................................................................................................- 12 - 3 動(dòng)力傳輸部件的選擇與設(shè)計(jì) ......................................................................................- 13 - 3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 ...............................................................................................................................- 13 - 3.1.1 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī) ...................................................................................................................- 13 - 3.1.2 三相異步電動(dòng)機(jī) ...................................................................................................................- 13 - 3.1.3 選擇的電動(dòng)機(jī) .......................................................................................................................- 13 - 3.2 聯(lián)軸器 ...........................................................................................................................................- 14 - 3.3 鏈傳動(dòng) .........................................................................................................................................- 14 - 3.3.1 鏈傳動(dòng)簡(jiǎn)述 .........................................................................................................................- 14 - 3.3.2 鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì) .....................................................................................................................- 15 - 3.4 總體校核計(jì)算 .............................................................................................................................- 16 - 3.4.1 滾筒轉(zhuǎn)速的確定 .................................................................................................................- 16 - 3.4.2 功率計(jì)算 .............................................................................................................................- 18 - 3.4.3 傳動(dòng)裝置總效率 η 和電動(dòng)機(jī)功率 Pr.................................................................................- 19 - 4 柵條滾筒橙子分級(jí)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .........................................................................................................- 24 - 4.1 總體結(jié)構(gòu)分析及三維圖 .............................................................................................................- 24 - 4.2 本章小結(jié) .....................................................................................................................................- 27 - 5 結(jié) 論 .......................................................................................................................................................- 28 - 參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................................................- 29 - 致 謝 ...........................................................................................................................................................- 31 - - 1 - 1 前言 1.1 引言 我國(guó)水果的種類繁多產(chǎn)量大，近二十年來(lái)發(fā)展特別的迅速。據(jù)我國(guó)官方數(shù)據(jù)顯示， 21 世紀(jì)初我國(guó)水果總量已達(dá)到了 15000 噸，較以前已經(jīng)有了一個(gè)長(zhǎng)足發(fā)展，水果產(chǎn)業(yè) 已經(jīng)成為我國(guó)南方主產(chǎn)區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的一大支柱產(chǎn)業(yè)，為促進(jìn)農(nóng)民增收、擴(kuò)大城鄉(xiāng)居民 就業(yè)和改善生態(tài)環(huán)境做出了積極貢獻(xiàn)。即便我國(guó)有著基數(shù)很大的水果產(chǎn)量，由于國(guó)情 原因，現(xiàn)在水果價(jià)格相對(duì)較低，并且經(jīng)常出現(xiàn)滯銷的現(xiàn)象，果農(nóng)經(jīng)常受到巨大的經(jīng)濟(jì) 沖擊，同時(shí)我國(guó)水果的出口率是很低的，這也是制約我國(guó)水果發(fā)展的短板。我國(guó)水果 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力差的主要的因素就是，我國(guó)水果商品率低，包裝差，整體的外觀欠佳。水 果采后商品化處理包括：清洗、打蠟、分級(jí)、包裝。分級(jí)在水果的商品化中占有重要 的地位，由于技術(shù)的革新在分級(jí)化處理中，發(fā)生了巨大變化。清洗、打蠟技術(shù)在應(yīng)用 中已經(jīng)比較成熟，只有分級(jí)技術(shù)在水果的商品化環(huán)節(jié)的應(yīng)用中還不夠成功。水果外部 品質(zhì)的主要分級(jí)指標(biāo)是水果的果形、大小、色澤、表面質(zhì)量和顏色，本課題針對(duì)橙子 大小進(jìn)行分級(jí)研究，以提高生產(chǎn)力，提高水果質(zhì)量，加快水果采后商品化的國(guó)際進(jìn)程。 1.2 國(guó)內(nèi)外分級(jí)機(jī)械的研究與發(fā)展 1.2.1 國(guó)外分級(jí)機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀 依照 CCD 相機(jī)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)分析等技術(shù)條件對(duì)每一個(gè)水果進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)得到 客觀的結(jié)論在分級(jí)，這是國(guó)外應(yīng)用較早的技術(shù)手段。機(jī)器的視覺(jué)技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部品 質(zhì)的探測(cè)的應(yīng)用，正成為國(guó)內(nèi)外競(jìng)相研究熱門課題。 現(xiàn)在的一些光學(xué)的檢測(cè)手段正在應(yīng)用到水果的品質(zhì)檢驗(yàn)當(dāng)中去，這些檢測(cè)技術(shù)連 同信息的處理技術(shù)正在為水果的檢測(cè)提供便捷。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是模仿生物大腦結(jié) 構(gòu)和功能而構(gòu)成的信息處理技術(shù)，在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中應(yīng)用可以提高品質(zhì)識(shí)別的智能性。 - 2 - 德國(guó)發(fā)明的分級(jí)機(jī)機(jī)構(gòu)，其分級(jí)的精度是非常高的，并且其緊湊的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)， 可以有效地減少果實(shí)損傷的幾率，其核心技術(shù)是應(yīng)用了一種先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器，并且此 種機(jī)構(gòu)把水果的商品化的工藝縮短了近一半的時(shí)間。 美國(guó) Auto line 公司的水果分級(jí)設(shè)備在世界上處于領(lǐng)先地位，其產(chǎn)品已經(jīng)系列化 (5 個(gè)型號(hào)) ，能夠按照重量、顏色、形狀分級(jí)，傳送通道可以多達(dá) 9 道，出口可達(dá) 60 個(gè)， 每道的最高傳送速率為 12 個(gè)/秒，其傳輸系統(tǒng)可以容納不同尺寸的水果，其視覺(jué)系統(tǒng) 采用兩架單色相機(jī)，能計(jì)算出水果的三維尺寸。 西班牙 Aleixos 使用多光譜相機(jī)檢測(cè)柑橘，圖像在兩塊 DSR 中并行運(yùn)算，顏色識(shí) 別正確率達(dá) 94%，由于損傷處和正常處的熱輻射不同，用熱紅外線圖像對(duì)損傷的判別 準(zhǔn)確率達(dá) 100%，實(shí)驗(yàn)證明，在損傷后 30-180s 時(shí)，擦傷處和正常處至少有 1-20 度溫 差，但熱紅外線圖像必須在環(huán)境溫度變化下才可以檢測(cè)。 Italy-001-A 型分級(jí)機(jī)是一種先進(jìn)的分級(jí)機(jī)構(gòu)，能夠按照果實(shí)的大小進(jìn)行很好的分 類處理，其核心的部件就是一條傳送帶，其上面有很多的孔，其網(wǎng)眼中的孔徑是無(wú)級(jí) 變化的，網(wǎng)眼在最左邊時(shí)，孔徑最小，傳送帶向右運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)眼孔徑也就隨之增大， 到達(dá)最右邊時(shí)，孔徑最大。當(dāng)傳送帶從下端向回運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)眼孔又由大變小。就是說(shuō)， 傳送帶上的網(wǎng)眼孔徑就像照相機(jī)的快門那樣，隨著傳送帶的運(yùn)行方向不同，可以由小 變大或由大變小。果實(shí)最先落在傳送帶左邊時(shí)，小的果實(shí)漏下來(lái)，隨著傳送帶的向右 運(yùn)行，大的果實(shí)開(kāi)始落下，這樣就將果實(shí)由小到大進(jìn)行了多級(jí)分級(jí)。 美國(guó) Kavdir 等使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)柑橘進(jìn)行分級(jí)，把缺陷和物理特征作為神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)分類器的輸入?yún)?shù)，對(duì)橙子，柚子分級(jí)的準(zhǔn)確率為 98.5%，利用 ANN 的泛化功能， 對(duì)橙子的彩色 RGB 圖像，結(jié)合顏色和果形分析，獲得魯棒性，實(shí)時(shí)性的分類結(jié)果。 日本三菱電器公司研制的水果成熟度分級(jí)機(jī)，是利用傳感器綜合測(cè)出梨的表面顏 色、對(duì)特定光的透光率、形狀和大小，并與事先貯存在計(jì)算機(jī)中的優(yōu)良梨的數(shù)據(jù)進(jìn)行 對(duì)比，推算出成熟度和含糖量，但是大小分級(jí)是其基礎(chǔ)。[1] 1.2.2 國(guó)內(nèi)分級(jí)機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀 分級(jí)技術(shù)在我國(guó)大體可分為引進(jìn)、消化、吸收三個(gè)階段，80 年代以前是主要以引 進(jìn)為主，國(guó)內(nèi)的分級(jí)技術(shù)的研究幾乎為零；隨著技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)制造業(yè)逐步發(fā)展成 熟，同時(shí)國(guó)內(nèi)開(kāi)始意識(shí)到了分級(jí)機(jī)構(gòu)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要性，逐步的引進(jìn)國(guó)外的生產(chǎn) - 3 - 設(shè)備，同時(shí)國(guó)內(nèi)的一些機(jī)構(gòu)或者企業(yè)開(kāi)始學(xué)習(xí)研究國(guó)外的技術(shù)，經(jīng)過(guò)具體的測(cè)繪分析， 對(duì)于分級(jí)技術(shù)的認(rèn)識(shí)有了一個(gè)飛躍的發(fā)展，90 年代以后，根據(jù)市場(chǎng)對(duì)分級(jí)機(jī)構(gòu)性能的 要求的提高看，于此同時(shí)國(guó)內(nèi)對(duì)于此種技術(shù)的研究已經(jīng)積累了相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)出了 許多自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。但盡管如此，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)目前在分級(jí)領(lǐng)域仍然 存在大型設(shè)備不足、工藝控制技術(shù)落后、磨耗和單位產(chǎn)品能耗偏高、特殊粒形的生產(chǎn) 工藝和設(shè)備落后等問(wèn)題。[2] 在近幾十年水果分級(jí)研究中，我們已經(jīng)積累了足夠經(jīng)驗(yàn)，并且可以說(shuō)碩果累累， 許多產(chǎn)品性能指標(biāo)已經(jīng)趕超國(guó)外很多產(chǎn)品。水果分級(jí)機(jī)器人的研究成功，將有利于改 變國(guó)產(chǎn)水果和農(nóng)產(chǎn)品的外觀質(zhì)量較差，同一批產(chǎn)品中良莠不齊，混等混級(jí)等現(xiàn)狀。若 以我國(guó)蘋果產(chǎn)量的 50％(約 3000 萬(wàn)噸)通過(guò)自動(dòng)分級(jí)處理來(lái)說(shuō)，每公斤大概可以增值 0.2 元，那么總量即能夠增值 6 億元?？上攵?，這對(duì)提高我國(guó)水果的品質(zhì)，增強(qiáng)參與 國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的能力，并大大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有重要的理論意義和實(shí)際意義，并 能創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 1.3 課題研究意義 我國(guó)是水果生產(chǎn)大國(guó)，自動(dòng)分級(jí)技術(shù)對(duì)提高我國(guó)生鮮水果的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力有很大的 幫助。特別是 90 年代以來(lái)，我國(guó)的水果產(chǎn)量明顯提高，水果生產(chǎn)已經(jīng)成為中國(guó)農(nóng)村 的支柱型產(chǎn)業(yè)，成為縮小城鄉(xiāng)差距和農(nóng)民增產(chǎn)增收的重要途徑。對(duì)水果大小分級(jí)的研 究，在國(guó)內(nèi)還不是特別的完善，對(duì)橙子分級(jí)的研究可以明顯的提高水果產(chǎn)后商品化的 價(jià)值，增加中國(guó)水果的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，提高生產(chǎn)效率。因此我們選擇了柵條滾筒式分級(jí) 機(jī)。它與目前普遍采用的振動(dòng)滾筒式分級(jí)機(jī)相比具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；② 效率高；③價(jià)格低廉；④功耗??；⑤傷果率低；柵條滾筒式分級(jí)機(jī)存在的缺點(diǎn)是分級(jí) 精度不高。[3] 1.4 課題研究?jī)?nèi)容 1）本文研究橙子大小分級(jí)機(jī)工作原理以及主要部件組成和結(jié)構(gòu)； 2）通過(guò)對(duì)主要零部件的更換，可以達(dá)到篩分不同的大小物料的目的； 3）物料特性的研究，測(cè)定不同品種、不同地區(qū)主產(chǎn)橙子形狀及外形尺寸，根據(jù) 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定分級(jí)篩尺寸。 - 4 - 1.5 本章小結(jié) 我國(guó)是水果生產(chǎn)大國(guó)，橙子年產(chǎn)量達(dá)近千萬(wàn)噸，居世界之首，但采后處理能力不 到總產(chǎn)量的 15%，水果分級(jí)機(jī)的發(fā)展已經(jīng)成為制約我國(guó)農(nóng)業(yè)出口發(fā)展的主要原因。本 章詳細(xì)分析了水果分級(jí)機(jī)械的國(guó)內(nèi)外研究與發(fā)展的情況，闡述了課題研究的目的和意 義，并明確了本課題的研究?jī)?nèi)容。 - 5 - 2 柵條滾筒式分級(jí)機(jī)總體方案分析 2.1 裝置的類型分 級(jí) （1）錐輥式 裝置分 級(jí) 錐輥式 裝置采用的是一對(duì)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的錐形輥，如圖 2.1（圖中各參數(shù)的單位分 級(jí) 為 mm） ，橙子在兩錐形輥的帶動(dòng)下不停地上升和下落，同時(shí)，橙子在重力和上端橙子 對(duì)其側(cè)向擠壓力的共同作用下沿錐形輥向下移動(dòng)，直至兩錐形輥的間隙大于橙子的直 徑時(shí)，橙子通過(guò)間隙落下 [4] 。 1．錐輥 2．橙子 圖 2.1 錐輥式分級(jí)原理圖 Fig.2.1 Cone roller type classification principle diagram 該裝置 效果不好，因?yàn)椋悍?級(jí) - 6 - ① 果實(shí)大量喂入時(shí)，上層的橙子無(wú)法及時(shí)地與下層橙子進(jìn)行交換，造成前一級(jí) 橙子在后一級(jí)甚至后幾級(jí)才被分離出去，出現(xiàn)分級(jí)混雜、混級(jí)率增大的現(xiàn)象。 ② 由于大多橙子是橢球形的，這些橙子在下滑的時(shí)候，會(huì)因下滾姿態(tài)的不同， 而在不同的位置下落，從而造成分級(jí)誤差。 （2）圓孔篩分級(jí)裝置 圖 2.2 是圓孔篩分級(jí)原理圖，該圓孔篩與水平線的夾角為 α。篩孔由右往左逐漸 變大，橙子在重力和離心力的共同作用下沿篩壁下滑并通過(guò)合適的孔口落下。 該圓孔篩的轉(zhuǎn)速范圍為： Rn302? R—橙子半徑 m，n—圓孔篩轉(zhuǎn)速 r/min 圖 2.2 圓孔篩分級(jí)原理 Fig.2.2 Sieve classification principle 該結(jié)構(gòu)存在一個(gè)致命缺陷：在機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中，如果加入就太多橙子，就很有可 能把篩孔給堵塞。 （3）平面振動(dòng)篩 裝置分 級(jí) 圖 2.3 為平面振動(dòng)篩裝置簡(jiǎn)圖。該振動(dòng)篩 裝置是由三個(gè)篩子組成。篩子振動(dòng)分 級(jí) 時(shí)，橙子與篩面產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，尺寸小于篩孔的橙子有可能通過(guò)篩孔，掉入下篩，其 余的留在篩面上，并沿篩面流向一側(cè)，由集料口收集。[5] 經(jīng)過(guò)試驗(yàn)的驗(yàn)證，在篩分橙子大小的過(guò)程中這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的效果是欠佳的。 - 7 - 圖 2.3 平面振動(dòng)篩裝置簡(jiǎn)圖 Fig.2.3 Schematic plane vibration sieve （4）柵條滾筒式 裝置分 級(jí) 如圖 2.4 所示，篩分部分由三段滾筒組成，每段滾筒的柵條間隙不同，第一級(jí)到 第三級(jí)柵條的間隙逐漸增大。橙子在篩筒內(nèi)軸向隨著滾筒一起做圓周運(yùn)動(dòng)；軸與橙子 具有彈性而且篩筒與水平面有一定的夾角所以作曲線或直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)橙子到達(dá)篩筒時(shí)， 厚度尺寸小的橙子在離心力的作用下從第一級(jí)被分離出來(lái)，厚度尺寸大的橙子在滾筒 的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)到下一級(jí)繼續(xù)篩選，如此重復(fù)直到第四級(jí)橙子從側(cè)面分出為止。 圖 2.4 柵條分級(jí)滾筒結(jié)構(gòu)圖 Fig.2.4 Grid Classification drum structure diagram 2.2 滾筒式 機(jī)分 級(jí) 2.2.1 工作原理 - 8 - 滾筒式 機(jī)由進(jìn)料機(jī)構(gòu)、滾筒篩體、卸料斗和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，滾筒體傾斜角分 級(jí) β 可調(diào)。柵條滾筒式 機(jī)的篩體分部分由三段滾筒組成，每段滾筒的柵條間隙不分 級(jí) 同，第一級(jí)到第三級(jí)柵條間隙逐漸增大。橙子在篩筒內(nèi)軸向隨著滾筒一起做圓周運(yùn)動(dòng)； 軸向上由于橙子具有彈性而且篩筒與水平面有一定的夾角所以作曲線或直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng) 橙子進(jìn)入篩筒時(shí)，厚度尺寸小的橙子在離心力的作用下從第一級(jí)被分離出來(lái)，厚度尺 寸較大的會(huì)在滾筒的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)到下一級(jí)繼續(xù)篩選，如此重復(fù)直到第四級(jí)干果從側(cè)面 出料斗分出為止，從而達(dá)到 的目的。分 級(jí) 工作時(shí)，被篩物料由喂入斗裝入篩筒內(nèi)，隨旋轉(zhuǎn)的篩筒內(nèi)壁上升，至一定高度后 松散落下，如此反復(fù)進(jìn)行，連續(xù)進(jìn)入篩筒內(nèi)的物料受壓力和松散性的影響，逐步向篩 筒另一端的出口移動(dòng)；同時(shí)，在這一過(guò)程中小于柵條間隙的物料通過(guò)柵條間隙漏出， 被配置在篩筒下部的振動(dòng)輸送裝置運(yùn)至篩下物出料口，大于柵條間隙的物料被帶到篩 分的另一端通過(guò)篩上物出料口流出完成分級(jí)過(guò)程。 2.2.2 結(jié)構(gòu)分析 滾筒式 機(jī)主要由分級(jí)滾筒、 、 、 、 五分 級(jí) 支 承 裝 置 傳 動(dòng) 裝 置 收 集 料 斗 清 篩 裝 置 部分組成。 - 9 - 圖 2.5 滾筒式分級(jí)機(jī) Fig.2.5 Drum type classifier (1) 滾筒分 級(jí) 它是該設(shè)備的主要構(gòu)件，用直徑為 10mm 的鋼管焊成圓柱形轉(zhuǎn)簡(jiǎn)。轉(zhuǎn)筒按 需分 級(jí) 要設(shè)計(jì)成幾節(jié)。節(jié)數(shù)為需分級(jí)數(shù)減 l，各節(jié)柵條間隙不同，而同一節(jié)柵條間隙一樣。 整個(gè)轉(zhuǎn)簡(jiǎn)上進(jìn)料口端孔徑小，出料口端孔徑大。各節(jié)用連接滾圈連接以起加強(qiáng)作用。 每節(jié)轉(zhuǎn)筒下裝有一個(gè)收集料斗。 (2) 支承裝置 由滾圈 3、摩擦輪 4、機(jī)架 7 和軸承組成。滾圈 3 固定在滾筒 2 上，并將簡(jiǎn)體重 力傳遞給摩擦輪 4，整個(gè)設(shè)備由角鋼焊成的機(jī)架 7 文本。 (3) 傳動(dòng)裝置 目前有如下三種。 第一種：采用電動(dòng)機(jī)通過(guò) 、 、鏈輪及一對(duì) 傳動(dòng)，而其中一個(gè)皮 帶 輪 變 速 箱 齒 輪 大齒輪就連接在 的邊緣上，另一個(gè)小齒輪則與傳動(dòng)系統(tǒng)相連接作為主動(dòng)齒滾 筒 出 料 口 輪，把動(dòng)力傳給大齒輪而驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。這種傳動(dòng)方式加工制造比較麻煩，由于滾筒 - 10 - 直徑較大而使轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡，齒輪上的潤(rùn)滑油也往往滴在轉(zhuǎn)筒中污染物料，故目前已逐 漸被淘汰。 第二種： 。滾筒的中心線上沒(méi)有 ，用支臂與滾筒連，傳動(dòng)中 間 軸 式 傳 動(dòng) 傳 動(dòng) 軸 系統(tǒng)把動(dòng)力傳至中心軸，由 帶動(dòng)滾動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。這種傳動(dòng)方式比第一種簡(jiǎn)單，但中 心 軸 因滾筒較長(zhǎng)，其中心軸也長(zhǎng)，在滾筒中間又很難設(shè)置中間軸承，因此，若中心軸的剛 度稍差，則往往產(chǎn)生擾動(dòng)而使?jié)L動(dòng)的運(yùn)行不平衡。同時(shí)，由于水果有時(shí)和中心軸及支 臂碰撞而產(chǎn)生機(jī)械傷，故目前使用這種形式的亦逐漸減少。 第三種： 。摩擦輪 4（見(jiàn)圖 2.5）裝在一根軸上，滾筒兩邊均有摩擦輪，摩 擦 傳 動(dòng) 并且互相對(duì)稱，其夾角為 90°，長(zhǎng)軸一端（主動(dòng)軸）與傳動(dòng)系統(tǒng)相連，另一端裝有托 輪，不與傳動(dòng)系統(tǒng)相連，主動(dòng)軸從傳動(dòng)系統(tǒng)中得到動(dòng)力后帶動(dòng)其上的摩擦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，摩 擦輪緊貼滾圈 3，滾圈 3 固定在轉(zhuǎn)軸上。因此，摩擦輪與滾圈互相產(chǎn)生的摩擦力驅(qū)動(dòng) 滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。水果在滾筒內(nèi)向出口處的運(yùn)動(dòng)靠滾筒內(nèi)裝置螺旋卷帶或使?jié)L筒有一傾斜角 度來(lái)實(shí)現(xiàn)。苦水果是圓形或近似圓形時(shí)，采用后者為宜。物料滾動(dòng)性差的，可采用前 一種方法。 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滾筒上的小孔往往被原料堵塞而影響 效果，因此常常在滾筒外壁裝分 級(jí) 置木制滾軸，木制滾軸平行于滾筒的中心軸線，用彈簧使其壓緊滾筒外壁，由于木滾 軸的擠壓，把堵塞在小孔中的原料擠進(jìn)滾筒中。 (4) 清篩裝置 一般物料的 ，可以選擇水沖式或毛刷式，工作時(shí)原料應(yīng)通過(guò)滾筒相應(yīng)柵清 篩 裝 置 條間隙流出，才能達(dá)到 的目的，但對(duì)于尺寸較大的如蘑菇，柵條間隙往往被物料分 級(jí) 堵塞而影響 效果。因此，要根據(jù)所分級(jí)物料的實(shí)際情況，安裝 ，將堵分 級(jí) 清 篩 裝 置 在柵條間隙中的物料擠回滾筒內(nèi)。通常在滾筒外壁平行于其軸線安裝一個(gè)木制滾軸， 木輥的支撐可采取通心軸式或自身軸式，在彈簧作用下壓緊在滾筒外壁來(lái)達(dá)到清篩目 的。 - 11 - 時(shí)，在傳動(dòng)系統(tǒng)作用下，通過(guò)摩擦輪和滾圈使?jié)L筒回轉(zhuǎn)，當(dāng)物料從進(jìn)料斗 1分 級(jí) 加入后即隨滾筒一起回轉(zhuǎn)，小于第一級(jí)柵條間隙的物料落入第一級(jí)收集料斗中，大于 最后一級(jí)柵條間隙的物料從滾筒排出進(jìn)入最后一級(jí)料斗。 2.3 滾筒式 機(jī)的工藝參數(shù)分析分 級(jí) 2.3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 料斗可采用 0.5~1mm 的不銹鋼板制造，為方便清洗和防止阻塞，在出料口位置 設(shè)計(jì)有清洗門，可將上面板和料斗板進(jìn)行鉸鏈接。雖然各廠都采用滾筒式 機(jī)對(duì)同分 級(jí) 樣原料進(jìn)行 ，但使用效果不同，不同效率相差較大。其主要原因是對(duì)參數(shù)掌握不分 級(jí) 好，各級(jí)間互相配合不當(dāng)之故。 本次使用效果較好的一組參數(shù)。滾筒的傾斜角度取 3°～5°；滾筒直徑與長(zhǎng)度之 比為 1：(4 ～ 6)；滾筒上的篩孔排列用正三角形排列；滾筒的轉(zhuǎn)速 10～15r/min，一般 不超過(guò) 30 r/min；滾筒篩孔直徑根據(jù)原料情況和 要求而定。分 級(jí) 2.3.2 生產(chǎn)能力分析 生產(chǎn)能力 G 可由下式計(jì)算 m?Z1036G?? （2-1） 式中 G——生產(chǎn)能力，t／h； Z——滾筒上柵條間隙總數(shù)； A——在同 1s 內(nèi)從篩孔中掉下物料的系數(shù)。因分級(jí)機(jī)形式和物料性質(zhì)不同而異， 滾筒式 機(jī)可取 1.0%～2.5%；青豆取大些，橙子取小些；分 級(jí) m——滾筒內(nèi)物料平均質(zhì)量，g。 2.3.3 尺寸分析 - 12 - 從式(2.1)可知， G 與 Z、 和 m 成正比。設(shè)計(jì)時(shí)， G 是由廠方或任務(wù)書規(guī)定? 的，處理的物料一般已事先確定，通過(guò)測(cè)定可得 m，然后根據(jù)(2-1) 求得 Z，即是 滾筒上所需的柵條間隙總數(shù)。但由于各級(jí)柵條間隙不同而滾筒直徑相同，所以這 個(gè)柵條間隙總數(shù)不能平均分配在各個(gè)級(jí)中，而應(yīng)根據(jù)工藝要求決定分成不同間隙 大小的多少級(jí)別。再依級(jí)數(shù)設(shè)每級(jí)間隙數(shù)，確定同一級(jí)中柵條間隙數(shù)。取 1000 個(gè) 橙子進(jìn)行總體稱重，求出橙子的平均重量，再分別求出 1000 個(gè)橙子中的最大直徑 和最小直徑進(jìn)行直徑測(cè)量，并求出平均直徑，得到下表： 表 2.1 橙子直徑與孔徑安排 Table2.1 The diameter of orange and bore of the machine 分級(jí) 一級(jí) 二級(jí) 三級(jí) 橙子直徑 d(mm) 46 53 66 各級(jí)孔徑 d(mm) 50 60 70 所有橙子的平均重 量 m(g) 150 從理論上說(shuō)，每級(jí)的鋼管數(shù)之和應(yīng)等于柵條間隙數(shù) Z，每級(jí)長(zhǎng)度之和就是所 設(shè)計(jì)的滾筒長(zhǎng)度。但有時(shí)計(jì)算出的滾筒直徑，各級(jí)都不相同，無(wú)法聯(lián)接在一起。 因此，一般是取滾筒中直徑最大的一級(jí)作為整個(gè)滾筒的直徑，其他各級(jí)因直徑增 大了，可把鋼管直徑或柵條間隙距離適當(dāng)放大即可。 在初步確定了滾筒的直徑和長(zhǎng)度后，用直徑比長(zhǎng)度＝1：(4～6)進(jìn)行校核，若 不在這范圍內(nèi)，就應(yīng)重新調(diào)整每級(jí)柵條間隙數(shù)，以達(dá)到此比例范圍內(nèi)為止。 2.4 滾筒式 機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意事項(xiàng)分 級(jí) （1）用摩擦輪傳動(dòng)雖好處很多，但滾圈與摩擦輪之間因摩擦?xí)a(chǎn)生鐵屑掉進(jìn) 滾筒里，直接污染產(chǎn)品，設(shè)計(jì)時(shí)必須充分注意這點(diǎn)。 （2）滾筒內(nèi)物料升高主要是靠滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)和物料對(duì)滾筒內(nèi)壁的摩擦力，因而升 角不高，只有 40°～45°。這樣，滾筒直徑雖大，但其篩面利用率只有 1/6～l/8，其余占滾筒的大部分篩面并沒(méi)有被利用。若能把升角提高，就能提高篩 面利用率，有些廠采取在滾筒中緊貼篩面焊上幾根管子的辦法，效果較顯著。 - 13 - （3）篩面的傾斜度對(duì)生產(chǎn)率影響較大。對(duì)圓筒篩，其軸線應(yīng)與水平面成 3°～9°的傾斜角。 （4）滾筒式 機(jī)工作時(shí)很平穩(wěn)，但其篩孔易堵塞，機(jī)械占地面積很大，分 級(jí) 在同等生產(chǎn)能力是，其尺寸比平篩大得多，金屬消耗量大，同時(shí)對(duì)原料的適應(yīng)性 差，要設(shè)清理裝置。 （5）滾筒上面的滾圈或連接圈。目前多用角鋼彎制，由于橢圓度的存在，在 滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)有所跳動(dòng)，若滾筒跳動(dòng)使物料離開(kāi)篩面的話，會(huì)影響 ，所以采分 級(jí) 用澆鑄滾圈的方法更為理想。 2.5 本章小結(jié) 本章首先分析了 機(jī)核心部件 裝置的類型，通過(guò)對(duì)比其優(yōu)缺點(diǎn)，選取分 級(jí) 分 級(jí) 柵條滾筒 機(jī)做為 機(jī)的 裝置；同時(shí)闡述了滾筒式 機(jī)的工作原理分 級(jí) 分 級(jí) 分 級(jí) 分 級(jí) 及其結(jié)構(gòu)，分析其工藝參數(shù)和在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)多注意的事項(xiàng)，為下面章節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)打下鋪墊。 - 14 - 3 動(dòng)力傳輸部件的選擇與設(shè)計(jì) 3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 目前市場(chǎng)上電動(dòng)機(jī)的類型有很多，按結(jié)構(gòu)和工作原理可以分為：直流電動(dòng)機(jī)、 同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)。根據(jù)研究本次重點(diǎn)討論一下兩種：直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)和 三相異步電動(dòng)機(jī)。 3.1.1 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī) 直流電動(dòng)機(jī)有一下特性： 1）靠改變外電路外串電阻調(diào)節(jié)速度機(jī)械特性軟，電阻越大特性越軟，穩(wěn)定性 能越低，空載時(shí)調(diào)速范圍不大，調(diào)速電阻耗電量較大，很少應(yīng)用； 2）改變電動(dòng)機(jī)電樞供電電壓 U：電壓連續(xù)變化可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，一般額定電 壓以下調(diào)節(jié)；調(diào)速特性與固有特性平行，機(jī)械特性硬度不變，穩(wěn)定度高，適合恒 轉(zhuǎn)矩； 3）改變主磁通：無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，額定功率以上調(diào)速，調(diào)速范圍不大，恒功率 調(diào)速。 3.1.2 三相異步電動(dòng)機(jī) 1）調(diào)壓調(diào)速：可以無(wú)級(jí)調(diào)速但是調(diào)節(jié)范圍不大； 2）轉(zhuǎn)子電路串電阻：簡(jiǎn)單可靠，屬于有級(jí)調(diào)節(jié)，但是低速是功率損耗較大； 3）改變磁極對(duì)數(shù)：體積稍微大，價(jià)格較高，屬于有級(jí)調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率 較高，特性好，調(diào)節(jié)時(shí)所需附加設(shè)備較少，中小型機(jī)電聯(lián)合調(diào)速。 3.1.3 選擇的電動(dòng)機(jī) 查表可知，電動(dòng)機(jī)的選擇為：電動(dòng)機(jī)的型號(hào) Y90L—6；額定功率 1.1KW；滿 載轉(zhuǎn)速 910r/min；質(zhì)量 25kg。 - 15 - 3.2 聯(lián)軸器 聯(lián)軸器用來(lái)把兩軸聯(lián)接在一起，使機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不能分離；只有機(jī)械停車或?qū)?聯(lián)軸器拆開(kāi)后，兩軸才能分離。 根據(jù)各種相對(duì)位移有無(wú)補(bǔ)償能力聯(lián)軸器可以分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器兩 大類。撓性聯(lián)軸器又可以分為有彈性元件的撓性聯(lián)軸器和無(wú)彈性元件的撓性聯(lián)軸 器。 表 3.1 WS 型雙十字萬(wàn)向聯(lián)軸器的參數(shù) Table3.1 Parameters of WS type double cross universal coupling 型號(hào) 額定轉(zhuǎn)矩 T（N×m） d（H7） D L0J1 型 重量（Kg）Y 型 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Y 型 WS5 140 19 40 164 24.0 1.04 3.3 鏈傳動(dòng) 3.3.1 鏈傳動(dòng)簡(jiǎn)述 鏈傳動(dòng)是嚙合傳動(dòng)，平均傳動(dòng)比是準(zhǔn)確的。它是利用鏈與鏈輪輪齒的嚙合來(lái) 傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)。鏈條長(zhǎng)度以鏈節(jié)數(shù)來(lái)表示。鏈節(jié)數(shù)最好取為偶數(shù)， 以便鏈條聯(lián)成環(huán)形時(shí)正好是外鏈板與內(nèi)鏈板相接，接頭處可用彈簧夾或開(kāi)口銷鎖 緊。若鏈節(jié)數(shù)為奇數(shù)時(shí)，則需采用過(guò)渡鏈節(jié)。在鏈條受拉時(shí)，過(guò)渡鏈節(jié)還要承受 附加的彎曲載荷，通常應(yīng)避免采用。 齒形鏈由許多沖壓而成的齒形鏈板用鉸鏈聯(lián)接而成，為避免嚙合時(shí)掉鏈，鏈 條應(yīng)有導(dǎo)向板( 分為內(nèi)導(dǎo)式和外導(dǎo)式)。齒形鏈板的兩側(cè)是直邊，工作時(shí)鏈板側(cè)邊 與鏈輪齒廓相嚙合。鉸鏈可做成滑動(dòng)副或滾動(dòng)副，滾柱式可減少摩擦和磨損，效 果較軸瓦式好。 與滾子鏈相比，齒形鏈運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲小、承受沖擊載荷的能力高；但結(jié)構(gòu) 復(fù)雜、價(jià)格較貴、也較重，所以它的應(yīng)用沒(méi)有滾子鏈那樣廣泛。齒形鏈多用于高 速(鏈速可達(dá) 40m/s)或運(yùn)動(dòng)精度要求較高的傳動(dòng)。 - 16 - 圖 3.1 鏈傳動(dòng) Fig. Chain drive 3.3.2 鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 傳動(dòng)比 i ：鏈的傳動(dòng)比一般≤8，在低速和外廓尺寸不受限制的地方允許到 10。如傳動(dòng)比過(guò)大，則鏈包在小鏈輪上的包角過(guò)小，嚙合的齒數(shù)太少，這將加速 輪齒的磨損，容易出現(xiàn)跳齒，破壞正常嚙合。通常包角最好不小于 120。 傳動(dòng)比 i=2~3.5 （2）鏈輪齒數(shù) z1 和 z2 首先應(yīng)合理選擇小鏈輪齒數(shù) z1 。小鏈輪齒數(shù)不宜過(guò) 少，過(guò)少時(shí)，傳動(dòng)不平穩(wěn)、動(dòng)載荷及鏈條磨損加劇，摩擦消耗功率增大，鉸鏈的 比壓加大及鏈的工作拉力增大。但是 z1 不能太大，因?yàn)?z1 大，z2 更大，不僅增 大傳動(dòng)尺寸，而且鉸鏈磨損后容易引起脫鏈，將縮短鏈的使用壽命。因?yàn)槿翩湕l 的鉸鏈發(fā)生磨損，將使鏈條節(jié)距變長(zhǎng)、鏈輪節(jié)圓 d'向齒頂移動(dòng)。 節(jié)距增長(zhǎng)量 Δp 與節(jié)圓外移量 Δd`的關(guān)系。 由此可知 Δp 一定時(shí)，齒數(shù)越多節(jié)圓外移量 Δd`就越大，也越容易發(fā)生跳 齒和脫鏈現(xiàn)象。大鏈輪齒數(shù) z2 按 z2=iz1 確定，一般應(yīng)使 z2≤120。在選取鏈輪齒 數(shù)時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮到均勻磨損的問(wèn)題。由于鏈節(jié)數(shù)最好選用偶數(shù)，所以鏈輪齒數(shù) 最好選質(zhì)數(shù)或不能整除鏈節(jié)數(shù)的數(shù)。 （3）鏈速和鏈輪的極限轉(zhuǎn)速 鏈速的提高受到動(dòng)載荷的限制，所以一般最好 不超過(guò) 12m/s。鏈輪的最佳轉(zhuǎn)速和極限轉(zhuǎn)速可參看圖 2。圖中接近于最大許用傳動(dòng) 功率時(shí)的轉(zhuǎn)速為最佳轉(zhuǎn)速，功率曲線右側(cè)豎線為極限轉(zhuǎn)速。 （4）鏈節(jié)距 鏈節(jié)距愈大，鏈和鏈輪齒各部尺寸也愈大，鏈的拉曳能力也愈 大，但傳動(dòng)的速度不均勻性、動(dòng)載荷、噪聲等都將增加。因此設(shè)計(jì)時(shí)，在承載能 力足夠的條件下，應(yīng)選取較小節(jié)距的單排鏈，高速重載時(shí)，可選用小節(jié)距的多排 鏈。 - 17 - （5）鏈的長(zhǎng)度和中心距 若鏈傳動(dòng)中心距過(guò)小，則小鏈輪上的包角也小，同 時(shí)嚙合的鏈輪齒數(shù)也減少；若中心距過(guò)大，則易使鏈條抖動(dòng)。一般可取中心距 a=(30~50)p，最大中心矩 amax≤80p 。 由此算出的鏈的節(jié)數(shù)，必須圓整為整數(shù)，且最好為偶數(shù)。然后根據(jù)圓整后的 鏈節(jié)數(shù)用下式計(jì)算實(shí)際中心矩： ?????? ????????????????21212184?zztzpap 為了便于安裝鏈條和調(diào)節(jié)鏈的張緊程度，一般中心距設(shè)計(jì)成可以調(diào)節(jié)的。若 中心距不能調(diào)節(jié)而又沒(méi)有張緊裝置時(shí)，應(yīng)將計(jì)算的中心距減小 2~5mm。這樣可使 鏈條有小的初垂度，以保持鏈傳動(dòng)的張緊。 3.4 總體校核計(jì)算 3.4.1 滾筒轉(zhuǎn)速的確定 滾筒的轉(zhuǎn)速直接影響生產(chǎn)能力和 效率，它還與直徑有密切的關(guān)系，不能分 級(jí) 隨意確定。下面推導(dǎo)它們之間的關(guān)系式。 由于滾筒的傾角很小，可近似看作水平。 當(dāng)物料與滾筒一起回轉(zhuǎn)時(shí)，其受力情況如圖 3.2 所示。 - 18 - 圖 3.2 物料在滾筒中受力情況 Fig.3.2 The force on the material in the drum 對(duì)物料 B，受到重力 G 和離心力 C 的作用。把 G 分解為 G 月和 G?sin 兩個(gè)分力，前者分力要推動(dòng)物科從篩面向下滑動(dòng)，后者則把物料朝篩面上壓?cos 聚而在物科運(yùn)動(dòng)時(shí)和離心力一起產(chǎn)生摩擦力 T， （3-??cosf0??? 1） 式中 —物料對(duì)篩面的摩擦系數(shù)0f 由于 T 的存在使物料沿篩面向上運(yùn)動(dòng)。物料受到的離心力 C 為： gR GvmC2? （N） （3- 2） 式中 m—— B物 科 的 質(zhì) 量 G—— F物 科 的 重 力 g——重 力 加 速 度 R——滾 筒 的 內(nèi) 半 徑 v—— B物 料 運(yùn) 動(dòng) 的 線 速 度 （3-3）30 Rn62v?? 式中 n——滾筒轉(zhuǎn)數(shù)(轉(zhuǎn)／分) 將公式（3.3）代人公式（3.2）中得 （3-4）??N90GRngC 22?? 當(dāng)物料 B 沿滾筒切線方向的重力分力 等于或大于摩擦力 T 時(shí)，即開(kāi)始?si 向下滑動(dòng)，此時(shí)亦即物料 B 處于滾筒內(nèi)表面的最高點(diǎn)。即： 時(shí)，物科 B 處于最高點(diǎn)。??0Gcossin???? - 19 - ?tgf0?（ 為摩擦角） （3-5） 將公式 3.1 和 代人化簡(jiǎn)后得tgf0? ??90Rsinsin2??? （3-6） 據(jù)資科介紹， 角(物料升角)應(yīng)稍大于物料對(duì)篩面的摩擦角 =5～10°才能? 正常運(yùn)轉(zhuǎn)。即 ＝5～ 10°，對(duì)橙子， ＝0.7，則 ＝0.7， ＝35°，那么???0ftg ＝ 40～45° (此為物科升高的最大角度)。? 將 和 值代入公式（3-6）中并化簡(jiǎn)得 （rad/m ） ??R16~235sin0Rsin30n??????? 考慮到滾筒實(shí)際上有一傾角，故通常取 14~8? 實(shí)驗(yàn)裝置的滾筒的直徑為 0.4Rm 所以 12.6/in~2.13/inrr? 式中 n——滾筒轉(zhuǎn)速數(shù)，r／min； R——滾筒的直徑，m。 由此可知，n 和 R 成反比，一般情況下，滾筒直徑愈大，其轉(zhuǎn)速愈小。 3.4.2 功率計(jì)算 (3-7)??Aw?11W3.40.637809.46.8N???? 式中 A——滾 筒 表 面 積 ， ；2m ——滾 筒 材 料 厚 度 ，m；? - 20 - —滾 筒 材 料 重 度 ，N／ 。?3m (3-8)???12LRw?2W0.6509.8.470N??? 式中 R——滾 筒 內(nèi) 半 徑 ，m； L——滾 筒 長(zhǎng) 度 ，m； ——物 料 重 度 ，N／ ；1?3 ——物 料 在 滾 筒 中 的 充 填 系 數(shù) ，0.05～0.10。? (3-9) 2 WDM?(460.8974)0.1.8/Nm?? 式中 D——滾 筒 直 徑 ，m； W—— 12滾 筒 本 身 重 力 w與 滾 筒 內(nèi) 原 料 重 力 w和 。 由于傳動(dòng)方式不同，功率計(jì)算方法也不同。對(duì)于中間軸式的傳動(dòng)，其功率 P 為 (3-10)?60 MnP?1.8456.W?? 式中 P——功率，W； n——滾筒轉(zhuǎn)速，r／min； M——驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)所需之力矩，N·m ——傳動(dòng)效率，0.6～0.7。? 3.4.3 傳動(dòng)裝置總效率 η 和電動(dòng)機(jī)功率 Pr - 21 - 由手冊(cè)查得，在傳動(dòng)裝置中，兩隊(duì)齒輪傳動(dòng)每對(duì) η1=0.97，四對(duì)軸承每對(duì) =0.98，聯(lián)軸器每個(gè) η3=0.99。皮帶輪為 η4=0.86 總的效率j?12340.97.086.1???? 所需電動(dòng)機(jī)輸出功率 6./5.1rsPW?? 所以，電動(dòng)機(jī)的選擇為：電動(dòng)機(jī)的型號(hào) Y90L—6；額定功率 1.1KW；滿載轉(zhuǎn)速 910r/min；質(zhì)量 25kg。 P=1100W>Pr=58.18W 所以，該電動(dòng)機(jī)的選擇符合實(shí)際功率的要求。 （1）傳動(dòng)比和各級(jí)傳動(dòng)比計(jì)算 由傳動(dòng)比，取 1906.75kni? 取齒輪傳動(dòng)的齒數(shù) 。則實(shí)際傳動(dòng)比12346,8,,2zz? ，1 7i?3718i 實(shí)際總傳動(dòng)比 1234i?? （2）Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軸轉(zhuǎn)速計(jì)算 123290/min/i30./min./75.84nrrri?? （3）各軸功率、轉(zhuǎn)矩和軸的校核計(jì)算 電動(dòng)機(jī)軸功率 和轉(zhuǎn)矩rPrT10.rPWK?669.5109.51543.96r NmNmn??????? Ⅰ軸輸入功率 和轉(zhuǎn)矩PT - 22 - 13.0.918rPKWK????6619.509.542.5rTNmNmn?? ?? 選取軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)表 3.2，取 A0=120，于是得：13310.089212.74pdAn??? 表 3.2 軸常用的幾種材料的 及 [13]??T?0A Table3.2 The and Several materials commonly used shaft??T?0 軸的材料 Q235-A、20 Q275、35 45 40Cr、35SiMn、38SiMnMo、 3Cr13 /MPa??T?15～25 20～35 25～45 35～550A 149～126 135～112 126～103 112～97 Ⅱ軸輸入功率 和轉(zhuǎn)矩 ：2P2T1.089.70981.35jKWKW????6621359.5.52.0.rTNmNmn?? ??2332008.7.pdA??? Ⅲ軸輸入功率 和轉(zhuǎn)矩 ：3P3T21.05.9708.jKWKW?66339.59. 123469.57.TNmNmn????????333009812.75.pdA - 23 - 1）確定計(jì)算功率 Pca 由表查的工況系數(shù) K =1.1，故A Pca= K P=1.1 1.1KW=1.21KWA? 2）選取鏈條的型 根據(jù) Pca、n ，確定選用 A 系滾子鏈 10A。1 3）確定鏈輪基準(zhǔn)直徑 由相關(guān)參數(shù)選取主動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑 d =60mm。1 確定從動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑 d =i d =5 60mm=300mm （3-2? 10） 取 d =315mm。2 4）驗(yàn)算鏈條的速度 V= 〈35m/s （3-11）smsnd/84.1/60160???? 鏈條的速度合適。 5）確定鏈輪的基準(zhǔn)長(zhǎng)度和傳動(dòng)中心距 由公式 0.7（d + d ） 〈 〈2（d + d ） ， （3-12）120a12 初步確定中心距為 =400mm。0 根據(jù)公式 L =2 + 2?（d + d ）+ =[2 400+ （315+60） +'d0a12??0 21d24a??? ]mm=1388mm （3-13）??406315 2?? 由表選擇鏈的基準(zhǔn)長(zhǎng)度 L =1400mm。d 按公式計(jì)算實(shí)際中心距 = + （3-a0 md 4062138402' ?????????? 14） - 24 - 6）驗(yàn)算主動(dòng)輪上的包角 1? 由公式得 =180 - （3-1?? ???1208.435.7406385.712 ???????ad 15） 主動(dòng)輪上的包角合適。 7）計(jì)算鏈輪的根數(shù) z z= （3-LaKpPc)(0?? 16） 由 n =1440r/min、d =60mm、i=3.8 查表得 P =1.6KW、 、11 0KW23.0?? ， ，則89.0??k6.lk Z= ， （3-2.396.08)23.01(5??? 17） 因此取 z=4 根。 8）計(jì)算預(yù)緊力 F ,0 （3-20)15.2(qvKvzPca???? 18） 查表得 q=0.07Kg/m，故 （3-NF 37.2184.10789.524.150 ??????? ??????????? 20） 9）計(jì)算作用在軸上的壓軸力 F p Nzp 5.1268.43sin6042sin20 ??????????? （3-19） - 25 - 10）鏈輪結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)附錄圖紙。 - 26 - 4 柵條滾筒橙子分級(jí)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1 總體結(jié)構(gòu)分析及三維圖 本文所設(shè)計(jì)的圓筒篩式干果 機(jī)外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為分 級(jí) 2492mm×700mm×1500mm；其主要由進(jìn)料裝置、出料裝置、清篩裝置、篩分裝 置和傳動(dòng)裝置 5 部分組成，見(jiàn)圖 4.1 所示。 1.進(jìn)料斗 2.傳動(dòng)鏈條 3.減速器 4.電動(dòng)機(jī) 5. 清篩裝置 6.出料斗 7. 柵條滾筒 8.機(jī)架 9.支撐輪 10.聯(lián)軸器 圖 4.1 橙子大小分級(jí)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 Fig.4.1 The Oranges size classification diagram of mechanism 1)進(jìn)料