李小霞 ，馬本學(xué) ，王文霞 ，張若宇

（1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000）

1 引言

我國是水果生產(chǎn)大國，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，自2001 年以來，在世界甜瓜的四大生產(chǎn)國中國、伊朗、土耳其、埃及中，中國甜瓜產(chǎn)量據(jù)世界首位[1]。但是在甜瓜的出口國家或者地區(qū)中，西班牙首屈一指，出口量占世界總出口量的20.5%，而我國居世界第九位，僅占世界出口量的2.97%[2]。國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，在中國的各地區(qū)甜瓜產(chǎn)量中，新疆，山東，河南產(chǎn)量最多，其中新疆甜瓜產(chǎn)量據(jù)我國甜瓜產(chǎn)量的第一位。但是山東，廣東和云南三個地區(qū)是我國的甜瓜出口的主要地區(qū)[3]。新疆特殊的地理環(huán)境，晝夜溫差大，日照時間長，使新疆生產(chǎn)的瓜果甘甜可口，備受人們喜愛，新疆甜瓜主要是哈密瓜，產(chǎn)量大，品質(zhì)好。哈密瓜是新疆傳統(tǒng)的名優(yōu)特產(chǎn)品之一，在國內(nèi)外市場上享有較高的聲譽(yù)和知名度，而且具有較強(qiáng)的生產(chǎn)區(qū)域性，是新疆特色農(nóng)業(yè)和創(chuàng)匯農(nóng)業(yè)，成為發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的主要種植業(yè)途徑之一。但是出口量小，除了新疆位居祖國西部地區(qū)，出口不方便，還有一個主要原因是哈密瓜產(chǎn)后處理水平低，缺少高檔的禮品果，在我國一帶一路的新絲綢之路的開發(fā)戰(zhàn)略下，努力做好新疆哈密瓜產(chǎn)后的檢測分級處理是提高哈密瓜出口量和銷售價格，增加瓜農(nóng)收入的主要措施。因此，這里設(shè)計(jì)制造了一種用于哈密瓜在線檢測的輸送翻轉(zhuǎn)裝置，該裝置能滿足哈密瓜在線檢測分級設(shè)備純小時工作2.23t 的生產(chǎn)效率，具有一定的實(shí)用價值。

2 整機(jī)裝置結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 整機(jī)裝置結(jié)構(gòu)

哈密瓜在線檢測分級裝置主要由哈密瓜輸送翻轉(zhuǎn)裝置、稱重傳感器顯示裝置、黑箱、哈密瓜分級卸料裝置和哈密瓜分級集裝箱等構(gòu)成，如圖1 所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall Structure

2.2 工作原理

該哈密瓜檢測分級裝置的工作原理，如圖2 所示。人工上料，哈密瓜隨著輸送翻轉(zhuǎn)裝置一起向前運(yùn)動，進(jìn)入黑箱，觸發(fā)傳感器打開LED 燈和內(nèi)置相機(jī)進(jìn)行圖像采集，同時安裝在輸送軌道上的稱重傳感器完成重量檢測。檢測完成后，哈密瓜繼續(xù)向前運(yùn)動，在黑箱的近紅外光譜檢測區(qū)完成漫透射近紅外光譜信息的采集。之后將信息傳給電腦，通過和已經(jīng)建立好的哈密瓜模型等級特征對比分析，判斷出被測哈密瓜的等級信號。將此信號通過對應(yīng)的串口傳給PLC。PLC 控制電磁推桿動作，完成哈密瓜分級，分級后哈密瓜通過卸料通道進(jìn)入集裝箱。

圖2 工作原理圖Fig.2 Working Principle

3 輸送翻轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)

該裝置主要由鏈條、翻板底座、輸送翻板等組成。其中，鏈條與鏈輪和哈密瓜輸送翻轉(zhuǎn)裝置配合，完成輸送動作。翻板底座首先與鏈條通過螺栓配合，完成輸送翻轉(zhuǎn)裝置的固定，其次與輸送翻板通過銷軸和扭簧三者配合，保持正常狀態(tài)下輸送翻轉(zhuǎn)裝置處于水平位置。

哈密瓜輸送翻轉(zhuǎn)裝置的工作原理主要是由輸送和翻轉(zhuǎn)兩個動作協(xié)同配合完成，具體作業(yè)過程，如圖3 所示。哈密瓜進(jìn)入分級區(qū)，分級區(qū)安裝有四個電磁推桿，檢測區(qū)的信號傳遞給電腦，電腦分析判斷后給出信號控制電磁推桿電缸正轉(zhuǎn)，推桿伸出，安裝在推桿最上端的翻板承載桿一起運(yùn)動到與其正上方的輸送翻板接觸，哈密瓜和輸送翻板一起在推桿的推動下，利用杠桿原理，輸送翻板和哈密瓜一起向上繞著銷軸旋轉(zhuǎn)一定角度，置于輸送翻板上的哈密瓜在重力的作用下，沿著分級通道滾入卸料集裝箱，同時電缸反轉(zhuǎn)，推桿回收，安裝在其上的翻板承載桿一起返程，哈密瓜輸送翻板在扭簧的作用下，回到水平位置。

圖3 翻轉(zhuǎn)裝置安裝示意圖Fig.3 Flip Device Installation Diagram

4 輸送翻轉(zhuǎn)裝置關(guān)鍵部件仿真分析

在哈密瓜輸送翻轉(zhuǎn)裝置中，輸送翻板是與其直接接觸的零件。為驗(yàn)證輸送翻板的可靠性，用Ansys 進(jìn)行仿真分析，先對翻板進(jìn)行受力分析，如圖4 所示。其中：

式中：F1—電磁推桿豎直方向的分力；F2—電磁推桿豎直方向的分力；F3—電磁推桿水平方向的分力；G—哈密瓜的重力。

哈密瓜輸送翻轉(zhuǎn)裝置工作時，翻板主要受到兩個力的作用，哈密瓜的重力G 和電磁推桿的作用力F，哈密瓜的平均質(zhì)量為2.5kg，重力為25N，電動推桿力的大小是50N，通過計(jì)算電磁推桿的安裝是與水平方向的夾角α 等于60°，此時翻板所受的力F3為18.3N，F(xiàn)2為 25 N。

圖4 哈密瓜輸送翻板受力示意圖Fig.4 Schematic Diagram of the Melon Delivery Flap

設(shè)計(jì)的哈密瓜輸送翻板零件采用模具生產(chǎn)，所用的材料是聚碳酸酯（PC），其泊松比為0.3902，密度為 1.2×103kg/m3，彈性模量為3320MPa，彎曲強(qiáng)度105MPa。在Workbench 中，完成材料屬性定義，添加約束條件，完成網(wǎng)格劃分，進(jìn)行靜應(yīng)力分析[11]。

通過分析得到哈密瓜輸送翻板的最大靜應(yīng)力為7.8566×10-2MPa 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于PC 材料的許用應(yīng)力值105MPa，設(shè)計(jì)合理，進(jìn)行加工制造。

圖5 哈密瓜輸送翻板仿真結(jié)果圖Fig.5 Hami Melon Delivery Flap Simulation Results

5 哈密瓜輸送翻轉(zhuǎn)裝置試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)因素及方法

根據(jù)其工作原理，影響該裝置翻轉(zhuǎn)卸料主要因素有三個：電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n；電磁推桿完成單個哈密瓜分級卸料的行程時間t；電磁推桿支撐桿兩端的傾角θ。在哈密瓜數(shù)量一定時，n 越大，相同時間內(nèi)從上料區(qū)輸送到分級區(qū)的哈密瓜數(shù)量越多，t 越大，行程越大，越容易實(shí)現(xiàn)輸送翻板和哈密瓜一起翻轉(zhuǎn)卸料，θ 越小，支撐面積越大，在分級卸料的時候哈密瓜和翻板一起的翻轉(zhuǎn)越平穩(wěn)。但是電機(jī)轉(zhuǎn)速過快、行程時間太長或者翻板支撐桿角太小都會導(dǎo)致推桿在回程過程中翻板支撐桿碰到相鄰輸送翻板，造成機(jī)械故障。本試驗(yàn)的目的是通過正交試驗(yàn)找到n、θ 和t 的最佳組合，使哈密瓜輸送翻轉(zhuǎn)裝置滿足檢測分級要求。

表1 試驗(yàn)因素與水平Tab.1 Experimental Factors and Levels

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.2 Experimental Protocols and Results

試驗(yàn)樣本哈密瓜選擇石河子市103 團(tuán)共計(jì)100 個，一級、二級、三級和四級哈密瓜各25 個。對表面清潔，放置24h 后進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，設(shè)計(jì)三因素三水平的正交試驗(yàn)，進(jìn)行9 次[7]試驗(yàn)，試驗(yàn)因素和水平，如表1 所示。結(jié)果，如表2 所示。

5.2 結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可得各因素模型方差分析，如表3 所示。

表3 因素模型方差分析Tab.3 Factor Analysis of Variance Analysis

5.2.1 回歸方程

結(jié)合各影響因素，模型回歸方程，如式（4）所示。

5.2.2 哈密瓜成功翻轉(zhuǎn)數(shù)目方差分析

利用Design-Expert 8.0.6 軟件對三個因素進(jìn)行分析，研究各因素對哈密瓜成功翻轉(zhuǎn)數(shù)目影響趨勢，在方差分析中，F(xiàn) 值是一個重要指標(biāo)，F(xiàn) 越大，P 越小，表明分析結(jié)果越可靠[7-10]。當(dāng)0.01≤P＜0.05 則結(jié)果顯著，當(dāng) 0.001≤P＜0.01 則表示結(jié)果極顯著，當(dāng) P＞0.05 則結(jié)果被認(rèn)為沒有統(tǒng)計(jì)顯著性，如果P＜0.05 則可認(rèn)為分析結(jié)果是有效的[7]。

由以上分析可得，哈密瓜成功翻轉(zhuǎn)數(shù)目模型的P=0.0035＜0.05，表明此模型是極顯著的。而電機(jī)轉(zhuǎn)速A 的P=0.0073、推桿行程時間B 的P=0.0087、輸送翻板承載桿角度C 的P=0.0046，均小于0.01 且大于0.001，可判斷3 個因素均為極顯著，且對哈密瓜成功翻轉(zhuǎn)數(shù)目的影響順序?yàn)镃>A>B，即翻板支撐桿角度的影響最顯著。

5.2.3 試驗(yàn)因素對成功翻轉(zhuǎn)數(shù)目的影響分析

當(dāng)翻板支撐桿傾角固定在0 水平（C=15°）且當(dāng)推桿行程時間（B）和電機(jī)轉(zhuǎn)速（A）分別變化時，隨著B 的增大，M 先增大后減小，最小約是68 個，最大約為80 個，如圖6（a）所示。電機(jī)轉(zhuǎn)速是（A1）2r/min 時，對應(yīng)的M 約為 75 個。隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，哈密瓜成功翻轉(zhuǎn)數(shù)目也是先增大后減小，原因是隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，輸送到分級區(qū)的哈密瓜數(shù)目增多，推桿動作完成分級的哈密瓜數(shù)目也增加，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于3r/min 的時候，輸送到分級區(qū)的哈密瓜數(shù)目繼續(xù)增加，但是受到翻板支撐桿角度和推桿行程時間影響，發(fā)生機(jī)械故障，哈密瓜成功翻轉(zhuǎn)數(shù)目減小。

圖6 各因素對哈密瓜成功翻轉(zhuǎn)數(shù)目的影響Fig.6 Influence of Various Factors on the Number of Successful Turnover of Hami Melon

當(dāng)推桿行程時間處于0 水平（B2=1.8 s）且翻板支撐桿傾角和電動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，M 也發(fā)生變化，如圖6（b）所示。隨著C的增加，M 先增大后減小，在C2=15°的時候達(dá)到最大值。原因是隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，由上料區(qū)輸送到分級區(qū)的哈密瓜數(shù)目增多，但是由于翻板支撐桿角度增大時，電動推桿接收信號動作時翻板支撐桿和輸送翻板的接觸面積減小，在推動翻板的時候作用力和作用時間都減小，不能成功的使翻板轉(zhuǎn)過規(guī)定的角度，不能達(dá)到翻轉(zhuǎn)卸料的目的，故并非兩者越大越好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，交互作用的最佳組合是A2C2。

如圖6（c）所示，沿著C 軸的方向，當(dāng)翻板支撐桿傾角增加，推桿行程時間是低水平時（B3=1.6s），哈密瓜成功翻轉(zhuǎn)數(shù)目先增大后減小，最大值約為70；推桿行程時間是0 水平（B2=1.8 s）時，對應(yīng)的哈密瓜成功翻轉(zhuǎn)數(shù)目先增大后減小，最大值約為85；推桿行程時間是1 水平（B1=2.0 s）時，回歸函數(shù)M 也是先增大后減小，最大值約為75。電機(jī)轉(zhuǎn)速和電動推桿的速度一定，隨著翻板角度的增加，推桿行程時間增加，哈密瓜成功翻轉(zhuǎn)數(shù)目增加，但是兩者增加到一定程度時，受到電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，推桿在回程過程中會碰到相鄰翻板，造成機(jī)械故障，所以當(dāng)兩者增加到一定程度時，部分哈密瓜未能成功翻轉(zhuǎn)，所以成功翻轉(zhuǎn)的哈密瓜數(shù)目先增大后減小。

綜合以上三種情況，圖6（a）中A2B2的組合最佳，M 約是80個，圖6（b）中 C2A2的組合最佳，M 約是 81 個，圖6（c）中 B2C2的組合最佳，M 約是85 個，可以得出在A（電機(jī)轉(zhuǎn)速），B（推桿行程時間）和C（翻板支撐桿傾角）三個影響因素中，翻板支撐桿傾角的影響最大，其次為推桿行程時間，最后是電動機(jī)轉(zhuǎn)速。三個因素的影響規(guī)律并非越大越好或者越小越好，都是先增大后減小，并找到試驗(yàn)的最佳組合為A2B2C2（電機(jī)轉(zhuǎn)速為3r/min，推桿行程時間為1.8s，翻板支撐桿角度為15°）。

6 結(jié)論

（1）針對目前哈密瓜的檢測和分級人工勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)率低的問題，設(shè)計(jì)了一種用于哈密瓜在線檢測分級的輸送翻轉(zhuǎn)裝置。

（2）對哈密瓜輸送翻板進(jìn)行了Ansys 仿真分析，得到哈密瓜輸送翻板的最大靜應(yīng)力為7.8566×10-2MPa，小于PC 材料的許用應(yīng)力值105MPa，哈密瓜輸送翻板的總變形最大量為5.2973×10-4mm。

（3）完成哈蜜瓜輸送翻轉(zhuǎn)裝置翻轉(zhuǎn)卸料試驗(yàn)，結(jié)果表明：該翻轉(zhuǎn)裝置翻轉(zhuǎn)卸料時，電機(jī)轉(zhuǎn)速n 為3 r/min、推桿行程時間t 為1.8 s，翻板支撐桿角度θ 為15°是最佳組合。并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，理論值與實(shí)際值誤差小于5%，滿足哈密瓜檢測分級要求。