基于中型水果的自动分级包装一体机设备的设计

刘晓君，郑少梅，孟广耀，王建

（青岛理工大学 机械与汽车工程学院，山东 青岛 266520）

现阶段国内的水果分级包装一体机发展较为落后，并且只针对小型果进行研发，普及面较窄，不能形成水果分级包装流水线发展，导致在分级包装过程中消耗大量人力物力，自动化程度较低。常用包装材料有塑料发泡网、瓦楞纸板衬垫、塑料薄膜袋等。通过对常用缓冲包装材料进行力学试验，分析不同缓冲包装材料对水果振动传递率和损伤率的影响，结果表明，水果套网包装材料使用塑料发泡网时，水果的损伤率会大幅度降低[1]。

对现有包装设备进行研究发现，大部分设备只支持塑料薄膜袋包装，通用性较差，并且由于塑料薄膜不能实现运输途中的减震缓冲作用，容易使水果受到损伤；对于塑料发泡网的研究较国外发展较晚，现阶段只停留在手工包装或者半自动包装的基础上[2]，无法与自动化生产线的生产能力相比[3]，人工成本越来越高[4]。为解决这一问题，现设计一种基于塑料发泡网的自动化的水果分级包装一体机，以减轻劳动力，提高包装精度[5-8]，降低成本，达到先进水平，降低劳动危险系数[9]，提高竞争力，对我国这样一个水果生产大国具有深远意义[10-11]。

1 整机结构

整机由水果分级机、包装机和传送带等3 个部分组成。首先通过分级机对水果进行等级筛选，经过特定传送机构输送到包装机部分，然后利用棘轮来实现对水果的单独分流包装，最后通过传送带输送到指定区域进行存储，整机设备见图1。

图1 整机模型Fig.1 Complete machine model

2 工作原理

从果园采摘的水果进入仓库进行筛选时，通过上料装置运送至分级机部分，经过分级系统的筛选后，利用落差法通过特制的分流装置和棘轮相互配合，使水果单个进入包装机部分，利用塑料发泡网的物理特性，通过导向滑轮和挂钩相互配合使发泡网套在输送滑道末端的仿生套筒上，在进行一次单果包装完成后，利用电机带动切断装置对发泡网进行剪断，水果落入放在传送带上的纸箱内，纸箱下方有重力感应装置，当达到设定质量时，传送带启动，运送至指定位置。

3 主要机构及参数设计

3.1 传送盘

包装机部分主要由传送、棘轮分流、水果套网等部分组成，水果从分级机到包装机需经过特制的冲压模型分流，见图2。

图2Fig.2 Fruit conveyor model diagram

水果传送盘部分结构是利用水果的圆形特性进行设计，当水果从分级机倾倒至传送盘时，由于传送盘中间有凸起，自动向两边滚动，实现第1 次分流；为方便计算将水果考虑成球形，为了保证水果能顺利进行分流，对传送盘的倾斜角度进行分析计算，见图3。

图3 水果受力分析示意图Fig.3 Schematic diagram of fruit stress analysis

式中：Fn为传送带对水果的支撑力；Ff为传送带对水果的摩擦力；G为水果重力；α为传送带和桌面夹角；δ1为传送盘对水果的滚动摩擦阻力因数。

结合式（1）、（2）、（3）可得：

由式（4）可知，传送盘的倾斜角度与水果质量无关，与传送盘和水果间的滚动摩擦阻力因数有关。为更加精准地设计每种尺寸传送盘的角度，需要充分考虑δ1的值，防止因角度过大，水果从果杯翻转至传送盘时的高度过大，从而对水果表面造成损伤。根据文献[12]提到的实验方法可知，水果从高空落下整个过程中滚动摩擦所做的功为W1，水平抛出的动能为Ek，重力所做的功为W重，根据能量守恒定理可知：

水果在滚落时转动角度非常小，为α时，通过微元法知，水果对每段经过的圆弧的正压力是不变的，因此认为此过程摩擦力都为：

不同材料的摩擦因数实验原理见图4。

图4 实验原理Fig.4 Experimental principle

经实验可知，各种工业用材料和水果间的滚动摩擦因数及安装角度见表1。

表1 水果和不同材料间滚动摩擦因数及安装角度Tab.1 Rolling friction coefficient and installation angle between fruit and different materials

选用的传送盘材料为PTFE（聚四氟乙烯），传送盘与地面角度为2.290°，为了方便安装取角度为3°。

3.2 棘轮

经过传送盘的水果自动向两侧分流，输送至棘轮处进行二次分流，棘轮处设有多个凹型槽，凹型槽的大小根据水果直径设计，该设备设计有70、75、80、85、90、100 mm 等6 种尺寸，确保每个水果在输送至此处时不会因果径过大或者过小而受到损伤，这里以80 mm 为例，利用电机带动棘轮旋转45°，将单个水果运送到套网机构处进行单独包装。

为更好地保护水果，避免在包装过程中对水果表面造成损伤，这就要求电机满足精确、频繁的启停要求，而普通电机难以实现，因此，这里选用45DF 型凸轮分割器搭配电机使用[13]。现在市面上电机主要有步进电机和伺服电机，2 种电机优缺点见表2。

表2 不同电机优缺点对比Tab.2 Comparison of advantages and disadvantages of different motors

通过对比可发现，步进电机能很好地满足使用要求，且成本较低，因此选用45DF 型凸轮分割器搭配步进电机进行定角度旋转。当棘轮处于图5 所示位置时，凸轮分割器停止工作，水果从水果出口进入下一阶段工序。

图5 棘轮工作示意图Fig.5 Ratchet working diagram

这里以80 mm 尺寸为例，包装机工作状况：空载启动，有轻微振动，单向运转，满载状态双班制工作。水果套网包装动力依靠电动机提供，其经济性、合理性、安全性是选择电动机应遵循的原则，能否正确合理地选用电动机，对设备的工作性能会产生较大的影响[14]。

电机在运行时分为启动和正常工作2 个阶段。启动阶段的转矩为T1，正常工作时的转矩为T2。

式中：F1为惯性力；R1为惯性半径；m为棘轮和电机轴质量；a为由静止到正常工作的加速度；t为加速时间；v为正常工作速度。

根据设计要求选用直径为300 mm 的棘轮，棘轮每转过45°后间隔1 s 再进行转动，周期为16 s，匀速运动时间为8 s，棘轮周长为942 mm，由此可计算出速度v为117.75 mm/s。为了实现快速加工，取加速时间为0.5 s，m为6 kg，则有：

式中：F2为摩擦阻力；R2受力点的旋转半径；f为轴承滚动摩擦因数，可根据使用轴承的结构查表；N为正压力，其值为棘轮和电机轴重力之和。

为了使摩擦力尽可能减少，这里选用深沟球轴承，f为0.001 5，则：

电动机通的常见转速为750、1 000、1 500、2 000 r/min等，根据电动机制造原理，功率相同时，电动机若额定转速越高，其电磁转矩外形尺寸就越小，成本就越低且质量也越小，故选择功率因数和工作效率相对较高的4极转速为1 500 r/min 的电机，电机额定功率为24 W[15]。电机工作时间和角度关系见图6。

图6 时间与角度的关系Fig.6 Relationship between time and angle

由图6 可知，以每16 s 为1 个周期进行旋转运动来对水果进行单个分流。

3.3 包装机构

水果经过棘轮的筛选，进入包装机构，见图7，该包装机构利用仿生学原理，将滑道末端设计成鸭嘴形状便于发泡型塑料网进行包装。该机构的包装原理：发泡型塑料网套固定在撑网筒上，滑轮通过电机的带动旋转进而带动网套向前移动，在经过挂钩时，安装在挂钩上的传感器将信号传送给滑道处的电动机，带动凸轮旋转，利用凸轮的推程将网套套在仿生套网装置上，利用凸轮远休止完成套网后，凸轮回程挂钩复位，刀片接收到挂钩复位信号后，由电机带动旋转1 周切断网套，水果落入下方收集箱，完成一次套网。

图7 包装机示意图Fig.7 Schematic diagram of packaging machine

挂钩结构见图8。该挂钩底部采用球面副，可以根据实际情况来调节角度，通过紧定螺钉锁紧，在带动网套前进时，网套挂钩可以很好地钩住网孔。在挂钩复位时，由于挂钩有一定的倾斜角度，可以很好地进行脱离，不会对网套产生拉扯作用，在下一个套袋行程开始时插刀重新插入网套进行拉网包装运动[16]。

图8 挂钩结构Fig.8 Hook structure

4 关键部件仿真分析

4.1 传送盘

为了更好地使水果进行第1 步分流，将输送装置导入Ansys 中进行分析，结果见图9。由图9 可知，最大变形量出现在传送盘的末端，最大值为0.503 69 mm，由此可知传送盘在运行过程中并不会对第1 次分流结果产生影响，可以实现分流效果。

图9 传送盘仿真分析结果Fig.9 Conveyor simulation analysis result

4.2 凸轮机构

为了使挂钩很好地进行工作，将模型（图10a）导入软件进行分析，其工作时推程s和时间关系见图10b。由图10b 可知，推程最远为280 mm，所用时间为1 s，远休止进程时间为0.3 s，满足套网需求。

图10 凸轮模型仿真结果Fig.10 Cam model simulation result

4.3 棘轮部分仿真分析

为了验证棘轮在运行过程中的受力和变形情况，将模型导入Ansys 软件得到变形及应力应变结果，见图11。由图11 可知，最大变形量为5.763 9×10-5mm，最大应变为4.799×10-7，最大应力为0.959 6 Pa，都符合设计要求，不会因变形过大导致水果传送不流畅。

图11 仿真分析结果Fig.11 Simulation analysis result

5 结语

1）针对水果分级包装生产线存在不能连续加工的缺点，利用发泡型塑料网的物理特性，设计了一种可以实现单个连续包装的分级包装一体机。

2）通过实验得出传送盘的最佳倾斜角度，并用Ansys 进行力学分析校核，利用凸轮急回特性实现挂钩的快速套网功能，并利用Adams 验证挂钩套网的可行性。

3）通过该一体机可以有效降低劳动力成本，提高经济效益，满足自动化、智能化发展趋势。