双锥压缩式哈密瓜承载托辊的设计及参数计算

王运祥，马本学，杨　杰，王　静，叶晋涛，蒋　伟，吕　琛，张　巍

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子　832003)



双锥压缩式哈密瓜承载托辊的设计及参数计算

王运祥，马本学，杨杰，王静，叶晋涛，蒋伟，吕琛，张巍

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子832003)

摘要：针对当前水果检测分级过程中大型水果承载托辊形式单一的问题，设计了一种新型双锥压缩式哈密瓜承载托辊。该托辊不仅能够实现哈密瓜的360°旋转，还能够在蓄能弹簧的作用下自动适应不同大小的哈密瓜，增加哈密瓜在旋转过程中的稳定性。通过对100个成熟哈密瓜样本进行测量，建立了哈密瓜的质量及纵横径尺寸数据库，并在此数据库的基础上对双锥压缩式哈密瓜承载托辊的参数进行了设计和计算。计算结果表明：双锥压缩式哈密瓜承载托辊的承载范围为1.5~5kg，锥形滚子的斜边与中心轴线之间的角度为29°，弹簧刚度为0.169N/mm。本文所设计的双锥压缩式哈密瓜承载托辊能够较好地适应哈密瓜的检测分级，具有一定的创新性。

关键词：承载托辊；双锥滚子；哈密瓜；检测分级

0引言

哈密瓜是我国新疆地区的特色水果之一，其产量和种植面积都相当大；但是面对国际水果市场，出口量并不是很高，主要原因在于我国哈密瓜产后处理环节相对薄弱。其产后处理水平的高低在很大程度上取决于产后处理设备。目前，国外已有相当多的关于水果检测分级方面的研究，且已经产生了部分水果检测分级的设备[1-3]；而国内有关水果的产后处理设备还较少，特别是对于哈密瓜这样的大型水果。国内在学术研究领域已经有越来越多的学者结合机器视觉技术开始对各种水果进行研究[4-5]，并设计了部分水果产后处理设备。其中，徐惠荣、应义斌等人，在其文章“双锥式滚子水果输送翻转机构的研究”当中就提出了一种利用双锥式滚子来承载水果的方法[6]，而这种方式的承载托辊却对于水果形状和体积都有一定的要求。

通常情况下，机器视觉技术对水果的检测过程大多需要将水果进行均匀翻转，以获得水果的全表面信息，因此用于承载和旋转水果的机械装置便成了水果检测装置的关键部件。它即要实现水果的旋转和输送功能，又要保证水果在输送过程中的稳定性，这就需要对承载托辊的形式进行深入研究。目前，最常见的承载托辊的形式主要有直托辊[7]、直圆锥型托辊[8]及双锥式托辊[6]等。这些类型的承载托辊虽然能够在一定程度上适应水果的检测分级，但其在水果的输送和旋转过程中所表现出来的稳定效果却存在着较大的差异。对于我国新疆地区的特色水果—哈密瓜来说，由于其自身的地域特色，虽然已有部分学者对于其品质信息进行了相关研究，如李锋霞、马本学等人，在其文章“哈密瓜坚实度的高光谱无损检测技术”中对哈密瓜品质的研究[9]；但是有关其分级机械方面的研究较少，缺乏相应的分级设备。为此，本文针对我国新疆地区哈密瓜的检测分级现状，通过对100个成熟的哈密瓜样本进行测量获得的基础数据，设计了一种新型的专门针对哈密瓜等大型水果检测分级的承载托辊，具有一定的创新性和实用价值。

1整体结构及工作原理

1)整体结构。双锥式哈密瓜承载托辊主要由承载轴、摩擦轮、传动销轴、锥形滚子及压缩弹簧等组成，其结构呈对称分布，如图1所示。其中，承载轴主要用于连接两端的链条输送带，并为其他部件提供支撑。锥形滚子用尼龙材料制成，其外轮廓呈斜锥形，内部设有滑动孔和弹簧槽，滑动孔与承载轴之间为间隙配合，可实现锥形滚子与承载轴之间的轴向滑动和绕轴的转动；弹簧槽用于安装弹簧，并为弹簧提供轴向间距。另外，在锥形滚子的后端面上还设有3个均匀分布的丝孔，用于安装传动销轴。摩擦轮通过轴承安装在承载轴上，并通过轴台和轴用弹性挡圈实现轴向定位，可绕承载轴自由转动，其外径大于锥形滚子的大端直径。在摩擦轮的端面上设有3个均匀分布的通孔，其通孔圆心到轴心的距离与锥形滚子上均匀分布的丝孔圆心到轴心的距离相等。传动销轴一端为螺纹杆，另一端为光滑杆，带螺纹的一端与锥形滚子实现螺纹连接，另一端穿过摩擦轮的通孔，并可沿通孔方向自由滑动。压缩弹簧安装在承载轴上，在锥形滚子和摩擦轮之间，为锥形滚子提供轴向压紧力。

(a)　主视图

(b)　锥形滚子左视图　　　　　　　　　　　　 (c)　锥形滚子剖视图　　　　　　　　　 (d)　摩擦轮主视图

基本工作原理：工作时，双锥型压缩式哈密瓜承载托辊按照一定的间距均匀分布在链条输送带上，链条输送带带动承载托辊整体向前运动；承载托辊向前运动的同时，摩擦轮在外部摩擦力的作用下自主转动，并通过通过传动销轴带动锥形滚子转动；哈密瓜位于两组承载托辊的4个锥形滚子之上，在锥形滚子的摩擦作用下实现自身的旋转运动，同时又在链条输送带的作用下实现了前进运动。哈密瓜在旋转运动的过程中，由于其自身重力，会对锥形滚子产生垂直于其斜面方向的压力，该压力的水平分量会对弹簧产生一定的压缩，使得锥形滚子产生轴向移动；当弹簧被压缩到一定程度之后，弹簧力与该水平分量相互平衡，进而使得哈密瓜处于一种稳定旋转的状态。图2为双锥型压缩式哈密瓜承载托辊承载大、中、小3种类型哈密瓜时的工作状态示意图。由于哈密瓜自身重量的不同，使得3种工作状态下，弹簧的压缩行程也不同。

(a)　小型哈密瓜承载示意图　　　　　　　　 (b)　中型哈密瓜承载示意图　　　　　　　　(c)　大型哈密瓜承载示意图

本文所设计的双锥型压缩式哈密瓜承载托辊，在原有双锥式承载托辊[6]的基础上，添加了蓄能元件—弹簧，使其不仅能够实现哈密瓜的直线运输和360°旋转，还能够自动适应不同大小的哈密瓜，在结构形式上具有一定的创新性，能够较好地适用于哈密瓜检测分级。

2托辊承载范围和极限哈密瓜尺寸的确定

2.1　哈密瓜承载托辊承载范围的确定

为确定本文所设计的双锥型压缩式哈密瓜承载托辊的设计承载范围，需要测量并计算出哈密瓜的实际平均质量和纵横径值等基础数据。针对当前哈密瓜种类繁多、品质不一等现象，为使所获得的设计基础数据更具有普遍性，选取当前新疆地区种植面积较大的哈密瓜品种—金皇后作为研究对象，在其成熟期随机选取一批哈密瓜样本共100个，分别测量其纵径、横径和质量，并建立基础数据库，然后利用该数据库计算上述3个基础数据的平均值。

具体测量过程为：首先，用电子称测样本质量；其次，用游标卡尺测量哈密瓜的纵径和横径，并记录数据。其基本数据如表1所示。

表1哈密瓜样本基础数据库

Table 1The basic database of Hami melon samples

基本数据质量/kg纵径/mm横径/mm12.5622.516.122.5320.816.233.1923.017.142.7522.715.852.9323.316.163.0022.316.3…………953.2123.316.6963.1423.316.7973.0023.016.3983.4024.117.4992.8022.016.31003.4225.116.7平均值2.77224.5158.0

根据表1所得100个哈密瓜样本的基本数据，结合EXCEL的计算功能，计算出这批哈密瓜样本基本数据的平均值为：哈密瓜平均纵径A平均=224.5mm；平均横径B平均=158.0mm；平均质量M平均=2.77kg。

根据哈密瓜样本的平均质量M平均=2.77kg，再结合当前哈密瓜大小的实际情况，将锥形滚子所能够承载的哈密瓜的质量范围确定为1.5~5kg，即当哈密瓜的质量为1.5kg时，承载托辊处于最小行程状态，如图2(a)所示；而当哈密瓜的质量为5kg时，承载托辊处于最大行程状态，如图2(c)所示。

2.2　最大和最小哈密瓜纵横径尺寸的确定

为简化计算，本设计将不同大小的哈密瓜均看作是密度均匀且相等的椭球体，并根据2.1节计算得到的哈密瓜平均纵径值、平均横径值和平均质量值，来推算最大和最小哈密瓜的纵横径尺寸，相关计算如下：

1)平均椭球比计算，有

γ=A平均/B平均=1.42

式中A平均—哈密瓜平均纵径；

B平均—哈密瓜平均横径。

由此可得，哈密瓜的纵径A与横径B之间的平均比例关系为

A=1.42B

(1)

2)体积计算，有

V=4πabc/3

(2)

式中a—哈密瓜椭球体x轴半径；

b—哈密瓜椭球体y轴半径；

c—哈密瓜椭球体z轴半径。

根据哈密瓜平均椭球模型的特点，式(2)中a为样本哈密瓜纵径的1/2，即a=A/2，而哈密瓜的y轴和z轴半径同为哈密瓜横径的1/2，即b=c=B/2。由此式(2)可化简为

V=πAB2/6

(3)

式中A—哈密瓜纵径；

B—哈密瓜横径。

3)密度计算，有

ρ=M/V

(4)

式中M—哈密瓜质量；

V—哈密瓜椭球体体积。

在哈密瓜密度相等的条件下，由式(1)、式(3)、式(4)进行计算，计算结果为：最大哈密瓜的纵径A最大=273.18mm、横径B最大=192.38mm，最小哈密瓜的纵径A最小=182.87mm、横径B最小=128.78mm。对相关计算结果进行优化，得到哈密瓜承载托辊的基础数据如表2所示。

表2　哈密瓜基本数据

3结构设计及弹簧刚度的确定

3.1　锥形滚子的设计

3.1.1斜边与中心轴线之间角度的确定

斜边与中心轴线之间角度的确定必须要遵循适应大多数哈密瓜的原则。因此，以平均哈密瓜纵横径为基本尺寸，建立哈密瓜平均椭圆曲线模型。以该曲线模型作为设计基础，根据哈密瓜检测分级装置对哈密瓜旋转稳定性的要求，结合承载托辊的实际尺寸，确定锥形滚子与哈密瓜之间的接触点位于距离椭圆短轴中心线45~90mm的区域内。该区域内任意一点到椭圆短轴中心线的距离占长轴半径的40%~80%左右，是哈密瓜的最佳承载区段。如图3所示：连接两极限点得到椭圆的一条内接弦，以此弦与水平方向的夹角作为锥形滚子的斜边与中心轴线之间的夹角，测得该角度为α=29.06°，修正后取α=29°。

图3　锥形滚子斜角设计图

3.1.2斜边长度的确定

斜边长度的确定原则：①闭合状态下，最大哈密瓜的轮廓与斜边相切，切点位于斜边上限位置；②闭合状态下，最小哈密瓜的轮廓与斜边相切，切点位于斜边中点附近。斜边长度的确定过程如图4所示，测得斜边长度l=73.8mm。

锥形滚子斜边与中心轴线之间夹角的确定是以适应大多数哈密瓜为原则的，而斜边的长度的确定则必须以最大和最小哈密瓜的纵横径尺寸为基础，这种设计方法能够使承载托辊具有更大的适用范围。

1.最大哈密瓜椭圆曲线与斜边的切点

3.2　弹簧刚度的确定

3.2.1受力分析

根据锥形滚子的结构和哈密瓜的轮廓曲线可知：两者之间的接触方式属于点线接触，锥形滚子对哈密瓜的支撑力方向垂直于锥形滚子的斜边。为简化计算可将锥形滚子对哈密瓜的支撑力分解到两个平面上进行受力分析，这两个平面分别为过哈密瓜长轴和承载托辊中心轴的平面及哈密瓜椭圆曲线与锥形滚子接触点处垂直于承载托辊轴线方向的平面，其对应的受力分析图分别如图5和图6所示。

图5　图6的A-A方向截面受力图

图6　接触点处截面受力图

(5)

2N1sinβ+2N2sinβ-mg=0

(6)

式中F弹—压缩弹簧对锥形滚子的压力；

μ—锥形滚子(尼龙)与滑动轴(45号钢)之间的滑动摩擦因数，取μ=0.05；

N1、N2—前后双锥滚子对哈密瓜的支撑力F支垂直于承载轴方向的分力，静态分析时N2=N1，且N1=F支cosα；

α—锥形滚子斜边与中心轴线之间的夹角，α=29°；

经计算可得

(7)

3.2.2弹簧刚度的确定

如图2(a)、(c)所示，使得双锥式承载托辊在承载最小哈密瓜时处于临界闭合状态，承载最大哈密瓜时处于最大张开状态，并且将临界闭合状态下的最小哈密瓜曲线模型与锥形滚子斜面的接触点作为理想接触点，即对于不同大小的哈密瓜来说在旋转状态下总在该点处与锥形滚子接触。因此，最大和最小哈密瓜与锥形滚子的接触点之间的水平距离即锥形滚子的最大行程。

根据整机设计要求，按照式(7)分别选取3组不同的间距进行计算弹簧力，计算结果如表3所示。

表3不同间距条件下弹簧力计算结果

Table 3The calculation results of spring force under different

spacing condition

间距/mm最大哈密瓜β角/(°)弹簧力/N最小哈密瓜β角/(°)弹簧力/N弹簧力之差/N10062.26.9852.82.334.6512554.37.6040.92.834.7714547.48.3928.83.854.54

由表3计算结果可知：对于不同大小的哈密瓜来说，随着承载托辊间距a的增大，其弹簧力也逐渐增大。为使得承载托辊更好地适应较大范围的哈密瓜，结合整机装置的实际尺寸，选取承载托辊间距为a=125mm。在此间距条件下，承载托辊在承载最大和最小哈密瓜时，其弹簧力之差为ΔF=4.77N，锥形滚子的最大行程为h=28.2mm。由此，根据胡克定律计算弹簧刚度为

k=ΔF/h=0.169N/mm。

4结论

通过对100个成熟哈密瓜样本的质量和纵横径值进行测量，建立了哈密瓜基础数据库，并在此数据库的基础上设计了一种新型双锥压缩式哈密瓜承载托辊。这种形式的承载托辊不仅能够实现哈密瓜的360°旋转，还能够自动适应不同大小的哈密瓜，有效增加了哈密瓜在旋转过程中的稳定性。另外，本文还在上述基础数据库的基础上对这种双锥压缩式哈密瓜承载托辊的相关参数进行了计算。计算结果表明：双锥压缩式哈密瓜承载托辊的承载范围为1.5~5kg，锥形滚子的斜边与中心轴线之间的角度为α=29°，弹簧刚度为k=0.169N/mm。

参考文献：

[1]Ohali Y A. Computer vision based date fruit grading system design and implementation[J].Computer and Information Sciences,2011,23(1):29-36.

[2]Leemans V, Destain M F. A real- time grading method of apples based on features extracted from defects[J].Journal of Food Engineering , 2004, 61(1) : 83-89.

[3]Bobelyn E, Serban A, Nicu M, et al. Postharvest quality of apple predicted by NIR -spectroscopy: Study of the effect of biological variability on spectra and model performance [J].Postharvest Biology and Technology,2010,55(3): 133-143.

[4]魏新华,周杏鹏,李法德,等.杠杆式水果高速分级卸料装置的优化设计[J].农业机械学报,2007(10):94-98，112.

[5]林开颜,吴军辉,徐立鸿.基于计算机视觉技术的水果形状分级方法[J].农业机械学报,2005(6):71-74.

[6]徐惠荣,应义斌,盖玲.双锥式滚子水果输送翻转机构的研究[J].农业机械学报,2003(6):100-103.

[7]蒋焕煜,应义斌,王剑平,等.水果品质智能化实时检测分级生产线的研究[J].农业工程学报,2002,18(6):158-160.

[8]籍保平,孟超英,李琼飞,等.双行蜂腰形滚子式水果输送装置：中国，200310117253.9[P].2005-06-15.

[9]李锋霞,马本学,何青海,等.哈密瓜坚实度的高光谱无损检测技术[J].光子学报,2013(5):592-595.

Design and Calculation for the Parameters of a New Compressible Biconical Carrying Idler for Hami Melon

Wang Yunxiang, Ma Benxue, Yang Jie, Wang Jing, Ye Jintao,

Jiang Wei, Lv Chen, Zhang Wei

(Mechanical and Electrical Engineering College, Shihezi University, Shihezi 832003, China)

Abstract：For the single issue of carrying idler’s types of large fruit in the current Hami melon’s detection and grading process.This paper designed a new biconical carrying idler for Hami melon which can be compressed repeatedly, and the carrying idler can not only achieve Hami melon’s 360°rotating, also can automatically adapt to different sizes of Hami melon under the action of the accumulator spring. This feature effectively increases the stability of Hami melon during the rotation.Through measurement of 100 ripe Hami melon,we established a basic database of Hami melon’s weight, longitudinal diameter and transverse diameter, and designed and calculated for the parameters of the new compressible biconical carrying idler for Hami melon.The results show that, the carrying scope of the new compressible biconical carrying idler for Hami melon is 1.5kg ~ 5kg, the angle between the hypotenuse and the center axis of the tapered roller is 29°,the spring stiffness is 0.169N/mm. The new compressible biconical carrying idler for Hami melon designed by this article can better adapt to the current Hami melon’s detection and grading process, with a certain degree of innovation.

Key words：carrying idler; bicone roller; hami melon; detection and grading

中图分类号：S226.5

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)09-0088-06

作者简介：王运祥(1985-)，男，山东定陶人，硕士研究生，(E-mail)wyx_asdf@126.com。通讯作者：马本学(1970-)，男，新疆石河子人，教授，博士生导师，(E-mail)mbx_shz@163.com。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2015BAD19B03)

收稿日期：2015-09-14