哈密瓜在线检测输送翻转装置的设计与试验

李小霞 ，马本学 ，王文霞 ，张若宇

（1.石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832000；2.农业部西北农业装备重点实验室，新疆 石河子 832000）

1 引言

我国是水果生产大国，统计数据显示，自2001 年以来，在世界甜瓜的四大生产国中国、伊朗、土耳其、埃及中，中国甜瓜产量据世界首位[1]。但是在甜瓜的出口国家或者地区中，西班牙首屈一指，出口量占世界总出口量的20.5%，而我国居世界第九位，仅占世界出口量的2.97%[2]。国家统计局数据显示，在中国的各地区甜瓜产量中，新疆，山东，河南产量最多，其中新疆甜瓜产量据我国甜瓜产量的第一位。但是山东，广东和云南三个地区是我国的甜瓜出口的主要地区[3]。新疆特殊的地理环境，昼夜温差大，日照时间长，使新疆生产的瓜果甘甜可口，备受人们喜爱，新疆甜瓜主要是哈密瓜，产量大，品质好。哈密瓜是新疆传统的名优特产品之一，在国内外市场上享有较高的声誉和知名度，而且具有较强的生产区域性，是新疆特色农业和创汇农业，成为发展农村经济的主要种植业途径之一。但是出口量小，除了新疆位居祖国西部地区，出口不方便，还有一个主要原因是哈密瓜产后处理水平低，缺少高档的礼品果，在我国一带一路的新丝绸之路的开发战略下，努力做好新疆哈密瓜产后的检测分级处理是提高哈密瓜出口量和销售价格，增加瓜农收入的主要措施。因此，这里设计制造了一种用于哈密瓜在线检测的输送翻转装置，该装置能满足哈密瓜在线检测分级设备纯小时工作2.23t 的生产效率，具有一定的实用价值。

2 整机装置结构和工作原理

2.1 整机装置结构

哈密瓜在线检测分级装置主要由哈密瓜输送翻转装置、称重传感器显示装置、黑箱、哈密瓜分级卸料装置和哈密瓜分级集装箱等构成，如图1 所示。

图1 总体结构图Fig.1 Overall Structure

2.2 工作原理

该哈密瓜检测分级装置的工作原理，如图2 所示。人工上料，哈密瓜随着输送翻转装置一起向前运动，进入黑箱，触发传感器打开LED 灯和内置相机进行图像采集，同时安装在输送轨道上的称重传感器完成重量检测。检测完成后，哈密瓜继续向前运动，在黑箱的近红外光谱检测区完成漫透射近红外光谱信息的采集。之后将信息传给电脑，通过和已经建立好的哈密瓜模型等级特征对比分析，判断出被测哈密瓜的等级信号。将此信号通过对应的串口传给PLC。PLC 控制电磁推杆动作，完成哈密瓜分级，分级后哈密瓜通过卸料通道进入集装箱。

图2 工作原理图Fig.2 Working Principle

3 输送翻转装置设计

该装置主要由链条、翻板底座、输送翻板等组成。其中，链条与链轮和哈密瓜输送翻转装置配合，完成输送动作。翻板底座首先与链条通过螺栓配合，完成输送翻转装置的固定，其次与输送翻板通过销轴和扭簧三者配合，保持正常状态下输送翻转装置处于水平位置。

哈密瓜输送翻转装置的工作原理主要是由输送和翻转两个动作协同配合完成，具体作业过程，如图3 所示。哈密瓜进入分级区，分级区安装有四个电磁推杆，检测区的信号传递给电脑，电脑分析判断后给出信号控制电磁推杆电缸正转，推杆伸出，安装在推杆最上端的翻板承载杆一起运动到与其正上方的输送翻板接触，哈密瓜和输送翻板一起在推杆的推动下，利用杠杆原理，输送翻板和哈密瓜一起向上绕着销轴旋转一定角度，置于输送翻板上的哈密瓜在重力的作用下，沿着分级通道滚入卸料集装箱，同时电缸反转，推杆回收，安装在其上的翻板承载杆一起返程，哈密瓜输送翻板在扭簧的作用下，回到水平位置。

图3 翻转装置安装示意图Fig.3 Flip Device Installation Diagram

4 输送翻转装置关键部件仿真分析

在哈密瓜输送翻转装置中，输送翻板是与其直接接触的零件。为验证输送翻板的可靠性，用Ansys 进行仿真分析，先对翻板进行受力分析，如图4 所示。其中：

式中：F1—电磁推杆竖直方向的分力；F2—电磁推杆竖直方向的分力；F3—电磁推杆水平方向的分力；G—哈密瓜的重力。

哈密瓜输送翻转装置工作时，翻板主要受到两个力的作用，哈密瓜的重力G 和电磁推杆的作用力F，哈密瓜的平均质量为2.5kg，重力为25N，电动推杆力的大小是50N，通过计算电磁推杆的安装是与水平方向的夹角α 等于60°，此时翻板所受的力F3为18.3N，F2为 25 N。

图4 哈密瓜输送翻板受力示意图Fig.4 Schematic Diagram of the Melon Delivery Flap

设计的哈密瓜输送翻板零件采用模具生产，所用的材料是聚碳酸酯（PC），其泊松比为0.3902，密度为 1.2×103kg/m3，弹性模量为3320MPa，弯曲强度105MPa。在Workbench 中，完成材料属性定义，添加约束条件，完成网格划分，进行静应力分析[11]。

通过分析得到哈密瓜输送翻板的最大静应力为7.8566×10-2MPa 远远小于PC 材料的许用应力值105MPa，设计合理，进行加工制造。

图5 哈密瓜输送翻板仿真结果图Fig.5 Hami Melon Delivery Flap Simulation Results

5 哈密瓜输送翻转装置试验

5.1 试验因素及方法

根据其工作原理，影响该装置翻转卸料主要因素有三个：电动机的转速n；电磁推杆完成单个哈密瓜分级卸料的行程时间t；电磁推杆支撑杆两端的倾角θ。在哈密瓜数量一定时，n 越大，相同时间内从上料区输送到分级区的哈密瓜数量越多，t 越大，行程越大，越容易实现输送翻板和哈密瓜一起翻转卸料，θ 越小，支撑面积越大，在分级卸料的时候哈密瓜和翻板一起的翻转越平稳。但是电机转速过快、行程时间太长或者翻板支撑杆角太小都会导致推杆在回程过程中翻板支撑杆碰到相邻输送翻板，造成机械故障。本试验的目的是通过正交试验找到n、θ 和t 的最佳组合，使哈密瓜输送翻转装置满足检测分级要求。

表1 试验因素与水平Tab.1 Experimental Factors and Levels

表2 试验方案及结果Tab.2 Experimental Protocols and Results

试验样本哈密瓜选择石河子市103 团共计100 个，一级、二级、三级和四级哈密瓜各25 个。对表面清洁，放置24h 后进行试验。根据试验目的，设计三因素三水平的正交试验，进行9 次[7]试验，试验因素和水平，如表1 所示。结果，如表2 所示。

5.2 结果分析

根据试验结果，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 回归方程

结合各影响因素，模型回归方程，如式（4）所示。

5.2.2 哈密瓜成功翻转数目方差分析

利用Design-Expert 8.0.6 软件对三个因素进行分析，研究各因素对哈密瓜成功翻转数目影响趋势，在方差分析中，F 值是一个重要指标，F 越大，P 越小，表明分析结果越可靠[7-10]。当0.01≤P＜0.05 则结果显著，当 0.001≤P＜0.01 则表示结果极显著，当 P＞0.05 则结果被认为没有统计显著性，如果P＜0.05 则可认为分析结果是有效的[7]。

由以上分析可得，哈密瓜成功翻转数目模型的P=0.0035＜0.05，表明此模型是极显著的。而电机转速A 的P=0.0073、推杆行程时间B 的P=0.0087、输送翻板承载杆角度C 的P=0.0046，均小于0.01 且大于0.001，可判断3 个因素均为极显著，且对哈密瓜成功翻转数目的影响顺序为C>A>B，即翻板支撑杆角度的影响最显著。

5.2.3 试验因素对成功翻转数目的影响分析

当翻板支撑杆倾角固定在0 水平（C=15°）且当推杆行程时间（B）和电机转速（A）分别变化时，随着B 的增大，M 先增大后减小，最小约是68 个，最大约为80 个，如图6（a）所示。电机转速是（A1）2r/min 时，对应的M 约为 75 个。随着电动机转速的增加，哈密瓜成功翻转数目也是先增大后减小，原因是随着电机转速增加，输送到分级区的哈密瓜数目增多，推杆动作完成分级的哈密瓜数目也增加，当电机转速大于3r/min 的时候，输送到分级区的哈密瓜数目继续增加，但是受到翻板支撑杆角度和推杆行程时间影响，发生机械故障，哈密瓜成功翻转数目减小。

图6 各因素对哈密瓜成功翻转数目的影响Fig.6 Influence of Various Factors on the Number of Successful Turnover of Hami Melon

当推杆行程时间处于0 水平（B2=1.8 s）且翻板支撑杆倾角和电动机转速发生变化时，M 也发生变化，如图6（b）所示。随着C的增加，M 先增大后减小，在C2=15°的时候达到最大值。原因是随着电动机转速增加，由上料区输送到分级区的哈密瓜数目增多，但是由于翻板支撑杆角度增大时，电动推杆接收信号动作时翻板支撑杆和输送翻板的接触面积减小，在推动翻板的时候作用力和作用时间都减小，不能成功的使翻板转过规定的角度，不能达到翻转卸料的目的，故并非两者越大越好。实验结果表明，交互作用的最佳组合是A2C2。

如图6（c）所示，沿着C 轴的方向，当翻板支撑杆倾角增加，推杆行程时间是低水平时（B3=1.6s），哈密瓜成功翻转数目先增大后减小，最大值约为70；推杆行程时间是0 水平（B2=1.8 s）时，对应的哈密瓜成功翻转数目先增大后减小，最大值约为85；推杆行程时间是1 水平（B1=2.0 s）时，回归函数M 也是先增大后减小，最大值约为75。电机转速和电动推杆的速度一定，随着翻板角度的增加，推杆行程时间增加，哈密瓜成功翻转数目增加，但是两者增加到一定程度时，受到电机转速的影响，推杆在回程过程中会碰到相邻翻板，造成机械故障，所以当两者增加到一定程度时，部分哈密瓜未能成功翻转，所以成功翻转的哈密瓜数目先增大后减小。

综合以上三种情况，图6（a）中A2B2的组合最佳，M 约是80个，图6（b）中 C2A2的组合最佳，M 约是 81 个，图6（c）中 B2C2的组合最佳，M 约是85 个，可以得出在A（电机转速），B（推杆行程时间）和C（翻板支撑杆倾角）三个影响因素中，翻板支撑杆倾角的影响最大，其次为推杆行程时间，最后是电动机转速。三个因素的影响规律并非越大越好或者越小越好，都是先增大后减小，并找到试验的最佳组合为A2B2C2（电机转速为3r/min，推杆行程时间为1.8s，翻板支撑杆角度为15°）。

6 结论

（1）针对目前哈密瓜的检测和分级人工劳动强度大，生产率低的问题，设计了一种用于哈密瓜在线检测分级的输送翻转装置。

（2）对哈密瓜输送翻板进行了Ansys 仿真分析，得到哈密瓜输送翻板的最大静应力为7.8566×10-2MPa，小于PC 材料的许用应力值105MPa，哈密瓜输送翻板的总变形最大量为5.2973×10-4mm。

（3）完成哈蜜瓜输送翻转装置翻转卸料试验，结果表明：该翻转装置翻转卸料时，电机转速n 为3 r/min、推杆行程时间t 为1.8 s，翻板支撑杆角度θ 为15°是最佳组合。并进行验证试验，理论值与实际值误差小于5%，满足哈密瓜检测分级要求。