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摘 要 为适应我国水果种植散户用机械设备代替人工分选的需求，利用大小不同的水果重心位置亦不同的原理设计出一款水果大小分选机。采用Inventor软件，对水果分选机的送料系统、分选系统、出料系统及机架等主要零部件进行三维建模和装配，并应用集成在Inventor中的ANSYS有限元分析模块对关键零部件进行应力分析。结果表明：该设备结构合理，具备精确分选水果大小的功能。
关键词 水果分选；Inventor；三维建模；装配；应力分析
中图分类号 TP2 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）15-0005-02
自20世纪90年代初，我国的水果产量就跃居世界第一位，但产出的水果较国外同类产品价格却低得多。其主要原因是我国水果的产后处理技术没有得到相应的发展和推广。水果的产后处理包括分选、清洗、打蜡等，其中分选更是产后处理的重中之重。全自动的大型水果分选设备已经在发达国家得到广泛的应用，但此类设备体系庞大、价格昂贵，根本不适合我国以家庭为单位“包产到户”的分散种植模式。国内市场常见的机械式水果分选机原理和筛子类似，此类分选机结构简单、价格便宜；但在分选过程中水果与水果之间以及水果与设备之间容易发生挤压、碰撞和摩擦，造成水果表面受损进而影响产品质量。这也是该类分选机也没有得到推广的重要原因。因此，我国的水果分选大都还是由人工完成，不仅效率不高，而且分选精度也极低。为了提高我国水果产品竞争力，减轻果农的劳动强度，现基于Inventor软件设计出一款主要针对苹果、柑橘等在我国水果生产中占很大比重的球状水果进行分选的重心变换式水果分选机。
1 分选机的工作原理
重心变换式水果分选机的整体结构主要由驱动系统、送料系统、分选系统、下料轨道、机架等组成。送料系统由料仓、送料轨道及弹性挡板构成，将采摘后的水果倒入料仓，水果依靠自重进入送料轨道，经弹性挡板的缓冲、定向完成水果输送的工作。分选系统的主要装置为数条运转速度相同但末端位置不同的传送带，当水果由送料系统进入分选系统后，传送带在电动机的驱动下带动水果沿挡料板壁运动，体型最大的水果由于重心悬空落入下料轨道，体型较小的水果由于重心位置依然处于传送带的正上方得以继续前进。当剩余水果运动到最外层传送带末端时，一部分水果因重心随外层传送带的消失而悬空，落入下料轨道。以此类推，当只剩下最后一条传送带时，体型最小的水果落入对应等级的下料轨道，完成水果的精确分级。为了保护水果表面，分别在与水果有接触的部位安装上棉垫，以确保水果表皮的柔性接触。另外，本机采用对称结构，大大提高了分选机的工作效率。
2 分选机零部件设计
2.1 料仓的设计
为了避免水果在出口处形成拱形结构阻塞出料口，料仓选用仓斗式结构，其中影响物料流动的料仓棱角大小为：
式中：h为仓斗垂直高度，mm；a、b为仓斗边长，mm。
出料口设计成侧斜式，有效的出口截面积
其中：满足条件：
式中：D为出料口直径，mm；为水果平均尺寸，mm。
2.2 送料轨道的设计
送料轨道与料仓出口平滑连接，轨道上宽下窄，其宽度恰好只能允许单个水果通过，这样可以确保水果在进入分选系统前整齐地排成一排。轨道末端所设的弹性挡板，既起到缓冲的作用又可保证水果在进入分选系统的瞬间紧靠挡料板，实现水果的逐个定向输送。
2.3 分选带的设计
分选系统分别由数条末端位置不同的传送带组成，结构简单，而且带传动缓冲吸振、传动平稳的特点保证了水果在分选的过程中始终相对静止，这就有效克服了传统机械式水果分选机在分选过程中因振动激烈导致水果与水果之间、水果与机械壁之间相互摩擦、碰撞进而降低产品质量的缺点。由于水果所处位置会直接影响重心所在位置，这就要求在设计时要考虑如何将水果固定在某个位置从而确保重心位置仅与水果的体积大小相关，故将传送带设计成远离挡料板处厚靠近挡料板处薄的形状，这样形成的斜面会使水果在整个分选的过程中紧靠挡料板，顯著提高了水果分选机的分选精度。
2.4 挡料板的设计
分选过程中，水果总是紧靠挡料板随传送带向前运动，为了避免水果因产生的摩擦在传送带上打滑，分选机两侧的挡料板各分布着一排密集的滚杠，以确保整个分选过程中水果随传送带平稳向前运动。
2.5 样机装配
在Inventor软件中完成零部件的3D建模后，这些零部件还需进行组装装配和装配干扰检查，最后装配后得到整体的装配图，如图3所示。
3 关键零部件校核
综合考虑该设备中各零部件的受力情况及重要性，应用集成在Inventor中的ANSYS有限元分析模块对机身和带轮主轴进行应力分析。首先将所建模型进行实体网格划分，确认材料种类，根据机身和带轮主轴的使用要求和受力情况添加约束和载荷，最后进行有限元分析计算，得到应力分布情况、应变和变形状况，并对不合理的部位进行修改，直至满足设计要求。
4 结论
本文基于Inventor软件实现了重心变换式水果分选机关键零部件的设计和装配，直观地表达了产品的设计意图。事实证明，Inventor软件在缩短产品设计周期，减少设计上出现原则性错误等方面都有着重要意义，为新产品的开发提供了良好的条件。
参考文献
[1]刘炀，王静.现代机械工程图学[M].北京：机械工业出版社，2011.
[2]濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M].9版.北京：高等教育出版社，2013.
[3]郑文纬，吴克坚.机械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，1997.
[4]赵韩，黄康，陈科.机械系统设计[M].北京：高等教育出版社，2005.
[5]白菲，孟超英.水果自动分级技术的现状与发展[J].食品科学，2005（26）：145-148.
[6]毛宗良.中国水果出口存在的问题与对策分析[J].凉山大学学报，2004（2）：113-114.
关键词 水果分选；Inventor；三维建模；装配；应力分析
中图分类号 TP2 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）15-0005-02
自20世纪90年代初，我国的水果产量就跃居世界第一位，但产出的水果较国外同类产品价格却低得多。其主要原因是我国水果的产后处理技术没有得到相应的发展和推广。水果的产后处理包括分选、清洗、打蜡等，其中分选更是产后处理的重中之重。全自动的大型水果分选设备已经在发达国家得到广泛的应用，但此类设备体系庞大、价格昂贵，根本不适合我国以家庭为单位“包产到户”的分散种植模式。国内市场常见的机械式水果分选机原理和筛子类似，此类分选机结构简单、价格便宜；但在分选过程中水果与水果之间以及水果与设备之间容易发生挤压、碰撞和摩擦，造成水果表面受损进而影响产品质量。这也是该类分选机也没有得到推广的重要原因。因此，我国的水果分选大都还是由人工完成，不仅效率不高，而且分选精度也极低。为了提高我国水果产品竞争力，减轻果农的劳动强度，现基于Inventor软件设计出一款主要针对苹果、柑橘等在我国水果生产中占很大比重的球状水果进行分选的重心变换式水果分选机。
1 分选机的工作原理
重心变换式水果分选机的整体结构主要由驱动系统、送料系统、分选系统、下料轨道、机架等组成。送料系统由料仓、送料轨道及弹性挡板构成，将采摘后的水果倒入料仓，水果依靠自重进入送料轨道，经弹性挡板的缓冲、定向完成水果输送的工作。分选系统的主要装置为数条运转速度相同但末端位置不同的传送带，当水果由送料系统进入分选系统后，传送带在电动机的驱动下带动水果沿挡料板壁运动，体型最大的水果由于重心悬空落入下料轨道，体型较小的水果由于重心位置依然处于传送带的正上方得以继续前进。当剩余水果运动到最外层传送带末端时，一部分水果因重心随外层传送带的消失而悬空，落入下料轨道。以此类推，当只剩下最后一条传送带时，体型最小的水果落入对应等级的下料轨道，完成水果的精确分级。为了保护水果表面，分别在与水果有接触的部位安装上棉垫，以确保水果表皮的柔性接触。另外，本机采用对称结构，大大提高了分选机的工作效率。
2 分选机零部件设计
2.1 料仓的设计
为了避免水果在出口处形成拱形结构阻塞出料口，料仓选用仓斗式结构，其中影响物料流动的料仓棱角大小为：
式中：h为仓斗垂直高度，mm；a、b为仓斗边长，mm。
出料口设计成侧斜式，有效的出口截面积
其中：满足条件：
式中：D为出料口直径，mm；为水果平均尺寸，mm。
2.2 送料轨道的设计
送料轨道与料仓出口平滑连接，轨道上宽下窄，其宽度恰好只能允许单个水果通过，这样可以确保水果在进入分选系统前整齐地排成一排。轨道末端所设的弹性挡板，既起到缓冲的作用又可保证水果在进入分选系统的瞬间紧靠挡料板，实现水果的逐个定向输送。
2.3 分选带的设计
分选系统分别由数条末端位置不同的传送带组成，结构简单，而且带传动缓冲吸振、传动平稳的特点保证了水果在分选的过程中始终相对静止，这就有效克服了传统机械式水果分选机在分选过程中因振动激烈导致水果与水果之间、水果与机械壁之间相互摩擦、碰撞进而降低产品质量的缺点。由于水果所处位置会直接影响重心所在位置，这就要求在设计时要考虑如何将水果固定在某个位置从而确保重心位置仅与水果的体积大小相关，故将传送带设计成远离挡料板处厚靠近挡料板处薄的形状，这样形成的斜面会使水果在整个分选的过程中紧靠挡料板，顯著提高了水果分选机的分选精度。
2.4 挡料板的设计
分选过程中，水果总是紧靠挡料板随传送带向前运动，为了避免水果因产生的摩擦在传送带上打滑，分选机两侧的挡料板各分布着一排密集的滚杠，以确保整个分选过程中水果随传送带平稳向前运动。
2.5 样机装配
在Inventor软件中完成零部件的3D建模后，这些零部件还需进行组装装配和装配干扰检查，最后装配后得到整体的装配图，如图3所示。
3 关键零部件校核
综合考虑该设备中各零部件的受力情况及重要性，应用集成在Inventor中的ANSYS有限元分析模块对机身和带轮主轴进行应力分析。首先将所建模型进行实体网格划分，确认材料种类，根据机身和带轮主轴的使用要求和受力情况添加约束和载荷，最后进行有限元分析计算，得到应力分布情况、应变和变形状况，并对不合理的部位进行修改，直至满足设计要求。
4 结论
本文基于Inventor软件实现了重心变换式水果分选机关键零部件的设计和装配，直观地表达了产品的设计意图。事实证明，Inventor软件在缩短产品设计周期，减少设计上出现原则性错误等方面都有着重要意义，为新产品的开发提供了良好的条件。
参考文献
[1]刘炀，王静.现代机械工程图学[M].北京：机械工业出版社，2011.
[2]濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M].9版.北京：高等教育出版社，2013.
[3]郑文纬，吴克坚.机械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，1997.
[4]赵韩，黄康，陈科.机械系统设计[M].北京：高等教育出版社，2005.
[5]白菲，孟超英.水果自动分级技术的现状与发展[J].食品科学，2005（26）：145-148.
[6]毛宗良.中国水果出口存在的问题与对策分析[J].凉山大学学报，2004（2）：113-114.