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慣性式紅棗分級裝置的設計
孫國良、李宜峰
（塔里木大學機械電氣化工程學院， 阿拉爾 843300）
摘要：針對南疆地區(qū)紅棗種植面積逐年擴大，已形成規(guī)模化種植的趨勢，紅棗產(chǎn)量也比較高。但在機械分選紅棗的過程中，混級率依然比較嚴重，所以設計了一種慣性式紅棗分級裝置。該機采用雙曲柄機構作為慣性輸出裝置，可將形狀不同的紅棗按指定要求進行分級分選。機械結構主要由喂料裝置、分級裝置、卸料裝置幾部分組成，整體機構緊湊，操作簡單易行，維護方便，而且在經(jīng)過適當調整后可進行其他干果的分級分選，可達到一機多用的效果。
關鍵詞:農業(yè)機械； 紅棗分級； 慣性式；設計
中圖分類號: 文獻標識碼： 文章編號：
0引言
隨著農業(yè)產(chǎn)業(yè)結構的調整，區(qū)域型農產(chǎn)品已成為帶動當?shù)剞r民經(jīng)濟收入的主要產(chǎn)業(yè)之一。紅棗在我國已有悠久的種植歷史，但由于區(qū)域性自然資源的限制，導致國內紅棗品質不一。經(jīng)過近些年的種植經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)地區(qū)非常適合紅棗的種植，尤其是南疆地區(qū)有著優(yōu)質的光熱資源，很適合紅棗的生長。種植出的紅棗果大肉甜，品質極佳，很受消費者的歡迎。
紅棗傳統(tǒng)的食用方法是以鮮棗和干棗為主，但近些年來，隨著國民經(jīng)濟水品的提高也逐漸改變了人們的消費理念和消費水平，紅棗的食用方法根據(jù)人們各自的需要也各不相同。這樣就帶動了紅棗精加工企業(yè)的發(fā)展，而在紅棗加工過程中，紅棗的分級是一個重要的環(huán)節(jié)，無論是鮮棗收購、貯藏保鮮、還是紅棗制干、定量包裝等，作為紅棗商品化加工的第一步就是對紅棗進行分級分選。機械式紅棗分級設備已逐漸普及，使得紅棗加工生產(chǎn)效率大大的提高。但現(xiàn)有的紅棗分級機械，依然存在一些問題，在紅棗分選過程中混級率較大，有時還會出現(xiàn)傷果等現(xiàn)象。本設計著重針對原有紅棗分級機械中存在的這些問題，加以改進，設計了慣性式紅棗分級裝置。
1設計原理及機構
1.1設計原理
慣性式紅棗分級機是將不同外形尺寸大小的紅棗按照慣性原理進行分級篩選的機械，該機械可以將紅棗按指定要求分為四個等級，紅棗在平面篩上運動時，直徑比篩網(wǎng)間隙小的將通過篩網(wǎng)進入下一層平面篩，而直徑比篩網(wǎng)間隙大的紅棗將停留在篩網(wǎng)上，隨篩網(wǎng)運動，由于機構的急回特性，當平面篩運功到一端瞬時停止原有運動，反方向急回運動，但紅棗在慣性力的作用下依舊擁有保持原有運動的趨勢，繼續(xù)沿慣性力的方向運動，
當平面篩的篩面做周期性往復運動時，有可能使物料在篩面上出現(xiàn)四種不同情況：
（1） 物料沿篩面傾斜方向向下滑動，并與篩面接觸，或稱正向運動。
（2） 物料沿篩面傾斜方向向上滑動，并與篩面接觸，或稱反向運動。
（3） 物料跳離篩面，并沿篩面不多向前做拋物線運動。
（4） 相對靜止，物料與篩面無相對運動，這種情況因避免出現(xiàn)。
一般對篩子采用（1）、（2）相結合的運動狀態(tài)作為篩選工作條件，且要求正向移動必須大于反向移動，才能正常工作。該機械在工作時操作方便，分級效果顯著，混級率較低，在篩選過程中，不會出現(xiàn)傷果現(xiàn)象，自身結構簡單，修理維護容易，成本低。
1.2總體設計
慣性式紅棗分級機結構示意圖如下：
1.傳動軸 2.主動鏈輪 3.主動曲柄 4.鉸鏈座 5.從動鏈輪 6.短連桿 7.長連桿 8.滑塊 9.導軌 10.上層分級篩 11.中層分級篩 12.卸料斗 13.下層分級篩
圖1 慣性式紅棗分級裝置
該機械由功率為3kW的電機驅動，工作時電機將驅動力通過傳動軸傳遞給主動曲柄，主動曲柄做勻速圓周運動，從動曲柄隨著主動曲柄做變速圓周運動，并帶動長連桿和平面篩做來回往復運動將篩面上的紅棗進行分級。中層篩和上層篩通過從動鏈輪帶動從動軸同理做來回往復運動，分選出來的紅棗在慣性力的作用下由卸料口卸下。本機整體由三部分組成，即雙曲柄機構、篩選機構、卸料部分組成。雙曲柄機構主要是將電機的驅動力轉換為平面篩做來回往復運動的慣性力。篩選機構是有三層平面篩組成，其作用是將不同形狀的紅棗按要求分為四個等級。卸料部分的作用是將分選出來的紅棗從平面篩上卸下，完成分級分選過程。
2.主要技術參數(shù)
外形尺寸/mm
平面篩尺寸/mm
曲柄轉速 r/min 120
生產(chǎn)率 kg/min 20
驅動電機： 3KW 1500r/min
3主要部件的設計
3.1雙曲柄機構的設計
（1）速度變化系數(shù)K
如圖2所示，在曲柄回轉一周的過程中有兩次與機架平行的位置，此時主動曲柄與從動曲柄瞬時角速度相等。當連桿從第一個平衡位置運動到第二個平衡位置時，主動曲柄轉過的角度，從動曲柄轉過的相應角度為。根據(jù)運動分析可知，在區(qū)間(,) 內, 從動曲柄的類角速度 ( 即 ) , 稱為慢轉階段; 在其余區(qū)間(,) 內, ( 即) , 稱為快轉階段。定義從動曲柄快轉階段與慢轉階段平均角速度之比為雙曲柄機構的速度變化系數(shù)K 。系數(shù)K 表示從動曲柄的速度變化程度, 它是機構傳動性能的一個重要指標。
圖2
如圖2 所示。分別過 和點作線段 和 的平行線交機架AD 的延長線于F 和G 點。為了便于計算, 取機架長度d = 1。依據(jù)圖示的幾何關系可得:
，
則速度變化系數(shù)k 的計算公式為
（2）雙曲柄機構計算
如圖2所示, 在雙曲柄機構中, 主動曲柄與機架的兩次共線位置 和 是傳動角的兩個極小值位置, 對應的傳動角分別記為 和, 在快轉階段中, 而 在慢轉階段中。根據(jù)機構的工作狀況, 常常會提出不同的 和。如果= 則稱雙曲柄機構為最佳傳動雙曲柄機構。采用相對尺寸表示機構, 即設機架長度。此時, 機構共有三個參數(shù)可選擇。
由余弦定理可得:
公式( 3) 提供了兩個約束, 因此機構只有一個參數(shù)可以自由
選擇。設c 為變量, 由公式( 3) 解得:
式中,
在雙曲柄機構中, 機架d = 1 是最短構件。因此b 和c都大于1。如果c> 2/ E ,分母大于0, 分子中帶根號項的絕對值大于前一項的絕對值。所以, 根號前的符號只能
取正號。即
如果c< 2/ E , 式中的分母小于0, 分子中帶根號項的絕對值小于前一項絕對值。要保證b 大于0, 就必須保證
F 大于0, 即< 。公式( 4) 根號內的代數(shù)式必須大于或等于0。由此可解得兩組根 和，
二組根不符合雙曲柄機構存在條件,所以應當舍去。此外, 考慮到機構尺寸因素, 根號前面的符號推薦使用+號,這樣使機構結構緊湊。綜上所述, 設計的使用條件為:
如果 且
如果
利用與是單調減函數(shù)的特性, 當給定 時, 用
簡單迭代法( 一元方程求根方法) 很容易求出c 值。下面是
根據(jù)區(qū)間二分法改造的計算過程:
( 1) 給定初值c, 迭代精度, 迭代步長 ;
( 2) 計算, ;
( 3) , 計算 , 直到;
( 4) , 計算 , 直到
在本設計中
取初值2
解得1.9107 1.5036 1.5241
由上解得的1.9107 1.5036 1.5241 分別將其擴大10倍
得：
圖2.2
AB= =15cm BC= =15cm CD= =19cm AD= =10cm
3.2其他部件
篩料機構是由平面篩和滑塊導軌組成，滑塊導軌采用TBR25S3滑塊導軌,平面篩和滑塊采用螺栓連接，導軌與機架采用螺栓連接，通過更換平面篩可以實現(xiàn)其他干果等物料的分級，最大程度的利用機械的價值。
3結論
1） 本機械總體設計結構簡單，成本低，適合廣大棗農初級加工使用。分機效率在1.5t/h左右。
2） 該機械在工作時主要依靠紅棗自生重力和慣性力來實現(xiàn)紅棗的分級，整個過程中對紅棗基本沒有傷害，且混幾率低。
3） 工作時操作容易，維護方便，經(jīng)過適當調整可實現(xiàn)一機多用，能最大程度的利用機械的價值。
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Inertial type red jujube grade machine design
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Tarim University，Alar 843300，China）
Abstract: based on the southern region of xinjiang red jujube planting area enlarged, and has formed the scale of planting trend, red jujube yield is high. But in the process of sorting machinery red jujube, mixed grade rate is still serious, so design a kind of inertia type red jujube grading device. The machine USES double crank mechanism as inertial output device, but will shape the different red jujube in the specified requirements for grading sorting. The main mechanical structure by feeding device, grading device, unloader device a few parts, whole mechanism compact, simple operation, convenient maintenance, and after due after adjustment for other dried fruit classification sorting, can achieve multi-usage effect.