鮮玉米自動分揀機的研制

李巖舟，黃恩文，王 凱，彭安校，李啟鋒，吳再英

(廣西大學 機械工程學院，南寧 530000)

0 引言

玉米是一種營養(yǎng)豐富的食糧，營養(yǎng)學家稱玉米為“谷物黃金”，稱鮮食玉米為“綠色蔬菜”“新型營養(yǎng)保健食品”“長壽食品”等。玉米鮮食還有多種醫(yī)療保健功效，所以玉米已然成為一種重要的蔬菜[1]。中國的玉米產量從2014年的2.156 7億t[2]增長至2015年的2.245 8億t[3],增幅約4.1%，可見我國是玉米生產大國。而收獲的玉米鮮穗在脫離母體后，籽粒養(yǎng)分含量會發(fā)生變化：一是呼吸作用消耗籽粒中可溶性糖類；二是可溶性糖類迅速轉化為淀粉，使籽粒中可溶性物質迅速下降，失去商品性質。因此，對玉米進行分揀和包裝利于鮮食玉米的保鮮，從而便于運輸和銷售。由于目前市場主要根據(jù)玉米長度劃分價格，且部分消費者因為自己需求和喜好的不同對玉米的長度也有不同要求，因此對鮮玉米按長度分揀很有必要。所以，鮮食玉米分揀機器能順應市場的發(fā)展。

通過查閱國內外鮮玉米分揀的相關文獻，可以得到以下分揀方式：人工分揀、光電門分揀和氣吹式分揀。其中，人工分揀效率低，勞動強度大，分揀不準確；用光電門檢測鮮玉米長度，由于分揀時鮮玉米會帶有粉塵，粉塵影響會降低測量的精確度和設備使用壽命；氣吹式分揀鮮玉米要及時充氣保持氣壓，耗能大。且光電門分揀和氣吹式分揀機器都存在體積偏大、價格高的特點，不適合以廣西農戶和從事鮮玉米經銷的個體經銷商為主的小規(guī)模用戶的需求。

為此，在現(xiàn)有的鮮玉米分揀方法的基礎上，利用自由落體原理，設計了一種鮮玉米分揀機。該設計能夠實現(xiàn)鮮玉米的分揀，且結構簡單、操作方便、實用性強，分揀成功率達到70%以上。

1 設計原理及機構

鮮玉米自動分揀機主要由電機、動力傳動部分、自動送料斗、玉米滑槽及自動分揀裝置組成，如圖1所示。

鮮玉米自動分揀機包括機架、分揀裝置和驅動裝置。分揀裝置安裝在機架上，包括傳送部、主動輪和從動輪，傳送部套在主動輪和所述從動輪上，并隨主動輪轉動；傳送部的頂面能夠放置并運輸鮮玉米，在運輸過程中，傳送部頂面與鮮玉米的接觸面積逐漸減小，以使鮮玉米的重心位置逐漸偏離傳送部，當鮮玉米的重心移除傳送部頂面后，由于重力作用，鮮玉米從傳送部頂面掉落；驅動裝置與所述主動輪連接，以提供所述主動輪旋轉所需的動力。

鮮玉米自動分揀機的工作流程，如圖2所示。傳動時，經末級鏈條、中級鏈條、初級鏈條帶動末級從動鏈輪組、次級從動鏈輪組和末級傳動鏈輪轉動，初級傳動軸、次級傳動軸和中級傳分由電機提供動力，二級傳動鏈輪經短鏈條帶動初級傳動鏈輪轉動，經末級傳動軸帶動主動鏈輪組轉動軸轉動。

1.撥齒 2.末級傳動鏈輪 3.擋板 4.初級傳動軸 5.末級從動鏈輪組 6.次級傳動軸 7.中級傳動軸 8.次級從動鏈輪組 9.彈簧支撐 10.送料斗 11.玉米滑槽 12.主動鏈輪組 13.末級傳動軸 14.一級軸承座 15.電機 16.大號集物箱 17.中號集物箱 18.小號集物箱 19.特小號集物箱 20.二級軸承座 21.末級鏈條 22.三級軸承座 23.中級鏈條 24.四級軸承座 25.初級鏈條 26.短鏈條 27.中級傳動鏈輪 28.末級傳動軸 29.初級傳動鏈輪 30.五級軸承座 31.六級軸承座 32.七級軸承座

圖2 鮮玉米自動分揀機工作流程圖

2 關鍵部件的設計

2.1 喂料裝置設計

喂料裝置主要由喂料斗、振動電機和支撐彈簧組成，如圖3所示。鮮玉米從喂料斗倒入，通過參閱資料及實際測量，得到鮮玉米的直徑在40～60mm之間[4]，所以喂料斗下端口直徑設計為80mm，可實現(xiàn)鮮玉米逐一進入玉米滑槽的目的。振動電機的振動使得鮮玉米在喂料斗中不易造成阻塞，能順利地進入玉米滑槽。

1.喂料斗 2.支撐彈簧

2.2 玉米滑槽設計

鮮玉米進入自動分揀裝置前，其姿態(tài)需與擋板垂直，若鮮玉米以傾斜的姿態(tài)進入自動分揀裝置，重心的位置離擋板的距離就會變短，則分離的鮮玉米的實際長度與分揀長度不符合。玉米滑槽(見圖4、圖5)為曲面結構，滑槽上底部向內側傾斜，使鮮玉米在進入滑槽上部滑動時向內側滾動，滑槽上下部分曲面是等曲率連接；滑槽下部分曲面向外側傾斜，當鮮玉米滑入下部時，滑動的同時鮮玉米向滑槽外側滾動，保證了玉米在滑槽下落的同時在下部底板處；導向擋板的作用使得玉米保持與鏈條垂直的姿態(tài)下滾動進入撥齒的V型間隙。底槽開口是為了使滑槽與撥齒配合，且防止撥齒因滑槽的阻擋而不能正常工作；滑槽底端弧形開口是為了減少鮮玉米在滑槽滑落至下部時因為滑槽斜度減小而增加的摩擦阻力。玉米滑槽能在鮮玉米進入自動分揀裝置前就把鮮玉米的姿態(tài)矯正好，形成與擋板近似垂直的姿態(tài)進入分揀裝置。

2.3 分揀裝置的設計

分揀部分如圖6所示。鮮玉米從玉米滑槽滾落進入撥齒的V型間隙，與擋板成垂直姿態(tài)；隨著鏈條向后運動，撥齒起到架住鮮玉米的作用，使其始終與鏈條保持垂直姿態(tài)。

1.底槽開口 2.導向擋板 3.滑槽下部底板 4.滑槽中部開口 5.滑槽上部底板

1.擋板 2.撥齒 3.底槽開口 4.導向擋板 圖5 玉米滑槽與鏈條連接部分局部放大圖

1.擋板 2.撥齒 3.末級鏈條 4.中級鏈條 5.初級鏈條 6.大號集物箱 7.中號集物箱 8.小號集物箱 9.特小號集物箱

鮮玉米從玉米滑槽滑落進入撥齒間的V型間隙時，有一端是始終抵住擋板的。3條鏈條的長度不同，間距也不同，每一條鏈條對應一個長度級別的鮮玉米，通過3條鏈條，一共分成4個長度級別；第一級別的鮮玉米長度最長，從三級鏈條上掉落進入大號集物箱，依次往后逐級遞減，最短一級從末級鏈條末尾處掉落進入特小號集物箱。分揀裝置簡單地利用鮮玉米的重心，把鮮玉米按鮮玉米的長度進行了分揀。

3 性能試驗與結果分析

選用長度大小不一的鮮玉米作為鮮玉米自動分揀機的性能試驗材料。試驗方案：玉米30個一次試驗數(shù)量級放落。試驗分5批次，每一批次進行5次實驗，共150個玉米。其中，長度180mm以上玉米25個，長度140～180mm之間的玉米50個，長度100～140mm之間的玉米50個，長度100mm以下的玉米25個。每一批次實驗中玉米的長度等級分配按1∶2∶2∶1進行分配，共進行25次試驗。試驗測試結果如表1所示。

表1 玉米分批次實驗成功率

試驗測試的結果表明：

1)將30個待分揀的鮮玉米倒入送料斗中，在送料斗振動與彈簧支撐相配合下，把鮮玉米震落進入玉米滑槽，實現(xiàn)單個鮮玉米分離。

2)鮮玉米通過玉米滑槽矯正玉米下滑姿態(tài)，在撥齒的配合下順利地使鮮玉米保持垂直在鏈條上隨鏈條無相對移動滑動。

3)當鮮玉米重心在鏈條外面時，鮮玉米實現(xiàn)掉落，進入相應的集物箱實現(xiàn)對鮮玉米的分揀。

4)結果表明：在鮮玉米自動分揀機實現(xiàn)玉米分揀的過程中，無因設備原因出現(xiàn)損傷玉米的現(xiàn)象，根據(jù)在分揀30個玉米時所消耗的時間可計算出每分鐘可實現(xiàn)90個玉米的分揀，且分揀成功率可達83.3%以上。試驗中部分鮮玉米靠近擋板的一端與擋板間存在一定距離，導致分揀失敗，所以增加鏈條所在平面的傾斜度可以提高分揀成功率。

4 結論

該鮮玉米自動化分揀機結構緊湊、造價低、性能良好、能較好地實現(xiàn)對鮮玉米自動分揀，填補了目前市場上鮮玉米器械的空缺，可在鮮玉米經銷和種植基地廣泛地推廣應用。