红枣分级设备的研发

摘 要
近年来红枣生产正在逐渐向着基地化、规模化、产业化方向发展。自治区十二五规划将红枣产业化及产业化过程中的关键技术列为优先发展主题及重大技术专项，而红枣分级分选技术是其产业化过程中进行流通、贮藏保鲜、深加工、提高产品档次和附加值的关键技术之一。本研究针对新疆红枣制干企业如何提高滚杠式干枣分级设备分级精度的问题，以外形尺寸变化大、形状较不规整的新疆和田骏枣为实验对象，开展了干枣物料特性，进行了红枣分级过程的运动分析，并搭建了试验平台，理论分析结合试验研究，最后确定了滚杠式干枣分级机构的最优实现结构和参数。
本试验先对红枣外形尺寸进行测量和统计，利用MATLAB 图像处理软件对红枣腰径截面的轮廓进行特征分析，确定红枣按腰径分级的合理性，进而制定相关的分级检测方法；对红枣在分级滚杠上的导向及运动情况做受力分析，为相关参数的选择提供更加合理的理论依据。
本试验样机采用滚杠式分级法，对干枣进行连续无级分级。本文阐述了它的结构特点和工作原理，分析了干枣在滚杠上的运动以及运动速度对分级效果的影响，最后，通过对不同尺寸干枣的正交试验得出影响干枣分级机性能的各因素的最佳水平组合。
分析得出正交试验数据各参数最佳水平组合为：一级分级滚杠倾角为20°，滚杠转速为210 r/min; 二级分级滚杠倾角为15°，滚杠转速为120 r/min；三级分级滚杠倾角为15°，滚杠转速为180 r/min；四级分级滚杠倾角为15°，滚杠转速为180 r/min；
分析结果得出：(1) 分级滚杠倾角为15°对于各等级干枣能达到较好的分级效果；(2) 滚杠转速为145 r/min时各等级干枣的分级效果最好。

关键词：干枣；滚杠分级；受力分析；正交试验；优化；

第一章 绪 论
1.1 选题背景及研究的意义
新疆是我国主要的红枣种植基地， “十一五”以来，新疆兵团特别是南疆地区在“减棉、稳粮、增果、增畜”的产业政策指导下，红枣产业得到了快速发展，已成为优化农业产业结构、加速兵团经济发展的支柱产业和职工增收、团场增效的重要途径。
新疆南疆地处欧亚大陆腹地,特别是环塔克拉玛干沙漠的周边，干旱少雨、昼夜温差大、年光照时间长、这种得天独厚的光热资源和环境资源优势，极其适宜红枣种植、利于红枣营养积累。随着近年来兵团加快产业结构调整步伐，大力发展红枣产业，目前新疆已成为世界最大的优质红枣生产基地[1-3]。兵团颁发的《关于加快推进兵团红枣产业发展的意见》中提出“到2010年，兵团规划红枣栽培规模达到120万亩；到2012年全面完成低产园改造，高产高效标准化红枣园达到200万亩，红枣总产80万吨以上，实现产值80亿元；果品商品率95%以上，分级包装率100%,加工、流通和相关产业实现产值80亿”。因此，大力发展红枣加工产业势在必行，“积极扶持培育和引进红枣采后处理、分级包装、精深加工龙头企业”，重点和优先解决红枣的分级问题。
红枣的分级在红枣加工和商品化处理过程中是一个非常关键的环节，在鲜枣收购、贮藏、保鲜、加工制干、定量包装等商品化加工处理环节，分级分选都是对其加工环节的第一步，分选出不同品级的红枣，这有利于其后续加工和提高产品的附加值，进而增加和提高红枣的经济效益。据调研，分级包装后大小一致的优质“和田玉枣”市场销售价已达260元/kg，有的最高销售价格甚至达到了300多元一公斤，带动了新疆本地和兵团红枣产业的发展，形成了兵团特色的“和田玉枣”、“天山玉枣”、“四木王”、“天山娇”等知名品牌。但如果红枣品牌制品中其产品大小不一，形状、颜色和成熟度不一致，差别较大，这样导致的结果就是大大降低其销售价格，品牌效益难以形成，直接影响枣农经济收入，桎捁新疆地区的经济发展。
为解决目前红枣生产中对分级设备的急需，兵团农十四师、农三师、农一师等“龙头枣业公司”先后引进了几种滚杠式红枣尺寸分级设备，新疆农垦科学院机械装备研究所研制并开发出了变节距滚杠式红枣尺寸分级设备。上述设备的引进、开发、应用，已在一定程度上解决了鲜枣晾晒前的分级问题，显著提高了鲜枣的分选效率，突显出了应用机械代替人工分选的优势；但在制干红枣包装前的分级处理应用中，由于红枣经烘干脱水后表皮褶皱增多，加之前期加工、贮运过程中受不同程度的挤压，形状比鲜果时更不规则，滚动性变差，使得红枣在烘干后分级难度进一步加大，现行设备尚不能很好地满足生产技术要求，其中，最突出的问题就是分级精度不高、相邻等级间容易“串级”“混级”严重。在对其使用情况进行实地调研和现场考察时，有关企业迫切希望通过对现有设备的改进优化，使之能更好地满足制干红枣包装前的分级处理需求。
前期的滚杠式红枣尺寸分级设备试验表明，对于滚杠式红枣尺寸分级设备，不同滚杠倾角的滚杠分级机构以不同速度运行时，分级精度存在着显著差异，这说明，滚杠分级机构是可以通过合理选择滚杠运动参数实现其最优状态控制，提高其分级精度的。然而，目前有关该问题的研究尚不深入，也未见相关报道。
基于此，提出本项研究课题。本课题的研究成果，将为我们改进优化现有样机提供依据。
1.2 国内外研究现状及分析
1.2.1国外现状
美国等许多发达国家都极为重视果蔬采摘后的分级，果蔬采后分级不仅对果品质量有保证，而且方便贮运、促进销售、便于食用，更重要的是对提高产品的竞争力具有重要意义。国外在干果分级方面的技术非常成熟，其研究起步较早，已形成了一定的规模：几乎100%的干果都经过机械化的分级、清洗、烘干、包装等生产线，待分级、商品化处理后，再投放市场[4]。
根据果品检测指标的不同，果品分级主要从大小、重量、色度三方面入手。到目前为止国外水果分级机[5-6]的分级方式主要有以下几种：大小分级机、重量分级机、大小重量分级机、色泽分级机和色泽重量分级机。这些分级方式同样适用于干果分级。下面对这几种分级机的研制情况加以介绍。
（1）大小分级机
大小分级机是根据果实的大小进行分级，在水果分级中普遍应用。按果品大小分级技术发展比较成熟，可以利用不同的分级手段，最终达到分级的目的。
此类分级机械一般有振动筛式、滚筒筛式、柵条式和带式这几种形式。滚筒筛式分级设备在国外应用较为广泛，其结构简单，成本低，对果品损伤率小，且分级精度和效率都较高，对球形或近似球形的果品较为适用。
（2）重量分级机
德国已研制出了一种微机控制重量分级机[7-8]，这种按重量分级的机器就目前而言是比较先进的。重量分级机主要是采用电子仪器测重，可根据需要准确分级；使用滑槽结构，小落差，且果品不受冲击、无损伤、高效率；分级、装箱时间仅为传统方式的一半，大大提高了工作效率。
（3）大小重量分级机
Decco型分级机是由美国Penwalt公司新研制的一种新型果实分级机[9-10]，根据“体积”进行分级，集大小和重量分级机的优点于一身，同时又克服了两者的缺点，切实做到了柔和平缓分级。分级过程中没有造成果品掉落和损伤，动作柔和，分级效果好。
（4）色泽分级机
色泽分级机主要是利用光电管接受果实经过电子发光点前的反射光并测定其波长，颜色不同其反射光的波长不同，系统根据波长进行分析和确定取舍，最终实现分级。
颜色分级机在意大利的果品贮藏加工业生产中出现较早，主要是对苹果进行颜色分级，由于绿色比红色的反射光强，颜色分级机就是按这个原理对苹果分级的。工作时，果实在松软的传送带上翻跃移动，这样光线可照射到水果的大多部位避免了水果单面被照射。反射光传递给电脑后，电脑按照反射率的不同来将果实分开 [11-12]。
（5）色泽重量分级机
既按果实着色程度又按果实大小进行分级的叫色泽重量分级机。该机结合了自动化色泽分级和自动化大小分级技术，最早在意大利研制成功并投入生产，机上装的传送带利用可变孔径进行大小分级，传送带下的光源照射从带上漏下的果品，经反射传送给计算机，计算机根据反射光的情况，将每一级漏下的果品按颜色（有全绿果、半绿半红果、全红果等）分级，进入不同的传送带，传输出去。
美国Allen Electronics公司生产的一种能分选果实、蔬菜、果仁和各种小食品的分级装置，利用CCD摄像机，该摄像机具有高晰像度，例如产品在传送带上，速度移动为每分钟580英尺，其表皮变色和缺陷范围仅仅1mm大小[13-14]，它都能识别。另外，在进料传送带和出料传送带之间，计算机让次品排除器工作，去除次品，几乎不会发生错误排除情况。该机还能将特定产品的分级参数编程程序预先存入存储器内。
以上分级设备可以引用到鲜枣的分级，但由于红枣是我国特有果品，国外尚未见到有关红枣分级的研究及设备，尤其是烘干后的红枣分级的有关资料和相关报道。
1.2.2国内现状
果品分级机械在我国的研究起步较晚，但对分级技术有一定程度上的研究和发展。2002年，应义斌等人承担的国家863项目[15]——水果品质实时检测和分级机器人的研究，对苹果、柑橘、黄花梨等水果进行了较深入的研究[16]，我国在 20世纪70年代末，主要以引进国外技术及设备为主，到80至90年代，人们逐渐认识到了分级技术对果品出售及提升经济效益的重要性，便开始引进、学习国外先进技术，进行新设备的开发，直到国内开始出现分级设备的研究机构和生产厂家；到 90年代中后期，市场对分级技术及设备的要求越来越高，而此时国内对分级技术的研究积累也达到了一定程度，并开发出了诸多具有自主知识产权的新技术、新设备。尽管如此，与发达国家相比，工艺控制技术落后、磨耗和单位产品能耗偏高、特殊粒形的生产工艺和设备落后等问题任然存在于我国目前的分级领域。
在我国较早开始研究苹果图像分割自动分级的是中国农业大学的刘禾; 同时在水果分级方面有研究的还有陈光、王江枫、张泰岭等，他们最终于2005年成功研制成了我国首条水果品质机器视觉实时检测与分级生产线[17l。
云南省研制的双辊式[18]分级机，是一种结构简单，
制造容易的分级装置 [19-20]，如右图所示。该装置通过
一对相向旋转的光滑圆柱呈一定夹角α，并与水平面
保持一定倾角β构成双辊式分级机构，夹角α和β使
辊间形成逐渐增加的分级间隙，球形水果在重力作用
下沿辊杠间隙滚下，在滚至辊杠间隙大于果径时，水
果就会从两辊间落入承果槽。两棍相向旋转，减小辊
对水果的支持力，帮助水果向下滚。

第五章 结论与展望
本课题得到了新疆农垦科学院机械装备研究所的兵团农业产业化专项资金扶持项目《红枣分级设备的研发》的支持，并在其研究基础上，进一步通过理论分析和台架试验相结合，对滚杠式红枣分级设备的分级机理进行了更深入的研究，得出了滚杠式红枣分级机的分级特性和其在最高分级精度、最佳工作效率时的最优参数组合，对分级装置参数的设计和改进调整具有参考作用。
5.1 主要成果与结论
(1) 测量了不同等级的和田骏枣的外形尺寸，通过对其长径L、腰径R（大径R1、小径R2）方向尺寸的统计分析，确定以小径R2为分级尺寸，分级间隙分别为22mm、27mm、34mm和38mm，进行干枣分级试验。
(2) 通过受力分析，得出干枣在滚杠上运动的条件：干枣与滚杠的相切面与水平面的夹角为 ；干枣与滚杠之间的摩擦角与摩擦系数要满足 ，并得出了干枣运动引起的分级误差主要与干枣随滚杠的运动速度和滚杠与水平面所成倾角有关，即整机运转速度越快，倾角（10º＜α＜40º）的余弦值越大，引起的分级误差越大。以上理论分析结果可作为后续台架实验中速度选取区间的理论依据。
(3) 通过正交试验得出影响分级效果的各因素水平的最佳组合：一级分级滚杠倾角为20°，滚杠转速为210 r/min; 二级分级滚杠倾角为15°，滚杠转速为120 r/min；三级分级滚杠倾角为15°，滚杠转速为180 r/min；四级分级滚杠倾角为15°，滚杠转速为180 r/min；
5.2 课题完成的工作
(1)以形状较不规整的和田骏枣为试验对象，针对该品种的一级、二级、三级，四级四个等级的红枣的长径、腰径进行测量并对其三个方向（长径L、腰径R1，R2）的尺寸统计分析，最终确定以腰径R2方向为基准，进行大小分级试验。
(2)通过干枣在分级滚杠上的受力分析，得到干枣在分级滚杠上运动的条件。对干枣在随分级滚杠运动的转速、倾角对分级的影响进行计算分析，得到影响分级机工作性能的重要参数，为滚杠的改进设计提供理论依据。
(3)设计正交试验并验证了理论分析的正确性，测定了分级装置的分级效果，从中得到经验，并反馈于机构设计的改进，利于优化机构参数，实验数据得出最佳组合。
5.3 存在的问题
本文研究的红枣分级机适用的对象仅仅是新疆本地红枣品种，能满足新疆红枣品种的需要，对其它地方红枣品种及干鲜果品如圣女果、金桔等未作研究。能否适应其它果品及参数怎样调节等问题，还有待进一步研究。
红枣分级机在实际应用过程中的整机性能优化、生产中的应用与调整、能否降低生产成本等问题上都有待进一步完善。