果樹自動刮皮收集裝置設計

王春霞，王 偉，劉媛媛，王旭峰

(1.塔里木大學 機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區普通高等學校現代農業工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

果樹在生長過程中，隨著樹齡的增長，樹皮隨之變老變粗，粗老樹皮阻礙水分和養分的輸入，影響木質的加粗生長，干老粗皮和翹皮縫隙常是害蟲越冬的主要場所[1-3]。果樹病蟲害的傳染性很強，一旦發生，可能會對整個果園形成危害。果樹病蟲害的防治中，利用化學農藥防治果樹病蟲害雖然快速、高效，但長期使用會對果品和環境造成嚴重污染[4-9]，刮除粗老皮也是病蟲害綜合防治的主要措施之一，是林園管理中不可缺少的工作環節。實踐表明，果樹刮皮不但可以恢復樹體元氣，還能治病救樹，提高果樹產量與質量[10-11]。

果樹刮皮時適宜在初春或秋末進行，以防樹體被凍壞[12-14]。刮除粗老皮的傳統工具為刮皮刀，形狀像帶手柄的小鋤頭，但比較費力、效率低。近年來，電動刮皮機也開始推廣使用，該類刮皮機是用手握小型電機帶動固定轉動軸上的多個與電機軸平行的直楞刀刃，以轉動的直楞刀刃磨刮樹皮，其優點是省力、效率高，但不具備收集樹皮屑的功能，并且樹皮屑飛濺無定向[15-17]。

針對上述問題，設計了一種適宜于初春或秋末進行工作的多功能果樹刮皮收集裝置，該刮皮機采用雙刀具設計，兩刀具相向旋轉，增加了工作面積，使切削下來的樹皮屑有一個定向作用。該刮皮機還配置了收集機構，主要對切削的樹皮屑進行收集，并集中銷毀，以防止二次污染。

1 刮皮機的結構型式與工作原理

1.1 結構型式

本文設計的果樹自動刮皮收集裝置，主要由動力機構、刀具、收集機構和清潔機構4部分組成，如圖1所示，三維模型圖如圖2所示。動力機構使用步進電機為動力源，收集機構由副機殼(收集罩)、鼓風機及主機殼等組成。其中：步進電機支座通過螺釘固定在副機殼上，輸出軸與前卡槽用平鍵相連接；每個刀具與前后卡槽固定，并在步進電機的帶動下旋轉；副機殼與主機殼通過螺釘相連接，且鼓風機通過U型螺栓固定在副機殼的一側；主機殼與機蓋相連接，主機殼和副機殼通過深溝球軸承分別與前后卡槽相連接。該刮皮機采用雙刀具布局的型式，兩個刀具分別由兩個電機控制。

1.2 工作原理

動力源由步進電機提供，工作時，按下電源開關，電機輸出軸通過前后卡槽帶動刀具轉動；刀具在高速旋轉時與果樹接觸，刮除果樹枝干上的病斑、粗皮，磨除果樹越冬輪紋病源。切削下來的樹皮屑含有水分，為了防止樹皮屑貼到刀具縫隙中，在主機殼內測安裝有兩個貼合刀具的條形鋼刷，在刀具旋轉過程中對堵塞在刀具突刺上的樹皮屑進行清理，保證刀具有效工作；最后，切削下來的樹皮屑進入到收集箱，從而完成整個刮皮過程。

1.鼓風機 2.步進電機 3.前卡槽 4.機蓋 5.后卡槽 6.主機殼 7.刀具 8.條形鋼刷 9.副機殼 10.U型螺栓圖1 果樹自動刮皮收集裝置結構示意圖Fig.1 The schematic diagram of automatic peeling collection device for fruit trees

圖2 果樹自動刮皮收集裝置三維圖

Fig.2 The three dimensional
Figure of automatic peeling collection device for fruit trees

2 關鍵部件設計

2.1 動力機構

本設計主要由步進電機提供動力，采用2個步進電機分別帶動2個刀具旋轉剝刮樹皮。動力機構包括步進電機、深溝球軸承、前后卡槽、鍵和電機保護殼等，如圖3所示。工作時，步進電機旋轉帶動前卡槽旋轉進而帶動刀具工作，刀具旋轉速度通過步進電機控制器進行調速。電機直接與刀具連接運動，減少了減速器等機構，不僅減少了機器質量，也降低了動力傳遞過程中的能量損耗，提高了果樹自動刮皮收集裝置的工作效率。

1.步進電機 2.鍵 3.前卡槽 4.刀具 5.深溝球軸承 6.電機保護殼圖3 動力機構Fig.3 The schematic diagram of power mechanism

2.2 刀具設計

本文采用雙刀具布局形式，刀體為圓柱型空心軸，沿刀體的側壁開有突刺，如圖4所示。

圖4 刀具Fig.4 The schematic diagram of tool

刀體大小徑分別為35mm和25mm，總長150mm，材料選45鋼，其上有高度約為6mm的三棱錐形突刺，與常用的直愣刀刃比較具有減小刮切阻力的優點，可有效地防止因刮切阻力過大引起死機現象。刀具的突刺朝向同一方，與刀體徑向夾角約為60°，且兩個刀具向突刺傾斜方向同時旋轉，即相向旋轉。該裝置刀具的獨特設計增大了工作面積，提高工作效率，并對切削下來的樹皮屑有向收集罩聚攏的作用。

刀具為空心軸，根據工作狀態和刀具切削狀態，可以看成為一個轉動軸(工作時只承受扭矩)。

扭轉強度條件為

式中τT—軸材料的扭轉切應力(MPa)；

WT—軸的抗扭矩截面系數(mm3)；

T—軸所傳遞的扭矩(N·m)；

n—軸的轉速(r/min)；

P—軸傳遞的功率(kW)；

d—軸的最小直徑(mm)；

[τT]—軸材料的許用扭轉切應力(MPa)。

軸常用的幾種材料，如表1所示。

表1 軸常用幾種材料的[τΤ]及A0值Table 1 [τΤ]and A0 values of several materials commonly used for shafts

由上式可得軸的直徑為

其中

查表1，對于空心軸來說，則有

其中，β=0.5～0.6,即空心軸的內徑d1與外徑d之比，通常取β=0.5～0.6。

應當指出，當軸截面上開有鍵槽時，應增大軸頸以考慮鍵槽對軸強度的削弱。對于直徑d>100mm的軸，有一個鍵槽，軸徑增大3%；兩個鍵槽7%。對于直徑d≤100mm，有一個增大5%～7%，兩個10%～15%。然后將軸徑圓整為標準直徑，這樣求出的直徑，只能作為承受扭矩作用的軸段的最小直徑dmin。

所以，滾子軸的直徑為25mm。

考慮到刀具外徑的突刺與內徑的槽，軸徑應加大15%，則d=28.75mm。

把計算直徑圓整為標準直徑：因為軸徑均屬于有配合要求的軸，查機械設計手冊取標準直徑為d=35mm，d1=25mm。

經過扭轉強度校核，刀具的尺寸與材料合格。

2.3 清潔機構

由于工作對象是含有水分的樹皮，切削下來的樹皮屑容易貼到刀具縫隙中，影響刮皮效率和刮皮質量，減少機器的使用壽命，因此該設計增加了清潔機構，如圖5所示。在主機殼上安裝了兩個條形鋼刷，鋼刷的鋼絲與突刺接觸，被條形鋼刷清理下來的樹皮屑進入收集裝置。

1.條形鋼刷 2.刀具圖5 清潔機構Fig.5 The schematic diagram of cleaning mechanism

2.4 收集機構

切削下的樹皮屑中可能含有還沒有殺死的蟲卵，會對果樹造成二次危害；且飛濺的樹皮屑對工作人員可能造成傷害，因此該裝置增加了收集機構，包括鼓風機、副機殼和主機殼等，如圖6所示。

收集機構主要是對切削下來的樹皮屑進行收集，且在副機殼上增加鼓風機，以加快樹皮屑的滑落，防止堵塞。

3 標準件的選擇

3.1 風機的選擇

選擇風機應考慮散熱、耗能、平穩性等方面。由于該刮皮裝置的設計尺寸較小，在滿足風速、風壓等參數要求下盡可能選擇微型鼓風機。為了滿足生產要求，根據蒲福風級(見表2)，選擇6級風速，對應風機型號為BU4020H。

3.2 步進電機的選擇

為了滿足持續高速工作的要求，選用二相混合式步進電機，電動機的轉速n為1 000r/min。表3為相應步進電機的型號及參數。

表3 步進電動機的型號及參數Table 3 The model and parameters of the stepping motor

4 試驗結果

選擇新疆維吾爾自治區阿拉爾市塔里木大學校園西區，種植的小面積梨樹，在春季時刮除粗老樹皮進行管理，以此作為試驗地點，在試驗區域記錄裝置在平穩作業時每小時的刮皮數量。

根據調查，果樹樹干直徑大約分布在 150～350mm 之間，果樹腐爛病一般深 2～8mm，為保證刮皮效果，切割 2mm 深度，保證連接穩固可靠，機具試驗條件如表4所示。

表4 機具試驗條件Table 4 Test conditions for machine tools

由于還沒有果樹刮皮機相關的試驗檢測標準，本文將果樹刮皮數量作為試驗指標對樣機進行測定。現有的果樹刮皮機每小時約刮C1棵樹，而本機經試驗得約每小時平均可刮C2棵樹，該裝置對比原有刮皮機工作效率提高了C，計算公式為

在不同地段進行5組試驗，按上述公式得出刮皮率提高了50%，基本符合作業要求。

圖7 果樹刮皮效果圖Fig.7 Effect diagram of fruit trees skin curettage

5 結論

該果樹自動刮皮收集裝置的長、寬和高分別為255mm、84mm和170mm。整機具有結構簡單和攜帶方便的特點，不僅能對果樹病蟲害能起到有效的防治作用，還具有工作效率高、勞動強度低等特點。總的來說，該裝置在設計上主要具有以下的創新：

1)雙刀具設計，增大了工作面積，提高了工作效率，并對切削下來的樹皮屑起到聚攏作用。

2)刀具主體采用空心軸設計，電機直接與刀具連接運動，省掉了減速器等機構，不僅減輕了機器質量，還降低了動力傳遞過程中的能量損耗，為提高裝置在果樹自動刮皮中的工作效率提供了有力的支持。

3)增加了清潔機構，在工作過程中對刀具突刺進行清理，可防止刀具堵塞，保證刀具有效工作。

4)配置了收集裝置，用來收集切削下來的樹皮屑，避免飛濺木屑對工作人員的傷害和對環境的二次危害。