核桃撿拾機關鍵部件設計與分析*

孫宇杰，谷潤潤，劉士真，鄭白開，馮 浩，尹玉心

（新疆理工學院，新疆 阿克蘇 843000）

0 引言

核桃又稱胡桃，是胡桃科胡桃屬植物，是“木本油料之王”，也是世界四大干果之一。核桃是藥食同源的果品，具有很高的營養價值及保健作用，深受廣大消費者的喜愛。新疆核桃的栽培歷史悠久，是最早種植核桃的地區之一，在核桃種植方面具有獨特的地理和氣候優勢[1]。近年來人們對核桃營養價值的認知更加深入，對核桃的需求量也日益增加，同時伴隨著國家政策的推動，我國核桃產業發展迅猛，核桃種植業的發展蒸蒸日上[2]。

核桃的收獲環節是整個核桃種植業中的一個重要環節，整個核桃種植產業所需勞動力的35%~45%都被用于核桃撿拾。如果采收不及時，核桃的壞果率會大大增加。當前核桃機械化收獲的研究成果主要集中在核桃與樹體的分離上，通過振動的方式完成核桃與樹體的分離并進行收集[3]。但是現有的核桃收獲機體格大、靈活性不強，所以對于分散的核桃種植地無法實現高效收獲，只能用于核桃樹種植間隔規范、種植面積廣的種植基地。當前收集核桃的方法基本上是通過人工撿拾，故設計一種撿拾、收集一體化的核桃撿拾機來實現核桃的自動化撿拾作業，提高核桃的采收效率，對促進我國核桃產業發展具有重要意義。

1 我國核桃撿拾現狀

1.1 核桃撿拾效率低

目前我國的核桃撿拾設備有多個品牌、多種類型，例如可在較平整地塊使用的多功能動力平臺，雖然能較好地降低勞動強度，節省人力物力，但機械的實用性依然有著較大的問題[4]。

1.2 核桃收集機械化程度低

隨著我國核桃產業不斷發展，核桃的種植面積迅速擴大，各種與核桃相關的機械相應誕生，但落地核桃的收集撿拾仍然基本由人工完成。而人工撿拾相比于核桃收獲的其他流程不僅耗時長、效率低，還會對核桃的總體品質造成一定影響[5]。

2 整體結構設計與工作原理

2.1 整體結構設計

自動化核桃撿拾機由聚攏裝置、撥動與運輸篩選裝置、脫皮清洗裝置、轉向裝置組成，其整機結構如圖1所示。

圖1 核桃撿拾機結構示意圖

2.2 機器工作流程

首先，聚攏裝置通過對落地核桃進行收集和第一次篩選，達到落地核桃的聚攏效果，然后再通過機器前端的收集裝置使核桃進入到撥動裝置里面，再進入到傳送帶的運輸篩選裝置上；其次，二次深度篩選后，再由傳送帶將核桃收集到漏斗上方并落入脫皮裝置中，對青皮核桃和半脫落核桃進行脫皮；再次，核桃脫皮之后，再進入到清洗裝置中，對脫完皮的核桃進行清洗[6]；最后，清洗完的核桃會進入傾斜通道滾入到收集箱中，通過傾斜軌道上面的小孔進行排水，完成對干凈核桃的收集。

3 關鍵工作部件設計

3.1 聚攏裝置設計

本研究釆用條形機械臂加毛刷外置視覺傳感器作為聚攏部件[7]，如圖2 所示。由于田間地面高低不平，振落的核桃均勻散落于行間，通過兩個可以由視覺傳感器或手動調節角度的機械臂將兩側的落地核桃聚攏成條形核桃帶，增大核桃在地面的分布密度，保證能夠更高效地聚攏核桃。

圖2 聚攏裝置結構示意圖

機構特點：1）最大壓力角為70°，最小傳動角為20°；2）最小壓力角為10°，最大傳動角為80°。

3.2 撥動與運輸篩選裝置設計

撥動與運輸篩選裝置能夠完成初步的雜質清理，撥動裝置的作用有兩個：1）輔助收集裝置進行聚攏收集；2）對非目標雜質進行簡易處理，方便后續的篩選。撥動裝置的材料選定為具有一定柔韌性的橡膠材質，以避免撥動裝置對核桃造成損害，保證核桃的完整性。撥動與運輸篩選裝置結構如圖3 所示。

圖3 撥動與運輸篩選裝置

傳送帶運輸篩選裝置作為篩選分離雜質的核心裝置，采用中空型設計，將桿與桿的間隙控制在核桃的最小直徑范圍以內，以保證核桃在運輸篩選的過程中最大限度地完成雜質的清理。同時在此過程中，運輸篩選裝置擁有振動功能，能夠對篩選過程產生積極作用，由此實現了運輸篩選的功能[8]。

3.3 脫皮清洗裝置設計

核桃現有脫殼方式主要有手工、化學腐蝕、真空、超聲波及機械脫殼等[9]。脫皮環節通過高速轉動的刀片進行青皮切削，通過滾動使其各面被刀片均勻切削后進入清洗區，加工后的核桃通過傾斜通道進入收集箱。同時可以根據核桃品種的大小、青皮的薄厚對調節格柵和旋切刀片之間的距離進行調節，以降低破殼率，提高脫凈率[10]。脫皮清洗裝置如圖4所示。

圖4 脫皮清洗裝置

4 核桃撿拾機關鍵部件有限元分析

切削刀片作為機器運作的重要部位，在運行過程中承受著極大的壓力，可能會產生一定的形變，所以通過等效應力分析來驗證結構的合理性很有必要。首先采用三維建模軟件設計切削刀片的模型，然后通過Ansys軟件對刀片進行有限元網格劃分，如圖5所示。

圖5 網格劃分圖

4.1 靜力學分析結果

4.1.1 等效應力分析

通過Ansys 分析得到如圖6 所示的等效應力圖，從等效應力圖中可以看出刀片的最大等效應力為6.454 9×10-4MPa，遠遠小于合金鋼的最大許用應力，由此可見在該工況下刀片符合強度要求。

圖6 等效應力圖

4.1.2 刀片變形分析

添加完所有約束后，經過計算機自動求解，得到刀片總變形圖，如圖7 所示。從總變形圖中可以看出，刀片最大變形為1.235 6×10-8mm，處于比較小的狀態，遠遠小于刀片的最大許可變形，符合剛度要求，因此該刀片設計安全可靠。

圖7 總變形圖

4.2 模態分析

本設計采用Ansys 分析，得到6 階模態分析圖，分別如圖8、圖9、圖10、圖11、圖12、圖13 所示。前6 階模態的分析情況如表1 所示。

表1 前6階模態分析結果

圖8 模態1

圖9 模態2

圖10 模態3

圖11 模態4

圖12 模態5

圖13 模態6

切削刀片干擾頻率與轉速的關系為：n=60f（n為轉速，f為干擾頻率）。

本切削刀片轉速為30 rad/s，則可得出干擾頻率為0.5 Hz，遠小于表1 中的6 階模態分析結果的頻率，說明刀片不會出現共振現象，因而可驗證得出刀片設計較為合理。

5 結論

以新疆本地的核桃特性和種植形式為研究基礎，針對傳統核桃撿拾帶來的人力損耗及收益問題而設計出的核桃撿拾收集一體機能更加高效地完成落地核桃的收集，能夠有效減少核桃收集、加工、運輸的成本，大大減少了勞動力需求量，主要擁有以下幾個優點：

首先，該機器具有快速拆卸的功能，不僅使得機器的清潔維護更加簡便，極高的便攜性也使其無論是在田地還是果園中，都可以輕松攜帶并進行工作。

其次，該機器集核桃聚攏裝置、撥動裝置、傳送帶運輸裝置、篩選裝置、脫皮清洗裝置、轉向裝置為一體，將核桃收集、雜質分離、核桃去皮等流程整合為一個整體流程，有效地減少了核桃收集、加工的時間，其相對獨立的各個裝置在完成工作的基礎上也能極大程度地預防意外情況發生。

最后，核桃撿拾收集一體機的便攜性、可調性和穩定性使其成為一種理想的收集工具，能實現新疆核桃的機械化撿拾，降低核桃生產收獲成本，減少用工量，解放勞動力，順應了新疆乃至全國核桃業的發展趨勢，有利于促進全國核桃產業健康發展。