王春霞，王 偉，劉媛媛，王旭峰

(1.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

果樹在生長(zhǎng)過程中，隨著樹齡的增長(zhǎng)，樹皮隨之變老變粗，粗老樹皮阻礙水分和養(yǎng)分的輸入，影響木質(zhì)的加粗生長(zhǎng)，干老粗皮和翹皮縫隙常是害蟲越冬的主要場(chǎng)所[1-3]。果樹病蟲害的傳染性很強(qiáng)，一旦發(fā)生，可能會(huì)對(duì)整個(gè)果園形成危害。果樹病蟲害的防治中，利用化學(xué)農(nóng)藥防治果樹病蟲害雖然快速、高效，但長(zhǎng)期使用會(huì)對(duì)果品和環(huán)境造成嚴(yán)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(huán)節(jié)。實(shí)踐表明，果樹刮皮不但可以恢復(fù)樹體元?dú)?，還能治病救樹，提高果樹產(chǎn)量與質(zhì)量[10-11]。

果樹刮皮時(shí)適宜在初春或秋末進(jìn)行，以防樹體被凍壞[12-14]。刮除粗老皮的傳統(tǒng)工具為刮皮刀，形狀像帶手柄的小鋤頭，但比較費(fèi)力、效率低。近年來，電動(dòng)刮皮機(jī)也開始推廣使用，該類刮皮機(jī)是用手握小型電機(jī)帶動(dòng)固定轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的多個(gè)與電機(jī)軸平行的直楞刀刃，以轉(zhuǎn)動(dòng)的直楞刀刃磨刮樹皮，其優(yōu)點(diǎn)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(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了一種適宜于初春或秋末進(jìn)行工作的多功能果樹刮皮收集裝置，該刮皮機(jī)采用雙刀具設(shè)計(jì)，兩刀具相向旋轉(zhuǎn)，增加了工作面積，使切削下來的樹皮屑有一個(gè)定向作用。該刮皮機(jī)還配置了收集機(jī)構(gòu)，主要對(duì)切削的樹皮屑進(jìn)行收集，并集中銷毀，以防止二次污染。

1 刮皮機(jī)的結(jié)構(gòu)型式與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)型式

本文設(shè)計(jì)的果樹自動(dòng)刮皮收集裝置，主要由動(dòng)力機(jī)構(gòu)、刀具、收集機(jī)構(gòu)和清潔機(jī)構(gòu)4部分組成，如圖1所示，三維模型圖如圖2所示。動(dòng)力機(jī)構(gòu)使用步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力源，收集機(jī)構(gòu)由副機(jī)殼(收集罩)、鼓風(fēng)機(jī)及主機(jī)殼等組成。其中：步進(jìn)電機(jī)支座通過螺釘固定在副機(jī)殼上，輸出軸與前卡槽用平鍵相連接；每個(gè)刀具與前后卡槽固定，并在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)；副機(jī)殼與主機(jī)殼通過螺釘相連接，且鼓風(fēng)機(jī)通過U型螺栓固定在副機(jī)殼的一側(cè)；主機(jī)殼與機(jī)蓋相連接，主機(jī)殼和副機(jī)殼通過深溝球軸承分別與前后卡槽相連接。該刮皮機(jī)采用雙刀具布局的型式，兩個(gè)刀具分別由兩個(gè)電機(jī)控制。

1.2 工作原理

動(dòng)力源由步進(jìn)電機(jī)提供，工作時(shí)，按下電源開關(guān)，電機(jī)輸出軸通過前后卡槽帶動(dòng)刀具轉(zhuǎn)動(dòng)；刀具在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)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(jī)殼內(nèi)測(cè)安裝有兩個(gè)貼合刀具的條形鋼刷，在刀具旋轉(zhuǎn)過程中對(duì)堵塞在刀具突刺上的樹皮屑進(jìn)行清理，保證刀具有效工作；最后，切削下來的樹皮屑進(jìn)入到收集箱，從而完成整個(gè)刮皮過程。

1.鼓風(fēng)機(jī) 2.步進(jìn)電機(jī) 3.前卡槽 4.機(jī)蓋 5.后卡槽 6.主機(jī)殼 7.刀具 8.條形鋼刷 9.副機(jī)殼 10.U型螺栓圖1 果樹自動(dòng)刮皮收集裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic diagram of automatic peeling collection device for fruit trees

圖2 果樹自動(dòng)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(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力機(jī)構(gòu)

本設(shè)計(jì)主要由步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，采用2個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別帶動(dòng)2個(gè)刀具旋轉(zhuǎn)剝刮樹皮。動(dòng)力機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)、深溝球軸承、前后卡槽、鍵和電機(jī)保護(hù)殼等，如圖3所示。工作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)前卡槽旋轉(zhuǎn)進(jìn)而帶動(dòng)刀具工作，刀具旋轉(zhuǎn)速度通過步進(jìn)電機(jī)控制器進(jìn)行調(diào)速。電機(jī)直接與刀具連接運(yùn)動(dòng)，減少了減速器等機(jī)構(gòu)，不僅減少了機(jī)器質(zhì)量，也降低了動(dòng)力傳遞過程中的能量損耗，提高了果樹自動(dòng)刮皮收集裝置的工作效率。

1.步進(jìn)電機(jī) 2.鍵 3.前卡槽 4.刀具 5.深溝球軸承 6.電機(jī)保護(hù)殼圖3 動(dòng)力機(jī)構(gòu)Fig.3 The schematic diagram of power mechanism

2.2 刀具設(shè)計(jì)

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(cè)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(zhǎng)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(yōu)點(diǎn)，可有效地防止因刮切阻力過大引起死機(jī)現(xiàn)象。刀具的突刺朝向同一方，與刀體徑向夾角約為60°，且兩個(gè)刀具向突刺傾斜方向同時(shí)旋轉(zhuǎn)，即相向旋轉(zhuǎn)。該裝置刀具的獨(dú)特設(shè)計(jì)增大了工作面積，提高工作效率，并對(duì)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(jù)工作狀態(tài)和刀具切削狀態(tài)，可以看成為一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸(工作時(shí)只承受扭矩)。

扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為

式中τT—軸材料的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力(MPa)；

WT—軸的抗扭矩截面系數(shù)(mm3)；

T—軸所傳遞的扭矩(N·m)；

n—軸的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)切應(yīng)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(duì)于空心軸來說，則有

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

應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)軸截面上開有鍵槽時(shí)，應(yīng)增大軸頸以考慮鍵槽對(duì)軸強(qiáng)度的削弱。對(duì)于直徑d>100mm的軸，有一個(gè)鍵槽，軸徑增大3%；兩個(gè)鍵槽7%。對(duì)于直徑d≤100mm，有一個(gè)增大5%～7%，兩個(gè)10%～15%。然后將軸徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)徑的槽，軸徑應(yīng)加大15%，則d=28.75mm。

把計(jì)算直徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑：因?yàn)檩S徑均屬于有配合要求的軸，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)取標(biāo)準(zhǔn)直徑為d=35mm，d1=25mm。

經(jīng)過扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核，刀具的尺寸與材料合格。

2.3 清潔機(jī)構(gòu)

由于工作對(duì)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(zhì)量，減少機(jī)器的使用壽命，因此該設(shè)計(jì)增加了清潔機(jī)構(gòu)，如圖5所示。在主機(jī)殼上安裝了兩個(gè)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(jìn)入收集裝置。

1.條形鋼刷 2.刀具圖5 清潔機(jī)構(gòu)Fig.5 The schematic diagram of cleaning mechanism

2.4 收集機(jī)構(gòu)

切削下的樹皮屑中可能含有還沒有殺死的蟲卵，會(huì)對(duì)果樹造成二次危害；且飛濺的樹皮屑對(duì)工作人員可能造成傷害，因此該裝置增加了收集機(jī)構(gòu)，包括鼓風(fēng)機(jī)、副機(jī)殼和主機(jī)殼等，如圖6所示。

收集機(jī)構(gòu)主要是對(duì)切削下來的樹皮屑進(jìn)行收集，且在副機(jī)殼上增加鼓風(fēng)機(jī)，以加快樹皮屑的滑落，防止堵塞。

3 標(biāo)準(zhǔn)件的選擇

3.1 風(fēng)機(jī)的選擇

選擇風(fēng)機(jī)應(yīng)考慮散熱、耗能、平穩(wěn)性等方面。由于該刮皮裝置的設(shè)計(jì)尺寸較小，在滿足風(fēng)速、風(fēng)壓等參數(shù)要求下盡可能選擇微型鼓風(fēng)機(jī)。為了滿足生產(chǎn)要求，根據(jù)蒲福風(fēng)級(jí)(見表2)，選擇6級(jí)風(fēng)速，對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)型號(hào)為BU4020H。

3.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇

為了滿足持續(xù)高速工作的要求，選用二相混合式步進(jìn)電機(jī)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n為1 000r/min。表3為相應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)及參數(shù)。

表3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)及參數(shù)Table 3 The model and parameters of the stepping motor

4 試驗(yàn)結(jié)果

選擇新疆維吾爾自治區(qū)阿拉爾市塔里木大學(xué)校園西區(qū)，種植的小面積梨樹，在春季時(shí)刮除粗老樹皮進(jìn)行管理，以此作為試驗(yàn)地點(diǎn)，在試驗(yàn)區(qū)域記錄裝置在平穩(wěn)作業(yè)時(shí)每小時(shí)的刮皮數(shù)量。

根據(jù)調(diào)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(wěn)固可靠，機(jī)具試驗(yàn)條件如表4所示。

表4 機(jī)具試驗(yàn)條件Table 4 Test conditions for machine tools

由于還沒有果樹刮皮機(jī)相關(guān)的試驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，本文將果樹刮皮數(shù)量作為試驗(yàn)指標(biāo)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)定?，F(xiàn)有的果樹刮皮機(jī)每小時(shí)約刮C1棵樹，而本機(jī)經(jīng)試驗(yàn)得約每小時(shí)平均可刮C2棵樹，該裝置對(duì)比原有刮皮機(jī)工作效率提高了C，計(jì)算公式為

在不同地段進(jìn)行5組試驗(yàn)，按上述公式得出刮皮率提高了50%，基本符合作業(yè)要求。

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

5 結(jié)論

該果樹自動(dòng)刮皮收集裝置的長(zhǎng)、寬和高分別為255mm、84mm和170mm。整機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和攜帶方便的特點(diǎn)，不僅能對(duì)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(dòng)強(qiáng)度低等特點(diǎn)。總的來說，該裝置在設(shè)計(jì)上主要具有以下的創(chuàng)新：

1)雙刀具設(shè)計(jì)，增大了工作面積，提高了工作效率，并對(duì)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(shè)計(jì)，電機(jī)直接與刀具連接運(yùn)動(dòng)，省掉了減速器等機(jī)構(gòu)，不僅減輕了機(jī)器質(zhì)量，還降低了動(dòng)力傳遞過程中的能量損耗，為提高裝置在果樹自動(dòng)刮皮中的工作效率提供了有力的支持。

3)增加了清潔機(jī)構(gòu)，在工作過程中對(duì)刀具突刺進(jìn)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(duì)工作人員的傷害和對(duì)環(huán)境的二次危害。