清除腐烂病灶的果树刮皮机设计
2017-12-18吴思锐孔晨星史颖刚
吴思锐，孔晨星，史颖刚，刘 利
（西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100）
清除腐烂病灶的果树刮皮机设计
吴思锐，孔晨星，史颖刚，刘 利
（西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100）
腐烂病对我国北方苹果树危害极大，刮除病变组织是腐烂病防治的重要环节，针对当前人工刮除为主的现状，设计了一款能清除腐烂病灶并收集病变残枝的果树刮皮机。刮皮机包含电机、刀具、轴承等部件，高61 mm，长167 mm；刀具轴材料为碳素钢，最小直径10 mm；轴承为6805型深沟球轴承，整机外壳材料为塑料。收集装置由硬质塑料和乙烯网组成，为不规则形状，容量为3 L。该款刮皮机在降低果农劳动强度的同时，又可降低腐烂病病菌感染率，为果农带来经济效益。
刮皮机；腐烂病；刀具设计；收集装置
腐烂病是我国北方苹果树的主要病害。植株一旦染病，会使树势衰弱、枝干枯死、整树死亡，甚至毁园。防治腐烂病的办法，除了管理预防、药剂防治外，还需要对染病果树进行刮皮，清除腐烂病灶[1-3]。传统的刮除病灶方法是用刮刀等工具纯手工去除，费事费力，并且无法收集病变组织，很可能再造成二次感染。因此，笔者设计了一种果树刮皮机，用刀具清除腐烂病灶的果树表皮，以减轻果农的劳动强度，并配套了收集装置可有效回收腐烂树皮，降低病菌的感染率，提高果农的经济效益。
1 刮皮机设计
果树刮皮机总体设计如图1所示，蓄电池1由充电插头2充电，通过电源开关4控制电机6。电机轴61通过联轴块8与刀具轴连接，带动刀具旋转，将腐烂病组织从果树上铣削干净。再由果树刮皮机收集装置，将刮下的组织收集起来，带出果园进行处理，从而降低腐烂病的传播率[4]。
1.1 电机功率计算
如图2所示，前刀面对1区木材，后刀面对2区木材，在切削速度方向作用力的合力，定义为切削力或切向力，用Fx表示，单位N[5]。因两者方向一致，所以 ：Fx=Fαx+Fγx。
在切削厚度a为零时，分开线QX以上，无木材，前刀面对1区木材作用力为零[5]。
但是，后刀面仍需克服切削平面木材的摩擦和弹塑变形，同时后刀面对2区木材的作用力仍然存在。此时，切削力F等于后刀面的切削力
x
单位切削面积A上的单位切削力（N/mm2）：
式中：Fx，切削力（N）；A，切削面积（mm2）；a，切削厚度（mm）；b，切削宽度（mm）。
单 位 切 削 力[6]p=ka·as·aw·aδ·av·ah·af·at， 则 切 削 力Fx=pab；单位切削宽度b上的单位宽度切削力Fx’=pa。
其中：纵向切削的切削方式修正系数ka=1.0；木材树种修正系数as=1.5；铣削、湿材时，木材含水率修正系数aw=0.85；切削角度修正系数aδ=1.1（50°）；10 m/s 图1 果树刮皮机整体设计 图2 刀具切削力分析 由上述分析，刀具单位切削力p =1.80 N/mm2，切削力F=72 N，刀具轴扭矩T=0.72 N·m，P=T·ω =45.2 W，得刀具轴所需功率P=45.2 W，所需电机功率Pa=P/(0.9×0.96) =48 W。 材料有关系数C=106～117[8]，由设计公式[6]计算得d≥C×（P/ω）1/3=4.47～4.94，故最小直径取10 mm。轴的各段直径D=10 mm，D1=20 mm，轴长AB=20 mm，BC=80 mm，如图3a所示。 轴在右端用弹性联轴器固定，有方向不定的径向力F0作用，取。将联轴器固定简化为铰支，作用点在小端的两个端点，相距20 mm。 由此得出刀具轴的设计参数，轴的切向力Ft=15 N，轴的径向力F0=4.5 N，轴承A、B的支反力RAY=RBY=8 N，联轴器径向力RA0=18 N、RB0=23 N，联轴器弯矩MB0=360 N·mm，刀轴的扭矩T=72 N·mm，B点弯矩MB=363 N·mm。 从图3可以看出，危险截面位于B截面处，即a图中φ10与φ20过渡处为危险截面。由资料[6]可知，有效集中应力系数Kσ=1.41，Kτ=1.15；表面状态系数β=0.85，σβ=400 ；预估尺寸系数；取寿命系KN=1。 选取刀轴的材料为碳素钢，其相应参数σB=400 N/mm2[8]。从右侧校核计算，抗弯截面系数W弯=0.1×D3=100 mm3；抗扭截面系数W扭=0.2×D3=200 mm3；σca=MB÷W弯=3.63 N/mm2<<σB=400 N/mm2， 处于安全范围。 图3 刀具轴受力分析 弯矩W=723 N·mm；扭矩T=72 N·mm；弯曲应力σb=7.23 N/mm2，σa=σb=7.23 N/mm2，σm=0；扭转应力 τ≈0.63 N/mm2，τm=τa=0.18 N/mm2；等效系数 Ψσ=0.538，Ψτ=0.82；经计算得安全系数 Sσ=14.7，St=546，S=14.96。分析结果为安全[6]。 由资料[8]知，零件配合的综合影响系数(Ka)D=1；(Kτ)D=1。从左侧开始校核计算得出，抗弯截面系数为800 mm3；抗扭截面系数为1 600 mm3；弯曲应 力 σa=σb=0.9 N/mm2，σm=0；扭 转 应 力 τ=0.045 N/mm2，τa=τm=0.023 N/mm2；安全系数 sa=200，st=3 333，S=199。分析结果为安全。 轴承选用6805型深沟球轴承，转速n=600 r/min，承受径向载荷Fr=F=72 N，轴向载荷较小可忽略。冲击载荷系数fd=1.2（轻微冲击）。由资料[8]知：6805轴承的基本额定动载荷Cr=4.3 kN。轴承的当量动载荷P=fd·Fr=86.4 N，轴承基本额定寿命：L10h=(16 670 /n)·(Cr/P)ε=3.4×106h，此寿命满足使用要求。 联轴块处的定位螺钉，选用螺栓，由资料[6,8]知，4.6级螺栓的屈服极限σsmin=240 N/mm2；σBmin=400 N/mm2；控制预紧力S=1.2；螺距P=0.8；螺纹副末端与刀具轴的摩擦系数μ=0.15；普通螺纹牙型斜角β=30°；d1=3.5 mm；d2=5mm；d0=0；预紧拉应力σ'=(0.5～0.7)σs=120～168 N/mm2；直径dc=d1-(H/6)=3.4 mm。代入数据计算得出，预紧力F '=1 088.95～1 524.53 N，T '=2 722.38～3 811.33 N·mm；螺纹升角Ψ=0.58°；当量摩擦角Pv=9.83°；螺纹力矩T1=500.14 N·m；端面摩擦力矩T2=190.57 N·mm；工作力矩 T0=72 N·mm 按第四强度理论校核： N/mm2；σEQ<[σ]。所以，螺栓强度设计安全。故定位螺钉设计，采用M=5 mm的开槽平端紧定螺钉，L定位螺钉=5 mm，材料为4.6级低碳钢，安装时的预紧力矩大于 2 722 N·mm。 果树刮皮机的整体外观如图4所示，外壳材料为塑料，手持处厚度t0为2 mm。 图4 果树刮皮机整体结构 根据调查，果树树干直径，大约分布在150～350 mm之间，为保证刮皮效果，将主刀具轴长L主刀具确定为80 mm。同时，主刀具刀柄两平面，切割2.5 mm深度，保证连接稳固可靠。 选用6805型深沟球轴承，联轴块安装轴承处的直径，为25 mm，刀具轴直径d=20 mm，联轴块大端内孔直径，为20 mm，外径为30 mm，电机轴的直径为12 mm，联轴块小端内孔的直径为12 mm，外径为22 mm。 根据果树刮皮机的动力要求，选用48 W直流电机，其主要尺寸参数为：总长99 mm，总高57 mm。一次电量充满后，果树刮皮机能工作4 h，则电池容量为 ：4×48=192 W·h。 磷酸铁锂材料电极锂电池，密度在800 W·h/L左右，故锂电池体积Vl为：192/800=0.24 L，锂电池设计成圆饼状，放置在手持部分末端。安装位置见图4，直径与电机直径dm相同，为57mm，则锂电池厚度hl=Vl/[(πd2m)/4]=51 mm。 果树刮皮机总高H=dm+2t0=61 mm。结合使用情况及电池大小，果树刮皮机总长L取 267 mm。 图5 果树刮皮机收集装置 收集装置如图5所示，前部为夹紧装置，由聚氯乙烯（PVC）材料和橡胶颗粒组成，厚度5 mm，其中橡胶颗粒是为了增大摩擦力、防止损伤果树树皮；中部由硬质塑料和乙烯网组成，塑料厚度5～8 mm，乙烯网为不规则形；后部由螺栓（M6×16）、弹簧和手柄组成，其中弹簧和果树剪一样采用3号弹簧，厚度8 mm，螺栓和手柄材质均为PVC。 收集装置由硬质塑料和乙烯网组成，为不规则形状。收集装置的后端，由弹簧和手柄组成。 根据调研可知，苹果树腐烂病一般深2～8 mm，其形状可近似认为是长30 mm、宽10 mm、深8 mm的长方体，则其体积V=30×10×8/1000=0.024 L。 根据经验，苹果树腐烂病刮下的碎屑，体积将发生变化，一般将变为原来的3倍，而果农半天时间能刮30处以上，即大概所需收集装置体积V=0.024×3×30=2.16 L。 因此，将收集装置的体积，设计为3 L。 如果用其他形状的收集装置，如圆柱形，或球体的，在保证木屑全部收集的前提下，可使用的有效面积只有装置的底部可用，故在满足体积要求的前提下，其形状会特别大，不利于腐烂病清除的狭小空间作业。其次，为了减轻收集装置的重量，便于前端加持，以及方便使用、携带，同时节约成本，其外部材料一律选用聚氯乙烯（PVC）。 对清除腐烂病灶的果树刮皮机进行了系统设计，根据刀具切削力分析，得到电机所需功率；根据刀具轴的受力分析，分别选取刀具轴、轴承和定位螺钉的尺寸和型号，并进行校核计算；确定了果树刮皮机的整体尺寸，对锂电池尺寸，以及果树刮皮机收集装置的尺寸、材料等，进行了设计。该刮皮机整体尺寸合适，手感舒适，能满足日常使用需要，大大降低果农的劳动强度，同时配备有病变残枝收集装置，能够降低腐烂病病菌的感染率，能为果农带来可观的经济效益，有较大的实用价值。 [1] 李文棣. 苹果树腐烂病防治的研究进展[J]. 烟台果树，2017，（1）：45-46. [2] 周 岩. 苹果树腐烂病研究分析[J]. 现代农业，2017，（6）：19-20. [3] 梁仰贞. 果树刮皮技术要点[J]. 致富天地，2006，（1）：26. [4] 杨 俊. 苹果树腐烂病的刀具设计[J]. 现代农业科技，2015，（1）：184-185. [5] 胡为颖，缪宗华. 木材切削力计算公式应用误差探讨[J]. 林业机械与木工设备，2001，29（6）：16-18. [6] 刘 璨，吴敬权，刘焕牢，等. 平底立铣刀的切削力尺寸效应研究及其系数估算[J]. 机械工程学报，2017，13：199-208. [7] 姜新波，李晋哲. 移动式枝桠材锯末机切削原理及力学分析[J]. 西北林学院学报，2015，30（4）：267-270. [8] 王东寅，杨建玺，孙渊涛，等. 小模数滚齿机用电主轴的设计与研究[J]. 机床与液压，2015，（1）：28-31. Design of Tool for Fruit Tree Valsa Canker Curettage WU Si-rui，KONG Chen-xing，SHI Ying-gang，LIU Li Valsa canker is extremely harmful to the apple tree in the north of China, scraping the diseased tissue is an important part of prevention and treatment of Valsa canker. In view of the current phenomenon of artificial curettage, a fruit tree that can remove rotten lesions and collect diseased branches is designed Shaving machine. The shaving machine includes motors, knives, bearings and other components; it is 61 mm in height and 167 mm in length. The tool shaft is made of carbon steel with a minimum diameter of 10 mm. The bearing is a 6805 deep groove ball bearing. The material of the whole housing is plastic. The collection device consists of a rigid plastic and vinyl mesh with an irregular shape, a capacity of 3 L. While reducing the labor intensity of fruit growers, it can also reduce the infection rate of Valsa canker pathogens and bring economic benefits to the growers. scraping machine; Valsa canker; cutting tool design; collecting device S224.9 A 1006-060X（2017）11-0050-04 10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.011.014 2017-08-20 2017年西北农林科技大学教育教学改革研究项目（JY17 02022） 吴思锐（1997-），女，陕西宝鸡市人，本科生，专业：农业机械化及其自动化。 史颖刚 （责任编辑：成 平）
1.2 刀具轴设计校核
1.3 轴承选择与计算
1.4 定位螺钉选择与计算
1.5 尺寸确定
2 病变残枝收集装置设计
3 总 结
（College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, PRC）
