果树自动刮皮收集装置设计

王春霞，王 伟，刘媛媛，王旭峰

(1.塔里木大学 机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300；2.新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔 843300)

0 引言

果树在生长过程中，随着树龄的增长，树皮随之变老变粗，粗老树皮阻碍水分和养分的输入，影响木质的加粗生长，干老粗皮和翘皮缝隙常是害虫越冬的主要场所[1-3]。果树病虫害的传染性很强，一旦发生，可能会对整个果园形成危害。果树病虫害的防治中，利用化学农药防治果树病虫害虽然快速、高效，但长期使用会对果品和环境造成严重污染[4-9]，刮除粗老皮也是病虫害综合防治的主要措施之一，是林园管理中不可缺少的工作环节。实践表明，果树刮皮不但可以恢复树体元气，还能治病救树，提高果树产量与质量[10-11]。

果树刮皮时适宜在初春或秋末进行，以防树体被冻坏[12-14]。刮除粗老皮的传统工具为刮皮刀，形状像带手柄的小锄头，但比较费力、效率低。近年来，电动刮皮机也开始推广使用，该类刮皮机是用手握小型电机带动固定转动轴上的多个与电机轴平行的直楞刀刃，以转动的直楞刀刃磨刮树皮，其优点是省力、效率高，但不具备收集树皮屑的功能，并且树皮屑飞溅无定向[15-17]。

针对上述问题，设计了一种适宜于初春或秋末进行工作的多功能果树刮皮收集装置，该刮皮机采用双刀具设计，两刀具相向旋转，增加了工作面积，使切削下来的树皮屑有一个定向作用。该刮皮机还配置了收集机构，主要对切削的树皮屑进行收集，并集中销毁，以防止二次污染。

1 刮皮机的结构型式与工作原理

1.1 结构型式

本文设计的果树自动刮皮收集装置，主要由动力机构、刀具、收集机构和清洁机构4部分组成，如图1所示，三维模型图如图2所示。动力机构使用步进电机为动力源，收集机构由副机壳(收集罩)、鼓风机及主机壳等组成。其中：步进电机支座通过螺钉固定在副机壳上，输出轴与前卡槽用平键相连接；每个刀具与前后卡槽固定，并在步进电机的带动下旋转；副机壳与主机壳通过螺钉相连接，且鼓风机通过U型螺栓固定在副机壳的一侧；主机壳与机盖相连接，主机壳和副机壳通过深沟球轴承分别与前后卡槽相连接。该刮皮机采用双刀具布局的型式，两个刀具分别由两个电机控制。

1.2 工作原理

动力源由步进电机提供，工作时，按下电源开关，电机输出轴通过前后卡槽带动刀具转动；刀具在高速旋转时与果树接触，刮除果树枝干上的病斑、粗皮，磨除果树越冬轮纹病源。切削下来的树皮屑含有水分，为了防止树皮屑贴到刀具缝隙中，在主机壳内测安装有两个贴合刀具的条形钢刷，在刀具旋转过程中对堵塞在刀具突刺上的树皮屑进行清理，保证刀具有效工作；最后，切削下来的树皮屑进入到收集箱，从而完成整个刮皮过程。

1.鼓风机 2.步进电机 3.前卡槽 4.机盖 5.后卡槽 6.主机壳 7.刀具 8.条形钢刷 9.副机壳 10.U型螺栓图1 果树自动刮皮收集装置结构示意图Fig.1 The schematic diagram of automatic peeling collection device for fruit trees

图2 果树自动刮皮收集装置三维图

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

2 关键部件设计

2.1 动力机构

本设计主要由步进电机提供动力，采用2个步进电机分别带动2个刀具旋转剥刮树皮。动力机构包括步进电机、深沟球轴承、前后卡槽、键和电机保护壳等，如图3所示。工作时，步进电机旋转带动前卡槽旋转进而带动刀具工作，刀具旋转速度通过步进电机控制器进行调速。电机直接与刀具连接运动，减少了减速器等机构，不仅减少了机器质量，也降低了动力传递过程中的能量损耗，提高了果树自动刮皮收集装置的工作效率。

1.步进电机 2.键 3.前卡槽 4.刀具 5.深沟球轴承 6.电机保护壳图3 动力机构Fig.3 The schematic diagram of power mechanism

2.2 刀具设计

本文采用双刀具布局形式，刀体为圆柱型空心轴，沿刀体的侧壁开有突刺，如图4所示。

图4 刀具Fig.4 The schematic diagram of tool

刀体大小径分别为35mm和25mm，总长150mm，材料选45钢，其上有高度约为6mm的三棱锥形突刺，与常用的直愣刀刃比较具有减小刮切阻力的优点，可有效地防止因刮切阻力过大引起死机现象。刀具的突刺朝向同一方，与刀体径向夹角约为60°，且两个刀具向突刺倾斜方向同时旋转，即相向旋转。该装置刀具的独特设计增大了工作面积，提高工作效率，并对切削下来的树皮屑有向收集罩聚拢的作用。

刀具为空心轴，根据工作状态和刀具切削状态，可以看成为一个转动轴(工作时只承受扭矩)。

扭转强度条件为

式中τT—轴材料的扭转切应力(MPa)；

WT—轴的抗扭矩截面系数(mm3)；

T—轴所传递的扭矩(N·m)；

n—轴的转速(r/min)；

P—轴传递的功率(kW)；

d—轴的最小直径(mm)；

[τT]—轴材料的许用扭转切应力(MPa)。

轴常用的几种材料，如表1所示。

表1 轴常用几种材料的[τΤ]及A0值Table 1 [τΤ]and A0 values of several materials commonly used for shafts

由上式可得轴的直径为

其中

查表1，对于空心轴来说，则有

其中，β=0.5～0.6,即空心轴的内径d1与外径d之比，通常取β=0.5～0.6。

应当指出，当轴截面上开有键槽时，应增大轴颈以考虑键槽对轴强度的削弱。对于直径d>100mm的轴，有一个键槽，轴径增大3%；两个键槽7%。对于直径d≤100mm，有一个增大5%～7%，两个10%～15%。然后将轴径圆整为标准直径，这样求出的直径，只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径dmin。

所以，滚子轴的直径为25mm。

考虑到刀具外径的突刺与内径的槽，轴径应加大15%，则d=28.75mm。

把计算直径圆整为标准直径：因为轴径均属于有配合要求的轴，查机械设计手册取标准直径为d=35mm，d1=25mm。

经过扭转强度校核，刀具的尺寸与材料合格。

2.3 清洁机构

由于工作对象是含有水分的树皮，切削下来的树皮屑容易贴到刀具缝隙中，影响刮皮效率和刮皮质量，减少机器的使用寿命，因此该设计增加了清洁机构，如图5所示。在主机壳上安装了两个条形钢刷，钢刷的钢丝与突刺接触，被条形钢刷清理下来的树皮屑进入收集装置。

1.条形钢刷 2.刀具图5 清洁机构Fig.5 The schematic diagram of cleaning mechanism

2.4 收集机构

切削下的树皮屑中可能含有还没有杀死的虫卵，会对果树造成二次危害；且飞溅的树皮屑对工作人员可能造成伤害，因此该装置增加了收集机构，包括鼓风机、副机壳和主机壳等，如图6所示。

收集机构主要是对切削下来的树皮屑进行收集，且在副机壳上增加鼓风机，以加快树皮屑的滑落，防止堵塞。

3 标准件的选择

3.1 风机的选择

选择风机应考虑散热、耗能、平稳性等方面。由于该刮皮装置的设计尺寸较小，在满足风速、风压等参数要求下尽可能选择微型鼓风机。为了满足生产要求，根据蒲福风级(见表2)，选择6级风速，对应风机型号为BU4020H。

3.2 步进电机的选择

为了满足持续高速工作的要求，选用二相混合式步进电机，电动机的转速n为1 000r/min。表3为相应步进电机的型号及参数。

表3 步进电动机的型号及参数Table 3 The model and parameters of the stepping motor

4 试验结果

选择新疆维吾尔自治区阿拉尔市塔里木大学校园西区，种植的小面积梨树，在春季时刮除粗老树皮进行管理，以此作为试验地点，在试验区域记录装置在平稳作业时每小时的刮皮数量。

根据调查，果树树干直径大约分布在 150～350mm 之间，果树腐烂病一般深 2～8mm，为保证刮皮效果，切割 2mm 深度，保证连接稳固可靠，机具试验条件如表4所示。

表4 机具试验条件Table 4 Test conditions for machine tools

由于还没有果树刮皮机相关的试验检测标准，本文将果树刮皮数量作为试验指标对样机进行测定。现有的果树刮皮机每小时约刮C1棵树，而本机经试验得约每小时平均可刮C2棵树，该装置对比原有刮皮机工作效率提高了C，计算公式为

在不同地段进行5组试验，按上述公式得出刮皮率提高了50%，基本符合作业要求。

图7 果树刮皮效果图Fig.7 Effect diagram of fruit trees skin curettage

5 结论

该果树自动刮皮收集装置的长、宽和高分别为255mm、84mm和170mm。整机具有结构简单和携带方便的特点，不仅能对果树病虫害能起到有效的防治作用，还具有工作效率高、劳动强度低等特点。总的来说，该装置在设计上主要具有以下的创新：

1)双刀具设计，增大了工作面积，提高了工作效率，并对切削下来的树皮屑起到聚拢作用。

2)刀具主体采用空心轴设计，电机直接与刀具连接运动，省掉了减速器等机构，不仅减轻了机器质量，还降低了动力传递过程中的能量损耗，为提高装置在果树自动刮皮中的工作效率提供了有力的支持。

3)增加了清洁机构，在工作过程中对刀具突刺进行清理，可防止刀具堵塞，保证刀具有效工作。

4)配置了收集装置，用来收集切削下来的树皮屑，避免飞溅木屑对工作人员的伤害和对环境的二次危害。