核桃捡拾机关键部件设计与分析*

孙宇杰，谷润润，刘士真，郑白开，冯 浩，尹玉心

（新疆理工学院，新疆 阿克苏 843000）

0 引言

核桃又称胡桃，是胡桃科胡桃属植物，是“木本油料之王”，也是世界四大干果之一。核桃是药食同源的果品，具有很高的营养价值及保健作用，深受广大消费者的喜爱。新疆核桃的栽培历史悠久，是最早种植核桃的地区之一，在核桃种植方面具有独特的地理和气候优势[1]。近年来人们对核桃营养价值的认知更加深入，对核桃的需求量也日益增加，同时伴随着国家政策的推动，我国核桃产业发展迅猛，核桃种植业的发展蒸蒸日上[2]。

核桃的收获环节是整个核桃种植业中的一个重要环节，整个核桃种植产业所需劳动力的35%~45%都被用于核桃捡拾。如果采收不及时，核桃的坏果率会大大增加。当前核桃机械化收获的研究成果主要集中在核桃与树体的分离上，通过振动的方式完成核桃与树体的分离并进行收集[3]。但是现有的核桃收获机体格大、灵活性不强，所以对于分散的核桃种植地无法实现高效收获，只能用于核桃树种植间隔规范、种植面积广的种植基地。当前收集核桃的方法基本上是通过人工捡拾，故设计一种捡拾、收集一体化的核桃捡拾机来实现核桃的自动化捡拾作业，提高核桃的采收效率，对促进我国核桃产业发展具有重要意义。

1 我国核桃捡拾现状

1.1 核桃捡拾效率低

目前我国的核桃捡拾设备有多个品牌、多种类型，例如可在较平整地块使用的多功能动力平台，虽然能较好地降低劳动强度，节省人力物力，但机械的实用性依然有着较大的问题[4]。

1.2 核桃收集机械化程度低

随着我国核桃产业不断发展，核桃的种植面积迅速扩大，各种与核桃相关的机械相应诞生，但落地核桃的收集捡拾仍然基本由人工完成。而人工捡拾相比于核桃收获的其他流程不仅耗时长、效率低，还会对核桃的总体品质造成一定影响[5]。

2 整体结构设计与工作原理

2.1 整体结构设计

自动化核桃捡拾机由聚拢装置、拨动与运输筛选装置、脱皮清洗装置、转向装置组成，其整机结构如图1所示。

图1 核桃捡拾机结构示意图

2.2 机器工作流程

首先，聚拢装置通过对落地核桃进行收集和第一次筛选，达到落地核桃的聚拢效果，然后再通过机器前端的收集装置使核桃进入到拨动装置里面，再进入到传送带的运输筛选装置上；其次，二次深度筛选后，再由传送带将核桃收集到漏斗上方并落入脱皮装置中，对青皮核桃和半脱落核桃进行脱皮；再次，核桃脱皮之后，再进入到清洗装置中，对脱完皮的核桃进行清洗[6]；最后，清洗完的核桃会进入倾斜通道滚入到收集箱中，通过倾斜轨道上面的小孔进行排水，完成对干净核桃的收集。

3 关键工作部件设计

3.1 聚拢装置设计

本研究釆用条形机械臂加毛刷外置视觉传感器作为聚拢部件[7]，如图2 所示。由于田间地面高低不平，振落的核桃均匀散落于行间，通过两个可以由视觉传感器或手动调节角度的机械臂将两侧的落地核桃聚拢成条形核桃带，增大核桃在地面的分布密度，保证能够更高效地聚拢核桃。

图2 聚拢装置结构示意图

机构特点：1）最大压力角为70°，最小传动角为20°；2）最小压力角为10°，最大传动角为80°。

3.2 拨动与运输筛选装置设计

拨动与运输筛选装置能够完成初步的杂质清理，拨动装置的作用有两个：1）辅助收集装置进行聚拢收集；2）对非目标杂质进行简易处理，方便后续的筛选。拨动装置的材料选定为具有一定柔韧性的橡胶材质，以避免拨动装置对核桃造成损害，保证核桃的完整性。拨动与运输筛选装置结构如图3 所示。

图3 拨动与运输筛选装置

传送带运输筛选装置作为筛选分离杂质的核心装置，采用中空型设计，将杆与杆的间隙控制在核桃的最小直径范围以内，以保证核桃在运输筛选的过程中最大限度地完成杂质的清理。同时在此过程中，运输筛选装置拥有振动功能，能够对筛选过程产生积极作用，由此实现了运输筛选的功能[8]。

3.3 脱皮清洗装置设计

核桃现有脱壳方式主要有手工、化学腐蚀、真空、超声波及机械脱壳等[9]。脱皮环节通过高速转动的刀片进行青皮切削，通过滚动使其各面被刀片均匀切削后进入清洗区，加工后的核桃通过倾斜通道进入收集箱。同时可以根据核桃品种的大小、青皮的薄厚对调节格栅和旋切刀片之间的距离进行调节，以降低破壳率，提高脱净率[10]。脱皮清洗装置如图4所示。

图4 脱皮清洗装置

4 核桃捡拾机关键部件有限元分析

切削刀片作为机器运作的重要部位，在运行过程中承受着极大的压力，可能会产生一定的形变，所以通过等效应力分析来验证结构的合理性很有必要。首先采用三维建模软件设计切削刀片的模型，然后通过Ansys软件对刀片进行有限元网格划分，如图5所示。

图5 网格划分图

4.1 静力学分析结果

4.1.1 等效应力分析

通过Ansys 分析得到如图6 所示的等效应力图，从等效应力图中可以看出刀片的最大等效应力为6.454 9×10-4MPa，远远小于合金钢的最大许用应力，由此可见在该工况下刀片符合强度要求。

图6 等效应力图

4.1.2 刀片变形分析

添加完所有约束后，经过计算机自动求解，得到刀片总变形图，如图7 所示。从总变形图中可以看出，刀片最大变形为1.235 6×10-8mm，处于比较小的状态，远远小于刀片的最大许可变形，符合刚度要求，因此该刀片设计安全可靠。

图7 总变形图

4.2 模态分析

本设计采用Ansys 分析，得到6 阶模态分析图，分别如图8、图9、图10、图11、图12、图13 所示。前6 阶模态的分析情况如表1 所示。

表1 前6阶模态分析结果

图8 模态1

图9 模态2

图10 模态3

图11 模态4

图12 模态5

图13 模态6

切削刀片干扰频率与转速的关系为：n=60f（n为转速，f为干扰频率）。

本切削刀片转速为30 rad/s，则可得出干扰频率为0.5 Hz，远小于表1 中的6 阶模态分析结果的频率，说明刀片不会出现共振现象，因而可验证得出刀片设计较为合理。

5 结论

以新疆本地的核桃特性和种植形式为研究基础，针对传统核桃捡拾带来的人力损耗及收益问题而设计出的核桃捡拾收集一体机能更加高效地完成落地核桃的收集，能够有效减少核桃收集、加工、运输的成本，大大减少了劳动力需求量，主要拥有以下几个优点：

首先，该机器具有快速拆卸的功能，不仅使得机器的清洁维护更加简便，极高的便携性也使其无论是在田地还是果园中，都可以轻松携带并进行工作。

其次，该机器集核桃聚拢装置、拨动装置、传送带运输装置、筛选装置、脱皮清洗装置、转向装置为一体，将核桃收集、杂质分离、核桃去皮等流程整合为一个整体流程，有效地减少了核桃收集、加工的时间，其相对独立的各个装置在完成工作的基础上也能极大程度地预防意外情况发生。

最后，核桃捡拾收集一体机的便携性、可调性和稳定性使其成为一种理想的收集工具，能实现新疆核桃的机械化捡拾，降低核桃生产收获成本，减少用工量，解放劳动力，顺应了新疆乃至全国核桃业的发展趋势，有利于促进全国核桃产业健康发展。