?吳思銳，孔晨星，史穎剛，劉 利?

（西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

清除腐爛病灶的果樹刮皮機(jī)設(shè)計(jì)

吳思銳，孔晨星，史穎剛，劉 利

（西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

腐爛病對(duì)我國(guó)北方蘋果樹危害極大，刮除病變組織是腐爛病防治的重要環(huán)節(jié)，針對(duì)當(dāng)前人工刮除為主的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一款能清除腐爛病灶并收集病變殘枝的果樹刮皮機(jī)。刮皮機(jī)包含電機(jī)、刀具、軸承等部件，高61 mm，長(zhǎng)167 mm；刀具軸材料為碳素鋼，最小直徑10 mm；軸承為6805型深溝球軸承，整機(jī)外殼材料為塑料。收集裝置由硬質(zhì)塑料和乙烯網(wǎng)組成，為不規(guī)則形狀，容量為3 L。該款刮皮機(jī)在降低果農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，又可降低腐爛病病菌感染率，為果農(nóng)帶來經(jīng)濟(jì)效益。

刮皮機(jī)；腐爛?。坏毒咴O(shè)計(jì)；收集裝置

腐爛病是我國(guó)北方蘋果樹的主要病害。植株一旦染病，會(huì)使樹勢(shì)衰弱、枝干枯死、整樹死亡，甚至毀園。防治腐爛病的辦法，除了管理預(yù)防、藥劑防治外，還需要對(duì)染病果樹進(jìn)行刮皮，清除腐爛病灶[1-3]。傳統(tǒng)的刮除病灶方法是用刮刀等工具純手工去除，費(fèi)事費(fèi)力，并且無法收集病變組織，很可能再造成二次感染。因此，筆者設(shè)計(jì)了一種果樹刮皮機(jī)，用刀具清除腐爛病灶的果樹表皮，以減輕果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，并配套了收集裝置可有效回收腐爛樹皮，降低病菌的感染率，提高果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 刮皮機(jī)設(shè)計(jì)

果樹刮皮機(jī)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，蓄電池1由充電插頭2充電，通過電源開關(guān)4控制電機(jī)6。電機(jī)軸61通過聯(lián)軸塊8與刀具軸連接，帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，將腐爛病組織從果樹上銑削干凈。再由果樹刮皮機(jī)收集裝置，將刮下的組織收集起來，帶出果園進(jìn)行處理，從而降低腐爛病的傳播率[4]。

1.1 電機(jī)功率計(jì)算

如圖2所示，前刀面對(duì)1區(qū)木材，后刀面對(duì)2區(qū)木材，在切削速度方向作用力的合力，定義為切削力或切向力，用Fx表示，單位N[5]。因兩者方向一致，所以 ：Fx=Fαx+Fγx。

在切削厚度a為零時(shí)，分開線QX以上，無木材，前刀面對(duì)1區(qū)木材作用力為零[5]。

但是，后刀面仍需克服切削平面木材的摩擦和彈塑變形，同時(shí)后刀面對(duì)2區(qū)木材的作用力仍然存在。此時(shí)，切削力F等于后刀面的切削力

x

單位切削面積A上的單位切削力（N/mm2）：

式中：Fx，切削力（N）；A，切削面積（mm2）；a，切削厚度（mm）；b，切削寬度（mm）。

單 位 切 削 力[6]p=ka·as·aw·aδ·av·ah·af·at， 則 切 削 力Fx=pab；單位切削寬度b上的單位寬度切削力Fx’=pa。

其中：縱向切削的切削方式修正系數(shù)ka=1.0；木材樹種修正系數(shù)as=1.5；銑削、濕材時(shí)，木材含水率修正系數(shù)aw=0.85；切削角度修正系數(shù)aδ=1.1（50°）；10 m/s

圖1 果樹刮皮機(jī)整體設(shè)計(jì)

圖2 刀具切削力分析

由上述分析，刀具單位切削力p =1.80 N/mm2，切削力F=72 N，刀具軸扭矩T=0.72 N·m，P=T·ω =45.2 W，得刀具軸所需功率P=45.2 W，所需電機(jī)功率Pa=P/(0.9×0.96) =48 W。

1.2 刀具軸設(shè)計(jì)校核

材料有關(guān)系數(shù)C=106～117[8]，由設(shè)計(jì)公式[6]計(jì)算得d≥C×（P/ω）1/3=4.47～4.94，故最小直徑取10 mm。軸的各段直徑D=10 mm，D1=20 mm，軸長(zhǎng)AB=20 mm，BC=80 mm，如圖3a所示。

軸在右端用彈性聯(lián)軸器固定，有方向不定的徑向力F0作用，取。將聯(lián)軸器固定簡(jiǎn)化為鉸支，作用點(diǎn)在小端的兩個(gè)端點(diǎn)，相距20 mm。

由此得出刀具軸的設(shè)計(jì)參數(shù)，軸的切向力Ft=15 N，軸的徑向力F0=4.5 N，軸承A、B的支反力RAY=RBY=8 N，聯(lián)軸器徑向力RA0=18 N、RB0=23 N，聯(lián)軸器彎矩MB0=360 N·mm，刀軸的扭矩T=72 N·mm，B點(diǎn)彎矩MB=363 N·mm。

從圖3可以看出，危險(xiǎn)截面位于B截面處，即a圖中φ10與φ20過渡處為危險(xiǎn)截面。由資料[6]可知，有效集中應(yīng)力系數(shù)Kσ=1.41，Kτ=1.15；表面狀態(tài)系數(shù)β=0.85，σβ=400 ；預(yù)估尺寸系數(shù)；取壽命系KN=1。

選取刀軸的材料為碳素鋼，其相應(yīng)參數(shù)σB=400 N/mm2[8]。從右側(cè)校核計(jì)算，抗彎截面系數(shù)W彎=0.1×D3=100 mm3；抗扭截面系數(shù)W扭=0.2×D3=200 mm3；σca=MB÷W彎=3.63 N/mm2<<σB=400 N/mm2， 處于安全范圍。

圖3 刀具軸受力分析

彎矩W=723 N·mm；扭矩T=72 N·mm；彎曲應(yīng)力σb=7.23 N/mm2，σa=σb=7.23 N/mm2，σm=0；扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 τ≈0.63 N/mm2，τm=τa=0.18 N/mm2；等效系數(shù) Ψσ=0.538，Ψτ=0.82；經(jīng)計(jì)算得安全系數(shù) Sσ=14.7，St=546，S=14.96。分析結(jié)果為安全[6]。

由資料[8]知，零件配合的綜合影響系數(shù)(Ka)D=1；(Kτ)D=1。從左側(cè)開始校核計(jì)算得出，抗彎截面系數(shù)為800 mm3；抗扭截面系數(shù)為1 600 mm3；彎曲應(yīng) 力 σa=σb=0.9 N/mm2，σm=0；扭 轉(zhuǎn) 應(yīng) 力 τ=0.045 N/mm2，τa=τm=0.023 N/mm2；安全系數(shù) sa=200，st=3 333，S=199。分析結(jié)果為安全。

1.3 軸承選擇與計(jì)算

軸承選用6805型深溝球軸承，轉(zhuǎn)速n=600 r/min，承受徑向載荷Fr=F=72 N，軸向載荷較小可忽略。沖擊載荷系數(shù)fd=1.2（輕微沖擊）。由資料[8]知：6805軸承的基本額定動(dòng)載荷Cr=4.3 kN。軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷P=fd·Fr=86.4 N，軸承基本額定壽命：L10h=(16 670 /n)·(Cr/P)ε=3.4×106h，此壽命滿足使用要求。

1.4 定位螺釘選擇與計(jì)算

聯(lián)軸塊處的定位螺釘，選用螺栓，由資料[6,8]知，4.6級(jí)螺栓的屈服極限σsmin=240 N/mm2；σBmin=400 N/mm2；控制預(yù)緊力S=1.2；螺距P=0.8；螺紋副末端與刀具軸的摩擦系數(shù)μ=0.15；普通螺紋牙型斜角β=30°；d1=3.5 mm；d2=5mm；d0=0；預(yù)緊拉應(yīng)力σ'=(0.5～0.7)σs=120～168 N/mm2；直徑dc=d1-(H/6)=3.4 mm。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得出，預(yù)緊力F '=1 088.95～1 524.53 N，T '=2 722.38～3 811.33 N·mm；螺紋升角Ψ=0.58°；當(dāng)量摩擦角Pv=9.83°；螺紋力矩T1=500.14 N·m；端面摩擦力矩T2=190.57 N·mm；工作力矩 T0=72 N·mm

按第四強(qiáng)度理論校核：

N/mm2；σEQ<[σ]。所以，螺栓強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全。故定位螺釘設(shè)計(jì)，采用M=5 mm的開槽平端緊定螺釘，L定位螺釘=5 mm，材料為4.6級(jí)低碳鋼，安裝時(shí)的預(yù)緊力矩大于 2 722 N·mm。

1.5 尺寸確定

果樹刮皮機(jī)的整體外觀如圖4所示，外殼材料為塑料，手持處厚度t0為2 mm。

圖4 果樹刮皮機(jī)整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)調(diào)查，果樹樹干直徑，大約分布在150～350 mm之間，為保證刮皮效果，將主刀具軸長(zhǎng)L主刀具確定為80 mm。同時(shí)，主刀具刀柄兩平面，切割2.5 mm深度，保證連接穩(wěn)固可靠。

選用6805型深溝球軸承，聯(lián)軸塊安裝軸承處的直徑，為25 mm，刀具軸直徑d=20 mm，聯(lián)軸塊大端內(nèi)孔直徑，為20 mm，外徑為30 mm，電機(jī)軸的直徑為12 mm，聯(lián)軸塊小端內(nèi)孔的直徑為12 mm，外徑為22 mm。

根據(jù)果樹刮皮機(jī)的動(dòng)力要求，選用48 W直流電機(jī)，其主要尺寸參數(shù)為：總長(zhǎng)99 mm，總高57 mm。一次電量充滿后，果樹刮皮機(jī)能工作4 h，則電池容量為 ：4×48=192 W·h。

磷酸鐵鋰材料電極鋰電池，密度在800 W·h/L左右，故鋰電池體積Vl為：192/800=0.24 L，鋰電池設(shè)計(jì)成圓餅狀，放置在手持部分末端。安裝位置見圖4，直徑與電機(jī)直徑dm相同，為57mm，則鋰電池厚度hl=Vl/[(πd2m)/4]=51 mm。

果樹刮皮機(jī)總高H=dm+2t0=61 mm。結(jié)合使用情況及電池大小，果樹刮皮機(jī)總長(zhǎng)L取 267 mm。

2 病變殘枝收集裝置設(shè)計(jì)

圖5 果樹刮皮機(jī)收集裝置

收集裝置如圖5所示，前部為夾緊裝置，由聚氯乙烯（PVC）材料和橡膠顆粒組成，厚度5 mm，其中橡膠顆粒是為了增大摩擦力、防止損傷果樹樹皮；中部由硬質(zhì)塑料和乙烯網(wǎng)組成，塑料厚度5～8 mm，乙烯網(wǎng)為不規(guī)則形；后部由螺栓（M6×16）、彈簧和手柄組成，其中彈簧和果樹剪一樣采用3號(hào)彈簧，厚度8 mm，螺栓和手柄材質(zhì)均為PVC。

收集裝置由硬質(zhì)塑料和乙烯網(wǎng)組成，為不規(guī)則形狀。收集裝置的后端，由彈簧和手柄組成。

根據(jù)調(diào)研可知，蘋果樹腐爛病一般深2～8 mm，其形狀可近似認(rèn)為是長(zhǎng)30 mm、寬10 mm、深8 mm的長(zhǎng)方體，則其體積V=30×10×8/1000=0.024 L。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，蘋果樹腐爛病刮下的碎屑，體積將發(fā)生變化，一般將變?yōu)樵瓉淼?倍，而果農(nóng)半天時(shí)間能刮30處以上，即大概所需收集裝置體積V=0.024×3×30=2.16 L。

因此，將收集裝置的體積，設(shè)計(jì)為3 L。

如果用其他形狀的收集裝置，如圓柱形，或球體的，在保證木屑全部收集的前提下，可使用的有效面積只有裝置的底部可用，故在滿足體積要求的前提下，其形狀會(huì)特別大，不利于腐爛病清除的狹小空間作業(yè)。其次，為了減輕收集裝置的重量，便于前端加持，以及方便使用、攜帶，同時(shí)節(jié)約成本，其外部材料一律選用聚氯乙烯（PVC）。

3 總 結(jié)

對(duì)清除腐爛病灶的果樹刮皮機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)刀具切削力分析，得到電機(jī)所需功率；根據(jù)刀具軸的受力分析，分別選取刀具軸、軸承和定位螺釘?shù)某叽绾托吞?hào)，并進(jìn)行校核計(jì)算；確定了果樹刮皮機(jī)的整體尺寸，對(duì)鋰電池尺寸，以及果樹刮皮機(jī)收集裝置的尺寸、材料等，進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該刮皮機(jī)整體尺寸合適，手感舒適，能滿足日常使用需要，大大降低果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)配備有病變殘枝收集裝置，能夠降低腐爛病病菌的感染率，能為果農(nóng)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，有較大的實(shí)用價(jià)值。

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Design?of?Tool?for?Fruit?Tree?Valsa?Canker?Curettage

WU Si-rui，KONG Chen-xing，SHI Ying-gang，LIU Li
（College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, PRC）

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年西北農(nóng)林科技大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（JY17 02022）

吳思銳（1997-），女，陜西寶雞市人，本科生，專業(yè)：農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化。

史穎剛

（責(zé)任編輯：成 平）