孫宇杰，谷潤(rùn)潤(rùn)，劉士真，鄭白開(kāi)，馮 浩，尹玉心

（新疆理工學(xué)院，新疆 阿克蘇 843000）

0 引言

核桃又稱(chēng)胡桃，是胡桃科胡桃屬植物，是“木本油料之王”，也是世界四大干果之一。核桃是藥食同源的果品，具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及保健作用，深受廣大消費(fèi)者的喜愛(ài)。新疆核桃的栽培歷史悠久，是最早種植核桃的地區(qū)之一，在核桃種植方面具有獨(dú)特的地理和氣候優(yōu)勢(shì)[1]。近年來(lái)人們對(duì)核桃營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的認(rèn)知更加深入，對(duì)核桃的需求量也日益增加，同時(shí)伴隨著國(guó)家政策的推動(dòng)，我國(guó)核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，核桃種植業(yè)的發(fā)展蒸蒸日上[2]。

核桃的收獲環(huán)節(jié)是整個(gè)核桃種植業(yè)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，整個(gè)核桃種植產(chǎn)業(yè)所需勞動(dòng)力的35%~45%都被用于核桃撿拾。如果采收不及時(shí)，核桃的壞果率會(huì)大大增加。當(dāng)前核桃機(jī)械化收獲的研究成果主要集中在核桃與樹(shù)體的分離上，通過(guò)振動(dòng)的方式完成核桃與樹(shù)體的分離并進(jìn)行收集[3]。但是現(xiàn)有的核桃收獲機(jī)體格大、靈活性不強(qiáng)，所以對(duì)于分散的核桃種植地?zé)o法實(shí)現(xiàn)高效收獲，只能用于核桃樹(shù)種植間隔規(guī)范、種植面積廣的種植基地。當(dāng)前收集核桃的方法基本上是通過(guò)人工撿拾，故設(shè)計(jì)一種撿拾、收集一體化的核桃撿拾機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)核桃的自動(dòng)化撿拾作業(yè)，提高核桃的采收效率，對(duì)促進(jìn)我國(guó)核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1 我國(guó)核桃撿拾現(xiàn)狀

1.1 核桃撿拾效率低

目前我國(guó)的核桃撿拾設(shè)備有多個(gè)品牌、多種類(lèi)型，例如可在較平整地塊使用的多功能動(dòng)力平臺(tái)，雖然能較好地降低勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省人力物力，但機(jī)械的實(shí)用性依然有著較大的問(wèn)題[4]。

1.2 核桃收集機(jī)械化程度低

隨著我國(guó)核桃產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，核桃的種植面積迅速擴(kuò)大，各種與核桃相關(guān)的機(jī)械相應(yīng)誕生，但落地核桃的收集撿拾仍然基本由人工完成。而人工撿拾相比于核桃收獲的其他流程不僅耗時(shí)長(zhǎng)、效率低，還會(huì)對(duì)核桃的總體品質(zhì)造成一定影響[5]。

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化核桃撿拾機(jī)由聚攏裝置、撥動(dòng)與運(yùn)輸篩選裝置、脫皮清洗裝置、轉(zhuǎn)向裝置組成，其整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 核桃撿拾機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 機(jī)器工作流程

首先，聚攏裝置通過(guò)對(duì)落地核桃進(jìn)行收集和第一次篩選，達(dá)到落地核桃的聚攏效果，然后再通過(guò)機(jī)器前端的收集裝置使核桃進(jìn)入到撥動(dòng)裝置里面，再進(jìn)入到傳送帶的運(yùn)輸篩選裝置上；其次，二次深度篩選后，再由傳送帶將核桃收集到漏斗上方并落入脫皮裝置中，對(duì)青皮核桃和半脫落核桃進(jìn)行脫皮；再次，核桃脫皮之后，再進(jìn)入到清洗裝置中，對(duì)脫完皮的核桃進(jìn)行清洗[6]；最后，清洗完的核桃會(huì)進(jìn)入傾斜通道滾入到收集箱中，通過(guò)傾斜軌道上面的小孔進(jìn)行排水，完成對(duì)干凈核桃的收集。

3 關(guān)鍵工作部件設(shè)計(jì)

3.1 聚攏裝置設(shè)計(jì)

本研究釆用條形機(jī)械臂加毛刷外置視覺(jué)傳感器作為聚攏部件[7]，如圖2 所示。由于田間地面高低不平，振落的核桃均勻散落于行間，通過(guò)兩個(gè)可以由視覺(jué)傳感器或手動(dòng)調(diào)節(jié)角度的機(jī)械臂將兩側(cè)的落地核桃聚攏成條形核桃?guī)?，增大核桃在地面的分布密度，保證能夠更高效地聚攏核桃。

圖2 聚攏裝置結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)構(gòu)特點(diǎn)：1）最大壓力角為70°，最小傳動(dòng)角為20°；2）最小壓力角為10°，最大傳動(dòng)角為80°。

3.2 撥動(dòng)與運(yùn)輸篩選裝置設(shè)計(jì)

撥動(dòng)與運(yùn)輸篩選裝置能夠完成初步的雜質(zhì)清理，撥動(dòng)裝置的作用有兩個(gè)：1）輔助收集裝置進(jìn)行聚攏收集；2）對(duì)非目標(biāo)雜質(zhì)進(jìn)行簡(jiǎn)易處理，方便后續(xù)的篩選。撥動(dòng)裝置的材料選定為具有一定柔韌性的橡膠材質(zhì)，以避免撥動(dòng)裝置對(duì)核桃造成損害，保證核桃的完整性。撥動(dòng)與運(yùn)輸篩選裝置結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 撥動(dòng)與運(yùn)輸篩選裝置

傳送帶運(yùn)輸篩選裝置作為篩選分離雜質(zhì)的核心裝置，采用中空型設(shè)計(jì)，將桿與桿的間隙控制在核桃的最小直徑范圍以?xún)?nèi)，以保證核桃在運(yùn)輸篩選的過(guò)程中最大限度地完成雜質(zhì)的清理。同時(shí)在此過(guò)程中，運(yùn)輸篩選裝置擁有振動(dòng)功能，能夠?qū)Y選過(guò)程產(chǎn)生積極作用，由此實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸篩選的功能[8]。

3.3 脫皮清洗裝置設(shè)計(jì)

核桃現(xiàn)有脫殼方式主要有手工、化學(xué)腐蝕、真空、超聲波及機(jī)械脫殼等[9]。脫皮環(huán)節(jié)通過(guò)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的刀片進(jìn)行青皮切削，通過(guò)滾動(dòng)使其各面被刀片均勻切削后進(jìn)入清洗區(qū)，加工后的核桃通過(guò)傾斜通道進(jìn)入收集箱。同時(shí)可以根據(jù)核桃品種的大小、青皮的薄厚對(duì)調(diào)節(jié)格柵和旋切刀片之間的距離進(jìn)行調(diào)節(jié)，以降低破殼率，提高脫凈率[10]。脫皮清洗裝置如圖4所示。

圖4 脫皮清洗裝置

4 核桃撿拾機(jī)關(guān)鍵部件有限元分析

切削刀片作為機(jī)器運(yùn)作的重要部位，在運(yùn)行過(guò)程中承受著極大的壓力，可能會(huì)產(chǎn)生一定的形變，所以通過(guò)等效應(yīng)力分析來(lái)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的合理性很有必要。首先采用三維建模軟件設(shè)計(jì)切削刀片的模型，然后通過(guò)Ansys軟件對(duì)刀片進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分圖

4.1 靜力學(xué)分析結(jié)果

4.1.1 等效應(yīng)力分析

通過(guò)Ansys 分析得到如圖6 所示的等效應(yīng)力圖，從等效應(yīng)力圖中可以看出刀片的最大等效應(yīng)力為6.454 9×10-4MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于合金鋼的最大許用應(yīng)力，由此可見(jiàn)在該工況下刀片符合強(qiáng)度要求。

圖6 等效應(yīng)力圖

4.1.2 刀片變形分析

添加完所有約束后，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)求解，得到刀片總變形圖，如圖7 所示。從總變形圖中可以看出，刀片最大變形為1.235 6×10-8mm，處于比較小的狀態(tài)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于刀片的最大許可變形，符合剛度要求，因此該刀片設(shè)計(jì)安全可靠。

圖7 總變形圖

4.2 模態(tài)分析

本設(shè)計(jì)采用Ansys 分析，得到6 階模態(tài)分析圖，分別如圖8、圖9、圖10、圖11、圖12、圖13 所示。前6 階模態(tài)的分析情況如表1 所示。

表1 前6階模態(tài)分析結(jié)果

圖8 模態(tài)1

圖9 模態(tài)2

圖10 模態(tài)3

圖11 模態(tài)4

圖12 模態(tài)5

圖13 模態(tài)6

切削刀片干擾頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：n=60f（n為轉(zhuǎn)速，f為干擾頻率）。

本切削刀片轉(zhuǎn)速為30 rad/s，則可得出干擾頻率為0.5 Hz，遠(yuǎn)小于表1 中的6 階模態(tài)分析結(jié)果的頻率，說(shuō)明刀片不會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，因而可驗(yàn)證得出刀片設(shè)計(jì)較為合理。

5 結(jié)論

以新疆本地的核桃特性和種植形式為研究基礎(chǔ)，針對(duì)傳統(tǒng)核桃撿拾帶來(lái)的人力損耗及收益問(wèn)題而設(shè)計(jì)出的核桃撿拾收集一體機(jī)能更加高效地完成落地核桃的收集，能夠有效減少核桃收集、加工、運(yùn)輸?shù)某杀?，大大減少了勞動(dòng)力需求量，主要擁有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

首先，該機(jī)器具有快速拆卸的功能，不僅使得機(jī)器的清潔維護(hù)更加簡(jiǎn)便，極高的便攜性也使其無(wú)論是在田地還是果園中，都可以輕松攜帶并進(jìn)行工作。

其次，該機(jī)器集核桃聚攏裝置、撥動(dòng)裝置、傳送帶運(yùn)輸裝置、篩選裝置、脫皮清洗裝置、轉(zhuǎn)向裝置為一體，將核桃收集、雜質(zhì)分離、核桃去皮等流程整合為一個(gè)整體流程，有效地減少了核桃收集、加工的時(shí)間，其相對(duì)獨(dú)立的各個(gè)裝置在完成工作的基礎(chǔ)上也能極大程度地預(yù)防意外情況發(fā)生。

最后，核桃撿拾收集一體機(jī)的便攜性、可調(diào)性和穩(wěn)定性使其成為一種理想的收集工具，能實(shí)現(xiàn)新疆核桃的機(jī)械化撿拾，降低核桃生產(chǎn)收獲成本，減少用工量，解放勞動(dòng)力，順應(yīng)了新疆乃至全國(guó)核桃業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，有利于促進(jìn)全國(guó)核桃產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。