苹果树腐烂病的刀具设计

杨俊

摘要 苹果树腐烂病在我国分布广泛，严重影响了果树的寿命、果实的产量及品质。防治腐烂病一项必不可少的措施是刮除腐烂病组织。针对当前刮除方式仍为强度大效率低的手工方式，设计了新型刀具，以达到小型电动机械即可去除腐烂病的目的，同时具有高效率、低功耗的特点。工作时，由小功率电机带动刀具转动，通过刀刃将病变组织刮除，达到去除腐烂病组织的目的。通过经验公式和模拟试验确定了单位切削力为1.47 N/mm2，刀具的切削力为44.10 N。通过Proe Mechanica的刀具应力分析，刀具性能达到设计规范要求，进一步计算出刀具转轴所需的功率约为40 W，适合由小型电动机带动，实现电动刮皮，达到高效、节省劳动力的目的。

关键词 苹果树；腐烂病；刀具；设计

中图分类号 TG729 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）01-0184-02

Abstract Valsa mali Miyabe et Yamada is widely distribute in China，shorting the lifespan of apple trees，lowering the quality of apple. An indispensable measure was to scrape the diseased bark by a scraper. The new scraper was designed to improve the efficiency and reduce the labor force and was able to be drove by electrical machine with light power motor. The unit cutting force was 1.47 N/mm2 and the cutting force of the scraper was 44.10 N，which was obtained by empirical formula and simulations. Proe Mechanica showed the stress of the scraper is rational and could not be broken. With further analysis，the power of the scraper consumed was approximate 40 W.It was available to meet the requirements of greater efficiency and less labor force by using the scraper to scrap the diseased bark with light power motor.

Key words apple tree；Valsa mali Miyabe et Yamada；scraper；design

苹果树腐烂病是一种由数百种土携细菌或真菌引致的植物病害，感染腐烂病后期，病部失水干缩，变黑褐色下陷，并产生黑褐色小点粒，即病菌的分生孢子器，成为再发病的传染源，除侵染枝干外，有时也侵染果实。根据对病菌传播的进一步研究，Tamura等报道称5—9月分生孢子器大量形成。菌丝体接种后1个月分生孢子角出现。春季形成的溃疡8月开始形成子囊壳，11月初子囊孢子大量成熟。器孢子经雨水、融雪传播，越冬的溃疡产生的分生孢子传播至8月。子囊孢子随气流、雨水传播，4—7月可捕到大量子囊孢子。不同季节分生孢子和子囊孢子的传播数量虽有波动，但果园中终年都有分生孢子和子囊孢子传播，传播时期很长。据1972年的报道，北海道的苹果树腐烂病发病面积占栽培面积的94.3%，不少果园濒于毁灭。他们认为1952年和1963年的大冻害是苹果树腐烂病再次大发生的主要诱因，其他如为了追求高产过多施用氮肥、劳力不足、刮治不及时、处理病枝病皮不当、侵染源量增大及着药不良等也是促成病害流行的因素。目前，国内防治果树的腐烂病的方法一般是改善生长条件和涂药，但很难达到根除病害的目的，仍然需要刮除病变组织的树皮。现在大部分果园去除腐烂病的方式仍为人工手持刀具刮除，费时费力，效率低[1-4]。因此，可以考虑用机械方法刮除腐烂病。

1 刀具设计

1.1 单位切削力的确定

1.1.1 切削模型。在显微镜下观察切削横截面，前后刀面相交处不是一个点，而是具有一定半径 ρ的圆弧。因此，刀具对木材的作用力，除了前刀面对切削层木材的切屑作用外，还要考虑因刃口变圆而导致的后刀面对切削平面以下木材的作用。当刃口圆弧半径为ρ的刀具切入木材后，切削方向的刃口最前点Q对木材造成足够大的应力，使木材沿刀刃最前点Q平行切削方向分开，即达到切削木材的作用。切削过程中木材会受到刀具的作用力：前刀面对木材的正压力FvN和摩擦力Fvf，后刀面对木材的挤压力Fvy和沿切削速度方向的作用力Fvx。刀具受到的力则是木材前刀面和后刀面所受合力的反作用力（图1）。

1.1.2 单位切削力的计算。木材切削力试验研究表明，单位切削力可以由以下经验公式计算：

K（N/mm2）=KΨ·aδ·as·aw·av·ah·af·at（1）

式（1）中：K为单位切削力（N/mm2）；KΨ=1.00（纵向切削，切削角δ=45°，切削厚度h=1.00 mm，切削速度v<10.00 m/s，刀刃与木纤维之间夹角为0°时的单位切削力）；切削角度修正系数aδ=1.00（纵向切削，切削角δ=45°）。木材树种修正系数as=1.50（硬木树种）；木材含水率修正系数aw=0.85（湿材，铣削）；切削速度修正系数av=1.00（切削速度v<10 m/s）；切削厚度修正系数值ah=1.00（平均切削厚度为1.0，硬材）；切削附加摩擦力修正系数af=1.05（切削厚度<2 mm）；刀具变钝修正系数值at=1.10（连续工作时间为2 h）。endprint

因此，单位切削力K=KΨ·aδ·as·aw·av·ah·af·at=1.0×1.0×1.5×0.85×1.0×1.0×1.05×1.1=1.47 N/mm2。

1.2 刀具切削力的确定

1.2.1 切削面积计算。F=KA，其中A 为刀具切削面积。刀具设计如图2所示。

1.2.2 刀具尺寸。刀具轴直径D=20 mm，长度L=65 mm，3排刀刃之间夹角为120°。刀刃截面为梯形，上底长2 mm，上底中线距下底3 mm。上底和母线夹角115°，刀具初选用碳素工具钢。切削面积A=刀具与树干实际接触长度L1×刀具切削厚度h，模拟试验测得L1平均值为30.00 mm，则A=L1×h=30×1.00=30.00 mm2，切削力F=KA=1.47×30=44.10 N。取刀具转速n=800 r/min，刀具轴传递的扭矩 T=FD/2=44.1×0.01=0.441 N·m。

1.2.3 疲劳应力分析。通过Proe Mechanica仿真对刀具进行应力分析，刀具3个刀刃依次受切削力，对轴心作用力矩为 T=0.441 N·m。取转速周期为T=（2π/ω）=0.075 s，分析结果如图3所示。结果表明，刀具内部应力较小，并且有较大盈余，参数结构材料设计合理。

1.2.4 刀具转动所需的功率。刀具的扭矩做功是刀具功率消耗的主要来源，还有很小一部分摩擦消耗，可忽略不计，则刀具轴转动所需功率P=T·ω=0.441×（π×800/30）=36.92 W。此功率很小，小型蓄电池即可满足要求。

2 刀具工作原理及使用效果

刀具由3排刀刃组成，夹角为120°，刀具轴向设计有容屑槽，可以容纳被切削的病变组织。腐烂病刮除时间最好安排在早春，工作时，刀具轴和电动机轴相连接，由电机带动刀具转动。刀具轴和电动机轴相连接的方式可采用键连接，焊条电弧焊焊接或第三方连接装置。通过电动机带动刀刃转动将苹果树腐烂病组织刮除。实践证明，人工刮除方式腐烂病被刮除面积约为800 mm2/min，而由小电机带动刮刀刮除方式腐烂病被刮除面积约为1 400 mm2/min，大大提高了工作效率并且降低了劳动强度。此外，刀具轴可事先蘸上菌清，这样大部分菌清会留在容屑槽中，可以避免感染其他组织。因机械刮除效率高，刮完即在果树表面涂抹菌清，所以相比手工刮除方式而言减少了伤口暴露在空气中的时间，减少了再次感染的几率，这一优点在腐烂病暴发期尤其突出。在实际运用时，还可以在刀具下端设计安装收集装置，将病变组织统一带出果园外销毁，以减少分生孢子和子囊孢子传播，减少感染其他果树的机会。刀具工作时所需功率约为40 W，工作时可选用12V 12AH铅蓄电池能够连续工作3 h左右，工作时间长能够满足中小型果园的劳动强度。并且刀具还可以用于其他工作场合，如刮除苹果树的老皮粗皮以清除藏在粗皮、老皮中的病虫源。腐烂病分布范围很广，许多树都可能会感染，设计时刀具应力有较大盈余，刀具硬度较大，因此还可以用于其他树木腐烂病的刮除。

3 结语

刀具传递的扭矩较小，刀具轴应力有较大盈余，但刀刃与树干接触，磨损较大，可以选择较低硬度材料然后将刀具表面淬火或电镀，以提升硬度[5-6]。刀具转动时所需功率小，考虑到功率损耗，可采用12 V蓄电池供电，由小电机带动，通过合理设计可实现手持电动刮皮方式，节省劳动力。

4 参考文献

[1] 马志峰，王荣花，刘文国，等.陕西渭北地区盛果期苹果钳腐烂病调查研究[J].北方园艺，2007（10）：210-212.

[2] 曹平祥.郭晓磊.木材切削原理与刀具[M].北京：中国林业出版社，2010.

[3] 马红英，赵晓平.用正交试验设计方法优化刀具设计[J].制造业自动化，2010，32（6）：239-240.

[4] 西北工业大学机械原理及机械零件教研室[M].北京：高等教育出版社，2013.

[5] 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学[M].北京：高等教育出版社，2009.

[6] 吕明.机械制造技术基础[M].武汉：武汉理工大学出版社，2010.endprint