移動(dòng)式氣動(dòng)剪枝機(jī)

烏日?qǐng)D，張振富，李福靖，李華雷，宋瑩曉

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

目前果樹(shù)管理基本上處于人工作業(yè)，相對(duì)制約了林果業(yè)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)果樹(shù)管理機(jī)械化是果農(nóng)的迫切要求。在果樹(shù)管理中，剪枝是一項(xiàng)主要環(huán)節(jié)，人工剪枝每天只能剪20～30棵樹(shù)，且修剪時(shí)撕裂果樹(shù)枝現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，高枝修剪需用梯子或爬樹(shù)，增加了操作危險(xiǎn)性，此外，人工剪枝時(shí)的攀登還容易造成樹(shù)干或主枝傷斷，影響果樹(shù)產(chǎn)量。應(yīng)用氣動(dòng)剪枝不但比人工提高工效1～2 倍，而且也能避免人工剪枝出現(xiàn)的各種問(wèn)題，具有廣泛的推廣前景。

1 氣動(dòng)剪枝機(jī)的組件

移動(dòng)式氣動(dòng)剪枝機(jī)的主要組件有：空氣壓縮機(jī)、滑動(dòng)小車、剪刀體、伸縮裝置。

1.1 空氣壓縮機(jī)

空氣壓縮機(jī)的種類很多，按工作原理可分為容積式壓縮機(jī)和速度式壓縮機(jī)。容積式壓縮機(jī)的工作原理是壓縮氣體的體積，使單位體積內(nèi)氣體分子的密度增加以提高壓縮空氣的壓力；速度式壓縮機(jī)的工作原理是提高氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度，使氣體分子具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能，從而提高壓縮空氣的壓力。本設(shè)計(jì)所選用的空氣壓縮機(jī)為容積式壓縮機(jī)，圖1 為容積式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

1.2 剪刀體

剪刀體的主要組成部分有：定刀片、動(dòng)刀片、串聯(lián)型氣缸、連桿及連接機(jī)構(gòu)。

1.2.1 串聯(lián)型氣缸尺寸確定

串聯(lián)型氣缸也稱為倍力型氣缸。它由兩個(gè)或多個(gè)單桿雙作用氣缸串連在一起，并且兩個(gè)或多個(gè)氣缸都有各自的活塞桿，其輸出力是單個(gè)氣缸的兩倍或多倍，從而達(dá)到使用小徑氣缸而得到較大輸出力的效果。串聯(lián)型氣缸常用于氣動(dòng)壓力機(jī)上，要求輸出力很大，但是安裝空間較小，不允許增加氣缸缸徑，但允許增加氣缸長(zhǎng)度的場(chǎng)合。每個(gè)氣缸都有進(jìn)氣口和出氣口，進(jìn)氣口在內(nèi)部相通，所以串聯(lián)型氣缸只需要一個(gè)進(jìn)氣管。串聯(lián)型氣缸采用的是單作用氣缸，活塞的復(fù)位是通過(guò)復(fù)位彈簧而實(shí)現(xiàn)的。

圖1 容積式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

氣動(dòng)剪枝機(jī)的最大剪切直徑d 為30mm，即樹(shù)枝的剪切面積A＝706.5mm2。經(jīng)大量試驗(yàn)得出剪切直徑為30mm 的樹(shù)枝所需切應(yīng)力［τ］為2.9 MPa。則剪刀體的許用剪切力為：

將相關(guān)參數(shù)代入式（1），計(jì)算得剪刀體的許用剪切力為2 048.85N。剪刀的受力情況如圖2所示。

圖2中，F(xiàn)1為氣缸的理論輸出拉力；F2為定刀片的支撐力；F3為動(dòng)刀片的壓力；L1為動(dòng)刀片的動(dòng)力臂；L2為動(dòng)刀片的阻力臂。此處取L1＝2L2，F(xiàn)3＝Fs＝2 048.85N。由力矩平衡方程有：

代入相關(guān)參數(shù)計(jì)算得氣缸的理論輸出拉力F1＝1 025N。

氣缸的理論拉力F 可由下式計(jì)算：

其中：θ為負(fù)載率，在剪切樹(shù)枝時(shí)，氣缸的負(fù)載屬于阻性負(fù)載，負(fù)載不產(chǎn)生慣性力，選取負(fù)載率θ＝0.8。將相關(guān)參數(shù)代入式（3），計(jì)算得F＝1 281.25N。

圖2 剪刀受力情況

由于采用的是串聯(lián)型氣缸，輸出力為單氣缸的兩倍，所以串聯(lián)型氣缸的實(shí)際輸出力為：

氣動(dòng)剪枝機(jī)采用的是單作用氣缸，在計(jì)算氣缸的輸出推力時(shí)應(yīng)將復(fù)位彈簧所產(chǎn)生的力計(jì)算在內(nèi)。由于復(fù)位彈簧的阻力相對(duì)于氣缸的推力比較小，可以忽略不計(jì)，因此氣缸的理論推力公式可以表示為：

其中：D 為氣缸直徑；p 為氣缸工作壓力，p＝1.0 MPa；η為氣缸的工作效率，一般在0.7～0.95，取η＝0.8。將相關(guān)參數(shù)代入式（4），計(jì)算得單作用氣缸直徑為30mm。

1.2.2 氣缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣缸的材料必須質(zhì)量輕且耐磨性好，這樣不僅減輕了重量使工人攜帶方便而且壽命長(zhǎng)，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)惠。外缸與手柄通過(guò)管螺紋連接，在手柄與外缸的連接處由膠皮密封圈進(jìn)行密封，防止漏氣，以增加其效率。內(nèi)缸與外缸也是由管螺紋連接，當(dāng)內(nèi)、外缸的管螺紋旋開(kāi)時(shí)可以進(jìn)行管壁的伸長(zhǎng)與收縮。內(nèi)缸的頂端有一凸臺(tái)，外缸的底端有一凸臺(tái)，當(dāng)內(nèi)、外缸的螺紋旋開(kāi)時(shí)內(nèi)缸向上移動(dòng)，當(dāng)達(dá)到極限位置時(shí)，由兩凸臺(tái)限制其移動(dòng)。在內(nèi)、外缸之間由一密封圈進(jìn)行密封，防止其漏氣。串聯(lián)型氣缸的整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

氣缸通氣時(shí)推動(dòng)活塞向上移動(dòng)，活塞的另一端與活動(dòng)刀體連接，活塞向上移動(dòng)同時(shí)帶動(dòng)刀體轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其剪枝的動(dòng)作。圖4為活塞結(jié)構(gòu)示意圖。

1.3 伸縮裝置

由于果樹(shù)的高矮各不相同，為了適應(yīng)大部分果樹(shù)，串聯(lián)型氣缸與手柄之間采用二級(jí)伸縮臂進(jìn)行連接，其結(jié)構(gòu)分為中位樹(shù)枝剪切、高位樹(shù)枝剪切兩種，其高位狀態(tài)時(shí)的總長(zhǎng)度為1.5m。

圖3 串聯(lián)型氣缸的整體結(jié)構(gòu)

圖4 活塞結(jié)構(gòu)示意圖

2 氣缸耗氣量的計(jì)算

為了更好地選擇合適的空氣壓縮機(jī)，必須對(duì)氣缸的耗氣量進(jìn)行計(jì)算。氣缸空載時(shí)的速度最快，所以其耗氣量也是最大的。氣缸的耗氣量Q 為：

其中：s為氣缸行程，s＝0.15m；t為氣缸一次夾緊（松開(kāi)）動(dòng)作時(shí)間。

氣缸一次夾緊的動(dòng)作時(shí)間為：

將相關(guān)參數(shù)代入式（6），計(jì)算得t＝0.501s。

氣缸在工作時(shí)需要考慮到操作人員的操作反應(yīng)時(shí)間，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)算得出一個(gè)工人的平均反應(yīng)時(shí)間為5 s，氣缸的運(yùn)動(dòng)速度大于人工修剪的速度，因此在計(jì)算氣缸的耗氣量時(shí)取t＝5s。

將相關(guān)參數(shù)代入式（5）求得氣缸的最大耗氣量為Q＝0.185L／s。

3 移動(dòng)式氣動(dòng)剪枝機(jī)的整體設(shè)計(jì)

氣動(dòng)剪枝機(jī)由剪刀體、伸縮臂、控制手柄、空氣壓縮機(jī)組成，這4個(gè)機(jī)構(gòu)順次相連，空氣壓縮機(jī)放置在移動(dòng)的小車上，這樣就保證了剪枝機(jī)的靈活性。圖5為剪枝機(jī)的Pro／E圖。

圖5 剪枝機(jī)

4 結(jié)論

（1）根據(jù)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)得出，該剪枝機(jī)可以修剪直徑在Φ30mm 以內(nèi)的樹(shù)枝。

（2）剪刀的下方采用可以加長(zhǎng)的伸縮支桿，可以完成三級(jí)伸縮，這樣就可以完成各種位置的空間作業(yè)，適應(yīng)于大部分的果樹(shù)。

［1］ 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［2］ 明仁雄，萬(wàn)會(huì)雄.液壓與氣壓傳動(dòng)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003.

［3］ 李笑.液壓與氣壓傳動(dòng)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

［4］ Sun Yung Yung.Pnematic Pruning Hook With A Telescopicshank：USA，6901665B2［P］.2005－06－07.