樹木剪枝液壓剪剪切機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

朱廣勇+肖欽蘭+吳嬌

摘 要：使用手動(dòng)修枝剪工作，不僅耗時(shí)，耗費(fèi)大量的人力，而且能修剪的枝椏直徑比較小。為了匹配汽油機(jī)的動(dòng)力裝置，設(shè)計(jì)優(yōu)化了液壓剪的剪切機(jī)構(gòu)，操作簡(jiǎn)便，剪枝最大直徑可達(dá)80 mm。

關(guān)鍵詞：液壓剪；剪切機(jī)構(gòu)；刀片；刀架

中圖分類號(hào)：S776.27+4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.11.009

對(duì)樹木剪枝修剪機(jī)械的研究起步較早，機(jī)型也比較齊全。美國(guó)和瑞典等國(guó)家生產(chǎn)的手動(dòng)無(wú)動(dòng)力整枝機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用、造價(jià)低，作業(yè)高度可達(dá)6 m，但是，其存在夾鋸勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低和容易斷鋸等缺陷。高枝修剪機(jī)和修剪鋸等多以小型汽油機(jī)為動(dòng)力，通過(guò)軟軸傳動(dòng)帶動(dòng)鋸鏈或圓鋸片工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)制造成本低，工作效率高，但是，其操縱桿過(guò)重，鋸切時(shí)振動(dòng)幅度較大，切口平滑度較差，工作舒適性差。

鑒于此，此次設(shè)計(jì)的剪切機(jī)構(gòu)以小型汽油機(jī)為動(dòng)力，裝在3 m長(zhǎng)的手柄上，由單桿活塞缸驅(qū)動(dòng)，剪刀的一刃是固定的，與手柄連接，另一刃由液壓缸驅(qū)動(dòng)，行程120 mm，可剪斷直徑為80 mm的樹枝。

1 液壓剪剪切機(jī)構(gòu)的工作原理

剪枝液壓剪作為一個(gè)手持操控工具，其操作簡(jiǎn)單、方便，液壓剪油缸的進(jìn)油和出油是從同一接口位置進(jìn)出的，因此，活塞桿的回復(fù)需要依靠外力來(lái)實(shí)現(xiàn)。在液壓剪中安裝一個(gè)彈簧，通過(guò)彈簧復(fù)位來(lái)推動(dòng)油缸活塞桿移位，整個(gè)系統(tǒng)由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置、執(zhí)行裝置和剪切機(jī)構(gòu)組成，選取適當(dāng)?shù)囊簤嚎刂苹芈?，有利于能源的充分利用。系統(tǒng)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖詳見圖1.

圖1 液壓剪的液壓系統(tǒng)

在剪枝作業(yè)時(shí)，通過(guò)手柄操縱機(jī)構(gòu)，接通進(jìn)油路，此時(shí)，汽油機(jī)帶動(dòng)油泵輸出高壓油進(jìn)入執(zhí)行油缸，以推動(dòng)剪枝機(jī)構(gòu)的動(dòng)刀片向上運(yùn)動(dòng)，并與定刀片閉合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)剪枝作業(yè)。

當(dāng)作業(yè)停止時(shí)，汽油機(jī)仍然會(huì)帶動(dòng)油泵運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)，進(jìn)油路處于截止?fàn)顟B(tài)，油泵經(jīng)過(guò)溢流閥實(shí)現(xiàn)卸荷，執(zhí)行油缸在彈簧作用下回位，使剪枝機(jī)構(gòu)刀片開啟。

2 剪切機(jī)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

液壓剪要求剪斷樹枝的直徑d0=80 mm，樹枝的許用剪切強(qiáng)度[τ]=3.0 MPa，則樹枝的截面面積為：

. （1）

將具體數(shù)值代入式（1）中可得：A= =

5 024×10-6 m2；

則許用剪切力為：

Fs=A[τ]. （2）

將具體數(shù)值代入式（2）中可得：Fs=5 024×10-6×3×106 N=15 072 N。

2.1 刀片設(shè)計(jì)

刀片是樹木打枝液壓剪的核心構(gòu)件，其性能的好壞直接影響整個(gè)剪枝機(jī)各元件選用工作效率的高低。刀片在剪切過(guò)程中的受力情況如圖2所示。P0為莖稈對(duì)刃口的切割阻力，方向垂直于刃口；N，N1為楔面切割時(shí)所加的正壓力；φ為剪切時(shí)樹枝對(duì)刀片的摩擦力對(duì)應(yīng)的摩擦角，不同的材質(zhì)對(duì)應(yīng)不同的值。

由圖2可得：

. （3）

. （4）

由式（3）（4）可以推出：

. （5）

由式（5）可得，正切時(shí)所需的切割力與刃口厚度和楔角γ成正比。

刀片的楔角反映刀具切削部分的鋒利程度和強(qiáng)度，所以，刀片的楔角γ取值不應(yīng)過(guò)大，但是，需要同時(shí)滿足一定的強(qiáng)度和剛度要求，設(shè)計(jì)時(shí)取γ=30°。

木材的材質(zhì)硬度與金屬材料相比要小得多，但是，木材是各向構(gòu)造不均勻的異性材料。在剪切過(guò)程中，刀片不會(huì)不連續(xù)工作，而在工作過(guò)程中，刀片會(huì)承受一定的沖擊載荷，因此，對(duì)材料性能會(huì)有一定的要求，要求其具有較高的硬度，硬度大于HRC60，高耐磨性，并有足夠的韌性，以防止刀片在剪切過(guò)程中脆斷和崩刃。

T7～T9可制造承受沖擊的工具，因此，為了符合各方面的要求，可選用T8工具鋼制造刀片。

2.2 刀架設(shè)計(jì)

刀架主要用于固定定刀片和支撐導(dǎo)向動(dòng)刀片的運(yùn)動(dòng)。在工作過(guò)程中，刀架需要承受一定的彎矩和拉伸，將刀架設(shè)計(jì)成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，上部固定動(dòng)刀片，下部開一滑槽作為動(dòng)刀的導(dǎo)向路徑，因?yàn)閯?dòng)刀片與活塞桿直接固連，而活塞桿可在液壓桿內(nèi)旋轉(zhuǎn)，沒(méi)有導(dǎo)向滑槽，動(dòng)刀容易在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中擺動(dòng)。

刀架采用鑄鐵鑄造為一體，在工作過(guò)程中，刀架會(huì)受樹枝反作用過(guò)來(lái)的力F的影響，如圖3（a）所示。

（a） 刀架受力 （b） 刀架斷面

圖3 刀架結(jié)構(gòu)

將力F向刀架主體的中心線平移，其等效于拉力和彎矩共同作用，經(jīng)過(guò)拉伸和彎曲變形后，刀架的危險(xiǎn)截面如圖3（b）所示，工字?jǐn)嗝嬉砭墝?，?cè)向剛度大，抗彎能力強(qiáng)。這時(shí)，有：

. （6）

式（6）中：N為刀架所受的等效拉力，即N=F，N；A為危險(xiǎn)面的橫截面積，m2；M為刀架所受彎矩，N·m；Z為橫截面危險(xiǎn)點(diǎn)的縱坐標(biāo)，m；Iy為慣性矩，m4。

截面為對(duì)稱的工字形結(jié)構(gòu)，所以，可得：A=25×10-3×20×10-3×2+50×10-3×10×10-3=1.5×10-3 m2；Iy=3.75×10-5 m4；

=10.048+2.009 6≈12.1 MPa.

這時(shí)，σ <[σ]=35 MPa，材料強(qiáng)度滿足相關(guān)要求。

3 總結(jié)

此次設(shè)計(jì)的剪切機(jī)構(gòu)以小型汽油機(jī)為動(dòng)力，采用帶傳動(dòng)減速和過(guò)載保護(hù)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能，并將液壓剪裝在3 m長(zhǎng)的手柄上，由單桿活塞缸驅(qū)動(dòng)，剪刀的一刃是固定的，與手柄連接，另一刃由液壓缸驅(qū)動(dòng)，通過(guò)聯(lián)動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)控制組合控制閥，以推動(dòng)執(zhí)行油缸，使剪枝機(jī)構(gòu)動(dòng)作。該設(shè)備的行程為120 mm，可剪斷直徑為80 mm的樹枝，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了、拆裝方便、質(zhì)量輕。同時(shí)，在剪切過(guò)程中，其不會(huì)產(chǎn)生附加力矩。

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〔編輯：白潔〕