烏日圖，張振富，李福靖，李華雷，宋瑩曉

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

0 引言

目前果樹管理基本上處于人工作業(yè)，相對制約了林果業(yè)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，實現(xiàn)果樹管理機械化是果農(nóng)的迫切要求。在果樹管理中，剪枝是一項主要環(huán)節(jié)，人工剪枝每天只能剪20～30棵樹，且修剪時撕裂果樹枝現(xiàn)象時有發(fā)生，高枝修剪需用梯子或爬樹，增加了操作危險性，此外，人工剪枝時的攀登還容易造成樹干或主枝傷斷，影響果樹產(chǎn)量。應(yīng)用氣動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)的各種問題，具有廣泛的推廣前景。

1 氣動剪枝機的組件

移動式氣動剪枝機的主要組件有：空氣壓縮機、滑動小車、剪刀體、伸縮裝置。

1.1 空氣壓縮機

空氣壓縮機的種類很多，按工作原理可分為容積式壓縮機和速度式壓縮機。容積式壓縮機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；速度式壓縮機的工作原理是提高氣體分子的運動速度，使氣體分子具有的動能轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能，從而提高壓縮空氣的壓力。本設(shè)計所選用的空氣壓縮機為容積式壓縮機，圖1 為容積式壓縮機的結(jié)構(gòu)簡圖。

1.2 剪刀體

剪刀體的主要組成部分有：定刀片、動刀片、串聯(lián)型氣缸、連桿及連接機構(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。它由兩個或多個單桿雙作用氣缸串連在一起，并且兩個或多個氣缸都有各自的活塞桿，其輸出力是單個氣缸的兩倍或多倍，從而達到使用小徑氣缸而得到較大輸出力的效果。串聯(lián)型氣缸常用于氣動壓力機上，要求輸出力很大，但是安裝空間較小，不允許增加氣缸缸徑，但允許增加氣缸長度的場合。每個氣缸都有進氣口和出氣口，進氣口在內(nèi)部相通，所以串聯(lián)型氣缸只需要一個進氣管。串聯(lián)型氣缸采用的是單作用氣缸，活塞的復(fù)位是通過復(fù)位彈簧而實現(xiàn)的。

圖1 容積式壓縮機的結(jié)構(gòu)簡圖

氣動剪枝機的最大剪切直徑d 為30mm，即樹枝的剪切面積A＝706.5mm2。經(jīng)大量試驗得出剪切直徑為30mm 的樹枝所需切應(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為動刀片的壓力；L1為動刀片的動力臂；L2為動刀片的阻力臂。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 可由下式計算：

其中：θ為負載率，在剪切樹枝時，氣缸的負載屬于阻性負載，負載不產(chǎn)生慣性力，選取負載率θ＝0.8。將相關(guān)參數(shù)代入式（3），計算得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)型氣缸的實際輸出力為：

氣動剪枝機采用的是單作用氣缸，在計算氣缸的輸出推力時應(yīng)將復(fù)位彈簧所產(chǎn)生的力計算在內(nèi)。由于復(fù)位彈簧的阻力相對于氣缸的推力比較小，可以忽略不計，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），計算得單作用氣缸直徑為30mm。

1.2.2 氣缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計

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，既經(jīng)濟又實惠。外缸與手柄通過管螺紋連接，在手柄與外缸的連接處由膠皮密封圈進行密封，防止漏氣，以增加其效率。內(nèi)缸與外缸也是由管螺紋連接，當內(nèi)、外缸的管螺紋旋開時可以進行管壁的伸長與收縮。內(nèi)缸的頂端有一凸臺，外缸的底端有一凸臺，當內(nèi)、外缸的螺紋旋開時內(nèi)缸向上移動，當達到極限位置時，由兩凸臺限制其移動。在內(nèi)、外缸之間由一密封圈進行密封，防止其漏氣。串聯(lián)型氣缸的整體結(jié)構(gòu)見圖3。

氣缸通氣時推動活塞向上移動，活塞的另一端與活動刀體連接，活塞向上移動同時帶動刀體轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)其剪枝的動作。圖4為活塞結(jié)構(gòu)示意圖。

1.3 伸縮裝置

由于果樹的高矮各不相同，為了適應(yīng)大部分果樹，串聯(lián)型氣缸與手柄之間采用二級伸縮臂進行連接，其結(jié)構(gòu)分為中位樹枝剪切、高位樹枝剪切兩種，其高位狀態(tài)時的總長度為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 氣缸耗氣量的計算

為了更好地選擇合適的空氣壓縮機，必須對氣缸的耗氣量進行計算。氣缸空載時的速度最快，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）動作時間。

氣缸一次夾緊的動作時間為：

將相關(guān)參數(shù)代入式（6），計算得t＝0.501s。

氣缸在工作時需要考慮到操作人員的操作反應(yīng)時間，根據(jù)實驗測算得出一個工人的平均反應(yīng)時間為5 s，氣缸的運動速度大于人工修剪的速度，因此在計算氣缸的耗氣量時取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 移動式氣動剪枝機的整體設(shè)計

氣動剪枝機由剪刀體、伸縮臂、控制手柄、空氣壓縮機組成，這4個機構(gòu)順次相連，空氣壓縮機放置在移動的小車上，這樣就保證了剪枝機的靈活性。圖5為剪枝機的Pro／E圖。

圖5 剪枝機

4 結(jié)論

（1）根據(jù)計算與實驗得出，該剪枝機可以修剪直徑在Φ30mm 以內(nèi)的樹枝。

（2）剪刀的下方采用可以加長的伸縮支桿，可以完成三級伸縮，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。

［1］ 成大先.機械設(shè)計手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［2］ 明仁雄，萬會雄.液壓與氣壓傳動［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2003.

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

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