蔡 軍，鄧本貴，侯義龍

（1.大連大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116622；2.大連大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 生命科學(xué)工作室，遼寧 大連 116622）

目前，國內(nèi)外對樹木整枝修剪的機械有手持背負(fù)式、車載式和自動式等多種形式。其中，以手持背負(fù)式整枝機為主要工具，手持背負(fù)式有無動力和有動力兩種類型。有動力的整枝機配套的動力有氣動、液壓傳動、電動、小型汽油機和小型柴油機等外加動力。車載式整枝機是在拖拉機上安裝液壓折疊臂，折疊臂端配有可以往復(fù)運動的液壓剪，用于大面積修剪樹冠、灌木叢或地面雜草，還有通過車載自動升降臺，將人送往不同高度位置進(jìn)行人工整枝修剪。目前自動立木整枝機已實現(xiàn)了遙控整枝修剪作業(yè)[1]?，F(xiàn)有的修枝剪具有能大面積的修剪、工作能力強、修剪樹枝直徑和高度不受限制等優(yōu)點；也存在較多不足，如機構(gòu)復(fù)雜，重量大，制作成本高；對操作者的身體素質(zhì)要求高、安全沒有保障；動力源還有采用汽油機的，對環(huán)境影響較大。

針對樹木修枝剪的上述不足，我們開展了基于藍(lán)牙技術(shù)的高空氣動修枝剪的設(shè)計，該修枝剪具有以下特點。結(jié)構(gòu)方面：采用氣缸和省力輪式修枝剪配合，用伸縮桿調(diào)節(jié)剪枝高度，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便；控制方面：運用藍(lán)牙無線遙控技術(shù)控制，在7米以下的高空中能實現(xiàn)點動間歇式的剪枝，修剪靈活；能源方面：用塑料高壓瓶給氣缸提供動力源，高壓瓶的高壓源可用便攜式高壓打氣筒手動充壓，實現(xiàn)了無碳修剪。隨著中國科技力量的進(jìn)步，對修枝剪的研究制作的發(fā)展趨勢總的為：操作安全系數(shù)高；機械化甚至智能化程度高且結(jié)構(gòu)簡單、輕便、合理，刀具經(jīng)久耐用；作業(yè)范圍大、生產(chǎn)效率高且勞動強度小；有較高性價比；采用小型化、序列化、模塊化設(shè)計，提高環(huán)境適用性與結(jié)構(gòu)上的互換性，降低使用、維修與保養(yǎng)的費用；環(huán)保（降低噪音等)[2]。該修枝剪符合國內(nèi)的發(fā)展趨勢，具有較好的發(fā)展前景。

1 設(shè)計思路

曾經(jīng)在街頭看到園藝工為了修剪出符合城市特點的綠化造型植物，費很大的力氣才能完成，而對一些較高的樹則沒法實現(xiàn)修剪的目的，為此，他們花了大量的人力物力去為城市造型。在校園里也看到類似的情景，生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院的學(xué)生和老師們，需要采集較高的樹枝作為標(biāo)本和科研材料，但對于他們來說，想要取到枝頭的樹枝是較大的難題，諸如此類。為了幫助他們解決這些繁瑣的難題，便想到設(shè)計一個結(jié)構(gòu)簡便，操作簡單的且使用效果明顯的高空修枝剪。

2 工作原理

如圖1為該修枝剪主要工作部分，運用軟件SolidWorks繪制的簡易模擬圖。利用軟件自身同軸心、重合、平行、齒輪等標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)配合關(guān)系就能達(dá)到把實物的模擬圖表達(dá)清楚的效果。

該修枝剪采用人工調(diào)節(jié)伸縮桿使剪刀部分調(diào)節(jié)至操作者想要的高度，然后經(jīng)手動控制藍(lán)牙開關(guān)，藍(lán)牙模塊改變電磁閥開關(guān)（型號3V 210-08，進(jìn)出氣接口反接）的通斷來控制單作用氣缸的推程，單作用氣缸是氣缸中較為基礎(chǔ)的元件，它只有一個方向的運動是靠氣壓傳動，活塞的復(fù)位是靠彈簧力或自重或其他外力[3]。動力由連接頭傳至剪刀的旋轉(zhuǎn)柄，實現(xiàn)對樹枝的修剪。當(dāng)電磁閥開關(guān)通電時，氣缸的推程接口與高壓瓶接通，剪刀口處的樹枝被剪斷。當(dāng)電池閥開關(guān)斷電時，氣缸推程接口與大氣相通而處于常壓，再由回拉彈簧將氣缸推桿以及連接頭（見圖2）一同拉回到工作前的狀態(tài)。

圖1 剪刀頭模擬圖

圖2 連接頭結(jié)構(gòu)示意圖

連接頭由桿端軸承、薄壁軸承、法蘭軸套、軸和調(diào)距片等組成；軸端的軸承與軸焊接，其中一薄壁軸承的外圈在剪刀自由柄的槽內(nèi)滑移，兩外圈間距大于剪刀槽底厚，利用桿端軸承的三個旋轉(zhuǎn)方向，將氣缸的直動轉(zhuǎn)換成剪刀自由柄的定軸轉(zhuǎn)動。

3 設(shè)計效果分析

在對試驗樣品試驗中,我們發(fā)現(xiàn)雙作用氣缸行程和推桿直徑較大，造成氣壓源的浪費，電磁閥開關(guān)的氣密性效果不佳，在氣缸的回程設(shè)計上存在問題。有文獻(xiàn)報道氣動修枝剪作為一個手動控制的氣動工具，要求操作簡單方便，如果使用雙作用氣缸，則需要兩根進(jìn)氣管，會增加操作麻煩。事實上，修剪作業(yè)只是在剪切時需要較大的力量，在回位時不需要多大的力量，因此，單作用氣缸完全能夠滿足要求[4]。在對現(xiàn)有的問題進(jìn)行改進(jìn)和對樣品進(jìn)行分析后，決定改用M16×75的單作用氣缸，DC12V的學(xué)生電源，12 V二位三通電磁閥開關(guān)，省力輪式修枝剪剪刀等主要原件制作該修枝剪；采用容積為2 L，壓強為8 Kpa的雪碧瓶作為氣壓源，且電磁閥開關(guān)進(jìn)出氣口反接，則改進(jìn)后的修枝剪能實施有效剪枝30次左右，剪切直徑≤15 mm，按照藍(lán)牙有效工作范圍計算，能對10 m以內(nèi)高空的樹枝實施修剪。

4 結(jié)論

通過對基于藍(lán)牙技術(shù)的高空氣動修枝剪的設(shè)計與前期試驗，得到以下結(jié)論：

（1）該修枝剪采用新型的藍(lán)牙技術(shù)制動；

（2）伸縮桿解決了高空剪枝繁瑣的問題；

（3）采用氣缸和高壓瓶組合作為動力源，單作用氣缸工作穩(wěn)定，而高壓瓶可用便攜式腳踏高壓打氣筒補充壓力源，具有良好的節(jié)能效果，在能源上做到了綠色無碳。

（4）該修枝剪的修剪高度可調(diào)節(jié)，為不同領(lǐng)域、不同需求的人們帶來方便，具有良好的應(yīng)用前景。