修枝剪刀刀具夹紧更换机构的设计

葛云，方珏，李远

（石河子大学机械电气工程学院，石河子，832003）

修枝剪刀在园林整形、果园修枝方面得到了广泛的应用。相比大型园林整形机械，具有节能效益显著、使用灵活、耐用性好、修剪端面平整等优势［1］。近年来，国内外已研发出多种类型的修枝剪刀，如电动修枝剪、气动修枝剪、液压修枝剪等，由于动力装置的改进，剪刀工作部件单位时间上的负荷也随之增加，在长时间的作业过程中，木屑、土粒等杂质在双刀刃间产生侧向力以及剪切作用力，导致动刀刃与定刀刃间隙增大，严重影响修剪质量及效率。同时，传统的螺栓螺母夹紧结构（图1）在修枝作业时会暴露出夹紧结构易松懈的问题。而修枝剪动刀刃刀体薄，在高负荷的作业下容易磨损钝化而影响修剪的质量。为保证修剪作业有序高效的进行，需要不定时的对修剪间隙进行重新定位、紧固，及对动刀进行更换。而传统的螺栓夹紧机构决定了松懈后需要扳手等辅助工具的参与才能解决再次锁紧及更换动刀的问题，这将给需随时紧固、换刀的野外园林作业带来不便而影响修剪的效率。

图1 传统螺栓夹紧机构Fig.1 Traditional bolt fastening structure

本文根据圆偏心机构夹紧原理，设计出一种螺栓与偏心圆相结合的快卸式夹紧换刀机构。该机构无需辅助拆卸工具的参与，徒手便能轻松完成夹紧定位、拆卸换刀等功能，解决了夹紧、换刀程序繁琐费时费力的问题。另外，本文对圆偏心夹紧机理进行分析，对该结构的设计计算进行了详细的描述，可为其他类型修枝器械夹紧换刀装置的设计提供理论依据。

1 工作原理

刀具在剪切过程中能顺利的完成剪切工作，很大程度上取决于刀具动刀与定刀片之间的间隙大小［2－3］，该间隙主要受修枝剪上的夹紧机构影响。因此，夹紧机构的好坏是决定修枝剪性能的重要因素。本文设计的快缷夹紧机构主要由偏心圆手柄、销筒、销轴等组成，结构如图2所示。偏心夹紧机构是依靠偏心轮回转时其半径逐渐增大而产生夹紧力来夹紧工件的，具有夹紧动作迅速、可靠，且操作方便、省力、安全等优点［3］。

图2 新型换刀机构Fig.2 New tool change mechanism structure

间隙调整过程：调整动、定刀之间的间隙时，只需将偏心圆手柄打开至松开状态，此时刀片对螺母侧面的压力减少、销轴对螺母内螺纹的拉力也相应减小，此时便可手动顺时针旋紧螺母以缩小刀具间隙（螺母旋转时受到侧面的摩擦阻力以及内螺纹的旋转阻力都急剧缩小［4］），然后关上偏心圆手柄，此时夹紧行程处于最大位置，实现对刀片的固定与夹紧。

换刀过程［5］：换刀时，打开偏心圆手柄，即将螺母与销轴旋转分离（原理与夹紧过程相同），之后便可轻松将销轴、销筒从刀头内孔中抽出，实现快速拆卸功能。换上新刀片后，再将销筒插入刀片内孔然后再插入销轴，旋紧螺母后再将偏心手柄转至紧固的位置，由于偏心圆行程增大（图3），使得刀片两侧受到的压力增强从而达到夹紧的目的。

图3 旋转角与夹紧行程关系图Fig.3 Rotation angle and clamping stroke relationship diagram

通过对夹紧换刀原理的分析，该机构的优势是在没有辅助工具的条件下，能对刀具进行夹紧及更换动刀的操作，且其操作简单、快捷，避免了传统结构紧固换刀时在寻找辅助拆卸工具上浪费过多时间，显而易见该结构的应用能节约紧固、换刀时间，从而提高作业效率。

2 圆偏心快缷机构设计及参数确定

2.1 夹紧行程的确定

设计该机构，首先要确定夹紧行程。夹紧行程HAB计算公式如下：

式（1）中：S1为夹紧刀头所需的间隙，一般S1≥0.3 mm；S2为夹紧装置的弹性形变量，一般S2＝0.05～0.015mm；S3为夹紧行程储备量，一般S3＝0.1～0.3mm；δ为刀具加压表面至定位面的尺寸公差。

2.2 偏心距的确定

根据工作需要及剪刀具体尺寸等因素，确定工作旋转角度θAB，如取︵AB（图4）为圆偏心夹紧机构的工作段（圆偏心夹紧机构的工作转角一般＜90°，因为转角太大，不仅操作费时，也不方便，图4中AB位置只是计算示意图），在A点上的夹紧高度为

在B点的夹紧高度为

因为 HAB＝HB＝HA＝e（cosθA－cosθB），

所以偏心距

图4 圆偏心结构Fig.4 Circular eccentric structure

2.3 确定偏心轮半径

按自锁条件计算偏心轮半径R，

偏心圆半径不仅受偏心距，还受到材料的摩擦系数的影响［6］。若f＝0.1～0.15，则圆偏心夹紧机构的自锁条件可写为R／e≥7～10。

2.4 其它构件结构设计

根据“夹具标准”（GB／T2191－91～GB／T2194－91）或查“夹具手册”，确定圆偏心轮的其他参数。

通过已计算得到的偏心距e、偏心圆半径R等数据计算该机构的夹紧力，圆偏心夹紧机构夹紧力计算公式［7］如下：

式（6）中：L为力距Q为加载在手柄上的力，夹紧点的转角为γ，e为偏心距，R为偏心轮半径，其比值e／R称为偏心率或偏心比（表示偏心轮回转中心与其几何中心的偏离程度［8］），μ为偏心轮与被压表面的摩擦系数。

根据文献［9］及查相关设计手册确定销轴、螺母、销筒等相应零部件的材料、结构及尺寸，其结构如图5所示。

图5 换刀结构松紧位置示意图Fig.5 Replace tool structure diagram

3 结语

1）本文设计的快卸夹紧机构在作业过程中能有效完成夹紧、换刀等功能，效率高、操作简单。

2）本文对剪刀快卸夹紧装置的设计研究将为后续其他类型修枝器械刀头夹紧更换机构的设计提供理论依据。

3）剪刀修剪过程中因紧固件松动而造成剪切质量下降的问题十分普遍，本设计可为松动后再次夹紧的操作带来方便，但不能解决修剪过程中的紧固件松动的问题。因此，剪刀的夹紧防松动机构还有待深入研究。

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