移动式气动剪枝机

2013-12-23乌日图张振富李福靖李华雷宋莹晓

机械工程与自动化 2013年5期

乌日图，张振富，李福靖，李华雷，宋莹晓

（内蒙古工业大学机械学院，内蒙古呼和浩特 010051）

0 引言

目前果树管理基本上处于人工作业，相对制约了林果业的产业化发展，实现果树管理机械化是果农的迫切要求。在果树管理中，剪枝是一项主要环节，人工剪枝每天只能剪20～30棵树，且修剪时撕裂果树枝现象时有发生，高枝修剪需用梯子或爬树，增加了操作危险性，此外，人工剪枝时的攀登还容易造成树干或主枝伤断，影响果树产量。应用气动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现的各种问题，具有广泛的推广前景。

1 气动剪枝机的组件

移动式气动剪枝机的主要组件有：空气压缩机、滑动小车、剪刀体、伸缩装置。

1.1 空气压缩机

空气压缩机的种类很多，按工作原理可分为容积式压缩机和速度式压缩机。容积式压缩机的工作原理是压缩气体的体积，使单位体积内气体分子的密度增加以提高压缩空气的压力；速度式压缩机的工作原理是提高气体分子的运动速度，使气体分子具有的动能转化为气体的压力能，从而提高压缩空气的压力。本设计所选用的空气压缩机为容积式压缩机，图1 为容积式压缩机的结构简图。

1.2 剪刀体

剪刀体的主要组成部分有：定刀片、动刀片、串联型气缸、连杆及连接机构。

1.2.1 串联型气缸尺寸确定

串联型气缸也称为倍力型气缸。它由两个或多个单杆双作用气缸串连在一起，并且两个或多个气缸都有各自的活塞杆，其输出力是单个气缸的两倍或多倍，从而达到使用小径气缸而得到较大输出力的效果。串联型气缸常用于气动压力机上，要求输出力很大，但是安装空间较小，不允许增加气缸缸径，但允许增加气缸长度的场合。每个气缸都有进气口和出气口，进气口在内部相通，所以串联型气缸只需要一个进气管。串联型气缸采用的是单作用气缸，活塞的复位是通过复位弹簧而实现的。

图1 容积式压缩机的结构简图

气动剪枝机的最大剪切直径d 为30mm，即树枝的剪切面积A＝706.5mm2。经大量试验得出剪切直径为30mm 的树枝所需切应力［τ］为2.9 MPa。则剪刀体的许用剪切力为：

将相关参数代入式（1），计算得剪刀体的许用剪切力为2 048.85N。剪刀的受力情况如图2所示。

图2中，F1为气缸的理论输出拉力；F2为定刀片的支撑力；F3为动刀片的压力；L1为动刀片的动力臂；L2为动刀片的阻力臂。此处取L1＝2L2，F3＝Fs＝2 048.85N。由力矩平衡方程有：

代入相关参数计算得气缸的理论输出拉力F1＝1 025N。

气缸的理论拉力F 可由下式计算：

其中：θ为负载率，在剪切树枝时，气缸的负载属于阻性负载，负载不产生惯性力，选取负载率θ＝0.8。将相关参数代入式（3），计算得F＝1 281.25N。

图2 剪刀受力情况

由于采用的是串联型气缸，输出力为单气缸的两倍，所以串联型气缸的实际输出力为：

气动剪枝机采用的是单作用气缸，在计算气缸的输出推力时应将复位弹簧所产生的力计算在内。由于复位弹簧的阻力相对于气缸的推力比较小，可以忽略不计，因此气缸的理论推力公式可以表示为：

其中：D 为气缸直径；p 为气缸工作压力，p＝1.0 MPa；η为气缸的工作效率，一般在0.7～0.95，取η＝0.8。将相关参数代入式（4），计算得单作用气缸直径为30mm。

1.2.2 气缸的结构设计

气缸的材料必须质量轻且耐磨性好，这样不仅减轻了重量使工人携带方便而且寿命长，既经济又实惠。外缸与手柄通过管螺纹连接，在手柄与外缸的连接处由胶皮密封圈进行密封，防止漏气，以增加其效率。内缸与外缸也是由管螺纹连接，当内、外缸的管螺纹旋开时可以进行管壁的伸长与收缩。内缸的顶端有一凸台，外缸的底端有一凸台，当内、外缸的螺纹旋开时内缸向上移动，当达到极限位置时，由两凸台限制其移动。在内、外缸之间由一密封圈进行密封，防止其漏气。串联型气缸的整体结构见图3。

气缸通气时推动活塞向上移动，活塞的另一端与活动刀体连接，活塞向上移动同时带动刀体转动，实现其剪枝的动作。图4为活塞结构示意图。