树木剪枝液压剪剪切机构设计及优化

朱广勇+肖钦兰+吴娇

摘 要：使用手动修枝剪工作，不仅耗时，耗费大量的人力，而且能修剪的枝桠直径比较小。为了匹配汽油机的动力装置，设计优化了液压剪的剪切机构，操作简便，剪枝最大直径可达80 mm。

关键词：液压剪；剪切机构；刀片；刀架

中图分类号：S776.27+4 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.11.009

对树木剪枝修剪机械的研究起步较早，机型也比较齐全。美国和瑞典等国家生产的手动无动力整枝机结构简单、实用、造价低，作业高度可达6 m，但是，其存在夹锯劳动强度大、效率低和容易断锯等缺陷。高枝修剪机和修剪锯等多以小型汽油机为动力，通过软轴传动带动锯链或圆锯片工作，结构简单，生产制造成本低，工作效率高，但是，其操纵杆过重，锯切时振动幅度较大，切口平滑度较差，工作舒适性差。

鉴于此，此次设计的剪切机构以小型汽油机为动力，装在3 m长的手柄上，由单杆活塞缸驱动，剪刀的一刃是固定的，与手柄连接，另一刃由液压缸驱动，行程120 mm，可剪断直径为80 mm的树枝。

1 液压剪剪切机构的工作原理

剪枝液压剪作为一个手持操控工具，其操作简单、方便，液压剪油缸的进油和出油是从同一接口位置进出的，因此，活塞杆的回复需要依靠外力来实现。在液压剪中安装一个弹簧，通过弹簧复位来推动油缸活塞杆移位，整个系统由动力源、控制调节装置、执行装置和剪切机构组成，选取适当的液压控制回路，有利于能源的充分利用。系统传动简图详见图1.

图1 液压剪的液压系统

在剪枝作业时，通过手柄操纵机构，接通进油路，此时，汽油机带动油泵输出高压油进入执行油缸，以推动剪枝机构的动刀片向上运动，并与定刀片闭合，进而实现剪枝作业。

当作业停止时，汽油机仍然会带动油泵运转，此时，进油路处于截止状态，油泵经过溢流阀实现卸荷，执行油缸在弹簧作用下回位，使剪枝机构刀片开启。

2 剪切机构构设计计算

液压剪要求剪断树枝的直径d0=80 mm，树枝的许用剪切强度[τ]=3.0 MPa，则树枝的截面面积为：

. （1）

将具体数值代入式（1）中可得：A= =

5 024×10-6 m2；

则许用剪切力为：

Fs=A[τ]. （2）

将具体数值代入式（2）中可得：Fs=5 024×10-6×3×106 N=15 072 N。

2.1 刀片设计

刀片是树木打枝液压剪的核心构件，其性能的好坏直接影响整个剪枝机各元件选用工作效率的高低。刀片在剪切过程中的受力情况如图2所示。P0为茎秆对刃口的切割阻力，方向垂直于刃口；N，N1为楔面切割时所加的正压力；φ为剪切时树枝对刀片的摩擦力对应的摩擦角，不同的材质对应不同的值。

由图2可得：

. （3）

. （4）

由式（3）（4）可以推出：

. （5）

由式（5）可得，正切时所需的切割力与刃口厚度和楔角γ成正比。

刀片的楔角反映刀具切削部分的锋利程度和强度，所以，刀片的楔角γ取值不应过大，但是，需要同时满足一定的强度和刚度要求，设计时取γ=30°。

木材的材质硬度与金属材料相比要小得多，但是，木材是各向构造不均匀的异性材料。在剪切过程中，刀片不会不连续工作，而在工作过程中，刀片会承受一定的冲击载荷，因此，对材料性能会有一定的要求，要求其具有较高的硬度，硬度大于HRC60，高耐磨性，并有足够的韧性，以防止刀片在剪切过程中脆断和崩刃。

T7～T9可制造承受冲击的工具，因此，为了符合各方面的要求，可选用T8工具钢制造刀片。

2.2 刀架设计

刀架主要用于固定定刀片和支撑导向动刀片的运动。在工作过程中，刀架需要承受一定的弯矩和拉伸，将刀架设计成一个整体结构，上部固定动刀片，下部开一滑槽作为动刀的导向路径，因为动刀片与活塞杆直接固连，而活塞杆可在液压杆内旋转，没有导向滑槽，动刀容易在运动过程中摆动。

刀架采用铸铁铸造为一体，在工作过程中，刀架会受树枝反作用过来的力F的影响，如图3（a）所示。

（a） 刀架受力 （b） 刀架断面

图3 刀架结构

将力F向刀架主体的中心线平移，其等效于拉力和弯矩共同作用，经过拉伸和弯曲变形后，刀架的危险截面如图3（b）所示，工字断面翼缘宽，侧向刚度大，抗弯能力强。这时，有：

. （6）

式（6）中：N为刀架所受的等效拉力，即N=F，N；A为危险面的横截面积，m2；M为刀架所受弯矩，N·m；Z为横截面危险点的纵坐标，m；Iy为惯性矩，m4。

截面为对称的工字形结构，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.

这时，σ <[σ]=35 MPa，材料强度满足相关要求。

3 总结

此次设计的剪切机构以小型汽油机为动力，采用带传动减速和过载保护，将机械能转化为液压能，并将液压剪装在3 m长的手柄上，由单杆活塞缸驱动，剪刀的一刃是固定的，与手柄连接，另一刃由液压缸驱动，通过联动操纵机构控制组合控制阀，以推动执行油缸，使剪枝机构动作。该设备的行程为120 mm，可剪断直径为80 mm的树枝，结构简单明了、拆装方便、质量轻。同时，在剪切过程中，其不会产生附加力矩。

参考文献

[1]李世葳，王述洋，王慧，等.树木整枝修剪机械现状及发展趋势[J].林业机械与木工设备，2008（01）：15-16.

[2]孙冲龙，吴永清，乔弘，等.便携式液压剪枝机的设计与研究[J].南京林业大学学报，1994，18（2）：65-68.

[3]王积维，章宏甲，黄谊.液压与气压传动[M].第2版.北京：机械工业出版社，2005：248-274.

[4]程祥之.园林机械[M].北京：中国林业出版社，1995.

[5]金维洙.木材切削与木工刀具[M].哈尔滨：东北林业大学出版社，2005：197-209.

〔编辑：白洁〕