基于最小伤害的机械冲击式高压树木注射机研究

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(1.徐州市林业技术推广服务中心，江苏 徐州 221018；2.徐州市林政资源管理站，江苏 徐州 221018；3.徐州市城市园林绿化管理站，江苏 徐州221002)

研究与设计

基于最小伤害的机械冲击式高压树木注射机研究

王朋1，田勇燕2，池康2，周正标2，秦飞3*

(1.徐州市林业技术推广服务中心，江苏 徐州 221018；2.徐州市林政资源管理站，江苏 徐州 221018；3.徐州市城市园林绿化管理站，江苏 徐州221002)

论述了国内外树木注射机械装置的技术路线和关键技术。树木注射伤害分入针、注射及退针时的物理损伤、注射技术选择不当所引发的伤害，以及由药物—树木本身生物化学反应造成的伤害等。树木的注射伤害可以控制，防止发生树木注射伤害必须选用正确的树木注射技术路线，包括合理控制高压注射的速度、针头密封以及进退针的方式。提出了基于最小伤害的机械冲击式高压树木注射机方案，并通过样机进行了试验验证。

树木注射；注射伤害；注射机械；研究

自1926年美国Muller发表《植物的内部治疗》，提出农药注入理论以来，树木注射施药技术已历经近百年的研究，并取得了长足的发展。然而，作为其技术基础之一的施药器械，虽然国内外的研究者先后提出了很多的机型[1]，但与迫切的社会需求相比还远远不够，注射伤害、注射效率、劳动强度等关键技术问题仍未得到有效解决，迫切需要更高性能的注射机械。本研究在树木注射伤害成因等研究成果的基础上，设计了一种基于最小注射伤害的机械冲击式高压树木注射机，以满足对树木病虫害实施注射施药防治的需要。

1 树木注射过程的技术分析与注射机型式选择

1.1树木注射伤害及关键技术分析

要将药液注入到树木的输导组织中，必须采用适当的方式使输液针头能够进入到树干内部适当的位置，以确保药液恰好注入到树木的输导组织，注药完成后再将输液针头从树干中取出。在树木注射的3个基本过程中，可能发生的伤害可以分为入针、注射及退针时的物理损伤，注射技术使用不当所引发的形成层组织坏死，以及由药物与树木本身的生物化学反应，药物种类或剂型、用量不当造成的化学药害[2]。其中，入针、注射及退针时的物理损伤完全取决于注射的机械设备，注射技术的运用也部分取决于此。因此，在注射药剂正确的情况下，注射机械的技术路线、产品结构、工作方式的选择，在注射伤害控制中起着决定性的作用。

要最大限度地减小注射伤害，提高机械工效，树木注射3个基本过程的关键技术是重中之重。① 进针阶段的技术关键有3个：一是使树体组织受到的机械损伤要尽可能小，以利于注射孔的快速愈合；二是药液必须全部注射到树木的输导组织中，不论树木干部组织松软或坚硬，注射针与树木组织间都要有良好的密封性，以确保注射的药液不会沿注射针向外渗出，更不能进入到形成层组织(皮下)；三是进针效率要高，在高浓度、低剂量的注射中，进针是费时最多、劳动强度最大的一个操作环节。② 注药阶段的技术关键也有3个：一是系统能够产生足够大的压力来克服药液进入注射对象树木输导组织的阻力；二是系统产生的压力要能够随注射对象树种干部组织松软或坚硬变化而自动调节；三是药液进入速度应不高于注射对象树木输导组织能够承受的最大流动速度，以防造成组织损伤。③ 退针阶段的技术关键是不能对树皮及形成层造成挤伤。

1.2 树木注射基本过程的可实现方式分析

综合国内外发表的树木注射机具[3-5]，在进针阶段可以归纳为5种进针方式：①直挤式进针：利用机构压力使注射针直接挤入到树木体内的指定位置；②切削挤入式进针：使用切削式钻头先在树体上钻出比注射针径稍小且达到一定深度的孔，然后再将注射针挤入孔内；③直旋式进针：利用针体表面的螺旋结构，在扭力作用下使注射针直接钻到树木体内的指定位置；④切削旋入式进针：使用切削式钻头先在树体上钻出比注射针径稍小且达到一定深度的孔，然后再将注射针旋入孔内；⑤冲(锤)击式进针：利用冲锤的冲(锤)击力将注射针头打入到树木体内的指定位置。

在进针阶段，直挤式进针需要有一个刚性的支撑，通常采用柔性环绕带或活动连接的抱环以克服进针时的反作用力[6]。直旋式进针，因针体锥度较大，松树等树种易在注射点上下顺纹方向上挤出一定的裂纹，使药液向外渗出。切削挤入或旋入式进针首先要在注射点位置打一个孔洞，对树体损伤大，注药孔愈合慢，容易导致严重的树干损害，而且需要2个独立的步骤才能完成操作。冲(锤)击式进针采取顶端为平刃、前半部圆柱体侧开孔、后半部为圆锥体的针头，通过机械冲(锤)击的方式，将注射针冲(锤)入或冲(锤)出树体，依靠注射针后部圆锥体自进密封，不形成孔洞，对树木的损伤小，注射孔愈合快。

在注药阶段，按药液进入树体的过程，可以归纳为连续式和脉冲式2种方式。①连续式注药：将计划注射的药量持续不停地一次注射到树木的输导组织中。此类机械一般要有一个衡压或调压机构，使药液能够始终保持有一定的压力，系统复杂，费效比和实用性都不高。②脉冲式注药：将计划注射的药量分成N次注射到树木输导组织中。此类机械目前已简化到由1个柱塞泵加上低压供药管和高压输药管组成，系统简单，工作可靠，注射压力依据“作用力与反作用力相等”的原理，并按注射对象树木组织的松软或坚硬程度而自动调节。

在退针阶段，可以归纳为旋转退针、顶退针和拉退针3种退针方式。旋转退针是在旋入进针系统中，按与进针相反的方向旋转针体，使注射针退出树干。顶退针是利用树体作为支撑体，按类似直挤式进针(方向相反)的方式将注射针顶出。拉退针则不需要树体作为支撑体，而是利用机械装置直接将注射针拔出。这3种方式中，只有顶退针有可能产生挤伤。

1.3 伤害最小的注射机结构型式

1.3.1 产品技术路线

综合上述的树木注射基本过程、可能实现方式及其特点的分析可知，要做到注射伤害最小，注射机应当采取冲(锤)击式进、退针，柱塞泵脉冲式注药的技术路线。同时，考虑到野外作业环境，配套动力应以便携(背负)式汽油(割灌)机为宜。

1.3.2 产品整体结构

机械冲击式高压树木注射机整体结构如图1所示。按照上述的产品技术路线，机械冲击式高压树木注射机由动力系统、进退针系统、高压注药系统3部分组成。考虑野外作业负荷，产品采用以下整体结构方案：动力系统(含储油箱)与注药系统(含储药箱、高压柱塞泵系统与动力转换系统)集成在背架上，进退针系统及控制操纵系统则集成为手持系统，两者通过高压输药管系统、传动(离合)操纵拉绳、传动软轴连接。

图1 机械冲击式高压树木注射机整体结构

冲击进、退针系统结构如图2所示。进退针系统采用真空气垫式冲击器作为基本器件，2只冲击器对称、同轴安装在曲轴连杆传动机构的两侧，由外壳体定位和连接。外壳体与2只冲击器之间有以滑动方式安装的口形环，口形环与针座连接。2只冲击器气缸的中部位置(活塞行程最大位置的前方)开有伸出壳体外的通气孔，并与位于2个通气孔中间外壳上的T形冲击换向操纵把手软密封面相接。

图2 冲击进、退针系统结构

柱塞泵机构与动力转换机构集成为一体，并采用插接方式与配套的背负式汽油机相连接。其输入轴(主动轴)与连接传动软轴的输出轴(从动轴)采取同轴结构，位于从动轴孔内的主动轴头部加工有起润滑作用的螺旋槽，主动轴头与从动轴孔之间设一钢球，钢球所在位置的从动轴体上设有导油孔。主动轴上设有转动配合带端面齿圈的蜗杆头。主动轴端面齿圈与螺旋槽之间为多边形，上面设有滑动配合的双面均有牙的离合器，由传动控制操纵拨杆、弹簧、拉绳、定位把手联合定位。柱塞泵的驱动可以采用凸轮机构或曲柄连杆机构。由于凸轮机构恒流量往复泵比曲柄连杆机构往复泵的运动与动力特性要优越[7]，因此本设计选用凸轮机构，在蜗轮轴上直接安装凸轮，以最大限度地减化系统结构。

2 注射机工作原理及主要机构设计

2.1系统工作原理

本注射机的工作原理是，由操纵拉绳控制的离合器具有离合、进退针和注药3个工位。当其处于进退针工位时，汽油机的转动通过传动软轴传给进退针冲击器的曲轴，带动气垫式冲击器工作。当其处于注药工位时，汽油机的转动通过蜗轮—蜗杆减速机构传给凸轮，凸轮与弹簧配合使柱塞泵的柱塞实现往复运动，将药液注射到树木体内。在进退针工作状态，当T形把手推向注射针方向时，进针气垫式冲击器上的通气管被封闭，冲击器内的气锤通过空气垫与活塞耦合，并随活塞往复运动到最低位置时与可滑动口形环针座的冲击头相接触，将注射针打入到树木体内；此时的退针气垫式冲击器上的通气管被打开，其气锤与活塞不耦合，也就不会发生冲击作用。当T形把手拉向尾部方向时，情形与进针时相反，退针气垫式冲击器上的通气管被密封而进入工作状态，冲击可滑动口形环针座拉环底部的冲击头，将注射针拔出来。

在机械投入使用时，首先将注射针顶住树木的拟注射部位，并将T形把手推向树体方向，之后转动动力操纵把手至离合器处于进退针工位，进针气垫式冲击器将注射针头打入到树体后，反向转动动力操纵把手至注药工位，柱塞泵系统工作，将药液注入树木体内；注药完成后，将T形把手拉向树体相反方向，同时，再次反向转动动力操纵把手至进退针工位，退针气垫式冲击器将注射针头从树体中拔出，一次注射过程结束。

2.2 主要机构设计

2.2.1 冲击器设计

冲击器的设计决定着锤击注射针进入树木体内能量(冲击能)的大小，从而决定了产品适用的树种及进针效率。据研究，与空气连接的压缩真空式冲击机构，在不考虑机构摩擦力等因素的情况下，其冲击功W=2mr2(πn/30)2(10-7)；式中：W为冲击功(J)；m为冲击锤质量(g)；r为偏心轴的偏心距(cm)；n为偏心轴转速(r/min)[8-9]。冲击能大，要求冲击锤的质量及偏心轴的偏心距要大，转速也要高，但这样会导致产品总体质量和外形尺寸增大；反之，产品的总体质量和外形尺寸就可以减小。3个参数的协调优化是产品设计的关键。通过使用Excel进行多种组合的试算比较，冲击锤质量186 g、偏心轴偏心距13 mm的冲击器所产生的冲击能可以较好地满足主要造林树种的树木注射进针需要，冲击器理论冲击功见表1。

表1 冲击器理论冲击功

冲锤质量/g偏心轴偏心距/mm偏心轴转速/r·min-1冲击功/J35008.437009.4390010.518613410011.6430012.7450013.9470015.2490016.5

2.2.2 柱塞泵额定注射量设计

额定注射量为在额定注射压力下，药泵的柱塞作一次最大注射行程时能够达到的稳定注射量。理论上的额定注射量应当等同于柱塞药泵的排量，它取决于柱塞泵的几何尺寸(即柱塞的缸径和行程)，与柱塞移动速度无关。据研究，树木注射时需根据胸径大小给药，一般每10 cm胸径需注射5%～15%浓度的药液量为6～40 mL。按配套汽油机工作转速4 500～5 500 r/min、减速比1∶30计算，注射频率为2.5～3次/s。由于柱塞泵的一次排量是一个连续的注药过程，在柱塞行程和移动速度一定(不可调)的情况下，柱塞泵排量增大，药液进入树体的速度就要相应加快。药液注射的速度根据树种的不同需不同，但均不宜过高。因此，确定额定注射量为2 mL，以保证该柱塞泵对不同树种的普遍适用性。又由于在使用O型橡胶密封圈密封的系统中，必须通过泄出一定量的工作介质来保持O型橡胶密封圈润滑的需要，而介质泄出量主要受工件表面粗糙度和系统压力影响，所以要保证达到额定注射量还需在一定的制造工艺条件下，按照实际测试结果在理论排量的基础上适当增大。

2.2.3 柱塞泵的力传动机构设计

2.2.4 配套动力选型

配套动力选型需要考虑的因素主要有冲击器要求的输入功率和额定注射压力下对柱塞杆的作用力。在本设计方案中冲击器与柱塞泵为交替工作，满足其中的最大动力要求即可。冲击器要求的输入转矩主要用于克服活塞的摩擦力，由于活塞与缸体间为O型橡胶密封圈密封，O形圈预压缩所产生的初始摩擦力为：F0=0.2π2feEDd/(1-μ2)，式中：D为O形圈外径，d为O形圈圆截面直径，e为O形圈预压缩率，f为O形圈与缸壁间的摩擦系数，E为O形圈材料弹性模量，μ为泊桑系数[12]。O形圈材料为橡胶，D=30 mm，d=2.65 mm，沟槽深2.23 mm，橡胶皮与钢铁的摩擦系数f=0.5，弹性模量E=7.8 MPa，泊桑系数μ=0.47，则F0≈148 N，选择冲击器曲轴偏心距为13 mm，则需要的扭矩约1.9 N·m。柱塞杆所需的作用力，注射不同树种时需要的压力大约在1.5～15 MPa之间[13]，按柱塞泵缸径12 mm、最大注射压力20 MPa计算，大约需要输入转矩50 N·m。BK4302FL型割灌机的输出功率为1 470 W，怠速2 300～2 700r/min，输出轴最高转速5 600～6 000r/min，输出轴扭矩T=9 550P/n=2.5～2.3 N·m。蜗轮蜗杆减速比1∶30，传动效率70%时，减速机输出的扭矩为48～52 N·m。计算结果表明，BK4302FL型割灌机的输出功率可以满足动力需要。

3 性能检验与分析

2013年秋对首台样机进行了机械性能初步检测。试验地点为徐州市故黄河公园，试验树种为毛白杨、悬铃木、桃、柳、香樟、女贞等常用于造林绿化的树种。测定项目包括进针、注射、退针速度等机械效率指标及注射孔漏药情况等注射质量指标，结果见表2。检测结果表明，试验样机在每孔注射20 mL药液的情况下，随注射对象树干木纤维组织及密度等的不同，完成一孔注射的总耗时为8.5～13.5 s，其中，进针时间3～7 s，退针时间1.5～2.5 s，注药时间均为4 s。在注药过程中发生泄漏的情况随树种的不同而不同，泄漏率为1.6%～4%。其中，纤维较粗的柳树和毛白杨泄漏率偏高，表明所用注射针体的锥度偏小，需要适当加大。

表2 机械冲击式高压树木注射机注射性能测定

试验树种胸径/cm注射株数/株单株注射孔数/孔·株-1每孔注药量/mL·孔-1平均进针时间/s·孔-1平均注药时间/s·孔-1平均退针时间/s·孔-1发生泄药孔数/孔毛白杨3020520341.54悬铃木4020520742.52桃10203204422柳2020420441.53香樟20105205421女贞1020320742.51

4 结束语

树木注射施药技术作为一项无损环境的树木病虫害“卫生”防治技术，其在城市园林、果树园艺、丰产林、人工防护林等“植株个体级防治单元”中占较大比重，因此该技术的应用前景十分广阔。然而，如何在发挥注射施药技术优势的同时，最大限度地减小注射伤害，实现可持续发展，是发展树木注射施药技术中一个十分重要的科研课题。首台样机的试验结果表明，产品技术路线和总体方案良好，符合树木注射技术发展方向。下一步应在结构、材料、工艺等方面，围绕机械系统可靠性、维护简便性和便携性等方面作进一步的改进和完善。

[1] 刘景元，何树川，李瑾奕，等.树木注射施药装置的比较研究[J].林业机械与木工设备，2011，39(1)：12-15.

[2] 唐虹，秦飞，郭伟红，等.树木注射伤害成因及控制研究[J].林业机械与木工设备，2012，40(4)：35-37.

[3] 商庆清，赵博光，张沂泉.高压大容量树木注干机的研制[J].南京林业大学学报：自然科学版，2009，33(5)：101-104.

[4] 李兴，秦飞，周正标，等.树干注药机核心技术的比较研究与6HZ.D625B型注药机研制[J].林业科学，2001，37(1)：130-134.

[5] 胥占义，秦飞，周正标.树木注射施药机械与使用技术进展[J].世界林业研究，1998，11(2)：39-44.

[6] 田世珍，杜学林.树木快速注射器：中国，200720022861.5[P].2007-06-04.

[7] 董怀荣，张慧峰，裴峻峰.凸轮机构往复泵与曲柄连杆机构往复泵性能对比分析[J].江苏石油化工学院学报，2002，14(4)：10-14.

[8] 龚有森.锤钻、电钻和电镐冲击功的近似计算[J].电动工具，2012(2)：5-6.

[9] 杨兆哲，耿绍辉，许民.二次正交旋转试验对麦秸塑料复合材料冲击强度影响[J].森林工程，2014，30(4)：86-90.

[10] 徐灏.新编机械设计师手册[M].北京：机械工业出版社，1995.

[11] 汤瑞.轻工机械设计[M].上海：同济大学出版社，1994.

[12] 徐辅仁.对O形密封圈引起的摩擦力的计算[J].石油机械，1989，17(8)：9-10+35.

[13] 秦飞，朱世昕，周正标，等.锦源牌6HZ·D系列树木注药机的研制[J].林业科技开发，1997(3)：35-36.

StudyonMechanicalImpact-typeTreeInjectionEquipmentBasedonMinimumInjury

WANGPeng1，TIANYong-yan2，CHIKang2，ZHOUZheng-biao2，QINFei3*

(1.Technology Popularization Service Center，Xuzhou Jiangsu 221008，China；2.Xuzhou Forestry Administration Resource Management Station，Xuzhou Jiangsu 221008，China；3.Xuzhou Urban Landscaping Management Station，Xuzhou Jiangsu 221002，China)

The technical routes and key technologies of mechanical tree injection devices at home and abroad are stated，and the damage caused during three injection fall into the physical damage caused during needle penetration，injection and needle withdrawal，the damage caused by improper use of injection technology and the damage caused by drug-tree biochemical reactions.The damages caused by tree injection can be controlled and in order to avoid tree injection-related damage，correct tree injection technical routes must be selected，including rational control of the speed of high-pressure injection，needle head sealing and need penetration and withdrawal methods.A mechanical impact-type high-pressure tree injection machine program based on the minimum tree damage is proposed and prototype machines are used for experimental verification.

tree injection；injection-related damage；injection equipment；study

S223.24

A

2095-2953(2017)11-0008-05

2017-07-25

江苏省林业三新工程项目“机械自动树木注射机生产与应用示范”(lysx[2012]19号)

王 朋(1980-)，男，江苏徐州人，高级工程师，硕士，研究方向为林业技术推广，E-mail：afayf2004@163.com。

*通讯作者：秦 飞(1962-)，男，江苏南通人，研究员级高级工程师，硕士，研究方向为森林营建、森林病虫害精确防治，E-mail：xzlyqf@126.com。

(责任编辑 张雅芳)