多功能组合式桑树剪伐机关键装置完善及优化

刘　健，王　川，代君君，范　涛

(安徽省农科院 a.蚕桑研究所，合肥　230061；b.农业工程研究所，合肥　230031)

0　引言

近年来，随着桑蚕业的发展，与之相配套的桑蚕生产设备不断涌现，无论从蚕种培育、桑叶质量还是从桑园、桑树综合管理等方面都加大了投入与研发力度。针对目前市场及行业桑树剪伐设备的机械化、单一化及创新性不足等弊端，在分析相关剪伐机组件、功能及最终作业效果的影响基础上，通过对比液动、气动、电动等动力源的使用效率，选取农用汽油机作为此次剪伐机改进的配套动力装置。同时，按照不同作业场景的作业要求，将剪伐机各关键装置(如圆盘式伐条机、链条锯和剪稍机等具体部件)进行功能性组合，并对各部件的关键控制、关键作业环节进行阐述，为更好地完成桑树的整枝、修拳及剪稍等相关技术性工作，以及后续桑树培育、桑叶利用、桑蚕养殖和桑蚕业向现代经营化、专业化发展提供一定的借鉴。

1　桑树剪伐机整机阐述

桑树剪伐机的主要装置由配套动力源、传动与连接装置、关键动作控制装置、实际操作剪伐工作装置和必要的安全装置等5部分组成。为达到高质量桑枝修剪的目标，本文采用农用汽油发动机作为动力，将各个具体的工作装置进行不同组合：

1)利用圆盘式伐条机，快速伐去桑拳上的残余枝条；

2)利用链条形状锯快速锯掉桑树枯桩死拳；

3)利用剪稍机快速剪去梢头等。

剪伐机动力装置参数选取与供应是源动力的关键，其外观图如图1所示。为了保证伐去多余及残老枝条，应注重汽油机的油泵功率及控制阀的信号匹配等，同时考虑剪伐机应用于不同场合，达到使用期限的最大化。剪伐机的控制与安全装置必不可少，其外观如图2所示。桑树枝条剪伐过程中，剪伐力度与剪伐速度的控制是实现顺利剪伐的主要控制指标，油门与保险开关合理配合，并通过控制线控制剪伐机的转速；出现不可控状况时，启用脱钩式安全装置，及时停止剪伐机作业。

图1　剪伐机动力装置外观图

图2　剪伐机控制与安全装置外观图

多功能组合式剪伐机整机工作时，通过源动力、传递、控制、刀具进行实体作业和不同形状切换。理论模型可描述为弹性体相关动力学运动方程，即

(1)

式中[M]—节点载荷的结构质量和；

[C] —节点载荷的结构阻尼和；

[K] —节点载荷的结构刚度和；

{F(t)} —载荷函数；

{u}—节点位移。

桑树枝条在被剪伐装置进行剪切作业时(见图3)存在以下受力关系，即

F·cosω>N·sinω

(2)

F=μ·N

(3)

式(3)带入式(2)得

μ·N·cosω>N·sinω

μ>tanω

(4)

式中N—剪伐接触点作用于枝条的法线方向反作用力；

F—剪伐接触点处刀具作用于枝条的摩擦力；

ω—剪伐切入角；

μ—剪伐接触点处刀具与枝条之间的接触摩擦力。

2　关键装置完善与优化

2.1　伐条装置

主要伐条装置采用圆盘锯，其外观图如图4所示。圆盘锯的刀片材料选用、相配套的圆盘锯防护套结构设计与作业过程中切割剪伐部位灵活变动等是实现桑树枝条快速剪伐的制约因素。锯片直径的选取及在进给过程中与蚕桑枝条相互啮合的吻合程度、切割截面和切割效率是衡量这一装置优劣的标准。

图3　剪伐中的锯切与滑切示意图

图4　剪伐机圆盘伐条装置外观图

建议选取可分离式防护罩，分为主、副防护罩，在圆盘锯齿刀片保证使用质量的基础上，在不同的桑树枝条场合有针对性地选择此伐条装置。通过防护罩在作业过程中的不断转动与全方位防护锯齿刀片，克服枝条的剪伐阻力，保证较好的切割深度与厚度。

2.2　整枝修拳装置

对于某些桑树的死拳、枯桩及无效枝条，可以切换为整枝修拳装置，如图5所示。工作时，给足相应剪伐动力，此装置能承受足够阻力及最大程度地发挥剪伐能力，提高桑树剪伐机的剪伐性能。应重点关注锯齿齿型大小与多少的设计，并进行优化。刀具材质的硬度。同时，伐条装置交互工作时的协调性能、整机结构的紧凑性及合理性等亦应同步完善。

图5　剪伐机整枝修拳装置外观图

2.3　剪稍装置

剪稍装置主要实现桑树枝条稍端的修整，保证桑树第2年的发芽率与生长率，其剪去的长短与程度视桑树的品种而定，外观如图6所示。应确定刀具齿面形状在进行剪稍过程中所受应力及应变，防止受力不均、受力过度导致剪稍刀具刀齿不规则折断、卡刀等现象发生，并合理选取所需要修剪的桑树稍端和所用剪稍装置大小等。

图6　剪伐机剪稍装置外观图

3　优化效果分析

3.1　不同组合剪伐分析

剪伐机的主要工作装置在给定动力的条件下进行桑树枝条的剪伐修整，各个不同组合的合理选取可有效提高桑树剪伐效率，不同剪切装置刀具形状不同所引起的剪伐作用效果不同。利用传感装置对剪伐机的剪伐力与刀具形状进行比较，其过程及原理如图7所示。圆盘锯或剪稍机在刀具高速旋转过程中，对其旋转轴的转速进行获取并实测；对不同刀刃形状进行受力分析，包括直刀刃、弧形刀刃及两者之间的最优组合构成剪伐装置刀具主体实施桑枝切割与修剪，如图8所示。

图7　剪伐机刀具剪伐力简要测试过程

图8　剪伐机刀具不同刀刃受力简图

3.2　优化效果分析

选择同一试验桑园场地，进行不同剪伐装置的功能组合，并记录不同剪伐转速、不同剪伐角度及不同剪伐装置的桑树枝条所受的剪伐力度，如表1所示。

表1不同刀具功能组合下的桑树切割优化试验数据统计表
Table 1Optimized test data statistics of different tool functions combination in mulberry cutting

试验编号剪伐转速/r·min-1刀齿形状剪伐角度/(°)剪伐力/N桑树受损度12001203000.5822002303700.6532003454500.7244001203700.4354002304500.4964003455400.5676001203200.5386002303800.6196003455000.70

计算得出桑树一定程度的受损率，通过分析对比可以看出：对于剪伐效率影响较为显著的是刀具的刃口形状。针对不同的桑树枝条类型和所处的田间位置，选取合理的剪伐装置，圆盘锯齿、剪稍刀具、整枝修拳依次按照适用条件进行取用，获取最大的剪伐效率，实现本剪伐机关键装置的完善和优化，同时应确保传动连接装置、动力供给装置和安全控制装置协调配合。

桑树枝条的弯曲受力性能试验如图9所示。

图9　受剪伐力桑树枝条弯曲前后效果简图

针对剪伐装置在进行作业过程中施加于桑条上的作用力，分析最大应力及应变经常出现的部位，着重加强各功能性刀具的刚度与韧性，避免出现两者之间的共振频率带等影响，有效保护剪伐装置的完好性，完成一次高效率的桑树枝条、枯桩等的剪伐工作。选取不同桑树枝条半径进行受力分析，结果如表2所示。由表2可以看出：弯曲度、挠度均与半径之间存在联系。这就要求刀齿、刀锯在合适的推动力之下，通过传递装置接收，之后转换为剪伐桑树残枝枯叶的机械能。

表2不同半径桑树受力弯曲试验数据统计表

Table 2Test data statistics of mulberry bending stressing in different radius

试验编号半径R/mm挠度W弯曲度θ15.5513.7525.825.5711.4524.835.569.5525.745.5811.1524.555.4515.6522.965.7512.5526.975.7512.1527.586.1011.4525.896.1511.5523.6105.9510.5528.3

采用此作业方式进行功能性组合，形成多功能组合式桑树剪伐机的工作模式。对比试验发现：组合式比单一使用关键工作装置进行剪伐桑叶枝条时的工作效率提高25%左右。进一步对各刀具的性能参数、技术要求不断完善优化，整合整机的工作能力，获得了较为满意的效果。

4　结论

从多功能装置组合方式、应用场合出发，通过对桑树剪伐机实现合理的资源配置与优化，实现了各个部件的功能最大化，保证剪伐的均匀性，可以有效减轻桑园桑树枝条剪伐工作的劳动强度。该装置作为一种省力、便捷的蚕桑管理作业机械工具，在促进蚕桑业从传统化向现代化、智能化发展方面起到良好作用，可为桑园进一步桑树剪伐管理及其他相似果树剪伐管理提供一定参考。