基于蓝牙技术的高空气动修枝剪的设计

2018-08-23邓本贵侯义龙

大连大学学报 2018年3期

蔡军，邓本贵，侯义龙

（1.大连大学机械工程学院，辽宁大连 116622；2.大连大学生命科学与技术学院生命科学工作室，辽宁大连 116622）

目前，国内外对树木整枝修剪的机械有手持背负式、车载式和自动式等多种形式。其中，以手持背负式整枝机为主要工具，手持背负式有无动力和有动力两种类型。有动力的整枝机配套的动力有气动、液压传动、电动、小型汽油机和小型柴油机等外加动力。车载式整枝机是在拖拉机上安装液压折叠臂，折叠臂端配有可以往复运动的液压剪，用于大面积修剪树冠、灌木丛或地面杂草，还有通过车载自动升降台，将人送往不同高度位置进行人工整枝修剪。目前自动立木整枝机已实现了遥控整枝修剪作业[1]。现有的修枝剪具有能大面积的修剪、工作能力强、修剪树枝直径和高度不受限制等优点；也存在较多不足，如机构复杂，重量大，制作成本高；对操作者的身体素质要求高、安全没有保障；动力源还有采用汽油机的，对环境影响较大。

针对树木修枝剪的上述不足，我们开展了基于蓝牙技术的高空气动修枝剪的设计，该修枝剪具有以下特点。结构方面：采用气缸和省力轮式修枝剪配合，用伸缩杆调节剪枝高度，结构简单，操作方便；控制方面：运用蓝牙无线遥控技术控制，在7米以下的高空中能实现点动间歇式的剪枝，修剪灵活；能源方面：用塑料高压瓶给气缸提供动力源，高压瓶的高压源可用便携式高压打气筒手动充压，实现了无碳修剪。随着中国科技力量的进步，对修枝剪的研究制作的发展趋势总的为：操作安全系数高；机械化甚至智能化程度高且结构简单、轻便、合理，刀具经久耐用；作业范围大、生产效率高且劳动强度小；有较高性价比；采用小型化、序列化、模块化设计，提高环境适用性与结构上的互换性，降低使用、维修与保养的费用；环保（降低噪音等)[2]。该修枝剪符合国内的发展趋势，具有较好的发展前景。

1 设计思路

曾经在街头看到园艺工为了修剪出符合城市特点的绿化造型植物，费很大的力气才能完成，而对一些较高的树则没法实现修剪的目的，为此，他们花了大量的人力物力去为城市造型。在校园里也看到类似的情景，生命科学技术学院的学生和老师们，需要采集较高的树枝作为标本和科研材料，但对于他们来说，想要取到枝头的树枝是较大的难题，诸如此类。为了帮助他们解决这些繁琐的难题，便想到设计一个结构简便，操作简单的且使用效果明显的高空修枝剪。

2 工作原理

如图1为该修枝剪主要工作部分，运用软件SolidWorks绘制的简易模拟图。利用软件自身同轴心、重合、平行、齿轮等标准和非标准配合关系就能达到把实物的模拟图表达清楚的效果。

该修枝剪采用人工调节伸缩杆使剪刀部分调节至操作者想要的高度，然后经手动控制蓝牙开关，蓝牙模块改变电磁阀开关（型号3V 210-08，进出气接口反接）的通断来控制单作用气缸的推程，单作用气缸是气缸中较为基础的元件，它只有一个方向的运动是靠气压传动，活塞的复位是靠弹簧力或自重或其他外力[3]。动力由连接头传至剪刀的旋转柄，实现对树枝的修剪。当电磁阀开关通电时，气缸的推程接口与高压瓶接通，剪刀口处的树枝被剪断。当电池阀开关断电时，气缸推程接口与大气相通而处于常压，再由回拉弹簧将气缸推杆以及连接头（见图2）一同拉回到工作前的状态。

图1 剪刀头模拟图

图2 连接头结构示意图

连接头由杆端轴承、薄壁轴承、法兰轴套、轴和调距片等组成；轴端的轴承与轴焊接，其中一薄壁轴承的外圈在剪刀自由柄的槽内滑移，两外圈间距大于剪刀槽底厚，利用杆端轴承的三个旋转方向，将气缸的直动转换成剪刀自由柄的定轴转动。

3 设计效果分析

在对试验样品试验中,我们发现双作用气缸行程和推杆直径较大，造成气压源的浪费，电磁阀开关的气密性效果不佳，在气缸的回程设计上存在问题。有文献报道气动修枝剪作为一个手动控制的气动工具，要求操作简单方便，如果使用双作用气缸，则需要两根进气管，会增加操作麻烦。事实上，修剪作业只是在剪切时需要较大的力量，在回位时不需要多大的力量，因此，单作用气缸完全能够满足要求[4]。在对现有的问题进行改进和对样品进行分析后，决定改用M16×75的单作用气缸，DC12V的学生电源，12 V二位三通电磁阀开关，省力轮式修枝剪剪刀等主要原件制作该修枝剪；采用容积为2 L，压强为8 Kpa的雪碧瓶作为气压源，且电磁阀开关进出气口反接，则改进后的修枝剪能实施有效剪枝30次左右，剪切直径≤15 mm，按照蓝牙有效工作范围计算，能对10 m以内高空的树枝实施修剪。