修枝剪刀装置夹紧更换的设计研究

摘  要：针对传统农机枝条修剪用剪刀的刀具紧固结构换刀不便及再次夹固的问题，本文依据机械圆偏心零部件夹紧原理，以电动修枝剪刀为设计对象，设计出一种适用于修枝剪刀上下刀刃夹紧的圆偏心夹紧换刀机构。结果表明：该机构可有效解决普通剪刀在修剪作业过程中螺栓易松懈、换刀过程繁琐等问题，提高了作业效率。本文对夹紧过程机理、机构设计进行研究分析，明确设计步骤、计算的相关函数及确定其最佳的工作尺寸。

关键词：设计 紧固 剪刀;圆偏心;夹紧;换刀

中图分类号：（作者本人填写）      文献标识码：A

作者简介：李兵（1984-），男，汉族，新疆鄯善。

农业机械修枝剪刀在园林整形、果园修枝方面得到了广泛的应用。相比大型园林整形机械，具有节能效益显著、使用方面灵活、耐用性好、修剪端面平整等优势。近年来，国内外已研发出多种类型的修枝剪刀，但在上下刀头夹紧结构方面还是采用传统的螺栓螺母夹紧结构。该夹紧结构在修枝作业是会暴露出夹紧结构易松懈、松懈后如不采用辅助工具又难以再次夹紧等问题。同时，该机构在长时间作业后需要换刀的情况下，操作复杂、还需随身携带辅助工具，影响作业效率。

本文依据圆偏心机构夹紧原理，设计出一种螺栓与偏心圆相结合的快卸式夹紧换刀机构。解决了夹紧、换刀程序繁琐费时费力等问题，并对圆偏心夹紧机理进行分析，确定了圆偏心夹紧机构的最佳尺寸。为其他类型修枝器械的夹紧换刀装置的设计提供了理论依据。

一  快卸机构的结构及工作原理

1.1 螺栓夹紧机构与快换机构

传统电动修枝剪刀的刀刃夹紧机构。主要由销轴、螺母、垫片等组成。无论是紧固还是换刀都需要扳手等辅助工具的参与。过程相对繁琐，给修枝作业带来不便。

拥有快卸机构的电动修枝剪结构。主要由圆偏心手柄、销筒、销轴等组成。

1.2 快换机构的工作原理及优点

剪刀的刀具在剪切过程中直接完成剪切工作。其是否胜任剪切工作，取决于构成刀具切削部分的材料、切削部分的几何形状和刀具的夹紧机构。良好的夹紧机构将大大提高工作效率及工作质量。

修枝剪刀在长时间的作业过程中，由于木屑、土粒等杂质在双刀刃间产生侧向力以及剪切受到的方向作用力的长期作用下，导致剪刀刀刃间隙增大，影响修剪质量及效率。同时由于动刀刀体薄、刀刃尖锐，导致刀具易磨损，在刀具磨损较为严重的情况下，将对作业效率及修剪质量带来影响，因此需要不定时的对动刀进行紧固和更换。

本文设计的快卸夹紧机构具有夹紧容易、换刀方便等优点。

夾紧过程：本设计装置的间隙调整十分方便，只需将偏心圆手柄转至松开状态，此时刀片对螺母侧面的压力减少、销轴对螺母内螺纹的拉力也相应减小，所以旋转螺母受到侧面的摩擦阻力以及内螺纹的旋转阻力都急剧缩小，只需手动顺时针旋紧螺母即可缩小间隙。然后压下偏心圆手柄至最大偏心距位置即可实现对刀片间隙的调整。

换刀过程：该快卸机构换刀十分便捷，松开偏心圆手柄，然后将螺母与销轴旋转分离（机理如夹紧过程）。然后便可轻松的将销轴、销筒从刀头内孔中抽出，从而实现快速拆卸功能。换上新刀片后，再将销筒插入刀片内孔然后再插入销轴，旋紧螺母后便可将偏心手柄转至紧固的位置，由于偏心圆行程增大如图1，使得刀片两侧受到的压力增强从而达到夹紧的目的。

二  圆偏心机构的设计及参数确定

对各圆偏心夹紧机构进行了夹紧力的计算。其计算公式如下

上式中符号e为偏心距，R为偏心轮半径，其比值e/R 称为偏心率或偏心比，表明偏心轮回转中心与其几何中心的偏离程度。

2.1零部件圆偏心轮偏心距的确定

根据工作需要，可以有才用不同的工作弧段。如图所示，设该圆偏心夹紧机构的工作段位弧AB，在A点上的夹紧高度为

，        （1）

在B点的夹紧高度为

（2）

夹紧行程 ，所以

（3）

式中，夹紧行程为

（4）

式中 ――夹紧刀头所需的间隙，一般取  0.3mm;

――夹紧装置的弹性形变量，一般取 =0.05～0.015mm;

――夹紧行程储备量，一般取 =0.1～0.3mm;

――刀具加压表面至定位面的尺寸公差。

2.2 圆偏心机构设计步骤

在满足自锁条件下，进行如下设计计算。

（1）确定夹紧行程。利用公式（4）计算偏心轮直接夹紧工件时的夹紧行程 为

（2）计算偏心距e。根据圆偏心手柄的旋转范围确定回转角范围，如 。通过公式（3）计算偏心距

（3）设计偏心圆机构。根据以计算得到的偏心距e结合刀片的尺寸，设计计算偏心圆尺寸、结构。随后，确定螺栓、螺母、销筒等相应零部件的结构尺寸。其结构如图3、4。

图3 夹紧位置                                    图4 松开位置

三  结  论

1）本文设计的快换夹紧机构在作业过程中能有效的完成夹紧、换刀等功能，效率高、操作简单。

2）本文对剪刀快卸夹紧装置的设计研究将为后续其他类型修枝器械刀头夹紧机构的设计提供了理论依据。

3）剪刀修剪过程中因坚固件松动而造成剪切质量下降的问题十分普遍，本设计可为松动后的再次夹紧的操作带来方便，但不能解决修剪过程中的紧固件松动。因此，剪刀的夹紧防松动机构还有待深入研究。

参考文献：

[1] 王丽霞， 李燕山， 马强. 渐开线凸轮夹紧机构的设计[J]. 机械设计与制造， 2007，（03）

[2] 张健民. 浅淡圆剪刀与定位装置的改进[J].机电工程技术，2012，（04）

[3] 孙瑞瑞，孔祥伟等. 高强螺栓松动原因分析. 莱钢科技，2008，（08）.