移動式氣動剪枝機

2013-12-23 04:39:52烏日圖張振富李福靖李華雷宋瑩曉

機械工程與自動化 2013年5期

烏日圖，張振富，李福靖，李華雷，宋瑩曉

（內蒙古工業大學機械學院，內蒙古呼和浩特 010051）

0 引言

目前果樹管理基本上處于人工作業，相對制約了林果業的產業化發展，實現果樹管理機械化是果農的迫切要求。在果樹管理中，剪枝是一項主要環節，人工剪枝每天只能剪20～30棵樹，且修剪時撕裂果樹枝現象時有發生，高枝修剪需用梯子或爬樹，增加了操作危險性，此外，人工剪枝時的攀登還容易造成樹干或主枝傷斷，影響果樹產量。應用氣動剪枝不但比人工提高工效1～2 倍，而且也能避免人工剪枝出現的各種問題，具有廣泛的推廣前景。

1 氣動剪枝機的組件

移動式氣動剪枝機的主要組件有：空氣壓縮機、滑動小車、剪刀體、伸縮裝置。

1.1 空氣壓縮機

空氣壓縮機的種類很多，按工作原理可分為容積式壓縮機和速度式壓縮機。容積式壓縮機的工作原理是壓縮氣體的體積，使單位體積內氣體分子的密度增加以提高壓縮空氣的壓力；速度式壓縮機的工作原理是提高氣體分子的運動速度，使氣體分子具有的動能轉化為氣體的壓力能，從而提高壓縮空氣的壓力。本設計所選用的空氣壓縮機為容積式壓縮機，圖1 為容積式壓縮機的結構簡圖。

1.2 剪刀體

剪刀體的主要組成部分有：定刀片、動刀片、串聯型氣缸、連桿及連接機構。

1.2.1 串聯型氣缸尺寸確定

串聯型氣缸也稱為倍力型氣缸。它由兩個或多個單桿雙作用氣缸串連在一起，并且兩個或多個氣缸都有各自的活塞桿，其輸出力是單個氣缸的兩倍或多倍，從而達到使用小徑氣缸而得到較大輸出力的效果。串聯型氣缸常用于氣動壓力機上，要求輸出力很大，但是安裝空間較小，不允許增加氣缸缸徑，但允許增加氣缸長度的場合。每個氣缸都有進氣口和出氣口，進氣口在內部相通，所以串聯型氣缸只需要一個進氣管。串聯型氣缸采用的是單作用氣缸，活塞的復位是通過復位彈簧而實現的。

圖1 容積式壓縮機的結構簡圖

氣動剪枝機的最大剪切直徑d 為30mm，即樹枝的剪切面積A＝706.5mm2。經大量試驗得出剪切直徑為30mm 的樹枝所需切應力［τ］為2.9 MPa。則剪刀體的許用剪切力為：

將相關參數代入式（1），計算得剪刀體的許用剪切力為2 048.85N。剪刀的受力情況如圖2所示。

圖2中，F1為氣缸的理論輸出拉力；F2為定刀片的支撐力；F3為動刀片的壓力；L1為動刀片的動力臂；L2為動刀片的阻力臂。此處取L1＝2L2，F3＝Fs＝2 048.85N。由力矩平衡方程有：

代入相關參數計算得氣缸的理論輸出拉力F1＝1 025N。

氣缸的理論拉力F 可由下式計算：

其中：θ為負載率，在剪切樹枝時，氣缸的負載屬于阻性負載，負載不產生慣性力，選取負載率θ＝0.8。將相關參數代入式（3），計算得F＝1 281.25N。

圖2 剪刀受力情況

由于采用的是串聯型氣缸，輸出力為單氣缸的兩倍，所以串聯型氣缸的實際輸出力為：

氣動剪枝機采用的是單作用氣缸，在計算氣缸的輸出推力時應將復位彈簧所產生的力計算在內。由于復位彈簧的阻力相對于氣缸的推力比較小，可以忽略不計，因此氣缸的理論推力公式可以表示為：

其中：D 為氣缸直徑；p 為氣缸工作壓力，p＝1.0 MPa；η為氣缸的工作效率，一般在0.7～0.95，取η＝0.8。將相關參數代入式（4），計算得單作用氣缸直徑為30mm。

1.2.2 氣缸的結構設計

氣缸的材料必須質量輕且耐磨性好，這樣不僅減輕了重量使工人攜帶方便而且壽命長，既經濟又實惠。外缸與手柄通過管螺紋連接，在手柄與外缸的連接處由膠皮密封圈進行密封，防止漏氣，以增加其效率。內缸與外缸也是由管螺紋連接，當內、外缸的管螺紋旋開時可以進行管壁的伸長與收縮。內缸的頂端有一凸臺，外缸的底端有一凸臺，當內、外缸的螺紋旋開時內缸向上移動，當達到極限位置時，由兩凸臺限制其移動。在內、外缸之間由一密封圈進行密封，防止其漏氣。串聯型氣缸的整體結構見圖3。

氣缸通氣時推動活塞向上移動，活塞的另一端與活動刀體連接，活塞向上移動同時帶動刀體轉動，實現其剪枝的動作。圖4為活塞結構示意圖。