多功能組合式桑樹剪伐機關鍵裝置完善及優化

劉　健，王　川，代君君，范　濤

(安徽省農科院 a.蠶桑研究所，合肥　230061；b.農業工程研究所，合肥　230031)

0　引言

近年來，隨著桑蠶業的發展，與之相配套的桑蠶生產設備不斷涌現，無論從蠶種培育、桑葉質量還是從桑園、桑樹綜合管理等方面都加大了投入與研發力度。針對目前市場及行業桑樹剪伐設備的機械化、單一化及創新性不足等弊端，在分析相關剪伐機組件、功能及最終作業效果的影響基礎上，通過對比液動、氣動、電動等動力源的使用效率，選取農用汽油機作為此次剪伐機改進的配套動力裝置。同時，按照不同作業場景的作業要求，將剪伐機各關鍵裝置(如圓盤式伐條機、鏈條鋸和剪稍機等具體部件)進行功能性組合，并對各部件的關鍵控制、關鍵作業環節進行闡述，為更好地完成桑樹的整枝、修拳及剪稍等相關技術性工作，以及后續桑樹培育、桑葉利用、桑蠶養殖和桑蠶業向現代經營化、專業化發展提供一定的借鑒。

1　桑樹剪伐機整機闡述

桑樹剪伐機的主要裝置由配套動力源、傳動與連接裝置、關鍵動作控制裝置、實際操作剪伐工作裝置和必要的安全裝置等5部分組成。為達到高質量桑枝修剪的目標，本文采用農用汽油發動機作為動力，將各個具體的工作裝置進行不同組合：

1)利用圓盤式伐條機，快速伐去桑拳上的殘余枝條；

2)利用鏈條形狀鋸快速鋸掉桑樹枯樁死拳；

3)利用剪稍機快速剪去梢頭等。

剪伐機動力裝置參數選取與供應是源動力的關鍵，其外觀圖如圖1所示。為了保證伐去多余及殘老枝條，應注重汽油機的油泵功率及控制閥的信號匹配等，同時考慮剪伐機應用于不同場合，達到使用期限的最大化。剪伐機的控制與安全裝置必不可少，其外觀如圖2所示。桑樹枝條剪伐過程中，剪伐力度與剪伐速度的控制是實現順利剪伐的主要控制指標，油門與保險開關合理配合，并通過控制線控制剪伐機的轉速；出現不可控狀況時，啟用脫鉤式安全裝置，及時停止剪伐機作業。

圖1　剪伐機動力裝置外觀圖

圖2　剪伐機控制與安全裝置外觀圖

多功能組合式剪伐機整機工作時，通過源動力、傳遞、控制、刀具進行實體作業和不同形狀切換。理論模型可描述為彈性體相關動力學運動方程，即

(1)

式中[M]—節點載荷的結構質量和；

[C] —節點載荷的結構阻尼和；

[K] —節點載荷的結構剛度和；

{F(t)} —載荷函數；

{u}—節點位移。

桑樹枝條在被剪伐裝置進行剪切作業時(見圖3)存在以下受力關系，即

F·cosω>N·sinω

(2)

F=μ·N

(3)

式(3)帶入式(2)得

μ·N·cosω>N·sinω

μ>tanω

(4)

式中N—剪伐接觸點作用于枝條的法線方向反作用力；

F—剪伐接觸點處刀具作用于枝條的摩擦力；

ω—剪伐切入角；

μ—剪伐接觸點處刀具與枝條之間的接觸摩擦力。

2　關鍵裝置完善與優化

2.1　伐條裝置

主要伐條裝置采用圓盤鋸，其外觀圖如圖4所示。圓盤鋸的刀片材料選用、相配套的圓盤鋸防護套結構設計與作業過程中切割剪伐部位靈活變動等是實現桑樹枝條快速剪伐的制約因素。鋸片直徑的選取及在進給過程中與蠶桑枝條相互嚙合的吻合程度、切割截面和切割效率是衡量這一裝置優劣的標準。

圖3　剪伐中的鋸切與滑切示意圖

圖4　剪伐機圓盤伐條裝置外觀圖

建議選取可分離式防護罩，分為主、副防護罩，在圓盤鋸齒刀片保證使用質量的基礎上，在不同的桑樹枝條場合有針對性地選擇此伐條裝置。通過防護罩在作業過程中的不斷轉動與全方位防護鋸齒刀片，克服枝條的剪伐阻力，保證較好的切割深度與厚度。

2.2　整枝修拳裝置

對于某些桑樹的死拳、枯樁及無效枝條，可以切換為整枝修拳裝置，如圖5所示。工作時，給足相應剪伐動力，此裝置能承受足夠阻力及最大程度地發揮剪伐能力，提高桑樹剪伐機的剪伐性能。應重點關注鋸齒齒型大小與多少的設計，并進行優化。刀具材質的硬度。同時，伐條裝置交互工作時的協調性能、整機結構的緊湊性及合理性等亦應同步完善。

圖5　剪伐機整枝修拳裝置外觀圖

2.3　剪稍裝置

剪稍裝置主要實現桑樹枝條稍端的修整，保證桑樹第2年的發芽率與生長率，其剪去的長短與程度視桑樹的品種而定，外觀如圖6所示。應確定刀具齒面形狀在進行剪稍過程中所受應力及應變，防止受力不均、受力過度導致剪稍刀具刀齒不規則折斷、卡刀等現象發生，并合理選取所需要修剪的桑樹稍端和所用剪稍裝置大小等。

圖6　剪伐機剪稍裝置外觀圖

3　優化效果分析

3.1　不同組合剪伐分析

剪伐機的主要工作裝置在給定動力的條件下進行桑樹枝條的剪伐修整，各個不同組合的合理選取可有效提高桑樹剪伐效率，不同剪切裝置刀具形狀不同所引起的剪伐作用效果不同。利用傳感裝置對剪伐機的剪伐力與刀具形狀進行比較，其過程及原理如圖7所示。圓盤鋸或剪稍機在刀具高速旋轉過程中，對其旋轉軸的轉速進行獲取并實測；對不同刀刃形狀進行受力分析，包括直刀刃、弧形刀刃及兩者之間的最優組合構成剪伐裝置刀具主體實施桑枝切割與修剪，如圖8所示。

圖7　剪伐機刀具剪伐力簡要測試過程

圖8　剪伐機刀具不同刀刃受力簡圖

3.2　優化效果分析

選擇同一試驗桑園場地，進行不同剪伐裝置的功能組合，并記錄不同剪伐轉速、不同剪伐角度及不同剪伐裝置的桑樹枝條所受的剪伐力度，如表1所示。

表1不同刀具功能組合下的桑樹切割優化試驗數據統計表
Table 1Optimized test data statistics of different tool functions combination in mulberry cutting

試驗編號剪伐轉速/r·min-1刀齒形狀剪伐角度/(°)剪伐力/N桑樹受損度12001203000.5822002303700.6532003454500.7244001203700.4354002304500.4964003455400.5676001203200.5386002303800.6196003455000.70

計算得出桑樹一定程度的受損率，通過分析對比可以看出：對于剪伐效率影響較為顯著的是刀具的刃口形狀。針對不同的桑樹枝條類型和所處的田間位置，選取合理的剪伐裝置，圓盤鋸齒、剪稍刀具、整枝修拳依次按照適用條件進行取用，獲取最大的剪伐效率，實現本剪伐機關鍵裝置的完善和優化，同時應確保傳動連接裝置、動力供給裝置和安全控制裝置協調配合。

桑樹枝條的彎曲受力性能試驗如圖9所示。

圖9　受剪伐力桑樹枝條彎曲前后效果簡圖

針對剪伐裝置在進行作業過程中施加于桑條上的作用力，分析最大應力及應變經常出現的部位，著重加強各功能性刀具的剛度與韌性，避免出現兩者之間的共振頻率帶等影響，有效保護剪伐裝置的完好性，完成一次高效率的桑樹枝條、枯樁等的剪伐工作。選取不同桑樹枝條半徑進行受力分析，結果如表2所示。由表2可以看出：彎曲度、撓度均與半徑之間存在聯系。這就要求刀齒、刀鋸在合適的推動力之下，通過傳遞裝置接收，之后轉換為剪伐桑樹殘枝枯葉的機械能。

表2不同半徑桑樹受力彎曲試驗數據統計表

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

試驗編號半徑R/mm撓度W彎曲度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

采用此作業方式進行功能性組合，形成多功能組合式桑樹剪伐機的工作模式。對比試驗發現：組合式比單一使用關鍵工作裝置進行剪伐桑葉枝條時的工作效率提高25%左右。進一步對各刀具的性能參數、技術要求不斷完善優化，整合整機的工作能力，獲得了較為滿意的效果。

4　結論

從多功能裝置組合方式、應用場合出發，通過對桑樹剪伐機實現合理的資源配置與優化，實現了各個部件的功能最大化，保證剪伐的均勻性，可以有效減輕桑園桑樹枝條剪伐工作的勞動強度。該裝置作為一種省力、便捷的蠶桑管理作業機械工具，在促進蠶桑業從傳統化向現代化、智能化發展方面起到良好作用，可為桑園進一步桑樹剪伐管理及其他相似果樹剪伐管理提供一定參考。