范修文,張宏,李傳峰,孟煒

新疆塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院,新疆阿拉爾843300

矮化密植棗園氣動(dòng)式修剪機(jī)的研制

范修文,張宏,李傳峰,孟煒*

新疆塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院,新疆阿拉爾843300

本文針對(duì)新疆南疆地區(qū)棗樹低矮密植型種植模式，提出了針對(duì)該模式下的棗樹氣動(dòng)修剪方式，從動(dòng)力選擇、氣動(dòng)回路系統(tǒng)及整體機(jī)械結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，研制出的低矮密植棗園手持氣動(dòng)式修剪機(jī)，同時(shí)對(duì)有利于提高棗樹修剪效率的受力方面進(jìn)行了分析。

棗樹;矮化密植;氣動(dòng);修剪

近年來，南疆地區(qū)紅棗栽培面積迅速增加，面積已達(dá)9.3萬多hm2。預(yù)計(jì)2010年后，南疆地區(qū)的紅棗栽培面積將達(dá)到30萬hm2，將建成世界最大的紅棗生產(chǎn)基地。南疆地區(qū)的紅棗基地多采用矮化密植的種植管理模式，對(duì)于該種模式下種植的棗樹的整形，都在定植3～4年后進(jìn)行，修剪時(shí)要本著整形與結(jié)果并舉的原則進(jìn)行，科學(xué)使用各種修剪方法，加速樹形的形成，并及時(shí)削弱樹勢(shì)，以促其提早結(jié)果，達(dá)到豐產(chǎn)優(yōu)產(chǎn)的目的?，F(xiàn)有的樹枝修剪設(shè)備主要有兩大類，一是短細(xì)枝修剪：手柄較短，不適宜棗樹的修剪；二是高枝修剪：針對(duì)高粗枝的修剪，手柄較長，重量較大，修剪時(shí)對(duì)準(zhǔn)性較低，不容易操作。試驗(yàn)表明，以上的兩種修剪新設(shè)備均不能適用于低矮密植棗樹的修剪作業(yè)。因此，根據(jù)棗樹修剪工藝要求，本文主要研究在低矮密植化棗樹的修剪過程中，更能適用于南疆密植林棗樹修剪的工藝和相關(guān)設(shè)備的研制，解決其在使用上的靈活性，移動(dòng)的方便性以及在使用中的空間利用問題。

1 氣動(dòng)式修剪機(jī)的工作原理

矮化密植型棗園對(duì)修剪機(jī)的設(shè)計(jì)要求：①密植園棗樹行距1.8～2 m，修剪機(jī)占用空間小，能使整個(gè)機(jī)構(gòu)在棗行間自由行走方便作業(yè)；②株高2 m，其中冠高1.6 m，株冠直徑1.2 m，修剪機(jī)利用軟軸實(shí)現(xiàn)修剪刀方向的變化，通過手持方式對(duì)株冠上下全面修剪；③剪切機(jī)構(gòu)質(zhì)量要輕，以便操作者能夠用手握住方便作業(yè)。根據(jù)以上要求，本文設(shè)計(jì)了氣動(dòng)式修剪的作業(yè)機(jī)，其修剪工作原理如圖1所示。進(jìn)行剪切動(dòng)作時(shí)，按下開關(guān)，空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣將作為動(dòng)力通過氣路系統(tǒng)輸送到氣缸，推動(dòng)氣缸活塞桿運(yùn)動(dòng)，與其連接的傳動(dòng)桿帶動(dòng)動(dòng)剪刀頭進(jìn)行剪切動(dòng)作，與定剪刀頭配合作用實(shí)現(xiàn)剪切。

2 氣動(dòng)修剪機(jī)的動(dòng)力選擇

從修剪機(jī)的動(dòng)力角度看，目前可以分為無動(dòng)力和有動(dòng)力兩種[1]，針對(duì)矮化密植型種植模式，本文采用有動(dòng)力的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。在工作中，利用背負(fù)架將動(dòng)力部分背在操作者身后，發(fā)動(dòng)機(jī)可繞背負(fù)架底座的支撐軸作水平方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，以適應(yīng)工作桿角度的變化。操作者只需控制安裝在工作桿上的油門來控制發(fā)動(dòng)機(jī)的供油量從而來調(diào)整轉(zhuǎn)速[2]。這種手持背負(fù)式結(jié)構(gòu)，在矮化密植型種植模式下作業(yè)靈活，以小型汽油機(jī)為動(dòng)力，通過軟軸傳動(dòng)帶動(dòng)圓鋸片工作。本文的設(shè)計(jì)以氣動(dòng)為動(dòng)力源，采用氣缸的伸縮實(shí)現(xiàn)剪刀的開合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理上可行，可作為今后新型剪刀結(jié)構(gòu)的探索方向。

圖1 氣動(dòng)式修剪機(jī)的修剪工作原理圖Fig.1 Cutting principle diagram of pneumatic pruning machine

3 氣動(dòng)式修剪機(jī)的設(shè)計(jì)

3.1傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的氣路設(shè)計(jì)

由于本設(shè)計(jì)要求的剪枝直徑范圍為5～10 mm，為了克服由于修剪頻繁，彈簧容易失效的現(xiàn)象，采用了雙作用氣缸進(jìn)行修剪。剪刀部分的剪切作業(yè)由氣缸伸縮動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)，氣缸桿出，則剪刀閉合，完成樹枝的修剪；氣缸桿回，則剪刀打開回位。為了實(shí)現(xiàn)以上雙向動(dòng)作，設(shè)計(jì)了氣動(dòng)回路系統(tǒng)。

氣動(dòng)回路是用來操作控制剪刀的張開和閉合（修剪）。該氣動(dòng)回路原理，如圖2所示。空氣動(dòng)力氣源與左右兩個(gè)流量單向組合閥相連，同時(shí)通過氣動(dòng)換向閥（二位四通換向閥）與氣缸的左右腔相連。在氣動(dòng)換向閥兩側(cè)各有一個(gè)手動(dòng)換向開關(guān)（二位二通換向閥）。流量閥用來調(diào)節(jié)換向時(shí)間的長短，手動(dòng)換向開關(guān)用來控制氣動(dòng)換向閥的工作位置，從而實(shí)現(xiàn)氣缸活塞桿的往返運(yùn)動(dòng)，操作剪刀的張開或閉合修剪。壓縮空氣是由拖拉機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)產(chǎn)生，作為該氣動(dòng)回路系統(tǒng)的動(dòng)力源。氣缸活塞桿向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)傳動(dòng)桿向前運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)動(dòng)剪刀頭旋轉(zhuǎn)，與定剪刀頭形成剪切動(dòng)作；氣缸活塞桿向左運(yùn)動(dòng)時(shí)將傳動(dòng)桿拉回，進(jìn)而拉動(dòng)動(dòng)剪刀頭回位，完成一次剪切作業(yè)過程。氣動(dòng)修剪機(jī)氣動(dòng)回路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖2 氣動(dòng)修剪機(jī)氣動(dòng)回路原理圖Fig.2 Pneumatic circuit principle diagram of pneumatic pruning machine

圖3 氣動(dòng)修剪機(jī)氣動(dòng)回路結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Pneumatic circuit structure diagram of pneumatic pruning machine

3.2氣動(dòng)式修剪機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)氣動(dòng)式修剪機(jī)的工作原理，設(shè)計(jì)了如圖4所示的手持伸縮桿式氣動(dòng)修剪機(jī)，除氣缸與開關(guān)外，氣路部分的其他機(jī)構(gòu)與空氣壓縮機(jī)均有小型拖拉機(jī)帶動(dòng)，圖4僅為人手操作部分的結(jié)構(gòu)?；瑒?dòng)桿4由三段套接而成，可以實(shí)現(xiàn)伸縮，其接頭借鑒現(xiàn)有手動(dòng)高枝剪手柄鏈接方式，實(shí)現(xiàn)在任意位置定位，可以在修剪中調(diào)整操縱桿的長度，以適應(yīng)棗樹不同部位的修剪高度與深度的剪枝作業(yè)情況。人手操作開關(guān)，控制整個(gè)氣路系統(tǒng)。按下開關(guān)，壓縮氣體通過氣路系統(tǒng)傳到氣缸5，推動(dòng)氣缸活塞與活塞桿向左運(yùn)動(dòng)，通過桿接頭6與剪刀頂桿7將動(dòng)力傳到動(dòng)剪刀頭8，動(dòng)剪刀頭8旋轉(zhuǎn)，與固定在剪刀柄固定桿9上的定剪刀頭10形成剪切狀態(tài)，修剪樹枝。之后開關(guān)打開，放出氣體，氣缸活塞與活塞桿反向運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)動(dòng)剪刀頭8回位，等待下一次作業(yè)。該手持伸縮桿式氣動(dòng)修剪機(jī)的外形與剪刀頭分別如圖5、圖6所示。

為了減輕重量，操作簡(jiǎn)單，選擇鋁合金做材料，鏈接部分選擇尼龍粘接或螺紋連接。

圖4 氣動(dòng)修剪機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of pneumatic pruning machine

圖5 修剪設(shè)備實(shí)物圖Fig.5 Physical figure of pruning equipment

圖6 修剪頭Fig.6 Pruning head

4 氣動(dòng)式修剪機(jī)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)分析

該修剪機(jī)在壓縮空氣為5～8 MPa的情況下工作，由此可知，氣缸傳遞到動(dòng)剪刀桿上的力為二力桿件受力。

式中，

F——?jiǎng)蛹舻稐U受到的力；P——修剪機(jī)工況氣壓；A——?dú)飧坠ぷ髅娣e

由上式可知，氣缸在伸出時(shí)較縮回時(shí)受力面積大（大于杠桿的截面），為了充分利用氣缸有效動(dòng)力，設(shè)計(jì)時(shí)必須實(shí)現(xiàn)伸出時(shí)剪切。棗樹樹枝被修剪時(shí)受到的剪切力大小受其截面和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，同時(shí)被修剪枝在剪刀中的位置不同也會(huì)導(dǎo)致修剪時(shí)剪切力的變化。在實(shí)際修剪時(shí)，若被修剪枝靠近剪刀頭的旋轉(zhuǎn)銷釘處，該機(jī)構(gòu)將成為省力機(jī)構(gòu)，但需要人力推擋；被修剪枝太靠剪刀前部，容易使被剪枝條滑脫；因此要盡量使被修剪枝條置于剪刀中部，既不容易使枝條滑落，同時(shí)也省力。理想狀態(tài)下，即我們假設(shè)被修剪枝條剛好置于剪刀正中部，被剪枝條截面半徑為R，則其受力簡(jiǎn)圖7所示。

圖7 修剪機(jī)的機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖Fig.7 Institutions force diagram of pruning machine

圖8 修剪枝條狀態(tài)Fig.8 The state of pruning branches

根據(jù)圖示狀態(tài)，EA桿的有效力矩為：

式中，

T——EA桿的有效力矩；F——?jiǎng)蛹舻稐U受到的力；P——修剪機(jī)工況氣壓半徑為R的被剪枝條所受力矩為：

式中，

T′——OB桿的有效力矩；F′——?jiǎng)蛹舻稐U刃部的力由式（4-2）、（4-3）得枝條所受剪力為：

分析式（4-4）可知，Ф越大剪切力越大，即隨著Ф的增大對(duì)枝條的剪切作業(yè)就越容易實(shí)現(xiàn)。由圖7可以看到，雖然Ф角可以進(jìn)一步增大，但在增大的同時(shí)剪刀所占的空間將加大，會(huì)妨礙枝丫的修剪，因此，設(shè)計(jì)了相關(guān)的限位機(jī)構(gòu)，限制剪刀頭的張角在所需的范圍內(nèi)。針對(duì)不同情況的修剪，可以對(duì)限位機(jī)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)匚恢谜{(diào)整，在便在修剪時(shí)適當(dāng)加大Ф角，以增大剪切力，利于修剪作業(yè)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)研制的手持氣動(dòng)式修剪機(jī)，不僅操作方便，省時(shí)省力，且可以根據(jù)用戶不同的作業(yè)要求，對(duì)其進(jìn)行一定的自由調(diào)整，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)突出體現(xiàn)了以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）根據(jù)作業(yè)要求，制訂了氣動(dòng)式修剪的作業(yè)方案，用氣動(dòng)力代替人力作為剪切力，大大減輕了人手的操作勞動(dòng)量。

（2）按照作業(yè)方案與原理設(shè)計(jì)了整個(gè)氣動(dòng)回路系統(tǒng)，只需操作按鈕即可完成剪切作業(yè)，減輕勞動(dòng)力的同時(shí)，大大提高了其便捷性與靈活性。

（3）設(shè)計(jì)了整體的傳動(dòng)與剪切機(jī)構(gòu)，不僅作業(yè)可靠，還可以對(duì)其手柄長度進(jìn)行調(diào)節(jié)，適應(yīng)于不同的作業(yè)條件。

[1]李世葳,王述洋,王慧,等.樹木整枝修剪機(jī)械現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2008,01(36):15-16

[2]陳志強(qiáng),吳遠(yuǎn)彬,陳永康,等.軟軸綠籬修剪機(jī)的研制[J].福建林業(yè)科技,2002,09(29):51-53

The Development of the Pneumatic Cutting Machine Used in a Dwarf Dense Planting Jujube Garden

FAN Xiu-wen,ZHANG Hong,LI Chuan-feng,MENG Wei*
College of Mechanic and Electrical Engineering,Tarim University,Alar Xinjiang843300,China

The paper put forward the pneumatic cutting type aiming at the low-density planting model of jujube garden in the south of Xinjiang.Handheld pneumatic machine for the low-dense planting model in jujube garden had been designed in this paper.It involved to choose the pneumatic dynamic and design the pneumatic circuit system and overall mechanical structure etc, and also to analyze the force of improving the cutting efficiency in jujube garden.

Jujube;low-density planting;pneumatic;cutting

S224.9

A

1000-2324(2014)05-0694-04

2012-10-24

2012-12-26

兵團(tuán)中小企業(yè)項(xiàng)目(2008zh13)

范修文(1981-),男,山東泰安人,講師,工學(xué)碩士,主要研究方向:機(jī)械設(shè)計(jì)及制造自動(dòng)化及農(nóng)業(yè)機(jī)械方向的教學(xué)研究.Email:fanwenwen-1@163.com

*通訊作者:Author for correspondence.Email:mengyaowang@163.com