移动式气动剪枝机.pdf

第 5期 总 第 1 8 0期 2 0 1 3年 1 O月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEE RI NG AUT MATI N NO． 5 Oc t ． 文章编号 1 6 7 2 - 6 4 1 3 2 0 1 3 0 5 0 0 8 6 0 2 移动式气动剪枝机 乌 E l 图，张振富，李福靖，李华雷，宋莹晓 内蒙古工业大学 机械学院， 内蒙古 呼和 浩特0 1 0 0 5 1 摘 要 介绍 了气动剪枝机 的 主要 组成及 工作 原理 ．详细 介绍 了主要元 件 的结 构及 其设 计 计 算方 法，并 在 P r o ／ E中建 立 了剪枝机 的实体模 型。气动剪枝可 比人 工剪枝提高工效 l ～2倍 。具有广泛 的推广前景 。 关键词 气动； 串联 型气缸；剪枝 机 中图分 类号 7 7 6 ． 2 4 8 T P 2 7 3 文献标识码 A O 引言 目前果树管理基本上处 于人工作业 ， 相对制约 了 林 果业 的产业 化 发展 ， 实 现 果 树 管理 机 械 化 是 果农 的 迫切要 求 。在果 树管理 中 ， 剪枝是 一项 主要 环节 ， 人 工 剪枝每天只能剪 2 0 3 0棵树， 且修剪时撕裂果树枝现 象时有发生 ， 高枝修剪需用梯子或爬树 ， 增加 了操作危 险性 ， 此外 ， 人工剪枝时的攀登还容易造成树干或主枝 伤断， 影响果树产量。应用气动剪枝不但 比人工提高 工效 1 ～2倍 ， 而且也能避免人工剪枝 出现 的各种 问 题 ， 具有 广 泛的推 广前 景 。 1 气动剪枝机的组件 移动式气动剪枝机的主要组件有 空气压缩机、 滑 动小车、 剪刀体 、 伸缩装置。 1 ． 1空 气压缩机 空气压缩机的种类很多， 按工作原理可分为容积 式压缩机和速度式压缩机。容积式压缩机的工作原理 是压缩气体的体积， 使单位体积 内气 体分子 的密度增 加以提高压缩空气的压力 ； 速度式压缩机 的工作原理 是提高气体分子的运动速度， 使气体分子具有的动能 转化为气体的压力能， 从而提高压缩空气的压力 。本 设计所选用的空气压缩机为容积式压缩机 ， 图 1为容 积式 压缩 机的结 构 简图 。 1 ． 2 剪 刀体 剪刀体的主要组成部分有 定刀片、 动刀片、 串联 型气缸 、 连杆及连接机构。 1 ． 2 ． 1 串联型气缸尺寸确定 串联型气缸也称为倍力型气缸。它由两个或多个 单杆双作用气缸串连在一起， 并且两个或多个气缸都 有各 自的活塞杆， 其输出力是单个气缸的两倍或多倍， 从而达到使用小径气缸而得到较大输出力的效果 。串 联型气缸常用于气动压力机上， 要求输出力很大 ， 但是 安装空间较小 ， 不允许增加气缸缸径， 但允许增加气缸 长度的场合。每个气 缸都有进气 口和 出气 口， 进气 口 在内部相通， 所 以串联 型气缸只需要一个进气管。串 联型气缸采用的是单作用气缸 ， 活塞 的复位是通过复 位弹簧而实现的。 4 1 一 空 气 压缩 机 ； 2 一安 全 阀 ； 3 一单 向 阀 ； 4 ～气 罐 ； 5 一 自动排水器 ； 6 一电机动 } 7 一压力开关 ； 8 ～压力表 图 l 容积式压缩机 的结构 简图 气动剪枝机的最大剪切直径 为 3 0 mm， 即树枝 的剪切面积 A一7 0 6 ． 5 mm 。经大量试验得 出剪切直 径为 3 0 mm 的树枝所需切应力[ r ] 为 2 ． 9 MP a 。则剪 刀体的许用剪切力为 F ----A[- r ]。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 将相关参数代入式 1 ， 计算得剪刀体的许用剪切 力为 2 0 4 8 ． 8 5 N。剪刀的受力情况如图 2所示。 图 2中， F 为气缸的理论输 出拉力 ； F 2为定刀片 的支撑力； F 为动 刀片 的压力 ； L 为动刀 片 的动 力 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 3 2 5 ；修回 日期 2 0 1 3 - O 4 1 8 作者简介 ；乌 日图 1 9 5 8 一 ，男 ，蒙古族 ，内蒙古呼和浩特人 ，教授 ，硕士 ，硕士生导师，主要研究方向为嵌入式系统 、计算机远程监控系统等 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 5期 鸟 日图。 等 移动式气动剪枝机 8 7 臂 ； L 。为 动 刀 片 的 阻 力 臂 。此 处 取 L 一 2 L z ． F F 一2 0 4 8 ． 8 5 N。 由力 矩平 衡 方程 有 F1 Ll F3 L2 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 2 代入相关参数计算得气缸 的理论输 出拉力 F 一 1 0 2 5 N 。 气缸的理论拉力 F可由下式计算 F_-- 百i 1 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 其中 为负载率 ， 在 剪切树枝 时， 气缸 的负载属于 阻 性负载， 负载不 产生惯性力 ， 选 取负载率 一0 ． 8 。将 相关参数代人式 3 ， 计算得 F--1 2 8 1 ． 2 5 N。 图 2剪 刀受 力情 况 由于采用的是 串联型气缸 ， 输 出力 为单气缸的两 倍 ， 所以串联型气缸的实际输出力为 Fo一 F 一 64 0 ．6 N。 气动剪枝机采用的是单作用气缸 ， 在计算气缸 的 输出推力时应将复位弹簧所产生的力计算在 内。由于 复位弹簧的阻力相对于气 缸的推力 比较小 ， 可以忽略 不计 ， 因此气缸的理论推力公式可 以表示为 F一 z r D0声 叩 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 4 其中 D 为 气 缸 直 径 ； 为气 缸 工 作 压 力， 1 ． 0 MP a ； 7 为气缸的工作效率 ， 一般在 0 ． 7 ～0 ． 9 5 ， 取 一 0 ． 8 。将相关参数代入式 4 ， 计算得单作用气缸直径 为 3 O mm。 1 ． 2 ． 2 气缸的结构设计 气缸的材料必须质量轻且 耐磨性好 ， 这样不仅减 轻 了重量使工人携带方便而且寿命长， 既经济又实惠。 外缸与手柄通过管螺纹连接 ， 在手 柄与外缸 的连接处 由胶皮密封圈进行密封 ， 防止漏气 ， 以增加其效率。内 缸与外缸也是 由管螺纹连接 ， 当内、 外缸的管螺纹旋开 时可以进行管壁 的伸长与 收缩。内缸 的顶端有 一凸 台 ， 外 缸 的底 端 有一 凸 台 ， 当 内 、 外 缸 的螺 纹 旋 开 时 内 缸向上移动， 当达 到极 限位置 时， 由两 凸台限制其 移 动。在内、 外 缸之间 由一密封 圈进行 密封 ， 防止其 漏 气 。串联型气缸的整体结构见图 3 。 气缸通气时推动活塞 向上移动， 活塞 的另一端 与 活动刀体连接 ， 活塞 向上移动同时带动刀体转动， 实现 其剪枝的动作。图 4为活塞结构示意图。 1 ． 3 伸缩 装置 由于果树的高矮各不相同， 为了适应大部分果树 ， 串联型气缸与手柄之 间采用二级伸缩臂进行连接 ， 其 结构分为中位树枝剪切 、 高位树枝剪切两种， 其高位状 态时的总长度为 1 ． 5 r f l 。 图 3 串联型气 缸的整体 结构 图 4活 塞 结 构 示 意 图 2 气缸耗气量的计算 为了更好地选择合适 的空气压缩机， 必须对气缸 的耗气量进行计算 。气缸空载时的速度最快 ， 所 以其 耗气量也是最大的。气缸的耗气量 Q为 Q_ o ． o 4 7 x 。⋯⋯⋯ 5 其 中 5 为气缸行程 ， s 0 ． 1 5 r n ； t 为气缸一次夹紧 松 开 动作时间。 气缸一次夹紧的动作时间为 一 1 ． 2 8 5 一 ／ _ A t r 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 6 P 其 中 户 为充气前气缸 内气体 的初始绝对 压力 ， 充气 前气缸 内的气压为大气压力 ， P 0 ． 1 MP a ； 为气源 的绝对压力 ， 一1 ． 0 MP a ； r为夹紧一次 的时间常数 ， r 5 ． 2 1 7 X 1 0 - X √ ，1， 为 气 缸 的 容 积 ， 一 8 ． 4 8 1 0 m。 ， k为绝热系数 ， 一1 ． 4 ， S为充气的有 效 截面 积 ， S6 ． 7 4 x 1 0 m。 ， T 为气 源 的绝对 温度 ， 29 3 K。 将相关参数代人式 6 ， 计算得 一0 ． 5 0 1 s 。 气缸在工作时需要考虑到操作人员的操作反应时 间， 根据实验测算得 出一个工人 的平均反应时间为 5 S ， 气缸的运动速度大于人工修剪的速度， 因此在计算 气缸的耗气量时取 t ----5 S 。 下转第 9 O页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m