矮化密植枣园气动式修剪机的研制

范修文,张宏,李传峰,孟炜

新疆塔里木大学机械电气化工程学院,新疆阿拉尔843300

矮化密植枣园气动式修剪机的研制

范修文,张宏,李传峰,孟炜*

新疆塔里木大学机械电气化工程学院,新疆阿拉尔843300

本文针对新疆南疆地区枣树低矮密植型种植模式，提出了针对该模式下的枣树气动修剪方式，从动力选择、气动回路系统及整体机械结构方面进行了设计，研制出的低矮密植枣园手持气动式修剪机，同时对有利于提高枣树修剪效率的受力方面进行了分析。

枣树;矮化密植;气动;修剪

近年来，南疆地区红枣栽培面积迅速增加，面积已达9.3万多hm2。预计2010年后，南疆地区的红枣栽培面积将达到30万hm2，将建成世界最大的红枣生产基地。南疆地区的红枣基地多采用矮化密植的种植管理模式，对于该种模式下种植的枣树的整形，都在定植3～4年后进行，修剪时要本着整形与结果并举的原则进行，科学使用各种修剪方法，加速树形的形成，并及时削弱树势，以促其提早结果，达到丰产优产的目的。现有的树枝修剪设备主要有两大类，一是短细枝修剪：手柄较短，不适宜枣树的修剪；二是高枝修剪：针对高粗枝的修剪，手柄较长，重量较大，修剪时对准性较低，不容易操作。试验表明，以上的两种修剪新设备均不能适用于低矮密植枣树的修剪作业。因此，根据枣树修剪工艺要求，本文主要研究在低矮密植化枣树的修剪过程中，更能适用于南疆密植林枣树修剪的工艺和相关设备的研制，解决其在使用上的灵活性，移动的方便性以及在使用中的空间利用问题。

1 气动式修剪机的工作原理

矮化密植型枣园对修剪机的设计要求：①密植园枣树行距1.8～2 m，修剪机占用空间小，能使整个机构在枣行间自由行走方便作业；②株高2 m，其中冠高1.6 m，株冠直径1.2 m，修剪机利用软轴实现修剪刀方向的变化，通过手持方式对株冠上下全面修剪；③剪切机构质量要轻，以便操作者能够用手握住方便作业。根据以上要求，本文设计了气动式修剪的作业机，其修剪工作原理如图1所示。进行剪切动作时，按下开关，空气压缩机产生的压缩空气将作为动力通过气路系统输送到气缸，推动气缸活塞杆运动，与其连接的传动杆带动动剪刀头进行剪切动作，与定剪刀头配合作用实现剪切。

2 气动修剪机的动力选择

从修剪机的动力角度看，目前可以分为无动力和有动力两种[1]，针对矮化密植型种植模式，本文采用有动力的方式进行设计。在工作中，利用背负架将动力部分背在操作者身后，发动机可绕背负架底座的支撑轴作水平方向的转动，以适应工作杆角度的变化。操作者只需控制安装在工作杆上的油门来控制发动机的供油量从而来调整转速[2]。这种手持背负式结构，在矮化密植型种植模式下作业灵活，以小型汽油机为动力，通过软轴传动带动圆锯片工作。本文的设计以气动为动力源，采用气缸的伸缩实现剪刀的开合，结构简单，原理上可行，可作为今后新型剪刀结构的探索方向。

图1 气动式修剪机的修剪工作原理图Fig.1 Cutting principle diagram of pneumatic pruning machine

3 气动式修剪机的设计

3.1传动机构的气路设计

由于本设计要求的剪枝直径范围为5～10 mm，为了克服由于修剪频繁，弹簧容易失效的现象，采用了双作用气缸进行修剪。剪刀部分的剪切作业由气缸伸缩动力来实现，气缸杆出，则剪刀闭合，完成树枝的修剪；气缸杆回，则剪刀打开回位。为了实现以上双向动作，设计了气动回路系统。

气动回路是用来操作控制剪刀的张开和闭合（修剪）。该气动回路原理，如图2所示。空气动力气源与左右两个流量单向组合阀相连，同时通过气动换向阀（二位四通换向阀）与气缸的左右腔相连。在气动换向阀两侧各有一个手动换向开关（二位二通换向阀）。流量阀用来调节换向时间的长短，手动换向开关用来控制气动换向阀的工作位置，从而实现气缸活塞杆的往返运动，操作剪刀的张开或闭合修剪。压缩空气是由拖拉机带动压缩机产生，作为该气动回路系统的动力源。气缸活塞杆向右运动时，带动传动杆向前运动，推动动剪刀头旋转，与定剪刀头形成剪切动作；气缸活塞杆向左运动时将传动杆拉回，进而拉动动剪刀头回位，完成一次剪切作业过程。气动修剪机气动回路结构图如图3所示。

图2 气动修剪机气动回路原理图Fig.2 Pneumatic circuit principle diagram of pneumatic pruning machine

图3 气动修剪机气动回路结构图Fig.3 Pneumatic circuit structure diagram of pneumatic pruning machine

3.2气动式修剪机的结构设计

根据气动式修剪机的工作原理，设计了如图4所示的手持伸缩杆式气动修剪机，除气缸与开关外，气路部分的其他机构与空气压缩机均有小型拖拉机带动，图4仅为人手操作部分的结构。滑动杆4由三段套接而成，可以实现伸缩，其接头借鉴现有手动高枝剪手柄链接方式，实现在任意位置定位，可以在修剪中调整操纵杆的长度，以适应枣树不同部位的修剪高度与深度的剪枝作业情况。人手操作开关，控制整个气路系统。按下开关，压缩气体通过气路系统传到气缸5，推动气缸活塞与活塞杆向左运动，通过杆接头6与剪刀顶杆7将动力传到动剪刀头8，动剪刀头8旋转，与固定在剪刀柄固定杆9上的定剪刀头10形成剪切状态，修剪树枝。之后开关打开，放出气体，气缸活塞与活塞杆反向运动，带动动剪刀头8回位，等待下一次作业。该手持伸缩杆式气动修剪机的外形与剪刀头分别如图5、图6所示。

为了减轻重量，操作简单，选择铝合金做材料，链接部分选择尼龙粘接或螺纹连接。

图4 气动修剪机的结构Fig.4 The structure of pneumatic pruning machine

图5 修剪设备实物图Fig.5 Physical figure of pruning equipment

图6 修剪头Fig.6 Pruning head

4 气动式修剪机的动力学参数分析

该修剪机在压缩空气为5～8 MPa的情况下工作，由此可知，气缸传递到动剪刀杆上的力为二力杆件受力。

式中，

F——动剪刀杆受到的力；P——修剪机工况气压；A——气缸工作面积

由上式可知，气缸在伸出时较缩回时受力面积大（大于杠杆的截面），为了充分利用气缸有效动力，设计时必须实现伸出时剪切。枣树树枝被修剪时受到的剪切力大小受其截面和运动状态的影响，同时被修剪枝在剪刀中的位置不同也会导致修剪时剪切力的变化。在实际修剪时，若被修剪枝靠近剪刀头的旋转销钉处，该机构将成为省力机构，但需要人力推挡；被修剪枝太靠剪刀前部，容易使被剪枝条滑脱；因此要尽量使被修剪枝条置于剪刀中部，既不容易使枝条滑落，同时也省力。理想状态下，即我们假设被修剪枝条刚好置于剪刀正中部，被剪枝条截面半径为R，则其受力简图7所示。

图7 修剪机的机构受力简图Fig.7 Institutions force diagram of pruning machine

图8 修剪枝条状态Fig.8 The state of pruning branches

根据图示状态，EA杆的有效力矩为：

式中，

T——EA杆的有效力矩；F——动剪刀杆受到的力；P——修剪机工况气压半径为R的被剪枝条所受力矩为：

式中，

T′——OB杆的有效力矩；F′——动剪刀杆刃部的力由式（4-2）、（4-3）得枝条所受剪力为：

分析式（4-4）可知，Ф越大剪切力越大，即随着Ф的增大对枝条的剪切作业就越容易实现。由图7可以看到，虽然Ф角可以进一步增大，但在增大的同时剪刀所占的空间将加大，会妨碍枝丫的修剪，因此，设计了相关的限位机构，限制剪刀头的张角在所需的范围内。针对不同情况的修剪，可以对限位机构进行适当地位置调整，在便在修剪时适当加大Ф角，以增大剪切力，利于修剪作业。

5 结论

本文设计研制的手持气动式修剪机，不仅操作方便，省时省力，且可以根据用户不同的作业要求，对其进行一定的自由调整，达到了设计要求。本设计突出体现了以下几个特点：

（1）根据作业要求，制订了气动式修剪的作业方案，用气动力代替人力作为剪切力，大大减轻了人手的操作劳动量。

（2）按照作业方案与原理设计了整个气动回路系统，只需操作按钮即可完成剪切作业，减轻劳动力的同时，大大提高了其便捷性与灵活性。

（3）设计了整体的传动与剪切机构，不仅作业可靠，还可以对其手柄长度进行调节，适应于不同的作业条件。

[1]李世葳,王述洋,王慧,等.树木整枝修剪机械现状及发展趋势[J].林业机械与木工设备,2008,01(36):15-16

[2]陈志强,吴远彬,陈永康,等.软轴绿篱修剪机的研制[J].福建林业科技,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

兵团中小企业项目(2008zh13)

范修文(1981-),男,山东泰安人,讲师,工学硕士,主要研究方向:机械设计及制造自动化及农业机械方向的教学研究.Email:fanwenwen-1@163.com

*通讯作者:Author for correspondence.Email:mengyaowang@163.com