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氣 動 高 枝 剪 的 設 計 摘要 本次 設計氣 動高枝 剪是根 據汽 缸推動 連接桿 帶動剪 刀工作 剪斷樹 枝 結 合 氣動射釘槍控制氣流變化的原理進行設計的 國內外目前使用的氣動修枝剪品種 有很多 這些氣動修枝剪可以適合各種樹木 包括工業(yè)用材林和果樹 的修剪 但是針對高大樹木就會有一些局限性 而且使用的動力也是多種多樣的 因此設 計出一款適合高大樹木修剪 采用的動力系統(tǒng)能適合農戶作業(yè)要求的修枝剪是很 重要的 本設計的重點在于汽缸與剪刀之間的連接裝置 通過對氣流的調節(jié) 使 剪刀具有一定的剪切力 剪斷樹枝 氣動高枝剪可以大大減輕農戶的作業(yè)強度 該結構質量輕 可伸縮的調節(jié)桿可以用于各類型樹枝的修剪工作 配以一些輔助 設計 可以滿足直徑在 15mm 30mm 樹枝的修剪工作 關鍵 詞 氣動 剪切機構 設計 The Des ign of Pneumat ic High Branch Scissors The graduation design is the design of pneumatic high branches scissors Along with our country the strength of farmland increase gradually in order to reduce the labor intensity pruning branches farmers design a kind of new pneumatic fruit trees pruned machine This machine structure is simple light quality telescopic link rod can expand the scope of the operation this pruning machine is mainly by cylinder telescopic locking mechanism guide spacer institutions knives connecting rod composition This topic is main content pneumatic high branches scissors profile and the research situation pneumatic technology application in fruit pruning shears cylinder selection guide spacer component design lock positioning device design move the specific work process them cut This machine can trim below the 30mm in diameter of fruit tree branches clip homework operating quality complies with agricultural demands Key word Pneumatic Rotary shearing mechanism design 目 錄 1 引言 5 2 氣動高枝剪簡介及國內外研究現狀 6 2 1 氣動高枝剪簡介 6 2 2 氣動高枝剪的原理與過程 6 2 3 氣動高枝剪在國內外的代表型號和研究狀況 7 2 4 現在使用的高枝剪存在的問題 7 2 5 設計的內容 要求及研究意義 8 3 氣動技術在果樹修枝剪中的應用 8 3 1 單作用氣缸與傳統(tǒng)氣動修枝剪原理 8 3 2 串聯氣缸與新型氣動修枝剪原理 9 4 氣動高枝剪的設計 11 4 1 氣缸的選擇 11 4 1 1 氣缸理論輸出拉力計算 11 4 1 2 氣缸直徑的計算 12 4 1 3 驗算所選氣缸 13 4 1 4 氣缸耗氣量的計算 15 5連接機構的計算 17 5 1 汽缸與連接桿 1 的計算 17 5 2 連接桿 1 與剪刀之間的連接機構連接桿 2 的計算 19 5 3 汽缸與伸縮桿之間的連接汽缸與伸縮桿連接件設計 20 5 4 汽缸復位裝置的設計 21 5 5 剪刀支撐座的設計方法 21 6 伸縮桿氣流控制系統(tǒng)的設計 23 6 1 氣動高枝剪伸縮桿機構的設計 24 7 剪刀的設計 26 8 總結 27 9 致謝 28 參考文獻 29 1 引言 樹枝的修剪是各種水果生產中的一個重要環(huán)節(jié) 它關系到樹木的長勢 水果 的產量以及質量的高低 目前 國內的果樹修枝工作基本上靠人工使用手動修枝 剪和手鋸來完成 尤其是對于比較高的樹枝 修剪時需要登梯作業(yè) 這種方式勞 動強度大 效率低 而且還具有一定的危險性 為了改變這種落后的生產方式 設計了一種氣動果樹修枝剪 本課題設計的果枝剪采用了氣動技術 氣缸是氣動技術中最基礎的組件之 一 它將壓縮空氣的動力轉換為機械作用力 是氣動技術中使用最多的執(zhí)行組件 根 據使用條件不同 其結構 形狀也有多種形式 最常用的分類就是根據作用力 的 方向將其分為單作用氣缸和雙作用氣缸 果樹修枝剪是果樹剪枝作業(yè)中最常用的工具 由于果林修枝作業(yè)時間集中 勞動強度大 人們發(fā)明了動力修枝機具 氣動修枝剪就是氣動技術應用在果林修 枝領域的新產品 氣動修枝剪以其省力 高效 耐用等特點在歐美發(fā)達國家得到 廣泛應用 近年來我國也有部分地區(qū)引進 推廣和應用 隨著氣缸技術的發(fā)展 氣動修枝剪也在不斷的應用新的氣動技術 從傳統(tǒng)的氣動修枝剪到新型的氣動修 枝剪 朝著輕便 強勁 操作舒適等方向發(fā)展 本論文就氣動技術在氣動修枝剪 中的應用進行簡要論述 本課題研究的氣動高枝剪是一種伸縮型氣動修枝剪 包括由剪刀片和剪架體 構成的剪刀機構 其中 一相互套疊可伸縮的內管和外管 內管前端裝置剪刀機 構 外管前端裝置鎖緊定位裝置 外管的后端裝置動力源 即氣缸 氣缸的活塞 與一貫穿于伸縮桿內的操縱連桿的一端固裝 該操縱連桿的另一端與剪刀機構的 驅動臂連接 一導向定距構件緊配合裝置在內管里 該機構具有借由固定板固裝 在下連桿上的導向套 導向套上留有引導鎖緊定位裝置上的定位銷定向滑動的導 向槽 可受鎖緊定位裝置上的定位銷觸壓的彈簧片和下連桿依次固裝在固定板 上 緊固彈簧片和下連桿的汽缸與伸縮桿連接件凸伸形成定位銷 與上連桿的定 位孔配合實現連桿鎖定 2 氣動 高枝 剪簡介 及國 內外研 究現 狀 2 1 氣 動高枝 剪簡介 林果業(yè)迅速的發(fā)展 帶動了農村經濟的發(fā)展 給農民奔小康 增加了一條路 但是 目前果樹管理基本上處于人工操作 相對制約了林果業(yè)的產業(yè)化發(fā)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(huán)節(jié) 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(fā)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 應用氣動剪枝機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 該設備主要包括動力源部分 工作件部分及配套附件 其中動力源部分由汽 油機及壓縮氣泵組成 額定輸工作部件有氣動低枝剪 氣動高枝剪 氣動低枝剪 氣動割灌機 氣動綠籬修剪機 氣動油鋸等 低枝剪重量為550 790g 可剪直 徑 0 30mm的所有枝條 高枝剪重 2000g 可剪直徑 0 30mm的所有枝條 剪枝高度 可達 4m 綠籬修剪機重 3800g 剪幅為 550ram 油鋸重 200 可鋸直徑 200mm 以 下的枝干 害灌機重 2800g 各種工作部件所需工作氣壓均為 1 0MP 附件包括 高 壓輸氣管及快速接頭 每根高壓輸氣管長 30m 可使操作者持工作部件遠離動力 氣 源進行靈活作業(yè) 所有操作只需輕輕按動控制手柄在瞬間完成 氣動剪枝機能夠剪各類不同樹種 樹齡的果樹 剪枝質量達到和超過人工剪 枝質量 工效提高 1 21 1 77倍 對樹齡長 樹干較高 樹枝較粗的果樹剪枝時 生產成本低于人工剪枝成本 對剪枝量少 尤其是大枝剪量較少的果樹剪枝時 修剪成本與人工剪枝成本相當 氣動剪枝技術有廣泛的推廣應用前景 2 2 氣動 高 枝 剪的原 理與 過程 低矮的灌木以及較低的樹枝可以站在地面上通過 正常的工作來修剪 但是對 于較高的樹枝就毫無辦法 氣動高枝剪可以通過調節(jié)伸縮桿的長度來實現不同高 度的剪切 首先將伸縮桿延展到合適的高度 將固定圓錐銷插入已加工好的圓孔 從而達到固定伸縮桿的長度的要求 然后通過在伸縮桿尾部的氣流控制閥實現對 剪刀的剪切與閉合的控制 對于較高樹枝的剪切 不僅可以使林木的生長高度增 加 也可以提高工業(yè)用林的成材率和果樹的結果率 2 3 氣動 高枝 剪在國 內外 的代表 型號 和研究 狀況 氣動修剪機具在國外有一百多年的發(fā)展歷史 技術和產品已經相當成熟 目 前國外生產果樹氣動修剪機具較為著名的廠商主要有瑞士的 FELCO 公司 意大 利的 C AMPAGNOLA 公司 LISAM 公司 日本的愛麗斯 A RS 公司等 我國臺灣有許多公司生產氣動剪枝機及相關產品 大多數以生產氣動修枝剪 為主包括吉生機械股份有限公司 泓沛興業(yè)有限公司 STORMTEK LeoChampion Enterprise 等公司 不但為其他國際知名企業(yè)代工生產 還研發(fā)自己的產品 并 有所創(chuàng)新 孫永勇 陳全欽設計的一種具有可調整延長桿的氣動剪 其內置螺旋 狀可伸縮氣管 在延長桿伸縮時氣管可隨之改變形態(tài)和長度 并保證良好的氣密 性 這種設計不僅減輕了延長桿的質量 還大大降低了制造成本 由于國產氣動 果樹剪枝機比國外引進的剪枝機在價格上要低很多 所以在一些地區(qū)已逐漸被果 農所接受 得到了推廣應用 相信不久的將來 氣動果樹剪枝機將得到快速發(fā)展 2 4 現在 使用 的高枝 剪存 在的問 題 1 機具設計針對性不強 國內氣動剪枝機的生產剛剛起步 作為關鍵部件 的氣動修枝剪還是以模仿國外的產品為主 產品品種還比較少 大多數產品以滿 足普通低矮樹木作業(yè)為主 最大修剪高度在5m 以下 最大修剪樹枝直徑為15 30mm 對高大樹木的修剪還缺乏相應的產品 另外 許多產品的設計也沒有針 對本地區(qū)的作業(yè)需求做相應的改進 2 配套動力不合理 存在資源浪費現象目前國內氣動樹木剪枝機所使用的 空壓機絕大多數為工程用活塞式汽油 柴油 空氣壓縮機 沒有針對剪枝機的作 業(yè)特點進行改進 在使用中發(fā)現許多問題 如機器振動大 能耗高 移動不便等 同時 以拖拉機等其他農用動力機械作為配套動力的氣動剪枝機還很少 農戶手 中大量的農機動力無法在這方面得到充分利用 動力重復購置 造成不必要的浪 費 3 功能單一 動力 氣源 系統(tǒng)利用率低除氣動剪枝機以外 其他農用氣動工 具很少 動力 氣源用途單一 在剪枝作業(yè)以外的時間大多閑置 2 5設計 的內 容 要 求及 研究意 義 本次設計的剪切式氣動高枝剪 能夠避免目前 高枝剪本身所具有的剪枝高 度低 功能單一等缺點 在剪刀上連接了一個汽缸使用空氣壓縮機提供動力 降 低了勞動強度 提高了作業(yè)效率 并且具有環(huán)境污染小和使用靈活等優(yōu)點 具有 廣闊的市場前景 本文通過給定條件最大剪枝直徑 30mm 對氣動高枝剪的整體結 構進行設計 包括汽缸的選用 壓縮機的選取和連接桿的計算等 本次設計主要 內容是 折合不少于2 5張0號圖紙的工作量 包括 1 高枝剪的總裝圖 2 氣力傳動方案等部件裝配圖 3 所有非標零件圖 4 用計算機輔助設計軟件 繪制高枝剪圖樣 和設計說明書的撰寫 3 氣動 技術 在果 樹 修枝 剪中的 應用 氣缸是氣動技術中最基礎的組件之一 它將壓 縮空氣的動力轉換為機械作用 力 是氣動技術中使用最多的執(zhí)行組件 根據使用條件不同 其結構 形狀也有 多種形式 最常用的分類就是根據作用力的方向將其分為單作用氣缸和雙作用氣 缸 3 1 單作 用氣 缸與傳 統(tǒng)氣 動修枝 剪原 理 單作用氣缸是氣缸中較為基礎的元件 它只有一個方向的運動是靠氣壓傳 動 活塞的復位是靠彈簧力或自重或其他外力 其原理如圖 3 1所示 圖 3 1 單 作 用 氣 缸 簡 圖 傳統(tǒng)的氣動修枝剪的工作原理就是一個靠彈簧力復位的單作用氣缸 活塞桿 推動的是剪刀組件中的動刀運動 與定刀咬合 完成剪切動作 氣動修枝剪作 為一個手動控制的氣動工具 要求操作簡單方便 如果使用雙 作用氣缸 則需要兩根進氣管 會增加操作麻煩 事實上 修剪作業(yè)只是在剪切 時需要較大的力量 在回位時不需要多大的力量 因此 單作用氣缸完全能夠滿 足要求 圖3 2 a 所示的是傳統(tǒng)氣動剪的結構和組成 手操作不便 另外 該類型的氣動修枝剪在使用時對手臂有較大的反沖作用力 使操作者容易疲勞 為了解決這些問題 出現了新型氣動修枝剪 其工作原理如下 當開關閥 2 單向閥 按下時 壓縮空氣由氣接頭 12進入 推動內置的活塞11運動 動力由活塞桿9傳遞給剪刀組件中的動刀5 動刀5和定 刀 6咬合完成剪切樹枝動作 動作結束后 由回位彈簧 8將活塞 11頂回初始位置 并帶動動刀6回位 無桿腔內空氣從開關閥2的出氣口排除 該類氣動剪的代表就是如圖3 2 b 所示的意大利某公司的 F 4型傳統(tǒng)氣動 修枝剪 該剪重量僅為 790g 最高工作壓力為 1 0 MPa 最大剪切直徑可達 35mm 耗氣量為 80L mi n 該類型的氣動修枝剪為了增大推力 以能夠達到最大剪切直徑 在使用壓力 最高時 只能增加氣缸活塞直徑 就導致氣動修枝剪手柄處直徑加大 從而使人 圖 3 2 氣 動 剪 結 構 圖 3 2 串聯 氣缸 與新型 氣動 修枝剪 原理 新型氣動修枝剪采用串聯氣缸工作原理 在同樣氣缸直徑的情況下可以增加 輸出推力 這對于手握式 手握直徑有限 普通人的最大手握直徑在 50 60mm 的氣動修枝剪而言是非常重要的 串聯型氣缸也可稱為倍力型氣缸 它是兩個或多個單桿雙作用氣缸串聯在一 起 且兩個或多個活塞串聯在一根活塞桿上 其輸出推力為單個氣缸的兩倍或多 南京 林業(yè) 大學畢 業(yè)設 計說明 書 10 倍 從而達到使用小缸徑而獲得較大輸出推力的效果 常用于氣動壓力機上或要 求輸出推力較大 且安裝空間較小 不能增加氣缸缸徑 又允許增長缸體長度的 場合 如圖3 3 圖 3 3 串 聯 氣 缸 簡 圖 該類型的氣動修枝剪的代表是瑞士某公司的 F70氣動剪 圖 3 4a 其工作壓 力 0 7 1 5 MPa 長度 260 mm 重量 710g 最大剪切直徑 30mm 耗氣量 24 50L min 與上述數據同樣重要的是其手柄處直徑僅為 42 mm 要達到同樣的推力 傳統(tǒng)型氣 動剪手柄直徑在 55mm以上 還減小了氣缸作用時對手臂的反沖力 大大增加了 操作舒適度 圖 3 4 F70 氣 動 修 枝 剪 該氣動剪的內部結構雖然采用串聯氣缸工作原理 但又有所不同 它由一個 單作用氣缸和一個彈簧復位的單作用氣缸串聯而成 如圖 3 4b 它有兩個進氣 口 兩個進氣口在內部相通 兩個氣缸的復位均是靠彈簧力 這樣它仍然只需一 根進氣管 保持了操作便利性 另外 它在結構上將排氣口設計在剪刀后側 一 定程度上也減小了反沖力 南京 林業(yè) 大學畢 業(yè)設 計說明 書 11 6 4 氣動 高枝 剪的設 計 4 1 氣缸 的選 擇 4 1 1 氣缸 理論 輸出拉 力計 算 取樹枝的直徑 d 0 30mm 樹枝的許用剪切強度 3 0MPa 則樹枝的截面面積為 1 2 1 3 2 6 2A d 04 3 14 30 104 706 85 10 m 則許用剪切力為 Fs A 3 10 706 85 10 6 N 2120 55N 剪刀的的受力如下圖 4 1 所示 圖 4 1 剪 刀 的 受 力 圖中 F0 氣缸的理論輸出拉力 F1 定刀片產生的支撐力 南京 林業(yè) 大學畢 業(yè)設 計說明 書 12 1 F2 動刀片產生的剪切力 L1 動刀片的動力臂 L2 動刀片的阻力臂 由圖可知 F2 Fs 2120 55N 由力矩平衡公式 F0 L1 F2 L2 cos 式中 400 L 55mm L2 30mm 代入式中得 F0 F2 L2 cos L 1 2120 55 30 cos 400 55 N 886 06N 4 1 2 氣缸 直徑 的計算 氣缸的理論拉力為 F F0 式中 F 氣缸的理論拉力 F0 氣缸的理論輸出力 即作用于動剪刀刀柄上的力 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 0 85 由上式 則氣缸的理論拉力為 F F0 886 06 N 1042 42N0 85 由于該剪枝機使用的是單作用氣缸 因此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所產生的推力來說較 小 在氣缸工作時將其阻力忽略不計 這樣氣缸的理論拉力為 F 1 D 2 p 4 式中 D 氣缸缸徑 p 氣缸工作壓力 取 p 1 0MPa 氣缸的機 械 效率 一般在 0 7 0 95 隨著缸徑 的增加 機械效率 南京 林業(yè) 大學畢 業(yè)設 計說明 書 13 也有所提高 因此選擇 0 85 則單作用氣缸直徑為 D 4Fp d 2 4 1042 421 106 0 85 3 14 20 2 10 3 2 44 27mm 由 D 43 31mm 查 機械設計手冊 氣壓傳動與控制 表 24 2 32 選取 QGA 系列氣缸 型號為 QGA 50 120M F1 圖 4 2 QGA 型汽缸 采用腳架式汽缸 在使用固定 件將汽缸固定在伸縮桿上 可以減輕整個氣動高 枝剪的重量 使得在操作時不會影響工作效率 與該型氣缸所連接的氣閥如下圖 4 2 所示 圖 4 3 氣閥結構簡圖 南京 林業(yè) 大學畢 業(yè)設 計說明 書 14 當壓下手柄后 接口 A P 相通 壓縮氣體從 P 口進入 然后由 A 口進入氣 缸 當松開手柄時 則氣閥回復常態(tài) 接口 A P 不通 汽缸采用 4 1 3 驗算 所選 氣缸 計算剪枝切削力 氣缸理論拉力為 F 1 D 2 d 2 p 1 50 10 3 2 20 10 3 2 106 0 85 1484 4N4 4 式中 D 氣缸的直徑 D 50mm d 活塞桿的直徑 d 20mm p 氣缸工作壓力 取 p 1 0MPa 氣缸的機械效 率 一般在 0 7 0 95 隨著缸徑的 增加 機械效率也有 所提 高 因此選擇 0 85 氣缸的理論拉力為 F F0 式中 F 氣缸的理論拉力 F0 氣缸的理論輸出力 即作用于動剪刀刀柄上的力 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 0 85 由上式 則氣缸的理論輸出拉力為 F0 F 1484 4 0 85 1261 74N 由力矩平衡公式 F0 L1 F2 L2 cos 式中 F0 氣缸的理論輸出拉力 F0 1261 74N F2 動刀片產生的剪切力 南京 林業(yè) 大學畢 業(yè)設 計說明 書 15 0 充 L1 動刀片的動力臂 L1 55mm L2 動刀片的阻力臂 L2 30mm F2 與 F2 垂直于 L2 上的分力之間的夾角 40 則代入得 動刀片產生的剪切力為 F2 F0 L1L 2 cos 1261 74 55 N 3019 66N30 cos 400 則 F2 3019 66N Fs 2120 55N 計算表明 選用該類型氣缸能把直徑為 30m m 以下的樹枝剪斷 4 1 4 氣缸 耗氣 量的計 算 為了給系統(tǒng)配備合適的氣源 需要對氣缸的耗氣量進 行計算 氣缸空載時的 運動速度最快 此時其耗氣量也最大 氣缸耗氣量為 qmax 2D 2 d 2 L 4 v t p 0 1 0 1 式中 D 缸徑 D 50mm d 桿徑 由于氣缸為單作用氣缸 取 d 20mm L 氣缸行程 氣缸設計行程 L 120mm P 工 作壓力 P 1 0MPa v 氣缸的容積效率 通常取 0 9 0 95 取 v 0 9 t 氣缸一次往復行程所需的時間 包括氣缸的充氣時間和放氣時間 氣缸充氣時間為 p t 1 285 1 ps 5 217 10 3 VkS 273 16T S 氣缸放氣時間為 南京 林業(yè) 大學畢 業(yè)設 計說明 書 16 2k k 1 2 k k 1 2 k p1 1 p1 t放 k 1 p 0 945 0 1013 式中 p1 充氣前氣缸內氣體的初始絕對壓力 充氣前氣缸內氣壓為大氣壓力 p1 0 1MPa ps 氣源的絕對壓力 ps 1 0MPa t 充氣 放氣的時間常數 s V 氣缸的容積 V 1 57 10 4 m 3 k 絕熱系數 k 1 4 S 充氣的有效截面積 S 7 065 10 6 m 2 Ts 氣源絕對溫度 取 Ts 293K p 1 放氣前氣缸內的初始絕對壓力 p1 1 0MPa p 放氣臨界絕對壓力 一般情況下取 p 0 192MPa t t充 t放 0 76s 氣缸在工作時需要考慮到操作人員的操作反應時間 根據試驗測算得出一個 熟練工人使用該型剪枝機在修剪樹枝時的平均修剪速度大約為 4 5s 修剪一次 氣 缸運動的速度大于人工修剪的速度 因此在計算氣缸的耗氣量時取 t 4 5s 求得氣缸工作時的最大耗氣量為 qmax 2D 2 d 2 L 4 v t p 0 1 0 1 51 2L min 這 樣 就 可 根 據 實 際 工 作 時 配 備 剪 枝 機 的 個 數 選 擇 合 適 的 空 氣 壓 縮 機 進 行 配 套 根據 最大耗 氣量 選取 的空氣 壓縮機 為大圣 靜音 空壓機 2013 年新 款 型 號 選取為 DA7002 型 該空氣壓縮機的尺寸參數如下表 南京 林業(yè) 大學畢 業(yè)設 計說明 書 17 型號 功率 額定流量 儲氣罐 毛重 凈重 外形尺寸 L W H DA7002 1700W 130L M 50L 67KG 55KG 715 370 695mm 空氣 壓縮 機的外 形圖 片 圖4 5 空氣壓縮機 5 連接 機構 的計算 5 1 汽缸 與連 接桿 1的計 算 連接桿1示意圖 為了避免較為繁瑣的連接方式 也為了使剪切機構能夠更好的工作 使得剪 切機構能夠數據化 在剪刀與汽缸之間 使用2段連接方式 首先 在汽缸上連 南京 林業(yè) 大學畢 業(yè)設 計說明 書 18 圖5 2 連接桿 1示意圖 接一個連接桿 在連接桿的一端車內螺紋 根據汽缸的活塞柱直徑為 18mm長度為 20mm 所以選取內螺紋直徑為 18mm 長度為 27mm 連接桿的內螺紋端直徑為 20mm 因為連接另外一根連接桿及整個氣動高枝剪尺寸的原因 另一端做成方形 中間 圓孔的直徑為 4mm 方型片的厚度為 1mm 長度為 20mm 連接桿的總長度為 87mm 連接兩端圓柱的中間段直徑為 10mm 長度為 40mm 連接桿的材料選取 Q235鋼 連接桿強度的計算 汽缸的材料選用 Q235鋼 汽缸活塞桿的推力為 1045N 連接桿中段的橫截面積為 A d 3 14 0 01 0 00314 Q235鋼的許用剪切應力為 235MP r F A 其中 F 為工作推力 A 為橫截面積 r F A 1045 0 00314 33MP 遠小于連接桿的許用 應力 所以連接桿1的強度符合要求 5 2連接 桿1 與剪 刀之 間的連 接機 構連接 桿2的計 算 南京 林業(yè) 大學畢 業(yè)設 計說明 書 19 連接桿2示意圖 圖5 2 連接桿2示意圖 連接桿的總體形狀為方片型 總長度為120m m 連接桿的寬度為10m m 因為和 連接桿1的配合原因 在距離連 接桿的兩端2 69m m處加工2個直徑為4m m的圓孔 兩根連接桿之間采用m 4螺栓連 接 其中連接桿1和連接桿2之間的m 4螺栓連接不 能鎖死 應該采用較為輕松的 連接方式 可以使桿1和桿2之間可以自由的轉動 對于桿2長度的計算采用如下 方式 在4 1 1 氣缸理論輸出拉力計算這一段中剪 刀動刀片與水平面成 135度角 動刀的移動距離大約為 30mm 剪刀安裝距離連接 桿 1的長度為 93 86mm 所以連接 桿 2的長度為 L l cos 30 93 86 cos 30 120 連接桿 2 的強度計算 因為連接桿 1 的強度符合要求 汽缸作用在連接桿 2 上的力為作用在連接桿 1 在 水 平 方 向 的 分 力 其 值 小 于 1045N 而 連 接 桿 2 的 橫 截 面 積 為 A ab 0 001 連接桿 2 在水平方向的分力為 f F cos 60 1045 0 5 522 5 f 1所以 r A 1045 0 001 104Mpa 其值小于 Q235 鋼的許用應力 235Mpa 所以連接桿選用 Q235 連接強度符合要求 圖示為連接桿 1 和連接桿 2 的連接方式 南京 林業(yè) 大學畢 業(yè)設 計說明 書 20 圖 5 3 5 3 汽缸 與伸 縮桿之 間的 連接汽 缸與 伸縮桿 連接件 設計 汽缸與伸縮桿之間的連接汽缸與伸縮桿連接件示意圖 圖 5 4 汽缸與伸縮桿連接件 因為 氣動高 枝剪需 要一種 結構簡 單 重 量輕便 的機構 設計 如果在 汽缸外 圍 采用一個鐵的外殼包裹汽缸 會大大的增加氣動高枝剪的重量 同時 在外圍增 加 外 殼 不 利 于 氣 動 高 枝 剪 的 拆 卸 如 果 僅 僅 采 用 汽 缸 與 伸 縮 桿 連 接 件 安 裝 的 方 式 當氣動高枝剪發(fā)生故障時 小的問題可以不拆卸氣動高枝剪即可維修 即使 需 要 更 換 汽 缸 或 者 更 換 其 他 的 零 部 件 也 只 需 要 將 連 接 在 汽 缸 腳 架 上 的 汽 缸 與 伸 縮桿連接件卸下就可以完成更換 維修等一系列任務 該結構還便于在完成作業(yè) 南京 林業(yè) 大學畢 業(yè)設 計說明 書 21 時還可以很方便的對氣動高枝剪進行清潔 保養(yǎng)等工作 汽缸與汽缸與伸縮桿連接件的連接方式如下圖所示 圖 5 5 汽缸與汽缸與伸縮桿連接件之間采用 M4 的螺栓連接 結構簡單 汽缸與伸 縮桿連接件的具體尺寸為 汽缸與伸縮桿連接件上部與橋架接觸的 部分 長度為 65mm 寬 度為 24mm 足 夠的接 觸面積 可以保 證兩 個平面 之間的 粗糙 度和摩擦阻力 可以使得兩個零件能夠更緊密的配合 因為伸縮桿的原因 平板 下 方 的 圓 環(huán) 直 徑 為 30mm 圓 環(huán) 的 厚 度 為 1mm 圓 環(huán) 的 寬 度 為 12mm 為 了 使 圓 環(huán) 固定在伸縮桿上不能滑動 圓環(huán)不閉合 在圓環(huán)的下方開口 并延伸出 5mm 并 且做直徑為 2 的圓孔 作用為當圓環(huán)連接在伸縮桿上時 擰緊螺栓 使得汽缸與 伸縮桿連接件及連接在汽缸與伸縮桿連接件上的汽缸不會在伸縮桿上滑動 汽缸 與伸縮桿連接件的數量為 2 個 分別連接在汽缸的兩個腳架上 因為整個汽缸及 整個氣動高枝剪的重量比較輕 兩個汽缸與伸縮桿連接件足夠保證氣動高枝剪的 剪切部分不會在伸縮桿上滑動 5 4 汽缸 復位 裝置的 設計 因 為 伸 縮 桿 的 直 徑 為 30mm 其 內 部 空 間 比 較 狹 窄 因 此 為 了 使 氣 動 高 枝剪的結構更為簡單 QGA 型汽缸不使用排氣孔 而是使用一個壓縮彈簧來實 現汽缸的復位 當汽缸的活塞桿沒有收到氣壓的推動而向前運動時 彈簧處于壓 縮狀態(tài) 但是壓縮量比較小 不會產生較大的彈力 因此不會對汽缸的裝配位置 產生影響 彈簧并不能推動活塞桿向后移動 當活塞桿收到汽缸內壓力變化而產 南京 林業(yè) 大學畢 業(yè)設 計說明 書 22 生的推力向前運動時 彈簧被慢慢壓縮 產生的彈力也越來越大 當活塞桿向前 移動 120mm 時 此 時能夠使動 刀和定刀之間 能夠重合完 成一次樹枝 的剪切 彈 簧 的 推 力 達 到 其 最 大 值 查 機 械 設 計 手 冊 得 此 處 選 用 的 彈 簧 的 抗 拉 強 度 為 1431N 大于汽缸產生的推力 可以將汽缸復位 此種設計方式省去了安裝排氣 管所產生的機構 減輕了氣動高枝剪的整體重量 符合設計的要求和設計的思路 汽缸的復位裝置采用彈簧連接 彈簧的示意圖如圖所示 圖 5 6 彈簧 彈 簧 的 具 體 尺 寸 規(guī) 格 和 參 數 是 彈 簧 的 總 長 度 為 30mm 彈 簧 的 中 徑 為 22mm 彈 簧 的 內 徑 為 1 彈 簧 的 外 徑 為 24mm 彈 簧 的 自 由 度 為 彈 簧 的 圈 數 為 n 20 圈 壓縮彈 簧的 自由度 為 HO 220mm 材 料選用 不銹 鋼絲 查機械 設計 手冊 得 不銹鋼絲 直徑為 1mm 的壓縮彈簧的抗拉強度為 1431N 汽缸的推力為 1405N 彈簧的抗拉強度滿足汽缸推力要求 國標號為 GB T 1239 6 1992 彈簧 的具體 裝配位 置彈簧 的一 端裝配 在汽缸 上 一 端裝配 在安裝 剪刀的 支 撐座上 兩端固定式裝配可以避免彈簧從活塞桿上滑落 同時也起到了一個限位 的作用 避免了連接桿 1 和連接桿 2 的晃動 5 5 剪 刀 支撐 座的設 計方 法 剪刀支撐座的結 構示意圖如下圖所示 南京 林業(yè) 大學畢 業(yè)設 計說明 書 23 圖 5 7 與前面的汽缸與伸縮桿連接件相同 該剪刀支撐座 下 部 采 用 和 相 同 的 機構 將伸縮桿的上端桿套進支撐座的圓環(huán)中 然后在支撐做下端的開口部分采 用螺栓擰緊 同樣 螺栓的直徑為 4mm 將剪刀安裝在支撐座上方的小支撐架上 就可以對剪刀的定刀起到固定的作用 剪刀與支撐座之間采用螺栓連接 6 伸縮 桿氣 流控制 系統(tǒng) 的設計 該氣動高枝剪當需要工作時 將剪刀對準需要剪 斷的樹枝 然后按下氣流 控制機構 氣流控制機構控制進氣管內的氣壓變化 汽缸內氣壓的變化改變活塞 兩端的氣壓 最終使得汽缸內的氣壓大于活塞外側的氣壓 產生的壓力差推動活 塞桿向前運動 其結構方式類似于氣動射釘槍的工作方式 因此 參照射釘槍的 工作方式設計該氣動高枝剪的氣流控制閥 目 前 市 場 上 使 用 最 普 遍 的 一 種 射 釘 槍 在 這 種 設 備 中 錘 擊 力 來 源 于 壓 縮 空 氣 而 壓 縮 空 氣 通 常 是 由 一 個 獨 立 的 空 氣 壓 縮 機 產 生 的 一 個 標 準 的 空 氣 壓 縮 機 與 水 泵 的 工 作 原 理 是 相 同 的 它 具 有 一 個 或 多 個 活 塞 筒 活 塞 筒 可 以 在 上 沖 程 的 時 候 從 大 氣 中 抽 入 空 南京 林業(yè) 大學畢 業(yè)設 計說明 書 24 氣 在 下 沖 程 的 時 候 將 空 氣 輸 出 并 壓 入 射 釘 槍 這 樣 可 以 通 過 軟 管 將 壓 縮 空 氣 源 源 不 斷 地 輸 入 到 射 釘 槍 的 儲 氣 室 中 氣動式射釘槍的錘擊裝置與螺線管 射 釘 槍相 同 它 也 使用 滑 動 活 塞 來驅 動 一 個 長 的刀 片 當 活 塞 頭 部 的 氣 壓 大 于 其 底 部 的 氣 壓 時 活 塞 被 向 下 推 動 當 活 塞 底 部 的 氣 壓 大 于 其 頂 部 的 氣 壓 時 活 塞 保 持 不 動 觸 發(fā) 裝 置 通 過 引 導 壓 縮 空 氣 的 流 動 來 改 變 平 衡 狀 態(tài) 下 圖 顯 示 了 這 種 射 釘 槍 所 使 用 的 典 型 閥 門 系 統(tǒng) 在 這 種 設 計 中 活 塞 頭 上 有 一 個 可 移 動 的 閥 塞 當 扳 機 處 于 釋 放 狀 態(tài) 壓 縮 空 氣 會 流 動 到 閥 塞 的 兩 端 壓 縮 空 氣 一 面 通 過 儲 氣 室 直 接 流 到 閥 塞 底 部 邊 緣 另 一 面 通 過 觸 發(fā) 閥 和 一 個 小 的 塑 料 管 直 到 最 后 到 達 閥 塞 的 上 部 由 于 壓 縮 空 氣 可 以 流 通 到 閥 塞 的 任 意 一 端 空 氣 壓 力 相 互 平 衡 但 是 閥 塞 還 與 彈 簧 相 連 接 這 使 它 向 下 移 動 這 樣 就 改 變 了 壓 力 平 衡 當 扳 機 處 于 釋 放 狀 態(tài) 閥 塞 上 面 的 壓 力 總 是 大 于 其 下 面 的 壓 力 這 種 不 平 衡 可 以 使 閥 塞 壓 緊 包 圍 在 活 塞 頭 部 的 密 封 圈 當 閥 塞 處 于 這 個 位 置 時 流 入 射 釘 槍 的 壓 縮 空 氣 不 能 到 達 活 塞 的 頂 部 從 而 向 下 推 動 活 塞 以 下 是 扳 動 氣 動 式 射 釘 槍 時 發(fā) 生 的 事 情 觸 發(fā) 閥 關 閉 并 打 開 一 個 通 道 與 大 氣 相 通 當 觸 發(fā) 閥 就 位 時 壓 縮 空 氣 不 能 流 到 閥 塞 上 邊 的 空 間 閥 塞 下 部 比 其 上 部 氣 壓 更 大 閥 塞 上 升 此 時 壓 縮 空 氣 可 以 流 到 活 塞 的 頂 部 壓 縮 空 氣 使 活 塞 和 刀 片 向 下 運 動 并 將 射 釘 射 出 槍 膛 當 活 塞 向 下 運 動 時 空 氣 通 過 一 系 列 的 孔 把 活 塞 筒 中 的 空 氣 推 到 回 氣 倉 中 隨 著 越 來 越 多 的 空 氣 流 進 槍 膛 氣 壓 不 斷 升 高 當 釋 放 扳 機 的 時 候 壓 縮 空 氣 使 閥 塞 返 回 原 位 并 阻 止 空 氣 流 到 活 塞 的 頭 部 由 于 沒 有 向 下 的 氣 壓 回 氣 艙 中 的 壓 縮 空 氣 將 活 塞 頭 部 頂 起 來 活 塞 頭 部 上 方 的 空 氣 從 射 釘 槍 中 排 到 大 氣 中 從 而 完 成 了 一 次 工 作 該 氣 動 高 枝 剪 采 用 和 氣 動 設 定 槍 類 似 的 氣 流 控 制 機 構 在 伸 縮 桿 的 下 方 安 裝 一 個 儲 氣 室 通 過 對 氣 壓 變 化 的 控 制 實 現 對 活 塞 桿 的 推 動 控 制 氣 動 射 釘 槍 的 實 物 圖 如 下 6 1 氣動 高枝 剪伸縮 桿機 構的設 計 氣動高枝剪的伸縮桿機構采用兩個直徑分 別 為 34mm 和 30mm 的鋁合金圓管 壁厚為 1mm 氣動高枝剪因為要剪切高處的樹枝 所以它的重量不能太大 否則 長時間的作業(yè)會感覺到很累 此處采用鋁合金這種輕質材料既可以減輕整個氣動 高枝剪的整體重量 同時鋁合金的價格不是很昂貴 可以做到低成本 而且因為 鋁合金的特性 在很長一段時間內鋁合金伸縮桿都不會生銹 平時的保養(yǎng)維護工 南京 林業(yè) 大學畢 業(yè)設 計說明 書 25 作都很簡單 對水的耐腐蝕性也很好 兩個伸縮桿的長度都是 3m 下端桿上 也就是直徑為 34mm 的圓管 的下 部安 裝氣 流 控制 機 構 在 下端 桿距離 頂部 24mm 處加 工一個 直徑為 5mm 的圓 孔 用來安裝圓錐銷 圓錐銷用來固定兩個鋁合金圓管使其在定位的時候可以鎖死 不會產生相對滑動 由于圓錐銷固定的方向與汽缸安裝位置相同 而且由于圓錐 銷 選 取 的 尺 寸 稍 大 所 以 不 用 擔 心 在 實 際 的 工 作 中 圓 錐 銷 會 滑 落 而 影 響 剪 切 效 率 同時在剪切較低的樹枝時還可將上端桿收入下端桿內 上端桿沒間隔 500mm 加工一個直徑為 5mm 的圓孔 當拔出圓錐銷時 用來不同剪切要求進行不同高度 的調節(jié) 調節(jié)到不同的高度時 找到位置對應的圓孔 將圓孔對齊 再將圓錐銷 插入 就 可 以起 到 一個固 定的作 用 在 剪切高 度較 低 時 將 直徑為 30mm 的伸 縮 桿大 部分 收 入直 徑 為 34mm 的伸 縮桿中 因為 鋁合 金 材料的 表面較 為的光 滑 不 會產生較大的摩擦阻力 因此高枝剪的伸縮桿設計可以更為的方便快捷 伸縮桿 上端桿示意圖如下所示 伸縮桿的下端桿如下圖所示 圖 6 1 圖 6 2 南京 林業(yè) 大學畢 業(yè)設 計說明 書 26 7 剪刀 的設 計 剪 刀 的 材 料 選 用 Q235 鋼 235 鋼 的 硬 度 足 夠 剪 斷 樹 枝 是 可 以 保 證 剪 刀 的使用壽命 剪刀的具體設計形式如圖 圖 6 3 剪刀定刀 圖 6 4 剪刀動刀 南京 林業(yè) 大學畢 業(yè)設 計說明 書 27 8 總結 對于整個氣動高枝剪 最重要的就是保證結構的輕便 氣動高枝剪的伸縮 桿采用鋁合金材料設計 這樣就減輕了大部分的重量 其次 汽缸的外部沒有采 用外殼固定的方式 只是采用了兩個汽缸與伸縮桿連接件連接的方式 結構比較 的輕便 同時還不影響使用 采用彈簧復位的方式就不需要使用排氣管 也減輕 了汽缸的體積 且采用氣缸作為動力源 省力 減輕了操作的勞動強度 在這次 設計中 我系統(tǒng)地練習運用了大學四年所學的基礎課程和專業(yè)知識 本次設計運 用了機械設計 材料力學 理論力學 機械制圖等一系列知識 而且也查閱了許 多相關知識的書籍和期刊 從中獲取了寶貴的實際經驗 這經驗對我的設計起到 了至關重要的作用 通過理論與實踐的結合 使我對所學知識有了更深的認識 理解和運用 但是其中也有喝多不足之處 比如說 伸縮桿的導向定距機構還存在很大問 題 工作時間一旦變長 圓錐銷就會產生滑落 同時汽缸由于裸露在外 汽缸內 容易進入灰塵沙粒等雜物 會影響汽缸的作業(yè)效率和整個汽缸的使用壽命 同時 氣流控制閥也是完全采用氣動射釘槍的工作原理 未能再做出自己的創(chuàng)新部分 這是整個設計中存在的最大的缺陷 總的來說 本次設計任務很重 其中有大量的繪圖和結構的設計 通過這一 設計實踐 我感到自己在這方面仍存在許多不足之處 因此著手設計時 必須從 實際情況出發(fā) 力求設計出結構簡單 工作可靠 成本低 效率高 操作簡單 維修方便的伸縮型氣動高枝剪 這是以后我學習的方向 也是結合生產實際的重 要手段 南京 林業(yè) 大學畢 業(yè)設 計說明 書 28 9 致謝 時至今日 我的畢業(yè)設計就要結束了 在這不到四個月的時間了 我學到 了許多東西 從最初開始選題到初次見老師 我完全不知道我的課題該是什么樣 的 我該做些什么 甚至老師叫我們用一個寒假的時間去看文獻 我都沒有耐下 心來認真看文章 直到這學期伊始 當我們真正進入設計的時候 我才開始真正 的一籌莫展 剛開始的幾個星期 我很是茫然 不知道突破點在哪里 總是一會 做這個 一會做那個 沒有進展 我主動向商老師提出了我的困惑 希望能給我 一定的指導 商老師確實很負責 有問必答 讓我看到了成功的曙光 這才讓我 的初步思維形成 一步一步的開展設計工作 我一向堅信船到橋頭自然直 所以 在我沒有進展的時候 我會找老師談談 或者進下心來看看別人做的類型的東西 在得到啟發(fā)的時候繼續(xù)我的工作 隨著時間的流逝 我的畢業(yè)設計也將要結束了 但這不是真正意義上的結束 后面還要經過答辯老師的提問才能結束我的畢業(yè)設 計 在設計的過程中 我沒有考慮裝配的過程 所以有些部件裝起來可能有點困 難 這在我畫總裝圖的時候有對之前的設計進行了適當的修改 即使是這樣 那 個回轉驅動裝置還是稍顯大 但能起到它該有的作用 也能進行安裝 希望后人 在這方面的設計可以更進一步 能使體積再減小一些 畢業(yè)設計是辛苦的 但這樣的辛苦卻能給我?guī)砟蟮男腋?好多問題 我 沒有學過 但卻自己想辦法弄明白了原理過程 正像商老師說過的 現在不搞清 楚這個問題 以后還指望什么時候去搞明白呢 畢業(yè)設計是大學的最后一堂課 也是最重要的一課 無論是誰 都會從中受益匪淺 同時 大學四年里各位老師的深深教誨也是我完成這份畢業(yè)設計的最大助 力 南京 林業(yè) 大學畢 業(yè)設 計說明 書 29 參 考 文 獻 1 郭輝 韓長杰 氣動果樹剪枝機的設計與研究 J 農機化研究 2009 1 1 1 1 148 149 2 李鳳鳴 邢 碩 氣動果樹剪枝機研發(fā)方向的探討 J 林業(yè)機械與木工設 備 201 1 1 1 1 1 3 QJG 4Q 氣動果樹剪枝機通過科技成果鑒定 J 農業(yè)大學學報 2010 3 4 張利平等編著 液壓氣動技術速查手冊 M 北京 化學工業(yè)出版社 2007 5 李鳳鳴 一種氣動剪枝機 J 林業(yè)實用技術 2008 8 8 蕌 6 陳建棟 果樹氣動剪枝機工作原理及現狀 J 農業(yè)機械 2008年第25期 7 金建華 介紹新工具 高枝剪 J 農村百事通 1997年第四期 8 劉延俊 關浩 周德繁主編 液壓與氣動傳動 M 北京 高等教育出版社 2009 5 9 方文熙 GZJ 25 高枝剪 J 福建農機 1998 年第四期 10 Yung Yung Sun PNEMATIC PRUNING HOOK WI TH A TELESCOPICSHANK p 美 國專利 6 901665B2 2005 06 07 11 Campagnola Company F 4 EB OL http www campagnola it 2008 05 22 12 SMC 中國 有限公司 現代實用氣動技術 2 版 M 北京 機械工業(yè)出版 社 2003 10 13 百度文庫 14 機械設計手冊編委會主編 機械設計手冊 氣壓傳動與控制 第 4 版 M 北 京 機械工業(yè)出版社 2001 2 15 Lu Huaimin Yu Zunbo Liu Jinhao A study of branch scissors J Journal of Forestry Researeh 1997 6 125 126 16 朱龍根 簡明機械零件設 計手冊 M 北京 機械工業(yè)出版社 1997 11 17 陳恒慶 陳淼 簡明鋼材圖冊 M 中國標準出版社 1994 2 18 商慶清 鄭梅生 柴鐵生 工程圖學 M 科學技 術文獻出版社 2005 10 19 朱梅 基于機械手的全氣動或者電氣動控制設計 J 液壓與氣動 2004 1 南京 林業(yè) 大學畢 業(yè)設 計說明 書 30 附錄 序 號 名 稱 大 小 GZJ 00 氣動高枝剪裝配圖 0 號圖紙 GZJ 07 汽缸與伸縮桿連接件零件圖 4 號圖紙 GZJ 18 QGA 型汽缸 3 號圖紙 GZJ 20 連接桿 1 3 號圖紙 GZJ 23 壓縮彈 簧 4 號圖紙 GZJ 21 連接桿 2 3 號圖紙 GZJ 02 剪刀支撐架 3 號圖紙 GZJ 4 伸縮桿上段 3 號圖紙 GZJ 15 伸縮桿下段 3 號圖紙 GZJ 01 剪刀定 刀 4 號圖紙 GZJ 27 剪刀動 刀 4 號圖紙 有 0 號圖紙 1 張 3 號圖紙 6 張 4 號圖紙 4 張 共計 0 號圖紙 2 75 張