气动二级伸缩高枝剪设计(毕业设计).doc
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本科生毕业论文（设计）
题目气动二级伸缩高枝剪设计
学院机电工程学院
专业班级
学生姓名
指导教师
撰写日期：
2014年5月18日
摘要
本次毕业设计是关于气动高枝剪的设计。
随着我国退耕还林的力度逐渐加大，为了减轻农户修剪树枝的劳动强度，设计了一种新型气动果树剪枝机。
该机结构简单、质量轻，伸缩连接杆可以扩大该机的作业范围，该剪枝机主要由气缸、伸缩锁定机构、导向定距机构、刀片、连杆组成。
该课题的主要内容为气动高枝剪简介及国内外研究现状、气动技术在果树修枝剪中的应用、气缸的选择、导向定距构件的设计、锁紧定位装置的设计、动高枝剪的具体工作过程。
该机能够修剪直径在30mm以下的各种果树枝条的修剪作业，作业质量完全符合农艺要求。
关键词：
气缸；伸缩锁定机构；导向定距机构；
PneumaticHighBranchesScissorsDesign
Abstract
Thegraduationdesignisthedesignofpneumatichighbranchesscissors.Alongwithourcountrythestrengthoffarmlandincreasegradually，inordertoreducethelaborintensitypruningbranchesfarmers，designakindofnewpneumaticfruittreesprunedmachine.Thismachinestructureissimple，lightquality，telescopiclinkrodcanexpandthescopeoftheoperation，thispruningmachineismainlybycylinder，telescopiclockingmechanism，guidespacerinstitutions，knives，connectingrodcomposition.Thistopicismaincontentpneumatichighbranchesscissorsprofileandtheresearchsituation，pneumatictechnologyapplicationinfruitpruningshears,cylinderselection,guidespacercomponentdesign,lockpositioningdevicedesign,movethespecificworkprocessthemcut.Thismachinecantrimbelowthe30mmindiameteroffruittreebranchescliphomework,operatingqualitycomplieswithagriculturaldemands.
Keywords:
Cylinder；Telescopiclockingmechanism；Orientedspacerinstitutions
目录
1引言 1
2气动高枝剪简介及国内外研究现状 1
2.1气动高枝剪简介 1
2.2国内外气动剪枝机厂商及代表产品介绍 2
3气动技术在果树修枝剪中的应用 4
3.1单作用气缸与传统气动修枝剪原理 4
3.2串联气缸与新型气动修枝剪原理 5
4气动高枝剪的设计 6
4.1气缸的选择 6
4.1.1气缸理论输出拉力计算 6
4.1.2气缸直径的计算 7
4.1.3验算所选气缸 9
4.1.4气缸耗气量的计算 10
4.2导向定距构件的设计 11
4.3锁紧定位装置的设计 12
5气动高枝剪的具体工作过程 13
6结语 15
参考文献 16
致谢 17
4
1引言
果树的修剪是各种水果生产中的一个重要环节，它关系到树木的长势，水果的产量以及质量的高低。
目前，国内的果树修枝工作基本上靠人工使用手动修枝剪和手锯来完成，尤其是对于比较高的树枝，修剪时需要登梯作业。
这种方式劳动强度大、效率低，而且还具有一定的危险性。
为了改变这种落后的生产方式，设计了一种气动果树修枝剪。
本课题设计的果枝剪采用了气动技术，气缸是气动技术中最基础的组件之一，它将压缩空气的动力转换为机械作用力，是气动技术中使用最多的执行组件。
根据使用条件不同，其结构、形状也有多种形式。
最常用的分类就是根据作用力的方向将其分为单作用气缸和双作用气缸。
果树修枝剪是果树剪枝作业中最常用的工具。
由于果林修枝作业时间集中，劳动强度大，人们发明了动力修枝机具。
气动修枝剪就是气动技术应用在果林修枝领域的新产品。
气动修枝剪以其省力、高效、耐用等特点在欧美发达国家得到广泛应用，近年来我国也有部分地区引进、推广和应用。
随着气缸技术的发展，气动修枝剪也在不断的应用新的气动技术。
从传统的气动修枝剪到新型的气动修枝剪，朝着轻便、强劲、操作舒适等方向发展。
本论文就气动技术在气动修枝剪中的应用进行简要论述。
本课题研究的气动高枝剪是一种伸缩型气动修枝剪，包括由剪刀片和剪架体构成的剪刀机构，其中：
一相互套叠可伸缩的内管和外管，内管前端装置剪刀机构，外管前端装置锁紧定位装置，外管的后端装置动力源，即气缸，气缸的活塞与一贯穿于伸缩杆内的操纵连杆的一端固装，该操纵连杆的另一端与剪刀机构的驱动臂连接。
一导向定距构件紧配合装置在内管里，该机构具有借由固定板固装在下连杆上的导向套，导向套上留有引导锁紧定位装置上的定位销定向滑动的导向槽，可受锁紧定位装置上的定位销触压的弹簧片和下连杆依次固装在固定板上，紧固弹簧片和下连杆的紧固件凸伸形成定位销，与上连杆的定位孔配合实现连杆锁定。
2气动高枝剪简介及国内外研究现状
2.1气动高枝剪简介
林果业迅速的发展，带动了农村经济的发展，给农民奔小康增加了一条路。
但是，目前果树管理基本上处于人工操作，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20～30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。
应用气动剪枝机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。
该设备主要包括动力源部分、工作件部分及配套附件。
其中动力源部分由汽油机及压缩气泵组成，额定输工作部件有气动低枝剪、气动高枝剪、气动低枝剪、气动割灌机、气动绿篱修剪机、气动油锯等。
低枝剪重量为550～790g，可剪直径0～30mm的所有枝条；高枝剪重2000g，可剪直径0-30mm的所有枝条，剪枝高度可达4m；绿篱修剪机重3800g，剪幅为550ram；油锯重200％，可锯直径200mm以下的枝干；害灌机重2800g，各种工作部件所需工作气压均为1.0MP。
附件包括高压输气管及快速接头,每根高压输气管长30m，可使操作者持工作部件远离动力气源进行灵活作业，所有操作只需轻轻按动控制手柄在瞬间完成。
气动剪枝机能够剪各类不同树种、树龄的果树，剪枝质量达到和超过人工剪枝质量，工效提高1.21～1.77倍；对树龄长、树干较高、树枝较粗的果树剪枝时，生产成本低于人工剪枝成本；对剪枝量少，尤其是大枝剪量较少的果树剪枝时，修剪成本与人工剪枝成本相当。
气动剪枝技术有广泛的推广应用前景。
2.2国内外气动剪枝机厂商及代表产品介绍
气动剪枝机属于气动工具技术领域，国外由于气动技术发展较早，其应用与使用很广泛，欧美、日本都已出现了较为成熟的产品和厂商。
我国的气动技术发展较晚，设计和制造技术水准与国外还有较大的差距，目前只有在我国台湾地区，气动剪枝机有一定的生产和应用。
国内外较为著名的厂商主要有意大利CAMPAGNOLA公司、瑞士FELCO公司、日本的ARS公司及我国台湾省的郁馨公司等。
（1）意大利CAMPAGNOLA公司及其产品。
该公司位于意大利博洛尼亚，成立于1958年，是全世界著名的农业修枝和收获类气动和电动工具生产商。
该公司的主要产品有MC、FALCON、LION、TIGER系列气泵，F系列及Star系列气动剪。
以下是该公司部分代表产品。
MC系列汽油空气压缩机，该系列空气压缩机主要包括MC820型手推式和MC520型机动式。
该系列机型的发动机和气泵安装在带有减振功能的底盘上，配备标准型或园林型充气轮胎，这样能使其在果园崎岖的路面上平稳移动。
该系列机型配备有专门的气动节流阀控制装置，当气量消耗大时，发动机运转加快；当耗气量少时，发动机转速降低。
这样可以节省燃油，减少机器磨损、尾气排放和降低噪声。
此外，该机型还配有气动安全阀。
MC520型由自动驱动行走系统驱动2个行走轮。
Falcon系列汽油空气压缩机，该系列主要包括手推式和机动式两种。
他们配有气动自调节控制装置，该装置使引擎充气时才加速运转，可以节油和减少部件磨损。
机体有ABS塑料机盖保护引擎，可避免操作者受伤。
整机轻巧、坚固，推荐用于任何场合。
手推式有260、450、520型等规格，其尺寸较小，而且手柄可拆卸。
F、Star系列气动剪。
F系列气动剪主要有F/4型低枝剪和F/6U型高枝剪。
F/4型低枝剪坚固耐用，强劲有力，操作省力，最大剪切直径可达35mm,适合长时间剪枝工作。
另外，它可以配套加长杆，作为高枝剪使用。
F/6U型高枝剪和Star系列高枝剪一样，是CAMPAGNOLA公司最强劲有力的气动剪，最大剪枝直径达50mm。
它们是“双操作”气动剪，剪刀的开和合都需要按下操纵杆。
Star系列气动剪是CAMPAGNOLA公司的主打产品，主要有Star35、Star30V/F/TB、SuperStar2、BlackStar及Star50等型号。
该系类产品的剪刀均有经热处理的不锈钢制造，适合于持久剪枝作业。
Star35型是传统的单活塞气动剪，但其剪切能力出众。
它对剪刀的推力可达2.12KN，每秒可迅速剪切3次，非常适合剪切难度高的场合。
Star30型气动高枝剪是新型的双活塞气动剪，它对剪刀的推力可达1.85KN，剪刀运动频率可达2次/s。
双活塞系统在保证大推力的同时减少了活塞的直径，其手握部分直径只有42mm,操作舒适性大大增加。
根据适用范围有V/F/TB3种刀头，V型适用于葡萄园，F型适用于果园，TB适用于砧木。
BlackStar型是理想的适用于任何修剪操作的气动剪。
它主要特点是剪切速度快，刀头和剪体同轴，维护简单。
它的阀体由镁合金制造，有利于热交换，在冬季可防止压缩水汽结冰。
SuperStar2P/5具有BlackStar型所有的特点，其剪切速度快，活塞与刀头同轴，维护简单。
此外，设计有防结冰阀，活塞杆防护装置采用密封设计，可以全面保护内部部件。
可加装加长杆，可以不用梯子就能修剪5m高的树枝。
Star50型是F/6U型的改进型。
新型的不锈钢刀头组合使其剪切能力更出众，最大剪切直径达50mm；可配套各种长度的加长杆。
（2）瑞士FELCO公司及产品。
FELCO公司是专业的修枝剪及附件工具生产商，1974年生产出气动剪枝剪。
其气动剪代表产品型号是FELCO70型，其特点是采用双活塞设计，剪枝直径更大，可达30mm。
推荐用于密集、长时间修剪作业，尤其适用于修剪坚硬树木。
FELCO型气动剪有两套安全系统，主动安全系统以及被动系统安全系统，气剪头可以圆周旋转。
3气动技术在果树修枝剪中的应用
气缸是气动技术中最基础的组件之一，它将压缩空气的动力转换为机械作用力，是气动技术中使用最多的执行组件。
根据使用条件不同，其结构、形状也有多种形式。
最常用的分类就是根据作用力的方向将其分为单作用气缸和双作用气缸。
3.1单作用气缸与传统气动修枝剪原理
单作用气缸是气缸中较为基础的元件，它只有一个方向的运动是靠气压传动，活塞的复位是靠弹簧力或自重或其他外力。
其原理如图3—1所示。
图3—1单作用气缸简图
传统的气动修枝剪的工作原理就是一个靠弹簧力复位的单作用气缸。
活塞杆推动的是剪刀组件中的动刀运动，与定刀咬合，完成剪切动作。
气动修枝剪作为一个手动控制的气动工具，要求操作简单方便，如果使用双作用气缸，则需要两根进气管，会增加操作麻烦。
事实上，修剪作业只是在剪切时需要较大的力量，在回位时不需要多大的力量，因此，单作用气缸完全能够满足要求。
图3—2a）所示的是传统气动剪的结构和组成。
其工作原理如下：
当开关阀2（单向阀）按下时，压缩空气由气接头12进入，推动内置的活塞11运动，动力由活塞杆9传递给剪刀组件中的动刀5，动刀5和定刀6咬合完成剪切树枝动作，动作结束后，由回位弹簧8将活塞11顶回初始位置，并带动动刀6回位，无杆腔内空气从开关阀2的出气口排除。
该类气动剪的代表就是如图3—2b）所示的意大利某公司的F/4型传统气动修枝剪，该剪重量仅为790g，最高工作压力为1.0MPa，最大剪切直径可达35mm，耗气量为80L/min。
该类型的气动修枝剪为了增大推力，以能够达到最大剪切直径，在使用压力最高时，只能增加气缸活塞直径，就导致气动修枝剪手柄处直径加大，从而使人手操作不便。
另外，该类型的气动修枝剪在使用时对手臂有较大的反冲作用力，使操作者容易疲劳。
为了解决这些问题，出现了新型气动修枝剪。
图3—2气动剪结构图
3.2串联气缸与新型气动修枝剪原理
新型气动修枝剪采用串联气缸工作原理，在同样气缸直径的情况下可以增加输出推力，这对于手握式（手握直径有限，普通人的最大手握直径在50～60mm）的气动修枝剪而言是非常重要的。
串联型气缸也可称为倍力型气缸。
它是两个或多个单杆双作用气缸串联在一起，且两个或多个活塞串联在一根活塞杆上，其输出推力为单个气缸的两倍或多倍，从而达到使用小缸径而获得较大输出推力的效果，常用于气动压力机上或要求输出推力较大，且安装空间较小，不能增加气缸缸径，又允许增长缸体长度的场合，如图3—3。
图3—3串联气缸简图
该类型的气动修枝剪的代表是瑞士某公司的F70气动剪（图3—4a）。
其工作压力0.7～1.5MPa，长度260mm，重量710g，最大剪切直径30mm，耗气量24—50L/min。
与上述数据同样重要的是其手柄处直径仅为42mm（要达到同样的推力，传统型气动剪手柄直径在55mm以上），还减小了气缸作用时对手臂的反冲力，大大增加了操作舒适度。
图3—4F70气动修枝剪
该气动剪的内部结构虽然采用串联气缸工作原理，但又有所不同。
它由一个单作用气缸和一个弹簧复位的单作用气缸串联而成（如图3—4b）。
它有两个进气口（两个进气口在内部相通），两个气缸的复位均是靠弹簧力，这样它仍然只需一根进气管，保持了操作便利性。
另外，它在结构上将排气口设计在剪刀后侧，一定程度上也减小了反冲力。
4气动高枝剪的设计
4.1气缸的选择
4.1.1气缸理论输出拉力计算
取树枝的直径，树枝的许用剪切强度
则树枝的截面面积为
则许用剪切力为
剪刀的的受力如下图4—1所示
图4—1剪刀的受力
图中—气缸的理论输出拉力；
—定刀片产生的支撑力；
—动刀片产生的剪切力；
—动刀片的动力臂；
—动刀片的阻力臂；
由图可知
由力矩平衡公式
式中，，，代入式中得
4.1.2气缸直径的计算
气缸的理论拉力为
式中F—气缸的理论拉力；
—气缸的理论输出力，即作用于动剪刀刀柄上的力
—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=0.85。
由上式，则气缸的理论拉力为
由于该剪枝机使用的是单作用气缸，因此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所产生的推力来说较小，在气缸工作时将其阻力忽略不计，这样气缸的理论拉力为
式中D—气缸缸径；
p—气缸工作压力，取p=1.0MPa；
—气缸的机械效率，一般在0.7—0.95，随着缸径的增加，机械效率也有所提高，因此选择。
则单作用气缸直径为
由,查《机械设计手册/气压传动与控制》表24.2—32，选取QGAⅡ系列气缸，型号为QGAⅡ50×120M
与该型气缸所连接的气阀如下图4—2所示
图4—2气阀结构简图
当压下手柄后，接口A、P相通，压缩气体从P口进入，然后由A口进入气缸。
当松开手柄时，则气阀回复常态，接口A、P不通。
4.1.3验算所选气缸
计算剪枝切削力，气缸理论拉力为
式中D—气缸的直径，D=50mm；
d—活塞杆的直径，d=20mm；
p—气缸工作压力，取p=1.0MPa；
—气缸的机械效率，一般在0.7—0.95，随着缸径的增加，机械效率也有所提
高，因此选择
气缸的理论拉力为
式中F—气缸的理论拉力；
—气缸的理论输出力，即作用于动剪刀刀柄上的力
—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=0.85。
由上式，则气缸的理论输出拉力为
由力矩平衡公式
式中—气缸的理论输出拉力，；
—动刀片产生的剪切力；
—动刀片的动力臂，；
—动刀片的阻力臂，；
—与垂直于上的分力之间的夹角，
则代入得，动刀片产生的剪切力为
则,
计算表明，选用该类型气缸能把直径为30mm以下的树枝剪断。
4.1.4气缸耗气量的计算
为了给系统配备合适的气源，需要对气缸的耗气量进行计算。
气缸空载时的运动速度最快，此时其耗气量也最大。
气缸耗气量为
式中D—缸径，D=50mm；
d—杆径，由于气缸为单作用气缸，取d=20mm；
L—气缸行程，气缸设计行程，L=120mm；
P—工作压力，P=1.0MPa；
—气缸的容积效率，通常取0.9—0.95，取
t—气缸一次往复行程所需的时间，包括气缸的充气时间和放气时间。
气缸充气时间为
气缸放气时间为
式中—充气前气缸内气体的初始绝对压力，充气前气缸内气压为大气压力，
—气源的绝对压力，；
t—充气、放气的时间常数（s）；
V—气缸的容积，；
k—绝热系数，k=1.4
S—充气的有效截面积，；
—气源绝对温度，取；
—放气前气缸内的初始绝对压力，；
—放气临界绝对压力，一般情况下取
气缸在工作时需要考虑到操作人员的操作反应时间，根据试验测算得出一个熟练工人使用该型剪枝机在修剪树枝时的平均修剪速度大约为4.5s修剪一次，气缸运动的速度大于人工修剪的速度，因此在计算气缸的耗气量时取。
求得气缸工作时的最大耗气量为
这样就可根据实际工作时配备剪枝机的个数选择合适的空气压缩机进行配套。
4.2导向定距构件的设计
如下图4—2、4—3所示，导向定距构件紧配合装置在内管里，该构件具有借由固定板14固装在下钢条2上的导向套5，导向套上留有引导锁紧定位装置上的定位销4定向滑动的导向槽，可受锁紧定位装置上的定位销4触压弹簧片和下钢条2依次固装在固定板14上，紧固弹簧片和下钢条2的紧固件凸伸形成定位销，与上钢条6的定位孔配合实现连杆锁定。
图4—3导向定距构件
图4—2俯视图
4.3锁紧定位装置的设计
如下图4—4、4—5所示的锁紧定位装置，该锁紧定位装置由锁紧套15、一对压把19、压把19上装置的定位销4构成，所述锁紧套15的内径与外管的外径相匹配，锁紧套15能套在外管上，该外管的锁紧套套合区设置可容置双定位销的定位孔和固定锁紧套的外管装配孔，其直径与内管的外径相符合，在锁紧套15的两侧对开槽口，沿着所述的槽口的各侧边对称设置装配锁紧套15的第一对侧耳、安装板把的第二对侧耳，借第二对侧耳通过枢轴将一对压把19，分别装于前述对称设置的槽口间，在枢轴上装有拨簧，所述的压把的前端留有豁口，形成两个平行伸设的小臂，该小臂间通过枢轴安装定位销4，锁紧套15的第一对侧耳一端设置插接槽，借由此插接槽可插入定位插件，该定位插件上面凸设装配孔，下面凸设定位凸起，该定位插件插入第一对侧耳间，定位插件的凸起卡置在外管装配孔里，所述的定位凸起借由定位插件的装配孔和第一对侧耳上的装配孔固装。
图4—4俯视图
图4—5伸缩锁定机构
5气动高枝剪的具体工作过程
伸缩型气动高枝剪如下图5—1、5—2所示
图5—2整体结构图
图5—1俯视图
如上图所示，该伸缩型气动高枝剪主要包括气缸、伸缩锁定构件、导向定距构件、剪刀等部分组成。
具体实施方式是，压缩空气由气接头进入气缸23，压缩空气推动活塞运动，动力由活塞杆传递给下钢条2，下钢条2与上钢条6通过锁紧定位装置和导向定距构件实现定位连接，从而上钢条6通过上连件7驱动动刀8运动，动刀8和定刀9咬合，将果枝剪断，完成剪切操作。
动作结束后，由气缸23里面的回位弹簧将活塞顶回初始位置，并带动动刀8回位。
当压下锁紧定位装置上的两个压把19时，导向定距构件上的弹簧18将上钢条6弹起，然后拉伸上连杆25实现高枝剪的伸缩，扩大工作的范围。
6结语
本课题——伸缩型气动高枝剪的设计，其说明书的编写终于完成。
经过近两个月的毕业设计，我系统的熟悉并亲自设计。
由于以前并未接触过此类设计，在设计过程中遇到了相当多的困难，包括设计理念、思路和设计方法等很多方面，不过在自己艰苦探索和老师的细心指导下，终于一步一步克服了重重困难，正是在不断的探索过程中，学会了许多宝贵的知识。
本文设计的气动高枝剪采用了可有级调节的伸缩杆，则可调节高枝剪连杆的长度，解决了修剪比较高果枝的问题，结构简单，使用方便。
且采用气缸作为动力源，省力，减轻了果农的劳动强度。
但也有不足之处，例如，伸缩锁定机构和导向定距构件结构复杂，有待进一步改善。
在这次设计中，我系统地练习运用了大学四年所学的基础课程和专业知识。
本次设计运用了机械设计、材料力学、理论力学、机械制图等一系列知识。
而且也查阅了许多相关知识的书籍和期刊，从中获取了宝贵的实际经验。
这经验对我的设计起到了至关重要的作用。
通过理论与实践的结合，使我对所学知识有了更深的认识、理解和运用。
总的来说，本次设计任务很重，其中有大量的绘图和结构的设计。
通过这一设计实践，我感到自己在这方面仍存在许多不足之处。
因此着手设计时，必须从实际情况出发，力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率高、操作简单、维修方便的伸缩型气动高枝剪。
参考文献
[1]郭辉，韩长杰.气
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