一種樹木涂白機械的設計與分析

李海超， 袁偉， 劉曉飛， 汪燁， 丁定成， 林兆海

（上海電機學院機械學院，上海200245）

0 引言

城市綠化是當今環保的一項重要內容，而樹木是綠化的先鋒。為了保證樹木的成活率，在樹干上涂刷石灰是必要的。一座城市每年樹木涂白所要投入的人力和物力將是一筆不小的開銷，而且工作人員要進行大量重復的勞作。手工涂白工作煩瑣、工作效率低、勞動強度較大，投入這么大的人力物力，但由于在人工進行樹木涂白時，涂白質量也無法統一，而導致工作效果又不怎么明顯，對于我們現在科技發達、機械化的現代社會，用一臺機器來代替這所有的工作，不僅會大大減輕人們的工作負擔，而且節省大量的人力資源。

1 樹木涂白機械的總體設計原理

在手推車上放置一個盛有石灰水的容器，為了防止石灰水凝固，在其上加入攪拌裝置，在容器的前端開有通孔，接有軟管，與輸出泵入口相接，將軟管另一端固定在機械手臂的內槽，并且軟管中間平面以下均勻開有小孔；機械手臂通過絲杠螺母機構運動到指定工作位置，在輸出泵的液壓力作用下將石灰水通過軟管小孔噴出，通過調節輸出泵功率來調節噴涂流量大小，其結構如圖1所示。

2 組成部件

1）機械手臂作為執行部件是本機械的核心，采用一對半圓形的夾子結構，其主要運動方案是通過齒輪杠桿式機械結構（詳見傳動機構）帶動機械夾子，以實現其張開與閉合。同時為了適應不同粗細樹木的噴刷工作，使其具有更為廣泛的實際應用價值，根據目前常見樹種及其不同時期的直徑，設計了3種尺寸的機械夾子，分別為350 mm、550 mm、750 mm；同時為了實現快速互換機械夾子，將夾子與機械手臂之間采用型面連接，并且做了可靠性校核，滿足要求。由于機械手臂主要是傳遞運動，受力較小，為了降低成本，同時減輕裝置整體質量，采用工程塑料，這種塑料能承受一定外力作用，具有良好的機械性能和耐高、低溫性能，尺寸穩定性較好。其結構如圖2、圖3所示。

圖1 整體裝配圖

圖2 機械手臂

圖3 機械手臂簡圖

2）傳動機構。工作臺的上下運動，主要是依靠電機驅動絲杠螺母導軌上下運動，同時為了自鎖功能，采用單向超越離合器，結構如圖4所示。當螺母因為自重下滑，試圖讓星輪逆轉時，因為電機停止，外圈不會動，給滾柱反作用力，滾柱會被卡住，星輪以及用鍵與星輪連接的絲杠就不能逆轉）。工作臺的左右運動，這里我們也采用絲杠螺母運動機構來進行傳動（見圖5）。機械手臂末端執行器采用齒輪杠桿式手部，驅動桿末端制成雙面齒條，與扇齒輪相嚙合，而扇齒輪與機械夾子連接在一起，可繞支點回轉，驅動力推動齒條作直線往復運動，即可帶動扇齒輪回轉。從而實現機械夾子的開合。這種機械手部開合角較大，滿足設計要求。

圖4 單向超越離合器

圖5 工作臺

動力系統：為便于長期連續使用，采用柴油機驅動，輸出功率為7.5 kW，配合離合器和變速箱使用;因為石灰水具有腐蝕性，輸出泵為特質高強度耐酸堿，輸出功率為5 kW；為了使液固流體保持懸浮狀態并順利輸出，加入攪拌裝置。

圖6 石灰水輸送系統

3 樹木涂白機械的工作過程

參考圖 7（a）～圖 7（e），第 1 步：主工作臺上升到預定涂白高度；第2步：機械手臂前伸至樹前，在電機的帶動下張開120°；第3步：機械手臂閉合；第4步：液壓泵工作，同時機械手臂下降；第5步：至樹底，機械手臂松開，機械手臂自動上升到涂白高度；第6步：推動下車至下一樹前，重復第3步～第5步。

圖7 工作簡圖

4 應力應變分析

機械手臂主要采用高強度塑料，質量較輕，對強度要求不高，故不進行應力應變分析，而全部裝置都安裝在手推車上，且手推車需進行長時間拖動，所以對小車進行有限元分析，結果如圖8所示。

圖8

圖9 工作范圍示意圖

通過對結果分析，在小車中間部位應力集中且較大，變形量也較大，長時間使用將使小車面板壓彎，破壞機械正常工作條件，影響機械精確度，使機械達到預期使用壽命。

由上述結果分析，在小車底部加入肋板結構，增強其強度，剛度，和穩定性。

5 工作情況分析

噴射壓力：5～7 MPa；有效噴射角：120°；噴射半徑：300～500 mm；噴射流量：200～300 mL/s。

6 對比試驗

在制造出樣機后，我們進行了與傳統手工涂刷方式的對比試驗，實驗采取分組制，并且考慮了兩種直徑的樹木，實驗結果如表1所示，通過對比兩種涂白方式的用時，可以看出，機械涂白的方式確實大大提高了效率，并且對于直徑越大的樹木越明顯；此外在噴涂質量上較人工有大的提高，如圖10所示，基本達到全覆蓋，體現了機械裝置較人工高效率與高質量并存的特點。

圖10 手工涂白與機械涂白的效果比較

表1

7 結語

涂白機的研制很好地實現了樹木涂白的機械化，使傳統的勞動強度大、任務繁重、工作效率低的涂白方式轉變為低勞動強度、操作簡便、高效率的機械涂白方式。經項目實驗證明，機械噴涂方式涂白與人工涂刷方式涂白相比，平均每株樹木的涂白速度提高了約10倍，每株樹木節約成本約30%，具有廣闊的前景。

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