多功能組合式桑樹剪伐機(jī)關(guān)鍵裝置完善及優(yōu)化

劉　健，王　川，代君君，范　濤

(安徽省農(nóng)科院 a.蠶桑研究所，合肥　230061；b.農(nóng)業(yè)工程研究所，合肥　230031)

0　引言

近年來，隨著桑蠶業(yè)的發(fā)展，與之相配套的桑蠶生產(chǎn)設(shè)備不斷涌現(xiàn)，無論從蠶種培育、桑葉質(zhì)量還是從桑園、桑樹綜合管理等方面都加大了投入與研發(fā)力度。針對(duì)目前市場(chǎng)及行業(yè)桑樹剪伐設(shè)備的機(jī)械化、單一化及創(chuàng)新性不足等弊端，在分析相關(guān)剪伐機(jī)組件、功能及最終作業(yè)效果的影響基礎(chǔ)上，通過對(duì)比液動(dòng)、氣動(dòng)、電動(dòng)等動(dòng)力源的使用效率，選取農(nóng)用汽油機(jī)作為此次剪伐機(jī)改進(jìn)的配套動(dòng)力裝置。同時(shí)，按照不同作業(yè)場(chǎng)景的作業(yè)要求，將剪伐機(jī)各關(guān)鍵裝置(如圓盤式伐條機(jī)、鏈條鋸和剪稍機(jī)等具體部件)進(jìn)行功能性組合，并對(duì)各部件的關(guān)鍵控制、關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)進(jìn)行闡述，為更好地完成桑樹的整枝、修拳及剪稍等相關(guān)技術(shù)性工作，以及后續(xù)桑樹培育、桑葉利用、桑蠶養(yǎng)殖和桑蠶業(yè)向現(xiàn)代經(jīng)營(yíng)化、專業(yè)化發(fā)展提供一定的借鑒。

1　桑樹剪伐機(jī)整機(jī)闡述

桑樹剪伐機(jī)的主要裝置由配套動(dòng)力源、傳動(dòng)與連接裝置、關(guān)鍵動(dòng)作控制裝置、實(shí)際操作剪伐工作裝置和必要的安全裝置等5部分組成。為達(dá)到高質(zhì)量桑枝修剪的目標(biāo)，本文采用農(nóng)用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，將各個(gè)具體的工作裝置進(jìn)行不同組合：

1)利用圓盤式伐條機(jī)，快速伐去桑拳上的殘余枝條；

2)利用鏈條形狀鋸快速鋸掉桑樹枯樁死拳；

3)利用剪稍機(jī)快速剪去梢頭等。

剪伐機(jī)動(dòng)力裝置參數(shù)選取與供應(yīng)是源動(dòng)力的關(guān)鍵，其外觀圖如圖1所示。為了保證伐去多余及殘老枝條，應(yīng)注重汽油機(jī)的油泵功率及控制閥的信號(hào)匹配等，同時(shí)考慮剪伐機(jī)應(yīng)用于不同場(chǎng)合，達(dá)到使用期限的最大化。剪伐機(jī)的控制與安全裝置必不可少，其外觀如圖2所示。桑樹枝條剪伐過程中，剪伐力度與剪伐速度的控制是實(shí)現(xiàn)順利剪伐的主要控制指標(biāo)，油門與保險(xiǎn)開關(guān)合理配合，并通過控制線控制剪伐機(jī)的轉(zhuǎn)速；出現(xiàn)不可控狀況時(shí)，啟用脫鉤式安全裝置，及時(shí)停止剪伐機(jī)作業(yè)。

圖1　剪伐機(jī)動(dòng)力裝置外觀圖

圖2　剪伐機(jī)控制與安全裝置外觀圖

多功能組合式剪伐機(jī)整機(jī)工作時(shí)，通過源動(dòng)力、傳遞、控制、刀具進(jìn)行實(shí)體作業(yè)和不同形狀切換。理論模型可描述為彈性體相關(guān)動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程，即

(1)

式中[M]—節(jié)點(diǎn)載荷的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和；

[C] —節(jié)點(diǎn)載荷的結(jié)構(gòu)阻尼和；

[K] —節(jié)點(diǎn)載荷的結(jié)構(gòu)剛度和；

{F(t)} —載荷函數(shù)；

{u}—節(jié)點(diǎn)位移。

桑樹枝條在被剪伐裝置進(jìn)行剪切作業(yè)時(shí)(見圖3)存在以下受力關(guān)系，即

F·cosω>N·sinω

(2)

F=μ·N

(3)

式(3)帶入式(2)得

μ·N·cosω>N·sinω

μ>tanω

(4)

式中N—剪伐接觸點(diǎn)作用于枝條的法線方向反作用力；

F—剪伐接觸點(diǎn)處刀具作用于枝條的摩擦力；

ω—剪伐切入角；

μ—剪伐接觸點(diǎn)處刀具與枝條之間的接觸摩擦力。

2　關(guān)鍵裝置完善與優(yōu)化

2.1　伐條裝置

主要伐條裝置采用圓盤鋸，其外觀圖如圖4所示。圓盤鋸的刀片材料選用、相配套的圓盤鋸防護(hù)套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與作業(yè)過程中切割剪伐部位靈活變動(dòng)等是實(shí)現(xiàn)桑樹枝條快速剪伐的制約因素。鋸片直徑的選取及在進(jìn)給過程中與蠶桑枝條相互嚙合的吻合程度、切割截面和切割效率是衡量這一裝置優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。

圖3　剪伐中的鋸切與滑切示意圖

圖4　剪伐機(jī)圓盤伐條裝置外觀圖

建議選取可分離式防護(hù)罩，分為主、副防護(hù)罩，在圓盤鋸齒刀片保證使用質(zhì)量的基礎(chǔ)上，在不同的桑樹枝條場(chǎng)合有針對(duì)性地選擇此伐條裝置。通過防護(hù)罩在作業(yè)過程中的不斷轉(zhuǎn)動(dòng)與全方位防護(hù)鋸齒刀片，克服枝條的剪伐阻力，保證較好的切割深度與厚度。

2.2　整枝修拳裝置

對(duì)于某些桑樹的死拳、枯樁及無效枝條，可以切換為整枝修拳裝置，如圖5所示。工作時(shí)，給足相應(yīng)剪伐動(dòng)力，此裝置能承受足夠阻力及最大程度地發(fā)揮剪伐能力，提高桑樹剪伐機(jī)的剪伐性能。應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注鋸齒齒型大小與多少的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行優(yōu)化。刀具材質(zhì)的硬度。同時(shí)，伐條裝置交互工作時(shí)的協(xié)調(diào)性能、整機(jī)結(jié)構(gòu)的緊湊性及合理性等亦應(yīng)同步完善。

圖5　剪伐機(jī)整枝修拳裝置外觀圖

2.3　剪稍裝置

剪稍裝置主要實(shí)現(xiàn)桑樹枝條稍端的修整，保證桑樹第2年的發(fā)芽率與生長(zhǎng)率，其剪去的長(zhǎng)短與程度視桑樹的品種而定，外觀如圖6所示。應(yīng)確定刀具齒面形狀在進(jìn)行剪稍過程中所受應(yīng)力及應(yīng)變，防止受力不均、受力過度導(dǎo)致剪稍刀具刀齒不規(guī)則折斷、卡刀等現(xiàn)象發(fā)生，并合理選取所需要修剪的桑樹稍端和所用剪稍裝置大小等。

圖6　剪伐機(jī)剪稍裝置外觀圖

3　優(yōu)化效果分析

3.1　不同組合剪伐分析

剪伐機(jī)的主要工作裝置在給定動(dòng)力的條件下進(jìn)行桑樹枝條的剪伐修整，各個(gè)不同組合的合理選取可有效提高桑樹剪伐效率，不同剪切裝置刀具形狀不同所引起的剪伐作用效果不同。利用傳感裝置對(duì)剪伐機(jī)的剪伐力與刀具形狀進(jìn)行比較，其過程及原理如圖7所示。圓盤鋸或剪稍機(jī)在刀具高速旋轉(zhuǎn)過程中，對(duì)其旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行獲取并實(shí)測(cè)；對(duì)不同刀刃形狀進(jìn)行受力分析，包括直刀刃、弧形刀刃及兩者之間的最優(yōu)組合構(gòu)成剪伐裝置刀具主體實(shí)施桑枝切割與修剪，如圖8所示。

圖7　剪伐機(jī)刀具剪伐力簡(jiǎn)要測(cè)試過程

圖8　剪伐機(jī)刀具不同刀刃受力簡(jiǎn)圖

3.2　優(yōu)化效果分析

選擇同一試驗(yàn)桑園場(chǎng)地，進(jìn)行不同剪伐裝置的功能組合，并記錄不同剪伐轉(zhuǎn)速、不同剪伐角度及不同剪伐裝置的桑樹枝條所受的剪伐力度，如表1所示。

表1不同刀具功能組合下的桑樹切割優(yōu)化試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表
Table 1Optimized test data statistics of different tool functions combination in mulberry cutting

試驗(yàn)編號(hào)剪伐轉(zhuǎn)速/r·min-1刀齒形狀剪伐角度/(°)剪伐力/N桑樹受損度12001203000.5822002303700.6532003454500.7244001203700.4354002304500.4964003455400.5676001203200.5386002303800.6196003455000.70

計(jì)算得出桑樹一定程度的受損率，通過分析對(duì)比可以看出：對(duì)于剪伐效率影響較為顯著的是刀具的刃口形狀。針對(duì)不同的桑樹枝條類型和所處的田間位置，選取合理的剪伐裝置，圓盤鋸齒、剪稍刀具、整枝修拳依次按照適用條件進(jìn)行取用，獲取最大的剪伐效率，實(shí)現(xiàn)本剪伐機(jī)關(guān)鍵裝置的完善和優(yōu)化，同時(shí)應(yīng)確保傳動(dòng)連接裝置、動(dòng)力供給裝置和安全控制裝置協(xié)調(diào)配合。

桑樹枝條的彎曲受力性能試驗(yàn)如圖9所示。

圖9　受剪伐力桑樹枝條彎曲前后效果簡(jiǎn)圖

針對(duì)剪伐裝置在進(jìn)行作業(yè)過程中施加于桑條上的作用力，分析最大應(yīng)力及應(yīng)變經(jīng)常出現(xiàn)的部位，著重加強(qiáng)各功能性刀具的剛度與韌性，避免出現(xiàn)兩者之間的共振頻率帶等影響，有效保護(hù)剪伐裝置的完好性，完成一次高效率的桑樹枝條、枯樁等的剪伐工作。選取不同桑樹枝條半徑進(jìn)行受力分析，結(jié)果如表2所示。由表2可以看出：彎曲度、撓度均與半徑之間存在聯(lián)系。這就要求刀齒、刀鋸在合適的推動(dòng)力之下，通過傳遞裝置接收，之后轉(zhuǎn)換為剪伐桑樹殘枝枯葉的機(jī)械能。

表2不同半徑桑樹受力彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

Table 2Test data statistics of mulberry bending stressing in different radius

試驗(yàn)編號(hào)半徑R/mm撓度W彎曲度θ15.5513.7525.825.5711.4524.835.569.5525.745.5811.1524.555.4515.6522.965.7512.5526.975.7512.1527.586.1011.4525.896.1511.5523.6105.9510.5528.3

采用此作業(yè)方式進(jìn)行功能性組合，形成多功能組合式桑樹剪伐機(jī)的工作模式。對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：組合式比單一使用關(guān)鍵工作裝置進(jìn)行剪伐桑葉枝條時(shí)的工作效率提高25%左右。進(jìn)一步對(duì)各刀具的性能參數(shù)、技術(shù)要求不斷完善優(yōu)化，整合整機(jī)的工作能力，獲得了較為滿意的效果。

4　結(jié)論

從多功能裝置組合方式、應(yīng)用場(chǎng)合出發(fā)，通過對(duì)桑樹剪伐機(jī)實(shí)現(xiàn)合理的資源配置與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)部件的功能最大化，保證剪伐的均勻性，可以有效減輕桑園桑樹枝條剪伐工作的勞動(dòng)強(qiáng)度。該裝置作為一種省力、便捷的蠶桑管理作業(yè)機(jī)械工具，在促進(jìn)蠶桑業(yè)從傳統(tǒng)化向現(xiàn)代化、智能化發(fā)展方面起到良好作用，可為桑園進(jìn)一步桑樹剪伐管理及其他相似果樹剪伐管理提供一定參考。