气动剪枝设备的研发与使用

　　1果树剪枝的农艺要求与操作方式1.1果树剪枝的农艺要求在农艺上，对果树进行剪枝作业的*主要要求是剪枝后要保证剪口平滑且不得产生劈裂现象。如果剪口不平、留茬或留桩，不但不利于剪口愈合，还会引起干腐病的发生。另外，修剪大枝及粗根时，截口还应削平并涂防腐剂。

　　1.2果树剪枝的操作方式剪截粗大枝条时，应一手持剪，剪刀的方向与弯倒枝条的方向一致，另一手握住枝条向剪口外方柔力轻推，两手配合用力恰当就能保证伤口平滑且不劈裂。

　　2样机系统设计2.1气动剪枝机设计理念及工作原理本机是专门为减轻剪枝作业人员的劳动强度而设计的，设计原则侧重于在保证农艺要求和操作简便的前提下，克服现有气动剪枝机的缺陷，尽量降低机器制造成本，并可满足多人同时作业的要求，以适应专业剪枝队在开展各种服务作业时使用。

　　气动剪枝机由剪枝作业系统、动力系统和机架系统构成，主要部件包括微耕机、空压机机头、储气罐、高压输气管及快速接头和气动修枝剪等。其工作原理是：由微耕机为空压机机头提供动力，使机头产生压缩空气并贮存在储气罐中，储气罐通过高压输气管及快速接头与气动修枝剪连接并为其提供压缩空气，使用者通过操纵气动修枝剪完成剪枝作业。

　　2.2剪枝作业系统设计剪枝作业系统由气动修枝剪、高压输气管和快速接头组成。

　　2.2.1气动修枝剪选型气动修枝剪是气动剪枝机的关键部件，目前已有成熟产品。气动修枝剪依照产地不同分为进口产品、中国台湾产品和中国大陆产品，其中台湾产品性价比*高，因此本机所选用的气动修枝剪以台湾生产的WL05短剪和WL06高枝剪为主。根据通常的剪枝作业工作量和使用习惯，本机的推荐配置为同时配备3把短剪和1把高枝剪（样机另配备欧洲产F70气动短剪作为对比应用）。WL05短剪和WL06高枝剪剪切能力均≤25mm，工作压力0.7～0.8MPa，其中WL06高枝剪长度1.9～3m；F70气动短剪剪切能力≤30mm，工作压力0.7～1.25MPa，耗气量＜40L/min.

　　2.2.2高压输气管高压输气管按其材质不同主要分为PVC管、橡胶管、尼龙管和PU管等。本机选用PU管，其具有耐久性好、使用寿命长、轻便有弹性、柔软等特点，此外还具有良好的耐弯曲疲劳和耐磨损等性能。主要参数为：工作耐温在-40℃～+80℃之间（非化学气体空间），常温下工作耐压1.0～1.3MPa，极限工作压力1.6MPa（恒定20h），爆破压力2.5～3.0MPa，*小弯曲半径15mm.

　　本机初步选用高压输气管外径8mm，内径5mm，单根长度50m.

　　2.2.3快速接头快速接头按其材料分为金属和工程塑料（PU）两类。考虑到作业环境以及需经常拆装的特点，本机选用不锈钢快速接头，型号分别为SP-20（5×8）和PP-20A（5×8），接头耐压1.6MPa.

　　2.3动力系统设计动力系统包括空压机机头、储气罐、微耕机及传动装置。

　　2.3.1空压机机头空压机机头的作用是产生压缩空气以支持气动修枝剪的工作，根据计算，*后选用V-0.2/12.5型活塞式空压机机头，其主要参数为排气量200L/min，额定压力1.25MPa，机头转速710r/min，功率2.5kW.空压机机头采用卸荷式控制方式，即当储气罐内的压力达到设定值时，空压机可通过打开安全阀的方式来实现不压缩运转。

　　2.3.2储气罐储气罐用于储存压缩空气和平衡用气端的压缩空气压力，以减弱活塞式空压机排气引起的周期性气源脉动。空气中部分水蒸气经空压机压缩后会形成液态的水滴，这些水滴大部分会沉积在储气罐底部，因此在储气罐底部设有排污阀，以定期排出其中的水分和污物，这样可以保护气动修枝剪等部件少受水分等的侵蚀。

　　选配储气罐压力应大于空压机机头的工作压力，容积大小约为空压机机头排气量的1/101/5，本机将储气罐设计成支架的一部分，考虑空间位置情况，两个准226mm×430mm的储气罐并排焊合串联使用，总容积为32L。

　　2.3.3微耕机微耕机的主要功能是为空压机机头提供动力。选用微耕机时除需考虑其输出动力是否满足空压机机头工作和整机行走的要求外，还要兼顾微耕机的“一机多用”，因此应尽量选用结构*普通、农户保有量*大的微耕机。根据这些要求，*后选用天津市静海县兴盛机械有限公司生产的DN-6A型微耕机，其发动机功率4.9kW，外形尺寸为1540mnm×550mm×980mm（长×宽×高），输出轴转速1350r/min.

　　2.3.4传动装置按照相似设计的原则并参照技术成熟的空压机传动方式，剪枝机的传动采取皮带传动方式，这样能较好地保证整机工作的稳定性和拆装方便。剪枝机传动位置为侧置式，动力由微耕机右后侧的输出轴输出，经过其上的小皮带轮和三角带传到空压机机头的皮带轮上带动空压机工作。产生的压缩空气可贮存到储气罐中，以供气动修枝剪使用。

　　2.4机架系统设计2.4.1支架支架由角钢、方钢和储气罐焊合而成，其中两个储气罐并排焊合成为支架的主体。设计时应优先考虑支架的坚固与稳定，在主要受力位置要加装支撑板和加强筋。剪枝机与微耕机的连接采用将剪枝机连接板与微耕机悬挂处底座直接用螺栓固定的方式。

　　2.4.2地轮本机对工作稳定性要求较高，因此采取四轮行走系统。由于整机重心靠近微耕机轮处，在充分考虑横向、纵向稳定性的前提下，采用万向轮以保障整机的转向灵活。两个万向轮的轮距为550mm，与微耕机的宽度相近，地轮直径的选择主要考虑机器的通过性，初步确定地轮直径为200mm.

　　3样机田间试验通过田间试验可以检验样机的适应性、通过性、剪切能力和剪切质量等田间使用性能，以便及时发现问题，为进一步改进设计提供依据。实验数据见、和。

　　试验结果表明：该机具整机结构配置合理，工作性能符合设计要求，动力系统输出功率稳定，整机工作平稳，剪枝质量完全满足农艺要求，切口平整光滑、无裂伤，剪枝操作简单轻便，劳动强度明显降低。

　　其存在的问题是：多人同时进行剪枝作业时，高压输气管与主机之间有缠绕现象，有时会影响主机的移动和作业人员的操作。主要原因是高压输气管过长（50m），冬季剪枝作业时室外温度低使高压输气管柔软度有所降低，产生的卷曲更加重了缠绕现象。

　　4样机的改进设计针对田间试验中发现的问题，对样机的高压输气管缠绕问题进行了改进设计，将其由50m改为25m，这时缠绕问题得到缓解。由于本机是以微耕机作为动力，比普通的汽油、柴油空气压缩机作动力时行走更加方便，因此缩短高压输气管的长度后不会影响机器的正常使用。

　　5小结用剪枝机替代剪枝人工作业可显著减轻劳动强度，提高作业质量，减少作业危险，降低作业成本和提高劳动效率。新研制的气动剪枝机与现有的气动剪枝机相比有以下优点：①以微耕机作为配套动力，替代汽油、柴油空气压缩机，降低了整机制造成本；②机器行走更加方便、灵活；③气动剪枝机与微耕机连接固定后，降低了机械振动，增强了机器工作的稳定性；④增加了微耕机的功能，实现了一机多用，提高了微耕机的利用率。