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气动高枝剪设计【农业机械】【11张图纸】【优秀】

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关键词：: 气动高枝剪设计

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气动高枝剪设计

30页 13000字数+说明书+11张CAD图纸【详情如下】

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伸缩弹簧下段.dwg

伸缩杆下段.dwg

剪刀动力.dwg

剪刀定力.dwg

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链接件.dwg

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摘要

本次设计气动高枝剪是根据汽缸推动连接杆带动剪刀工作剪断树枝，结合

气动射钉枪控制气流变化的原理进行设计的。国内外目前使用的气动修枝剪品种

有很多，这些气动修枝剪可以适合各种树木（包括工业用材林和果树）的修剪，

但是针对高大树木就会有一些局限性，而且使用的动力也是多种多样的。因此设

计出一款适合高大树木修剪、采用的动力系统能适合农户作业要求的修枝剪是很

重要的。本设计的重点在于汽缸与剪刀之间的连接装置，通过对气流的调节，使

剪刀具有一定的剪切力，剪断树枝。气动高枝剪可以大大减轻农户的作业强度，

该结构质量轻，可伸缩的调节杆可以用于各类型树枝的修剪工作，配以一些辅助

设计，可以满足直径在15mm-30mm 树枝的修剪工作。

目

录

1 引言-----------------------------------------------------5

2 气动高枝剪简介及国内外研究现状-------------------------- 6

2.1 气动高枝剪简介---------------------------------------- 6

2.2 气动高枝剪的原理与过程-------------------------------- 6

2.3 气动高枝剪在国内外的代表型号和研究状况---------------- 7

2.4 现在使用的高枝剪存在的问题---------------------------- 7

2.5 设计的内容、要求及研究意义---------------------------- 8

3 气动技术在果树修枝剪中的应用-----------------------------8

3.1 单作用气缸与传统气动修枝剪原理-------------------------8

3.2 串联气缸与新型气动修枝剪原理---------------------------9

4 气动高枝剪的设计--------------------------------------- 11

4.1 气缸的选择------------------------------------------- 11

4.1.1 气缸理论输出拉力计算------------------------------- 11

4.1.2 气缸直径的计算--------------------------------------12

4.1.3 验算所选气缸----------------------------------------13

4.1.4 气缸耗气量的计算------------------------------------15

5连接机构的计算------------------------------------------ 17

5.1 汽缸与连接杆 1 的计算----------------------------------17

5.2 连接杆 1 与剪刀之间的连接机构连接杆 2 的计算------------19

5.3 汽缸与伸缩杆之间的连接汽缸与伸缩杆连接件设计----------20

5.4 汽缸复位装置的设计------------------------------------21

5.5 剪刀支撑座的设计方法----------------------------------21

6 伸缩杆气流控制系统的设计--------------------------------23

6.1 气动高枝剪伸缩杆机构的设计--------------------------- 24

7 剪刀的设计----------------------------------------------26

8 总结----------------------------------------------------27

9 致谢----------------------------------------------------28

参考文献-------------------------------------------------29

1 引言

树枝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汽缸与伸缩杆连接件凸伸形成定位销，与上连杆的定

位孔配合实现连杆锁定。

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内容简介：: 南京林业大学毕业设计说明书南京林业大学本科毕业设计（论文）1题学专学目：院：业：号：气动高枝剪设计南方学院机械设计制造及其自动化学生姓名：指导教师：职称：副教授二 O 一三年五月十八日南京林业大学毕业设计说明书2气动高枝剪的设计摘要本次设计气动高枝剪是根据汽缸推动连接杆带动剪刀工作剪断树枝，结合气动射钉枪控制气流变化的原理进行设计的。国内外目前使用的气动修枝剪品种有很多，这些气动修枝剪可以适合各种树木（包括工业用材林和果树）的修剪，但是针对高大树木就会有一些局限性，而且使用的动力也是多种多样的。因此设计出一款适合高大树木修剪、采用的动力系统能适合农户作业要求的修枝剪是很重要的。本设计的重点在于汽缸与剪刀之间的连接装置，通过对气流的调节，使剪刀具有一定的剪切力，剪断树枝。气动高枝剪可以大大减轻农户的作业强度，该结构质量轻，可伸缩的调节杆可以用于各类型树枝的修剪工作，配以一些辅助设计，可以满足直径在15mm-30mm 树枝的修剪工作。关键词：气动，剪切机构，设计南京林业大学毕业设计说明书3The Design of Pneumatic High Branch ScissorsThe graduation design is the design of pneumatic high branches scissors.Alongwith our country the strength of farmland increase gradually， in order to reduce thelabor intensity pruning branches farmers，design a kind of new pneumatic fruit treespruned machine.This machine structure is simple，light quality，telescopic link rod canexpand the scope of the operation ， this pruning machine is mainly by cylinder ，telescopic locking mechanism ， guide spacer institutions， knives， connecting rodcomposition. This topic is main content pneumatic high branches scissors profile andthe 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 indiameter of fruit tree branches clip homework, operating quality complies withagricultural demands.Keyword:Pneumatic ,Rotary shearing mechanism ,design南京林业大学毕业设计说明书4目录1 引言-52 气动高枝剪简介及国内外研究现状- 62.1 气动高枝剪简介- 62.2 气动高枝剪的原理与过程- 62.3 气动高枝剪在国内外的代表型号和研究状况- 72.4 现在使用的高枝剪存在的问题- 72.5 设计的内容、要求及研究意义- 83 气动技术在果树修枝剪中的应用-83.1 单作用气缸与传统气动修枝剪原理-83.2 串联气缸与新型气动修枝剪原理-94 气动高枝剪的设计- 114.1 气缸的选择- 114.1.1 气缸理论输出拉力计算- 114.1.2 气缸直径的计算-124.1.3 验算所选气缸-134.1.4 气缸耗气量的计算-155连接机构的计算- 175.1 汽缸与连接杆 1 的计算-175.2 连接杆 1 与剪刀之间的连接机构连接杆 2 的计算-195.3 汽缸与伸缩杆之间的连接汽缸与伸缩杆连接件设计-205.4 汽缸复位装置的设计-215.5 剪刀支撑座的设计方法-216 伸缩杆气流控制系统的设计-236.1 气动高枝剪伸缩杆机构的设计- 247 剪刀的设计-268 总结-279 致谢-28参考文献-29南京林业大学毕业设计说明书51 引言树枝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汽缸与伸缩杆连接件凸伸形成定位销，与上连杆的定位孔配合实现连杆锁定。南京林业大学毕业设计说明书62 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2030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12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550790g，可剪直径030mm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1.211.77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 气动高枝剪的原理与过程低矮的灌木以及较低的树枝可以站在地面上通过正常的工作来修剪，但是对于较高的树枝就毫无办法，气动高枝剪可以通过调节伸缩杆的长度来实现不同高度的剪切，首先将伸缩杆延展到合适的高度，将固定圆锥销插入已加工好的圆孔，从而达到固定伸缩杆的长度的要求，然后通过在伸缩杆尾部的气流控制阀实现对剪刀的剪切与闭合的控制，对于较高树枝的剪切，不仅可以使林木的生长高度增加，也可以提高工业用林的成材率和果树的结果率。2.3 气动高枝剪在国内外的代表型号和研究状况南京林业大学毕业设计说明书7气动修剪机具在国外有一百多年的发展历史，技术和产品已经相当成熟。目前国外生产果树气动修剪机具较为著名的厂商主要有瑞士的 FELCO 公司、意大利的 CAMPAGNOLA 公司、LISAM 公司、日本的爱丽斯 ARS 公司等。我国台湾有许多公司生产气动剪枝机及相关产品，大多数以生产气动修枝剪为主包括吉生机械股份有限公司、泓沛兴业有限公司、STORMTEK、LeoChampionEnterprise 等公司，不但为其他国际知名企业代工生产，还研发自己的产品，并有所创新。孙永勇、陈全钦设计的一种具有可调整延长杆的气动剪，其内置螺旋状可伸缩气管，在延长杆伸缩时气管可随之改变形态和长度，并保证良好的气密性，这种设计不仅减轻了延长杆的质量，还大大降低了制造成本。由于国产气动果树剪枝机比国外引进的剪枝机在价格上要低很多，所以在一些地区已逐渐被果农所接受，得到了推广应用。相信不久的将来，气动果树剪枝机将得到快速发展。2.4 现在使用的高枝剪存在的问题1）机具设计针对性不强。国内气动剪枝机的生产刚刚起步，作为关键部件的气动修枝剪还是以模仿国外的产品为主，产品品种还比较少，大多数产品以满足普通低矮树木作业为主，最大修剪高度在5m以下，最大修剪树枝直径为1530mm，对高大树木的修剪还缺乏相应的产品。另外，许多产品的设计也没有针对本地区的作业需求做相应的改进。2）配套动力不合理。存在资源浪费现象目前国内气动树木剪枝机所使用的空压机绝大多数为工程用活塞式汽油，柴油，空气压缩机，没有针对剪枝机的作业特点进行改进，在使用中发现许多问题，如机器振动大、能耗高、移动不便等。同时，以拖拉机等其他农用动力机械作为配套动力的气动剪枝机还很少，农户手中大量的农机动力无法在这方面得到充分利用，动力重复购置，造成不必要的浪费。3）功能单一。动力、气源、系统利用率低除气动剪枝机以外，其他农用气动工具很少。动力、气源用途单一，在剪枝作业以外的时间大多闲置。2.5设计的内容、要求及研究意义本次设计的剪切式气动高枝剪，能够避免目前高枝剪本身所具有的剪枝高南京林业大学毕业设计说明书8度低、功能单一等缺点，在剪刀上连接了一个汽缸使用空气压缩机提供动力，降低了劳动强度，提高了作业效率，并且具有环境污染小和使用灵活等优点，具有广阔的市场前景。本文通过给定条件最大剪枝直径30mm，对气动高枝剪的整体结构进行设计，包括汽缸的选用，压缩机的选取和连接杆的计算等。本次设计主要内容是：折合不少于2.5张0号图纸的工作量，包括：（1）高枝剪的总装图；（2）气力传动方案等部件装配图； 3）所有非标零件图；（4）用计算机辅助设计软件绘制高枝剪图样，和设计说明书的撰写。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31所示。图 31 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32a)所示的是传统气动剪的结构和组成。（南京林业大学毕业设计说明书9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32b）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 32 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5060mm)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南京林业大学毕业设计说明书10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33。图 33 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34a)。其工作压力0.71.5 MPa，长度260 mm，重量710g，最大剪切直径30mm，耗气量2450L/min。与上述数据同样重要的是其手柄处直径仅为42 mm(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 34 F70 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34b)。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。南京林业大学毕业设计说明书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 d 0 = 30mm ，树枝的许用剪切强度 t = 3.0MPa则树枝的截面面积为111414 3.14 30 10 -32-6m 2则许用剪切力为Fs = At = 3 10 6 706.85 10 -6 N = 2120.55N剪刀的的受力如下图 41 所示图 41 剪刀的受力图中 F0 气缸的理论输出拉力；F1定刀片产生的支撑力；A = pd 02 =) = 706.85 10(南京林业大学毕业设计说明书F2 动刀片产生的剪切力；L1动刀片的动力臂；L2 动刀片的阻力臂；由图可知 F2 = Fs = 2120.55N由力矩平衡公式F0 L1 = F2 L2 cosq式中 q = 40 0 ， L1 = 55mm ， L2 = 30mm ，代入式中得12F0 =F2 L2 cosqL1=2120.55 30 cos 40 055N = 886.06N4.1.2 气缸直径的计算气缸的理论拉力为F =F0q式中 F气缸的理论拉力；F0 气缸的理论输出力，即作用于动剪刀刀柄上的力q 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q =0.85。由上式，则气缸的理论拉力为F =F0q=886.060.85N = 1042.42N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14式中 D气缸缸径；p气缸工作压力，取 p=1.0MPa；h 气缸的机械效率，一般在 0.70.95，随着缸径的增加，机械效率F = pD 2 . p.h南京林业大学毕业设计说明书也有所提高，因此选择h = 0.85 。则单作用气缸直径为13D =4Fphp+ d 2 =4 1042.42110 6 0.85 3.14+ (20 2 10 -32= 44.27mm由 D = 43.31mm ,查机械设计手册/气压传动与控制表 24.232，选取 QGA系列气缸，型号为 QGA50120M F1图 4-2 QGA型汽缸采用脚架式汽缸，在使用固定件将汽缸固定在伸缩杆上，可以减轻整个气动高枝剪的重量，使得在操作时不会影响工作效率。与该型气缸所连接的气阀如下图 42 所示图 4-3 气阀结构简图)南京林业大学毕业设计说明书14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。汽缸采用4.1.3 验算所选气缸计算剪枝切削力，气缸理论拉力为1 14 426 0.85 = 1484.4N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；h 气缸的机械效率，一般在 0.70.95，随着缸径的增加，机械效率也有所提高，因此选择h = 0.85气缸的理论拉力为F =F0q式中 F气缸的理论拉力；F0 气缸的理论输出力，即作用于动剪刀刀柄上的力q 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q =0.85。由上式，则气缸的理论输出拉力为F0 = Fq = 1484.4 0.85 = 1261.74N由力矩平衡公式F0 L1 = F2 L2 cosq式中 F0 气缸的理论输出拉力， F0 = 1261.74N ；F2 动刀片产生的剪切力；( ) F = p D 2 - d 2 ph = p 50 10 -3) - (20 10 ) 10-3 2南京林业大学毕业设计说明书L1动刀片的动力臂， L1 = 55mm ；L2 动刀片的阻力臂， L2 = 30mm ；q F2 与 F2 垂直于 L2 上的分力之间的夹角，q = 40 0则代入得，动刀片产生的剪切力为15F2 =F0 L1L2 cosq=1261.74 5530 cos 40 0N = 3019.66N则 F2 = 3019.66N Fs = 2120.55N ,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q max=.0.1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；h v 气缸的容积效率，通常取0.90.95，取h v = 0.9t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 p p s 气缸放气时间为t = 5.217 10 -3 VkS273.16TS4h v tt充 = 1.285 - 1 t南京林业大学毕业设计说明书16t放= k - 1 p k -1 p1 2k k -1式中 p1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，p1 = 0.1MPap s 气源的绝对压力， p s = 1.0MPa ；t充气、放气的时间常数(s)；V气缸的容积，V = 1.57 10 -4 m 3 ；k绝热系数，k=1.4S充气的有效截面积， S = 7.065 10 -6 m 2 ；Ts 气源绝对温度，取 Ts = 293K ；p1 放气前气缸内的初始绝对压力， p1 = 1.0MPa ；p *放气临界绝对压力，一般情况下取 p * = 0.192MPat = t充 + t放 0.76s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 t = 4.5s 。求得气缸工作时的最大耗气量为q max =.0.1= 51.2L min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。根据最大耗气量，选取的空气压缩机为大圣静音空压机 2013 年新款，型号选取为 DA7002 型。该空气压缩机的尺寸参数如下表： 2k p1 2k * + 0.945 0.1013 t- 14h v t南京林业大学毕业设计说明书17空气压缩机的外形图片：图4-5 空气压缩机5.连接机构的计算5.1汽缸与连接杆1的计算连接杆1示意图：为了避免较为繁琐的连接方式，也为了使剪切机构能够更好的工作，使得剪切机构能够数据化，在剪刀与汽缸之间，使用2段连接方式。首先，在汽缸上连型号功率额定流量储气罐毛重净重外形尺寸（L/W/H）DA70021700W130L/M50L67KG55KG715*370*695mm南京林业大学毕业设计说明书18图5-2 连接杆1示意图接一个连接杆，在连接杆的一端车内螺纹，根据汽缸的活塞柱直径为18mm长度为20mm，所以选取内螺纹直径为18mm，长度为27mm，连接杆的内螺纹端直径为20mm，因为连接另外一根连接杆及整个气动高枝剪尺寸的原因，另一端做成方形，中间圆孔的直径为4mm，方型片的厚度为1mm，长度为20mm。连接杆的总长度为87mm，连接两端圆柱的中间段直径为10mm，长度为40mm。连接杆的材料选取Q235钢。连接杆强度的计算：汽缸的材料选用Q235钢，汽缸活塞杆的推力为1045N。连接杆中段的横截面积为 A = d =3.14*0.01=0.00314Q235钢的许用剪切应力为235MP，【r】=F/A其中：F-为工作推力，A-为横截面积【r】=F/A=1045/0.00314=33MP远小于连接杆的许用应力，所以连接杆1的强度符合要求。5.2连接杆1与剪刀之间的连接机构连接杆2的计算南京林业大学毕业设计说明书19连接杆2示意图：图5-2 连接杆2示意图连接杆的总体形状为方片型，总长度为120mm，连接杆的宽度为10mm，因为和连接杆1的配合原因，在距离连接杆的两端2.69mm处加工2个直径为4mm的圆孔，两根连接杆之间采用m4螺栓连接。其中连接杆1和连接杆2之间的m4螺栓连接不能锁死，应该采用较为轻松的连接方式，可以使杆1和杆2之间可以自由的转动。对于杆2长度的计算采用如下方式：在4.1.1 气缸理论输出拉力计算这一段中剪刀动刀片与水平面成135度角，动刀的移动距离大约为30mm，剪刀安装距离连接杆1的长度为93.86mm。所以连接杆2的长度为：L = l / cos 30 = 93 .86 / cos 30 = 120连接杆 2 的强度计算：因为连接杆 1 的强度符合要求，汽缸作用在连接杆 2 上的力为作用在连接杆1 在水平方向的分力，其值小于 1045N，而连接杆 2 的横截面积为 A=ab=0.001,连接杆 2 在水平方向的分力为： f = F * cos 60 = 1045 * 0.5 = 522.5 ，所以：r =fA= 1045 *10.001= 104Mpa ，其值小于 Q235 钢的许用应力 235Mpa，所以连接杆选用 Q235 连接强度符合要求。图示为连接杆 1 和连接杆 2 的连接方式：南京林业大学毕业设计说明书20图 5-35.3 汽缸与伸缩杆之间的连接汽缸与伸缩杆连接件设计汽缸与伸缩杆之间的连接汽缸与伸缩杆连接件示意图：图 5-4 汽缸与伸缩杆连接件因为气动高枝剪需要一种结构简单，重量轻便的机构设计，如果在汽缸外围采用一个铁的外壳包裹汽缸，会大大的增加气动高枝剪的重量，同时，在外围增加外壳不利于气动高枝剪的拆卸，如果仅仅采用汽缸与伸缩杆连接件安装的方式，当气动高枝剪发生故障时，小的问题可以不拆卸气动高枝剪即可维修，即使需要更换汽缸或者更换其他的零部件也只需要将连接在汽缸脚架上的汽缸与伸缩杆连接件卸下就可以完成更换、维修等一系列任务，该结构还便于在完成作业南京林业大学毕业设计说明书21时还可以很方便的对气动高枝剪进行清洁、保养等工作。汽缸与汽缸与伸缩杆连接件的连接方式如下图所示：图 5-5汽缸与汽缸与伸缩杆连接件之间采用 M4 的螺栓连接，结构简单。汽缸与伸缩杆连接件的具体尺寸为：汽缸与伸缩杆连接件上部与桥架接触的部分长度为 65mm，宽度为 24mm，足够的接触面积可以保证两个平面之间的粗糙度和摩擦阻力，可以使得两个零件能够更紧密的配合，因为伸缩杆的原因，平板下方的圆环直径为 30mm，圆环的厚度为 1mm，圆环的宽度为 12mm。为了使圆环固定在伸缩杆上不能滑动，圆环不闭合，在圆环的下方开口，并延伸出 5mm，并且做直径为 2 的圆孔，作用为当圆环连接在伸缩杆上时，拧紧螺栓，使得汽缸与伸缩杆连接件及连接在汽缸与伸缩杆连接件上的汽缸不会在伸缩杆上滑动。汽缸与伸缩杆连接件的数量为 2 个，分别连接在汽缸的两个脚架上。因为整个汽缸及整个气动高枝剪的重量比较轻，两个汽缸与伸缩杆连接件足够保证气动高枝剪的剪切部分不会在伸缩杆上滑动。5.4 汽缸复位装置的设计因为伸缩杆的直径为 30mm，其内部空间比较狭窄。因此，为了使气动高枝剪的结构更为简单，QGA-型汽缸不使用排气孔，而是使用一个压缩弹簧来实现汽缸的复位，当汽缸的活塞杆没有收到气压的推动而向前运动时，弹簧处于压缩状态，但是压缩量比较小，不会产生较大的弹力，因此不会对汽缸的装配位置产生影响，弹簧并不能推动活塞杆向后移动。当活塞杆收到汽缸内压力变化而产南京林业大学毕业设计说明书22生的推力向前运动时，弹簧被慢慢压缩，产生的弹力也越来越大，当活塞杆向前移动 120mm 时，此时能够使动刀和定刀之间能够重合完成一次树枝的剪切，弹簧的推力达到其最大值，查机械设计手册得，此处选用的弹簧的抗拉强度为1431N，大于汽缸产生的推力，可以将汽缸复位，此种设计方式省去了安装排气管所产生的机构，减轻了气动高枝剪的整体重量，符合设计的要求和设计的思路。汽缸的复位装置采用弹簧连接，弹簧的示意图如图所示：图 5-6 弹簧弹簧的具体尺寸、规格和参数是：弹簧的总长度为 30mm，弹簧的中径为22mm，弹簧的内径为 1，弹簧的外径为 24mm，弹簧的自由度为，弹簧的圈数为n=20 圈，压缩弹簧的自由度为 HO=220mm，材料选用不锈钢丝，查机械设计手册得，不锈钢丝，直径为 1mm 的压缩弹簧的抗拉强度为 1431N，汽缸的推力为 1405N，弹簧的抗拉强度满足汽缸推力要求。国标号为 GB/T 1239.6-1992。弹簧的具体装配位置弹簧的一端装配在汽缸上，一端装配在安装剪刀的支撑座上，两端固定式装配可以避免弹簧从活塞杆上滑落，同时也起到了一个限位的作用，避免了连接杆 1 和连接杆 2 的晃动。5.5 剪刀支撑座的设计方法剪刀支撑座的结构示意图如下图所示：南京林业大学毕业设计说明书图 5-7与前面的汽缸与伸缩杆连接件相同，该剪刀支撑座23下部采用和相同的机构，将伸缩杆的上端杆套进支撑座的圆环中，然后在支撑做下端的开口部分采用螺栓拧紧，同样，螺栓的直径为 4mm，将剪刀安装在支撑座上方的小支撑架上，就可以对剪刀的定刀起到固定的作用，剪刀与支撑座之间采用螺栓连接。6.伸缩杆气流控制系统的设计该气动高枝剪当需要工作时，将剪刀对准需要剪断的树枝，然后按下气流控制机构，气流控制机构控制进气管内的气压变化，汽缸内气压的变化改变活塞两端的气压，最终使得汽缸内的气压大于活塞外侧的气压，产生的压力差推动活塞杆向前运动。其结构方式类似于气动射钉枪的工作方式，因此，参照射钉枪的工作方式设计该气动高枝剪的气流控制阀。目前，市场上使用最普遍的一种射钉枪。在这种设备中，锤击力来源于压缩空气，而压缩空气通常是由一个独立的空气压缩机产生的。一个标准的空气压缩机与水泵的工作原理是相同的。它具有一个或多个活塞筒，活塞筒可以在上冲程的时候从大气中抽入空南京林业大学毕业设计说明书24气，在下冲程的时候将空气输出并压入射钉枪。这样可以通过软管将压缩空气源源不断地输入到射钉枪的储气室中。气动式射钉枪的锤击装置与螺线管射钉枪相同：它也使用滑动活塞来驱动一个长的刀片。当活塞头部的气压大于其底部的气压时，活塞被向下推动。当活塞底部的气压大于其顶部的气压时，活塞保持不动。触发装置通过引导压缩空气的流动来改变平衡状态。下图显示了这种射钉枪所使用的典型阀门系统：在这种设计中，活塞头上有一个可移动的阀塞。当扳机处于释放状态，压缩空气会流动到阀塞的两端。压缩空气一面通过储气室直接流到阀塞底部边缘，另一面通过触发阀和一个小的塑料管，直到最后到达阀塞的上部。由于压缩空气可以流通到阀塞的任意一端，空气压力相互平衡。但是阀塞还与弹簧相连接，这使它向下移动。这样就改变了压力平衡：当扳机处于释放状态，阀塞上面的压力总是大于其下面的压力。这种不平衡可以使阀塞压紧包围在活塞头部的密封圈。当阀塞处于这个位置时，流入射钉枪的压缩空气不能到达活塞的顶部从而向下推动活塞。以下是扳动气动式射钉枪时发生的事情：触发阀关闭，并打开一个通道与大气相通。当触发阀就位时，压缩空气不能流到阀塞上边的空间。阀塞下部比其上部气压更大。阀塞上升，此时压缩空气可以流到活塞的顶部。压缩空气使活塞和刀片向下运动，并将射钉射出枪膛。当活塞向下运动时，空气通过一系列的孔把活塞筒中的空气推到回气仓中。随着越来越多的空气流进枪膛，气压不断升高。当释放扳机的时候，压缩空气使阀塞返回原位，并阻止空气流到活塞的头部。由于没有向下的气压，回气舱中的压缩空气将活塞头部顶起来。活塞头部上方的空气从射钉枪中排到大气中。从而完成了一次工作，该气动高枝剪采用和气动设定枪类似的气流控制机构，在伸缩杆的下方安装一个储气室，通过对气压变化的控制实现对活塞杆的推动控制。气动射钉枪的实物图如下：6.1气动高枝剪伸缩杆机构的设计气动高枝剪的伸缩杆机构采用两个直径分别为 34mm 和 30mm 的铝合金圆管，壁厚为 1mm。气动高枝剪因为要剪切高处的树枝，所以它的重量不能太大，否则长时间的作业会感觉到很累，此处采用铝合金这种轻质材料既可以减轻整个气动高枝剪的整体重量，同时铝合金的价格不是很昂贵，可以做到低成本。而且因为铝合金的特性，在很长一段时间内铝合金伸缩杆都不会生锈，平时的保养维护工（南京林业大学毕业设计说明书25作都很简单，对水的耐腐蚀性也很好。两个伸缩杆的长度都是 3m，下端杆上（也就是直径为 34mm 的圆管）的下部安装气流控制机构，在下端杆距离顶部 24mm 处加工一个直径为 5mm 的圆孔，用来安装圆锥销，圆锥销用来固定两个铝合金圆管使其在定位的时候可以锁死，不会产生相对滑动，由于圆锥销固定的方向与汽缸安装位置相同，而且由于圆锥销选取的尺寸稍大，所以不用担心在实际的工作中圆锥销会滑落而影响剪切效率，同时在剪切较低的树枝时还可将上端杆收入下端杆内，上端杆没间隔 500mm加工一个直径为 5mm 的圆孔，当拔出圆锥销时，用来不同剪切要求进行不同高度的调节，调节到不同的高度时，找到位置对应的圆孔，将圆孔对齐，再将圆锥销插入，就可以起到一个固定的作用。在剪切高度较低时，将直径为 30mm 的伸缩杆大部分收入直径为 34mm 的伸缩杆中，因为铝合金材料的表面较为的光滑，不会产生较大的摩擦阻力，因此高枝剪的伸缩杆设计可以更为的方便快捷。伸缩杆上端杆示意图如下所示：图 6-1伸缩杆的下端杆如下图所示：图 6-2南京林业大学毕业设计说明书267.剪刀的设计剪刀的材料选用 Q235 钢，235 钢的硬度足够，剪断树枝是可以保证剪刀的使用寿命，剪刀的具体设计形式如图。图 6-3 剪刀定刀图 6-4 剪刀动刀南京林业大学毕业设计说明书278.总结对于整个气动高枝剪，最重要的就是保证结构的轻便。气动高枝剪的伸缩杆采用铝合金材料设计，这样就减轻了大部分的重量，其次，汽缸的外部没有采用外壳固定的方式，只是采用了两个汽缸与伸缩杆连接件连接的方式，结构比较的轻便，同时还不影响使用，采用弹簧复位的方式就不需要使用排气管，也减轻了汽缸的体积。且采用气缸作为动力源，省力，减轻了操作的劳动强度。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。但是其中也有喝多不足之处，比如说，伸缩杆的导向定距机构还存在很大问题，工作时间一旦变长，圆锥销就会产生滑落。同时汽缸由于裸露在外，汽缸内容易进入灰尘沙粒等杂物，会影响汽缸的作业效率和整个汽缸的使用寿命。同时，气流控制阀也是完全采用气动射钉枪的工作原理，未能再做出自己的创新部分，这是整个设计中存在的最大的缺陷。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，这是以后我学习的方向，也是结合生产实际的重要手段。南京林业大学毕业设计说明书289.致谢时至今日，我的毕业设计就要结束了，在这不到四个月的时间了，我学到了许多东西。从最初开始选题到初次见老师，我完全不知道我的课题该是什么样的，我该做些什么，甚至老师叫我们用一个寒假的时间去看文献，我都没有耐下心来认真看文章。直到这学期伊始，当我们真正进入设计的时候，我才开始真正的一筹莫展。刚开始的几个星期，我很是茫然，不知道突破点在哪里，总是一会做这个，一会做那个，没有进展。我主动向商老师提出了我的困惑，希望能给我一定的指导。商老师确实很负责，有问必答，让我看到了成功的曙光，这才让我的初步思维形成，一步一步

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