修枝剪刀刀具夾緊更換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

葛云，方玨，李遠(yuǎn)

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子，832003）

修枝剪刀在園林整形、果園修枝方面得到了廣泛的應(yīng)用。相比大型園林整形機(jī)械，具有節(jié)能效益顯著、使用靈活、耐用性好、修剪端面平整等優(yōu)勢［1］。近年來，國內(nèi)外已研發(fā)出多種類型的修枝剪刀，如電動修枝剪、氣動修枝剪、液壓修枝剪等，由于動力裝置的改進(jìn)，剪刀工作部件單位時間上的負(fù)荷也隨之增加，在長時間的作業(yè)過程中，木屑、土粒等雜質(zhì)在雙刀刃間產(chǎn)生側(cè)向力以及剪切作用力，導(dǎo)致動刀刃與定刀刃間隙增大，嚴(yán)重影響修剪質(zhì)量及效率。同時，傳統(tǒng)的螺栓螺母夾緊結(jié)構(gòu)（圖1）在修枝作業(yè)時會暴露出夾緊結(jié)構(gòu)易松懈的問題。而修枝剪動刀刃刀體薄，在高負(fù)荷的作業(yè)下容易磨損鈍化而影響修剪的質(zhì)量。為保證修剪作業(yè)有序高效的進(jìn)行，需要不定時的對修剪間隙進(jìn)行重新定位、緊固，及對動刀進(jìn)行更換。而傳統(tǒng)的螺栓夾緊機(jī)構(gòu)決定了松懈后需要扳手等輔助工具的參與才能解決再次鎖緊及更換動刀的問題，這將給需隨時緊固、換刀的野外園林作業(yè)帶來不便而影響修剪的效率。

圖1 傳統(tǒng)螺栓夾緊機(jī)構(gòu)Fig.1 Traditional bolt fastening structure

本文根據(jù)圓偏心機(jī)構(gòu)夾緊原理，設(shè)計(jì)出一種螺栓與偏心圓相結(jié)合的快卸式夾緊換刀機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)無需輔助拆卸工具的參與，徒手便能輕松完成夾緊定位、拆卸換刀等功能，解決了夾緊、換刀程序繁瑣費(fèi)時費(fèi)力的問題。另外，本文對圓偏心夾緊機(jī)理進(jìn)行分析，對該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)的描述，可為其他類型修枝器械夾緊換刀裝置的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 工作原理

刀具在剪切過程中能順利的完成剪切工作，很大程度上取決于刀具動刀與定刀片之間的間隙大?。?－3］，該間隙主要受修枝剪上的夾緊機(jī)構(gòu)影響。因此，夾緊機(jī)構(gòu)的好壞是決定修枝剪性能的重要因素。本文設(shè)計(jì)的快缷夾緊機(jī)構(gòu)主要由偏心圓手柄、銷筒、銷軸等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。偏心夾緊機(jī)構(gòu)是依靠偏心輪回轉(zhuǎn)時其半徑逐漸增大而產(chǎn)生夾緊力來夾緊工件的，具有夾緊動作迅速、可靠，且操作方便、省力、安全等優(yōu)點(diǎn)［3］。

圖2 新型換刀機(jī)構(gòu)Fig.2 New tool change mechanism structure

間隙調(diào)整過程：調(diào)整動、定刀之間的間隙時，只需將偏心圓手柄打開至松開狀態(tài)，此時刀片對螺母側(cè)面的壓力減少、銷軸對螺母內(nèi)螺紋的拉力也相應(yīng)減小，此時便可手動順時針旋緊螺母以縮小刀具間隙（螺母旋轉(zhuǎn)時受到側(cè)面的摩擦阻力以及內(nèi)螺紋的旋轉(zhuǎn)阻力都急劇縮?。?］），然后關(guān)上偏心圓手柄，此時夾緊行程處于最大位置，實(shí)現(xiàn)對刀片的固定與夾緊。

換刀過程［5］：換刀時，打開偏心圓手柄，即將螺母與銷軸旋轉(zhuǎn)分離（原理與夾緊過程相同），之后便可輕松將銷軸、銷筒從刀頭內(nèi)孔中抽出，實(shí)現(xiàn)快速拆卸功能。換上新刀片后，再將銷筒插入刀片內(nèi)孔然后再插入銷軸，旋緊螺母后再將偏心手柄轉(zhuǎn)至緊固的位置，由于偏心圓行程增大（圖3），使得刀片兩側(cè)受到的壓力增強(qiáng)從而達(dá)到夾緊的目的。

圖3 旋轉(zhuǎn)角與夾緊行程關(guān)系圖Fig.3 Rotation angle and clamping stroke relationship diagram

通過對夾緊換刀原理的分析，該機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢是在沒有輔助工具的條件下，能對刀具進(jìn)行夾緊及更換動刀的操作，且其操作簡單、快捷，避免了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊固換刀時在尋找輔助拆卸工具上浪費(fèi)過多時間，顯而易見該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用能節(jié)約緊固、換刀時間，從而提高作業(yè)效率。

2 圓偏心快缷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

2.1 夾緊行程的確定

設(shè)計(jì)該機(jī)構(gòu)，首先要確定夾緊行程。夾緊行程HAB計(jì)算公式如下：

式（1）中：S1為夾緊刀頭所需的間隙，一般S1≥0.3 mm；S2為夾緊裝置的彈性形變量，一般S2＝0.05～0.015mm；S3為夾緊行程儲備量，一般S3＝0.1～0.3mm；δ為刀具加壓表面至定位面的尺寸公差。

2.2 偏心距的確定

根據(jù)工作需要及剪刀具體尺寸等因素，確定工作旋轉(zhuǎn)角度θAB，如取︵AB（圖4）為圓偏心夾緊機(jī)構(gòu)的工作段（圓偏心夾緊機(jī)構(gòu)的工作轉(zhuǎn)角一般＜90°，因?yàn)檗D(zhuǎn)角太大，不僅操作費(fèi)時，也不方便，圖4中AB位置只是計(jì)算示意圖），在A點(diǎn)上的夾緊高度為

在B點(diǎn)的夾緊高度為

因?yàn)?HAB＝HB＝HA＝e（cosθA－cosθB），

所以偏心距

圖4 圓偏心結(jié)構(gòu)Fig.4 Circular eccentric structure

2.3 確定偏心輪半徑

按自鎖條件計(jì)算偏心輪半徑R，

偏心圓半徑不僅受偏心距，還受到材料的摩擦系數(shù)的影響［6］。若f＝0.1～0.15，則圓偏心夾緊機(jī)構(gòu)的自鎖條件可寫為R／e≥7～10。

2.4 其它構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)“夾具標(biāo)準(zhǔn)”（GB／T2191－91～GB／T2194－91）或查“夾具手冊”，確定圓偏心輪的其他參數(shù)。

通過已計(jì)算得到的偏心距e、偏心圓半徑R等數(shù)據(jù)計(jì)算該機(jī)構(gòu)的夾緊力，圓偏心夾緊機(jī)構(gòu)夾緊力計(jì)算公式［7］如下：

式（6）中：L為力距Q為加載在手柄上的力，夾緊點(diǎn)的轉(zhuǎn)角為γ，e為偏心距，R為偏心輪半徑，其比值e／R稱為偏心率或偏心比（表示偏心輪回轉(zhuǎn)中心與其幾何中心的偏離程度［8］），μ為偏心輪與被壓表面的摩擦系數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)［9］及查相關(guān)設(shè)計(jì)手冊確定銷軸、螺母、銷筒等相應(yīng)零部件的材料、結(jié)構(gòu)及尺寸，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 換刀結(jié)構(gòu)松緊位置示意圖Fig.5 Replace tool structure diagram

3 結(jié)語

1）本文設(shè)計(jì)的快卸夾緊機(jī)構(gòu)在作業(yè)過程中能有效完成夾緊、換刀等功能，效率高、操作簡單。

2）本文對剪刀快卸夾緊裝置的設(shè)計(jì)研究將為后續(xù)其他類型修枝器械刀頭夾緊更換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

3）剪刀修剪過程中因緊固件松動而造成剪切質(zhì)量下降的問題十分普遍，本設(shè)計(jì)可為松動后再次夾緊的操作帶來方便，但不能解決修剪過程中的緊固件松動的問題。因此，剪刀的夾緊防松動機(jī)構(gòu)還有待深入研究。

［1］陳體鑾，霍光青.常見林業(yè)整枝設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍分析［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2009（8）：45－46.

［2］張健民.淺淡圓剪刀與定位裝置的改進(jìn)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2012，41（4）：114－116.

［3］陳建剛.機(jī)床夾具中圓偏心夾緊裝置的設(shè)計(jì)與研究［J］.煤礦機(jī)械，2012，33（5）：38－39.

［4］王宗瑜，孫瑞瑞，孔祥偉，等.高強(qiáng)螺栓松動原因分析［J］.萊鋼科技，2008（8）：73－74.

［5］王吉奎，郭康權(quán)，呂新民，等.改進(jìn)型夾持式穴播輪工作過程的分析［J］.石河子大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，29（5）：637－640.

［6］都克勤.圓偏心夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊力計(jì)算及特性分析［J］.貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2000，29（2）：59－63.

［7］田元正.偏心輪夾緊機(jī)構(gòu)的力分析和設(shè)計(jì)［J］.北京郵電大學(xué)學(xué)報，1984（2）：97－105.

［8］王小華.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)圖冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：217－220.

［9］楊濤，張宏文，李勇，等.滾筒式采棉機(jī)采摘頭試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)［J］.石河子大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，29（6）：772－775.