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南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書
南京林業(yè)大學(xué)
本科畢業(yè)設(shè)計（論文）
1
題
學(xué)
專
學(xué)
目：
院：
業(yè)：
號：
氣動高枝剪設(shè)計
南方學(xué)院
機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師：
職
稱：
副教授
二 O 一三 年 五 月 十八 日
南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書
2
氣動高枝剪的設(shè)計
摘要
本次設(shè)計氣動高枝剪是根據(jù)汽缸推動連接桿帶動剪刀工作剪斷樹枝，結(jié)合
氣動射釘槍控制氣流變化的原理進行設(shè)計的。國內(nèi)外目前使用的氣動修枝剪品種
有很多，這些氣動修枝剪可以適合各種樹木（包括工業(yè)用材林和果樹）的修剪，
但是針對高大樹木就會有一些局限性，而且使用的動力也是多種多樣的。因此設(shè)
計出一款適合高大樹木修剪、采用的動力系統(tǒng)能適合農(nóng)戶作業(yè)要求的修枝剪是很
重要的。本設(shè)計的重點在于汽缸與剪刀之間的連接裝置，通過對氣流的調(diào)節(jié)，使
剪刀具有一定的剪切力，剪斷樹枝。氣動高枝剪可以大大減輕農(nóng)戶的作業(yè)強度，
該結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，可伸縮的調(diào)節(jié)桿可以用于各類型樹枝的修剪工作，配以一些輔助
設(shè)計，可以滿足直徑在15mm-30mm 樹枝的修剪工作。
關(guān)鍵詞：氣動，剪切機構(gòu)，設(shè)計
南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書
3
The Design of Pneumatic High Branch Scissors
The graduation design is the design of pneumatic high branches scissors.Along
with our country the strength of farmland increase gradually， in order to reduce the
labor intensity pruning branches farmers，design a kind of new pneumatic fruit trees
pruned machine.This machine structure is simple，light quality，telescopic link rod can
expand the scope of the operation ， this pruning machine is mainly by cylinder ，
telescopic locking mechanism ， guide spacer institutions， knives， connecting rod
composition. This topic is main content pneumatic high branches scissors profile and
the 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 in
diameter of fruit tree branches clip homework, operating quality complies with
agricultural demands.
Key
word:
Pneumatic ,Rotary shearing mechanism ,design
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4
目
錄
1 引言-----------------------------------------------------5
2 氣動高枝剪簡介及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀-------------------------- 6
2.1 氣動高枝剪簡介---------------------------------------- 6
2.2 氣動高枝剪的原理與過程-------------------------------- 6
2.3 氣動高枝剪在國內(nèi)外的代表型號和研究狀況---------------- 7
2.4 現(xiàn)在使用的高枝剪存在的問題---------------------------- 7
2.5 設(shè)計的內(nèi)容、要求及研究意義---------------------------- 8
3 氣動技術(shù)在果樹修枝剪中的應(yīng)用-----------------------------8
3.1 單作用氣缸與傳統(tǒng)氣動修枝剪原理-------------------------8
3.2 串聯(lián)氣缸與新型氣動修枝剪原理---------------------------9
4 氣動高枝剪的設(shè)計--------------------------------------- 11
4.1 氣缸的選擇------------------------------------------- 11
4.1.1 氣缸理論輸出拉力計算------------------------------- 11
4.1.2 氣缸直徑的計算--------------------------------------12
4.1.3 驗算所選氣缸----------------------------------------13
4.1.4 氣缸耗氣量的計算------------------------------------15
5連接機構(gòu)的計算------------------------------------------ 17
5.1 汽缸與連接桿 1 的計算----------------------------------17
5.2 連接桿 1 與剪刀之間的連接機構(gòu)連接桿 2 的計算------------19
5.3 汽缸與伸縮桿之間的連接汽缸與伸縮桿連接件設(shè)計----------20
5.4 汽缸復(fù)位裝置的設(shè)計------------------------------------21
5.5 剪刀支撐座的設(shè)計方法----------------------------------21
6 伸縮桿氣流控制系統(tǒng)的設(shè)計--------------------------------23
6.1 氣動高枝剪伸縮桿機構(gòu)的設(shè)計--------------------------- 24
7 剪刀的設(shè)計----------------------------------------------26
8 總結(jié)----------------------------------------------------27
9 致謝----------------------------------------------------28
參考文獻-------------------------------------------------29
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1 引言
樹枝的修剪是各種水果生產(chǎn)中的一個重要環(huán)節(jié)，它關(guān)系到樹木的長勢，水果
的產(chǎn)量以及質(zhì)量的高低。目前，國內(nèi)的果樹修枝工作基本上靠人工使用手動修枝
剪和手鋸來完成，尤其是對于比較高的樹枝，修剪時需要登梯作業(yè)。這種方式勞
動強度大、效率低，而且還具有一定的危險性。為了改變這種落后的生產(chǎn)方式，
設(shè)計了一種氣動果樹修枝剪。
本課題設(shè)計的果枝剪采用了氣動技術(shù)，氣缸是氣動技術(shù)中最基礎(chǔ)的組件之
一，它將壓縮空氣的動力轉(zhuǎn)換為機械作用力，是氣動技術(shù)中使用最多的執(zhí)行組件。
根據(jù)使用條件不同，其結(jié)構(gòu)、形狀也有多種形式。最常用的分類就是根據(jù)作用力
的方向?qū)⑵浞譃閱巫饔脷飧缀碗p作用氣缸。
果樹修枝剪是果樹剪枝作業(yè)中最常用的工具。由于果林修枝作業(yè)時間集中，
勞動強度大，人們發(fā)明了動力修枝機具。氣動修枝剪就是氣動技術(shù)應(yīng)用在果林修
枝領(lǐng)域的新產(chǎn)品。氣動修枝剪以其省力、高效、耐用等特點在歐美發(fā)達國家得到
廣泛應(yīng)用，近年來我國也有部分地區(qū)引進、推廣和應(yīng)用。隨著氣缸技術(shù)的發(fā)展，
氣動修枝剪也在不斷的應(yīng)用新的氣動技術(shù)。從傳統(tǒng)的氣動修枝剪到新型的氣動修
枝剪，朝著輕便、強勁、操作舒適等方向發(fā)展。本論文就氣動技術(shù)在氣動修枝剪
中的應(yīng)用進行簡要論述。
本課題研究的氣動高枝剪是一種伸縮型氣動修枝剪，包括由剪刀片和剪架體
構(gòu)成的剪刀機構(gòu)，其中：一相互套疊可伸縮的內(nèi)管和外管，內(nèi)管前端裝置剪刀機
構(gòu)，外管前端裝置鎖緊定位裝置，外管的后端裝置動力源，即氣缸，氣缸的活塞
與一貫穿于伸縮桿內(nèi)的操縱連桿的一端固裝，該操縱連桿的另一端與剪刀機構(gòu)的
驅(qū)動臂連接。一導(dǎo)向定距構(gòu)件緊配合裝置在內(nèi)管里，該機構(gòu)具有借由固定板固裝
在下連桿上的導(dǎo)向套，導(dǎo)向套上留有引導(dǎo)鎖緊定位裝置上的定位銷定向滑動的導(dǎo)
向槽，可受鎖緊定位裝置上的定位銷觸壓的彈簧片和下連桿依次固裝在固定板
上，緊固彈簧片和下連桿的汽缸與伸縮桿連接件凸伸形成定位銷，與上連桿的定
位孔配合實現(xiàn)連桿鎖定。
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2 氣動高枝剪簡介及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
2.1 氣動高枝剪簡介
林果業(yè)迅速的發(fā)展，帶動了農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展，給農(nóng)民奔小康增加了一條路。
但是，目前果樹管理基本上處于人工操作，相對制約了林果業(yè)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，實
現(xiàn)果樹管理機械化是果農(nóng)的迫切要求。在果樹管理中，剪枝是一項主要環(huán)節(jié)，人
工剪枝每天只能剪20～30棵樹，且修剪時撕裂果樹枝現(xiàn)象時有發(fā)生，高枝修剪需
用梯子或爬樹，增加了操作危險性。此外，人工剪枝時的攀登還容易造成樹干或
主枝傷斷，影響果樹產(chǎn)量。應(yīng)用氣動剪枝機不但比人工提高工效1～2倍，而且也
能避免人工剪枝出現(xiàn)的各種問題，具有廣泛的推廣前景。
該設(shè)備主要包括動力源部分、工作件部分及配套附件。其中動力源部分由汽
油機及壓縮氣泵組成，額定輸工作部件有氣動低枝剪、氣動高枝剪、氣動低枝剪、
氣動割灌機、氣動綠籬修剪機、氣動油鋸等。低枝剪重量為550～790g，可剪直
徑0～30mm的所有枝條；高枝剪重2000g，可剪直徑0-30mm的所有枝條，剪枝高度
可達4m；綠籬修剪機重3800g，剪幅為550ram；油鋸重200％ ，可鋸直徑200mm
以下的枝干；害灌機重2800g，各種工作部件所需工作氣壓均為1.0MP。附件包括
高壓輸氣管及快速接頭,每根高壓輸氣管長30m，可使操作者持工作部件遠離動力
氣源進行靈活作業(yè)，所有操作只需輕輕按動控制手柄在瞬間完成。
氣動剪枝機能夠剪各類不同樹種、樹齡的果樹，剪枝質(zhì)量達到和超過人工剪
枝質(zhì)量，工效提高1.21～1.77倍；對樹齡長、樹干較高、樹枝較粗的果樹剪枝時，
生產(chǎn)成本低于人工剪枝成本；對剪枝量少，尤其是大枝剪量較少的果樹剪枝時，
修剪成本與人工剪枝成本相當(dāng)。氣動剪枝技術(shù)有廣泛的推廣應(yīng)用前景。
2.2 氣動高枝剪的原理與過程
低矮的灌木以及較低的樹枝可以站在地面上通過正常的工作來修剪，但是對
于較高的樹枝就毫無辦法，氣動高枝剪可以通過調(diào)節(jié)伸縮桿的長度來實現(xiàn)不同高
度的剪切，首先將伸縮桿延展到合適的高度，將固定圓錐銷插入已加工好的圓孔，
從而達到固定伸縮桿的長度的要求，然后通過在伸縮桿尾部的氣流控制閥實現(xiàn)對
剪刀的剪切與閉合的控制，對于較高樹枝的剪切，不僅可以使林木的生長高度增
加，也可以提高工業(yè)用林的成材率和果樹的結(jié)果率。
2.3 氣動高枝剪在國內(nèi)外的代表型號和研究狀況
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7
氣動修剪機具在國外有一百多年的發(fā)展歷史，技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)相當(dāng)成熟。目
前國外生產(chǎn)果樹氣動修剪機具較為著名的廠商主要有瑞士的 FELCO 公司、意大
利的 CAMPAGNOLA 公司、LISAM 公司、日本的愛麗斯 ARS 公司等。
我國臺灣有許多公司生產(chǎn)氣動剪枝機及相關(guān)產(chǎn)品，大多數(shù)以生產(chǎn)氣動修枝剪
為主包括吉生機械股份有限公司、泓沛興業(yè)有限公司、STORMTEK、LeoChampion
Enterprise 等公司，不但為其他國際知名企業(yè)代工生產(chǎn)，還研發(fā)自己的產(chǎn)品，并
有所創(chuàng)新。孫永勇、陳全欽設(shè)計的一種具有可調(diào)整延長桿的氣動剪，其內(nèi)置螺旋
狀可伸縮氣管，在延長桿伸縮時氣管可隨之改變形態(tài)和長度，并保證良好的氣密
性，這種設(shè)計不僅減輕了延長桿的質(zhì)量，還大大降低了制造成本。由于國產(chǎn)氣動
果樹剪枝機比國外引進的剪枝機在價格上要低很多，所以在一些地區(qū)已逐漸被果
農(nóng)所接受，得到了推廣應(yīng)用。相信不久的將來，氣動果樹剪枝機將得到快速發(fā)展。
2.4 現(xiàn)在使用的高枝剪存在的問題
1）機具設(shè)計針對性不強。國內(nèi)氣動剪枝機的生產(chǎn)剛剛起步，作為關(guān)鍵部件
的氣動修枝剪還是以模仿國外的產(chǎn)品為主，產(chǎn)品品種還比較少，大多數(shù)產(chǎn)品以滿
足普通低矮樹木作業(yè)為主，最大修剪高度在5m以下，最大修剪樹枝直徑為15—
30mm，對高大樹木的修剪還缺乏相應(yīng)的產(chǎn)品。另外，許多產(chǎn)品的設(shè)計也沒有針
對本地區(qū)的作業(yè)需求做相應(yīng)的改進。
2）配套動力不合理。存在資源浪費現(xiàn)象目前國內(nèi)氣動樹木剪枝機所使用的
空壓機絕大多數(shù)為工程用活塞式汽油，柴油，空氣壓縮機，沒有針對剪枝機的作
業(yè)特點進行改進，在使用中發(fā)現(xiàn)許多問題，如機器振動大、能耗高、移動不便等。
同時，以拖拉機等其他農(nóng)用動力機械作為配套動力的氣動剪枝機還很少，農(nóng)戶手
中大量的農(nóng)機動力無法在這方面得到充分利用，動力重復(fù)購置，造成不必要的浪
費。
3）功能單一。動力、氣源、系統(tǒng)利用率低除氣動剪枝機以外，其他農(nóng)用氣動工
具很少。動力、氣源用途單一，在剪枝作業(yè)以外的時間大多閑置。
2.5設(shè)計的內(nèi)容、要求及研究意義
本次設(shè)計的剪切式氣動高枝剪，能夠避免目前高枝剪本身所具有的剪枝高
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度低、功能單一等缺點，在剪刀上連接了一個汽缸使用空氣壓縮機提供動力，降
低了勞動強度，提高了作業(yè)效率，并且具有環(huán)境污染小和使用靈活等優(yōu)點，具有
廣闊的市場前景。本文通過給定條件最大剪枝直徑30mm，對氣動高枝剪的整體結(jié)
構(gòu)進行設(shè)計，包括汽缸的選用，壓縮機的選取和連接桿的計算等。本次設(shè)計主要
內(nèi)容是：折合不少于2.5張0號圖紙的工作量，包括：（1）高枝剪的總裝圖；（2）
氣力傳動方案等部件裝配圖； 3）所有非標(biāo)零件圖；（4）用計算機輔助設(shè)計軟件
繪制高枝剪圖樣，和設(shè)計說明書的撰寫。
3 氣動技術(shù)在果樹修枝剪中的應(yīng)用
氣缸是氣動技術(shù)中最基礎(chǔ)的組件之一，它將壓縮空氣的動力轉(zhuǎn)換為機械作用
力，是氣動技術(shù)中使用最多的執(zhí)行組件。根據(jù)使用條件不同，其結(jié)構(gòu)、形狀也有
多種形式。最常用的分類就是根據(jù)作用力的方向?qū)⑵浞譃閱巫饔脷飧缀碗p作用氣
缸。
3.1 單作用氣缸與傳統(tǒng)氣動修枝剪原理
單作用氣缸是氣缸中較為基礎(chǔ)的元件，它只有一個方向的運動是靠氣壓傳
動，活塞的復(fù)位是靠彈簧力或自重或其他外力。其原理如圖3—1所示。
圖 3—1 單作用氣缸簡圖
傳統(tǒng)的氣動修枝剪的工作原理就是一個靠彈簧力復(fù)位的單作用氣缸?；钊麠U
推動的是剪刀組件中的動刀運動，與定刀咬合，完成剪切動作。
氣動修枝剪作為一個手動控制的氣動工具，要求操作簡單方便，如果使用雙
作用氣缸，則需要兩根進氣管，會增加操作麻煩。事實上，修剪作業(yè)只是在剪切
時需要較大的力量，在回位時不需要多大的力量，因此，單作用氣缸完全能夠滿
足要求。圖3—2
a)所示的是傳統(tǒng)氣動剪的結(jié)構(gòu)和組成。
（
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其工作原理如下：當(dāng)開關(guān)閥2(單向閥)按下時，壓縮空氣由氣接頭12進入，
推動內(nèi)置的活塞11運動，動力由活塞桿9傳遞給剪刀組件中的動刀5，動刀5和定
刀6咬合完成剪切樹枝動作，動作結(jié)束后，由回位彈簧8將活塞11頂回初始位置，
并帶動動刀6回位，無桿腔內(nèi)空氣從開關(guān)閥2的出氣口排除。
該類氣動剪的代表就是如圖3—2
b）所示的意大利某公司的F/4型傳統(tǒng)氣動
修枝剪，該剪重量僅為790g，最高工作壓力為1.0MPa，最大剪切直徑可達35mm，
耗氣量為80L/min。
該類型的氣動修枝剪為了增大推力，以能夠達到最大剪切直徑，在使用壓力
最高時，只能增加氣缸活塞直徑，就導(dǎo)致氣動修枝剪手柄處直徑加大，從而使人
手操作不便。另外，該類型的氣動修枝剪在使用時對手臂有較大的反沖作用力，
使操作者容易疲勞。為了解決這些問題，出現(xiàn)了新型氣動修枝剪。
圖 3—2 氣動剪結(jié)構(gòu)圖
3.2 串聯(lián)氣缸與新型氣動修枝剪原理
新型氣動修枝剪采用串聯(lián)氣缸工作原理，在同樣氣缸直徑的情況下可以增加
輸出推力，這對于手握式(手握直徑有限，普通人的最大手握直徑在50～60mm)
的氣動修枝剪而言是非常重要的。
串聯(lián)型氣缸也可稱為倍力型氣缸。它是兩個或多個單桿雙作用氣缸串聯(lián)在一
起，且兩個或多個活塞串聯(lián)在一根活塞桿上，其輸出推力為單個氣缸的兩倍或多
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倍，從而達到使用小缸徑而獲得較大輸出推力的效果，常用于氣動壓力機上或要
求輸出推力較大，且安裝空間較小，不能增加氣缸缸徑，又允許增長缸體長度的
場合，如圖3—3。
圖 3—3 串聯(lián)氣缸簡圖
該類型的氣動修枝剪的代表是瑞士某公司的F70氣動剪(圖3—4a)。其工作壓
力0.7～1.5 MPa，長度260 mm，重量710g，最大剪切直徑30mm，耗氣量24—50L/min。
與上述數(shù)據(jù)同樣重要的是其手柄處直徑僅為42 mm(要達到同樣的推力，傳統(tǒng)型氣
動剪手柄直徑在55mm以上)，還減小了氣缸作用時對手臂的反沖力，大大增加了
操作舒適度。
圖 3—4 F70 氣動修枝剪
該氣動剪的內(nèi)部結(jié)構(gòu)雖然采用串聯(lián)氣缸工作原理，但又有所不同。它由一個
單作用氣缸和一個彈簧復(fù)位的單作用氣缸串聯(lián)而成(如圖3—4b)。它有兩個進氣
口(兩個進氣口在內(nèi)部相通)，兩個氣缸的復(fù)位均是靠彈簧力，這樣它仍然只需一
根進氣管，保持了操作便利性。另外，它在結(jié)構(gòu)上將排氣口設(shè)計在剪刀后側(cè)，一
定程度上也減小了反沖力。
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4 氣動高枝剪的設(shè)計
4.1 氣缸的選擇
4.1.1 氣缸理論輸出拉力計算
取樹枝的直徑 d 0 = 30mm ，樹枝的許用剪切強度 [t ]= 3.0MPa
則樹枝的截面面積為
11
1
4
1
4
′ 3.14 ′ 30 ′10 -3
2
-6
m 2
則許用剪切力為
Fs = A[t ]= 3 ′10 6 ′ 706.85 ′10 -6 N = 2120.55N
剪刀的的受力如下圖 4—1 所示
圖 4—1 剪刀的受力
圖中 F0 —氣缸的理論輸出拉力；
F1—定刀片產(chǎn)生的支撐力；
A = pd 02 =
) = 706.85 ′10
(
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F2 —動刀片產(chǎn)生的剪切力；
L1—動刀片的動力臂；
L2 —動刀片的阻力臂；
由圖可知 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
12
F0 =
F2 L2 cosq
L1
=
2120.55 ′ 30 ′ cos 40 0
55
N = 886.06N
4.1.2 氣缸直徑的計算
氣缸的理論拉力為
F =
F0
q
式中 F—氣缸的理論拉力；
F0 —氣缸的理論輸出力，即作用于動剪刀刀柄上的力
q —負載率，在剪切樹枝時，氣缸的負載屬于阻性負載，負載不產(chǎn)生慣性力，
選取負載率q =0.85。
由上式，則氣缸的理論拉力為
F =
F0
q
=
886.06
0.85
N = 1042.42N
由于該剪枝機使用的是單作用氣缸，因此在計算氣缸的輸出推力時應(yīng)將復(fù)位
彈簧所產(chǎn)生的力計算在內(nèi)。由于復(fù)位彈簧的阻力相對于氣缸所產(chǎn)生的推力來說較
小，在氣缸工作時將其阻力忽略不計，這樣氣缸的理論拉力為
1
4
式中 D—氣缸缸徑；
p—氣缸工作壓力，取 p=1.0MPa；
h —氣缸的機械效率，一般在 0.7—0.95，隨著缸徑的增加，機械效率F = pD 2 . p.h
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也有所提高，因此選擇h = 0.85 。
則單作用氣缸直徑為
13
D =
4F
php
+ d 2 =
4 ′1042.42
1′10 6 ′ 0.85 ′ 3.14
+ (20 2 ′10 -3
2
= 44.27mm
由 D = 43.31mm ,查《機械設(shè)計手冊/氣壓傳動與控制》表 24.2—32，選取 QGAⅡ
系列氣缸，型號為 QGAⅡ50×120M F1
圖 4-2 QGAⅡ型汽缸
采用腳架式汽缸，在使用固定件將汽缸固定在伸縮桿上，可以減輕整個氣動高
枝剪的重量，使得在操作時不會影響工作效率。
與該型氣缸所連接的氣閥如下圖 4—2 所示
圖 4-3 氣閥結(jié)構(gòu)簡圖
)
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14
當(dāng)壓下手柄后，接口 A、P 相通，壓縮氣體從 P 口進入，然后由 A 口進入氣
缸。當(dāng)松開手柄時，則氣閥回復(fù)常態(tài)，接口 A、P 不通。
汽缸采用
4.1.3 驗算所選氣缸
計算剪枝切削力，氣缸理論拉力為
1 1
4 4
2
6
′ 0.85 = 1484.4N
式中 D—氣缸的直徑，D=50mm；
d—活塞桿的直徑，d=20mm；
p—氣缸工作壓力，取 p=1.0MPa；
h —氣缸的機械效率，一般在 0.7—0.95，隨著缸徑的增加，機械效率也有
所提
高，因此選擇h = 0.85
氣缸的理論拉力為
F =
F0
q
式中 F—氣缸的理論拉力；
F0 —氣缸的理論輸出力，即作用于動剪刀刀柄上的力
q —負載率，在剪切樹枝時，氣缸的負載屬于阻性負載，負載不產(chǎn)生慣性力，
選取負載率q =0.85。
由上式，則氣缸的理論輸出拉力為
F0 = Fq = 1484.4 ′ 0.85 = 1261.74N
由力矩平衡公式
F0 L1 = F2 L2 cosq
式中 F0 —氣缸的理論輸出拉力， F0 = 1261.74N ；
F2 —動刀片產(chǎn)生的剪切力；( ) [
F = p D 2 - d 2 ph = p 50 ′10 -3
) - (20 ′10 ) ]′10
-3 2
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L1—動刀片的動力臂， L1 = 55mm ；
L2 —動刀片的阻力臂， L2 = 30mm ；
q — F2 與 F2 垂直于 L2 上的分力之間的夾角，q = 40 0
則代入得，動刀片產(chǎn)生的剪切力為
15
F2 =
F0 L1
L2 cosq
=
1261.74 ′ 55
30 cos 40 0
N = 3019.66N
則 F2 = 3019.66N > Fs = 2120.55N ,
計算表明，選用該類型氣缸能把直徑為 30mm 以下的樹枝剪斷。
4.1.4 氣缸耗氣量的計算
為了給系統(tǒng)配備合適的氣源，需要對氣缸的耗氣量進行計算。氣缸空載時的
運動速度最快，此時其耗氣量也最大。
氣缸耗氣量為
q max
=
.
0.1
式中 D—缸徑，D=50mm；
d—桿徑，由于氣缸為單作用氣缸，取d=20mm；
L—氣缸行程，氣缸設(shè)計行程，L=120mm；
P—工作壓力，P=1.0MPa；
h v —氣缸的容積效率，通常取0.9—0.95，取h v = 0.9
t—氣缸一次往復(fù)行程所需的時間，包括氣缸的充氣時間和放氣時間。
氣缸充氣時間為
? p ?
è p s ?
氣缸放氣時間為
t = 5.217 ′10 -3 ′
V
kS
273.16
TS
4h v t
t充 = ??1.285 - 1 ÷÷t
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16
t放
'
= í ? ÷
? k - 1 êè p ?
k -1
ú
ú t
? p1 ? 2k ?
k -1
式中 p1—充氣前氣缸內(nèi)氣體的初始絕對壓力，充氣前氣缸內(nèi)氣壓為大氣壓力，
p1 = 0.1MPa
p s —氣源的絕對壓力， p s = 1.0MPa ；
t—充氣、放氣的時間常數(shù)(s)；
V—氣缸的容積，V = 1.57 ′10 -4 m 3 ；
k—絕熱系數(shù)，k=1.4
S—充氣的有效截面積， S = 7.065 ′10 -6 m 2 ；
Ts —氣源絕對溫度，取 Ts = 293K ；
p1' —放氣前氣缸內(nèi)的初始絕對壓力， p1' = 1.0MPa ；
p *—放氣臨界絕對壓力，一般情況下取 p * = 0.192MPa
t = t充 + t放 ? 0.76s
氣缸在工作時需要考慮到操作人員的操作反應(yīng)時間，根據(jù)試驗測算得出一個
熟練工人使用該型剪枝機在修剪樹枝時的平均修剪速度大約為4.5s修剪一次，氣
缸運動的速度大于人工修剪的速度，因此在計算氣缸的耗氣量時取 t = 4.5s 。
求得氣缸工作時的最大耗氣量為
q max =
.
0.1
= 51.2L min
這樣就可根據(jù)實際工作時配備剪枝機的個數(shù)選擇合適的空氣壓縮機進行配
套。
根據(jù)最大耗氣量，選取的空氣壓縮機為大圣靜音空壓機 2013 年新款，型號
選取為 DA7002 型。該空氣壓縮機的尺寸參數(shù)如下表：ì é
? 2k ê? p1 ? 2k
ê? * ÷
ù ü
ú + 0.945?
? 0.1013 ÷÷
yt
- 1
è
?
?
??
?
'
4h v t
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17
空氣壓縮機的外形圖片：
圖4-5 空氣壓縮機
5.連接機構(gòu)的計算
5.1汽缸與連接桿1的計算
連接桿1示意圖：
為了避免較為繁瑣的連接方式，也為了使剪切機構(gòu)能夠更好的工作，使得剪
切機構(gòu)能夠數(shù)據(jù)化，在剪刀與汽缸之間，使用2段連接方式。首先，在汽缸上連
型號
功率
額定流量
儲氣罐
毛重
凈重
外形尺寸（L/W/H）
DA7002
1700W
130L/M
50L
67KG
55KG
715*370*695mm
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圖5-2 連接桿1示意圖
接一個連接桿，在連接桿的一端車內(nèi)螺紋，根據(jù)汽缸的活塞柱直徑為18mm長度為
20mm，所以選取內(nèi)螺紋直徑為18mm，長度為27mm，連接桿的內(nèi)螺紋端直徑為20mm，
因為連接另外一根連接桿及整個氣動高枝剪尺寸的原因，另一端做成方形，中間
圓孔的直徑為4mm，方型片的厚度為1mm，長度為20mm。連接桿的總長度為87mm，
連接兩端圓柱的中間段直徑為10mm，長度為40mm。連接桿的材料選取Q235鋼。
連接桿強度的計算：汽缸的材料選用Q235鋼，汽缸活塞桿的推力為1045N。
連接桿中段的橫截面積為 A = πd =3.14*0.01=0.00314
Q235鋼的許用剪切應(yīng)力為235MP，【r】=F/A
其中：F-為工作推力，
A-為橫截面積
【r】=F/A=1045/0.00314=33MP
遠小于連接桿的許用應(yīng)力，所以連接桿1的強度符合要求。
5.2連接桿1與剪刀之間的連接機構(gòu)連接桿2的計算
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連接桿2示意圖：
圖5-2 連接桿2示意圖
連接桿的總體形狀為方片型，總長度為120mm，連接桿的寬度為10mm，因為和
連接桿1的配合原因，在距離連接桿的兩端2.69mm處加工2個直徑為4mm的圓孔，
兩根連接桿之間采用m4螺栓連接。其中連接桿1和連接桿2之間的m4螺栓連接不
能鎖死，應(yīng)該采用較為輕松的連接方式，可以使桿1和桿2之間可以自由的轉(zhuǎn)動。
對于桿2長度的計算采用如下方式：在4.1.1 氣缸理論輸出拉力計算這一段中剪
刀動刀片與水平面成135度角，動刀的移動距離大約為30mm，剪刀安裝距離連接
桿1的長度為93.86mm。所以連接桿2的長度為：
L = l / cos 30 = 93 .86 / cos 30 = 120
連接桿 2 的強度計算：
因為連接桿 1 的強度符合要求，汽缸作用在連接桿 2 上的力為作用在連接桿
1 在水平方向的分力，其值小于 1045N，而連接桿 2 的橫截面積為 A=ab=0.001,
連接桿 2 在水平方向的分力為： f = F * cos 60 = 1045 * 0.5 = 522.5 ，
所以：[r ] =
f
A
= 1045 *
1
0.001
= 104Mpa ，其值小于 Q235 鋼的許用應(yīng)力 235Mpa，
所以連接桿選用 Q235 連接強度符合要求。
圖示為連接桿 1 和連接桿 2 的連接方式：
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圖 5-3
5.3 汽缸與伸縮桿之間的連接汽缸與伸縮桿連接件設(shè)計
汽缸與伸縮桿之間的連接汽缸與伸縮桿連接件示意圖：
圖 5-4 汽缸與伸縮桿連接件
因為氣動高枝剪需要一種結(jié)構(gòu)簡單，重量輕便的機構(gòu)設(shè)計，如果在汽缸外圍
采用一個鐵的外殼包裹汽缸，會大大的增加氣動高枝剪的重量，同時，在外圍增
加外殼不利于氣動高枝剪的拆卸，如果僅僅采用汽缸與伸縮桿連接件安裝的方
式，當(dāng)氣動高枝剪發(fā)生故障時，小的問題可以不拆卸氣動高枝剪即可維修，即使
需要更換汽缸或者更換其他的零部件也只需要將連接在汽缸腳架上的汽缸與伸
縮桿連接件卸下就可以完成更換、維修等一系列任務(wù)，該結(jié)構(gòu)還便于在完成作業(yè)
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時還可以很方便的對氣動高枝剪進行清潔、保養(yǎng)等工作。
汽缸與汽缸與伸縮桿連接件的連接方式如下圖所示：
圖 5-5
汽缸與汽缸與伸縮桿連接件之間采用 M4 的螺栓連接，結(jié)構(gòu)簡單。
汽缸與伸縮桿連接件的具體尺寸為：汽缸與伸縮桿連接件上部與橋架接觸的
部分長度為 65mm，寬度為 24mm，足夠的接觸面積可以保證兩個平面之間的粗糙
度和摩擦阻力，可以使得兩個零件能夠更緊密的配合，因為伸縮桿的原因，平板
下方的圓環(huán)直徑為 30mm，圓環(huán)的厚度為 1mm，圓環(huán)的寬度為 12mm。為了使圓環(huán)
固定在伸縮桿上不能滑動，圓環(huán)不閉合，在圓環(huán)的下方開口，并延伸出 5mm，并
且做直徑為 2 的圓孔，作用為當(dāng)圓環(huán)連接在伸縮桿上時，擰緊螺栓，使得汽缸與
伸縮桿連接件及連接在汽缸與伸縮桿連接件上的汽缸不會在伸縮桿上滑動。汽缸
與伸縮桿連接件的數(shù)量為 2 個，分別連接在汽缸的兩個腳架上。因為整個汽缸及
整個氣動高枝剪的重量比較輕，兩個汽缸與伸縮桿連接件足夠保證氣動高枝剪的
剪切部分不會在伸縮桿上滑動。
5.4 汽缸復(fù)位裝置的設(shè)計
因為伸縮桿的直徑為 30mm，其內(nèi)部空間比較狹窄。因此，為了使氣動高
枝剪的結(jié)構(gòu)更為簡單，QGA-Ⅱ型汽缸不使用排氣孔，而是使用一個壓縮彈簧來實
現(xiàn)汽缸的復(fù)位，當(dāng)汽缸的活塞桿沒有收到氣壓的推動而向前運動時，彈簧處于壓
縮狀態(tài)，但是壓縮量比較小，不會產(chǎn)生較大的彈力，因此不會對汽缸的裝配位置
產(chǎn)生影響，彈簧并不能推動活塞桿向后移動。當(dāng)活塞桿收到汽缸內(nèi)壓力變化而產(chǎn)
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生的推力向前運動時，彈簧被慢慢壓縮，產(chǎn)生的彈力也越來越大，當(dāng)活塞桿向前
移動 120mm 時，此時能夠使動刀和定刀之間能夠重合完成一次樹枝的剪切，彈
簧的推力達到其最大值，查機械設(shè)計手冊得，此處選用的彈簧的抗拉強度為
1431N，大于汽缸產(chǎn)生的推力，可以將汽缸復(fù)位，此種設(shè)計方式省去了安裝排氣
管所產(chǎn)生的機構(gòu)，減輕了氣動高枝剪的整體重量，符合設(shè)計的要求和設(shè)計的思路。
汽缸的復(fù)位裝置采用彈簧連接，彈簧的示意圖如圖所示：
圖 5-6 彈簧
彈簧的具體尺寸、規(guī)格和參數(shù)是：彈簧的總長度為 30mm，彈簧的中徑為
22mm，彈簧的內(nèi)徑為 1，彈簧的外徑為 24mm，彈簧的自由度為，彈簧的圈數(shù)為
n=20 圈，壓縮彈簧的自由度為 HO=220mm，材料選用不銹鋼絲，查機械設(shè)計手冊
得，不銹鋼絲，直徑為 1mm 的壓縮彈簧的抗拉強度為 1431N，汽缸的推力為 1405N，
彈簧的抗拉強度滿足汽缸推力要求。國標(biāo)號為 GB/T 1239.6-1992。
彈簧的具體裝配位置彈簧的一端裝配在汽缸上，一端裝配在安裝剪刀的支
撐座上，兩端固定式裝配可以避免彈簧從活塞桿上滑落，同時也起到了一個限位
的作用，避免了連接桿 1 和連接桿 2 的晃動。
5.5 剪刀支撐座的設(shè)計方法
剪刀支撐座的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示：
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圖 5-7
與前面的汽缸與伸縮桿連接件相同，該剪刀支撐座
23
下部采用和相同的
機構(gòu)，將伸縮桿的上端桿套進支撐座的圓環(huán)中，然后在支撐做下端的開口部分采
用螺栓擰緊，同樣，螺栓的直徑為 4mm，將剪刀安裝在支撐座上方的小支撐架上，
就可以對剪刀的定刀起到固定的作用，剪刀與支撐座之間采用螺栓連接。
6.伸縮桿氣流控制系統(tǒng)的設(shè)計
該氣動高枝剪當(dāng)需要工作時，將剪刀對準(zhǔn)需要剪斷的樹枝，然后按下氣流
控制機構(gòu)，氣流控制機構(gòu)控制進氣管內(nèi)的氣壓變化，汽缸內(nèi)氣壓的變化改變活塞
兩端的氣壓，最終使得汽缸內(nèi)的氣壓大于活塞外側(cè)的氣壓，產(chǎn)生的壓力差推動活
塞桿向前運動。其結(jié)構(gòu)方式類似于氣動射釘槍的工作方式，因此，參照射釘槍的
工作方式設(shè)計該氣動高枝剪的氣流控制閥。目前，市場上使用最普遍的一種射
釘槍。
在這種設(shè)備中，錘擊力來源于壓縮空氣，而壓縮空氣通常是由一個獨
立的空氣壓縮機產(chǎn)生的。一個標(biāo)準(zhǔn)的空氣壓縮機與水泵的工作原理是相同
的。它具有一個或多個活塞筒，活塞筒可以在上沖程的時候從大氣中抽入空
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24
氣，在下沖程的時候?qū)⒖諝廨敵霾喝肷溽敇?。這樣可以通過軟管將壓縮空
氣源源不斷地輸入到射釘槍的儲 氣 室 中。氣動式射釘槍的錘擊裝置與螺線管
射釘槍相同：它也使用滑動活塞來驅(qū)動一個長的刀片。當(dāng)活塞頭部的氣壓大于
其底部的氣壓時，活塞被向下推動。當(dāng)活塞底部的氣壓大于其頂部的氣壓時，
活塞保持不動。觸發(fā)裝置通過引導(dǎo)壓縮空氣的流動來改變平衡狀態(tài)。下圖顯示
了這種射釘槍所使用的典型閥門系統(tǒng)：在這種設(shè)計中，活塞頭上有一個可移動的閥塞。當(dāng)
扳機處于釋放狀態(tài)，壓縮空氣會流動到閥塞的兩端。壓縮空氣一面通過儲氣室直
接流到閥塞底部邊緣，另一面通過觸發(fā)閥和一個小的塑料管，直到最后到達閥塞的上部。
由于壓縮空氣可以流通到閥塞的任意一端，空氣壓力相互平衡。但是閥塞還與彈
簧相連接，這使它向下移動。這樣就改變了壓力平衡：當(dāng)扳機處于釋放狀態(tài)，
閥塞上面的壓力總是大于其下面的壓力。這種不平衡可以使閥塞壓緊包圍在
活塞頭部的密封圈。當(dāng)閥塞處于這個位置時，流入射
釘槍的壓縮空氣不能到達活塞的頂部從而向下推動活塞。以下是扳動氣動式
射釘槍時發(fā)生的事情：觸發(fā)閥關(guān)閉，并打開一個通道與大氣相通。當(dāng)觸發(fā)閥就位時，
壓縮空氣不能流到閥塞上邊的空間。閥塞下部比其上部氣壓更大。閥塞上升，
此時壓縮空氣可以流到活塞的頂部。壓縮空氣使活塞和刀片向下運動，并將
射釘射出槍膛。當(dāng)活塞向下運動時，空氣通過一系列的孔把活塞筒中的空氣
推到回氣倉中。隨著越來越多的空氣流進槍膛，氣壓不斷升高。當(dāng)釋放扳機的時候，
壓縮空氣使閥塞返回原位，并阻止空氣流到活塞的頭部。由于沒有向下的氣壓，
回氣艙中的壓縮空氣將活塞頭部頂起來?；钊^部上方的空氣從射釘槍中排
到大氣中。從而完成了一次工作，該氣動高枝剪采用和氣動設(shè)定槍類似的氣
流控制機構(gòu)，在伸縮桿的下方安裝一個儲氣室，通過對氣壓變化的控制實現(xiàn)
對活塞桿的推動控制。氣動射釘槍的實物圖如下：
6.1氣動高枝剪伸縮桿機構(gòu)的設(shè)計
氣動高枝剪的伸縮桿機構(gòu)采用兩個直徑分別為 34mm 和 30mm 的鋁合金圓管，
壁厚為 1mm。氣動高枝剪因為要剪切高處的樹枝，所以它的重量不能太大，否則
長時間的作業(yè)會感覺到很累，此處采用鋁合金這種輕質(zhì)材料既可以減輕整個氣動
高枝剪的整體重量，同時鋁合金的價格不是很昂貴，可以做到低成本。而且因為
鋁合金的特性，在很長一段時間內(nèi)鋁合金伸縮桿都不會生銹，平時的保養(yǎng)維護工（
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作都很簡單，對水的耐腐蝕性也很好。
兩個伸縮桿的長度都是 3m，下端桿上（也就是直徑為 34mm 的圓管）的下
部安裝氣流控制機構(gòu)，在下端桿距離頂部 24mm 處加工一個直徑為 5mm 的圓孔，
用來安裝圓錐銷，圓錐銷用來固定兩個鋁合金圓管使其在定位的時候可以鎖死，
不會產(chǎn)生相對滑動，由于圓錐銷固定的方向與汽缸安裝位置相同，而且由于圓錐
銷選取的尺寸稍大，所以不用擔(dān)心在實際的工作中圓錐銷會滑落而影響剪切效
率，同時在剪切較低的樹枝時還可將上端桿收入下端桿內(nèi)，上端桿沒間隔 500mm
加工一個直徑為 5mm 的圓孔，當(dāng)拔出圓錐銷時，用來不同剪切要求進行不同高度
的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)到不同的高度時，找到位置對應(yīng)的圓孔，將圓孔對齊，再將圓錐銷
插入，就可以起到一個固定的作用。在剪切高度較低時，將直徑為 30mm 的伸縮
桿大部分收入直徑為 34mm 的伸縮桿中，因為鋁合金材料的表面較為的光滑，不
會產(chǎn)生較大的摩擦阻力，因此高枝剪的伸縮桿設(shè)計可以更為的方便快捷。
伸縮桿上端桿示意圖如下所示：
圖 6-1
伸縮桿的下端桿如下圖所示：
圖 6-2
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7.剪刀的設(shè)計
剪刀的材料選用 Q235 鋼，235 鋼的硬度足夠，剪斷樹枝是可以保證剪刀
的使用壽命，剪刀的具體設(shè)計形式如圖。
圖 6-3 剪刀定刀
圖 6-4 剪刀動刀
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8.總結(jié)
對于整個氣動高枝剪，最重要的就是保證結(jié)構(gòu)的輕便。氣動高枝剪的伸縮
桿采用鋁合金材料設(shè)計，這樣就減輕了大部分的重量，其次，汽缸的外部沒有采
用外殼固定的方式，只是采用了兩個汽缸與伸縮桿連接件連接的方式，結(jié)構(gòu)比較
的輕便，同時還不影響使用，采用彈簧復(fù)位的方式就不需要使用排氣管，也減輕
了汽缸的體積。且采用氣缸作為動力源，省力，減輕了操作的勞動強度。在這次
設(shè)計中，我系統(tǒng)地練習(xí)運用了大學(xué)四年所學(xué)的基礎(chǔ)課程和專業(yè)知識。本次設(shè)計運
用了機械設(shè)計、材料力學(xué)、理論力學(xué)、機械制圖等一系列知識。而且也查閱了許
多相關(guān)知識的書籍和期刊，從中獲取了寶貴的實際經(jīng)驗。這經(jīng)驗對我的設(shè)計起到
了至關(guān)重要的作用。通過理論與實踐的結(jié)合，使我對所學(xué)知識有了更深的認識、
理解和運用。
但是其中也有喝多不足之處，比如說，伸縮桿的導(dǎo)向定距機構(gòu)還存在很大問
題，工作時間一旦變長，圓錐銷就會產(chǎn)生滑落。同時汽缸由于裸露在外，汽缸內(nèi)
容易進入灰塵沙粒等雜物，會影響汽缸的作業(yè)效率和整個汽缸的使用壽命。同時，
氣流控制閥也是完全采用氣動射釘槍的工作原理，未能再做出自己的創(chuàng)新部分，
這是整個設(shè)計中存在的最大的缺陷。
總的來說，本次設(shè)計任務(wù)很重，其中有大量的繪圖和結(jié)構(gòu)的設(shè)計。通過這一
設(shè)計實踐，我感到自己在這方面仍存在許多不足之處。因此著手設(shè)計時，必須從
實際情況出發(fā)，力求設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低、效率高、操作簡單、
維修方便的伸縮型氣動高枝剪，這是以后我學(xué)習(xí)的方向，也是結(jié)合生產(chǎn)實際的重
要手段。
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9.致謝
時至今日，我的畢業(yè)設(shè)計就要結(jié)束了，在這不到四個月的時間了，我學(xué)到
了許多東西。從最初開始選題到初次見老師，我完全不知道我的課題該是什么樣
的，我該做些什么，甚至老師叫我們用一個寒假的時間去看文獻，我都沒有耐下
心來認真看文章。直到這學(xué)期伊始，當(dāng)我們真正進入設(shè)計的時候，我才開始真正
的一籌莫展。剛開始的幾個星期，我很是茫然，不知道突破點在哪里，總