李海超， 袁偉， 劉曉飛， 汪燁， 丁定成， 林兆海

（上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院，上海200245）

0 引言

城市綠化是當(dāng)今環(huán)保的一項(xiàng)重要內(nèi)容，而樹木是綠化的先鋒。為了保證樹木的成活率，在樹干上涂刷石灰是必要的。一座城市每年樹木涂白所要投入的人力和物力將是一筆不小的開銷，而且工作人員要進(jìn)行大量重復(fù)的勞作。手工涂白工作煩瑣、工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度較大，投入這么大的人力物力，但由于在人工進(jìn)行樹木涂白時(shí)，涂白質(zhì)量也無法統(tǒng)一，而導(dǎo)致工作效果又不怎么明顯，對(duì)于我們現(xiàn)在科技發(fā)達(dá)、機(jī)械化的現(xiàn)代社會(huì)，用一臺(tái)機(jī)器來代替這所有的工作，不僅會(huì)大大減輕人們的工作負(fù)擔(dān)，而且節(jié)省大量的人力資源。

1 樹木涂白機(jī)械的總體設(shè)計(jì)原理

在手推車上放置一個(gè)盛有石灰水的容器，為了防止石灰水凝固，在其上加入攪拌裝置，在容器的前端開有通孔，接有軟管，與輸出泵入口相接，將軟管另一端固定在機(jī)械手臂的內(nèi)槽，并且軟管中間平面以下均勻開有小孔；機(jī)械手臂通過絲杠螺母機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到指定工作位置，在輸出泵的液壓力作用下將石灰水通過軟管小孔噴出，通過調(diào)節(jié)輸出泵功率來調(diào)節(jié)噴涂流量大小，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 組成部件

1）機(jī)械手臂作為執(zhí)行部件是本機(jī)械的核心，采用一對(duì)半圓形的夾子結(jié)構(gòu)，其主要運(yùn)動(dòng)方案是通過齒輪杠桿式機(jī)械結(jié)構(gòu)（詳見傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）帶動(dòng)機(jī)械夾子，以實(shí)現(xiàn)其張開與閉合。同時(shí)為了適應(yīng)不同粗細(xì)樹木的噴刷工作，使其具有更為廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，根據(jù)目前常見樹種及其不同時(shí)期的直徑，設(shè)計(jì)了3種尺寸的機(jī)械夾子，分別為350 mm、550 mm、750 mm；同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)快速互換機(jī)械夾子，將夾子與機(jī)械手臂之間采用型面連接，并且做了可靠性校核，滿足要求。由于機(jī)械手臂主要是傳遞運(yùn)動(dòng)，受力較小，為了降低成本，同時(shí)減輕裝置整體質(zhì)量，采用工程塑料，這種塑料能承受一定外力作用，具有良好的機(jī)械性能和耐高、低溫性能，尺寸穩(wěn)定性較好。其結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

圖1 整體裝配圖

圖2 機(jī)械手臂

圖3 機(jī)械手臂簡(jiǎn)圖

2）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。工作臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)，主要是依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)為了自鎖功能，采用單向超越離合器，結(jié)構(gòu)如圖4所示。當(dāng)螺母因?yàn)樽灾叵禄?，試圖讓星輪逆轉(zhuǎn)時(shí)，因?yàn)殡姍C(jī)停止，外圈不會(huì)動(dòng)，給滾柱反作用力，滾柱會(huì)被卡住，星輪以及用鍵與星輪連接的絲杠就不能逆轉(zhuǎn)）。工作臺(tái)的左右運(yùn)動(dòng)，這里我們也采用絲杠螺母運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來進(jìn)行傳動(dòng)（見圖5）。機(jī)械手臂末端執(zhí)行器采用齒輪杠桿式手部，驅(qū)動(dòng)桿末端制成雙面齒條，與扇齒輪相嚙合，而扇齒輪與機(jī)械夾子連接在一起，可繞支點(diǎn)回轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)齒條作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，即可帶動(dòng)扇齒輪回轉(zhuǎn)。從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械夾子的開合。這種機(jī)械手部開合角較大，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 單向超越離合器

圖5 工作臺(tái)

動(dòng)力系統(tǒng)：為便于長期連續(xù)使用，采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，輸出功率為7.5 kW，配合離合器和變速箱使用;因?yàn)槭宜哂懈g性，輸出泵為特質(zhì)高強(qiáng)度耐酸堿，輸出功率為5 kW；為了使液固流體保持懸浮狀態(tài)并順利輸出，加入攪拌裝置。

圖6 石灰水輸送系統(tǒng)

3 樹木涂白機(jī)械的工作過程

參考圖 7（a）～圖 7（e），第 1 步：主工作臺(tái)上升到預(yù)定涂白高度；第2步：機(jī)械手臂前伸至樹前，在電機(jī)的帶動(dòng)下張開120°；第3步：機(jī)械手臂閉合；第4步：液壓泵工作，同時(shí)機(jī)械手臂下降；第5步：至樹底，機(jī)械手臂松開，機(jī)械手臂自動(dòng)上升到涂白高度；第6步：推動(dòng)下車至下一樹前，重復(fù)第3步～第5步。

圖7 工作簡(jiǎn)圖

4 應(yīng)力應(yīng)變分析

機(jī)械手臂主要采用高強(qiáng)度塑料，質(zhì)量較輕，對(duì)強(qiáng)度要求不高，故不進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，而全部裝置都安裝在手推車上，且手推車需進(jìn)行長時(shí)間拖動(dòng)，所以對(duì)小車進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8

圖9 工作范圍示意圖

通過對(duì)結(jié)果分析，在小車中間部位應(yīng)力集中且較大，變形量也較大，長時(shí)間使用將使小車面板壓彎，破壞機(jī)械正常工作條件，影響機(jī)械精確度，使機(jī)械達(dá)到預(yù)期使用壽命。

由上述結(jié)果分析，在小車底部加入肋板結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其強(qiáng)度，剛度，和穩(wěn)定性。

5 工作情況分析

噴射壓力：5～7 MPa；有效噴射角：120°；噴射半徑：300～500 mm；噴射流量：200～300 mL/s。

6 對(duì)比試驗(yàn)

在制造出樣機(jī)后，我們進(jìn)行了與傳統(tǒng)手工涂刷方式的對(duì)比試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采取分組制，并且考慮了兩種直徑的樹木，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，通過對(duì)比兩種涂白方式的用時(shí)，可以看出，機(jī)械涂白的方式確實(shí)大大提高了效率，并且對(duì)于直徑越大的樹木越明顯；此外在噴涂質(zhì)量上較人工有大的提高，如圖10所示，基本達(dá)到全覆蓋，體現(xiàn)了機(jī)械裝置較人工高效率與高質(zhì)量并存的特點(diǎn)。

圖10 手工涂白與機(jī)械涂白的效果比較

表1

7 結(jié)語

涂白機(jī)的研制很好地實(shí)現(xiàn)了樹木涂白的機(jī)械化，使傳統(tǒng)的勞動(dòng)強(qiáng)度大、任務(wù)繁重、工作效率低的涂白方式轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛣趧?dòng)強(qiáng)度、操作簡(jiǎn)便、高效率的機(jī)械涂白方式。經(jīng)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)證明，機(jī)械噴涂方式涂白與人工涂刷方式涂白相比，平均每株樹木的涂白速度提高了約10倍，每株樹木節(jié)約成本約30%，具有廣闊的前景。

［1］ 濮良貴，陳國定.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］ 陸明炯.實(shí)用機(jī)械工程材料手冊(cè)［M］.沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2004：

［2］ 于慧力.機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)指導(dǎo)［M］.北京：科學(xué)出版社，2008.

［4］ 郭洪紅.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)［M］.2版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012.