一种树木涂白机械的设计与分析

李海超， 袁伟， 刘晓飞， 汪烨， 丁定成， 林兆海

（上海电机学院机械学院，上海200245）

0 引言

城市绿化是当今环保的一项重要内容，而树木是绿化的先锋。为了保证树木的成活率，在树干上涂刷石灰是必要的。一座城市每年树木涂白所要投入的人力和物力将是一笔不小的开销，而且工作人员要进行大量重复的劳作。手工涂白工作烦琐、工作效率低、劳动强度较大，投入这么大的人力物力，但由于在人工进行树木涂白时，涂白质量也无法统一，而导致工作效果又不怎么明显，对于我们现在科技发达、机械化的现代社会，用一台机器来代替这所有的工作，不仅会大大减轻人们的工作负担，而且节省大量的人力资源。

1 树木涂白机械的总体设计原理

在手推车上放置一个盛有石灰水的容器，为了防止石灰水凝固，在其上加入搅拌装置，在容器的前端开有通孔，接有软管，与输出泵入口相接，将软管另一端固定在机械手臂的内槽，并且软管中间平面以下均匀开有小孔；机械手臂通过丝杠螺母机构运动到指定工作位置，在输出泵的液压力作用下将石灰水通过软管小孔喷出，通过调节输出泵功率来调节喷涂流量大小，其结构如图1所示。

2 组成部件

1）机械手臂作为执行部件是本机械的核心，采用一对半圆形的夹子结构，其主要运动方案是通过齿轮杠杆式机械结构（详见传动机构）带动机械夹子，以实现其张开与闭合。同时为了适应不同粗细树木的喷刷工作，使其具有更为广泛的实际应用价值，根据目前常见树种及其不同时期的直径，设计了3种尺寸的机械夹子，分别为350 mm、550 mm、750 mm；同时为了实现快速互换机械夹子，将夹子与机械手臂之间采用型面连接，并且做了可靠性校核，满足要求。由于机械手臂主要是传递运动，受力较小，为了降低成本，同时减轻装置整体质量，采用工程塑料，这种塑料能承受一定外力作用，具有良好的机械性能和耐高、低温性能，尺寸稳定性较好。其结构如图2、图3所示。

图1 整体装配图

图2 机械手臂

图3 机械手臂简图

2）传动机构。工作台的上下运动，主要是依靠电机驱动丝杠螺母导轨上下运动，同时为了自锁功能，采用单向超越离合器，结构如图4所示。当螺母因为自重下滑，试图让星轮逆转时，因为电机停止，外圈不会动，给滚柱反作用力，滚柱会被卡住，星轮以及用键与星轮连接的丝杠就不能逆转）。工作台的左右运动，这里我们也采用丝杠螺母运动机构来进行传动（见图5）。机械手臂末端执行器采用齿轮杠杆式手部，驱动杆末端制成双面齿条，与扇齿轮相啮合，而扇齿轮与机械夹子连接在一起，可绕支点回转，驱动力推动齿条作直线往复运动，即可带动扇齿轮回转。从而实现机械夹子的开合。这种机械手部开合角较大，满足设计要求。

图4 单向超越离合器

图5 工作台

动力系统：为便于长期连续使用，采用柴油机驱动，输出功率为7.5 kW，配合离合器和变速箱使用;因为石灰水具有腐蚀性，输出泵为特质高强度耐酸碱，输出功率为5 kW；为了使液固流体保持悬浮状态并顺利输出，加入搅拌装置。

图6 石灰水输送系统

3 树木涂白机械的工作过程

参考图 7（a）～图 7（e），第 1 步：主工作台上升到预定涂白高度；第2步：机械手臂前伸至树前，在电机的带动下张开120°；第3步：机械手臂闭合；第4步：液压泵工作，同时机械手臂下降；第5步：至树底，机械手臂松开，机械手臂自动上升到涂白高度；第6步：推动下车至下一树前，重复第3步～第5步。

图7 工作简图

4 应力应变分析

机械手臂主要采用高强度塑料，质量较轻，对强度要求不高，故不进行应力应变分析，而全部装置都安装在手推车上，且手推车需进行长时间拖动，所以对小车进行有限元分析，结果如图8所示。

图8

图9 工作范围示意图

通过对结果分析，在小车中间部位应力集中且较大，变形量也较大，长时间使用将使小车面板压弯，破坏机械正常工作条件，影响机械精确度，使机械达到预期使用寿命。

由上述结果分析，在小车底部加入肋板结构，增强其强度，刚度，和稳定性。

5 工作情况分析

喷射压力：5～7 MPa；有效喷射角：120°；喷射半径：300～500 mm；喷射流量：200～300 mL/s。

6 对比试验

在制造出样机后，我们进行了与传统手工涂刷方式的对比试验，实验采取分组制，并且考虑了两种直径的树木，实验结果如表1所示，通过对比两种涂白方式的用时，可以看出，机械涂白的方式确实大大提高了效率，并且对于直径越大的树木越明显；此外在喷涂质量上较人工有大的提高，如图10所示，基本达到全覆盖，体现了机械装置较人工高效率与高质量并存的特点。

图10 手工涂白与机械涂白的效果比较

表1

7 结语

涂白机的研制很好地实现了树木涂白的机械化，使传统的劳动强度大、任务繁重、工作效率低的涂白方式转变为低劳动强度、操作简便、高效率的机械涂白方式。经项目实验证明，机械喷涂方式涂白与人工涂刷方式涂白相比，平均每株树木的涂白速度提高了约10倍，每株树木节约成本约30%，具有广阔的前景。

［1］ 濮良贵，陈国定.机械设计［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］ 陆明炯.实用机械工程材料手册［M］.沈阳：辽宁科学技术出版社，2004：

［2］ 于慧力.机械设计学习指导［M］.北京：科学出版社，2008.

［4］ 郭洪红.工业机器人技术［M］.2版.西安：西安电子科技大学出版社，2012.