小型车载树干涂白机的设计及三维建模

小型车载树干涂白机的设计及三维建模

孙彦博 ，赵文斌，刘芬

山东英才学院 工学院，山东 济南 250104

摘要：本文对自动化树干涂白机械进行了创新设计和研究，所设计的小型车载树干涂白机适用于城市道路、密林、山坡地等多种地形，能够实现对不同直径、不同倾斜角度的树干的均匀高效喷涂。较大程度提高了树干涂白的质量和效率，降低劳动力。本文对小型车载树干涂白机各组成部分的具体结构进行了设计，并利用NX软件完成了三维建模。

关键词：树干涂白；NX；三维建模；车载

1引言

随着人们对生态环境重视程度的不断提高，植被保护工作变得尤为重要。树干涂白是通过将涂白剂均匀地附着在树干表面来实现对树干的保护。树干涂白可以有效地保护树体，减少病虫害；加速树干伤口愈合，降低伤口处水分流失；还可以反射40%~50%的阳光，减少热量吸收，有效防止日灼。

目前我国树干涂白操作多为人工方式，主要有以下两种：一是两到三人为一组对一棵树使用毛刷进行涂白，这种方式效率低且涂白效果参差不齐，而且工人在涂白过程中需要不断地弯腰进行涂抹，劳动损伤比较大，同时由于距离较近，容易吸入涂白剂中的有毒物质，危害健康；二是工人通过手持喷涂机械爪对树干进行涂白，这种方式要求工人在工作过程中一直拿着喷涂装置，同时需要背负供电装置等设备，负重较大，对工作人员不够友好。

为解决目前国内树木涂白工作中存在的痛点问题，本文设计了一款能够应用于城市道路、密林、坡地等多种地形的小型车载树干涂白机，能够高质量、高效地完成树干涂白工作，大幅度降低树干涂白的时间成本和人力需求，提高工人工作时的舒适度，降低工作压力，避免了重复工作的可能。本文在对该涂白机进行了结构设计和校核计算的基础上，利用NX12.0软件对设备整体进行了三维建模以及运动仿真，更加直观的展示了该设备的装配关系和工作原理，为后续的优化设计和性能升级奠定了基础。

2结构组成

本文所设计的小型车载树干涂白机主要由喷涂装置、涂料输送装置、涂料搅拌装置和行走装置组成，具有操作方便稳定、涂白质量高、工人负担小、机动灵活等优点，其在装配完成后的整机三维模型如图1所示。

图1 小型车载树干涂白机整机模型

2.1喷涂装置

喷涂装置由电动机、导轨、电动推杆、旋转臂、机械手旋转电机、环抱机械手爪以及喷管等部分组成，如图2所示。该喷涂装置可进行左右旋转、上下移动以及机械手爪开合等运动，实现对树木的环抱式喷涂，能够有效提高喷涂质量和效率，并避免了涂料的浪费。

图2 喷涂装置

（1）左右旋转：电动推杆通过旋转臂，可带动环抱机械手爪实现180°旋转；

（2）上下移动：导轨电动机带动环抱机械手沿导轨实现上下移动，从而达到合适的喷涂高度；

（3）机械手爪开合：环抱机械手爪安装在车体最前端，由旋转电动机通过齿轮传动控制其开合，如图3所示，可以实现对不同粗细的树干进行环抱，并能有效贴合树干；

图3 机械爪开合传动装置

（4）喷管喷涂：环抱机械手爪内侧安装有喷管，其上均匀分布了多个喷头，采用小液滴高压喷涂方式，有效提高了涂白的均匀程度，并能够避免涂白剂凝固导致喷头堵塞的问题发生。

该喷涂装置可在环抱机械手爪对树干进行环抱后，实现360°均匀喷涂，机械手爪每上下运动一次就能实现对一棵树干的快速涂白，较大的提高了工作效率，保证了涂白质量，实现了树木涂白的高效化作业。

2.2涂料输送装置

涂料输送装置位与操作机位下部，由液压泵、马达和输送管路组成，为了满足小型车载的设计需求，使输送装置更加的节省空间，本文采用了液压泵与马达一体化设计，如图4所示。

图4 液压泵与马达一体化设计

通过对目前常用液压泵性能对比分析，以及根据系统负载要求进行计算，选用了YB1-E型号的双作用定量叶片泵，额定转速960r/min。在正常输送涂白剂的同时，能够保证持久的工作能力。

2.3搅拌装置

早期的搅拌车都是利用阿基米德螺旋线设计，后来又在此基础上进行对螺旋叶片进行修改，逐渐形成了现在大型搅拌车上常见的梨形拌筒。考虑到涂白剂的搅拌装置所需搅拌力较小，不需要采用像搅拌水泥一样的大型搅拌设备，因此设计了一款扇形的搅拌曲线代替螺旋线，如图5所示。工作时，通过固定在支架上的电动机带动搅拌涡轮，实现对涂料的高效充分搅拌。

图5 搅拌装置

2.4行走装置

本文所设计的小型车载树干涂白机能够应用于城市道路、密林、坡地等多种地形，以三轮车为主体，提高车体行走稳定性的同时还可以减小车体外形尺寸，便于密林作业。其后轮采用行星轮，如图6所示，通过电机带动齿轮转动，齿轮将动力传递到三个轮子上，车体前进时三个轮子同时转动，提高了车体移动过程中的平稳性，并能更好地适应崎岖不平的地形。

图6 行走装置

3工作过程

当车体移动至需要涂白的树木附近时，旋转电动机控制车体前端的环抱机械手爪逐渐张开，如图7所示。根据树干的直径控制手爪开合运动，实现对树干的环抱，如图8所示。

当机械手爪完成对树干的环抱后，液压泵和马达将搅拌装置内的涂白剂输送至机械爪喷头位置，电机带动机械爪进行上下及左右移动，并在移动过程中以小液滴高压喷涂方式对树干进行涂白。机械爪经过一次上下的往复运动后，旋转电动机再次启动控制机械手爪张开，完成对一棵树木的涂白工作，移动至下一棵树木。

此外，在对倾斜程度较大的树干进行涂白时，机械手爪可从导轨处拆下，由工人手持对树干进行涂白，即可实现自动涂白与人工涂白两种作业方式的灵活切换，从而具备更广的应用范围。

图7 机械手爪张开

图8 机械手爪闭合

4 结论

本文具体设计了小型车载树干涂白机各部分的结构组成，并利用NX12.0软件对其进行三维建模和整体装配，以动态仿真的形式将其喷涂装置、搅拌装置等的工作原理和工作过程清晰、形象的展示出来。本文所设计的涂白机采用环保树干喷涂的方式，可对直径在20厘米至50厘米的树干实现高质量的均匀涂白。能够实现半自动喷涂作业方式和人工作业方式的自由切换，对于倾斜角度过大或者拥挤地带的树干也可方便地进行涂白作业，能够适应更多环境。在保证涂白质量的同时，大大提高工作效率，降低了用人成本，具有良好的实际应用价值和市场潜力。

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