CN110663379A - 履带式自动上树修枝装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种履带式自动上树修枝装置，包括攀爬装置和连接于攀爬装置上端的刀具组件；所述攀爬装置包括机架、同向设置且具有动力的两条同步履带和与同步履带靠拢从而夹紧树干的自由轮，所述自由轮和同步履带均通过机架连接并具有如下位置关系：在俯视方向上，当所述攀爬装置处于夹紧状态时，两条同步履带和自由轮夹持住一个圆形的理想树干并形成三个接触点，所述三个接触点分别向理想树干的圆心做连线后将理想树干分割为三个扇形，所述三个扇形的圆心角均小于180°。该装置工作可靠、攀爬力强且对树皮损害较小，可适应凹凸不平的、并非理想圆柱体的树干，且对于树干上细下粗的锥度也具有良好适应性，且工作效率极高。

Description

履带式自动上树修枝装置

技术领域

本发明涉及树枝修剪设备技术领域，尤其涉及一种履带式自动上树修枝装置。

背景技术

对生长期的林木进行适时的修枝，不仅可以减少衰老枝条对阳光的遮挡，提高林木间空气的流动，增强林木的光合作用，提高林木的产量；而且可以提高林木的通直度，减少节眼，是获得优质木材的有效手段。传统的树木剪枝工作通常是通过人工进行的，费时费力，且养护效率相对较低。因而产生了不少自动上树的修枝装置替代人工，但由于树木大多数是竖直生长，对机器爬树天然不利，如果攀爬力不足，则会出现打滑攀不上去的现象，工作可靠性差；而加强攀爬力则会对树皮施加较大接触应力，损伤树皮，而树皮是树木生长输送养分的重要器官，因而攀爬过后会对树木产生较大健康损害。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种工作可靠且对树皮损害较小的履带式自动上树修枝装置。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种履带式自动上树修枝装置，包括攀爬装置和连接于攀爬装置上端的刀具组件；所述攀爬装置包括机架、同向设置且具有动力的两条同步履带和与同步履带靠拢从而夹紧树干的自由轮，所述自由轮和同步履带均通过机架连接并具有如下位置关系：在俯视方向上，当所述攀爬装置处于夹紧状态时，两条同步履带和自由轮夹持住一个圆形的理想树干并形成三个接触点，所述三个接触点分别向理想树干的圆心做连线后将理想树干分割为三个扇形，所述三个扇形的圆心角均小于180°。

进一步的：所述三个扇形的圆心角均小于140°。

进一步的：还包括带轮和马达，同步履带通过所述带轮与机架连接，为同步履带提供动力的带轮与同一个马达传动连接；所述马达为液压马达。

进一步的：所述同步履带为同步齿形带，所述带轮为齿轮；所述带轮具有凸肩，所述同步履带具有与凸肩相配合的带内槽。

进一步的：所述同步履带为外表面具有外横齿的橡胶带。

进一步的：还包括夹紧臂和夹紧缸，夹紧臂的一端连接自由轮的轮轴，夹紧臂的中部与机架的一侧边转动连接，夹紧臂的另一端与夹紧缸的一端转动连接，夹紧缸的另一端与机架转动连接；所述夹紧缸为气缸。

进一步的：两条同步履带的带面呈90°设置，自由轮的胎面中心线位于两条同步履带相邻带面的夹角的角平分线之上。

进一步的：所述刀具组件包括在俯视方向上围成圆环形的刀具和与所述刀具连接的刀架，所述圆环形与理想树干具有相同直径，所述刀架固定连接于机架上端。

进一步的：所述刀具包括上层剃刀、相对于上层剃刀靠下的两条中层剃刀和相对于中层剃刀靠下的两条下层剃刀，俯视方向上，较下层的剃刀与较上层的剃刀具有重合点。

进一步的：各个中层剃刀和下层剃刀均固定连接有剃刀转轴，剃刀转轴与所述刀架转动连接，剃刀转轴传动连接有回转气缸。

通过采用上述技术方案，本发明的技术效果是提供了一种履带式自动上树修枝装置，该装置工作可靠、攀爬力强且对树皮损害较小，可适应凹凸不平的、并非理想圆柱体的树干，且对于树干上细下粗的锥度也具有良好适应性，且工作效率极高。

附图说明

图1是本发明由前上方观察到的结构示意立体图；

图2是本发明由侧上方观察到的结构示意立体图；

图3是本发明由后上方观察到的结构示意立体图；

图4是本发明的结构示意俯视图；

图5是本发明的攀爬装置由侧前方观察到的结构示意立体图；

图6是本发明的攀爬装置由侧后方观察到的结构示意立体图；

图7是本发明的同步履带的结构示意图；

图8是图7中A-A处剖视图；

图9是本发明的同步履带与轮胎之间的位置关系示意图；

其中， 1-加紧臂、2-夹紧缸、3-转轴、4-同步履带、5-机架、6-后支撑臂、7-马达、8-自由轮、9-前支撑臂、10-联动箱、11-轮齿、12-带内齿、13-凸肩、14-带轮、15-带内槽、16-连线A、17-履带接触点A、18-履带接触面、19-履带接触点B、20-连线B、21-连线C、22-轮胎接触面、23-轮胎接触点、24-理想树干、25-外横齿、26-刀具组件、27-攀爬装置、28-螺栓、29-上层刀架、30-剃刀转轴、31-剃刀齿轮、32-上层剃刀、33-中层剃刀、34-下层剃刀、35-下层刀架、36-回转气缸、37-中层刀架、38-椭圆孔、39-回转齿轮。

具体实施方式

如图1所示，本发明分为上部的刀具组件26和下部的攀爬装置27两部分。

下面首先具体讲述攀爬装置27的相关结构：

如图5和图6所示，本装置的主要功能部件包括两条同向设置（即大体朝向同一前进方向设置）且具有动力的同步履带4和与同步履带4靠拢从而夹紧树干的自由轮8，所述自由轮8和同步履带4均通过机架5连接。所述同步履带即带体的线性移动速度相互同步的履带，既可以是两条以上履带由同一动力装置同时驱动，也可以是两条以上履带分别具有动力装置而动力装置具有同步性（例如伺服电机）。所述自由轮即可自由转动的轮胎。

上述两条同步履带4和自由轮8之间具有如图9所示的位置关系：图9是垂直于本装置的前进方向的视图（也即相当于本发明俯视方向上的视图），两条同步履带4具有各自的履带接触面18，在自由轮8靠近同步履带4的一侧为轮胎接触面22，在自由轮8夹紧后，即本装置处于夹紧状态时，由两个履带接触面18和一个轮胎接触面22夹持住一个圆形的理想树干24，理想树干24即为设计时所设想的树干截面，两条同步履带4与理想树干24的接触点分别为履带接触点A17和履带接触点B19，轮胎接触面22与理想树干24的接触点为轮胎接触点23（对于弧形胎面的轮胎，弧形胎面靠近同步履带4一侧上的任一点可为轮胎接触点23），由履带接触点A17、履带接触点B19和轮胎接触点23各自向理想树干24的圆心做连线，分别形成连线A16、连线B20和连线C21，连线A16、连线B20和连线C21将理想树干24分割成三个扇形，所述三个扇形的圆心角均小于180°。

需特别说明的是：上述自由轮8和两条同步履带4相靠拢夹紧，既可以是三者均具有夹紧机构，也可以是其中一者具有夹紧机构从而可向另外两者靠拢，均可实现自由轮8与两条同步履带4中的一条或全部相靠拢来夹紧树干，并不必须仅仅是自由轮8具有夹紧机构。所述夹紧机构可以使用连杆机构、螺纹顶紧机构或凸轮顶杆机构等。

由于自由轮8和两条同步履带4夹紧后在设想的树干上（即理想树干24）能有三个指向圆心的夹紧力，且夹紧力之间的夹角小于180°，各夹持分力均能被抵消，使被夹紧后的树干不会在夹紧力作用下被挤出夹紧装置，从而夹持的更为牢固。此外由于两条同步履带4与树干形成线接触且是具有动力的，而自由轮8与树干形成点接触且为从动轮，故本装置具有如下特点：攀爬力的主要来源是由线接触的履带提供的，因而接触应力较小却具有较大攀爬力，且攀爬力是由2条带面成角度设置的同步履带来提供，攀爬力强劲且可靠，因为实际的树干毕竟是凹凸不平的、并非理想圆柱体，与主动轮接触的树皮不仅受夹持压力，还受到攀爬切向力，总体受力较大，受力一旦集中到某点，该点树皮被损伤的程度会较大，而树皮一旦损伤脱落又会使攀爬装置出现打滑、攀爬力下降的问题，故本装置相比于单动力履带、双从动轮的方案，其在一个履带遇到树干凸起物形成点接触后，而另一履带还能与树干保持较好贴合，从而降低树皮受到的接触应力，既保证树皮完好又提供了强劲的攀爬力、防止打滑。此外实际树干且还呈一定的上细下粗的锥度，而三个夹持点全部采用动力履带的方案会很难适应该锥度，因为各履带间通常都平行设置；并且如果不平行地成夹角设置，在实际操作中也难以量化调整，很难适应不同树木的锥度差别，从而在使用过程中设备会产生不稳定晃动，既影响机器的稳定工作又损伤树皮，而本装置相比于三动力履带的方案，省去了一个动力部件，使得整机的结构复杂度降低，且为了保证三履带同步性而涉及的传动或运动控制的复杂度也降低，既降低整机成本也提高整机工作可靠性；另外由于从动件为点接触的轮胎，从而在夹紧树干后，能够在呈锥度的树干上使两条同步履带始终与树干保持较好的线接触，消除设备晃动、保护了树皮保证了攀爬力，且可适应不同的树干锥度，增加了适应性。

进一步的，在上述方案中由于夹紧力之间的夹角在略小于180°时，夹持分力的抵消作用会较差，且一般加持部件为了保护树皮和贴合更好，会采用弹性材料，在运行过程中，树干可能在夹紧力夹角在略小于180°的敞口处滑脱，故优选地，构成理想树干24的前述三个扇形的圆心角均小于140°时可有效防止树干滑脱问题。

下面是本发明的一个优选实施例的具体结构：

如图5至图7所示，两条同步履带4通过带轮14及转轴3与机架5连接，其中一个转轴3与马达7相连，从而使相应同步履带4获得动力。为了保证两条同步履带4的同步性，为两条同步履带4提供动力的两根转轴3通过联动箱10连接，联动箱10之内是两个分别与相应转轴3连接的锥齿轮，两个锥齿轮的传动比为1:1。这样仅使用一个动力装置为两条履带提供动力的方案，可有效降低设备总重，更利于设备攀爬。

优选的，上述马达7为液压马达，因为液压马达的体积小重量轻且扭矩大，非常适合为同步履带4提供攀爬力，尤其是为两条履带同时提供动力。

本优选例的夹紧机构为连杆式的，其具体为在机架5的一侧固定连接有前支撑臂9，前支撑臂9的外端转动连接夹紧臂1的的中部，机架5的背部固定连接有后支撑臂6，后支撑臂6的外端转动连接有夹紧缸2的一端，夹紧缸2的另一端转动连接夹紧臂1的一端，在夹紧臂1的另一端连接自由轮8的轮轴。由于只是让自由轮8来完成夹紧位移，相比其他让履带完成夹紧位移的方案，该种夹紧装置结构简单，造价便宜，且整体重量较轻，自重轻则可节省攀爬动力。

优选的，上述夹紧缸2为气缸，气缸相比液压缸，在满足夹紧力要求的情况下具有自重轻、价格低廉的特点，特别适合为爬树装置提供夹紧力。

本优选例的两条同步履带4的转轴3形成90°，即两条同步履带4的带面呈90°设置，自由轮8的胎面中心线位于两条同步履带4相邻带面的夹角平分线之上。这样设置后上述三个扇形的圆心角分别为90°和2个135°。由于本实施例的夹紧装置仅为一套，且是由自由轮8来完成夹紧，两个同步履带4之间不进行朝向树干轴心的夹紧，因而两个同步履带4的夹紧力完全由自由轮8的夹紧反力形成，在前述夹紧反力形成的过程中，表面凹凸的树皮会产生形变并与同步履带4之间产生一定位移，如果两个同步履带4夹角过小（呈锐角），则经过较大位移之后才能产生足够夹紧力，因而把树皮擦伤。而上述角度设置的同步履带4和自由轮8则既保证足够的夹紧效果有尽量避免树皮损伤、保护树木。

另外，如图7所示，为了适应树皮上凹凸不平的表面，本优选例的同步履带4的外表面具有外横齿25，且使用橡胶材质，使履带具有弹性从而具有更有的形变附着能力。本优选例的同步履带4为了保证同步性，采用同步齿形带，即履带内表面具有带内齿12，带轮14上也具有与带内齿12相配合的轮齿11，从而可使两个同步的带轮14带动两条履带实现同步性。

此外如图7和图8所示，为了防止同步履带4在运行过程中出现跑偏，即皮带脱离带轮14的情况，本优选例的带轮14具有凸肩13，同步履带4的内表面具有与凸肩13相配合的带内槽15（本实施例具体为在带内齿12的中部形成隔断凹槽），由于凸肩13和带内槽15的配合，使得同步履带4始终与带轮14对齐，防止皮带跑偏而造成皮带飞出或带边与机架磨损的情况。

下面具体讲述刀具组件26的相关结构：

如图2和图3所示，刀具组件26是固定连接于攀爬装置27的上部的，刀具分为上中下三层，下层刀架35左右各有一个，并固定连接于攀爬装置27的机架5的侧边的上端，左右下层刀架35之内各设置有一把互成镜像对称的下层剃刀34。下层剃刀34连接有剃刀齿轮31，剃刀齿轮31通过剃刀转轴30与下层刀架35转动连接。下层刀架35还连接有回转气缸36，回转气缸36的输出轴上设置有回转齿轮39，回转齿轮39与剃刀齿轮31相啮合，从而使控制回转气缸36的正反旋转即可实现一对下层剃刀34的开合。中层刀架37设置在机架5的中部顶端，中层刀架37内设置有互为镜像对称的一对中层剃刀33，中层剃刀33同样通过类似于下层刀架35内的相关结构，最终分别各由一个回转气缸36控制相应刀体的开合。在中层刀架37的顶部还设置有上层刀架29，上层刀架29为长条板状，在板的一端焊接有上层剃刀32，在板的另一端设置有四个可用于调整刀架位置以适应不同树干直径的椭圆孔38，上层刀架29通过穿过于椭圆孔38的螺栓28与中层刀架37固定连接。

如图4所示，在全部剃刀合拢之后，即刀具组件26处于合拢状态时，上中下三层剃刀在俯视方向上可围成一个圆环形（为保证修枝作业顺利良好的完成，较下层剃刀应与较上层剃刀具有重合点），该圆环形与理想树干24的直径相同。需要说明的是，只要可围成与理想树干24的直径相同的圆环形的刀具均可适用于本刀具组件26；另外即便不合围成圆环的单一刀具亦可应用于此，只是在使用时需不断上升下降后再围绕树干变换角度，不如合围式剃刀一次上下就可完成作业；此外从刀具形式来说，不管是仅具有简单刀刃的剃刀，还是可转动切割的锯刀、链锯等均可适用于本刀具组件26。

本发明的剃刀采用分为上中下三层、共五片这种设置，是因为实际树干的直径不可能完全符合理想树干24的直径，本装置的攀爬装置27是在一定范围内可适应多种直径树干的，而刀具组件26也应适应该要求，如果仅采用两片合围式的刀具，则由于刀具的弧度不可变更，只能适应单一直径树干，对于其他直径树干还需更换刀具，十分繁琐；而五片合围的刀具可在一定程度上扩张与收缩，尽管无法形成完美的圆环形，但五段圆弧合围的环形仍可大体贴合完美圆环，从而适应了不同直径树干，尤其是树干在具有上细下粗的锥度时，合围的剃刀在回转气缸36的一直作用下可始终贴合树干、适应树干直径变化来进行修枝，杜绝出现下面剃净上面留根的情况，保证了上下大体一致的修枝效果。此外，刀具分为5片，提高了刀具的承载能力，例如如果刀具为两片合围式，则单一刀具的末端至旋转轴会有一个约为圆环直径的长度，而本装置的刀具末端至旋转轴（剃刀转轴30）的距离大致仅比圆环半径略大，从而减少了刀具受力的力臂长度，尤其当剃刀末端受到较粗枝干冲击后，本方案将降低刀具崩裂的可能，提高了相同宽度刀具的承载能力。

另外，本装置并非将回转气缸36的输出轴直接作为剃刀的旋转轴，而是由经传动后的剃刀转轴30来担任，这样设置是因为回转气缸36的输出轴承受冲击载荷的能力较弱，直接作为剃刀旋转轴后容易损坏回转气缸36，而由剃刀转轴30担任后，可将剃刀转轴30的强度做得较高，提高了剃刀的承载能力又降低了设备损坏率。

下面是本装置的使用方法：

本装置在使用时，首先使夹紧缸2收缩，让攀爬装置27处于张开状态，并操控回转气缸36让剃刀全部张开（可视树干直径调节上层剃刀32的位置）。之后将本装置卡入树干下端，之后使夹紧缸2顶出，使自由轮8夹紧树干；并操控回转气缸36使全部剃刀收拢合围。之后控制马达7转动使本装置快速爬升，由于本装置攀爬动力强劲稳定，使得本装置迅速获得较高动量，本装置上端的剃刀在动量作用下，遇到枝干便进行冲击切割，对于一颗15米高的树木仅需3~5秒便可完成修枝作业，效率极高。待修枝完毕，操作马达7反向旋转可使本装置下降，之后张开取走。

Claims (10)

1.一种履带式自动上树修枝装置，其特征在于：包括攀爬装置（27）和连接于攀爬装置（27）上端的刀具组件（26）；所述攀爬装置（27）包括机架（5）、同向设置且具有动力的两条同步履带（4）和与同步履带（4）靠拢从而夹紧树干的自由轮（8），所述自由轮（8）和同步履带（4）均通过机架（5）连接并具有如下位置关系：在俯视方向上，当所述攀爬装置（27）处于夹紧状态时，两条同步履带（4）和自由轮（8）夹持住一个圆形的理想树干（24）并形成三个接触点，所述三个接触点分别向理想树干（24）的圆心做连线后将理想树干（24）分割为三个扇形，所述三个扇形的圆心角均小于180°。

2.根据权利要求1所述的履带式自动上树修枝装置，其特征在于：所述三个扇形的圆心角均小于140°。

3.根据权利要求2所述的履带式自动上树修枝装置，其特征在于：还包括带轮（14）和马达（7），同步履带（4）通过所述带轮（14）与机架（5）连接，为同步履带（4）提供动力的带轮（14）与同一个马达（7）传动连接；所述马达（7）为液压马达。

4.根据权利要求3所述的履带式自动上树修枝装置，其特征在于：所述同步履带（4）为同步齿形带，所述带轮（14）为齿轮；所述带轮（14）具有凸肩（13），所述同步履带（4）具有与凸肩（13）相配合的带内槽（15）。

5.根据权利要求2所述的履带式自动上树修枝装置，其特征在于：所述同步履带（4）为外表面具有外横齿（25）的橡胶带。

6.根据权利要求2所述的履带式自动上树修枝装置，其特征在于：还包括夹紧臂（1）和夹紧缸（2），夹紧臂（1）的一端连接自由轮（8）的轮轴，夹紧臂（1）的中部与机架（5）的一侧边转动连接，夹紧臂（1）的另一端与夹紧缸（2）的一端转动连接，夹紧缸（2）的另一端与机架（5）转动连接；所述夹紧缸（2）为气缸。

7.根据权利要求6所述的履带式自动上树修枝装置，其特征在于：两条同步履带（4）的带面呈90°设置，自由轮（8）的胎面中心线位于两条同步履带（4）相邻带面的夹角的角平分线之上。

8.根据权利要求2所述的履带式自动上树修枝装置，其特征在于：所述刀具组件（26）包括在俯视方向上围成圆环形的刀具和与所述刀具连接的刀架，所述圆环形与理想树干（24）具有相同直径，所述刀架固定连接于机架（5）上端。

9.根据权利要求8所述的履带式自动上树修枝装置，其特征在于：所述刀具包括上层剃刀（32）、相对于上层剃刀（32）靠下的两条中层剃刀（33）和相对于中层剃刀（33）靠下的两条下层剃刀（34），俯视方向上，较下层的剃刀与较上层的剃刀具有重合点。

10.根据权利要求9所述的履带式自动上树修枝装置，其特征在于：各个中层剃刀（33）和下层剃刀（34）均固定连接有剃刀转轴（30），剃刀转轴（30）与所述刀架转动连接，剃刀转轴（30）传动连接有回转气缸（36）。

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