孙历月 郭定国
(湖南省澧县丝绸厂) (湖南省蚕桑科学研究所)
内容提要:本设计(图1)按照理论与实践相结合。设计需要与制造可能相结合的原则探讨了单手技剪的省力问题,着重设法调整了动力臂与阻力后的比例,达到了省力目的,通过对样剪的测定和试用表明:对直径30毫米以内的桑树枝条,可以明显省力地剪断。

一、概述
单手校剪是桑园、果园、茶园、苗圃及其他园林剪枝修整和嫁接的必备工具,它由两块带柄的刀片及螺钉等组成,依靠手的握力可以剪断直径在30毫米以内的枝条,一般每秒钟能剪苗一根,但目前普遍采用的传统老式枝剪,握力小的人作业时往往手容易起泡,无法连续工作而影响劳动效率。因此,有必要对枝剪的省力问题进行研究,以减轻劳动强度和提高工效。
二、对传统老式枝剪的分析
枝剪是一种简单机械,由两根杠杆共用一个支点向相反的方向运动来完成剪断工作,动力来源于手的握力。目前生产中使用的枝剪有两种形式,一种刃口是直线形的,另一种刃口是螺旋线的,并有主副刀片之分。它们的主要设计参数相同,总长度为200毫米,刀柄长度140毫米,刀头长60毫米,以一般人手握剪刀所松开的距离为120毫米计算,刀柄所能张并的最大角度是50°42'。它们的不同点是:
1.直线形刃口。支点到刃口的距离为7毫米。能剪最大枝条的直径为30毫米、此时动力臂与阻力臂的比值是3.02。此种枝剪由于工作时剪切产生一个沿剪刀中心线指向刃前端的分量把枝条向外推,造成了剪切时的困难。
2.螺旋线刀刃:刃口根部离支点的距离为15毫米,能剪枝条最大直径20毫米,此时动力臂与阻力臂的比值为
3.11,这种刃口工作时防止了枝条向外滑动,但有几个问题值得改进,一是所剪枝条较小,二是消耗在枝条挤压变形上的能量较多,机械效率并不高,三是制造工艺复杂,生产成本高。
三、省力途径分析
剪枝切断过程受力情况比较复杂,但它的省力问题则依据一些简单的机械原理。
1.手的握力,它是枝剪的动力,各人的握力基本上是一个常量,通过改善剪刀柄的形状,增加握持时的舒适感可略增加一点握力,但这是非常微小的。
2.刀柄长度,枝剪在机械上属第一类杠杆,支点在中间,增加刀柄长度固然可以省力,但受到手握剪刀时所能松开的距离的限制,无法再加长。
3.刀头长度,剪枝叶操作者总是尽可能将枝条放入刃口根部,刀头多余部分在前头,对用力没有影响,所以刀头不宜做长。太长反而不利。但也不能太短,否则使所剪枝条直径达不到30毫米。
4.杠杆动力臂气阻力臂的比值,这个值越大越省力,前面已经讨论,加长刀柄长度和减少刀头长度都是不可行的,而通过减少支点到刃口的垂直距离(也就是刀柄处于闭合位置
时,两刀头刃口主要工作处的重合面减小),能使被剪枝条向支点靠近,可以调整动力臂与阻力臂的比值而达到省力目的。见图2。

A、改进后与原直线形刀刃对比研究:
图2中OA为动力臂,DB1为阻力臂,OC为支点到刃口的垂直距离,BB1=OC,O1B为所剪枝条半径。从图中看出:

由上式看出阻力臂由OB1与所剪枝条半径01B及支点到刃口的距离OC之和成正比.即以将支点到刃口的距离OC由传统老式枝剪的7毫米改为新枝剪的1毫米后,阻力臂将相应减小。
以所剪枝条直径为30毫米为例计算省力情况

B、与螺旋线刀刃对比研究:
这种枝剪当刀柄张开最大角时,只能剪20毫米直径的枝条,这时由实物测得OB≈45毫
米。
将O1B=10毫米代入上式计算,新枝剪的阻力臂:

5.刀刃形状,根据有关研究资料说明,刀刃的曲线形状对省力有一定的作用,刀刃形状大体有四种情况,即螺旋线、折线、圆弧线和直线。

A、不等角螺旋线(图3),有关研究资料说明这种曲线形状刀刃省力效果很好,如果按第4条原则减小刀柄处于闭合位置时刀头刃口处的重合面,那省力效果就更好。但是制造工艺比较复杂,手工生产达不到要求且生产率又低,设计专机生产也不合算,即使制造出这种形状刃口,使用中几经修磨,曲线也会改变,还是达不到省力目的。

B、折线形(图4),这种形状的刀刃剪切时有明显地防止枝条向前滑的作用,而伐条用握力的同时,可以以枝条中心转动剪刀,形成旋切作用,感到更省力,但它的制造工艺麻烦,操作者进行修磨更麻烦。
C、圆弧形(图5),它具有折线形的优点,制造与修磨比折线形要稍微方便一些。

D、直线形,制造工艺最简单,虽然表面上没有防止枝条向外滑的作用,但实际上由于对剪刀的改进,剪切枝条时,一开头刀刃就很快切入枝条,此时要求切削力不大,对枝条向外推的分力也就小,当切入枝条近中心时,要求切削力大,但两刃口的夹角变小,对枝条向外推的分力也就小,同时适量旋切也可进行,故造用直线形刀刃是比较合理。
6.楔角的大小,根据劈的原理,刃口楔角愈小愈省力,采用 15°-20°将省力与强度可以兼顾,两刀片采用同样的设计参数,以求两刀片平衡对枝条的挤压量,从而省一部分力。因为刀刃进入枝条切断面越深,对材料的挤压量越大,对刀刃楔入的阻力也就越大。参看图6。

四、两刀刃相互嵌入现象的克服
尺寸OC由 7毫米减少到只 1毫米后,两切削点分别与支点连线的夹角加大,剪切时此夹角变小的速率加大,又因两刀片贴合面存在的间隙,同时剪切时两刀片受到沿枝条轴线的反挤压力的作用可能产生的弹性变性,使两刃口有相互嵌入的现象产生,克服方法有四种。
1.刀刃起点远离支点中心,如图7所示,

加大尺寸b,b越大,两刀片贴合面越大,两刀刃相互嵌入的可能性就越小,当尺寸b很小时,省力率随枝条直径的减小而提高很快,当尺寸b较大时,枝条直径减少到某一值后再减
小,省力率就没有非常明显的增加了。所以剪切对象若以粗枝条为主。应用此法很合理。
2.刀尖先合拢法,刀头形状采用前途A、B、C三种均可达到两刀尖先闭合的目的。
3.滑槽螺钉控制法,在每块刀片支点螺栓与刀柄之间装有紧固螺钉在以支点为中心的另一块刀片的圆弧槽内滑动,此法是与第一法相对应的,若以剪细枝为主,又要求省力率很大时,用它可取得好的效果。
4.负前角法(图8)由于有了负前角,刀刃两面的反挤压力相互抵销了一个部分,减少了两刀刃相互嵌入的可能性。所以这种方法只能作为前三种的辅助方法。

五、省力枝剪的设计
1.材料:50#钢
2.设计参数:
(1)总长:200毫米;(2)柄长:140毫米;(3)刀头长:60毫米;(4)支点螺栓M6;(5)刀刃长度:45毫米;(6)支点螺栓中心到刃口的垂直距离1毫米;(7)支点到复位弹簧中心的距离25毫米;(8)复位弹簧自由状态时长70毫米,压缩状态25毫米。(9)刀刃楔角20°;(10)负前角:11°30’
3.刀柄结构:(略)
4.刀头结构:(图9)

5,防止两刀刃相互嵌入方法采用刃口起点远离支点中心法辅以负前角法。
六、样剪的测定与试用结果
根据以上设计绘制了零件工作图,由湖来省澧州机械厂协作制造样剪10把,交湖南省蚕桑科学研究所和澧县蚕区试用,他们反应:与两种传统老式枝剪对比,手感改进后的枝剪最省力,经湖南省农业机械鉴定站测定结论是:省力枝剪在剪切桑树枝条直径为φ10.4至φ21.7毫米时与传统老式枝剪比较,断枝所需最大剪切力矩为传统老式枝剪的0.3~0.6倍,具有明显的省力效果。
(选自全国蚕桑实用(新)技术交流会议交流材料)。
※本设计于1989年10月18日获得中国专利局授予实用新型专利权。专利号为88218694-9。
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