学术简报｜自适应式智能树干涂刷装置系统的研制与开发
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三峡大学科技学院、中国船级社宜昌分社、向家坝电厂、武汉理工大学、上海电力安装第二工程有限公司的研究人员蒋小辉、胡川、张官祥、何煌、葛佳，在2019年第9期《电气技术》杂志上撰文指出，林木作物涂刷石灰水对防治虫害及防冻意义重大。
本文基于SolidWorks开发一套自适应式智能树干涂刷装置，并进行受力及强度分析，旨在克服人工涂白中存在的效率低、质量差等缺点。该自适应式智能树干涂刷装置采用模块化设计，具有较高的稳定性及自适应能力，集成可编程控制系统、储压式供液系统、运动系统，能够自动进行树径测量及智能选夹，完成360°环抱喷涂的涂刷，具有节能及避免风机疲劳损坏等优点，满足不同工况下树干涂刷的工艺要求。
目前，我国树木的涂白工作主要由人工完成，但这种传统的人工作业方式存在着涂白质量参差不齐、工作效率低下、涂刷原料浪费过大、涂白剂对人体危害大等缺点。相关科研院校曾经提出一些设计思路并申请了发明专利，但是由于零部件加工难度大、控制系统过于复杂、地面环境适应能力差等而难以推广。
本文针对人工树木的涂白及我国树干涂刷装置的研究现状，研制了一套智能树干涂刷装置，其具有易于控制，适应性较强，工作效率及自动化程度高等优点，以满足公共服务系统对树木涂刷需求。
1 自适应式智能树干涂刷装置系统构成
1）移动系统。移动装置包括机架及底盘模块，机架拟采用前置V型卡槽手推车的结构，承重与支撑整个机构。智能树干涂刷装置的车体底盘安装机架，拟采用四轮结构，具有较高的稳定性和对地面的适应性。
2）喷涂机构及其选向、运动机构。喷涂机构作为自适应式智能树干涂刷装置最直接的执行装置，可移动式喷涂机构拟采用4个开度可调型环形喷头以满足不同树径喷刷需求。其选向及运动机构满足环形喷头自动选向、上下运动。
3）传动系统。传动系统作为该智能树干涂刷装置工作的能量传递载体，包括搅拌电动机到搅拌装置的传动、可移动式喷涂机构与换向步进电动机之间的传动、可移动式喷涂机构与升降电动机之间的传动以及开度可调型环形喷头与其开合电动机之间的传动。
4）控制系统。智能树干涂刷装置采用基于可编程控制器的控制系统，包括控制器、外围回路、控制流程，以实现供液系统自动加压、可移动式喷涂机构的自动选向、上下运动及喷刷等动作。
5）储能式供液系统。储能式供液系统包括盛放容器及搅拌装置、加压风机、液体输送管道及相应的控制阀门，实现涂覆剂自动储能，避免风机长时间疲劳损坏。
2 自适应式智能树干涂刷装置三维建模
本文根据树木涂白装置系统构成及功能，基于SolidWorks完成自适应式智能树干涂刷装置三维建模。选择合适的设计类型及结构形式，设计智能涂刷装置总图及零件图，合理设计智能涂刷装置零件及尺寸参数。
图1（a）智能涂刷装置三维模型俯视图
图1（b）智能涂刷装置三维模型主视图
3 可移动式喷涂机构分析（略）
喷涂机构是自适应式智能树干涂刷装置的核心机构，是满足360°环抱喷涂刷工艺要求的最直接的执行装置，因此对其做必要的运动及力学分析意义重大。
图4 支架应力场
由图4可以看出，支架靠近驱动电机的一侧受力比较大，而与环形喷头连接侧的受力较小，因此支架靠近驱动电机侧的强度应重点考虑。
4 自适应式智能树干涂刷装置涂刷工艺过程
1）涂刷工艺过程
将自适应式智能树干涂刷装置的V型卡槽卡住树杆，可伸缩树径测量仪将其伸缩量采集并传输给可编程控制器，可编程控制器根据计算可得知预刷白树木的大致直径。然后根据计算结果控制步进电动机旋转，调节合适大小的环形喷头至开口端，并与树木贴合。
控制器控制推杆电动机运动，在齿轮与齿条的配合下，齿条推动两根支架的铰接端运动，使两个环形喷头将树木环抱箍紧，接着控制器控制加压风机对涂覆剂存储箱内加压，同时控制电磁阀开启，使涂覆剂沿管道进入可伸缩软管内，将涂覆剂喷涂在树干上，与此同时，升降电动机开始工作，升降台通过定位磁体与次连接杆定位连接，并推动环形喷头升降，完成树干刷白作业。
图5 涂刷工艺流程图
2）储能式供液压力及液位控制过程
自适应式智能树干涂刷装置在进行树干涂覆时，对涂覆剂的液位和压力有严格要求，涂覆剂应保持一定压力及液位，以便其足量地喷覆在树干表面，满足树干防虫、保暖要求。运行中控制器实时检测涂覆剂压力、液位，当低于要求值时，则控制加压风机及补给泵起动补充涂覆剂及其压力。
3）涂覆剂搅拌工艺过程
为了保证自适应式智能树干涂刷装置正常、可靠工作，涂覆剂必须保证一定的溶解度要求，当自适应式智能树干涂刷装置开起后，控制器则发出指令，驱动搅拌电动机运行，带动涂覆剂翻动，防止涂覆剂沉淀，保证涂覆剂的溶解度要求。
自适应式智能树干涂刷装置完成整个树干涂覆工艺流程如图6所示。
图6 涂覆剂加压工艺流程图
本文依据我国林木涂白现状，设计出一种自适应式智能树干涂刷装置。通过该装置基于SolidWorks三维建模及其重要部件（环形喷头及支架）的运动、应力分析，根据计算结果进一步优化模型。
该自适应式智能树干涂刷装置基于可编程控制器实现传动系统、储能式供液系统、喷涂机构及换向系统之间的联动与配合，自动完成树径测量、喷头尺寸选择及涂覆工作。同时集成4×4行星轮结构的移动系统能够提高该装置的环境适应能力。