智能新型树洞修复装置

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摘 要：现如今，树洞的修补技术无论是对于林业生态系统修复中的虫害防治，还是对于国家级名贵古树的维护，都是极为核心的一环，本文针对讲述虫洞对树木生长的危害及修复方法，以及现阶段我国对于树洞修补方面技术上的弱势从而设计出了一种具有经济实用效应的智能新型树洞修复装置。

关键词：树洞修补；防治技术；古树名木；树体修复

一、引言

地球是我们赖以生存的家园，森林则是人类生存的天然氧吧，因此，保护我们的林业生态系统是刻不容缓的。而林业的生态修复，则绕不过因虫害产生的树洞对树木的危害，然而，现阶段我们对于虫害树洞的治理与修补通常是由人工的经验及表面观察得出，效率低下，耗费了大量的人力物力，而如今的工业生产基本都趋于机械化、自动化的过程，成为了一个时代的主题。对于树木修复这个环节，有待于进一步实现机械化。如果可以出现树木修复装置并得到广泛应用，那么将使修复效率得到大幅提升，并为生产机械化、自动化奠定了良好的基础。现在我国的树木修复现状中，正是缺乏此类技术，因此，本项目组成员设计了一种智能新型树洞修复装置，可以根据目前国家对生态环境需求，适用于绝大多数树木的树洞修复，该装置在一定程度上可以节省劳动力，提升树木修复效率，减轻劳动者的的劳动强度。

二、树洞的类型及危害

2.1 创伤诱发型

这种树洞起初是由于外部的损伤，例如，外部的机械损伤、树枝断裂引起的树干撕裂、人为的不规范重剪等，这些都会引起韧皮部的损伤，从而导致长时间的木质部外露，在水分和木腐菌的联合作用下，会慢慢地向木质部的更深处发展，从而形成树洞。这种树洞通常是开口向上或斜向上型的，容易产生积水，甚至会引起树干内部的空洞，树皮开裂。结果表明，树枝的强韧度和承载力下降，树木的寿命缩短。

2.2 树体衰弱型

这样的树洞，多见于古树，通常是由于年岁过大，或者是生长不良，造成树干内部的木屑开裂，而这些早已死亡的木屑，在湿气和木腐菌的影响下，很快就会腐化，形成一个竖直的空洞。这样的树洞通常是垂直开裂的，因为木材在开裂前就已经干枯了，腐烂面积更广，横截面更深。

2.3 蛀虫危害型

这种类型的树洞，主要是由乳白蚁、天牛和鼠类等直接危害所致。它的树洞特征是，尽管外部的伤口很小，但内部的孔洞却很复杂，而且腐朽程度很轻。

2.4 自身生理缺陷型

这种树洞一般都是由树木自身的缺陷造成的，比如天竺桂，它的韧皮部比较薄，在阳光照射下会出现裂痕，然后露出树干，然后腐烂，最后变成一个空洞。也有一些年老的槐树、垂柳等，在一些不受控制的因子作用下，发生了不同程度的天然孔隙。这种类型的树洞是比较常见的，在出现问题的最初阶段，可以采取适当的修复措施。

三、树洞修补技术

3.1 开放法

处理方法：将洞里面的腐木全部清理干净，将洞口周围的枯木全部刮掉，直到新的组织出现，然后用药水进行灭菌，涂抹保护剂。

3.2 封闭法

树洞经处理消毒后，在洞口表面钉上板条，以油灰和麻刀灰封闭。

3.3 填充法

填料以水泥、小砾石的混合料为佳，若没有水泥，也可以就地取材。

四、智能新型树洞修复装置产品设计

4.1 作品内容及简介

本产品的作品名是智能新型树洞修复装置。作品的设计理念是应用机械高效的修复树木。

简介：仪器模型共分为4个部分：打磨部分、传动部分、喷药部分、电机控制部分。打磨部分使用的是同步轮与齿轮带动磨头转动实现打磨，磨头可根据树木损伤大小随意更换。传动部分由三部分组成，1.由三根丝杆连接三根托杆将环形轨道整体上下移动。2.由皮带轮带动底板实现水平面转动。3.底板与环形轨道之间使用四个轮子减小摩擦。喷药部分使用两水泵喷射防腐剂与消毒剂。仪器模型使用手机遥控给单片机输入信号，通过单片机编程控制电机与水泵。由三个同步电机带动三根丝杆同时转动，齿轮与环轨外齿啮合带动底板与打磨部分做环形运动，电机驱动同步轮，同步轮轴驱动齿轮旋转，齿轮与齿轮的啮合带动磨头旋转，同时水泵抽出消毒剂与防腐剂。

仪器模型如图4.1所示：

4.2 打磨部分的设计介绍

如图4.2是本产品打磨部分部件名称：

4.3 材料的选择

由于此方案的零件受力不强，所以经过分析外壳选用了亚克力板，厚度为 5mm。传动轴选用了硬铝 6063，电机轴最小直径为 12mm 最大直径为 30mm，磨头轴最小直径为 20mm 最大直径为 30mm 中心有直径为 10mm 的通孔。硬铝 6063 具有热处理强化，冲击韧性高，对缺口不敏感，有好的热塑性，焊接性能和耐腐蚀性优良。这些材料符合本产品的要求。

4.3.1、光轴与丝杆

本产品使用了两根 8*285mm 光轴与一根 T8*250mm 丝杆来实现 Y 方向上的进给

4.3.2、轴强度的校核

1）电机轴强度校核。如图4.3为电机轴的主视图：

式中：τT——扭转切应力

T——轴所受的扭矩

WT——轴的抗扭截面系数

n——轴的转速

p——轴传递的功率

d——计算截面处轴的直径

[τT]——许用扭转切应力

经查表τT=60MPa

轴的转速n=260r/min

电机额定功率为30W假设能量传递效率为100%

则d≥4.5115mm，而本产品电机轴的最小直径为12mm

所以强度满足要求。

4.4 传动部分的设计

如图4.4是本产品传动部分部件名称：

4.4.1、材料的选择

a.因为轨道重量要轻，所以本产品选用了塑料硬板

b.直角架、支架与竖直架选用的都是空心的硬铝材质

4.4.2、直角架、支架与竖直架

因丝杆与电机需要固定所以本产品用直角架、支架与竖直架组合成一个开口型支撑架，此方案精度要求较高。

4.5 喷药部分

喷药部分是外部的消毒剂与防腐剂分别被两水泵抽出，两水泵口分别由水管连接至三通管两口实现消毒防腐一体。

4.6 电动机与水泵

依据运动范围所需要的力及转动范围，本产品使用的是直流减速电机与舵机，水泵使用的是直流循环自吸水泵。电动机与水泵使用12v电源驱动。控制方面使用手机输入信号给单片机，单片机控制电机与水泵运行。采用单片机、FYDH506T控制器和降压器，对电机与水泵进行控制，使可控性得到进一步的提升，运行稳定，可靠性更强。

五、样机的搭建与实验

样机的搭建实物图如图5.1所示：

六、装置的创新与特色

1、采用了先进的 5g 网络与智能移动端热点功能来实时传输最新数据和实现机械机 构智能控制。2、将防腐剂、消毒剂与磨头结合实现了“一体式”喷洒与打磨。 3、全包围式高精度摄像头实时监控操作对象的无死角真实情况。4、远程遥控式的操作，安全、省心且便捷。 5、机构全体可拆卸式设计，易于更换材料。 6、原料采用低成本的可回收材料，节能环保。7、机构简易，维修成本低。

七、应用前景及总结

1.产品批量化生产可以实现大范围树林生态系统的修复。2.一定情况下保证树木健康生长的需求。3.提前预防性抵御树木虫害的侵扰。4.用于古树外形的景观修复

参考文献

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作者简介：刘元昊，2000年1月生，男，汉族，江苏南京人，本科，南昌大学科学技术学院，研究方向：机械制造。

指导老师：冯永平，汤恒非

项目名称：南昌大学科学技术学院大学生创新创业训练计划项目《智能新型树洞修复装置》：项目编号：X202213429002