車載式雙臂綠籬機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

馬得力，王 剛，邵現(xiàn)田，司癸卯

（長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710064）

0 引言

高速公路總里程數(shù)快速增長，在“十二五”期間，通車總里程一直位居世界首位。同時(shí)，人們對生態(tài)環(huán)境的要求越來越高，綠化帶所起的功能日趨多樣化[1]。因此對綠籬的修剪效率與效果提出了更高的要求。考慮到現(xiàn)階段市場上并沒有一款綜合效果較為滿意的產(chǎn)品，目前的一些修剪設(shè)備多為單臂結(jié)構(gòu)，在遇到道路中央綠籬多表面和邊坡寬度不一的情況，需要多次修剪或者出現(xiàn)無法修剪等情況，很多時(shí)候還需要人為修剪，降低了工作效率[2]，嚴(yán)重影響了對高速公路綠化帶的維護(hù)效率[3]。分析采用此傳統(tǒng)修剪方式帶來的問題和不足，結(jié)合設(shè)計(jì)要求[4]，認(rèn)為需要研制出一種高效、多功能的綠籬修剪設(shè)備，以滿足不斷發(fā)展的綠化養(yǎng)護(hù)業(yè)的需要[5]。

1 作業(yè)對象分析

在《高速公路景觀設(shè)計(jì)規(guī)范》中對高速公路綠化帶尺寸有明確的規(guī)定，因此必須按照要求對綠化帶進(jìn)行修剪。道路中間綠化帶寬度在1.5～3.5 m，高度在1.5～2 m，道路邊緣寬度在0.5～0.75 m，在《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，道路兩側(cè)邊坡坡度范圍為1:5～1:1，需要修剪的寬度為1.5～2.1 m，邊坡圍欄高度在0.7 m以內(nèi)【6】。高速公路截面如圖1所示。

圖1 高速公路橫截面圖

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依照對作業(yè)對象的分析，設(shè)計(jì)出的車載式雙臂綠籬機(jī)整體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。整體結(jié)構(gòu)由主臂修剪機(jī)構(gòu)、輔臂修剪機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)底座、配重、動(dòng)力總成、底盤車組成，主輔臂架固定于旋轉(zhuǎn)底座上，通過配重塊來平衡；旋轉(zhuǎn)底座放置于底盤車車廂的前部，臂架結(jié)構(gòu)可完成±90°旋轉(zhuǎn)；修剪中央綠化帶時(shí)，通過臂架伸縮與底座旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)主臂對中央綠化帶上表面進(jìn)行修剪，輔臂對綠籬的側(cè)面進(jìn)行修剪；在臂架處于收回狀況時(shí)，主臂和輔臂可以完全收于車廂內(nèi)部；在邊坡修剪過程中，主臂伸于最前方，輔臂伸于后方，通過控制兩臂的不同伸縮量，實(shí)現(xiàn)對不同邊坡寬度的適應(yīng)，由液壓缸調(diào)整臂架、刀具的角度與位移，以滿足不同的邊坡狀況。

圖2 車載式雙臂綠籬機(jī)整體結(jié)構(gòu)

3 各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主臂修剪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

主臂修剪機(jī)構(gòu)主要是為了修剪道路兩邊距離較遠(yuǎn)的位置和中央綠化帶的上表面。收臂狀態(tài)要滿足道路限高要求[7]。為了提高車載式綠籬修剪機(jī)邊行駛邊工作時(shí)的安全水平，留出足夠的調(diào)整空間，在對修剪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，以底盤車的側(cè)面與邊坡欄桿有0.5 m的水平距離，與中央綠籬的欄桿有1 m的水平距離；邊坡角度按照最大的45°為基準(zhǔn)，道路中央綠籬按照上限高度2 m，寬度3.5 m設(shè)計(jì)。主臂在對邊坡進(jìn)行作業(yè)時(shí)伸出最遠(yuǎn)，高度也最低，因此主臂修剪機(jī)構(gòu)第一要滿足邊坡的修剪的作業(yè)范圍，這一狀態(tài)下的作業(yè)范圍得到保證，則在其他狀態(tài)下的作業(yè)范圍就會(huì)得到保證[7]。因此為主臂加入了伸縮臂與角度調(diào)節(jié)臂，當(dāng)修剪邊坡較矮的植物時(shí)，調(diào)節(jié)角度調(diào)節(jié)臂使其處于較低位置，當(dāng)對較高的中央綠籬進(jìn)行修剪時(shí)，調(diào)節(jié)角度調(diào)節(jié)臂使其處于較高位置，利用Solidworks建立三維模型，對主臂工作能力進(jìn)行模擬測定[8]，主臂伸縮臂內(nèi)的伸縮液壓缸行程選定為1.35 m，角度調(diào)節(jié)液壓缸的行程選定為4.5 m?？紤]到不同的邊坡角度時(shí)修剪刀具的角度也要進(jìn)行相應(yīng)的改變，因此刀具擺動(dòng)液壓缸的行程為3.8 m。

圖3 主臂修剪機(jī)構(gòu)

經(jīng)過以上分析，對主臂各部分具體尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，借助AutoCAD軟件繪制出了主臂修剪機(jī)構(gòu)在不同工作情況下的示意圖，通過測量與檢驗(yàn)保證設(shè)計(jì)的尺寸達(dá)到使用要求，在三維軟件中建立主臂修剪機(jī)構(gòu)的模型，最終設(shè)計(jì)完成的主臂修剪機(jī)構(gòu)工作時(shí)的尺寸示意圖和三維圖如圖3所示。

3.2 輔臂修剪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

輔臂修剪機(jī)構(gòu)主要是為了修剪道路兩邊距離邊坡欄桿較近的位置和中央綠籬的側(cè)面。在對邊坡修剪時(shí)，主臂與輔臂刀具能夠修剪的寬度都為1.2 m，實(shí)際工作中要完成坡面寬度1.5～2 m內(nèi)的綠植的修剪，輔臂機(jī)構(gòu)靠近底盤車的位置，因此根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)兩臂重合范圍，完成不同寬度邊坡的修剪需求；對中央綠化帶修剪時(shí)，道路上的欄桿高度為0.9 m，因此輔臂刀具要在0.9 m高度以上進(jìn)行作業(yè)；最終設(shè)計(jì)的輔臂伸縮臂舉升液壓缸的行程為3.35 m。依據(jù)以上分析，對輔臂修剪機(jī)構(gòu)各部分的尺寸與液壓缸的行程進(jìn)行了設(shè)計(jì)，輔臂修剪機(jī)構(gòu)在工作時(shí)的尺寸示意圖和三維模型如圖4所示。

圖4 輔臂修剪機(jī)構(gòu)

3.3 旋轉(zhuǎn)底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)底座的上面要布置主臂輔臂修剪機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)液壓電機(jī)、動(dòng)力機(jī)構(gòu)、水箱散熱器、油箱和配重等，因此對旋轉(zhuǎn)底座平臺上的部件分布位置要合理。因?yàn)樾藜魴C(jī)構(gòu)會(huì)發(fā)生角度與伸縮長度的變化，使得旋轉(zhuǎn)底座的受力狀態(tài)處于變化中，因此要進(jìn)行合理的配重設(shè)計(jì)，使機(jī)構(gòu)處在平穩(wěn)狀態(tài)[9]。對回轉(zhuǎn)底座上各部件布置如圖5所示。

通過對主臂修剪機(jī)構(gòu)、輔臂修剪機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并組裝，基本完成車載式雙臂綠籬機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖5 旋轉(zhuǎn)底座上各部件布置圖

4 現(xiàn)場作業(yè)

在對車載式雙臂綠籬機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后制作了樣機(jī)，并進(jìn)行了現(xiàn)場作業(yè)，其中對高速公路中央綠籬和邊坡修剪作業(yè)如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場作業(yè)圖

通過在實(shí)際工作環(huán)境中的作業(yè)，所設(shè)計(jì)的車載式雙臂綠籬機(jī)結(jié)構(gòu)能夠很好地完成所需要的動(dòng)作，作業(yè)過程無干涉現(xiàn)象，整機(jī)也取得了良好的修剪效果，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)具有合理性與可行性。

5 結(jié)束語

本文為滿足現(xiàn)階段高速公路對綠化養(yǎng)護(hù)機(jī)械的需要，根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境設(shè)計(jì)了一種新型的車載式雙臂綠籬機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對道路中央的綠籬頂面和側(cè)面同時(shí)完成修剪作業(yè)，提高了作業(yè)效率，對于道路兩側(cè)邊坡上的綠色植物同樣可以進(jìn)行修剪，修剪角度、寬度和高度都可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整，提高了產(chǎn)品的實(shí)用性。文中詳細(xì)介紹了每個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程與參考方法，對于完整的車載式雙臂綠籬機(jī)設(shè)計(jì)具有應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)對于同類修剪設(shè)備的設(shè)計(jì)也有借鑒意義。