綠化養(yǎng)護矩形修剪打捆一體機設(shè)計與試驗*

奚小波，王昱，冒熒亮，趙映，張劍峰，張瑞宏

(1. 揚州大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇揚州，225127； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京市，210014)

通訊作者：張瑞宏，男，1960年生，江蘇揚州人，博士，教授；研究方向為農(nóng)業(yè)工程與裝備。E-mail: zhang-rh@163.com

0 引言

綠化是城市鄉(xiāng)村建設(shè)的主要組成部分，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，綠化建設(shè)成為改善環(huán)境的重要舉措[1-3]。作為綠化經(jīng)濟重要的組成部分，公路綠化帶可以減弱相向行駛車輛燈光的炫目感，減輕車輛擦肩而過時的危險感，同時也可緩解因長時間駕駛產(chǎn)生的疲憊感[4-6]，而綠化帶的寬度和高度會對駕駛?cè)藛T產(chǎn)生影響，且綠化帶生長周期較快，因此定期的修剪與養(yǎng)護成為了公路尤其是高速公路維護的一項重要的工作[7]。

從20世紀初期開始，西方國家開始將機械設(shè)備應(yīng)用到園林綠化作業(yè)中。經(jīng)過約20年的發(fā)展，日本、美國等國家開始使用車載懸臂式園林機械，這種園林機械可滿足不同植物的修剪要求。80年代后，一些歐美國家開始使用園林機械進行公路綠化養(yǎng)護。進入21世紀后，發(fā)達國家公路綠化養(yǎng)護已經(jīng)實現(xiàn)機械化，但是由于國外高路公路的里程數(shù)較少，其使用的修剪機械大多是草坪和灌木修剪的通用設(shè)備，在高速公路綠化修剪機方面未見特殊設(shè)備[8]。

我國綠化園林機械的研究起步較晚，現(xiàn)階段我國高速綠化修剪以“人工+小型綠化機具”為主，且這些機具大多功能單一，自動化程度低[9]，其中應(yīng)用較多的為綠籬修剪機，該機械只能實現(xiàn)一面修剪，需進行三次修剪才能將綠化修剪成矩形，作業(yè)效率低且成本高；同時修剪后的枝屑直接落在高速公里路上，需要進行二次清掃，存在安全隱患[10-11]?；谏鲜霈F(xiàn)狀，設(shè)計了一種車載式綠化養(yǎng)護矩形修剪打捆一體機設(shè)計，以期實現(xiàn)綠化的修剪、收集、打捆一次性高效作業(yè)。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

綠化養(yǎng)護矩形修剪打捆一體機主要由矩形修剪裝置和枝屑收集打捆裝置兩大部分組成，如圖1所示。整機裝置由運載車搭載，支撐調(diào)節(jié)臂通過液壓系統(tǒng)與齒輪轉(zhuǎn)盤機構(gòu)實現(xiàn)修剪裝置的位置調(diào)節(jié)，使之處于合適的工作位置。修剪裝置為矩形式，以符合綠化養(yǎng)護修剪的形狀要求，其頂端與兩個側(cè)部均設(shè)置了電動修剪機構(gòu)。修剪后的綠化枝屑在經(jīng)過粉碎裝置二次粉碎后，通過輸送帶運至風(fēng)管口，風(fēng)管口與離心風(fēng)機連接，粉碎的枝屑通過管道并經(jīng)旋風(fēng)分離器作用分離至輸送帶處，通過輸送帶喂入打捆機完成修剪枝屑的收集打捆。如此完整整個修剪過程。機具的主要工作參數(shù)見表1。

圖1 綠化養(yǎng)護矩形修剪打捆一體機總體結(jié)構(gòu)Fig. 1 Overall structure of rectangular trimming and baling machine for green conservation1.枝屑捆 2.打捆機 3.輸送裝置 4.旋風(fēng)分離器 5.離心風(fēng)機 6.矩形修剪裝置 7.運載車

表1 機具主要工作參數(shù)Tab. 1 Main working parameters of trimmer

2 矩形修剪裝置設(shè)計

矩形修剪裝置主要由主臂、懸臂、掛臂、液壓調(diào)節(jié)桿、修剪機和回轉(zhuǎn)裝置等組成，如圖2所示。主臂、懸臂、掛臂等桿件用鉸鏈連接，連接關(guān)節(jié)處用液壓調(diào)節(jié)桿實現(xiàn)各臂的位置調(diào)節(jié)。主臂底部為液壓驅(qū)動的回轉(zhuǎn)裝置，用于調(diào)節(jié)修剪機與車身的位置，機具不進行修剪作業(yè)時可將修剪機回轉(zhuǎn)至車身前方，以利于道路行駛；掛臂為三級伸縮桿，可完成修剪機的位置收放，懸臂液壓調(diào)節(jié)桿用于調(diào)節(jié)修剪機的高度位置，以適應(yīng)不同高度的綠化修剪要求；掛臂液壓調(diào)節(jié)桿用于調(diào)節(jié)修剪機豎直位置狀態(tài)，以保證修剪出的綠化帶為矩形形貌。

圖2 矩形修剪裝置總體結(jié)構(gòu)Fig. 2 Overall structure of trimming device1.修剪機 2.掛臂 3.掛臂液壓調(diào)節(jié)桿 4.懸臂 5.懸臂液壓調(diào)節(jié)桿 6.主臂 7.回轉(zhuǎn)裝置

矩形修剪裝置各部件連接關(guān)系如圖3所示，是由主臂、懸臂、掛臂三個桿件的六自由度決定，其相互間的連接方式為串聯(lián)。主臂與懸臂確定工作機頭尾部的空間位置，掛臂與懸臂的夾角決定工作機頭末端的空間姿態(tài)。修剪作業(yè)時，修剪機的割刀部分應(yīng)始終保持與地面平行，以保證綠化修剪齊平，因此懸臂液壓調(diào)節(jié)桿需保證θ1和θ2始終相等。根據(jù)運載車相關(guān)參數(shù)及修剪機整體布局要求，確定矩形修剪裝置主要尺寸參數(shù)，如表2所示。

圖3 矩形修剪裝置各部件連接情況Fig. 3 Each component connection condition of the rectangular trimming device

表2 矩形修剪裝置主要尺寸參數(shù)Tab. 2 Main dimensional parameters of the rectangular trimming device

2.1 修剪機

修剪機主要由修剪刀、撥禾輪、絞龍、粉碎刀組、輸送帶等組成，如圖4所示。

圖4 修剪機總體結(jié)構(gòu)Fig. 4 Overall structure of trimmer1.輸送電機 2.粉碎電機 3.粉碎刀 4.導(dǎo)料板 5.出料口 6.蛟龍驅(qū)動電機 7.絞龍 8.撥禾輪 9.水平修剪刀 10.垂直修剪刀 11.輸送帶 12.風(fēng)管口

該修剪機可同時對綠化帶的頂端及兩側(cè)進行修剪，達到矩形修剪效果，而普通平口修剪機只能修剪一面，本修剪機的效率是其三倍。工作時，撥禾輪將待修剪植株頂部喂入水平修剪刀口，撥禾輪下后方為絞龍，該絞龍為兩段左右旋絞龍組合而成，可實現(xiàn)將枝屑修剪后向兩側(cè)分散輸送，并與兩側(cè)垂直修剪刀修剪下來的枝屑一起經(jīng)導(dǎo)料板落至下端的輸送帶，枝屑經(jīng)輸送帶強制推送進粉碎刀組，經(jīng)二次粉碎后從風(fēng)管口傳送至后方收集裝置，強制輸送粉碎裝置的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

修剪機中螺旋輸送器，其主要由螺旋軸和螺旋葉片組成，螺旋線葉片繞著軸旋轉(zhuǎn)，輸送物在螺旋葉片的作用下向一端，右螺旋反時針旋轉(zhuǎn)，左螺旋順時針旋轉(zhuǎn)，其行程如圖6所示。

圖5 強制輸送粉碎裝置結(jié)構(gòu)Fig. 5 Structure of forced conveying crushing device1.輸送帶電機 2.輸送帶 3.粉碎刀電機 4.導(dǎo)料板 5.粉碎刀組 6.風(fēng)管口

圖6 螺旋葉片的行程圖Fig. 6 Stroke diagram of screw blades

由于螺旋葉片同一元線各點的半徑不同，各個螺旋角也不同，外徑螺旋角ak最小，內(nèi)徑處螺旋角ar最大，螺旋角和升運速度有關(guān)，螺旋角越小，升運速度越小。為了使水平修剪后的枝屑能順利排出，螺旋角應(yīng)該滿足以下條件[12]。

(1)

式中：φ——物料摩擦角，綠化枝屑的摩擦角約為45°。

代入式(1)求得外徑螺旋角ak約為22°，內(nèi)徑螺旋角ar為45°。

修剪刀選擇的是往復(fù)式切割刀，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、割幅大等特點[13-14]，往復(fù)式割到由兩組刀片組成，定刀片不動，動刀片在曲柄連桿機構(gòu)的驅(qū)動下相對于定刀片做往復(fù)運動，從而切割綠化植物，如圖7所示。圖7中ω為曲柄轉(zhuǎn)速，r為曲柄半徑，l為連桿長度、a為動刀片滑道支撐位置與曲柄支點距離，配重的作用是消除曲柄運動產(chǎn)生的慣性力。

圖7 往復(fù)式修剪刀的工作原理Fig. 7 Basic working principle of reciprocating trimmer1.配重 2.定刀片 3.動刀片 4.連桿 5.曲柄

修剪刀的單刃長30 mm、寬19 mm，在水平修剪綠化帶時，修剪刀有效切削刃數(shù)為42個，修剪寬度為2 m。運載車工作速度約為0.5 m/s，刀刃切削的重復(fù)率為50%，因此修剪刀的往復(fù)運動頻率為1 000次/min。動定刀片對綠化帶上枝條進行修剪時，必要的修剪條件是夾住修剪枝條，為滿足該條件，動定刀片必須滿足式(2)。

a1+a2<λ<Φ1+Φ2

(2)

式中：a1——動刀斜角；

a2——定刀斜角；

Φ1——動刀對修剪枝條摩擦角；

Φ2——定刀對修剪枝條摩擦角；

λ——夾住修剪枝條的刀片斜角臨界值，且隨著切割深度而不同，λ設(shè)計選用50°。

考慮到綠化帶枝條含水量通常處于20%～40%的區(qū)間里，因此可將刀片對枝條的力可等效成軟固體切壓問題[15]，枝條的壓切受力模型如圖8所示，刀刃作用于枝條上的力

(3)

式中：FN——切壓的正壓力分力；

FT——切割運動方向分力；

R——枝條纖維的斷裂韌性；

w——刀具刃口和枝條截面的瞬時切割線長度；

ξ——刀具刃口進給速度在切向與法向的分量的比值。

圖8 枝條的壓切受力模型Fig. 8 Pressure and shear force model of branches

v1與v2分別為動刀片和定刀片的切入速度，則兩種刀片的切入速度的法向速度和切向速度分別為v1cosα1、v1sinα1和v2cosα2、v2sinα2，兩刀片切壓比ξ1與ξ2分別為tanα1、tanα2，則刃口作用于枝條上的力可表示

(4)

最終可計算得刀片修剪枝條時合力

(5)

綠籬枝條的平均直徑約2 cm，枝條纖維的斷裂韌性R取4.825 MPa·mm1/2，設(shè)計中修剪刀動刀片與定刀片與底邊夾角均為110°，則可得α1和α2均為20°。當(dāng)兩刀片的切割線在枝條外圓上第一次相交時，此時所需切割力最大，此時刀具刃口和枝條截面的瞬時切割線長度w1=w2都等于Dcosα。將上述參數(shù)代入式(5)，可得刀片的單個槽口所需的切割力為96.4 N。水平修剪刀有效切削刃數(shù)42個，豎直修剪刀有效切削刃數(shù)23個，根據(jù)單個槽口切割所需的力，可得水平修剪刀工作時所需切割力為4 048.8 N，豎直修剪刀工作時所需切割力為2 217.2 N。得到這兩個力后，還需要計算連桿的慣性力矩MI、法向慣性力Fx′、切向慣性力Fy′、動刀片慣性力Fd′、動刀片滑動軌道的約束力N，以計算得電機的驅(qū)動力矩Mo和電機功率P以供電機選型[14]。

(6)

式中：mR——連桿質(zhì)量；

mD——整個動刀片質(zhì)量。

計算可得水平修剪刀電機與豎直修剪刀電機的功率分別為2.61 kW與1.35 kW。根據(jù)計算功率與轉(zhuǎn)速需求，水平修剪刀電機與豎直修剪刀電機分別選用Y2-132M-8型電機與Y2-112M-8型電機，該種Y型號電機效率高、耗電小、體積小、重量輕，且為全封閉自扇冷式，可有效防止灰塵與枝屑的進入，兩電機參數(shù)如表3所示。

表3 修剪刀電機的主要參數(shù)Tab. 3 Main parameters of trimming scissors

2.2 回轉(zhuǎn)裝置

回轉(zhuǎn)裝置用于支撐整個修剪機的同時實現(xiàn)修剪機的回轉(zhuǎn)收放，其主要由底座、轉(zhuǎn)動臺、傳動齒輪、從動齒輪、電機、中心軸、固定套等組成，結(jié)構(gòu)如圖9所示。固定套固接在轉(zhuǎn)動臺上，修剪機的主臂與固定套相連，電機驅(qū)動傳動齒輪轉(zhuǎn)動從而帶動從動齒輪工作，從動齒輪固接于轉(zhuǎn)動臺，實現(xiàn)轉(zhuǎn)動臺的整體回轉(zhuǎn)，如此實現(xiàn)修剪裝機的回轉(zhuǎn)。傳動齒輪需帶動從動齒輪轉(zhuǎn)動，要求轉(zhuǎn)速慢，傳動比小，其主要參數(shù)如表4所示。

圖9 回轉(zhuǎn)裝置總體結(jié)構(gòu)Fig. 9 Overall structure of swivel gear1.底座 2.轉(zhuǎn)動臺 3.固定套 4.電機 5.傳動齒輪 6.從動齒輪 7.中心軸

表4 傳動齒輪主要參數(shù)Tab. 4 Main parameters of transmission gear

3 枝屑收集打捆裝置設(shè)計

3.1 主要部件選型

枝屑收集打捆裝置主要包括離心風(fēng)機、管道、旋風(fēng)分離器、帶式輸送機、打捆機等，如圖1所示。經(jīng)強制輸送粉碎后的枝屑在風(fēng)管口由離心風(fēng)機作用被吸入管道內(nèi)，而后被傳送至運載車車廂。管道的末端連接旋風(fēng)分離器，旋風(fēng)分離器工作時，夾雜著枝屑的氣體便會從氣固兩相入口進入分離器內(nèi)，螺旋形構(gòu)造使得慣性較小的氣體從頂部空氣出口排出，而具有較大慣性離心力的枝屑便會被甩到外壁面并且不斷下落，枝屑掉落在底部的輸送帶被傳入打捆機內(nèi)進行打捆作業(yè)。相關(guān)主要部件參數(shù)由表5、表6所示。

表5 GDF2.5-8型離心風(fēng)機參數(shù)Tab. 5 Parameters of GDF2.5-8 centrifugal fan

表6 CJK02型旋風(fēng)分離器參數(shù)Tab. 6 Parameters of CJK02 cyclone separator

離心風(fēng)機作為關(guān)鍵的傳輸部件，它把粉碎后的枝屑通過氣壓吸到后面的清選裝置和打包裝置處。為保證離心風(fēng)機工作的穩(wěn)定性，需要其滿足適用性好、工作平穩(wěn)、噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便等要求。GDF2.5-8型離心風(fēng)機可滿足需求，并可與管道直接連接方便拆裝，且經(jīng)濟性好。

旋風(fēng)分離器的主要功能是使氣體與固體、液體相分離以確保機器的輸送管道和相關(guān)設(shè)備的安全性和可靠性，其需要滿足分離性能優(yōu)異，適合隨車攜帶，結(jié)構(gòu)簡單，易于維修等需求。CJK02型旋風(fēng)分離器滿足需求并且體型較小，分離效率高。

3.2 打捆機設(shè)計

打捆機將疏松的枝屑收集壓縮以達到節(jié)省空間、提高收集量的目的，收集作業(yè)也因此避免了枝屑修剪后在道路上被吹散，從而降低了養(yǎng)護作業(yè)的安全隱患。本設(shè)計采用圓捆打捆機，捆繩選用麻繩，相較于鐵絲與塑料繩，麻繩的優(yōu)點是可直接與枝屑一并處理，且成本低廉[16]。打捆機的打結(jié)器使用最多的是C型和D型，C型打結(jié)器打的是活結(jié)，具有捆繩拉力小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、結(jié)繩穩(wěn)定性好等特點；而D型打結(jié)器打的是死結(jié)，具有成結(jié)質(zhì)量高、結(jié)構(gòu)相對簡單、易于拆裝、所成草捆密度大等特點[17-18]。在進行修剪枝屑打捆時，草捆密度大、打捆拉力大，因而本設(shè)計中打結(jié)器選用D型打結(jié)器。

在卷捆機構(gòu)中，卷捆室由輥子環(huán)繞組成，為使得卷捆室有足夠容積，打捆機輥子數(shù)選用12根，而且為讓枝屑能夠順利成捆，設(shè)計中將12根輥子分成四組，底部推送組，上部提升組，頂部導(dǎo)引組，前部卷引組，其各需要4、4、2、2根，如圖10所示。12根輥子圍成圓柱形空間，各個輥子作用不同，輥子1、2、3、4為一組，其作用是水平輸送枝屑；輥子5、6、7、8為一組，其作用是使枝屑爬升；輥子9、10為一組與11、12為一組的輥子作用都是調(diào)節(jié)草捆的成形與密度。

圖10 卷捆機構(gòu)導(dǎo)送輥子布置圖Fig. 10 Arrangement of guide roller for binding mechanism

在打捆機工作時，修剪下來的枝屑由輸送帶送至卷捆室，在導(dǎo)送棍子摩擦力的作用下，枝屑被輸送，然后被卷起來，當(dāng)枝屑被卷起到一定高度后，枝屑在重力的作用下掉落與輸送進來的枝屑繞在一起形成捆芯；而隨著輸送進來的枝屑逐漸增多，草芯越卷越大從而成為草捆，當(dāng)草捆大到所設(shè)定的要求值后，打捆機便會停止卷草，捆繩器把捆繩繞到草捆上，再由打結(jié)器打結(jié)，最后從卷捆室內(nèi)卸出。其工作原理如圖11所示。

(a) 形成枝屑捆芯

(b) 枝屑捆直徑逐漸擴大

(c) 枝屑捆形成

(d) 枝屑捆卸出圖11 打捆機工作示意圖Fig. 11 Working progress schematic of baler

3.3 打捆機機架模態(tài)分析

機架作為打捆機中的主要支撐部件，其結(jié)構(gòu)對打捆機整機的正常工作影響顯著，機架的振動特性不好便易與運載車形成共振，從而導(dǎo)致打捆機的緊固件、傳動件失效。為此使用ANSYS軟件對機架進行模態(tài)分析，首先將機架模型導(dǎo)入ANSYS軟件中進行材料屬性定義與網(wǎng)格劃分，如圖12所示。

打捆機正常工作時，導(dǎo)送輥子的轉(zhuǎn)速為220～280 r/min，每個輥子的轉(zhuǎn)動頻率為3.66～4.67 Hz，一般情況下車輛受路面的激勵頻率在0～50 Hz[19]。圖13為打捆機機架不同模態(tài)振型，可以看出機架在不同頻率下，振型趨勢不同，但總變形量較小，在4.23～5.20 mm范圍內(nèi)。表6為打捆機機架不同模態(tài)固有頻率，可以看出，最小固有頻率為55.564 Hz，該頻率大于輥子轉(zhuǎn)動頻率與路面激勵頻率，所以卷捆作業(yè)時輥子、機架與運載車不會發(fā)生共振現(xiàn)象，設(shè)計合理。

圖12 打捆機機架網(wǎng)格模型Fig. 12 Mesh model of baler frame

(a) 一階模態(tài)振型

(b) 二階模態(tài)振型

(c) 三階模態(tài)振型

(d) 四階模態(tài)振型

(e) 五階模態(tài)振型

(f) 六階模態(tài)振型圖13 打捆機機架不同模態(tài)振型Fig. 13 Different modal vibration modes of baler frame

表7 打捆機機架不同模態(tài)固有頻率Tab. 7 Different modal natural frequencies of baler frame

4 樣機試驗

為了驗證設(shè)計的合理性與可行性，試制了矩形修剪打捆一體機。2019年10月在江蘇寧靖鹽高速公路興化段進行了試驗使用，樣機及作業(yè)現(xiàn)場如圖14所示。修剪綠化為檜柏，修剪前柏木高度在2.0～2.1 m內(nèi)不等，寬度在1.6～1.8 m內(nèi)不等。將修剪裝置調(diào)整到合適位置后開始作業(yè)，修剪速度為3 km/h，修剪距離2 km。修剪后檜柏平均高度為1.9 m，平均幅寬為1.6 m，誤差在2 cm范圍內(nèi)，修剪后檜柏頂面與側(cè)面整齊統(tǒng)一，符合《城市道路綠化規(guī)劃與設(shè)計規(guī)范》[20]要求。修剪后的枝屑可實現(xiàn)在線收集壓縮打包，未有大片枝屑撒落堆砌在地面，收集打捆裝置工作性能穩(wěn)定，枝屑處理能力為1 280 kg/h。經(jīng)實地試驗，矩形修剪打捆一體機修剪效果可與人工修剪效果相當(dāng)，其修剪效率為普通綠籬修剪機的3倍，并可在修剪同時收集打捆落下枝屑，實現(xiàn)其設(shè)計要求。

圖14 矩形修剪打捆一體機作業(yè)現(xiàn)場Fig. 14 Working site of the rectangular trimming and baling machine

5 結(jié)論

1) 所設(shè)計的綠化養(yǎng)護矩形修剪打捆一體機主要由矩形修剪裝置和枝屑收集打捆裝置組成，修剪裝置的頂端與兩側(cè)面設(shè)置了往復(fù)切割剪刀，頂端枝屑修剪后由絞龍向兩側(cè)分散，與兩側(cè)修剪枝屑共同落至強制輸送粉碎裝置，經(jīng)二次粉碎后通過風(fēng)機吸送至車廂，后經(jīng)收集打捆裝置捆包處理。

2) 采用圓捆打捆機將收集的枝屑打包壓縮便于車載儲運，對打捆機機架進行了模態(tài)分析，機架在不同頻率下的總變形量為4.23～5.20 mm，最小固有頻率為55.564 Hz，作業(yè)時輥子、機架與運載車不會發(fā)生共振現(xiàn)象，設(shè)計合理。

3) 檜柏修剪試驗顯示，修剪后的檜柏平均高度1.9 m，平均幅寬為1.6 m，誤差在2 cm范圍內(nèi)，修剪后檜柏頂面與側(cè)面整齊統(tǒng)一，收集打捆性能穩(wěn)定，枝屑處理能力為1 280 kg/h。