雙面高效綠籬修剪機的研宄與設計

1、2014碩士學位論文雙面高效綠籬修剪機的研宄與設計魏倩廣及A#二一四年五月碩士論文魏倩 雙面髙效綠籬修剪機的研宄與設計分類號S776.27密級公開UDC 621碩士學位論文雙面高效綠籬修剪機的研宄與設計魏倩學科專業(yè)機械制造及其自動化 指導教師王小純教授論文答辯日期2014年5月30日學位授予日期2014年6月28日 答辯委員會主席莫以為教授廣西大學學位論文原創(chuàng)性和使用授權(quán)聲明本人聲明所呈交的論文，是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得 的研究成果。除已特別加以標注和致謝的地方外，論文不包含任何其他個 人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含本人或他人為獲得廣西大 學或其它單位的學位而使用過的

2、材料。與我一同工作的同事對本論文的研 究工作所做的貢獻均已在論文中作了明確說明。本人在導師指導下所完成的學位論文及相關的職務作品，知識產(chǎn)權(quán)歸 屬廣西大學。本人授權(quán)廣西大學擁有學位論文的部分使用權(quán)，即：學校有 權(quán)保存并向國家有關部門或機構(gòu)送交學位論文的復印件和電子版，允許論 文被查閱和借閱，可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行 檢索和傳播，可以采用影印、縮印或其它復制手段保存、匯編學位論文。本學位論文屬于：保密，在 年解密后適用授權(quán)。不保密。(請在以上相應方框內(nèi)打“V”）論文作者簽名：日期：年月日指導教師簽名：日期：年月日作者聯(lián)系電話：電子郵箱：雙面高效綠籬修剪機的研究與設計摘要我國

3、高速公路發(fā)展迅速，而綠篙帶的建設已經(jīng)成為高速公路建設的主 體部分之一，其修剪任務非常繁重。通過對國內(nèi)外綠篙修剪技術的分析， 并實地考察國內(nèi)高速公路綠篙修剪的現(xiàn)狀，研發(fā)一種針對高速公路綠篙修 剪的設備，可以在保證修剪質(zhì)量的同時，有效減少工人勞動強度。為了提高修剪效率，縮短被修剪路段的封鎖時間，確定了具有雙面修 剪功能的整機方案，并對修剪機的功能進行總體規(guī)劃；對水平和豎直修剪 機構(gòu)進行具體的設計，并計算選取承載車；在設計選取水平修剪機構(gòu)底部 的轉(zhuǎn)動裝置時，發(fā)現(xiàn)目前常見的轉(zhuǎn)動裝置所采用的傳動方式應用在此不夠 便捷，因此，本文設計一種新型的回轉(zhuǎn)臺，能夠通過液壓缸的伸縮長度確 定其旋轉(zhuǎn)角度，適用于具有與

4、水平修剪機構(gòu)相類似回轉(zhuǎn)動作的產(chǎn)品。在三維軟件Pro/E中建立模型后，利用ANSYS對水平和豎直修剪機 構(gòu)進行有限元靜力分析，根據(jù)結(jié)果對修剪機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，并對優(yōu) 化后的機構(gòu)重新進行分析校核，確保其具有足夠的剛度和強度；通過對兩 個修剪機構(gòu)進行模態(tài)分析，證明地面和刀具的激振頻率均能避開其固有頻 率而不發(fā)生共振；利用多體動力學分析軟件ADAMS，分別對修剪機構(gòu)和 整機進行了運動學和動力學仿真，檢驗修剪機動作過程中無“死點”并且未 發(fā)生干涉；通過仿真，獲得整個動作過程中各液壓缸受力曲線，從而發(fā)現(xiàn) 機構(gòu)的缺點并提出改進方案，同時根據(jù)液壓缸受力計算選取液壓缸和動力 源；由于工作時修剪機構(gòu)的外伸使整

5、車重心偏移，影響承載車的操控性， 借助于動力裝置設計可移動配重機構(gòu)，通過仿真對配重前后輪胎的受力情I況進行分析對比，結(jié)果表明該設計能有效解決修剪機進行修剪工作時的重 心偏移問題，改善承載車的操控性能，并降低因整車重心偏移而發(fā)生側(cè)翻 的可能性。本文完成了整個雙面高效綠篙修剪機的設計和關鍵部件的校核工作， 并根據(jù)需要做了相關的仿真研究。結(jié)果表明本文設計的綠篙修剪機是合理 可行的，按該設計生產(chǎn)的產(chǎn)品可以應用于高速公路綠篙的修剪。關鍵詞：雙面修剪機ADAMS仿真有限元分析配重機構(gòu)IIRESEARCH AND DESIGN OF A HIGH-EFFICIENTDOUBLE-SIDED TRIMMER

6、FOR HEDGEABSTRACTAlong with the sustained growth of Chinese highway development, hedge sectors implementation becomes a major focus in the development of highway construction. One of the problems we face here is the burden for hedge trimming. Aimed to tackle this issue, this dissertation proposes a

7、novel hedge trimming manipulator with high performance and less worker labors after analyzed real situation of highway hedge trimming sector inland and abroad.In order to improve the trimming efficiency, shorten the time being blocked while which section is trimming, the scheme of a trimmer with dou

8、ble clip functions was determined, Components for the vertical and horizontal pruning mechanism were designed, so both side of a hedge could be trimmed at the same time, and a vehicle to burden this mechanism was choose. During the design process, the regular type of the turning device is infeasible

9、 at this specific condition. Hence, a novel revolving platform for this manipulator was put forward, which is able to yield any rotation angle accurately. It is implemented by a hydraulic cylinder.First, the trimming manipulator model is developed in Pro/E package. Then its optimal design for the me

10、chanical structure is obtained through finite element static analysis in ANSYS. Second, the optimized structure is proved to have enough stiffness and intensity through second verification. In addition, its modal analysis demonstrates that vibration frequency triggered by the ground and working part

11、 is kept out of the reach of the manipulator natural frequency, whichinsuccessfully avoids the resonance. Also, the manipulator trajectory wont have any interference with other working components by kinematic and dynamic simulation proceeded in ADAMS. As to the implementation part, there is potentia

12、l improvement in the structure based on the stress curve yielded by hydraulic cylinder. While in working conditions, the center-of-gravity shift of the manipulator will compromise the controllability of the car burden the pruning mechanism. To resolve this problem, a movable balancing unit is added

13、to improve the controllability. Simulation of stress on both front and rear tires verifies this balancing unit with high performance.Though details of design work and the relevant verification this high- efficient hedge trimming manipulator is proved to be feasible and expected to be applied in real

14、 plant.KEY WORDS: Double-sided trimmer; ADAMS simulation; Finite element analysis; Balancing unitIV目錄摘要IABSTRACTIII目錄V第一章緒論11.1研究背景11.2國內(nèi)外研宄現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢11.2.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.2.2發(fā)展趨勢41.3論文的研宄意義、內(nèi)容41.3.1研宄意義51.3.2研宄內(nèi)容51.4課題來源6第二章修剪機的總體設計與零部件設計72.1高速公路綠籬72.2修剪機的總體設計與功能規(guī)劃92.2.1修剪機的設計方案和總體布局92.2.2修剪機的功能規(guī)劃112.2.3承載車

15、的選用及校核132.3修剪機構(gòu)三維模型的建立及零部件的設計152.3.1水平修剪機構(gòu)的設計162.3.2回轉(zhuǎn)臺的設計172.3.3豎直修剪機構(gòu)的設計182.3.4整車的配重及其它設計202.4本章小結(jié)22第三章修剪機構(gòu)的有限元分析設計與優(yōu)化233.1修剪機構(gòu)的有限元靜力分析233.1.1靜力分析方法233.1.2修剪機構(gòu)的靜力分析233.1.3分析結(jié)果的評價253.2修剪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計與分析驗證313.2.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化31V3.2.2分析驗證323.3修剪機構(gòu)的模態(tài)分析353.3.1模態(tài)分析的方法及其必要性353.3.2修剪機構(gòu)的模態(tài)分析任務363.3.3模態(tài)分析結(jié)果363.4本章小結(jié)38第

16、四章整機及關鍵部件的仿真與驅(qū)動系統(tǒng)的設計394.1修剪機構(gòu)的運動學與動力學仿真394.1.1對修剪機構(gòu)進行仿真的目的394.1.2仿真模型的建立394.1.3 Adams模型中的運動及載荷的函數(shù)414.1.4仿真結(jié)果的后處理及分析444.2液壓系統(tǒng)及動力源的確定474.2.1液壓缸的計算484.2.2液壓泵的計算選型514.2.3發(fā)電機的確定534.3整機的仿真分析544.3.1仿真目的544.3.2運動學仿真結(jié)果分析554.3.3動力學仿真結(jié)果分析564.4本章小結(jié)60第五章總結(jié)與展望615.1總結(jié)615.2 廳62參考文獻63致謝66攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術論文目錄67附錄68附錄1非修

17、剪狀態(tài)下修剪機整體布局圖（俯視）68附錄2修剪狀態(tài)下修剪機整體布局圖（俯視）69附錄3豎直修剪機構(gòu)三個方向的位移圖像70附錄4豎直修剪機構(gòu)前六階模態(tài)振型圖71VI廣西大學碩士學位論文雙面高效綠寓修剪機的研究與設計第一章緒論1.1研究背景現(xiàn)代社會中，交通運輸業(yè)是國家經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要支撐，是經(jīng)濟社會發(fā)展的 基礎行業(yè)。而高速公路是公路運輸在發(fā)展中的一種必然產(chǎn)物，在交通運輸業(yè)中起著重 要作用。我國的高速公路發(fā)展迅速，到2013年為止，總里程排世界第一位1。中國交 交通運輸“十二五”發(fā)展規(guī)劃稱，我國高速公路總里程在2015年末達到10.8萬公里， 能夠覆蓋90%以上的城鎮(zhèn)人口超20萬的城市2。高速公

18、路的景觀樹木具有避免雨水直接沖刷、穩(wěn)定路基結(jié)構(gòu)、防風固沙、吸收汽 車尾氣和美化環(huán)境等功能，此外中央綠蘺帶還能有效防止車輛在夜間相向行駛時的燈 光炫目、減輕因行車而引起的精神疲勞，能夠減少硬性防護設施的使用而將車道自然 地隔離開，同時具有隔音防塵、誘導視線等作用，能夠給司機和乘車人員帶來舒適、自 然的感覺35。由此可見，中央隔離綠化帶及路兩側(cè)的綠蘺按標準種植并及時進行維 護，不僅涉及到綠化、美觀，還是保證高速公路安全運行的重要條件。根據(jù)我國制定 的綠蘺維護與保養(yǎng)操作規(guī)范，每年至少需要對其進行兩次修剪6。當前我國的高速公路綠蘺修剪機械化程度很低，嚴重制約了高速公路的快速發(fā) 展。實現(xiàn)綠蘺修剪的機械化

19、與自動化，能夠有效減輕勞動強度、提高勞動效率與修剪 質(zhì)量并保障勞動安全7。所以，考慮到高速公路綠蘺種植的廣泛性和修剪作業(yè)的危險 險性，如何提高綠蘺修剪的機械化水平是一個重要性課題，園林機械的自動化是未來 的發(fā)展趨勢。高速公路綠蘺修剪機的主要作用就是修剪、維護中央隔離綠化帶的綠蘺和兩邊邊 坡的小部分喬木，防止這些綠蘺、喬木生長到高速道上影響行車安全和美觀810。它 的應用改變了傳統(tǒng)方式中的人工修剪形式，使修剪效率和質(zhì)量得到了很大的提高，已 經(jīng)成為目前對高速公路進行維護的必備機械設備。在高速公路建設和園林養(yǎng)護機械的 發(fā)展中，車載式綠蘺修剪機的研制有著重要意義和科學價值，是當前不可或缺的機械 產(chǎn)品。

20、1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1廣西大學碩士學位論文雙面高效綠萬修剪機的研究與設計1.2.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外綠籬修剪設備出現(xiàn)較早，已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史，先從手動式的剪刀發(fā)展 到便攜式修剪機，再到機動式綠蘺修剪機。一般便攜式修剪機采用手持方式11，采用 用旋刀式或者往復式的切割裝置，動力主要來源于電動機或者汽油機。從20世紀70 年代開始，美國和日本相繼研制并推廣車載懸掛式綠蘺修剪機，以適應高速公路的發(fā) 展和園林養(yǎng)護的需求。車載懸掛式綠蘺修剪機結(jié)合了往復式切割機構(gòu)和運送機構(gòu)， 通過對機構(gòu)的調(diào)節(jié)，可以使修剪機在不同高度、不同平面進行修剪工作。該形式的修 剪機非常適合工作量大、行駛路程長的工作環(huán)

21、境，并能保證較高的修剪質(zhì)量和效率。 另外，在西方部分國家，園林修剪設備更加注重人性化，比如草坪修剪機形式逐漸從 步行操縱式轉(zhuǎn)變?yōu)樾⌒妥T操縱式12，能夠更好地保障操作工人的安全。目前，國際上在綠蘺機械技術方面處于領先地位的是德國。德國的Ducker公司生 產(chǎn)有幾種型號的綠蘺樹木修剪機，基本形式為將機械臂安裝在拖拉機或著卡車的前 部，由液壓進行驅(qū)動從而實現(xiàn)升降和伸縮功能，并將綠蘺樹木切割器放置在機械臂的 末端，切割器可由液壓馬達進行驅(qū)動。其中HS20綠蘺樹木修剪機除去拖拉機部分后整 機重量已達到660千克，進行工作時拖拉機的最高行駛速度為2.0千米/小時，修剪機 的機械臂末端安裝有寬度為2.0米

22、的切割器，修剪高度可以達到5.9米。若將剪草裝置 替換機械臂末端的切割裝置，修剪機便可以進行草地修剪工作，從而實現(xiàn)一機多用。 修剪機形式如圖1-1所示。圖1-1 HS20型綠籬樹木修剪機Fig. 1-1 HS20 hedge pruning machine2廣西大學碩士學位論文雙面高效綠萬修剪機的研究與設計上個世紀70年代末，國內(nèi)出現(xiàn)了園林綠化機械，并于90年代得到快速的發(fā)展。 發(fā)展初期，我國企業(yè)主要通過引進歐美地區(qū)的技術和產(chǎn)品，并結(jié)合我國國情對國外園 林機械設備進行仿制和改裝的方式，生產(chǎn)適用于國內(nèi)市場的園林綠化機械13。圖1-2車載式綠籬修剪機Fig. 1-2 Vehicle hedge p

23、runing machine濟南金力液壓有限公司、方正偉業(yè)機械有限公司等生產(chǎn)有車載式綠蘺修剪機，基 本形式為在中型卡車的車廂內(nèi)裝有一套修剪機構(gòu)，其中有支撐刀架的伸縮臂，能夠由 液壓進行驅(qū)動進行升降和伸縮；修剪刀架安裝在伸縮臂的末端，并由液壓馬達驅(qū)動刀 具切割綠蘺。此外，可以通過角度調(diào)整關節(jié)調(diào)節(jié)刀架的傾斜角度從而實現(xiàn)對綠蘺不同 平面的修剪。此形式的綠蘺修剪機的修剪效率遠高于傳統(tǒng)修剪方式，但也存在功能單 一、可靠性差、不能適應于粗枝條修剪等缺點。另外，國內(nèi)也有諸多對修剪機進行研宄的相關文獻資料。例如中國專利，一種組 合式綠蘺修剪機14 (201220330247.6)，該修剪機包括小推車和一個與其

24、固接的平移 升降平臺，并在平移升降平臺上安裝有平置修剪機、豎置修剪機和控制機構(gòu)。其中， 小車的行走方式可以在電動式和手推式之間進行切換；平置修剪機可以上下移動，豎 直修剪機可以作用移動并在豎直方向上90°到180°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，從而達到不同類型 綠蘺帶的修剪作業(yè)要求。與傳統(tǒng)修剪設備相比，該修剪機效率較高；與車載式修剪機 相比，具有體積小，行動靈活等優(yōu)點，但在工作量大，行駛路程長的工作環(huán)境下，其 修剪能力不足。3廣西大學碩士學位論文雙面高效綠寓修剪機的研究與設計再如中國專利，一種車載式綠蘺修剪機15 (201020219192.2)，該修剪機在承載載車上安裝綠蘺修剪設備。其技術

25、方案為：在承載車上固定安裝可以進行360°旋轉(zhuǎn)的 回轉(zhuǎn)底座，回轉(zhuǎn)底座上安裝能夠前后伸縮和上下俯仰的伸縮臂，并將刀盤架固定安裝 在伸縮臂的前端，刀盤架下方同時并排安裝多個旋轉(zhuǎn)刀頭，此外該修剪機還包括驅(qū)動 裝置和控制系統(tǒng)。此技術方案所述修剪機結(jié)構(gòu)簡單，并有效克服了現(xiàn)有機載式修剪機 作業(yè)范圍小等缺陷。然而上述兩項專利只是在結(jié)構(gòu)原理上闡述了可行性，并未投入實際應用。目前國 內(nèi)綠蘺修剪設備的可選擇性很少、功能簡單，性能也比較落后，尤其是在智能化方面 與國外還有很大差距16?？梢钥闯?，國內(nèi)綠蘺修剪設備的發(fā)展還處于起步階段。1.2.2發(fā)展趨勢隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，園林機械設備的數(shù)量和質(zhì)量都將不斷

26、提升，能夠更好 地替代人工修剪作業(yè)。在隨后的幾十年時間里，園林機械要適應不同的應用環(huán)境，其 主要發(fā)展方向如下1720:1. 一機多用和聯(lián)合作業(yè)。例如美國生產(chǎn)的多功能機是一種通過簡單改裝便可以 實現(xiàn)多種功能的機械產(chǎn)品，能適用于小型園林和家庭花園。它既可以通過更換部件完 成修剪、割灌和挖溝等功能，也可以單獨作為動力牽引機。2. 適應性強、可靠性高。對于綠蘺修剪機，應該具有較強的適應能力，比如可以 通過自身調(diào)整對不同高度和形狀的綠蘺進行修剪。要提供生產(chǎn)效率并降低事故發(fā)生幾 率，就必須提高產(chǎn)品的可靠性。若修剪機在修剪工中發(fā)生故障，不僅影響工作效率， 還會造成高速公路上的堵塞從而帶來安全隱患。3. 自動

27、化、智能化水平高21。園林機械必須通過技術創(chuàng)新來實現(xiàn)快速發(fā)展，在產(chǎn) 產(chǎn)品的研發(fā)與生產(chǎn)過程運用現(xiàn)代設計方法，實現(xiàn)創(chuàng)新自主知識產(chǎn)權(quán)，增強產(chǎn)品的市場 競爭力?？梢栽趫@林機械中運用電子無線遙控技術和液壓控制技術，從而提高工作效 率并減輕工作強度。4. 環(huán)保性好22。在當今社會，環(huán)境問題越來越受到重視與關注，許多國家特別是 是發(fā)達國家對此制定了越來越嚴格的相關法律。園林機械要適應當前局勢，新產(chǎn)品要 具有低排放、低噪聲等特點，向著“綠色”產(chǎn)品發(fā)展。1.3論文的研究意義、內(nèi)容4廣西大學碩士學位論文雙面高效綠萬修剪機的研究與設計1.3.1研究意義近年來，伴隨著城鎮(zhèn)建設高潮的興起和高速公路的快速發(fā)展，人們越來越

28、重視綠 化工程。為了安全和美觀，綠化植物需要進行定期修剪，因此市場對園林機械設備的 需求量也逐年升高。我國開始出現(xiàn)越來越多生產(chǎn)園林機械的企業(yè)，大多只是對國外同 類產(chǎn)品簡單地進行仿造，且產(chǎn)品品種單一、可靠性差，達不到真正高效替代人工作業(yè) 的目的，很少有能夠設計生產(chǎn)高速公路綠蘺修剪機的企業(yè)。目前國內(nèi)生產(chǎn)的高速公路 綠蘺修剪機功能較為簡單、材料利用率比較低，與發(fā)達國家的機械化程度還存在較大 差距2324。另外，南北方的高速公路上待修剪綠蘺生長情況大有不同，北方植物生長 生長慢，主要修剪細枝或者嫩芽。而南方雨水和光照充足，植物生長旺盛，待修剪枝 條與北方相比較為粗壯。我國高速公路綠蘺修剪機的生產(chǎn)廠家多

29、在北方，其產(chǎn)品很難 適用于南方的綠蘺修剪，修剪較粗枝條容易對刀具造成損壞并影響整機壽命。在原材料價格不斷升高、市場競爭日趨激烈的大環(huán)境下，各園林機械企業(yè)必須解 決多方面的問題，例如通過縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本等手 段，有效提高產(chǎn)品的市場競爭力。在產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)過程中運用現(xiàn)代設計方法，能 夠有效提高產(chǎn)品市場競爭力。本論文旨在研宄一種高效綠蘺修剪機，該修剪機能同時對綠蘺進行頂面和側(cè)面的 修剪工作，大大提高修剪的效率和質(zhì)量。結(jié)合同課題組的前期相關研宄成果，將其修 剪粗枝條的受力作為先行條件，設計修剪機能適用于修剪南方的綠蘺枝條，同時滿足 價格低、可靠性高等特點。設計過程中，借助

30、于現(xiàn)代研宄手段，對修剪機進行仿真和 分析，在制作物理樣機之前得出一個全面、可靠的實施方案。1.3.2研究內(nèi)容1. 根據(jù)高速公路中央隔離綠化帶的參數(shù)及修剪要求，對綠蘺修剪機進行總體設 計，確定其主要參數(shù)及運動方案。2. 根據(jù)工作需求選取修剪機的承載車車型，并結(jié)合仿真數(shù)據(jù)完成動力匹配和其他 配件的選擇，進行總體布局和整車配重設計。3. 對水平、豎直修剪機構(gòu)的進行零部件設計，并設計一種能夠回轉(zhuǎn)固定角度的回 轉(zhuǎn)臺。通過Pro/E建立三維模型，并完成虛擬裝配。4. 確定工作載荷，對水平、豎直修剪機構(gòu)進行運動學和動力學仿真，確保設計的 機構(gòu)在運動過程中不發(fā)生干涉，并提取各液壓缸驅(qū)動力，為選取液壓缸提供依據(jù)

31、；對5廣西大學碩士學位論文雙面高效綠萬修剪機的研究與設計修剪機構(gòu)進行有限元分析，驗證其剛度和強度是否達到要求，以及固有頻率能否避開 外界的激振頻率，以便對機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。5. 對修剪機進行整機運動學及動力學仿真，一方面可以驗證其修剪技術參數(shù)是否 達到設計要求，另一方面可以對比配重前后承載車輪胎的壓力，分析修剪機構(gòu)和配重 機構(gòu)的移動對修剪機的穩(wěn)定和可操作性的影響。1.4課題來源本課題來源于南寧市科學研宄與技術開發(fā)計劃項目“基于虛擬樣機的車載式多功 能綠籬苗木修剪機的研發(fā)”（2010003007A)和廣西科技攻關項目“電動式多功能綠 蘺苗木修剪機”（桂科攻1103052)。6廣西大學碩士學位

32、論文雙面高效綠寓修剪機的研究與設計第二章修剪機的總體設計與零部件設計本文所設計的綠蘺修剪機主要應用于高速公路的中央隔離綠化帶和兩邊的綠蘺修 剪工作，保證其高度符合要求，側(cè)面不影響車輛行駛，修剪后的綠蘺平整美觀。根據(jù) 高速公路及其綠蘺帶的參數(shù)標準，對修剪機進行總體設計和零部件設計，同時選定了 承載車，并確定了各液壓缸的行程參數(shù)。建立修剪機的三維模型，并在Pro/E中進行虛 擬裝配，可以用于后續(xù)的仿真和分析。2.1高速公路綠籬中央隔離綠化帶具有遮光防眩、誘導視線和改善景觀的功能，為了滿足遮光的要 求，選擇防眩樹種時應優(yōu)先考慮抗逆性比較強，并且枝葉生長比較濃密的常綠樹木， 一般苗木規(guī)格控制高度在1.

33、51.8米范圍內(nèi)為宜。選擇植物時，應以耐修剪并且適應 能力強的常綠綠蘺為主，將其布置為較規(guī)則的形式并在其間配以花綠蘺，例如丁香、 小葉丁香等，綠化帶的底部可以栽種地被類。設計綠化帶時，應注意植物枝條要限制 在中央分隔帶防護欄的內(nèi)側(cè)，不要伸出防護欄而阻礙到司機的視線；綠化帶的植物配 置應以簡單明了為主要形式，其色彩不宜過分繽紛，以免吸引司機視線而干擾到安全 行車。高速公路上的綠化帶有一定的尺寸規(guī)范，所以需要人工對不斷生長的植物進行定 期修剪。根據(jù)行車道寬度的不同，高速公路中央分隔帶寬度一般設計在1.53m之間， 路緣帶寬度在0.50.75m之間，部分中央分隔帶設有路緣石，其高度小于12cm。高速

34、 公路路邊還設有護欄，我國多采用波形梁護欄。當中央分隔帶帶有路緣石時，護欄會 設有防阻塊。護欄外邊緣到中央分隔帶邊緣距離用c表示，其最小值可以為25cm25。 。中央分隔帶示意圖如2-1所示。7廣西大學碩士學位論文雙面高效綠寓修剪機的研究與設計圖2-1中央分隔帶示意圖Fig. 2-1 Schematic diagram of central isolation belt根據(jù)以上所述數(shù)據(jù)以及中央分隔帶示意圖2-1，繪制出中央分隔帶的橫斷面圖，并 通過計算標出各相關尺寸或尺寸范圍，如圖2-2所示。由此可知，中央分隔帶取最大寬 度3000mm，而路緣帶取最窄數(shù)據(jù)250mm時，綠蘺寬度達最大值2000

35、mm；而綠蘺最 高1800mm，護欄高度取最小700mm并且無路緣石時，得到綠蘺側(cè)面需要修剪的最大 修剪尺寸為1100mm。1500-3000<圖2-2中央分隔帶橫斷面圖Fig. 2-2 Section view of central isolation belt8廣西大學碩士學位論文雙面高效綠寓修剪機的研究與設計2.2修剪機的總體設計與功能規(guī)劃2.2.1修剪機的設計方案和總體布局1. 修剪機設計方案的確定本文所設計的綠蘺修剪機，主要應用于高速公路綠化帶的綠蘺修剪，作業(yè)對象一 般要求頂面和側(cè)面修剪平整，不需要類似于城市景觀的各種特殊造型。綜合考慮修剪 機的工作環(huán)境和工作量，最終確定使用車

36、載式的修剪機形式，現(xiàn)提出三種主要設計方 案，具體內(nèi)容如下所述：方案一：修剪機具有一個修剪機構(gòu)，刀架的角度可以進行調(diào)節(jié)以適應不同的修剪 面，其示意圖如圖2-3所示。Fig. 2-3 Option one方案二：修剪機具有兩個修剪機構(gòu)，分別對應修剪綠蘺的頂面和側(cè)面。一段綠蘺 的修剪工作需要在其兩側(cè)各進行一次方能完成，其示意圖如圖2-4所示。圖2-4方案二Fig. 2-4 Option two方案三：修剪機具有三個修剪機構(gòu)，分別對應修剪綠蘺的頂面和兩個側(cè)面，修剪 機一次工作便能完成一段綠蘺的修剪，其示意圖如圖2-5所示。9廣西大學碩士學位論文雙面高效綠寓修剪機的研究與設計b)俯視圖圖2-5方案三Fi

37、g. 2-5 Option three對比以上三種設計方案，其優(yōu)缺點如下所述：方案一所設計的修剪機，僅有一個修剪機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，能完成目標工 作，刀架利用率高。但在修剪一段綠蘺時，如果綠蘺較窄，需要調(diào)節(jié)刀具角度進行側(cè) 面-頂面-側(cè)面三次修剪工作；如果綠蘺寬于刀架長度，則會需要至少四次修剪才能完成 任務，修剪效率較低。方案二所設計的修剪機，具有兩個修剪機構(gòu)，能同時對綠蘺頂面和側(cè)面進行修 剪，結(jié)構(gòu)稍顯復雜。修剪一段綠蘺時，承載車在其兩側(cè)進行一次來回行走，兩刀架便 能合作完成任務，修剪效率較高。頂面的刀架每次只需完成綠蘺一半寬度的修剪任 務，其長度不必達到綠蘺的寬度尺寸。方案三所設計的修剪機

38、，具有三個修剪機構(gòu)，能同時修剪綠蘺的三個面，一次性 工作便能完成對一段綠蘺的修剪任務，修剪效率高。但其總體結(jié)構(gòu)較為復雜，對承載 車尺寸空間要求較高，且其中一個刀架懸出車外過長，很難保證機構(gòu)的剛度和修剪質(zhì) 量達到要求。根據(jù)以上分析，并綜合考慮修剪效率、修剪機結(jié)構(gòu)以及高速公路綠蘺尺寸等問 題，選定方案二的雙面修剪機為具體實施方案，設計修剪機具有修剪頂面和側(cè)面的兩 套修剪機構(gòu)，能夠達到高效的修剪目標，有效縮短工作時間從而保證高速公路的順暢 通行。經(jīng)過相關搜索查找，未發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)市場有相似的雙面修剪功能的綠蘺修剪 機。2. 修剪機的總體布局10廣西大學碩士學位論文雙面高效綠萬修剪機的研究與設計雙面修剪

39、機具有兩套獨立的修剪機構(gòu)，修剪綠蘺頂面的稱為水平修剪機構(gòu)，修剪 綠蘺側(cè)面的稱為豎直修剪機構(gòu)。在修剪機工作過程中，水平修剪機構(gòu)和豎直修剪機構(gòu) 均懸伸于車外，當需要轉(zhuǎn)換工作場地時，整車橫向尺寸過大會影響其他車輛及行人， 具有較大的安全隱患。所以在修剪機不進行修剪工作時，需要把懸于車外的機構(gòu)收回 車內(nèi)，減少所占空間，保證行車安全。由于綠蘺頂面枝條的密度比側(cè)面要高，并且粗枝條相對較多，修剪過程中更易出 現(xiàn)問題，需要操作人員更多的關注，所以對修剪機構(gòu)進行放置時，選擇水平修剪機構(gòu) 安放在前，豎直修剪機構(gòu)在后。綠蘺枝條經(jīng)過修剪，會發(fā)生回彈晃動，如果豎直修剪 機構(gòu)緊跟水平修剪機構(gòu)，其刀具易受晃動枝條的撞擊而發(fā)

40、生損壞。所以兩套修剪機構(gòu) 在車廂前后要有一定距離，中間的空間用來安放液壓站、發(fā)電機等。為了充分利用車 廂空間，或者選用更小的承載車，設計水平修剪機構(gòu)可以旋轉(zhuǎn)90度，放于車頂之上以 充分利用空間，豎直修剪機構(gòu)經(jīng)過伸縮也完全置于車內(nèi)。修剪機處于轉(zhuǎn)場狀態(tài)時的總 體布局方案如圖2-6所示。圖2-6總體布局Fig. 2-6 The overall layout of the trimmer2.2.2修剪機的功能規(guī)劃1. 刀架修剪尺寸設計根據(jù)2.1節(jié)的分析，高速公路中央的綠蘺頂面最大寬度為2000mm，側(cè)面需要修剪的尺寸最大為1100mm。為了保證機構(gòu)的安全，刀架與護欄頂部預留50mm的可操作11廣西大學

41、碩士學位論文雙面高效綠萬修剪機的研究與設計空間，則側(cè)面待修剪長度實際為1050mm。按照所選設計方案，修剪機要完成一段綠 蘺的修剪工作，需要在綠蘺兩側(cè)各進行一次修剪，如圖2-7所示。a)左側(cè)修剪b)右側(cè)修剪圖2-7工作示意圖Fig. 2-7 Working sketch修剪機的水平修剪機構(gòu)，其刀架的修剪寬幅要大于等于綠蘺寬度的一半。修剪機 的豎直修剪機構(gòu)，一次需要修剪完一個側(cè)面，最大修剪寬度為1050mm。選用同課題 組汪楠所設計的刀架，能較好地應用于高速公路綠蘺修剪工作，其重量約為65kg，高 度尺寸為56mm，具有重量輕、枝條容易翻越刀架不易發(fā)生堆積等優(yōu)點26。水平修剪 剪刀架，安裝三個直

42、徑為400mm的圓鋸片，修剪寬幅達到1200mm，來回兩次修剪的 刀架修剪范圍約有200mm的重合量，不會在綠蘺中央發(fā)生遺漏修剪的現(xiàn)象，符合工作 需要。豎直修剪刀架，改用三個直徑為350mm的圓鋸片，修剪寬幅達到1050mm，能 夠一次性完成整個側(cè)面的修剪工作。2 修剪阻力的推算結(jié)合同課題組前期的研宄成果可知，綠蘺修剪工作車速不宜過高，否則刀具易損 壞，影響正常工作，為了兼顧修剪效率與修剪效果，工作過程中承載車的車速一般在 3km/h4km/h較為合適。廣西大學的蔣連瓊對圓鋸片鋸切綠蘺枝條做了系統(tǒng)深入的研 宄，結(jié)論顯示取進鋸速度（即本文中的車速）為3km/h，鋸切轉(zhuǎn)速為3000rpm左右， 是

43、一組較為合理的切削用量。本文以該結(jié)論為研宄基礎，進行相關數(shù)據(jù)的加載。表2-1 中是此工況下鋸切力隨枝條直徑變化的一組數(shù)據(jù)，結(jié)果取一位小數(shù)。其中Fn表示刀具 法向受力，與承載車前進方向相反。Ft表示刀具旋轉(zhuǎn)時的切向受力。由于切削時軸向 力很小，本文計算分析時均對其忽略不計27。12廣西大學碩士學位論文雙面高效綠寓修剪機的研究與設計表2-1鋸切力隨枝條直徑變化數(shù)據(jù)Table 2-1 Sawing force of cutting different diameter sizes of branches直徑（mm)10203040法向力Fn4.541.896.0268.4切向力Ft1.426.630

44、.430.7根據(jù)前期在高速公路路段的實地調(diào)研了解，高速公路綠蘺枝條分布密度一般不超 過30%，除了新長的嫩芽以外，待修剪枝條的直徑一般分布在10-40mm之間，其中以 直徑在20mm左右的枝條居多，很少出現(xiàn)有40mm及40mm以上的待修剪枝條。以上述數(shù)據(jù)為依據(jù)，推算整個刀架及單個刀具所受修剪阻力。枝條分布密度取 30°%；假定待修剪枝條中，直徑為20mm和30mm左右的枝條各占總枝條數(shù)的30°/， 直徑為10mm和40mm左右的枝條各占總枝條數(shù)的20°%。這樣設定加重了粗枝條的比 重，推算出的修剪阻力將大于等于實際阻力。按照表2-1中的數(shù)據(jù)和以上設定值，計算 各受

45、力結(jié)果以及在仿真或分析時的取值如下：水平修剪機構(gòu)的刀架在承載車前進方向受力：Fx=1086.8(N)，可取值1100N。每個 刀盤法向受力fx=362.2(N)，可取值365N水平修剪機構(gòu)的刀架在承載車寬度方向受力：Fy=318.5(N)，可取值320N。每個刀 盤切向受力fy=106.2(N)，可取值110N。豎直修剪機構(gòu)的刀架在承載車前進方向受力：Fx=951.0(N)，可取值1000N。每個 刀盤法向受力fx=317.0(N)，可取值320N。豎直修剪機構(gòu)的刀架在承載車高度方向受力：Fy=278.7(N)，可取值300N。每個刀 盤切向受力fy=92.9(N)，可取值95N。2.2.3承

46、載車的選用及校核由于修剪機的工作內(nèi)容屬于園林養(yǎng)護工作，并且工作期間車輛長時間保持低速行 駛，故承載車優(yōu)先選用運行速度較低的農(nóng)用車。根據(jù)實地調(diào)研了解，廣西福達車輛有 限公司生產(chǎn)的FD180小型多功能拖拉機較符合修剪機的各方面需求，性價比高，其各 技術參數(shù)如表2-2所示：13廣西大學碩士學位論文雙面高效綠萬修剪機的研究與設計表2-2 FD180的技術參數(shù)Table 2-2 Technical parameters of FD180技術參數(shù)型號FD180外形尺寸（長X寬X高）/mm5000X1800X2200車廂尺寸（長X寬X高）/mm2800X1700X550軸距/mm2960輪距/ mm前輪14

47、85 后輪1485整車質(zhì)量/kg2680最大爬坡度/%>20最高車速/km/h40.0發(fā)動機型號2105發(fā)動機功率/kw17.6承載車在使用過程中主要有兩種運行速度：轉(zhuǎn)場速度和工作速度。在轉(zhuǎn)場過程中，修剪機構(gòu)都在車廂內(nèi)，承載車發(fā)揮其運輸功能，可以使用其最大 車速40km/h。設計之前，預估計裝備總質(zhì)量在1500kg左右，在其裝載質(zhì)量范圍之內(nèi)， 不必進行動力性計算。工作過程中，由于其受到切削阻力的影響，需要對其動力性進行校核計算。在計 算過程中，車廂上裝載總質(zhì)量按照2000kg進行計算。前文中提到，車速一般在 3km/h4km/h較為合適，為了滿足更廣泛的需求，在計算過程中，最大修剪速度按

48、照 5km/h進行計算。承載車在運動過程中，所受到的阻力主要來源于四個方面：輪胎與地面間的滾動 阻力，空氣阻力，坡道阻力和加速阻力。在修剪機工作過程中，車速穩(wěn)定，可以不考 慮加速阻力，但存在與承載車運動方向相反的修剪阻力，根據(jù)本文2.2.2節(jié)中的計算結(jié) 果，水平和豎直修剪機構(gòu)總共受該方向的力約為2100N。滾動阻力計算公式：Ff = maSf cos a(2-1)其中總質(zhì)量要由整車質(zhì)量、裝載質(zhì)量和人員質(zhì)量三部分組成，所以 ma=2680+2000+60X2=4800(kg);對于良好的路面，f 一般取值在0.0100.018，高速公路路面路面f值可取0.015;由于高速公路上坡度較小，余弦值可

49、按1計算；帶入上式 計算得滾動阻力Ff =720N?？諝庾枇τ嬎愎剑?4廣西大學碩士學位論文雙面高效綠萬修剪機的研究與設計Fw = 0.047CDADv2(2-2)迎風面積為約為輪距乘以高度，所以AD=3.267(m2); CD的取值范圍為0.5-0.9, 在此取0.8;計算得空氣阻力為Fw=3N。坡道阻力計算公式：Ft = mag sin a(2-3)總質(zhì)量為4800kg，重力加速度取10N/kg；高速路上坡度較小，正弦值約等于正切，高速公路上最大縱坡5%28，即坡度的正切值為0.05;將數(shù)值帶入上式計算得 得坡道阻力F=2400N。在修剪過程中，承載車在前進方向上，所受阻力為滾動阻力、空

50、氣阻力、坡道阻力和修剪阻力之和，把以上數(shù)據(jù)相加得總阻力值為5223N。目前，沒有針對修剪機承載車的專門功率計算公式。根據(jù)其工作形式與內(nèi)容，其功率計算可以參照除雪車的功率計算公式29:Fcxv3600"r(2-4)其中表示車輛受到總的前進阻力，在此為5223N; v表示車輛的運行速度，在 此為5km/h;貨車和客車的傳動系機械效率咁取值范圍0.820.8530，在此取0.82。計 計算得 Pt=8.85kw?？紤]到發(fā)動機有一定的儲備，發(fā)動機總功率一般為P=Pt/0.750.9，按照0.75計 算，得總功率P=11.8kw，小于福達FD180發(fā)動機功率17.6kw，說明所選用的承載車 動

51、力足以滿足修剪工作時的最大需求。2.3修剪機構(gòu)三維模型的建立及零部件的設計修剪機構(gòu)在工作和轉(zhuǎn)場時具有不同的姿態(tài)，兩種姿態(tài)相互轉(zhuǎn)換時機構(gòu)要發(fā)生一定 的運動。水平修剪機構(gòu)需要旋轉(zhuǎn)到車頂，要有回轉(zhuǎn)運動；由于其工作時刀架伸出車 外，設計其長度上能進行一定量的伸縮。豎直修剪機構(gòu)在變換姿態(tài)時主要進行伸縮， 若無法調(diào)整回車內(nèi)，可以配合一定的角度調(diào)節(jié)。液壓傳動具有諸多優(yōu)點，主要表現(xiàn)在裝置體積和質(zhì)量小，工作比較平穩(wěn)，易實現(xiàn) 快速啟動、制動和頻繁的換向，易實現(xiàn)過載保護等方面31。液壓技術相對成熟，應用 用較為廣泛，綜合考慮各因素，修剪機各機構(gòu)的運動最終選用液壓驅(qū)動方式。15廣西大學碩士學位論文雙面高效綠萬修剪機的

52、研究與設計2.3.1水平修剪機構(gòu)的設計水平修剪機構(gòu)用于修剪綠蘺頂面，綠蘺高度在15001800mm之間，而車頂高度接 近2200mm，所以水平修剪機構(gòu)需要在高度方向上進行700mm的升降。機構(gòu)處于最低 位置時可修剪1500mm高的綠蘺，升高300mm可對1800mm綠蘺進行修剪，再升到最 高位置可以放在車頂。查閱機械設計手冊，根據(jù)液壓缸活塞行程系列（GB/T 2349- 1980)并優(yōu)先選用第一系列尺寸，水平修剪機構(gòu)豎直升降液壓缸行程選用800mm。為了保證修剪過程中的行車安全，并給駕駛員留一定的可操作空間，在進行機構(gòu) 的設計時，假設承載車側(cè)面與中央分隔帶有500mm距離。工作時水平修剪機構(gòu)的

53、刀架 要伸出車外較長距離，為了轉(zhuǎn)場時刀架收回車內(nèi)置于車頂，根據(jù)修剪機構(gòu)以及車輛尺 寸，并結(jié)合液壓缸活塞行程系列，選用水平修剪機構(gòu)水平伸縮液壓缸行程為800mm， 修剪機構(gòu)水平方向最大伸縮量為800mm。水平修剪機構(gòu)如圖2-8所示，虛線部分表示修剪機構(gòu)收回800mm但還未旋轉(zhuǎn)90度 的狀態(tài)。水平修剪機構(gòu)具有豎直升降和水平伸縮兩個主要動作，其主體部分的機構(gòu)形式可 以參考起重機的伸縮臂形式。伸縮臂是起重機的主要受力構(gòu)件，而伸縮臂的關鍵技術 在于其伸縮機構(gòu)形式和截面形狀，通常把伸縮臂制成為箱形截面。其中，矩形截面的16廣西大學碩士學位論文雙面高效綠寓修剪機的研究與設計制造工藝較為簡單，中、小噸位起重機

54、的伸縮臂通常采用矩形截面形式3233。參考起 考起重機的伸縮臂形式，本文也采用矩形截面形式，參照現(xiàn)有修剪設備情況并進行粗 略計算后，對截面厚度預設為6mm,在液壓缸伸長到最大位置時，為了保證桿件的整 體變形量，內(nèi)外桿保留200mm的重合部分。另外伸縮臂和刀架之間，需設計一個連接 部件，連接部件的尺寸分別與水平內(nèi)套桿和刀架相匹配，其結(jié)構(gòu)較為特殊，為保證強 度暫選用10mm鋼板焊接而成。根據(jù)前文所設計的總體尺寸，對零部件進行具體的設計。在Pro/E中建立水平修剪 機構(gòu)的三維模型，并依據(jù)所選用刀架的外形尺寸和重量，制作簡單的刀架，進行虛擬 裝配34，如圖2-9所示。圖2-9水平修剪機構(gòu)三維模型Fig

55、. 2-9 3D model of horizontal pruning mechanism2.3.2回轉(zhuǎn)臺的設計水平修剪機構(gòu)中，底部設有回轉(zhuǎn)臺，通過回轉(zhuǎn)臺的90度旋轉(zhuǎn)，使水平刀架在車頂 和修剪位置之間進行轉(zhuǎn)換。目前工程機械領域使用的回轉(zhuǎn)裝置，主要是采用齒輪傳動方式，工作時回轉(zhuǎn)角度 一般需要人為觀察控制，對操作人員的要求較高，實際工作中增加了工作量，工作效 率比較低。在需要準確控制回轉(zhuǎn)角度的工作中，通過人工調(diào)節(jié)很難達到要求。而在本 文設計的修剪機中，每次回轉(zhuǎn)角度都是90度，是確定值，使用齒輪傳動的回轉(zhuǎn)機構(gòu)時 需要操作人員的多次調(diào)節(jié)才能到達正確的工作位置，極為不方便。所以，設計一種簡17廣西大學

56、碩士學位論文雙面高效綠萬修剪機的研究與設計單實用的回轉(zhuǎn)臺，不需要人工觀察調(diào)節(jié)便能準確回轉(zhuǎn)確定的角度，該設計已經(jīng)申請一 項發(fā)明專利并進入公開階段。修剪機構(gòu)的伸縮都靠液壓缸來實現(xiàn)，首先想到回轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)是否也能依靠液壓缸 完成，這樣便能與其他機構(gòu)共用一套液壓設備，不必增設其他動力源。據(jù)此設計了一 款回轉(zhuǎn)臺，該回轉(zhuǎn)臺主要由回轉(zhuǎn)支承、蓋板、推桿液壓缸組成，其三維模型如圖2-10 所示。該設計方案中，當液壓缸處于最短和最長狀態(tài)時，分別對應回轉(zhuǎn)臺的兩個極限旋 轉(zhuǎn)位置。這樣，通過液壓缸本身的可伸縮長度以及兩端的安裝位置，就可以控制回轉(zhuǎn) 臺的最大旋轉(zhuǎn)角度。本文需要回轉(zhuǎn)的角度為90度，運用Pro/E的機構(gòu)運動功能，使回 轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)90度，測量旋轉(zhuǎn)前后液壓缸的長度，并適當調(diào)節(jié)液壓缸安裝位置，最終選用 推桿液壓缸行程為500mm?；剞D(zhuǎn)臺中的回轉(zhuǎn)支承是標準件，根據(jù)功能及尺寸需要，并 查閱機械設計手冊，選用單排四點接觸球式回轉(zhuǎn)支承（01系列），無齒式，其外形尺 寸為外徑1022mm,內(nèi)徑778mm,高100mm。由于蓋板要承受整個水平機構(gòu)的重量， 根據(jù)設計計算，厚度初設為8mm。2.3.3豎直修剪機構(gòu)的設計豎直修剪機構(gòu)在修剪