新型高速公路車載式綠籬機(jī)結(jié)構(gòu)分析

倪磊 ， 郭翔， 嚴(yán) 靖易

（西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽 621010）

0 引言

高速公路中央分隔帶位于高速公路中央，具有分隔交通、防止眩光、誘導(dǎo)視線等功能[1]。高速公路中央分隔帶是與駕乘人員距離最近的單元，其綠化的質(zhì)量直接影響整條道路和覆蓋區(qū)域的建設(shè)管理水平[2]，同時(shí)對凈化空氣，減少污染、降低噪聲、改善地溫與氣溫等方面有著一定的作用[3]。

綠化植物是生長型植物，需要定時(shí)養(yǎng)護(hù)和修理，由于植物生長參差不齊，可能會(huì)阻擋交通標(biāo)志牌或者影響駕駛員的視線[4]。因此，綠籬的修剪和管理是一項(xiàng)很重要的任務(wù)。因?yàn)楦咚俟酚熊嚵髁看蟆④囁倏臁⒙烦涕L等特點(diǎn)，所以在高速公路進(jìn)行人工修剪有危險(xiǎn)性高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗時(shí)長等弊端[5]。而車載式綠籬機(jī)修剪能夠克服其中一些弊端，因此車載式綠籬機(jī)修剪代替人工修剪已經(jīng)成為一種趨勢。目前我國現(xiàn)有的車載式綠籬機(jī)存在如下問題：1)自動(dòng)化程度低;2)噪聲大，造成噪聲污染;3)工人勞動(dòng)強(qiáng)度大;4)修剪效率不高，無法三面一次性成型修剪。

針對車載式綠籬機(jī)的上述缺點(diǎn)，擬設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化程度高、工作效率高、污染小的新型車載式綠籬機(jī)[2]。

1 綠籬機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 綠籬機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)的綠籬機(jī)可以裝載在普通貨車后槽，作業(yè)場地是高速公路和城市公路，作業(yè)對象是高速公路中央隔離帶和城市公路綠化帶[6]。根據(jù)作業(yè)對象的性質(zhì)和特征，綠籬機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：1）綠籬機(jī)以自動(dòng)化程度高的修剪模式取代勞動(dòng)強(qiáng)度大的傳統(tǒng)人工修剪模式，采用PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，提高工作效率。2）能夠?qū)G化帶的3個(gè)所需要修剪的面進(jìn)行一次性成形修剪，以提高修剪效率。3）綠籬機(jī)修剪寬度可根據(jù)實(shí)際綠化帶寬度調(diào)整。4）綠籬機(jī)能夠躲避綠化帶中間的障礙物，如樹木、標(biāo)志牌等。

1.2 綠籬機(jī)各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 高度升降結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)綠籬機(jī)高度可調(diào)的功能，決定采用剪式升降機(jī)構(gòu)[7]，圖1為結(jié)構(gòu)簡圖及模型。該機(jī)構(gòu)通過較小的液壓伸縮行程，實(shí)現(xiàn)0～700 mm的高度調(diào)整。

1.2.2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

圖1 剪式升降結(jié)構(gòu)簡圖及模型

圖2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)簡圖及模型

為實(shí)現(xiàn)綠籬機(jī)與綠化帶之間的距離能夠調(diào)整，決定采用平行四邊形機(jī)械臂調(diào)整距離。該機(jī)構(gòu)不僅能夠簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，還能保持綠籬機(jī)的修剪角度，以保證修剪效果。機(jī)械臂的兩個(gè)極限位置如圖2所示，圖中機(jī)械臂選用行程為150 mm的液壓缸，機(jī)械臂的高度調(diào)整范圍為475 mm，水平位置調(diào)整范圍250 mm，機(jī)械臂與水平面的夾角在13°～42°之間變化。

1.2.3 修剪避障結(jié)構(gòu)

修剪機(jī)構(gòu)的修剪避障結(jié)構(gòu)為六桿機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示，圖中表示出該結(jié)構(gòu)的兩個(gè)極限位置，修剪導(dǎo)軌能夠相對于連桿做旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。液壓缸全行程收縮時(shí)，拉動(dòng)桿1和桿2旋轉(zhuǎn)，使得修剪導(dǎo)軌相對于連桿做出角度為90°旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)避障。修剪導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)之前結(jié)構(gòu)如圖4所示，旋轉(zhuǎn)之后結(jié)構(gòu)如圖5所示。液壓缸的行程為100 mm。六桿機(jī)構(gòu)中，有5個(gè)活動(dòng)構(gòu)件、7個(gè)低副、0個(gè)高副，機(jī)構(gòu)的自由度為1，具有確定的運(yùn)動(dòng)。

圖3 修剪避障結(jié)構(gòu)簡圖

圖4 旋轉(zhuǎn)之前

1.3 綠籬機(jī)總體結(jié)構(gòu)

綠籬機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括液壓升降臺(tái)、機(jī)械臂機(jī)構(gòu)與修剪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，采用UG NX三維建模軟件建立綠籬機(jī)模型，綠籬機(jī)結(jié)構(gòu)總體如圖6所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)之后

圖6 綠籬機(jī)結(jié)構(gòu)總體

在液壓升降臺(tái)上焊接一個(gè)鉸支座，連桿1和連桿2與支座之間分別采用銷連接，連桿3與連桿1和連桿2都采用銷連接，3個(gè)連桿與平臺(tái)上的支座組成一個(gè)平行四邊形結(jié)構(gòu)，液壓缸2兩端與平臺(tái)支座和連桿1銷連接，至此，3個(gè)連桿和1個(gè)液壓缸組成綠籬機(jī)的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)；修剪導(dǎo)軌與連桿3之間采用銷連接，修剪刀架頂端安裝4個(gè)滾輪，安置在修剪導(dǎo)軌中，這樣修剪刀架可以在修剪導(dǎo)軌中左右移動(dòng)；3個(gè)鋸齒修剪刀具通過螺栓固定在修剪刀架上。

2 有限元分析

2.1 靜力學(xué)分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是否合理，選用的材料是否恰當(dāng)，使用ANSYS Workbench對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，完成強(qiáng)度校核[8]。

首先對模型進(jìn)行簡化，此次有限元分析的重點(diǎn)在于機(jī)械臂以及避障機(jī)構(gòu)，因此抑制3把修剪刀具以及承載車輛的模型。

1）網(wǎng)格劃分。本項(xiàng)目使用網(wǎng)格生成器Mesh Tool劃分網(wǎng)格。對模型的機(jī)座采用多區(qū)域網(wǎng)格劃分方法，以六面體為主導(dǎo)的自由網(wǎng)格類型；通過ANSYS系統(tǒng)對模型的其他部分進(jìn)行智能網(wǎng)格劃分[9]。劃分網(wǎng)格后該模型共有361 261個(gè)單元，174 876個(gè)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.704 52，圖7為網(wǎng)格劃分結(jié)果圖。

2）接觸分析。綠籬機(jī)大部分元件都是使用銷把相關(guān)構(gòu)件連接起來，相互連接的部件是以接觸方式傳遞法向壓力與摩擦力。在修剪機(jī)構(gòu)中，刀架與鋸齒刀具之間定義為固定接觸。所有銷連接處定義為不可分離接觸。液壓升降臺(tái)設(shè)為一個(gè)整體，其內(nèi)部全部定義為固定接觸。在螺栓連接部位，螺栓與螺母之間定義為固定接觸；螺栓與螺栓孔之間定義為不可分離接觸；螺栓與鋼板之間定義為摩擦接觸，摩擦因數(shù)設(shè)為0.1。

3）載荷與約束。對于整個(gè)綠籬機(jī)來說，修剪綠籬帶所受到的阻力較小，可以忽略。綠籬機(jī)受到的主要載荷為慣性載荷——重力，即9.8066 m/s2。

定義液壓升降臺(tái)的底盤為固定約束。用3個(gè)100 N的力代替修剪刀具模型。設(shè)置材料的彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3，密度為ρ=7800 kg/m3。

圖7 網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖8 結(jié)果分析

4）結(jié)果分析。圖8(a)為整體機(jī)構(gòu)的等效應(yīng)力分布圖，其中最大等效應(yīng)力為57.401 MPa，出現(xiàn)在連桿3與修剪導(dǎo)軌的連接處，根據(jù)工程材料資料顯示，結(jié)構(gòu)鋼Q235屈服極限為235 MPa。滿足強(qiáng)度校核。由圖8(b)整體機(jī)構(gòu)的總位移圖可知，位移最大值為4.4232 mm，位于修剪刀具的右端。綠化帶的修剪精度并不是特別高，因此變形量能夠滿足工作需求量并保證作業(yè)時(shí)的安全性。

2.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析的作用是確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性（即結(jié)構(gòu)的自然頻率和振型），并且為構(gòu)件的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)依據(jù)，避免外部激勵(lì)的頻率和結(jié)構(gòu)的自然振動(dòng)頻率相同，以防止發(fā)生共振[10]。綠籬修剪機(jī)的作業(yè)過程中，激振主要來自修剪刀具。市面上常見的修剪刀具的電動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速為1500 r/min,激勵(lì)頻率為25 Hz。

表1 結(jié)構(gòu)的前6階振型

將有限元靜力學(xué)分析的結(jié)果導(dǎo)入到模態(tài)分析當(dāng)中，經(jīng)計(jì)算解得前6階固有頻率，見表1，由修剪刀具引起的振動(dòng)頻率位于第5階和第6階之間，所以不會(huì)發(fā)生共振。

3 綠籬機(jī)工作過程

第1步：綠籬機(jī)在修剪綠籬帶過程中，出現(xiàn)標(biāo)志牌、樹木等桿狀物體時(shí)，定位油缸伸出，固定修剪刀架，使修剪刀架在脫離路牙之后仍能保持在原來的位置上，然后液壓升降臺(tái)上升，令整個(gè)綠籬機(jī)上升，當(dāng)?shù)都苌系呢Q直剪切刀具完全離開綠籬帶時(shí)，液壓升降臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)。

第2步：液壓缸做伸出運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械臂抬高。提高修剪機(jī)構(gòu)的水平高度。然后液壓缸2工作帶動(dòng)整個(gè)修剪結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)90°，完成一次避障。

第3步：承載車前進(jìn)，直到整個(gè)修剪機(jī)構(gòu)至刀架修剪時(shí)碰不到障礙物。

第4步：液壓缸2帶動(dòng)修剪結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)90°，讓修剪結(jié)構(gòu)回到原來的位置。液壓升降平臺(tái)下降。承載貨車?yán)^續(xù)前進(jìn)，帶動(dòng)綠籬機(jī)向前，完成剩余的修剪工作。

圖9 第1步

圖10 第2步

圖11 第3步

圖12 第4步

由于貨車在行駛過程中無法保持直線行駛，會(huì)對修剪效果產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此在修剪導(dǎo)軌中安裝一個(gè)拉簧，拉簧一端連接修剪導(dǎo)軌，另一端連接修剪刀架，定位油缸和拉簧的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)可以迫使定位導(dǎo)輪沿著路牙石滾動(dòng)，修剪刀具相對于綠化帶的距離保持不變，以保證綠籬機(jī)的修剪質(zhì)量。

4 綠籬機(jī)液壓參數(shù)及控制原理

整個(gè)綠籬機(jī)依靠液壓驅(qū)動(dòng)。考慮到綠籬機(jī)需要長時(shí)間在戶外工作，且普通貨車后槽放置空間有限，故選用結(jié)構(gòu)緊湊、體積較小的直流型液壓動(dòng)力單元。液壓動(dòng)力單元與實(shí)現(xiàn)相同原理要求的常規(guī)液壓站相比，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、效率高、性能可靠、外形美觀、無泄漏、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)[11]。

圖13 修剪主視圖

初選液壓動(dòng)力單元工作壓力p為16 MPa[12]；液壓缸的伸縮速度為1 cm/s；油缸的啟動(dòng)加速度為0.01 m/s2。

4.1 液壓缸計(jì)算

1)液壓缸2計(jì)算。當(dāng)連桿1與水平線之間的夾角如圖2所示，由13°上升至42°時(shí)，作用在油缸的上的力最大為2158 N。液壓缸的實(shí)際有效工作面積A1=F1/pμ=141.97 mm2（μ為液壓缸的機(jī)械效率0.95)。則油缸的直徑最小為

2)液壓缸3計(jì)算[13-15]。液壓缸3不會(huì)承受機(jī)構(gòu)帶來的重力載荷，只需克服零件之間的摩擦力即可，作用在油缸上的力最大為120 N。參照液壓缸2的計(jì)算方法，油缸的有效工作面積為A2=7.89 mm2，油缸的最小直徑為D2=3.17 mm。

4.2 液壓泵參數(shù)以及電動(dòng)機(jī)的選擇

液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速n為1500 r/min,排量V為2.1 mL/min,考慮到系統(tǒng)元件的泄漏量，取系統(tǒng)泄漏修正因數(shù)為K=1.1。管道和液壓閥的壓力損失估取500 Pa。按照液壓泵的最大輸入功率確定電動(dòng)機(jī)功率，最小功率為

式中：p=16×103MPa；n=1500 r/min；V=2.1 mL/r；μ為液壓泵容積效率，取0.9，最后選擇功率為1.6kW的電動(dòng)機(jī)。

選用的液壓動(dòng)力單元的液壓控制原理圖如圖14所示。液壓動(dòng)力單元包括4組三位四通電磁換向閥、3組溢流閥、4組單向節(jié)流閥、油箱以及液壓泵。

圖14 液壓原理圖

5 結(jié)論

樣機(jī)測試之后，修剪機(jī)構(gòu)與綠化帶之間的距離可以穩(wěn)定調(diào)節(jié)，達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以讓修剪機(jī)構(gòu)很好地規(guī)避綠化帶中的標(biāo)志牌和樹木。修剪機(jī)構(gòu)可以基本完成三面修剪。液壓升降臺(tái)與綠化帶之間的距離變化時(shí)，綠化帶與修剪機(jī)構(gòu)的相對位置能夠保持不變，保證了修剪效果。

經(jīng)測試之后，發(fā)現(xiàn)該樣機(jī)的幾個(gè)不足之處：1）為了實(shí)現(xiàn)三面修剪，必須手動(dòng)調(diào)節(jié)修剪寬度，因?yàn)樾藜舻毒呤峭ㄟ^螺栓連接固定在刀架上的，所以調(diào)整花費(fèi)的時(shí)間比較長；2）修剪刀具運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，會(huì)影響修剪的效果；3）修剪機(jī)構(gòu)在避障的時(shí)候，存在修剪死角。

為了解決上述問題，修剪寬度也可以通過PLC來調(diào)整，提高效率；增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度，減輕振動(dòng)帶來的影響；考慮更合理的刀具運(yùn)動(dòng)方式，減少修剪死角。

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