高速公路綠籬修剪機總體設計與結構優化

陳霖強

摘要：本文對高速公路綠籬修剪機展開運動學仿真分析，結合仿真結果進行總體性設計，針對高速公路綠籬修剪機結構優化展開了深入的研究，結合本次研究，發表了一些自己的建議看法，希望可以對高速公路綠籬修剪機總體設計與結構優化起到一定的參考和幫助，更好的完成修剪機的設計，滿足實際使用需要。

關鍵詞：高速公路；綠籬修剪機；總體設計；結構優化

高速公路中的隔離帶主要是為了實現對車輛的隔離，保證車輛分道行駛，緩解車輛行駛過程中的眩暈以及眩光等情況，使車輛高速行駛安全性得到保證。為了更好地實現這一目標，人們在綠籬形狀、平整度等方面要求越來越嚴格，傳統手工修剪方式已經無法滿足人們在這些方面的實際需要，必須要設計出一種自動化水平高的高速公路綠籬修剪機，提高綠籬修剪效率和效果，保證修剪的安全性，本文就此展開了研究分析。

1修剪機運動學仿真分析

本次設計的修剪機主要作業場所為高速公路，主要是用來修剪高速公路中央隔離帶綠籬，結合高速公路隔離帶綠籬性質以及特點，考慮到產品的功能以及市場競爭力情況，修剪機的設計目標主要集中在以下幾個方面：第一，修剪機選擇自動化修剪模式取代傳統人工修剪模式，手持遙控器就可以控制修剪機作業，修剪效率有顯著提高；第二，結構設計需要保證合理性，可靠性高，有獨立動力源，可以長時間連續作業；第三，既可以高位修剪，也可以低位修剪，作業范圍大，有著非常強的環境適應能力；第四，能夠方便調整修剪姿態，比如修剪的高度、角度、距離等；第五，修剪機構可以滿足360°，回旋需要，完成公路兩邊綠籬的修剪；第六，選擇輕型小貨車作為承載平臺，不需要對貨車進行專門的改造，運輸極為方便；第七，整機質量控制在較輕范圍，制造成本低，有著非常好的市場競爭力。修剪機動態仿真需要符合設計修剪機的設計要求。

1.1虛擬樣機與動態仿真

隨著當前市場競爭的日益激烈化，產品向著多樣化和個性化方向發展，當前市場競爭以產品創新為核心，傳統物理樣機設計流程已經很難有效應用在現代產品研發設計方面，為了在激烈的市場競爭中占據有力地位，產品的設計必須要縮短研發周期，降低研發成本，提高設計質量。虛擬樣機技術屬于一種新的計算機輔助工程分析技術，在土木、機械等行業有著非常廣泛的應用，以多體系運動學、動力學、控制理論為核心，以產品開發周期技術以及計算機仿真技術為核心，與人際互動用戶界面技術、并行開發技術等結合在一起，可以從性能以及外觀等方面實現對產品動力學特性以及運動學特性的模擬，為物理樣機的設計制造提供參考。

動態仿真技術應用在現代機械設計中，可以使設計效率和設計質量有顯著的提高。設計時在計算機上建立樣機模型，展開相關動態性能計算分析，有問題出現之后對設計方案進行更改和優化，簡化產品設計研發過程，縮短產品設計開發周期，降低開發成本，保證產品質量。應用運動學仿真：第一，檢驗運動干涉以及死點，修剪機想要實現高低位修剪以及回轉避讓，存在有較為突出的干涉問題，死點主要是驅動力在從動件回轉力矩為零的點；第二，獲取修剪機主要技術參數，應用運動學仿真，獲取修剪機修剪機高度以及修剪距離等方面參數；第三，提取液壓缸作用力，配套液壓缸不一定滿足修剪機實際使用需要，必須要通過仿真明確負荷特性。

1.2建立仿真模型

CAD繪制出修剪機三維模型之后，將其導入ADAMS，在ADAMS設置初始環斃第一，定義三維坐標系，X軸方向為汽車左側，Y軸方向為汽車作業行駛反方向，Z軸與地面方向垂直向上；第二，設置重力方向；第三，設置構件顯示顏色；第四，做好單位的選擇；第五，設置材料屬性，包含材料密度等。

施加運動約束：第一，常用運動副約束，比如說固定副等；第二，明確約束方向，對部分構件運動方向進行限制，比如說限制兩個構件在同一平面運動；第三，約束運動，規定構件執行函數，按照指定軌跡運動。

借助CAD模型將相關約束副、驅動函數導入，做好ADAMS前期準備工作，在仿真之前，必須要對仿真模型參數進行驗證，避免有系統位形不唯一情況出現。

2修剪機的運行仿真結果總體設計

2.1運動學仿真動畫

通過仿真，獲取修剪機極限作業姿態過程仿真動畫，包含最高、最低水平修剪位置，最高、最低豎直修剪位置，最遠、最近修剪位置等。

2.2運動學仿真后處理

修剪機設計參數：第一，在最高水平修剪高度方面，需要超過3m，能夠滿足高速公路大綠籬修剪需要，在最低水平修剪高度方面，不能超過o.015m，能夠低位水平修剪；第二，在最高豎直修剪高度方面，需要超過3m，能夠滿足大綠籬側面修剪需要，在最低豎直修剪高度方面，不能超過o.05m；第三，最遠水平修剪距離需要超過3m，最遠豎直修剪距離需要超過2.5m，以此走刀修剪寬度超過1.5m，修剪速度保持在4-5km/h。

完成運動學仿真之后，所產生的相關數據儲存在ADAMS數據庫，在ADAMS中對仿真結果進行處理，第一，獲取修剪機最高、最低水平修剪距離，最高、最低豎直修剪距離，最遠、最近修剪距離等參數；第二，獲取舉升臂水平夾角；第三，獲取液壓缸負荷參數，包含伸縮液壓缸、舉升液壓缸以及翻轉液壓缸。修剪機回轉底座包含有回轉平臺、液壓馬達、固定底板、回轉支撐、基座等多項組成結構。回轉支撐屬于傳動原件，主要是為了滿足物體之間相對回轉運動需要，同時承受修剪機軸向力、徑向力等。仿真結果的處理需要重點做好修剪機回轉底座方面的優化設計。

運動學仿真獲取修剪機主要作業參數，該參數與設計值對比，判斷整體設計是否滿足實際設計要求。分析仿真結果發現，修剪機作業過程中不存在干涉以及死點情況。因為ADAMS仿真主要是借助STEP函數孔子，STEP函數會出現出界情況，最終導致設計值與仿真結果之間存在有一定的差異，但是在允許范圍內，總體設計符合要求。另外，承重車的選擇也是一項重點內容，承載車主要是運送修剪機能夠移動作業，滿足修剪機轉場運輸需要，修剪機需要在高速公路作業，承載車的參數必須要符合修剪機工作需要。結合運動學仿真結果，選擇江淮輕卡作為修剪機承載機，最高車速80km/h，最小轉彎半徑13.2m，貨斗長3.7m，寬1.95m。

3高速公路綠籬修剪機結構優化與產生效益分析

3.1結構優化

3.1.1導重準則法

導重準則法創立于上世紀八十年代，屬于結構優化準則法，嚴格按照不等式約束條件以及極值理論推導，在優化效果方面好于滿應力感性準則法。能夠有效克服載荷隨設計變量變化導致的缺陷，屬于結構優化領域一種新的分析方法，在實際應用中，導重法有收斂快、優化效果好特點。導重法在實際應用中能夠實現對虛功準則法缺點的有效克服，以位移等結構性態靈敏度分析為基礎。

導重法在實際應用中對結構進行的優化處理，可以使結構剛度、強度得到顯著提高，降低結構剛度，實現對結構性能的優化設計。

3.1.2應用導重法的修剪機結構優化設計

修剪機結構優化設計一方面是為了降低結構應力，另一方面是降低結構重量。本次優化設計分為兩步，先展開輕量化設計，在應力允許范圍內最大限度降低修剪機重量，使用導重法—單約束重量最輕化進行數學模型的設計，其次展開強度優化設計，保證結構重量不變前提下，最大限度降低結構應力，使結構可靠性得到提高。

第一，選擇設計變量，修剪機結構的優化主要是為了在降低結構重量的同時提高結構力學性能。修剪機整體結構為鋼板焊接，在設計變量選擇方面，需要對鋼板的長度、厚度、寬度等參數有充分的考慮，堅持以下兩個方面原則：一方面設計變量選擇能夠大幅度降低結構重量的板，另一方面設計變量選擇能夠存在應力約束點長度、厚度。

第二，確定目標函數：輕量化設計為結構重量，在結構最大應力不超過材料允許應力情況下，最大限度降低結構重量；強度優化設計為結構應力，保持結構重量不變，最大限度降低結構應力。

3.1.3修剪機模態分析

模型優化之后，再進行模態分析。本次分析省略回轉支撐，重點分析舉升臂、刀架盤、基座以及伸縮臂，模態分析主要為了實現以下幾個目標：第一，獲取修剪機模態參數，對修剪機動態特性有全面的把握；第二，判斷修剪機刀片旋轉頻率是否與固有頻率重合，是否有共振存在；第三，判斷發動機機怠速頻率是否與固有頻率重合，是否存在共振。

3.2效益

高速公路應用綠籬修剪機進行隔離帶的修剪，有助于充分發揮綠籬植被降低噪音、減少光學污染和炫目的問題，確保通過相應公路路段的駕駛員可以實現安全運行。以往綠籬隔離帶修枝處理時應用的修剪機，具有修剪范圍小、操作難度大、勞動強度高的特點，極大的耗費了人力物力，也不方便對高枝進行有效修剪，因此經過結構優化設計處理的綠籬修剪機在目前的高速公路應用中優勢明顯。首先具有的經濟價值，：我國經濟發展中，農業占據著重要的地位，當前市場對于木材、園林景觀等產品有著極大的需求量，因此應用現代化的綠籬修剪機，有助于農業、林業人員減輕工作量，可以進行大范圍、多種類綠籬植被的修剪工作，形成農、林業產業化的發展模式，促進我國農林業朝著精細化的方向發展；同時還可以有效減少高速公路綠籬管理的成本支出，減輕修枝人員的工作量，最大化的提高工作效率和質量。其次具有的社會效益：修剪機經過優化設計可以在高速公路上充分發揮作用，保證道路來往人員的人身安全，促使區域間的經濟往來頻繁和人們出行的便捷，保證人們的人身安全，有效滿足人們生產、生活的需要，促進我國社會穩定與經濟的健康發展。

4結論

選擇CAD建立修剪機三維模型，導入ADAMS展開運動學仿真分析，獲取修剪機相關運動參數，判斷修剪機的設計是否滿足實際需要。針對修剪機結構展開分析，得出不同工況下應力分布情況，之后借助導重法展開修剪機的優化設計。分析修剪機模態，判斷修剪機是否會有共振出現本次選擇現代設計理論中相關方法進行修剪機的設計，修剪機研發周期有何大拿的縮短，修剪機設計質量得到保證，可以為之后其他產品的設計提供參考和借鑒。

為了實現對傳統功能單一、效率差修剪機的取代，本次設計出智能化、機械化、自動化高速公路綠籬修剪機，想要保證新型修剪機有非常廣闊的市場應用前景，首先要分析修剪機可靠性，避免因為結構疲勞導致零部件失效，降低產品安全性；其次要優化智能方式，比如說自動感應等；再次要重視修剪機液壓控制系統的設計，使修剪機工作效率有顯著提高，節約能源消耗；最后要通過結構優化軟件對修剪機進行拓撲優化，更好的滿足設計目標要求。

參考文獻

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