車載式雙臂綠籬機的結構設計

馬得力，王 剛，邵現田，司癸卯

（長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，西安 710064）

0 引言

高速公路總里程數快速增長，在“十二五”期間，通車總里程一直位居世界首位。同時，人們對生態環境的要求越來越高，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。考慮到現階段市場上并沒有一款綜合效果較為滿意的產品，目前的一些修剪設備多為單臂結構，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無法修剪等情況，很多時候還需要人為修剪，降低了工作效率[2]，嚴重影響了對高速公路綠化帶的維護效率[3]。分析采用此傳統修剪方式帶來的問題和不足，結合設計要求[4]，認為需要研制出一種高效、多功能的綠籬修剪設備，以滿足不斷發展的綠化養護業的需要[5]。

1 作業對象分析

在《高速公路景觀設計規范》中對高速公路綠化帶尺寸有明確的規定，因此必須按照要求對綠化帶進行修剪。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《公路路基設計規范》中規定，道路兩側邊坡坡度范圍為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【6】。高速公路截面如圖1所示。

圖1 高速公路橫截面圖

2 整體結構設計

依照對作業對象的分析，設計出的車載式雙臂綠籬機整體結構，如圖2所示。整體結構由主臂修剪機構、輔臂修剪機構、旋轉底座、配重、動力總成、底盤車組成，主輔臂架固定于旋轉底座上，通過配重塊來平衡；旋轉底座放置于底盤車車廂的前部，臂架結構可完成±90°旋轉；修剪中央綠化帶時，通過臂架伸縮與底座旋轉實現主臂對中央綠化帶上表面進行修剪，輔臂對綠籬的側面進行修剪；在臂架處于收回狀況時，主臂和輔臂可以完全收于車廂內部；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，實現對不同邊坡寬度的適應，由液壓缸調整臂架、刀具的角度與位移，以滿足不同的邊坡狀況。

圖2 車載式雙臂綠籬機整體結構

3 各部分結構設計

3.1 主臂修剪機構的設計

主臂修剪機構主要是為了修剪道路兩邊距離較遠的位置和中央綠化帶的上表面。收臂狀態要滿足道路限高要求[7]。為了提高車載式綠籬修剪機邊行駛邊工作時的安全水平，留出足夠的調整空間，在對修剪機構的設計過程中，以底盤車的側面與邊坡欄桿有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，道路中央綠籬按照上限高度2 m，寬度3.5 m設計。主臂在對邊坡進行作業時伸出最遠，高度也最低，因此主臂修剪機構第一要滿足邊坡的修剪的作業范圍，這一狀態下的作業范圍得到保證，則在其他狀態下的作業范圍就會得到保證[7]。因此為主臂加入了伸縮臂與角度調節臂，當修剪邊坡較矮的植物時，調節角度調節臂使其處于較低位置，當對較高的中央綠籬進行修剪時，調節角度調節臂使其處于較高位置，利用Solidworks建立三維模型，對主臂工作能力進行模擬測定[8]，主臂伸縮臂內的伸縮液壓缸行程選定為1.35 m，角度調節液壓缸的行程選定為4.5 m。考慮到不同的邊坡角度時修剪刀具的角度也要進行相應的改變，因此刀具擺動液壓缸的行程為3.8 m。

圖3 主臂修剪機構

經過以上分析，對主臂各部分具體尺寸進行了設計，借助AutoCAD軟件繪制出了主臂修剪機構在不同工作情況下的示意圖，通過測量與檢驗保證設計的尺寸達到使用要求，在三維軟件中建立主臂修剪機構的模型，最終設計完成的主臂修剪機構工作時的尺寸示意圖和三維圖如圖3所示。

3.2 輔臂修剪機構的設計

輔臂修剪機構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面。在對邊坡修剪時，主臂與輔臂刀具能夠修剪的寬度都為1.2 m，實際工作中要完成坡面寬度1.5～2 m內的綠植的修剪，輔臂機構靠近底盤車的位置，因此根據實際情況調節兩臂重合范圍，完成不同寬度邊坡的修剪需求；對中央綠化帶修剪時，道路上的欄桿高度為0.9 m，因此輔臂刀具要在0.9 m高度以上進行作業；最終設計的輔臂伸縮臂舉升液壓缸的行程為3.35 m。依據以上分析，對輔臂修剪機構各部分的尺寸與液壓缸的行程進行了設計，輔臂修剪機構在工作時的尺寸示意圖和三維模型如圖4所示。

圖4 輔臂修剪機構

3.3 旋轉底座的結構設計

旋轉底座的上面要布置主臂輔臂修剪機構、回轉液壓電機、動力機構、水箱散熱器、油箱和配重等，因此對旋轉底座平臺上的部件分布位置要合理。因為修剪機構會發生角度與伸縮長度的變化，使得旋轉底座的受力狀態處于變化中，因此要進行合理的配重設計，使機構處在平穩狀態[9]。對回轉底座上各部件布置如圖5所示。

通過對主臂修剪機構、輔臂修剪機構、旋轉底座的結構設計并組裝，基本完成車載式雙臂綠籬機的整體結構設計。

圖5 旋轉底座上各部件布置圖

4 現場作業

在對車載式雙臂綠籬機結構設計完成后制作了樣機，并進行了現場作業，其中對高速公路中央綠籬和邊坡修剪作業如圖6所示。

圖6 現場作業圖

通過在實際工作環境中的作業，所設計的車載式雙臂綠籬機結構能夠很好地完成所需要的動作，作業過程無干涉現象，整機也取得了良好的修剪效果，驗證了所設計的結構具有合理性與可行性。

5 結束語

本文為滿足現階段高速公路對綠化養護機械的需要，根據實際工作環境設計了一種新型的車載式雙臂綠籬機，可以實現對道路中央的綠籬頂面和側面同時完成修剪作業，提高了作業效率，對于道路兩側邊坡上的綠色植物同樣可以進行修剪，修剪角度、寬度和高度都可以根據實際需要進行調整，提高了產品的實用性。文中詳細介紹了每個關鍵結構的設計過程與參考方法，對于完整的車載式雙臂綠籬機設計具有應用價值，同時對于同類修剪設備的設計也有借鑒意義。