多功能道路樹木養(yǎng)護(hù)車的設(shè)計(jì)

曹旭峰，孟利民，周琪，李強(qiáng)

（安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展以及現(xiàn)代社會(huì)的不斷進(jìn)步，城市道路綠化工作實(shí)現(xiàn)了突破性發(fā)展[1]。道路綠化是城市綠化的重要組成部分，城市道路樹木可以凈化空氣、消除噪聲、調(diào)節(jié)氣候、美化環(huán)境[2]。對(duì)道路兩側(cè)樹木養(yǎng)護(hù)的需求也越來越迫切，目前道路兩側(cè)樹木的修剪、澆水、涂白等養(yǎng)護(hù)工作主要依靠人力完成。所用到的養(yǎng)護(hù)工具存在著功能單一、效率低、機(jī)械化程度低的缺點(diǎn)。本文的多功能道路樹木養(yǎng)護(hù)車包括修剪裝置、木材粉碎裝置、澆水及刷白裝置，可對(duì)樹木進(jìn)行修剪、殘枝粉碎回收以及澆水和涂白。以車為載體，通過對(duì)其各個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以完成多種樹木養(yǎng)護(hù)工作，實(shí)現(xiàn)一車多用，使道路樹木養(yǎng)護(hù)工作實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化作業(yè)，對(duì)提升我國道路樹木養(yǎng)護(hù)作業(yè)機(jī)械裝備水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)際價(jià)值。

1 多功能道路樹木養(yǎng)護(hù)車簡(jiǎn)介

多功能道路養(yǎng)護(hù)車以車為載體，由修剪裝置、木材粉碎裝置、澆水及樹木刷白裝置組成。整車含有多種樹木養(yǎng)護(hù)工具，修剪裝置中的液壓機(jī)械臂可對(duì)樹木進(jìn)行修剪，木材粉碎裝置可對(duì)修剪后殘枝粉碎、收集，澆水及刷白裝置可對(duì)樹木進(jìn)行澆水、刷白的養(yǎng)護(hù)工作。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整車結(jié)構(gòu)圖

2 多功能道路樹木養(yǎng)護(hù)車各裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 修剪裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用SolidWorks對(duì)多自由度的修剪液壓機(jī)械臂進(jìn)行建模，修剪液壓機(jī)械臂的三維模型如圖2所示。

圖2 修剪機(jī)械臂三維圖

轉(zhuǎn)盤底座固定在車體上，旋轉(zhuǎn)盤由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)可進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，修剪液壓機(jī)械臂由兩節(jié)折疊臂以及兩節(jié)伸縮臂構(gòu)成[3]。在機(jī)械臂內(nèi)部和外部的舉升液壓缸的作用下可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的長(zhǎng)度和角度的調(diào)節(jié)。

在末節(jié)折疊臂Ⅱ中，其后半部設(shè)計(jì)為可旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，且安裝有修剪機(jī)構(gòu)與夾抱機(jī)構(gòu)，安裝位置示意圖如圖3所示。修剪機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)鏈鋸進(jìn)行修剪工作，且鏈鋸可以通過液壓驅(qū)動(dòng)來進(jìn)行橫向移動(dòng)，以便于調(diào)整修剪位置。夾抱機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4所示，可通過液壓驅(qū)動(dòng)來夾緊和松脫枝干且機(jī)構(gòu)整體在末節(jié)臂中可伸縮。在修剪的作業(yè)中，當(dāng)所修剪的樹木下方?jīng)]有行人及物體時(shí)，夾抱機(jī)構(gòu)處于收縮在末節(jié)機(jī)械臂的狀態(tài)，使用鏈鋸直接進(jìn)行修剪，在修剪作業(yè)完成后統(tǒng)一對(duì)地面的殘枝進(jìn)行處理回收。當(dāng)所修剪樹木下方人流量比較大或者有建筑物、公共設(shè)施時(shí)，可通過液壓驅(qū)動(dòng)使夾抱機(jī)構(gòu)伸出，調(diào)整好機(jī)械臂角度，先夾緊枝干，再通過鏈鋸的橫向移動(dòng)來切割所夾緊的枝干，最后由機(jī)械臂運(yùn)送回地面指定收集位置。

圖3 末節(jié)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)圖

圖4 夾抱機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.2 木材粉碎裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

木材粉碎裝置的結(jié)構(gòu)如圖5所示，裝置主要由進(jìn)料口、送料滾筒、粉碎刀片組、動(dòng)力倉、儲(chǔ)料倉等部件構(gòu)成。進(jìn)料口兩側(cè)設(shè)有擋板，防止木材碎片飛濺，當(dāng)木材送入進(jìn)料口后，隨著送料滾筒的滾動(dòng)，木材被卷入到粉碎機(jī)內(nèi)部，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)著粉碎刀片組將木材粉碎，碎料在重力的作用下落入到儲(chǔ)料倉內(nèi)。在粉碎作業(yè)后或儲(chǔ)料倉滿后，可從外部將儲(chǔ)料倉抽出，對(duì)倉內(nèi)碎料進(jìn)行回收處理。

圖5 木材粉碎裝置結(jié)構(gòu)圖

2.3 澆水及刷白裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

給樹木澆水和刷白是樹木養(yǎng)護(hù)中重要的環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)外大多采用人工拿毛刷來進(jìn)行樹木刷白工作，這種方式效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，還會(huì)造成涂料飛濺的現(xiàn)象[4]。澆水及刷白裝置的基本原理是將此裝置發(fā)動(dòng)機(jī)連接在車體變速箱上，依靠車體動(dòng)力輸出來驅(qū)動(dòng)裝置的噴水泵[5]。其整體結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要包含罐體、進(jìn)出水口、刷樹工具。罐體中分為主倉和副倉，主倉用于儲(chǔ)水，副倉用于放置刷白液。罐體通過外接水槍和刷樹工具來進(jìn)行樹木澆水及刷白的養(yǎng)護(hù)工作。

圖6 澆水及刷白裝置結(jié)構(gòu)圖

刷樹工具的結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要包括主手柄構(gòu)架、副手柄構(gòu)架、噴頭、毛刷。噴頭端部連接在主、副手柄構(gòu)架上且相對(duì)于構(gòu)架能夠旋轉(zhuǎn)，在夾緊樹木進(jìn)行刷樹工作時(shí)使毛刷始終與樹的輪廓水平貼合。這樣就可以實(shí)現(xiàn)人保持原位置不動(dòng)的情況下，只需調(diào)整手柄角度就可以使毛刷自上而下地刷樹，提升了便捷性，提高了工作效率。

圖7 刷樹工具結(jié)構(gòu)圖

噴頭采用多節(jié)弧狀零件組合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖8所示，相鄰兩節(jié)能夠以連接處的中心為軸旋轉(zhuǎn)一定角度，每個(gè)連接處內(nèi)部設(shè)有環(huán)形彈簧卡扣。噴頭可以在一定的范圍內(nèi)向外旋轉(zhuǎn)，以調(diào)節(jié)其外輪廓的形狀，且可以自動(dòng)回彈到初始狀態(tài)。刷樹工具能夠以較高的貼合程度在一定范圍內(nèi)適應(yīng)不同的樹干大小，罐體后部掛有3個(gè)調(diào)節(jié)范圍不同的刷樹工具，可根據(jù)所刷樹干的輪廓弧度選擇相應(yīng)的刷樹工具。

圖8 噴頭結(jié)構(gòu)圖

在進(jìn)行刷樹工作時(shí)，用導(dǎo)管將罐體的副倉與刷樹工具連接起來，打開副倉閥體開關(guān)，工作人員雙手握住兩構(gòu)架的手柄處，先向外擴(kuò)張一定角度，使構(gòu)架上半部圓弧部分打開并與地面保持水平，向樹干靠攏后縮小手柄夾角，使毛刷與樹干輪廓相貼合，夾緊后按壓控制開關(guān)，使噴頭開始噴射涂料，然后將手柄向下傾斜一定角度，使毛刷自上而下地涂刷樹干。刷樹過程中，在夾緊力的作用下，噴頭在構(gòu)架中轉(zhuǎn)動(dòng)且始終保持水平，刷到根部后張開手柄，脫離樹干，調(diào)整角度更換工作面后再次重復(fù)上次操作，2～4次即可完成粉刷。

刷樹工具在工作時(shí)，當(dāng)樹木弧度曲率大于噴頭初始狀態(tài)曲率時(shí)，噴頭的最外節(jié)與樹木相接觸后，隨著夾緊力的逐漸變大使得噴頭的各節(jié)弧狀零件由外到內(nèi)依次向外旋轉(zhuǎn)，環(huán)形彈簧卡扣受到力的作用產(chǎn)生形變，噴頭的各節(jié)張角逐漸變大直至較高程度地貼合樹木輪廓。噴頭較高程度地貼合樹木輪廓后，夾緊力與環(huán)形彈簧卡扣形變產(chǎn)生的彈力相平衡，按壓控制開關(guān)開始自上而下粉刷樹干。粉刷到根部后張開手柄，噴頭的各節(jié)張角弧度在環(huán)形彈簧卡扣的彈力作用下回到初始狀態(tài)。

3 修剪液壓機(jī)械臂ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)修剪液壓臂是否滿足實(shí)際修剪需要，要對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。將修剪機(jī)械臂的三維模型用SolidWorks簡(jiǎn)化后導(dǎo)入到ADAMS中，導(dǎo)入后模型如圖9所示。用固定副將轉(zhuǎn)盤底部與大地連接。各關(guān)節(jié)之間和液壓缸各鉸接點(diǎn)設(shè)置為轉(zhuǎn)動(dòng)副，液壓缸和伸縮臂設(shè)置為移動(dòng)副。通過對(duì)液壓缸及伸縮臂設(shè)定STEP驅(qū)動(dòng)函數(shù)來模擬液壓機(jī)械臂的修剪過程。

圖9 機(jī)械臂ADAMS模型圖

運(yùn)動(dòng)仿真后，通過后處理模塊得到運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果，得到修剪鏈鋸Y軸位移變化曲線（如圖10）、兩節(jié)伸縮臂速度幅值變化曲線（如圖11），以及折疊臂間角度變化曲線（如圖12）。通過對(duì)運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果分析，在模擬修剪過程中修剪刀具所達(dá)到的高度大于7 m，滿足修剪道路樹木的高度要求。折疊臂角度變化平緩，伸縮臂的速度幅值整體數(shù)值較小，說明修剪系統(tǒng)的各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程比較平穩(wěn)。

圖10 修剪鏈鋸Y軸位移變化曲線

圖11 伸縮臂速度幅值變化曲線

圖12 折疊臂角度變化曲線

4 結(jié)語

多功能道路樹木養(yǎng)護(hù)車以車為載體，裝備有樹木修剪裝置、木材粉碎裝置、澆水及樹木刷白裝置，可完成樹木修剪、殘枝粉碎回收、樹木澆水及刷白多種樹木養(yǎng)護(hù)作業(yè)。該設(shè)備機(jī)械化程度高，提高了整機(jī)綜合利用率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。通過對(duì)修剪液壓機(jī)械臂的ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果分析，修剪高度達(dá)到預(yù)期要求，修剪液壓機(jī)械臂運(yùn)行穩(wěn)定，整機(jī)滿足設(shè)計(jì)需要。