新型高速公路車載式綠籬機結構分析

倪磊 ， 郭翔， 嚴 靖易

（西南科技大學制造科學與工程學院，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，其綠化的質量直接影響整條道路和覆蓋區域的建設管理水平[2]，同時對凈化空氣，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，需要定時養護和修理，由于植物生長參差不齊，可能會阻擋交通標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很重要的任務。因為高速公路有車流量大、車速快、路程長等特點，所以在高速公路進行人工修剪有危險性高、勞動強度大、耗時長等弊端[5]。而車載式綠籬機修剪能夠克服其中一些弊端，因此車載式綠籬機修剪代替人工修剪已經成為一種趨勢。目前我國現有的車載式綠籬機存在如下問題：1)自動化程度低;2)噪聲大，造成噪聲污染;3)工人勞動強度大;4)修剪效率不高，無法三面一次性成型修剪。

針對車載式綠籬機的上述缺點，擬設計一種自動化程度高、工作效率高、污染小的新型車載式綠籬機[2]。

1 綠籬機結構設計

1.1 綠籬機設計目標

設計的綠籬機可以裝載在普通貨車后槽，作業場地是高速公路和城市公路，作業對象是高速公路中央隔離帶和城市公路綠化帶[6]。根據作業對象的性質和特征，綠籬機設計目標如下：1）綠籬機以自動化程度高的修剪模式取代勞動強度大的傳統人工修剪模式，采用PLC實現自動化控制，提高工作效率。2）能夠對綠化帶的3個所需要修剪的面進行一次性成形修剪，以提高修剪效率。3）綠籬機修剪寬度可根據實際綠化帶寬度調整。4）綠籬機能夠躲避綠化帶中間的障礙物，如樹木、標志牌等。

1.2 綠籬機各部分結構設計

1.2.1 高度升降結構

為實現綠籬機高度可調的功能，決定采用剪式升降機構[7]，圖1為結構簡圖及模型。該機構通過較小的液壓伸縮行程，實現0～700 mm的高度調整。

1.2.2 機械臂結構

圖1 剪式升降結構簡圖及模型

圖2 機械臂結構簡圖及模型

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

1.2.3 修剪避障結構

修剪機構的修剪避障結構為六桿機構，結構簡圖如圖3所示，圖中表示出該結構的兩個極限位置，修剪導軌能夠相對于連桿做旋轉動作。液壓缸全行程收縮時，拉動桿1和桿2旋轉，使得修剪導軌相對于連桿做出角度為90°旋轉動作，進而實現避障。修剪導軌旋轉之前結構如圖4所示，旋轉之后結構如圖5所示。液壓缸的行程為100 mm。六桿機構中，有5個活動構件、7個低副、0個高副，機構的自由度為1，具有確定的運動。

圖3 修剪避障結構簡圖

圖4 旋轉之前

1.3 綠籬機總體結構

綠籬機的總體結構設計主要包括液壓升降臺、機械臂機構與修剪機構的設計，采用UG NX三維建模軟件建立綠籬機模型，綠籬機結構總體如圖6所示。

圖5 旋轉之后

圖6 綠籬機結構總體

在液壓升降臺上焊接一個鉸支座，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個連桿與平臺上的支座組成一個平行四邊形結構，液壓缸2兩端與平臺支座和連桿1銷連接，至此，3個連桿和1個液壓缸組成綠籬機的機械臂結構；修剪導軌與連桿3之間采用銷連接，修剪刀架頂端安裝4個滾輪，安置在修剪導軌中，這樣修剪刀架可以在修剪導軌中左右移動；3個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 靜力學分析

為了驗證所設計的結構是否合理，選用的材料是否恰當，使用ANSYS Workbench對結構進行有限元靜力學分析，完成強度校核[8]。

首先對模型進行簡化，此次有限元分析的重點在于機械臂以及避障機構，因此抑制3把修剪刀具以及承載車輛的模型。

1）網格劃分。本項目使用網格生成器Mesh Tool劃分網格。對模型的機座采用多區域網格劃分方法，以六面體為主導的自由網格類型；通過ANSYS系統對模型的其他部分進行智能網格劃分[9]。劃分網格后該模型共有361 261個單元，174 876個節點。網格平均質量為0.704 52，圖7為網格劃分結果圖。

2）接觸分析。綠籬機大部分元件都是使用銷把相關構件連接起來，相互連接的部件是以接觸方式傳遞法向壓力與摩擦力。在修剪機構中，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。液壓升降臺設為一個整體，其內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，摩擦因數設為0.1。

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

定義液壓升降臺的底盤為固定約束。用3個100 N的力代替修剪刀具模型。設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 網格劃分結果

圖8 結果分析

4）結果分析。圖8(a)為整體機構的等效應力分布圖，其中最大等效應力為57.401 MPa，出現在連桿3與修剪導軌的連接處，根據工程材料資料顯示，結構鋼Q235屈服極限為235 MPa。滿足強度校核。由圖8(b)整體機構的總位移圖可知，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時的安全性。

2.2 模態分析

模態分析的作用是確定結構的振動特性（即結構的自然頻率和振型），并且為構件的設計提供指導依據，避免外部激勵的頻率和結構的自然振動頻率相同，以防止發生共振[10]。綠籬修剪機的作業過程中，激振主要來自修剪刀具。市面上常見的修剪刀具的電動馬達轉速為1500 r/min,激勵頻率為25 Hz。

表1 結構的前6階振型

將有限元靜力學分析的結果導入到模態分析當中，經計算解得前6階固有頻率，見表1，由修剪刀具引起的振動頻率位于第5階和第6階之間，所以不會發生共振。

3 綠籬機工作過程

第1步：綠籬機在修剪綠籬帶過程中，出現標志牌、樹木等桿狀物體時，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，然后液壓升降臺上升，令整個綠籬機上升，當刀架上的豎直剪切刀具完全離開綠籬帶時，液壓升降臺停止運動。

第2步：液壓缸做伸出運動，使機械臂抬高。提高修剪機構的水平高度。然后液壓缸2工作帶動整個修剪結構轉動90°，完成一次避障。

第3步：承載車前進，直到整個修剪機構至刀架修剪時碰不到障礙物。

第4步：液壓缸2帶動修剪結構旋轉90°，讓修剪結構回到原來的位置。液壓升降平臺下降。承載貨車繼續前進，帶動綠籬機向前，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，會對修剪效果產生嚴重影響。因此在修剪導軌中安裝一個拉簧，拉簧一端連接修剪導軌，另一端連接修剪刀架，定位油缸和拉簧的協調運動可以迫使定位導輪沿著路牙石滾動，修剪刀具相對于綠化帶的距離保持不變，以保證綠籬機的修剪質量。

4 綠籬機液壓參數及控制原理

整個綠籬機依靠液壓驅動。考慮到綠籬機需要長時間在戶外工作，且普通貨車后槽放置空間有限，故選用結構緊湊、體積較小的直流型液壓動力單元。液壓動力單元與實現相同原理要求的常規液壓站相比，它具有結構緊湊、體積小、質量輕、效率高、性能可靠、外形美觀、無泄漏、價格便宜等優點[11]。

圖13 修剪主視圖

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

4.1 液壓缸計算

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

2)液壓缸3計算[13-15]。液壓缸3不會承受機構帶來的重力載荷，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 液壓泵參數以及電動機的選擇

液壓馬達轉速n為1500 r/min,排量V為2.1 mL/min,考慮到系統元件的泄漏量，取系統泄漏修正因數為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機功率，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的電動機。

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

圖14 液壓原理圖

5 結論

樣機測試之后，修剪機構與綠化帶之間的距離可以穩定調節，達到預期的目標。設計的旋轉機構可以讓修剪機構很好地規避綠化帶中的標志牌和樹木。修剪機構可以基本完成三面修剪。液壓升降臺與綠化帶之間的距離變化時，綠化帶與修剪機構的相對位置能夠保持不變，保證了修剪效果。

經測試之后，發現該樣機的幾個不足之處：1）為了實現三面修剪，必須手動調節修剪寬度，因為修剪刀具是通過螺栓連接固定在刀架上的，所以調整花費的時間比較長；2）修剪刀具運行過程中會產生較大的振動，會影響修剪的效果；3）修剪機構在避障的時候，存在修剪死角。

為了解決上述問題，修剪寬度也可以通過PLC來調整，提高效率；增強結構剛度，減輕振動帶來的影響；考慮更合理的刀具運動方式，減少修剪死角。

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