多功能道路樹木養護車的設計

曹旭峰，孟利民，周琪，李強

（安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232000）

0 引言

隨著我國經濟快速發展以及現代社會的不斷進步，城市道路綠化工作實現了突破性發展[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、調節氣候、美化環境[2]。對道路兩側樹木養護的需求也越來越迫切，目前道路兩側樹木的修剪、澆水、涂白等養護工作主要依靠人力完成。所用到的養護工具存在著功能單一、效率低、機械化程度低的缺點。本文的多功能道路樹木養護車包括修剪裝置、木材粉碎裝置、澆水及刷白裝置，可對樹木進行修剪、殘枝粉碎回收以及澆水和涂白。以車為載體，通過對其各個裝置的結構設計，可以完成多種樹木養護工作，實現一車多用，使道路樹木養護工作實現了機械化作業，對提升我國道路樹木養護作業機械裝備水平具有重要的現實意義和實際價值。

1 多功能道路樹木養護車簡介

多功能道路養護車以車為載體，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護工具，修剪裝置中的液壓機械臂可對樹木進行修剪，木材粉碎裝置可對修剪后殘枝粉碎、收集，澆水及刷白裝置可對樹木進行澆水、刷白的養護工作。其整體結構如圖1所示。

圖1 整車結構圖

2 多功能道路樹木養護車各裝置結構設計

2.1 修剪裝置的結構設計

利用SolidWorks對多自由度的修剪液壓機械臂進行建模，修剪液壓機械臂的三維模型如圖2所示。

圖2 修剪機械臂三維圖

轉盤底座固定在車體上，旋轉盤由電動機驅動可進行360°旋轉，修剪液壓機械臂由兩節折疊臂以及兩節伸縮臂構成[3]。在機械臂內部和外部的舉升液壓缸的作用下可實現機械臂的長度和角度的調節。

在末節折疊臂Ⅱ中，其后半部設計為可旋轉結構，且安裝有修剪機構與夾抱機構，安裝位置示意圖如圖3所示。修剪機構采用電動機為驅動帶動鏈鋸進行修剪工作，且鏈鋸可以通過液壓驅動來進行橫向移動，以便于調整修剪位置。夾抱機構的機械結構如圖4所示，可通過液壓驅動來夾緊和松脫枝干且機構整體在末節臂中可伸縮。在修剪的作業中，當所修剪的樹木下方沒有行人及物體時，夾抱機構處于收縮在末節機械臂的狀態，使用鏈鋸直接進行修剪，在修剪作業完成后統一對地面的殘枝進行處理回收。當所修剪樹木下方人流量比較大或者有建筑物、公共設施時，可通過液壓驅動使夾抱機構伸出，調整好機械臂角度，先夾緊枝干，再通過鏈鋸的橫向移動來切割所夾緊的枝干，最后由機械臂運送回地面指定收集位置。

圖3 末節機械臂結構圖

圖4 夾抱機構結構圖

2.2 木材粉碎裝置的結構設計

木材粉碎裝置的結構如圖5所示，裝置主要由進料口、送料滾筒、粉碎刀片組、動力倉、儲料倉等部件構成。進料口兩側設有擋板，防止木材碎片飛濺，當木材送入進料口后，隨著送料滾筒的滾動，木材被卷入到粉碎機內部，電動機帶動著粉碎刀片組將木材粉碎，碎料在重力的作用下落入到儲料倉內。在粉碎作業后或儲料倉滿后，可從外部將儲料倉抽出，對倉內碎料進行回收處理。

圖5 木材粉碎裝置結構圖

2.3 澆水及刷白裝置結構設計

給樹木澆水和刷白是樹木養護中重要的環節。目前，國內外大多采用人工拿毛刷來進行樹木刷白工作，這種方式效率低、勞動強度大，還會造成涂料飛濺的現象[4]。澆水及刷白裝置的基本原理是將此裝置發動機連接在車體變速箱上，依靠車體動力輸出來驅動裝置的噴水泵[5]。其整體結構如圖6所示，主要包含罐體、進出水口、刷樹工具。罐體中分為主倉和副倉，主倉用于儲水，副倉用于放置刷白液。罐體通過外接水槍和刷樹工具來進行樹木澆水及刷白的養護工作。

圖6 澆水及刷白裝置結構圖

刷樹工具的結構如圖7所示，主要包括主手柄構架、副手柄構架、噴頭、毛刷。噴頭端部連接在主、副手柄構架上且相對于構架能夠旋轉，在夾緊樹木進行刷樹工作時使毛刷始終與樹的輪廓水平貼合。這樣就可以實現人保持原位置不動的情況下，只需調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 刷樹工具結構圖

噴頭采用多節弧狀零件組合的結構設計，其結構如圖8所示，相鄰兩節能夠以連接處的中心為軸旋轉一定角度，每個連接處內部設有環形彈簧卡扣。噴頭可以在一定的范圍內向外旋轉，以調節其外輪廓的形狀，且可以自動回彈到初始狀態。刷樹工具能夠以較高的貼合程度在一定范圍內適應不同的樹干大小，罐體后部掛有3個調節范圍不同的刷樹工具，可根據所刷樹干的輪廓弧度選擇相應的刷樹工具。

圖8 噴頭結構圖

在進行刷樹工作時，用導管將罐體的副倉與刷樹工具連接起來，打開副倉閥體開關，工作人員雙手握住兩構架的手柄處，先向外擴張一定角度，使構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，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，噴頭在構架中轉動且始終保持水平，刷到根部后張開手柄，脫離樹干，調整角度更換工作面后再次重復上次操作，2～4次即可完成粉刷。

刷樹工具在工作時，當樹木弧度曲率大于噴頭初始狀態曲率時，噴頭的最外節與樹木相接觸后，隨著夾緊力的逐漸變大使得噴頭的各節弧狀零件由外到內依次向外旋轉，環形彈簧卡扣受到力的作用產生形變，噴頭的各節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，夾緊力與環形彈簧卡扣形變產生的彈力相平衡，按壓控制開關開始自上而下粉刷樹干。粉刷到根部后張開手柄，噴頭的各節張角弧度在環形彈簧卡扣的彈力作用下回到初始狀態。

3 修剪液壓機械臂ADAMS運動學仿真

為驗證所設計修剪液壓臂是否滿足實際修剪需要，要對其進行運動學仿真。將修剪機械臂的三維模型用SolidWorks簡化后導入到ADAMS中，導入后模型如圖9所示。用固定副將轉盤底部與大地連接。各關節之間和液壓缸各鉸接點設置為轉動副，液壓缸和伸縮臂設置為移動副。通過對液壓缸及伸縮臂設定STEP驅動函數來模擬液壓機械臂的修剪過程。

圖9 機械臂ADAMS模型圖

運動仿真后，通過后處理模塊得到運動學仿真結果，得到修剪鏈鋸Y軸位移變化曲線（如圖10）、兩節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）。通過對運動仿真結果分析，在模擬修剪過程中修剪刀具所達到的高度大于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值較小，說明修剪系統的各關節運動過程比較平穩。

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 結語

多功能道路樹木養護車以車為載體，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護作業。該設備機械化程度高，提高了整機綜合利用率，降低了勞動強度。通過對修剪液壓機械臂的ADAMS運動學仿真結果分析，修剪高度達到預期要求，修剪液壓機械臂運行穩定，整機滿足設計需要。