綠化樹(shù)木精剪車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要：綠化樹(shù)木精剪車是一種專門用于園林綠化領(lǐng)域的機(jī)械設(shè)備。深入探討了綠化樹(shù)木精剪車的設(shè)計(jì)、功能及其在現(xiàn)代城市綠化維護(hù)中的應(yīng)用。首先探討了關(guān)于國(guó)內(nèi)外伐木設(shè)備的工作方式和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，表明了它在城市綠化工作中的重要性；其次詳細(xì)介紹了綠化樹(shù)木精剪車的主要組成部分，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等；再次探討了綠化樹(shù)木精剪車的性能特點(diǎn)和solidworks里的有限元分析；最后展望了綠化樹(shù)木精剪車的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：綠化樹(shù)木；精剪車；城市綠化；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；精準(zhǔn)修剪

隨著我國(guó)綠植樹(shù)木越來(lái)越多，有的樹(shù)木出現(xiàn)了樹(shù)干懸垂、樹(shù)枝壓電線的現(xiàn)象。樹(shù)木的形狀會(huì)直接影響城市的綠化效果和生態(tài)環(huán)境。早期主要通過(guò)人工作業(yè)或使用不帶收集功能的機(jī)器進(jìn)行修剪，人工修剪過(guò)程中存在安全隱患，有些機(jī)械設(shè)備沒(méi)有收集樹(shù)枝樹(shù)葉的功能。因此，綠化樹(shù)木精剪車對(duì)樹(shù)枝的修剪及收集起到了關(guān)鍵的作用。

綠化樹(shù)木精剪車主要包括車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)、性能特點(diǎn)和實(shí)時(shí)定位技術(shù)等。通過(guò)綜合運(yùn)用現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真等手段，旨在實(shí)現(xiàn)精剪車的智能化、高效化和環(huán)保化設(shè)計(jì)。

1 國(guó)內(nèi)外修剪樹(shù)木設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

在國(guó)外園林綠化領(lǐng)域中，修剪樹(shù)木樹(shù)枝的設(shè)備和技術(shù)發(fā)展比國(guó)內(nèi)先進(jìn)。手持式、背負(fù)式、車載式、自動(dòng)式多種類型的修剪設(shè)備層出不窮，其中一些設(shè)備已經(jīng)具備遙控操作、自動(dòng)識(shí)別、智能導(dǎo)航等功能。此外，隨著環(huán)保理念的普及，國(guó)外修剪設(shè)備也越來(lái)越注重環(huán)保和節(jié)能。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，在不同地區(qū)，不同種類的樹(shù)木修剪各有差異，一些設(shè)備在特定環(huán)境下效果不佳。而且由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修困難，而且對(duì)駕駛員的操作要求條件比較高，因此，存在許多問(wèn)題。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)修剪設(shè)備種類繁多，有手動(dòng)、電動(dòng)等多種類型。手動(dòng)修剪設(shè)備如剪刀、鋸等，常用于面積小、強(qiáng)度低的修剪；電動(dòng)修剪設(shè)備則用于大面積、高強(qiáng)度的修剪，提高了修剪效率。隨著科技的不斷進(jìn)步，國(guó)內(nèi)修剪設(shè)備在技術(shù)創(chuàng)新方面也取得了顯著成果。例如，一些新型修剪設(shè)備采用了激光掃描技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化修剪，更好地提高了修剪的精確度和效率。然而，國(guó)內(nèi)的修剪設(shè)備仍然存在一些不足之處。例如，一些高端、智能化的修剪設(shè)備還需要依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的核心技術(shù)較少；同時(shí)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上部分修剪設(shè)備存在質(zhì)量、性能不穩(wěn)定等問(wèn)題，影響了用戶的使用體驗(yàn)和市場(chǎng)口碑[1-2]。

2 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖1）

2.1.1 底盤設(shè)計(jì) 保證車輛穩(wěn)定、靈活，能夠適應(yīng)不同地形和作業(yè)環(huán)境。底盤采用高強(qiáng)度材料，整車質(zhì)量較輕，承載能力和穩(wěn)定性較高。

2.1.2 剪刀臂設(shè)計(jì) 剪刀臂是綠化樹(shù)木精剪車的工作部分，也是其核心，負(fù)責(zé)樹(shù)木的修剪工作。在設(shè)計(jì)過(guò)程中需考慮剪刀臂的長(zhǎng)度、角度和剪切力等因素，以確保修剪的精確性和效率。通過(guò)三維建模軟件如SolidWork進(jìn)行建模和優(yōu)化，確保剪刀臂的結(jié)構(gòu)合理性和強(qiáng)度要求。

2.1.3 收集箱和粉碎機(jī)設(shè)計(jì) 大容量收集箱，用于收集修剪下來(lái)的枝葉；同時(shí)配置粉碎機(jī)，將枝葉粉碎成小塊，便于后續(xù)處理，既節(jié)省時(shí)間，又能減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.1.4 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì) 裝設(shè)簡(jiǎn)單易用的觸摸屏界面，可迅速設(shè)定工作參數(shù)并進(jìn)行即時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.1.5 環(huán)視攝像頭設(shè)計(jì) 360°環(huán)視攝像機(jī)可以全方位無(wú)死角地拍攝小車周邊的每一個(gè)角落，彌補(bǔ)了常規(guī)監(jiān)控的盲區(qū)，讓駕駛者可以更加全面、清楚地了解車輛周邊的狀況，避免倒車、入庫(kù)、狹窄路面行駛時(shí)發(fā)生碰撞、刮擦等交通安全問(wèn)題。也可以提升車輛的智能化程度。

2.1.6 機(jī)械抓手設(shè)計(jì) 該機(jī)采用機(jī)械式抓具和電腦系統(tǒng)相結(jié)合，達(dá)到了自動(dòng)作業(yè)的目的。在此基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)的工作效率、精度得到了進(jìn)一步的提高，同時(shí)也減少了勞動(dòng)力的消耗。

2.2 控制系統(tǒng)（圖2）

2.2.1 智能化控制系統(tǒng) 利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)視覺(jué)與人工智能等先進(jìn)技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)樹(shù)木的自動(dòng)識(shí)別與修剪。利用智能傳感技術(shù)，可以準(zhǔn)確地控制剪枝過(guò)程。

2.2.2 導(dǎo)航系統(tǒng) 配備高精度導(dǎo)航系統(tǒng)和實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)，保證綠化樹(shù)木精剪車在作業(yè)過(guò)程中能夠準(zhǔn)確到達(dá)指定位置。

3 傳感器技術(shù)

利用多種傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛狀態(tài)、修剪高度等信息，為控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

3.1 動(dòng)力性能

3.1.1 動(dòng)力總成選擇 動(dòng)力系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)，太陽(yáng)能板可給電動(dòng)機(jī)補(bǔ)充電能，可以保證綠化樹(shù)木精剪車有充足的電力。

3.1.2 電池組優(yōu)化 配置大容量電池組和太陽(yáng)能板，增加行駛里程，保證工作時(shí)間。

3.2 工作原理

3.2.1 車輛定位與導(dǎo)航 車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)，綠化樹(shù)木精剪車可以準(zhǔn)確地到達(dá)指定的修剪區(qū)域。導(dǎo)航系統(tǒng)可以與地理信息系統(tǒng)（GIS）結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)修剪區(qū)域的精確識(shí)別和定位（圖3）。

3.2.2 智能化識(shí)別與調(diào)度管理 利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)樹(shù)木種類、生長(zhǎng)狀況和待修部位的自動(dòng)識(shí)別。通過(guò)智能調(diào)度和管理，車輛能夠?qū)嵤┘糁Φ母叨取⒔嵌群头葟?qiáng)度等最優(yōu)修剪策略[3]。

3.2.3 液壓剪刀臂的工作 液壓剪刀臂是精剪小車的核心部分，在工作過(guò)程中起著修剪作用。由液壓泵驅(qū)動(dòng)，剪刀臂能快速精確地將枝條剪斷。

3.2.4 收集與粉碎 修剪下來(lái)的樹(shù)枝和葉片會(huì)被收集到車輛的收集箱中。同時(shí)，配置在車輛上方的粉碎裝置會(huì)先將落下來(lái)的樹(shù)枝粉碎。

3.2.5 實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)整 通過(guò)人機(jī)交互接口，實(shí)現(xiàn)了剪枝全過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)修枝效果不佳或失效時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，保證整枝工作的質(zhì)量與效率。

綠化樹(shù)木精剪車中剪刀臂的力度大小和搖擺速度控制[4]：

剪刀臂機(jī)構(gòu)的控制是整個(gè)機(jī)構(gòu)的核心。該系統(tǒng)利用先進(jìn)的電控裝置（ECU）及可編程邏輯控制器（PLC），可以從操作者那里接受輸入的信息，并按照預(yù)先設(shè)定的算法及參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算。這些命令由電或液壓驅(qū)動(dòng)裝置傳送到剪式機(jī)械抓手上，以準(zhǔn)確控制剪式機(jī)械抓手的受力。

調(diào)控機(jī)制對(duì)剪刀臂力的調(diào)控至關(guān)重要。整個(gè)系統(tǒng)包括傳感器、執(zhí)行器、控制器等部件。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)剪刀臂各個(gè)部分的受力、速度等工作狀態(tài)，并將有關(guān)信息反饋給控制器。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)與預(yù)設(shè)的控制方案相結(jié)合的方法，得到相應(yīng)的控制信號(hào)，然后通過(guò)執(zhí)行器來(lái)控制剪刀臂的調(diào)節(jié)裝置，來(lái)調(diào)整剪刀臂的大小。

4 性能特點(diǎn)及有限元分析

4.1 高效性

該機(jī)器能快速準(zhǔn)確地進(jìn)行剪枝，大大提高了剪枝的效率，減少了工時(shí)。這種高效，不只是因?yàn)樾藜舻乃俣瓤欤谟谛藜舻馁|(zhì)量和精度，能讓工作效率大大提高。

4.2 安全性

綠化樹(shù)木精剪車采用了很多安全裝置，包括保護(hù)系統(tǒng)和緊急剎車裝置，保證了精剪車的安全性。同時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及精密的控制，使得操作的危險(xiǎn)系數(shù)大大降低。

4.3 廣適性

精剪車可適用于任何環(huán)境及天氣狀況，無(wú)論冷、熱、雨雪，均可正常使用。而且精剪車的輪胎可以在復(fù)雜的地面上運(yùn)動(dòng)。

4.4 自動(dòng)化

精剪車自動(dòng)化水平很高，綠化樹(shù)木精剪車使用了先進(jìn)的智能控制系統(tǒng)，能夠?qū)ψ鳂I(yè)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)化控制，降低了手工工作量，從而提高了工作的準(zhǔn)確性和工作效率。不僅降低了強(qiáng)度，而且也提高了工作效率。

4.5 精確性

精剪車具有高精度的zkk5FaUQBDzbtTzCnr3etSr6cm+xfoodvxRbLPIn9Fk=傳感器和控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)剪刀臂力度的精確控制。這意味著在修剪過(guò)程中，可以準(zhǔn)確地調(diào)整力度，避免對(duì)樹(shù)木造成過(guò)度損傷或因修剪不足而傷害樹(shù)木（圖4、圖5）。

5 結(jié) 論

5.1 智能化與自動(dòng)化

利用先進(jìn)的智能控制系統(tǒng)，使綠化樹(shù)木精剪車的作業(yè)完全自動(dòng)化，減少了人工作業(yè)的依賴性。它的智能、自動(dòng)特征，不但可以提高工作的效率，也可以降低人工誤差，而且可以改善修剪的精確性。

5.2 適應(yīng)性與靈活性

精剪車可以根據(jù)不同的環(huán)境和天氣情況進(jìn)行調(diào)整，具有很強(qiáng)的柔性，可以實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的操作，這樣的適應(yīng)性和靈活性使得它可以應(yīng)用于不同的區(qū)域，以滿足不同的景觀要求。

5.3 環(huán)保與節(jié)能

該設(shè)備采用低排放、低能耗的能源，降低了對(duì)環(huán)境的污染。同時(shí)，它的高效率工作模式，還可以減少資源的浪費(fèi)，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。

5.4 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)園林綠化的要求越來(lái)越高，樹(shù)木精剪機(jī)在將來(lái)將會(huì)向智能化、高效化、多樣化方向發(fā)展。重點(diǎn)應(yīng)放在完善精剪車輛的性能與工藝上，以滿足日益發(fā)展的園林綠化行業(yè)需求。

綠化樹(shù)木精剪車作為一種高效的園林工具，具有顯著的優(yōu)勢(shì)和潛力。其高效、精準(zhǔn)、智能化、適應(yīng)性和環(huán)保節(jié)能等特點(diǎn)使得它在園林綠化作業(yè)中發(fā)揮著重要作用。未來(lái)的研究和發(fā)展應(yīng)繼續(xù)探索其潛力，推動(dòng)園林綠化事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：山東工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)2023年大學(xué)生科研項(xiàng)目。

作者簡(jiǎn)介：丁吉強(qiáng)（2005年—），男，本科在讀，專業(yè)為新能源汽車工程技術(shù)。