陳延偉， 王占禮， 張自強(qiáng)， 龐在祥

0 引 言

現(xiàn)在城市綠化的要求越來(lái)越高，樹(shù)墻作為其中的一部分以其成本低廉、整齊美觀發(fā)揮了重要的作用，但同時(shí)隨著樹(shù)木枝葉的生長(zhǎng)，樹(shù)墻頂端也變得參差不齊，再加上樹(shù)墻位置和形狀的約束，因此，樹(shù)墻修剪對(duì)工人要求具有較高的操作水平和經(jīng)驗(yàn)［1－2］。

傳統(tǒng)的修剪工具手持汽油機(jī)式“綠籬剪”，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生以下幾個(gè)弊端:首先，汽油機(jī)會(huì)產(chǎn)生很大的噪音污染，“綠籬剪”工作時(shí)的噪音可達(dá)到95dB以上；其次，汽油機(jī)排出大量的尾氣還會(huì)對(duì)大氣有很大的污染；第三，工人在用“綠籬剪”作業(yè)時(shí)，必須由人手持邊行走邊修剪，帶來(lái)繁重的勞動(dòng)強(qiáng)度［3－4］。根據(jù)國(guó)內(nèi)外環(huán)衛(wèi)機(jī)械的實(shí)際情況及環(huán)衛(wèi)部門(mén)實(shí)際工作需求［5－6］，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款操作簡(jiǎn)便、成本低廉、能耗低、噪音小的自動(dòng)樹(shù)墻修剪設(shè)備，該設(shè)備大幅地降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、改善了工人的勞動(dòng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保的城市建設(shè)要求，為城市環(huán)衛(wèi)機(jī)械化貢獻(xiàn)微薄力量。

1 環(huán)保樹(shù)墻修剪機(jī)的工作機(jī)理及總體設(shè)計(jì)

1.1 修剪機(jī)工作機(jī)理［7］

環(huán)保樹(shù)墻修剪機(jī)是根據(jù)環(huán)衛(wèi)工人實(shí)際工況，深入分析了樹(shù)墻修剪操作的工況及流程，其傳統(tǒng)的修剪方法是由工人師傅手持汽油機(jī)式“綠籬剪”進(jìn)行修剪，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中有上述的幾個(gè)弊端。

所設(shè)計(jì)的樹(shù)墻修剪機(jī)是利用電動(dòng)車(chē)作為工作平臺(tái)，工作過(guò)程中，每個(gè)行程完成一個(gè)樹(shù)墻平面的修剪，然后通過(guò)改變刀具的工作位置再次行走完成下一個(gè)平面的修整。該裝置采用機(jī)械手臂的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)修剪刀具的定位，進(jìn)而可對(duì)不同傾斜角度的樹(shù)墻進(jìn)行修剪。與此同時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)水平臂的伸縮和垂直臂的升降，來(lái)完成對(duì)不同規(guī)格樹(shù)墻的修剪。

1.2 總體設(shè)計(jì)

1.2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

利用機(jī)電結(jié)合的綠色環(huán)保設(shè)計(jì)理念，將傳統(tǒng)的樹(shù)墻修剪工作用樹(shù)墻修剪設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，其目的是將環(huán)衛(wèi)工人從繁重的修剪勞動(dòng)中解脫出來(lái)，同時(shí)改善其工作環(huán)境，降低能耗和污染，制定以下設(shè)計(jì)目標(biāo):

1）原動(dòng)機(jī)選擇直流電機(jī)，動(dòng)力源選擇蓄電池作為首選，條件允許的情況下配備太陽(yáng)能電池板。

2）實(shí)現(xiàn)工作面不同寬度的適應(yīng)性調(diào)節(jié)。

3）實(shí)現(xiàn)不同高度的適應(yīng)性調(diào)節(jié)。

（四）結(jié)構(gòu)扁平，領(lǐng)導(dǎo)管理要求高。省軍區(qū)系統(tǒng)重組重塑后，體制結(jié)構(gòu)更加扁平，人員編成更加精干，對(duì)領(lǐng)導(dǎo)管理工作提出新的更高要求。由于省軍區(qū)單位點(diǎn)多線長(zhǎng)面廣，且駐地相對(duì)分散，管理對(duì)象既有軍官、士兵、文職人員和職工，還有專(zhuān)武干部和離退休干部，人員多樣、成分復(fù)雜，領(lǐng)導(dǎo)管理任務(wù)重、壓力大。因此，過(guò)去那種事無(wú)巨細(xì)“一竿子插到底”、大包大攬“保姆式”的領(lǐng)導(dǎo)管理方式顯然已不適用，必須打破傳統(tǒng)思維，跳出固有模式，創(chuàng)新理念方法，建立更加科學(xué)高效的領(lǐng)導(dǎo)管理和工作指導(dǎo)體系。

4）實(shí)現(xiàn)工作面任意角度的修剪。

5）實(shí)現(xiàn)殘枝葉的自動(dòng)回收，提高工作效率。

6）實(shí)現(xiàn)較高的平面度和垂直度的修剪。

7）實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)的行走，使工人可以開(kāi)車(chē)工作，從而降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1.2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)目標(biāo)，將環(huán)保樹(shù)墻修剪機(jī)的總體設(shè)計(jì)劃分為5大模塊，即:

1）樹(shù)墻的修剪機(jī)構(gòu)；

3）綠籬剪工作面水平伸縮機(jī)構(gòu)；

4）綠籬剪工作面高度的升降機(jī)構(gòu)；

5）電動(dòng)小車(chē)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

樹(shù)墻修剪機(jī)的總體方案如圖1所示。

圖1 樹(shù)墻修剪機(jī)總體方案

本設(shè)備主體支撐是一輛電動(dòng)四輪車(chē)；垂直升降臂17與車(chē)體固聯(lián)，通過(guò)絲杠與螺母聯(lián)接實(shí)現(xiàn)不同高度樹(shù)墻的修剪功能；水平伸縮臂6通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)減速器，減速器帶動(dòng)絲杠與螺母聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)水平伸縮功能，以完成不同寬度樹(shù)墻的修剪；水平臂自動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)4連接在水平伸縮臂7上，通過(guò)定位銷(xiāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)任意角度定位。

1.2.3 電氣控制系統(tǒng)

本環(huán)保樹(shù)墻修剪機(jī)使用的是低壓直流供電，雖然工作電機(jī)的功率不大，但是其工作電流很大。如果單獨(dú)啟動(dòng)，“綠籬剪”工作電機(jī)的啟動(dòng)電流達(dá)到16A，行走電機(jī)啟動(dòng)電流達(dá)12.5A，而直接用開(kāi)關(guān)控制則會(huì)出現(xiàn)大弧光將開(kāi)關(guān)燒毀，因此，設(shè)備中的4個(gè)電機(jī)都是由直流繼電器加開(kāi)關(guān)來(lái)控制實(shí)現(xiàn)的［8］。

繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用?！熬G籬剪”電機(jī)工作時(shí)只要能開(kāi)、能關(guān)即可，其主電路如圖2所示。

圖2 “綠籬剪”工作電機(jī)控制電路

K3，K4為24V直流線圈繼電器，SB3，SB4分別為鋸開(kāi)和鋸關(guān)開(kāi)關(guān)。

垂直升降、水平伸縮通過(guò)工作電機(jī)正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其控制電路如圖3和圖4所示。

圖3 垂直升降、水平伸縮工作電機(jī)控制電路

圖4 行走電機(jī)控制電路

2 環(huán)保樹(shù)墻修剪機(jī)的實(shí)體建模

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在現(xiàn)代產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中起著非常重要的作用［9］。這是因?yàn)槔糜?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可以預(yù)先估計(jì)出它們?cè)诟鞣N環(huán)境下的表現(xiàn)，并且速度快、成本低。設(shè)計(jì)師可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件迅速確定方案，合理地選擇參數(shù)。對(duì)環(huán)保樹(shù)墻修剪機(jī)的三維建模是項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)程中不可缺少的環(huán)節(jié)。其目的是在設(shè)計(jì)時(shí)能夠直觀地反應(yīng)環(huán)保樹(shù)墻修剪機(jī)的本體，預(yù)測(cè)其性能并進(jìn)行合理優(yōu)化。由于環(huán)保樹(shù)墻修剪機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此，使用三維建模與仿真模擬確定環(huán)保樹(shù)墻修剪機(jī)結(jié)構(gòu)方案是非常必要的。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)的環(huán)保樹(shù)墻修剪機(jī)主要有4大模塊組成，分別是行走小車(chē)、豎直升降機(jī)構(gòu)、水平伸縮機(jī)構(gòu)和綠籬剪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。在三維繪圖軟件Solid-Works中對(duì)所選零部件進(jìn)行三維建模，并在其中采用模塊化設(shè)計(jì)，即采用單個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和裝配，最后組裝到一起。這樣設(shè)計(jì)既有利于查看各部之間的配合，也有利于各模塊之間的拆裝，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。各模塊的裝配圖如圖5～圖9所示。

圖5 差速電機(jī)裝配示意圖

圖6 電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)橋裝配示意圖

圖7 垂直升降臂機(jī)構(gòu)裝配示意圖

圖8 水平伸縮機(jī)構(gòu)裝配示意圖

圖9 綠籬剪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)爆炸示意圖

利用SolidWorks三維建模軟件，對(duì)環(huán)保樹(shù)墻修剪機(jī)各個(gè)模塊進(jìn)行三維建模，實(shí)現(xiàn)了樹(shù)墻修剪機(jī)整機(jī)模型化與自上而下的環(huán)保樹(shù)墻修剪機(jī)的虛擬裝配。為樹(shù)墻修剪機(jī)的仿真分析提供樣機(jī)模型，為環(huán)保樹(shù)墻修剪機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)和借鑒。

3 結(jié) 語(yǔ)

環(huán)保樹(shù)墻修剪機(jī)完全是以機(jī)械代替了人力勞動(dòng)，大大減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；當(dāng)今世界“電能”的產(chǎn)生來(lái)源十分廣闊，屬于清潔能源，采用可再生的“電能”充當(dāng)動(dòng)力源。在環(huán)境保護(hù)方面解決了噪音和尾氣污染，在工作時(shí)電動(dòng)機(jī)設(shè)備產(chǎn)生的噪音不到40dB，完全符合環(huán)保要求。而且該裝置不會(huì)產(chǎn)生任何尾氣污染環(huán)境。環(huán)保樹(shù)墻修剪機(jī)具有綠色環(huán)保、操作簡(jiǎn)便、人性化設(shè)計(jì)等特點(diǎn)。

［1］ 歐陽(yáng)天成，梁燕成，陳樹(shù)勛.高速公路綠籬修剪機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析［J］.裝備制造技術(shù)，2012（11）:36-41.

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