鐘學(xué)凱 姜小亮 向北平 石 磊

(西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院 四川綿陽 621010)

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新型電動(dòng)綠籬機(jī)設(shè)計(jì)

鐘學(xué)凱 姜小亮 向北平 石 磊

(西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院 四川綿陽 621010)

新型電動(dòng)綠籬機(jī)以小車為載體，蓄電池為動(dòng)力電源，其綠籬機(jī)與翻轉(zhuǎn)平臺(tái)共同置于小車平臺(tái)上，與小車平臺(tái)一起在液壓缸作用下完成升降動(dòng)作，以適應(yīng)不同高度的綠籬帶，實(shí)現(xiàn)無級(jí)可調(diào)高度修剪功能。綠籬機(jī)支撐架為一種可調(diào)工作角度的承載機(jī)構(gòu),通過幾何形狀完成極限工作位置的自鎖功能,在手動(dòng)推桿作用下可實(shí)現(xiàn)綠籬機(jī)安裝臺(tái)水平和豎直兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)換,完成對綠籬不同方向修剪的任務(wù)。

液壓缸 齒輪傳動(dòng) 綠籬機(jī) 連桿 偏心輪

綠籬因其具有隔離防護(hù)、防塵防噪以及增加觀賞效果的作用，所以在城市道路和園林綠化中具有不可替代的作用。綠籬機(jī)，又稱綠籬剪，適用于茶園、公園、庭院和路旁樹籬等園林的專業(yè)修剪[1]。歐洲生產(chǎn)了一種車載臂架懸掛式綠籬修剪機(jī)，它可以修剪高度或?qū)挾缺容^大的綠籬[2]。我國園林綠化的品種單一，應(yīng)用范圍狹窄，使用率低下[3]。目前，我國綠籬的修剪普遍采用的是手持式油鋸，總結(jié)起來存在如下缺點(diǎn)：(1)汽油綠籬機(jī)噪音大，工作時(shí)會(huì)影響周邊環(huán)境；(2)汽油綠籬機(jī)存在著漏油現(xiàn)象，會(huì)污染環(huán)境；(3)汽油綠籬機(jī)的工作效率不高，浪費(fèi)能源[4]。對于汽油綠籬機(jī)的上述缺點(diǎn)，現(xiàn)在國內(nèi)外的廠家并沒有很好的解決辦法。因此，依靠電能工作的綠籬機(jī)便應(yīng)運(yùn)而生。

動(dòng)力為電能的綠籬機(jī)分為兩類：一種是靠著外接交流電源工作的綠籬機(jī)。這種類型的產(chǎn)品把手上都有一根很長的電源線，工作區(qū)域受限；另一種便是依靠移動(dòng)電源工作的綠籬機(jī)。這種類型的產(chǎn)品電源電壓參差不齊，有12 V，18 V，24 V等。在2010年對此類電動(dòng)綠籬機(jī)的研究便已有先例，但設(shè)計(jì)的移動(dòng)式綠籬修剪機(jī)支架的升降和伸縮所需動(dòng)力由人力提供，而不是采用液壓；修剪的方向僅僅局限于豎直方向。在近期有文獻(xiàn)提出此類型的綠籬機(jī)[5]，但設(shè)計(jì)的手推式綠籬修剪機(jī)采用的是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。采用多個(gè)電機(jī)對綠籬的三面進(jìn)行一次性修剪時(shí)效率雖高，但振動(dòng)較大[6]。上海園林工具廠生產(chǎn)的電動(dòng)旋刀式剪枝機(jī)，其刀片呈輻射狀 ，定刀片對枝條起支承作用，動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)則進(jìn)行切割，該機(jī)需配 12 V的蓄電池。從使用角度看，其配置不太合理，效率不是很高[7]。

車載式綠籬機(jī)在國內(nèi)已有初步研究，其機(jī)械臂和工作裝置部分采用液壓傳動(dòng)，但也僅能修剪兩面，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜[8]。還有一種是基于Atmega168單片機(jī)控制系統(tǒng)的園林綠籬修剪機(jī)器人，采用多個(gè)步進(jìn)電機(jī)，通過對路徑的設(shè)定能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控制修剪，具有一定的應(yīng)用價(jià)值[9]，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅能修剪綠籬頂面。文獻(xiàn)[10]重點(diǎn)介紹了利用ADAMS軟件對高速公路綠籬修剪機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，具有一定參考意義。本文介紹的新型電動(dòng)綠籬機(jī)以小車為載體，蓄電池為電源，其綠籬機(jī)安裝臺(tái)在推桿作用下可實(shí)現(xiàn)水平和豎直方向的轉(zhuǎn)換，從而完成對綠籬不同方向修剪的任務(wù)，修剪過程中也可根據(jù)綠籬帶的具體情況調(diào)節(jié)修剪高度。該新型電動(dòng)綠籬機(jī)克服了以往工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，修剪質(zhì)量不高的缺點(diǎn)，使修剪更靈活方便，適用于多種高度的綠籬帶。

1 工作原理介紹

新型綠籬機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該新型電動(dòng)綠籬機(jī)包括小車平臺(tái)1，綠籬機(jī)支撐架2，綠籬機(jī)安裝臺(tái)3，電機(jī)4，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)5，刀片6，推桿7，小車支架8，液壓缸9，下降開關(guān)10，蓄電池11，踏板12。電機(jī)4輸出轉(zhuǎn)矩，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)5將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞至大齒輪軸，大齒輪軸與刀片通過偏心輪機(jī)構(gòu)相連，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為兩刀片的相對往復(fù)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到剪枝目的。綠籬機(jī)固定于安裝臺(tái)3之上，綠籬機(jī)支撐架2與小車平臺(tái)1焊接在一起，水平推動(dòng)推桿7左端，推桿右端給以推桿與綠籬機(jī)安裝臺(tái)相連鉸鏈水平推力，經(jīng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)綠籬機(jī)安裝臺(tái)的90°旋轉(zhuǎn)，完成水平和豎直方向上的修剪任務(wù)。通過操作踏板12使液壓油經(jīng)過一個(gè)單向閥進(jìn)入液壓缸9,進(jìn)入油缸的液壓油因單向閥無法倒流,逼迫缸桿向上,重復(fù)做功使液壓油不斷進(jìn)入液壓缸,就能實(shí)現(xiàn)連續(xù)上升，打開下降開關(guān)10,液壓油回到油箱，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的下降，綠籬機(jī)就能完成對不同高度綠籬的修剪。多個(gè)蓄電池串聯(lián)能夠使綠籬機(jī)工作時(shí)間延長。

圖1 新型綠籬機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of the new type of hedge trimming machine

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 行走小車及升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1中，行走小車由矩形鋼與圓形鋼管焊接而成。液壓缸9安裝于底盤之上，并在底盤上留出蓄電池安放位置。下降開關(guān)10安裝在推手處，踏板12安裝在腳踏處，將下降開關(guān)10與踏板都用鋼繩拉索與液壓缸9相連。當(dāng)用腳操作踏板12時(shí)，通過相連接的液壓管路，可為液壓缸9提供壓力。在底盤上安裝小車支架8，小車支架由等長的四根矩形鋼和鉸接機(jī)構(gòu)組成，通過小車底盤的鉸接滑塊，相互交錯(cuò)，通過轉(zhuǎn)軸相鉸接，并通過安裝在小車平臺(tái)底面上的鉸接機(jī)構(gòu)和小車平臺(tái)1相連接。

有文獻(xiàn)提出升降機(jī)構(gòu)采用螺紋相配合的驅(qū)動(dòng)螺桿，通過驅(qū)動(dòng)螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)完成綠籬機(jī)的升降[11]。但此類機(jī)構(gòu)自動(dòng)化程度不高，同時(shí)也僅能修剪綠籬頂面，應(yīng)用較狹窄。本文升降機(jī)構(gòu)采用液壓傳動(dòng)。液壓缸通過安裝在底座上的鉸接轉(zhuǎn)軸與底盤鉸接，液壓桿的頂出端與小車支架8相連接。當(dāng)用腳踩踏板12的時(shí)候，相連接的管路可以將壓力傳遞至液壓缸內(nèi)部，當(dāng)液壓油進(jìn)入缸內(nèi)后，液壓桿伸出，小車支架受到向上的推力，一端開始繞固定在小車底盤的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，另一端開始在小車底盤上的軌道上滑動(dòng)，由此實(shí)現(xiàn)小車平臺(tái)水平上升，在上升的過程中，小車平臺(tái)保持水平。下降開關(guān)10順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，閥門開啟，液壓油流出，液壓桿慢慢收回，當(dāng)達(dá)到所需高度時(shí)，即可逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)下降開關(guān)10關(guān)閉閥門，液壓桿停止動(dòng)作，工作臺(tái)即停在所需工作平面，隨即可開始工作，由此可達(dá)到高度任意調(diào)節(jié)的目的，且工作過程中，小車平臺(tái)穩(wěn)定水平上升。根據(jù)常見綠籬的高度，綠籬機(jī)的重量以及小車材料確定了小車的部分參數(shù)如下：高度范圍：435～1 000 mm；額定載荷：500 kg；小車重量：108 kg。

該小車運(yùn)動(dòng)形式簡單，控制其運(yùn)動(dòng)的液壓系統(tǒng)也較簡單，故略去了動(dòng)力分析和運(yùn)動(dòng)分析。

2.2 翻轉(zhuǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.2.1 翻轉(zhuǎn)平臺(tái)三維模型的建立

綠籬機(jī)支撐架是綠籬機(jī)工作方向的主要調(diào)節(jié)裝置，利用UG建立了翻轉(zhuǎn)平臺(tái)的三維模型如圖2所示。

圖2 翻轉(zhuǎn)平臺(tái)Fig.2 Supporting frame

整個(gè)裝置焊接在小車平臺(tái)上。當(dāng)手動(dòng)操作推桿2在滑槽1里運(yùn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)軸4，5轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)水平或豎直工位時(shí)，推桿2手持部分處于自鎖位置，從而保證綠籬機(jī)能穩(wěn)定工作。

2.2.2 翻轉(zhuǎn)平臺(tái)強(qiáng)度校核

灰鑄鐵在很小的拉應(yīng)力下就會(huì)被拉斷，沒有屈服和縮頸現(xiàn)象，拉斷前應(yīng)變很小，伸長率也很小。由于連接處所受正應(yīng)力較小，主要承受剪力，所以選用灰鑄鐵。正應(yīng)力不僅僅與彎矩M有關(guān)，也和截面尺寸y以及截面對中性軸的慣性矩I有關(guān)。查閱材料力學(xué)得最大正應(yīng)力：

且抗彎截面系數(shù)：

式中：h為截面的高，b為截面的寬。彎曲正應(yīng)力應(yīng)滿足的強(qiáng)度條件是

查閱資料得灰鑄鐵的許用應(yīng)力[σ]=250 MPa。將連接處尺寸代入上式，則抗彎截面系數(shù)：

最大正應(yīng)力：

查閱材料力學(xué)的計(jì)算公式：

由上式知，矩形截面最大切應(yīng)力為平均值的1.5倍。對于脆性材料，受彎矩時(shí)許用切應(yīng)力即為許用正應(yīng)力。對于塑性材料，許用切應(yīng)力為0.55～0.577倍許用正應(yīng)力。本設(shè)計(jì)中選用的灰鑄鐵為典型的脆性材料，故它的許用切應(yīng)力即為許用正應(yīng)力，取[τ]=[σ]=250 MPa。將連接處尺寸代入上式，則：

因此，翻轉(zhuǎn)平臺(tái)滿足要求。

2.2.3 翻轉(zhuǎn)平臺(tái)有限元分析

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代設(shè)計(jì)的要求。為了縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，要求工程師在設(shè)計(jì)階段就能預(yù)測產(chǎn)品的性能，就需要對結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力強(qiáng)度等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。有限元法(finite element method)是一種高效能、常用的數(shù)值計(jì)算方法，而ANSYS是一款強(qiáng)大的、廣泛使用的有限元分析軟件。本文利用ANSYS對翻轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行了應(yīng)力和形變的分析。

(1)模型導(dǎo)入

在UG中建立翻轉(zhuǎn)平臺(tái)的三維模型，導(dǎo)入ANSYS。

(2)設(shè)置材料

因綠籬機(jī)的重量僅為5.6 kg, 鑄鐵允許受壓強(qiáng)度為200 MPa，采用鑄鐵能滿足要求。

(3)網(wǎng)格劃分

翻轉(zhuǎn)平臺(tái)是由空間薄壁梁和板組成，故將支撐架劃分成板單元。在截面變化區(qū)域和可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的鉸接處對網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理。網(wǎng)格劃分為281 300個(gè)單元，92 343個(gè)結(jié)點(diǎn)，單元類型為SHELL 181。

(4) 約束處理

在實(shí)際工況下，翻轉(zhuǎn)平臺(tái)主要受綠籬機(jī)垂直方向上的約束，由于綠籬機(jī)只有5.6 kg,故將綠籬機(jī)對翻轉(zhuǎn)平臺(tái)施加的力簡化成集中力施加在綠籬機(jī)安裝臺(tái)中部。由于翻轉(zhuǎn)平臺(tái)的綠籬機(jī)支撐架兩底面與小車平臺(tái)焊接，所以在計(jì)算時(shí)為防止產(chǎn)生剛性位移，對綠籬機(jī)支撐架的兩個(gè)底面采用固定約束。

(5)分析求解

在ANSYS中分析求解得到豎直狀態(tài)下的應(yīng)力以及水平狀態(tài)下的形變分析結(jié)果。

如圖3所示：分析結(jié)果顯示在安裝平臺(tái)與支撐架鉸接處的最大應(yīng)力為17.45×10-5MPa，數(shù)值很小，故連接裝置符合設(shè)計(jì)要求。如圖4所示：當(dāng)安裝臺(tái)處于水平工作狀態(tài)時(shí)，在最左端變形量出現(xiàn)最大值為3.985 7×10-5mm，數(shù)量級(jí)很小可以忽略。圖3、圖4說明翻轉(zhuǎn)平臺(tái)的尺寸、厚度設(shè)計(jì)以及相應(yīng)材料能夠滿足電動(dòng)綠籬機(jī)的工作要求。但從節(jié)約材料的角度考慮，根據(jù)圖3、圖4的分析結(jié)果顯示，翻轉(zhuǎn)平臺(tái)遠(yuǎn)離綠籬機(jī)部位幾乎不受載荷和約束的影響，故在實(shí)際制造樣機(jī)的過程中，縮短了綠籬機(jī)支撐架的長度。

圖3 豎直狀態(tài)應(yīng)力分析Fig. 3 Stress analysis of the vertical state

圖4 水平狀態(tài)形變分析Fig. 4 Deformation Analysis of the level state

2.3 剪刀及其控制

剪刀由動(dòng)、靜兩個(gè)刀片，動(dòng)刀片導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和電機(jī)4個(gè)部分組成。電機(jī)通過偏心輪機(jī)構(gòu)將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榈镀南鄬ν鶑?fù)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)對綠籬的剪切。動(dòng)刀片設(shè)計(jì)行程為18 mm，每分鐘剪切1 200次。刀片長度設(shè)計(jì)為800 mm，寬度為40 mm，厚度為1 mm，材料為高速鋼。具體結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的手持式油鋸的刀片的結(jié)構(gòu)類似。

電機(jī)選用ZY-130-50直流電機(jī)，額定電壓48 V，功率300 W。采用四組24 V蓄電池串聯(lián)供電，可有效延長工作時(shí)間。

3 結(jié)論

(1)通過平行升降機(jī)構(gòu)和液壓相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了小車平臺(tái)穩(wěn)定的高度調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程細(xì)膩且能保持水平，達(dá)到了良好的調(diào)節(jié)效果。(2)設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)平臺(tái)，用簡單可靠的辦法，實(shí)現(xiàn)了水平與豎直工作狀態(tài)的調(diào)節(jié)，并設(shè)計(jì)了機(jī)械鎖定結(jié)構(gòu)，保證在不同工況下的穩(wěn)定性，且很好減輕了振動(dòng)，降低了噪音。(3)綠籬機(jī)與運(yùn)動(dòng)小車相結(jié)合，減輕了工人工作強(qiáng)度，效率高，噪聲小，且更節(jié)能、環(huán)保。(4)新型電動(dòng)綠籬機(jī)樣機(jī)如圖5、圖6。

(5)將樣機(jī)置于不同工作條件下進(jìn)行了測試，取得了良好的效果，同時(shí)也達(dá)到了節(jié)約材料的目的。樣機(jī)主要參數(shù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：最大修剪綠籬樹枝直徑8 mm；修剪高度范圍435～1 000 mm；修剪寬度范圍200～720 mm；電機(jī)額定功率300 W；剪刀持續(xù)工作時(shí)間≥6 h；推車外形尺寸1 010 mm×520 mm×1 000 mm；整機(jī)重量119.8 kg。

圖5 豎直修剪Fig.5 The vertical trim

圖6 水平修剪Fig.6 The levels trim

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The Design of the New Electric Hedge Trimmer

ZHONG Xue-kai, JIANG Xiao-liang, XIANG Bei-ping, SHI Lei

(SchoolofManufacturingScienceandEngineering,SouthwestUniversityofScienceandTechnology，Mianyang621010，Sichuan,China)

The new type of hedge trimming machine uses a wheelbarrow as carrier and rechargeable battery for power supply. The trimmer together with its supporting frame is placed on the wheelbarrow platform, and these three parts can move up and down together under the effect of hydraulic pressure to adapt to different height of hedges. The supporting frame can also be switched to the horizontal or vertical direction controlled by the pushrod to trim both sides of a hedge. The new electric hedge trimming machine has the characters of high trimming efficiency, long working hours and high trimming quality.

Hydraulic cylinder； Transmission of gears；Hedge trimmer；Connecting rid；Eccentric gear

2014-11-29

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(20131061029)。

鐘學(xué)凱(1992—),男,本科生。Email: 923203419@qq.com

TH693.9

A

1671-8755(2015)02-0106-05