張 朋 黃 麗 和浩楠

(武昌工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430223)

0 前言

伴隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的深入發(fā)展，以及城市化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，城市的綠化在改善城市環(huán)境質(zhì)量上扮演著不可替代的角色，且依然是國(guó)內(nèi)當(dāng)前和未來(lái)面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題。在目前園林綠化工程中，對(duì)于樹(shù)木的移栽也越加頻繁，也主要以人工移栽為主要手段，因此在移栽樹(shù)木的過(guò)程中，由于人為操作和運(yùn)輸過(guò)程，難免出現(xiàn)樹(shù)木損壞的現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)于較大的樹(shù)木，容易出現(xiàn)樹(shù)枝壓斷、折斷等問(wèn)題，這些問(wèn)題的出現(xiàn)不僅影響到樹(shù)木的存活率，對(duì)樹(shù)木的欣賞價(jià)值也容易造成損失，且在移栽過(guò)程中，人工操作需要的勞動(dòng)力多、強(qiáng)度大，且效率低、成本高。該文研究的車載液壓移栽裝置，將樹(shù)木的挖取和移栽進(jìn)行一體化操作，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人力和物力的投入，使綠化移栽的效率大大提高。

1 國(guó)內(nèi)外液壓式移栽裝置的研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外樹(shù)木移栽裝置的研究現(xiàn)狀

國(guó)外在樹(shù)木移栽裝置方面的研究可以追溯到20世紀(jì)50、60年代左右，到目前為止，產(chǎn)品的種類很多，且自動(dòng)化程度較高，一般采用單人操作的形式，就可以完成對(duì)樹(shù)木的移栽。根據(jù)移栽過(guò)程中對(duì)樹(shù)木挖取方式的不同，大致分為以下幾種形式：直鏟式、弧形鏟式、U型鏟式，通過(guò)對(duì)樹(shù)木先進(jìn)行挖取，然后再將樹(shù)木經(jīng)過(guò)其他方式進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)移栽，未能實(shí)現(xiàn)對(duì)樹(shù)木移栽的一體化操作，不過(guò)國(guó)外的整體設(shè)備及技術(shù)發(fā)展水平發(fā)展非?？?。主要以美國(guó)的Big-John公司、加拿大Holt Tree Spades公司、德國(guó)的Optimal公司、荷蘭的Damcon公司等，另外俄羅斯和日本也發(fā)展了先進(jìn)的綠化機(jī)械。

1.2 國(guó)內(nèi)樹(shù)木移栽裝置的研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)的園林綠化機(jī)械及樹(shù)木移栽裝置的研究起步較晚，從70年代開(kāi)始對(duì)相關(guān)機(jī)械進(jìn)行研究，80年代北京林業(yè)大學(xué)顧正平和張英彥建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，為后來(lái)的研究提供了寶貴的理論參考。21世紀(jì)初，我國(guó)內(nèi)蒙古赤峰市赤田農(nóng)林機(jī)械制造廠研制的可用于苗圃、園林工程綠化的大樹(shù)移栽裝置，江蘇省豐壘果蔬特種機(jī)械研制有限公司也研制出了新型樹(shù)木移栽裝置，山東曲阜匯眾機(jī)械設(shè)備有限公司制作出便攜式樹(shù)木移栽機(jī)。

2 液壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

2.1 液壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

(1)液壓裝置的工作介質(zhì)是液壓油，所以可以把工作時(shí)產(chǎn)生的熱量從產(chǎn)生熱量的地方帶到其他地方，從而可以在同樣功率下減小零部件的尺寸。相同體積的裝置，液壓裝置可以產(chǎn)生比電氣裝置大得多的動(dòng)力。

(2)液壓裝置由于重量輕，體積小，慣性小，所以響應(yīng)速度快，容易實(shí)現(xiàn)快速的啟動(dòng)、停止和換向。

(3)液壓裝置可以在很大限度內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，超速范圍可以達(dá)到2000∶1，很容易獲得極低的運(yùn)動(dòng)速度。

(4)由于液壓裝置使用液壓油來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)，液壓油在工作過(guò)程中幾乎不可被壓縮，同時(shí)液壓油具有吸振性，因此液壓裝置工作時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。且液壓油還具有潤(rùn)滑作用，可以延長(zhǎng)液壓裝置的使用壽命。

(5)液壓元件屬于機(jī)械工業(yè)的基礎(chǔ)件，除了油箱等少數(shù)零部件外，大多數(shù)元件都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，便于液壓裝置的維修更換。

(6)液壓裝置采用了溢流閥等多種過(guò)載保護(hù)措施，可以自動(dòng)防止過(guò)載情況的產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)。

2.2 液壓系統(tǒng)的劣勢(shì)

(1)由于液壓油可能存在泄露問(wèn)題，而導(dǎo)致傳動(dòng)比不夠準(zhǔn)確，不能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的傳動(dòng)比，且在液壓傳動(dòng)的過(guò)程中需要進(jìn)行兩次能量轉(zhuǎn)換而造成能量損耗，所以傳動(dòng)功率較低。

(2)溫度的高低對(duì)于液壓油的黏度有較大影響，如果液壓油中混了氣體就會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)和噪音，從而影響工作的穩(wěn)定性。

(3)液壓裝置需要很好的密封性，所以液壓元件的制造精度等級(jí)高，且液壓裝置發(fā)生故障不容易排查，對(duì)于維修技術(shù)要求較高。

3 車載液壓式移栽裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

3.1 車載液壓式移栽裝置的結(jié)構(gòu)

該液壓式移栽裝置主要有五大模塊組成：裝置的主要固定及連接的外殼部分、三大液壓桿部分、移栽挖齒部分、環(huán)架部分、支撐架部分。該裝置采用液壓系統(tǒng)作為動(dòng)力，通過(guò)液壓桿驅(qū)動(dòng)挖齒對(duì)樹(shù)木進(jìn)行挖取，將樹(shù)木挖取后固定在環(huán)架內(nèi)，整體移動(dòng)，具有平穩(wěn)且高強(qiáng)度的支撐力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)樹(shù)木的平穩(wěn)支撐。

3.2 車載液壓式移栽裝置的組成及工作原理

車載式液壓移栽裝置包含挖齒、第一至四液壓桿、環(huán)架、連接架、縱向架、固定架、扣架，裝置各部分結(jié)構(gòu)及組成如圖1所示。裝置的固定架安裝在汽車尾部，第三液壓桿一端連接著固定架，另一端連接在縱向架上，通過(guò)液壓桿的伸縮可控制縱向架的上下運(yùn)動(dòng)。在縱向架上安裝有第二液壓桿和連接架，第二液壓桿另一端連接著連接架，通過(guò)液壓桿伸縮能夠使連接架實(shí)現(xiàn)傾斜。連接架連接著環(huán)架，環(huán)架上安裝有三組第一液壓桿和挖齒，通過(guò)第一液壓桿的伸縮來(lái)控制挖齒組的張開(kāi)和閉合動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)樹(shù)木的挖取。在環(huán)架上有一部分作為裝置的扣架，通過(guò)第四液壓桿使扣架和連接架相連，通過(guò)第四液壓的桿伸縮來(lái)控制扣架在環(huán)架上的扣合狀態(tài)。在對(duì)樹(shù)木進(jìn)行挖取移栽時(shí)，第四液壓桿控制扣架打開(kāi)，通過(guò)扣架上的開(kāi)口將樹(shù)干包裹進(jìn)去，再扣上扣架，在第三液壓桿控制縱向架下移致使挖齒總體下移插入到泥土之中，在啟動(dòng)第一液壓桿，控制挖齒組作出挖取動(dòng)作，將樹(shù)根挖取出來(lái)，再啟動(dòng)第三液壓桿將樹(shù)根提起，樹(shù)根提起到固定高度后，再啟動(dòng)第二液壓桿，第二液壓桿收縮將樹(shù)干傾斜直至水平并使樹(shù)干放置于車的運(yùn)貨架之上，完成對(duì)樹(shù)木的挖取，當(dāng)需要重新將樹(shù)木種下時(shí)，按原步驟返回操作即可將植木重新移栽。

1-挖齒、2-第一液壓桿、3-環(huán)架、4-第二液壓桿、5-第三液壓桿、6-連接架、7-縱向架、8-固定架、9-扣架、10-第四液壓桿。

圖1

4 基于三維Solidworks軟件的車載液壓式移栽裝置建模

根據(jù)實(shí)際的工作原理及相關(guān)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，使用三維Solidworks軟件對(duì)前文所屬的理論和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)移栽裝置的挖齒曲面建模、實(shí)體建模、固定架設(shè)計(jì)以及液壓桿部分的設(shè)計(jì)等，最后再對(duì)各個(gè)部分的零件進(jìn)行虛擬裝配。如圖2所示為該裝置的側(cè)視圖，圖3為該裝置的俯視圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)正視圖，通過(guò)對(duì)裝置的實(shí)體建模，可以對(duì)裝置進(jìn)行仿真分析、干涉檢驗(yàn)以及合理地確定各個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸。

圖2

圖3

5 結(jié)論

通過(guò)設(shè)計(jì)研究可以發(fā)現(xiàn)，該車載液壓式移栽裝置對(duì)樹(shù)木移植具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

(1)易操作性：通過(guò)裝置的多組液壓桿的配合使用實(shí)現(xiàn)了樹(shù)木的挖取、移栽一體化，方便快捷，安全可靠。裝置自動(dòng)化程度較高，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓泵，液壓泵驅(qū)動(dòng)液壓桿實(shí)現(xiàn)對(duì)樹(shù)木的移栽過(guò)程。

(2)經(jīng)濟(jì)性：減少了人力、物力的投入，該裝置可全部采用普通鋼材，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于制造，價(jià)格低廉，適合推廣使用。

(3)由于主要采用液壓能來(lái)作為主要的能源，液壓傳動(dòng)對(duì)油溫變化比較敏感，且在工作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)壓力損失、沿程損失等，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)一定的影響，因此在后續(xù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化中，要對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，或考慮采用其他驅(qū)動(dòng)方式來(lái)代替。