公路剪枝车工作系统设计
公路剪枝车工作系统设计
陈鹏飞 西南科技大学
一、前言
高速公路迅猛发展，绿化带修剪工作量的日益增多，但目前还没有一种能与之匹配的专用修剪机械。
传统人工绿篱机在高速公路上工作有效率低、劳动强度大、危险性高、噪音污染和空气污染严重等缺点。
二、命题提出
经过设计与研究，本文提出以汽车为载体和动力源、以液压为动力、以锯齿型剪刀为刀具，能连续三面成形修剪的新型专用汽车，以克服油锯、手工剪枝和气流剪枝的上述缺点。
三、工作原理
1、从结构上看，剪枝车主要包括：剪刀支持架调整装置、剪刀及其传动、液压系统、小型汽车。
①、剪刀支持架调整装置是整个系统的支撑基础，安装在汽车靠绿化带一侧(根据用户的要求安装)，其主要功能包括：支撑整个修剪部分、支持架的展开与收回、修剪高度调节、修剪宽度调节。
②、剪刀从其剪切原理和结构都有所创新，采用剪刀往复运动修剪的方式。剪刀的结构采用分体设计，便于制造和维修。
③、液压系统主要采用液压马达驱动锯齿剪刀与液压缸伸缩/旋转来实现支持架的调整运动。
④、汽车是系统动力的来源和行走支撑基础，液压系统中泵的动力取至于汽车变速箱的取力口。
2、系统的工作过程可简单分为：准备、修剪和收支持架。
①、准备过程：主要完成支持架的展开(由展开缸旋转来完成)，使支持架与车身垂直；汽车与绿化带间距离调节(依靠司机目测调节)；修剪高度调节(由高度调节缸实现)；修剪宽度调节(由宽度调节缸实现)。
②、修剪过程：主要是液压马达工作，驱动剪刀往复运动，同时汽车保持与所修剪绿化带平行方向行进，实现剪刀的进给运动。
③、收支持架过程：在修剪完工后，高度缸伸到最高并将支持架收回(展开缸活塞杆转回)，使支持架与车身平行，便于汽车转移使支持架保持最小尺寸。
3、作示意图如图1所示。
图1 剪枝车工作示意图
四、主体设计
1、液压系统设计
系统主要由液压泵、液压缸、马达和液压阀等组成。由于系统剪切力不是很大，故系统压力要求相对流量而言较小，因而系统采用双泵供油以保证三个液压马达同时工作时所需的流量。系统由展开缸完成支持架的展开；由高度调节缸调节修剪高度；宽度调节缸调节修剪宽度。由液压马达驱动剪刀修剪枝叶。
此机构对液压系统的要求：展开运动要平稳，到达预定位置不应有冲击；展开到预定位置后，展开系统应该保持系统以防止对绿化带进行剪切时系统不稳定，而导致机构错位影响绿化带形状。支撑上升运动要平稳，下降过程必须有一定阻力以保持下降平稳性，亦必须保持系统运动的平稳性，避免有冲击。系统有安全连锁装置，以保障安全生产。液压系统原理图如图2所示。系统换向均采用电磁换向阀，控制按钮设计在汽车驾驶台上，方便司机操作。
图2 液压系统原理图
本系统的展开缸要求实现单平面的180°伸缩运动的执行机构。此次选用的是具有结构简单、工作可靠、带缓冲装置及连接方式多样的能实现旋转式的油缸。其如图3。
图3 旋转式油缸图
2、 剪刀的传动与结构设计
①、剪刀设计：在此前的研究中，曾提出气流剪枝，采用高压气流从出口直径为1～2 mm的喷嘴中射出进行绿化带树枝修剪。实验表明，虽然也能实现修剪，但是有些问题不好解决，比如：气流的有效修剪距离十分有限；能修剪树枝的直径有限；修剪速度较慢；绿化带的整齐性也不太好；气流喷出时噪声高等。而旋转式圆筒剪刀不易加工，修剪树枝直径有限（一般8MM以内）且修剪后整齐性欠佳。从而提出采用锯齿型剪刀，如图4
图4 锯齿刀片
②、直线往复运动的剪刀需要一套转换机构将马达的旋转运动转换为动刀片的直线往复运动。
把转动转化成直线运动的方案有三种：曲柄滑块机构; 凸轮机构;偏心轮机构。而剪枝机从刀片的运动方式可分为单刀动和双刀动，所以每种方案中又可以分为双刀动和单刀动两种形式。汽油机功率较大所以大多采用双刀动，小型液压马达功率小所多采用单刀动。
考虑重量和设计尺寸等限制和多方对比后，决定采用偏心轮机构（单刀动）。
图5 偏心轮机构的原理图 (单动刀)
图6 偏心轮齿轮轴三维造形图
③、剪刀--马达传动造型
图7 剪刀--马达传动装配图
图8 剪刀--马达传动三维造形图
五、总效果
图9 整体效果图1
图10 整体效果图2
六、结束语
开发园林绿化机械新产品，加速老产品的更新换代，新产品将向操作自动化、舒适化方向发展。此剪枝车在操作自动化、舒适化方向的创新点主要表现在以下3个方面：①、在动力源上，直接用汽车发动机的动力；②、在剪切方式上，采用3把剪刀通过支架固定在需剪切的3个面上，实现3个面同时剪切，提高了工作效率。支持架可实现180°的旋转，减小整车的宽度；③ 能实现连续修剪，降低了绿化工人的工作强度。
此剪枝车可进一步改装成多功能绿化（环卫）剪枝车，如可在车后安装洒水箱；垃圾箱等装置。因此具有相当的应用前景与现实指导意义。
公路剪枝车工作系统设计
