新型电动绿篱机设计

钟学凯 姜小亮 向北平 石 磊

(西南科技大学制造科学与工程学院 四川绵阳 621010)



新型电动绿篱机设计

钟学凯 姜小亮 向北平 石 磊

(西南科技大学制造科学与工程学院 四川绵阳 621010)

新型电动绿篱机以小车为载体，蓄电池为动力电源，其绿篱机与翻转平台共同置于小车平台上，与小车平台一起在液压缸作用下完成升降动作，以适应不同高度的绿篱带，实现无级可调高度修剪功能。绿篱机支撑架为一种可调工作角度的承载机构,通过几何形状完成极限工作位置的自锁功能,在手动推杆作用下可实现绿篱机安装台水平和竖直两个方向的转换,完成对绿篱不同方向修剪的任务。

液压缸 齿轮传动 绿篱机 连杆 偏心轮

绿篱因其具有隔离防护、防尘防噪以及增加观赏效果的作用，所以在城市道路和园林绿化中具有不可替代的作用。绿篱机，又称绿篱剪，适用于茶园、公园、庭院和路旁树篱等园林的专业修剪[1]。欧洲生产了一种车载臂架悬挂式绿篱修剪机，它可以修剪高度或宽度比较大的绿篱[2]。我国园林绿化的品种单一，应用范围狭窄，使用率低下[3]。目前，我国绿篱的修剪普遍采用的是手持式油锯，总结起来存在如下缺点：(1)汽油绿篱机噪音大，工作时会影响周边环境；(2)汽油绿篱机存在着漏油现象，会污染环境；(3)汽油绿篱机的工作效率不高，浪费能源[4]。对于汽油绿篱机的上述缺点，现在国内外的厂家并没有很好的解决办法。因此，依靠电能工作的绿篱机便应运而生。

动力为电能的绿篱机分为两类：一种是靠着外接交流电源工作的绿篱机。这种类型的产品把手上都有一根很长的电源线，工作区域受限；另一种便是依靠移动电源工作的绿篱机。这种类型的产品电源电压参差不齐，有12 V，18 V，24 V等。在2010年对此类电动绿篱机的研究便已有先例，但设计的移动式绿篱修剪机支架的升降和伸缩所需动力由人力提供，而不是采用液压；修剪的方向仅仅局限于竖直方向。在近期有文献提出此类型的绿篱机[5]，但设计的手推式绿篱修剪机采用的是汽油发动机。采用多个电机对绿篱的三面进行一次性修剪时效率虽高，但振动较大[6]。上海园林工具厂生产的电动旋刀式剪枝机，其刀片呈辐射状 ，定刀片对枝条起支承作用，动刀片旋转则进行切割，该机需配 12 V的蓄电池。从使用角度看，其配置不太合理，效率不是很高[7]。

车载式绿篱机在国内已有初步研究，其机械臂和工作装置部分采用液压传动，但也仅能修剪两面，结构较为复杂[8]。还有一种是基于Atmega168单片机控制系统的园林绿篱修剪机器人，采用多个步进电机，通过对路径的设定能够实现自动化控制修剪，具有一定的应用价值[9]，但其结构复杂，仅能修剪绿篱顶面。文献[10]重点介绍了利用ADAMS软件对高速公路绿篱修剪机进行运动学仿真分析，具有一定参考意义。本文介绍的新型电动绿篱机以小车为载体，蓄电池为电源，其绿篱机安装台在推杆作用下可实现水平和竖直方向的转换，从而完成对绿篱不同方向修剪的任务，修剪过程中也可根据绿篱带的具体情况调节修剪高度。该新型电动绿篱机克服了以往工人劳动强度大，修剪质量不高的缺点，使修剪更灵活方便，适用于多种高度的绿篱带。

1 工作原理介绍

新型绿篱机整体结构如图1所示。该新型电动绿篱机包括小车平台1，绿篱机支撑架2，绿篱机安装台3，电机4，传动机构5，刀片6，推杆7，小车支架8，液压缸9，下降开关10，蓄电池11，踏板12。电机4输出转矩，通过传动机构5将旋转运动传递至大齿轮轴，大齿轮轴与刀片通过偏心轮机构相连，将旋转运动转化为两刀片的相对往复运动，达到剪枝目的。绿篱机固定于安装台3之上，绿篱机支撑架2与小车平台1焊接在一起，水平推动推杆7左端，推杆右端给以推杆与绿篱机安装台相连铰链水平推力，经旋转机构实现绿篱机安装台的90°旋转，完成水平和竖直方向上的修剪任务。通过操作踏板12使液压油经过一个单向阀进入液压缸9,进入油缸的液压油因单向阀无法倒流,逼迫缸杆向上,重复做功使液压油不断进入液压缸,就能实现连续上升，打开下降开关10,液压油回到油箱，实现工作台的下降，绿篱机就能完成对不同高度绿篱的修剪。多个蓄电池串联能够使绿篱机工作时间延长。

图1 新型绿篱机整体结构图Fig.1 The structure diagram of the new type of hedge trimming machine

2 主要结构设计

2.1 行走小车及升降机构设计

图1中，行走小车由矩形钢与圆形钢管焊接而成。液压缸9安装于底盘之上，并在底盘上留出蓄电池安放位置。下降开关10安装在推手处，踏板12安装在脚踏处，将下降开关10与踏板都用钢绳拉索与液压缸9相连。当用脚操作踏板12时，通过相连接的液压管路，可为液压缸9提供压力。在底盘上安装小车支架8，小车支架由等长的四根矩形钢和铰接机构组成，通过小车底盘的铰接滑块，相互交错，通过转轴相铰接，并通过安装在小车平台底面上的铰接机构和小车平台1相连接。

有文献提出升降机构采用螺纹相配合的驱动螺杆，通过驱动螺杆的转动完成绿篱机的升降[11]。但此类机构自动化程度不高，同时也仅能修剪绿篱顶面，应用较狭窄。本文升降机构采用液压传动。液压缸通过安装在底座上的铰接转轴与底盘铰接，液压杆的顶出端与小车支架8相连接。当用脚踩踏板12的时候，相连接的管路可以将压力传递至液压缸内部，当液压油进入缸内后，液压杆伸出，小车支架受到向上的推力，一端开始绕固定在小车底盘的转轴转动，另一端开始在小车底盘上的轨道上滑动，由此实现小车平台水平上升，在上升的过程中，小车平台保持水平。下降开关10顺时针转动，阀门开启，液压油流出，液压杆慢慢收回，当达到所需高度时，即可逆时针转动下降开关10关闭阀门，液压杆停止动作，工作台即停在所需工作平面，随即可开始工作，由此可达到高度任意调节的目的，且工作过程中，小车平台稳定水平上升。根据常见绿篱的高度，绿篱机的重量以及小车材料确定了小车的部分参数如下：高度范围：435～1 000 mm；额定载荷：500 kg；小车重量：108 kg。

该小车运动形式简单，控制其运动的液压系统也较简单，故略去了动力分析和运动分析。

2.2 翻转平台设计

2.2.1 翻转平台三维模型的建立

绿篱机支撑架是绿篱机工作方向的主要调节装置，利用UG建立了翻转平台的三维模型如图2所示。

图2 翻转平台Fig.2 Supporting frame

整个装置焊接在小车平台上。当手动操作推杆2在滑槽1里运动时，转轴4，5转动，当到达水平或竖直工位时，推杆2手持部分处于自锁位置，从而保证绿篱机能稳定工作。

2.2.2 翻转平台强度校核

灰铸铁在很小的拉应力下就会被拉断，没有屈服和缩颈现象，拉断前应变很小，伸长率也很小。由于连接处所受正应力较小，主要承受剪力，所以选用灰铸铁。正应力不仅仅与弯矩M有关，也和截面尺寸y以及截面对中性轴的惯性矩I有关。查阅材料力学得最大正应力：

且抗弯截面系数：

式中：h为截面的高，b为截面的宽。弯曲正应力应满足的强度条件是

查阅资料得灰铸铁的许用应力[σ]=250 MPa。将连接处尺寸代入上式，则抗弯截面系数：

最大正应力：

查阅材料力学的计算公式：

由上式知，矩形截面最大切应力为平均值的1.5倍。对于脆性材料，受弯矩时许用切应力即为许用正应力。对于塑性材料，许用切应力为0.55～0.577倍许用正应力。本设计中选用的灰铸铁为典型的脆性材料，故它的许用切应力即为许用正应力，取[τ]=[σ]=250 MPa。将连接处尺寸代入上式，则：

因此，翻转平台满足要求。

2.2.3 翻转平台有限元分析

随着现代科学技术的发展，传统的设计方法已经不能满足现代设计的要求。为了缩短研发周期，降低研发成本，要求工程师在设计阶段就能预测产品的性能，就需要对结构的静、动力强度等技术参数进行分析计算。有限元法(finite element method)是一种高效能、常用的数值计算方法，而ANSYS是一款强大的、广泛使用的有限元分析软件。本文利用ANSYS对翻转平台进行了应力和形变的分析。

(1)模型导入

在UG中建立翻转平台的三维模型，导入ANSYS。

(2)设置材料

因绿篱机的重量仅为5.6 kg, 铸铁允许受压强度为200 MPa，采用铸铁能满足要求。

(3)网格划分

翻转平台是由空间薄壁梁和板组成，故将支撑架划分成板单元。在截面变化区域和可能出现应力集中的铰接处对网格进行细化处理。网格划分为281 300个单元，92 343个结点，单元类型为SHELL 181。

(4) 约束处理

在实际工况下，翻转平台主要受绿篱机垂直方向上的约束，由于绿篱机只有5.6 kg,故将绿篱机对翻转平台施加的力简化成集中力施加在绿篱机安装台中部。由于翻转平台的绿篱机支撑架两底面与小车平台焊接，所以在计算时为防止产生刚性位移，对绿篱机支撑架的两个底面采用固定约束。

(5)分析求解

在ANSYS中分析求解得到竖直状态下的应力以及水平状态下的形变分析结果。

如图3所示：分析结果显示在安装平台与支撑架铰接处的最大应力为17.45×10-5MPa，数值很小，故连接装置符合设计要求。如图4所示：当安装台处于水平工作状态时，在最左端变形量出现最大值为3.985 7×10-5mm，数量级很小可以忽略。图3、图4说明翻转平台的尺寸、厚度设计以及相应材料能够满足电动绿篱机的工作要求。但从节约材料的角度考虑，根据图3、图4的分析结果显示，翻转平台远离绿篱机部位几乎不受载荷和约束的影响，故在实际制造样机的过程中，缩短了绿篱机支撑架的长度。

图3 竖直状态应力分析Fig. 3 Stress analysis of the vertical state

图4 水平状态形变分析Fig. 4 Deformation Analysis of the level state

2.3 剪刀及其控制

剪刀由动、静两个刀片，动刀片导向机构，运动机构和电机4个部分组成。电机通过偏心轮机构将回转运动变为刀片的相对往复运动以实现对绿篱的剪切。动刀片设计行程为18 mm，每分钟剪切1 200次。刀片长度设计为800 mm，宽度为40 mm，厚度为1 mm，材料为高速钢。具体结构与现有的手持式油锯的刀片的结构类似。

电机选用ZY-130-50直流电机，额定电压48 V，功率300 W。采用四组24 V蓄电池串联供电，可有效延长工作时间。

3 结论

(1)通过平行升降机构和液压相结合，实现了小车平台稳定的高度调节，调节过程细腻且能保持水平，达到了良好的调节效果。(2)设计的翻转平台，用简单可靠的办法，实现了水平与竖直工作状态的调节，并设计了机械锁定结构，保证在不同工况下的稳定性，且很好减轻了振动，降低了噪音。(3)绿篱机与运动小车相结合，减轻了工人工作强度，效率高，噪声小，且更节能、环保。(4)新型电动绿篱机样机如图5、图6。

(5)将样机置于不同工作条件下进行了测试，取得了良好的效果，同时也达到了节约材料的目的。样机主要参数和实验结果如下：最大修剪绿篱树枝直径8 mm；修剪高度范围435～1 000 mm；修剪宽度范围200～720 mm；电机额定功率300 W；剪刀持续工作时间≥6 h；推车外形尺寸1 010 mm×520 mm×1 000 mm；整机重量119.8 kg。

图5 竖直修剪Fig.5 The vertical trim

图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

大学生创新创业训练项目(20131061029)。

钟学凯(1992—),男,本科生。Email: 923203419@qq.com

TH693.9

A

1671-8755(2015)02-0106-05