绿篱顶侧面枝叶同步修剪机设计与试验*

韩闰劳，胡靖明，杨学明

(1.庆阳职业技术学院，甘肃庆阳，745000；2.甘肃农业大学，兰州市，730070；3.庆利机械制造有限公司，甘肃庆阳，745000)

0 引言

在高速公路的建设中，其中央分隔绿化带位于高速公路中央，具有分隔交通、防止眩光、诱导视线等功能[1]。高速公路中央分隔绿化带是与驾乘人员距离最近的单元，其绿化的质量直接影响整条道路和覆盖区域的建设管理水平，同时对净化空气，减少污染、降低噪声、改善地温与气温等方面有着一定的作用[2-3]。目前高速公路中央分隔绿化带主要依靠人工修剪，一般使用的是手持便携式修剪设备，作业方式落后，劳动强度大、工作效率低，安全系数低。国内车载式绿篱机的形式多为单臂结构，修剪作业效率虽然高于传统人工修剪方式，但只能进行单面修剪，在作业过程中重复性工作较多，部分机型的切割器在行驶中没有升降功能，使用过程中具有一定的局限性，操作复杂，制造成本高，整机价格至少在6万以上，普及推广量小，不能满足我国高速公路绿化养护工程实际需要。因此，迫切需要研制一种能一次性完成绿篱顶面和侧面同步修剪工作的作业机械，以满足不断发展的高速公路绿篱养护工作的需要。

目前，国内绿篱修剪采用的回转式切割器，是以高速回转刀具对绿篱作物形成冲击、砍切，实现对绿篱的切割，属于无支承切割，切割过程中，枝叶飞溅大，安全性低，不能实现顶面被修剪的残枝残叶定向清扫功能，给修剪后的收集工作造成很大的不便，而且实现宽幅作业较为困难。链刀式切割器是链刀部件在驱动链轮驱动下作高速回转运动，一般多适用于手动修剪工具修剪作业，效率低、劳动强度大，而且修剪质量的好坏多依赖于操作者的操作熟练程度。

综合分析现有修剪设备的技术特点，结合我国高速公路绿化养护工程实际需要，设计了一种以小四轮拖拉机为动力的绿篱顶侧面同步修剪机，该机型能够对绿篱顶侧面同步进行修剪作业，具有机架升降、切割器角度调节和障碍物的避让等功能。

1 主要结构及功能分析

从倒伏农作物割晒机机型得到启发，试制出原型机，并在原型机设计的基础上，对其修剪装置、动力系统和传动系统、液压系统进行了优化设计，结合绿篱修剪的实际情况，增加了顶面切割器液压控制避障功能、侧面切割器角度控制功能和离合功能。研制出绿篱顶侧面枝叶同步修剪新机型。该机由小四轮拖拉机提供动力，由液压升降机构、传动机构、顶侧面切割机构、顶面切割器避障机构、侧面切割器角度调节机构和顶面残枝残叶定向清扫装置等组成。集升降、修剪、避障、清扫等功能为一体，通过一次往返就能完成绿化带两个侧面和顶面的修剪工作，经实验验证，可满足多种工况下的绿化带修剪要求。

图1 篱顶侧面枝叶同步修剪机示意图Fig.1 Synchronous trimmer for top and side branches of hedgerows1.底座 2.导柱 3.小四轮拖拉机 4.升降油缸 5.减速机 6.顶面切割器旋转油缸 7.耳板 8.出料口 9.侧面切割器摆杆 10.传动装置固定板 11.侧面切割器 12.顶面切割器摆杆 13.清扫输送带 14.顶面切割器 15.清扫器滚筒

绿篱外形如图2所示。

(a)侧面垂直

本机型切割宽幅设计值≥绿化带顶面宽幅的1/2，缩短了横向悬臂、切割器、清扫输送装置的长度，加装的桁架结构，增强了顶面切割器的结构刚度，有效地减缓了切割过程中产生的惯性力和振动冲击，使切割过程更加稳定。一条绿化带的修剪只需往返一次即可完成，修剪后的枝叶出料口选择在拖拉机的行驶侧，便于残枝残叶收集清运。

1.1 传动机构

动力通过小四轮拖拉机的柴油机经带传动输入减速机，减速机的输出端通过联轴器与链轮轴联接，带动链轮一和链轮二同步转动。链轮一将动力传递给链轮三，通过手动离合器离合功能，使偏心套上的顶面切割器摆杆带动顶面切割器实现绿篱顶面切割。同样，链轮二将动力传递给链轮四，同样通过手动离合器离合功能，使偏心盘上的侧面切割器摆杆带动侧面切割器实现绿篱侧面切割。顶面切割器和侧面切割器既可进行同步切割作业，又可以通过各自的手动离合器实现独立切割作业。传动系统俯视局部放大图及示意图如图3所示。

图3 传动系统局部示意图Fig.3 Partial schematic diagram of transmission system1.偏心盘 2.半轴四 3.固定角钢 4.侧面切割手动离合器 5.链轮四 6.半轴三 7.半轴一 8.链轮三 9.顶面切切割手动离合器 10.偏心套 11.半轴二 12.链轮二 13.链轮一 14.轴 15.联轴器 16.传动装置固定板

试验机型选用的柴油机额定转速为2 200 r/min，查阅机械设计手册选定柴油机皮带轮带轮基准直径为135 mm(B型)，减速器输入端皮带轮直径选270 mm，计算得出减速器输入轴转速为1 100 r/min。小带轮包角为165.57°>120°，符合传动要求。

(1)

式中：n1——柴油机额定转速；

n2——减速器输入轴转速；

D1——柴油机皮带轮直径；

D2——减速器输入端皮带轮直径。

选用的减速器传动方式如图4所示，具体为通过圆柱齿轮z1、z2的啮合实现减速功能，再通过圆锥齿轮z3、z4的啮合实现动力传递和输出轴方向的改变功能。齿轮z1选定齿数为32，z2选定齿数为56，圆锥齿轮轴z3、z4的选定齿数均为34，所有齿轮的模数均为2mm。计算得减速器输出轴转速

图4 减速箱传动示意图Fig.4 Schematic diagram of gearbox transmission

(2)

式中：z1——第一个圆柱齿轮齿数；

z2——与第一个圆柱齿轮啮合的圆柱齿轮齿数。

减速器减速比

(3)

因为减速器输出轴转速已完全满足切割器工作需要，所以传动链轮只考虑保证其动力传递和位置布局。所选择的所有传动链轮直径相同，只是实现同步传动功能，为保证在实际运行中链条不松动，加装有张紧轮。查阅机械设计手册可选链条型号为08B-1型单排链，链轮齿数z=27，节距p=12.7 mm，查表得链轮的节圆直径为109.39 mm(4个链轮选型相同，顶面切割器和侧面切割器为等速切割)。

因为减速器与切割器偏心主轴直联传动，所以割刀转速同样为628.57 r/min(取值为628 r/min)。

1.2 升降机构

切割器总成与拖拉机前端通过可调节固定板用高强度螺栓联接，利用拖拉机的液压系统对机具切割器总成进行升降控制。机具升降机构由升降液压油缸、导柱、导套等组成，升降液压油缸、导柱均安装在切割器总成的底座上，导套安装在传动装置底板下部的固定板上。针对不同绿篱高度需要进行高度调节时，启动四轮拖拉机上的液压马达，扳动上升手柄，液压升降油缸顶升，切割器总成通过导套的辅助导向，上升到所需要的高度。反之，扳动下降手柄，液压油缸向下复位，切割器总成通过导套的辅助导向，下降到所需要的高度。经试验，该机型升降最大高度为8 00 mm，除液压升降机构外，切割器总成上的固定板上加工有可调节长孔，与拖拉机前部上的固定板连接时，也具有一定距离的调节量，足以使修剪切割器能够进入修剪区域，完全满足绿篱顶侧面修剪需要。升降机构局部放大图如图5所示，拖拉机与切割器总成固定方式如图6所示。

图5 升降机构局部示意图Fig.5 Partial schematic diagram of lifting mechanism1.固定板 2.导柱 3.导套 4.升降油缸 5.底板

图6 切割器总成固定方式Fig.6 Fixing method of cutter assembly1.拖拉机 2.固定板 3.固定调节板 4.底座

试验机型配用的小四轮拖拉机自带液压系统，配置液压油泵，换向阀等进行升降油缸和避障装置控制油缸控制。工作原理为将液压泵的动力传递至两个升降油缸和避障装置控制油缸，实现割台升降和顶面切割器旋转。本文计算升降液压油缸和顶面切割器避障所需推力，其它配套的液压元件选型和液压系统工作原理图不再表述。

查阅机械设计手册，液压泵选为CB-50型，其工作额定压力为10 MPa,初选的升降液压油缸型号为HSGL01-80/40E(行程800 mm)，顶面切割器避障液压油缸型号为HSGL01-40/20E(行程400 mm)的工程液压油缸。根据修剪装置零部件质量分布，对升降液压油缸承受重量分析可知，升降液压油缸推力约为油缸所承受的重量(机架上部传动装置及顶侧面切割器等部件重量≤300 kg)。同理，顶面切割器避障液压油缸只是推动顶面切割器以转轴旋转的过程，所需推动力相对较小，经实际测试≤100 kg。

液压油缸推力的计算

=10×3.14×(0.008/2)2×106

=502.4 kg

(4)

=10×3.14×(0.004/2)2×106

=125.6 kg

(5)

式中：F1——升降液压油缸推力；

F2——顶面切割器避障液压油缸推力；

P——液压泵工作额定压力；

S1——升降液压油缸受压面积;

d1——升降液压油缸内径；

S2——顶面切割器避障液压油缸受压面积;

d2——顶面切割器避障液压油缸内径。

由计算验证所得，升降液压油缸推力F1、顶面切割器避障液压油缸推力F2满足机架升降和顶面切割器避障所需推力要求，选型合理。

1.3 切割机构

1.3.1 切割器选型

切割器是绿篱修剪机具的重要部件，切割器刀片的耐用度和稳定性是直接影响修剪质量和作业效率的关键因素。目前，除去人工使用的修剪工具外，还有往复式切割器、回转式切割器和链刀式切割器等。通过比较各类枝条类切割器适用范围、性能指标及其驱动机构，并针对绿篱枝叶修剪的宽高尺寸参数、修剪平整度、修剪效率等实际工况，选择结构较简单、适应性较广、可实现宽幅作业的往复式切割器。往复式切割器主要由定刀片和动刀片组成，输入的旋转运动经曲柄滑块机构驱动动刀片相对定刀片做往复直线运动，形成切割修剪动作[4-6]。往复式切割器属于有支承式切割，利用动刀片相对于定刀片作往复的剪切运动，对作物茎秆进行剪切，适用于不同割幅的收获机械[7]。这种切割器在制造技术方面已经非常成熟，在农作物收获机械上已得到很广泛的应用。经试验，锯齿形刀片的切割效果较好，适用绿篱植物末梢嫩枝茎秆和嫩叶的切割。

有关资料表明：往复式切割器曲柄滑块机构中构件的惯性力是引起冲击及磨损的主要因素，割刀最大惯性力随摆杆长度的增加而减小。切割惯性力大小也与曲柄连杆机构偏心距有很大关系，偏心距增大时，惯性力也随之增大[8]。切割速度越高惯性力越大，但速度太高，惯性力将加剧，导致零部件的损伤，影响整机寿命和工作质量，因而需要平衡往复惯性力，以防止惯性力在切割前进方向过大，对工作造成不利影响[9-21]。该机型在顶面切割器侧面加装了桁架结构，增强了顶面切割器的结构刚度。同时，根据绿篱末梢待修剪的枝叶茎秆较嫩，直径较小的实际情况，设计的偏心套和偏心盘偏心距选择在≤5 mm的范围内，有效的减小了动刀片往复运动的惯性力，减缓了切割器振动对切割效果的影响。在试验过程中，未发现有较强振动及共振的现象。

1.3.2 切割器主要参数计算

1)顶面割刀的平均速度

曲柄主轴转速取值628 r/min时，割刀的平均速度

(6)

式中：n——割刀曲柄转速；

r——割刀曲柄半径。

如果切割速度太大，其惯性力增加，引起切割器振动必然加大。一般情况下割刀的平均速度取值范围为1～2 m/s。计算所得割刀平均速度为1.67 m/s<2 m/s，符合设计要求。

2)切割速比计算

(7)

式中：h——动刀刃高度，标准Ⅰ型切割器动刃高度h为54 mm。

为保证切割质量，实际切割速比应大于理论切割速比，理论前进速度Vm取机器稳定行驶所允许的最高速度。当曲柄主轴转速为628 r/min，切割器平均速度Vp=1.67 m/s，收割机平均作业速度Vm=1.17 m/s时，切割器选标准Ⅰ型。切割速比一般大于1.02，通过试验验证得出此切割器在平均工况下λ值1.91>1.17，所以该切割器设计是合理的。

3)惯性力平衡计算

根据部分平衡法公式

(8)

一般只要求往复惯性力平衡λ=0.25～0.5，求λ的公式。

(9)

标准Ⅰ型切割器，割刀质量Md=0.6 kg，曲柄连杆质量Me=0.5 kg，曲柄盘质量Mp=0.8 kg，曲柄盘重心的回转半径rp=0.02 m，曲柄半径r=0.040 m，代入公式得λ=0.384。即往复式切割器的往复惯性力平衡程度为0.384。曲柄转速n=628 r/min，角速度ω=65.73 rad/s。

平衡后在绿篱修剪机前进方向引起最大不平衡惯性力

0.04×65.732

=33.39(kg·m)/s2

(10)

式中：Pd——往复式切割器与连杆部分的往复惯性力；

Pq——连杆部分的离心惯性力。

需要说明的是：侧面切割器的选型同顶面切割器，根据绿篱实际修剪需要和现场验证，侧面切割器最大长度≤1 000 mm即可满足绿篱侧面修剪需要。相对于顶面切割器而言，侧面切割器动长度较短，其动刀片往复运动的惯性力远小于顶面切割器，而且试验过程中未发现切割器振动现象，因而未进行主要参数计算。

1.3.3 绿篱顶面清扫装置

借鉴小型自走式农作物割晒机的割台清扫机构，在顶面切割器侧面的清扫输送带上安装了多个L形清扫刮板，L形刮板的角钢端部固定有50 mm×6 mm的帆布带，帆布带可有效地保护修剪过的绿篱枝条末端不受损伤。修剪作业工程中，通过割台清扫输送带，使修剪的残枝残叶被输送到出料口后，掉落到绿化带一侧的路基上，避免了修剪过程中绿篱顶面枝叶堆积的问题，同时也为收集工作提供了方便。

1.3.4 顶面切割器避障装置

在绿篱带修剪过程中，出现标志牌、树木等杆状物体时，需要进行避障，确保修剪时不能碰到障碍物。在研制避障装置的过程中，我们尝试过顶面切割器水平旋转避让方法，这种避让方法存在的问题是：如果采用顺时针转动,机具只能先后退一定的距离,才能进行顶面切割器的转动；而采用逆时针转动时，虽然不进行后退操作,但在完成障碍物避让后，需要拖拉机带动机具往复侧移一次，才能重新进行切割作业。而且在水平旋转过程中，偏心连杆控制切割器动刀片部分机构都比较复杂，可靠性差，最后否定了这种方案。

经过试验，顶面切割器避障装置采用液压控制垂直旋转设计，效果较好。具体为利用四轮拖拉机的液压马达，控制液压油缸推动顶面切割器底侧部的耳板，使顶面切割器旋转，最大旋转角度为90°。顶面切割器转动的过程中，偏心套所控制的顶面切割器相关部件之间的传动关系未发生改变，此时，可以不进行手动离合操作，顶面切割器仍可处于工作状态。顶面切割器旋转部件如图7所示。

图7 顶面切割器旋转示意图Fig.7 Top surface cutter rotation diagram

1.3.5 侧面切割器角度调节

为了满足侧面有斜度要求的绿篱带修剪，附加了侧面切割器小角度调节机构。(经查阅有关资料，绿篱侧面倾角一般<30°)。侧面角度调节局部结构如图8所示。

图8 侧面角度调节局部示意图Fig.8 Partial schematic diagram of side angle adjustment1.侧面切割器 2.连杆 3.角度调节板 4.销轴锁紧螺丝 5.连杆 6.连接板 7.转轴

在进行侧面角度倾斜修剪时，只需松开调节板环形槽上的销轴锁紧螺丝，扳动侧面切割器，使连杆以转轴为圆心转动到所需倾斜角度后锁紧销轴锁紧螺丝，此时，侧面切割器处于符合要求的倾斜状态；进行侧面垂直的绿篱修剪时，需再次调整调节板环形槽上的销轴锁紧螺丝，反方向扳动侧面切割器，使连杆以转轴为圆心带动侧面切割器复位后锁紧销轴锁紧螺丝即可。

1.3.6 切割器离合操作

在绿篱修剪行车过程中，通过切换减速器中的离合器机构，使顶侧面切割器都处于非工作状态，使行车安全得到了保障。在绿化带修剪作业过程中，顶面切割器和侧面切割器既可进行同时切割，也可进行单独切割。需要顶面切割作业时，扳动侧面切割手动离合器，使侧面切割器处于非工作状态；需要侧面切割作业时，扳动顶面切割手动离合器，此时，顶面切割器处于非工作状态。顶侧面切割传动机构手动离合装置如图9所示。

图9 手动离合装置示意图Fig.9 Manual clutch device1.角度调节板 2.转轴 3.拨叉 4.齿式离合器 5.定位卡槽 6.压缩弹簧

2 绿篱修剪试验

2.1 试验条件及参数

中央分隔绿化带修剪试验在甘肃省庆阳市庆城县与西峰区之间的高速公路上实施。试验中发现，作业速度在4～5 km/h，切割器往复切频次在500～600次/min的范围内修剪效果最佳。其工作参数见表1。

表1 修剪机参数表Tab.1 Pruning machine parameter table

从表中可以看出，该机型有效修剪宽幅为0～1 500 mm(修剪宽幅以超过绿化带中心线为宜)，修剪高度0～1 500 mm(绿篱实际有效修剪高度≤1 000 mm)，适用于绿篱顶侧面外形的修剪，满足一般绿化带的宽幅和高度修剪需求。

2.2 结果分析

通过在实际工作环境中的试验，验证了所设计的结构的合理性与可行性。该机型的液压升降机构、传动机构、顶面切割器旋转机构、侧面切割器角度调节机构、顶面切器清扫机构和手动离合机构均运行良好，割茬平齐，未出现绿篱枝叶缠绕、堆积等现象，残枝残叶清扫干净彻底，修剪质量符合要求。

现场对比测试：选取宽度：1 500 mm，高度：1 000 mm，长度：100 m的绿篱带进行测试。人工修剪作业为2人一组，选择绿篱带两侧同步修剪的作业方式。测试中发现，绿篱带宽度和高度相对较大，操作工人的体力消耗大，实际用时大于5 h(按5 h计算)，才基本完成修剪任务，每小时修剪量约为20 m。而采用具有连续移动优势的绿篱顶侧面枝叶同步修剪机，用时仅0.5 h通过一次往返就完成了修剪任务。修剪效率约为人工修剪的10倍，相当于15～20个修剪工人的工作量(综合考虑工人个体差异及体力消耗等因素)，极大地降低了作业强度和生产成本。

现场试验也发现，该机型还存在不足之处：(1)为了实现顶侧面独立修剪功能，必须手动扳动离合分离装置。(2)基于往复式切割器本身的局限性，对于较粗的茎秆切割效果相对较差。(3)采用小四轮拖拉机侧向位移的方式调节进行绿篱顶侧面修剪，仍具有一定的局限性。这些都需要在今后的研发中作进一步优化改进。

3 结论

1)绿篱顶侧面枝叶同步修剪机作业方式为往返式，一条绿化带的修剪只需一次往返即可完成。机动性能好，作业成本低，割茬平齐度好，修剪作业过程稳定，工作效率高，具有良好的实用性。

2)绿篱顶侧面枝叶同步修剪机解决了切割器的升降、避障、残枝残叶清扫、角度调节及离合操作等关键问题，具有绿化带中障碍物有效避让，绿化带侧面外形角度修剪等功能。能够满足高速公路绿化带修剪实际工况的需要，同时也适用于街道、路面的绿化带的修剪，为绿篱修剪养护机械设备的研发提供了一种新的解决方案，具有一定的应用推广价值，对于同类修剪设备的设计也有借鉴意义。

3)高速公路中央分隔绿化带修剪试验表明，绿化带修剪宽幅0～1 500 mm，有效修剪高度0～1 500 mm，修剪机作业速度4～5 km/h，切割器往复切频次600～650次/min的范围内修剪效果最佳。