马得力，王 刚，邵现田，司癸卯

（长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，西安 710064）

0 引言

高速公路总里程数快速增长，在“十二五”期间，通车总里程一直位居世界首位。同时，人们对生态环境的要求越来越高，绿化带所起的功能日趋多样化[1]。因此对绿篱的修剪效率与效果提出了更高的要求。考虑到现阶段市场上并没有一款综合效果较为满意的产品，目前的一些修剪设备多为单臂结构，在遇到道路中央绿篱多表面和边坡宽度不一的情况，需要多次修剪或者出现无法修剪等情况，很多时候还需要人为修剪，降低了工作效率[2]，严重影响了对高速公路绿化带的维护效率[3]。分析采用此传统修剪方式带来的问题和不足，结合设计要求[4]，认为需要研制出一种高效、多功能的绿篱修剪设备，以满足不断发展的绿化养护业的需要[5]。

1 作业对象分析

在《高速公路景观设计规范》中对高速公路绿化带尺寸有明确的规定，因此必须按照要求对绿化带进行修剪。道路中间绿化带宽度在1.5～3.5 m，高度在1.5～2 m，道路边缘宽度在0.5～0.75 m，在《公路路基设计规范》中规定，道路两侧边坡坡度范围为1:5～1:1，需要修剪的宽度为1.5～2.1 m，边坡围栏高度在0.7 m以内【6】。高速公路截面如图1所示。

图1 高速公路横截面图

2 整体结构设计

依照对作业对象的分析，设计出的车载式双臂绿篱机整体结构，如图2所示。整体结构由主臂修剪机构、辅臂修剪机构、旋转底座、配重、动力总成、底盘车组成，主辅臂架固定于旋转底座上，通过配重块来平衡；旋转底座放置于底盘车车厢的前部，臂架结构可完成±90°旋转；修剪中央绿化带时，通过臂架伸缩与底座旋转实现主臂对中央绿化带上表面进行修剪，辅臂对绿篱的侧面进行修剪；在臂架处于收回状况时，主臂和辅臂可以完全收于车厢内部；在边坡修剪过程中，主臂伸于最前方，辅臂伸于后方，通过控制两臂的不同伸缩量，实现对不同边坡宽度的适应，由液压缸调整臂架、刀具的角度与位移，以满足不同的边坡状况。

图2 车载式双臂绿篱机整体结构

3 各部分结构设计

3.1 主臂修剪机构的设计

主臂修剪机构主要是为了修剪道路两边距离较远的位置和中央绿化带的上表面。收臂状态要满足道路限高要求[7]。为了提高车载式绿篱修剪机边行驶边工作时的安全水平，留出足够的调整空间，在对修剪机构的设计过程中，以底盘车的侧面与边坡栏杆有0.5 m的水平距离，与中央绿篱的栏杆有1 m的水平距离；边坡角度按照最大的45°为基准，道路中央绿篱按照上限高度2 m，宽度3.5 m设计。主臂在对边坡进行作业时伸出最远，高度也最低，因此主臂修剪机构第一要满足边坡的修剪的作业范围，这一状态下的作业范围得到保证，则在其他状态下的作业范围就会得到保证[7]。因此为主臂加入了伸缩臂与角度调节臂，当修剪边坡较矮的植物时，调节角度调节臂使其处于较低位置，当对较高的中央绿篱进行修剪时，调节角度调节臂使其处于较高位置，利用Solidworks建立三维模型，对主臂工作能力进行模拟测定[8]，主臂伸缩臂内的伸缩液压缸行程选定为1.35 m，角度调节液压缸的行程选定为4.5 m。考虑到不同的边坡角度时修剪刀具的角度也要进行相应的改变，因此刀具摆动液压缸的行程为3.8 m。

图3 主臂修剪机构

经过以上分析，对主臂各部分具体尺寸进行了设计，借助AutoCAD软件绘制出了主臂修剪机构在不同工作情况下的示意图，通过测量与检验保证设计的尺寸达到使用要求，在三维软件中建立主臂修剪机构的模型，最终设计完成的主臂修剪机构工作时的尺寸示意图和三维图如图3所示。

3.2 辅臂修剪机构的设计

辅臂修剪机构主要是为了修剪道路两边距离边坡栏杆较近的位置和中央绿篱的侧面。在对边坡修剪时，主臂与辅臂刀具能够修剪的宽度都为1.2 m，实际工作中要完成坡面宽度1.5～2 m内的绿植的修剪，辅臂机构靠近底盘车的位置，因此根据实际情况调节两臂重合范围，完成不同宽度边坡的修剪需求；对中央绿化带修剪时，道路上的栏杆高度为0.9 m，因此辅臂刀具要在0.9 m高度以上进行作业；最终设计的辅臂伸缩臂举升液压缸的行程为3.35 m。依据以上分析，对辅臂修剪机构各部分的尺寸与液压缸的行程进行了设计，辅臂修剪机构在工作时的尺寸示意图和三维模型如图4所示。

图4 辅臂修剪机构

3.3 旋转底座的结构设计

旋转底座的上面要布置主臂辅臂修剪机构、回转液压电机、动力机构、水箱散热器、油箱和配重等，因此对旋转底座平台上的部件分布位置要合理。因为修剪机构会发生角度与伸缩长度的变化，使得旋转底座的受力状态处于变化中，因此要进行合理的配重设计，使机构处在平稳状态[9]。对回转底座上各部件布置如图5所示。

通过对主臂修剪机构、辅臂修剪机构、旋转底座的结构设计并组装，基本完成车载式双臂绿篱机的整体结构设计。

图5 旋转底座上各部件布置图

4 现场作业

在对车载式双臂绿篱机结构设计完成后制作了样机，并进行了现场作业，其中对高速公路中央绿篱和边坡修剪作业如图6所示。

图6 现场作业图

通过在实际工作环境中的作业，所设计的车载式双臂绿篱机结构能够很好地完成所需要的动作，作业过程无干涉现象，整机也取得了良好的修剪效果，验证了所设计的结构具有合理性与可行性。

5 结束语

本文为满足现阶段高速公路对绿化养护机械的需要，根据实际工作环境设计了一种新型的车载式双臂绿篱机，可以实现对道路中央的绿篱顶面和侧面同时完成修剪作业，提高了作业效率，对于道路两侧边坡上的绿色植物同样可以进行修剪，修剪角度、宽度和高度都可以根据实际需要进行调整，提高了产品的实用性。文中详细介绍了每个关键结构的设计过程与参考方法，对于完整的车载式双臂绿篱机设计具有应用价值，同时对于同类修剪设备的设计也有借鉴意义。