高速公路绿篱修剪机总体设计与结构优化

陈霖强

摘要：本文对高速公路绿篱修剪机展开运动学仿真分析，结合仿真结果进行总体性设计，针对高速公路绿篱修剪机结构优化展开了深入的研究，结合本次研究，发表了一些自己的建议看法，希望可以对高速公路绿篱修剪機总体设计与结构优化起到一定的参考和帮助，更好的完成修剪机的设计，满足实际使用需要。

关键词：高速公路；绿篱修剪机；总体设计；结构优化

高速公路中的隔离带主要是为了实现对车辆的隔离，保证车辆分道行驶，缓解车辆行驶过程中的眩晕以及眩光等情况，使车辆高速行驶安全性得到保证。为了更好地实现这一目标，人们在绿篱形状、平整度等方面要求越来越严格，传统手工修剪方式已经无法满足人们在这些方面的实际需要，必须要设计出一种自动化水平高的高速公路绿篱修剪机，提高绿篱修剪效率和效果，保证修剪的安全性，本文就此展开了研究分析。

1修剪机运动学仿真分析

本次设计的修剪机主要作业场所为高速公路，主要是用来修剪高速公路中央隔离带绿篱，结合高速公路隔离带绿篱性质以及特点，考虑到产品的功能以及市场竞争力情况，修剪机的设计目标主要集中在以下几个方面：第一，修剪机选择自动化修剪模式取代传统人工修剪模式，手持遥控器就可以控制修剪机作业，修剪效率有显著提高；第二，结构设计需要保证合理性，可靠性高，有独立动力源，可以长时间连续作业；第三，既可以高位修剪，也可以低位修剪，作业范围大，有着非常强的环境适应能力；第四，能够方便调整修剪姿态，比如修剪的高度、角度、距离等；第五，修剪机构可以满足360°，回旋需要，完成公路两边绿篱的修剪；第六，选择轻型小货车作为承载平台，不需要对货车进行专门的改造，运输极为方便；第七，整机质量控制在较轻范围，制造成本低，有着非常好的市场竞争力。修剪机动态仿真需要符合设计修剪机的设计要求。

1.1虚拟样机与动态仿真

随着当前市场竞争的日益激烈化，产品向着多样化和个性化方向发展，当前市场竞争以产品创新为核心，传统物理样机设计流程已经很难有效应用在现代产品研发设计方面，为了在激烈的市场竞争中占据有力地位，产品的设计必须要缩短研发周期，降低研发成本，提高设计质量。虚拟样机技术属于一种新的计算机辅助工程分析技术，在土木、机械等行业有着非常广泛的应用，以多体系运动学、动力学、控制理论为核心，以产品开发周期技术以及计算机仿真技术为核心，与人际互动用户界面技术、并行开发技术等结合在一起，可以从性能以及外观等方面实现对产品动力学特性以及运动学特性的模拟，为物理样机的设计制造提供参考。

动态仿真技术应用在现代机械设计中，可以使设计效率和设计质量有显著的提高。设计时在计算机上建立样机模型，展开相关动态性能计算分析，有问题出现之后对设计方案进行更改和优化，简化产品设计研发过程，缩短产品设计开发周期，降低开发成本，保证产品质量。应用运动学仿真：第一，检验运动干涉以及死点，修剪机想要实现高低位修剪以及回转避让，存在有较为突出的干涉问题，死点主要是驱动力在从动件回转力矩为零的点；第二，获取修剪机主要技术参数，应用运动学仿真，获取修剪机修剪机高度以及修剪距离等方面参数；第三，提取液压缸作用力，配套液压缸不一定满足修剪机实际使用需要，必须要通过仿真明确负荷特性。

1.2建立仿真模型

CAD绘制出修剪机三维模型之后，将其导入ADAMS，在ADAMS设置初始环毙第一，定义三维坐标系，X轴方向为汽车左侧，Y轴方向为汽车作业行驶反方向，Z轴与地面方向垂直向上；第二，设置重力方向；第三，设置构件显示颜色；第四，做好单位的选择；第五，设置材料属性，包含材料密度等。

施加运动约束：第一，常用运动副约束，比如说固定副等；第二，明确约束方向，对部分构件运动方向进行限制，比如说限制两个构件在同一平面运动；第三，约束运动，规定构件执行函数，按照指定轨迹运动。

借助CAD模型将相关约束副、驱动函数导入，做好ADAMS前期准备工作，在仿真之前，必须要对仿真模型参数进行验证，避免有系统位形不唯一情况出现。

2修剪机的运行仿真结果总体设计

2.1运动学仿真动画

通过仿真，获取修剪机极限作业姿态过程仿真动画，包含最高、最低水平修剪位置，最高、最低竖直修剪位置，最远、最近修剪位置等。

2.2运动学仿真后处理

修剪机设计参数：第一，在最高水平修剪高度方面，需要超过3m，能够满足高速公路大绿篱修剪需要，在最低水平修剪高度方面，不能超过o.015m，能够低位水平修剪；第二，在最高竖直修剪高度方面，需要超过3m，能够满足大绿篱侧面修剪需要，在最低竖直修剪高度方面，不能超过o.05m；第三，最远水平修剪距离需要超过3m，最远竖直修剪距离需要超过2.5m，以此走刀修剪宽度超过1.5m，修剪速度保持在4-5km/h。

完成运动学仿真之后，所产生的相关数据储存在ADAMS数据库，在ADAMS中对仿真结果进行处理，第一，获取修剪机最高、最低水平修剪距离，最高、最低竖直修剪距离，最远、最近修剪距离等参数；第二，获取举升臂水平夹角；第三，获取液压缸负荷参数，包含伸缩液压缸、举升液压缸以及翻转液压缸。修剪机回转底座包含有回转平台、液压马达、固定底板、回转支撑、基座等多项组成结构。回转支撑属于传动原件，主要是为了满足物体之间相对回转运动需要，同时承受修剪机轴向力、径向力等。仿真结果的处理需要重点做好修剪机回转底座方面的优化设计。

运动学仿真获取修剪机主要作业参数，该参数与设计值对比，判断整体设计是否满足实际设计要求。分析仿真结果发现，修剪机作业过程中不存在干涉以及死点情况。因为ADAMS仿真主要是借助STEP函数孔子，STEP函数会出现出界情况，最终导致设计值与仿真结果之间存在有一定的差异，但是在允许范围内，总体设计符合要求。另外，承重车的选择也是一项重点内容，承载车主要是运送修剪机能够移动作业，满足修剪机转场运输需要，修剪机需要在高速公路作业，承载车的参数必须要符合修剪机工作需要。结合运动学仿真结果，选择江淮轻卡作为修剪机承载机，最高车速80km/h，最小转弯半径13.2m，货斗长3.7m，宽1.95m。

3高速公路绿篱修剪机结构优化与产生效益分析

3.1结构优化

3.1.1导重准则法

导重准则法創立于上世纪八十年代，属于结构优化准则法，严格按照不等式约束条件以及极值理论推导，在优化效果方面好于满应力感性准则法。能够有效克服载荷随设计变量变化导致的缺陷，属于结构优化领域一种新的分析方法，在实际应用中，导重法有收敛快、优化效果好特点。导重法在实际应用中能够实现对虚功准则法缺点的有效克服，以位移等结构性态灵敏度分析为基础。

导重法在实际应用中对结构进行的优化处理，可以使结构刚度、强度得到显著提高，降低结构刚度，实现对结构性能的优化设计。

3.1.2应用导重法的修剪机结构优化设计

修剪机结构优化设计一方面是为了降低结构应力，另一方面是降低结构重量。本次优化设计分为两步，先展开轻量化设计，在应力允许范围内最大限度降低修剪机重量，使用导重法—单约束重量最轻化进行数学模型的设计，其次展开强度优化设计，保证结构重量不变前提下，最大限度降低结构应力，使结构可靠性得到提高。

第一，选择设计变量，修剪机结构的优化主要是为了在降低结构重量的同时提高结构力学性能。修剪机整体结构为钢板焊接，在设计变量选择方面，需要对钢板的长度、厚度、宽度等参数有充分的考虑，坚持以下两个方面原则：一方面设计变量选择能够大幅度降低结构重量的板，另一方面设计变量选择能够存在应力约束点长度、厚度。

第二，确定目标函数：轻量化设计为结构重量，在结构最大应力不超过材料允许应力情况下，最大限度降低结构重量；强度优化设计为结构应力，保持结构重量不变，最大限度降低结构应力。

3.1.3修剪机模态分析

模型优化之后，再进行模态分析。本次分析省略回转支撑，重点分析举升臂、刀架盘、基座以及伸缩臂，模态分析主要为了实现以下几个目标：第一，获取修剪机模态参数，对修剪机动态特性有全面的把握；第二，判断修剪机刀片旋转频率是否与固有频率重合，是否有共振存在；第三，判断发动机机怠速频率是否与固有频率重合，是否存在共振。

3.2效益

高速公路应用绿篱修剪机进行隔离带的修剪，有助于充分发挥绿篱植被降低噪音、减少光学污染和炫目的问题，确保通过相应公路路段的驾驶员可以实现安全运行。以往绿篱隔离带修枝处理时应用的修剪机，具有修剪范围小、操作难度大、劳动强度高的特点，极大的耗费了人力物力，也不方便对高枝进行有效修剪，因此经过结构优化设计处理的绿篱修剪机在目前的高速公路应用中优势明显。首先具有的经济价值，：我国经济发展中，农业占据着重要的地位，当前市场对于木材、园林景观等产品有着极大的需求量，因此应用现代化的绿篱修剪机，有助于农业、林业人员减轻工作量，可以进行大范围、多种类绿篱植被的修剪工作，形成农、林业产业化的发展模式，促进我国农林业朝着精细化的方向发展；同时还可以有效减少高速公路绿篱管理的成本支出，减轻修枝人员的工作量，最大化的提高工作效率和质量。其次具有的社会效益：修剪机经过优化设计可以在高速公路上充分发挥作用，保证道路来往人员的人身安全，促使区域间的经济往来频繁和人们出行的便捷，保证人们的人身安全，有效满足人们生产、生活的需要，促进我国社会稳定与经济的健康发展。

4结论

选择CAD建立修剪机三维模型，导入ADAMS展开运动学仿真分析，获取修剪机相关运动参数，判断修剪机的设计是否满足实际需要。针对修剪机结构展开分析，得出不同工况下应力分布情况，之后借助导重法展开修剪机的优化设计。分析修剪机模态，判断修剪机是否会有共振出现本次选择现代设计理论中相关方法进行修剪机的设计，修剪机研发周期有何大拿的缩短，修剪机设计质量得到保证，可以为之后其他产品的设计提供参考和借鉴。

为了实现对传统功能单一、效率差修剪机的取代，本次设计出智能化、机械化、自动化高速公路绿篱修剪机，想要保证新型修剪机有非常广阔的市场应用前景，首先要分析修剪机可靠性，避免因为结构疲劳导致零部件失效，降低产品安全性；其次要优化智能方式，比如说自动感应等；再次要重视修剪机液压控制系统的设计，使修剪机工作效率有显著提高，节约能源消耗；最后要通过结构优化软件对修剪机进行拓扑优化，更好的满足设计目标要求。

参考文献

[1]刘磊.折叠式高速公路绿化带高效修剪机设计与研究[D].山东理工大学，2015.

[2]杨天兴，赵春花，安虎平，等.手持式电动绿篱修剪机的研究与设计[J].中国农机化学报，2015，36 （3）：67-69，