高速公路綠籬修剪機總體設計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

陳霖強

摘要：本文對高速公路綠籬修剪機展開運動學仿真分析，結(jié)合仿真結(jié)果進行總體性設計，針對高速公路綠籬修剪機結(jié)構(gòu)優(yōu)化展開了深入的研究，結(jié)合本次研究，發(fā)表了一些自己的建議看法，希望可以對高速公路綠籬修剪機總體設計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化起到一定的參考和幫助，更好的完成修剪機的設計，滿足實際使用需要。

關(guān)鍵詞：高速公路；綠籬修剪機；總體設計；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高速公路中的隔離帶主要是為了實現(xiàn)對車輛的隔離，保證車輛分道行駛，緩解車輛行駛過程中的眩暈以及眩光等情況，使車輛高速行駛安全性得到保證。為了更好地實現(xiàn)這一目標，人們在綠籬形狀、平整度等方面要求越來越嚴格，傳統(tǒng)手工修剪方式已經(jīng)無法滿足人們在這些方面的實際需要，必須要設計出一種自動化水平高的高速公路綠籬修剪機，提高綠籬修剪效率和效果，保證修剪的安全性，本文就此展開了研究分析。

1修剪機運動學仿真分析

本次設計的修剪機主要作業(yè)場所為高速公路，主要是用來修剪高速公路中央隔離帶綠籬，結(jié)合高速公路隔離帶綠籬性質(zhì)以及特點，考慮到產(chǎn)品的功能以及市場競爭力情況，修剪機的設計目標主要集中在以下幾個方面：第一，修剪機選擇自動化修剪模式取代傳統(tǒng)人工修剪模式，手持遙控器就可以控制修剪機作業(yè)，修剪效率有顯著提高；第二，結(jié)構(gòu)設計需要保證合理性，可靠性高，有獨立動力源，可以長時間連續(xù)作業(yè)；第三，既可以高位修剪，也可以低位修剪，作業(yè)范圍大，有著非常強的環(huán)境適應能力；第四，能夠方便調(diào)整修剪姿態(tài)，比如修剪的高度、角度、距離等；第五，修剪機構(gòu)可以滿足360°，回旋需要，完成公路兩邊綠籬的修剪；第六，選擇輕型小貨車作為承載平臺，不需要對貨車進行專門的改造，運輸極為方便；第七，整機質(zhì)量控制在較輕范圍，制造成本低，有著非常好的市場競爭力。修剪機動態(tài)仿真需要符合設計修剪機的設計要求。

1.1虛擬樣機與動態(tài)仿真

隨著當前市場競爭的日益激烈化，產(chǎn)品向著多樣化和個性化方向發(fā)展，當前市場競爭以產(chǎn)品創(chuàng)新為核心，傳統(tǒng)物理樣機設計流程已經(jīng)很難有效應用在現(xiàn)代產(chǎn)品研發(fā)設計方面，為了在激烈的市場競爭中占據(jù)有力地位，產(chǎn)品的設計必須要縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高設計質(zhì)量。虛擬樣機技術(shù)屬于一種新的計算機輔助工程分析技術(shù)，在土木、機械等行業(yè)有著非常廣泛的應用，以多體系運動學、動力學、控制理論為核心，以產(chǎn)品開發(fā)周期技術(shù)以及計算機仿真技術(shù)為核心，與人際互動用戶界面技術(shù)、并行開發(fā)技術(shù)等結(jié)合在一起，可以從性能以及外觀等方面實現(xiàn)對產(chǎn)品動力學特性以及運動學特性的模擬，為物理樣機的設計制造提供參考。

動態(tài)仿真技術(shù)應用在現(xiàn)代機械設計中，可以使設計效率和設計質(zhì)量有顯著的提高。設計時在計算機上建立樣機模型，展開相關(guān)動態(tài)性能計算分析，有問題出現(xiàn)之后對設計方案進行更改和優(yōu)化，簡化產(chǎn)品設計研發(fā)過程，縮短產(chǎn)品設計開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量。應用運動學仿真：第一，檢驗運動干涉以及死點，修剪機想要實現(xiàn)高低位修剪以及回轉(zhuǎn)避讓，存在有較為突出的干涉問題，死點主要是驅(qū)動力在從動件回轉(zhuǎn)力矩為零的點；第二，獲取修剪機主要技術(shù)參數(shù)，應用運動學仿真，獲取修剪機修剪機高度以及修剪距離等方面參數(shù)；第三，提取液壓缸作用力，配套液壓缸不一定滿足修剪機實際使用需要，必須要通過仿真明確負荷特性。

1.2建立仿真模型

CAD繪制出修剪機三維模型之后，將其導入ADAMS，在ADAMS設置初始環(huán)斃第一，定義三維坐標系，X軸方向為汽車左側(cè)，Y軸方向為汽車作業(yè)行駛反方向，Z軸與地面方向垂直向上；第二，設置重力方向；第三，設置構(gòu)件顯示顏色；第四，做好單位的選擇；第五，設置材料屬性，包含材料密度等。

施加運動約束：第一，常用運動副約束，比如說固定副等；第二，明確約束方向，對部分構(gòu)件運動方向進行限制，比如說限制兩個構(gòu)件在同一平面運動；第三，約束運動，規(guī)定構(gòu)件執(zhí)行函數(shù)，按照指定軌跡運動。

借助CAD模型將相關(guān)約束副、驅(qū)動函數(shù)導入，做好ADAMS前期準備工作，在仿真之前，必須要對仿真模型參數(shù)進行驗證，避免有系統(tǒng)位形不唯一情況出現(xiàn)。

2修剪機的運行仿真結(jié)果總體設計

2.1運動學仿真動畫

通過仿真，獲取修剪機極限作業(yè)姿態(tài)過程仿真動畫，包含最高、最低水平修剪位置，最高、最低豎直修剪位置，最遠、最近修剪位置等。

2.2運動學仿真后處理

修剪機設計參數(shù)：第一，在最高水平修剪高度方面，需要超過3m，能夠滿足高速公路大綠籬修剪需要，在最低水平修剪高度方面，不能超過o.015m，能夠低位水平修剪；第二，在最高豎直修剪高度方面，需要超過3m，能夠滿足大綠籬側(cè)面修剪需要，在最低豎直修剪高度方面，不能超過o.05m；第三，最遠水平修剪距離需要超過3m，最遠豎直修剪距離需要超過2.5m，以此走刀修剪寬度超過1.5m，修剪速度保持在4-5km/h。

完成運動學仿真之后，所產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)儲存在ADAMS數(shù)據(jù)庫，在ADAMS中對仿真結(jié)果進行處理，第一，獲取修剪機最高、最低水平修剪距離，最高、最低豎直修剪距離，最遠、最近修剪距離等參數(shù)；第二，獲取舉升臂水平夾角；第三，獲取液壓缸負荷參數(shù)，包含伸縮液壓缸、舉升液壓缸以及翻轉(zhuǎn)液壓缸。修剪機回轉(zhuǎn)底座包含有回轉(zhuǎn)平臺、液壓馬達、固定底板、回轉(zhuǎn)支撐、基座等多項組成結(jié)構(gòu)?；剞D(zhuǎn)支撐屬于傳動原件，主要是為了滿足物體之間相對回轉(zhuǎn)運動需要，同時承受修剪機軸向力、徑向力等。仿真結(jié)果的處理需要重點做好修剪機回轉(zhuǎn)底座方面的優(yōu)化設計。

運動學仿真獲取修剪機主要作業(yè)參數(shù)，該參數(shù)與設計值對比，判斷整體設計是否滿足實際設計要求。分析仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，修剪機作業(yè)過程中不存在干涉以及死點情況。因為ADAMS仿真主要是借助STEP函數(shù)孔子，STEP函數(shù)會出現(xiàn)出界情況，最終導致設計值與仿真結(jié)果之間存在有一定的差異，但是在允許范圍內(nèi)，總體設計符合要求。另外，承重車的選擇也是一項重點內(nèi)容，承載車主要是運送修剪機能夠移動作業(yè)，滿足修剪機轉(zhuǎn)場運輸需要，修剪機需要在高速公路作業(yè)，承載車的參數(shù)必須要符合修剪機工作需要。結(jié)合運動學仿真結(jié)果，選擇江淮輕卡作為修剪機承載機，最高車速80km/h，最小轉(zhuǎn)彎半徑13.2m，貨斗長3.7m，寬1.95m。

3高速公路綠籬修剪機結(jié)構(gòu)優(yōu)化與產(chǎn)生效益分析

3.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1.1導重準則法

導重準則法創(chuàng)立于上世紀八十年代，屬于結(jié)構(gòu)優(yōu)化準則法，嚴格按照不等式約束條件以及極值理論推導，在優(yōu)化效果方面好于滿應力感性準則法。能夠有效克服載荷隨設計變量變化導致的缺陷，屬于結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域一種新的分析方法，在實際應用中，導重法有收斂快、優(yōu)化效果好特點。導重法在實際應用中能夠?qū)崿F(xiàn)對虛功準則法缺點的有效克服，以位移等結(jié)構(gòu)性態(tài)靈敏度分析為基礎。

導重法在實際應用中對結(jié)構(gòu)進行的優(yōu)化處理，可以使結(jié)構(gòu)剛度、強度得到顯著提高，降低結(jié)構(gòu)剛度，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設計。

3.1.2應用導重法的修剪機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

修剪機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計一方面是為了降低結(jié)構(gòu)應力，另一方面是降低結(jié)構(gòu)重量。本次優(yōu)化設計分為兩步，先展開輕量化設計，在應力允許范圍內(nèi)最大限度降低修剪機重量，使用導重法—單約束重量最輕化進行數(shù)學模型的設計，其次展開強度優(yōu)化設計，保證結(jié)構(gòu)重量不變前提下，最大限度降低結(jié)構(gòu)應力，使結(jié)構(gòu)可靠性得到提高。

第一，選擇設計變量，修剪機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要是為了在降低結(jié)構(gòu)重量的同時提高結(jié)構(gòu)力學性能。修剪機整體結(jié)構(gòu)為鋼板焊接，在設計變量選擇方面，需要對鋼板的長度、厚度、寬度等參數(shù)有充分的考慮，堅持以下兩個方面原則：一方面設計變量選擇能夠大幅度降低結(jié)構(gòu)重量的板，另一方面設計變量選擇能夠存在應力約束點長度、厚度。

第二，確定目標函數(shù)：輕量化設計為結(jié)構(gòu)重量，在結(jié)構(gòu)最大應力不超過材料允許應力情況下，最大限度降低結(jié)構(gòu)重量；強度優(yōu)化設計為結(jié)構(gòu)應力，保持結(jié)構(gòu)重量不變，最大限度降低結(jié)構(gòu)應力。

3.1.3修剪機模態(tài)分析

模型優(yōu)化之后，再進行模態(tài)分析。本次分析省略回轉(zhuǎn)支撐，重點分析舉升臂、刀架盤、基座以及伸縮臂，模態(tài)分析主要為了實現(xiàn)以下幾個目標：第一，獲取修剪機模態(tài)參數(shù)，對修剪機動態(tài)特性有全面的把握；第二，判斷修剪機刀片旋轉(zhuǎn)頻率是否與固有頻率重合，是否有共振存在；第三，判斷發(fā)動機機怠速頻率是否與固有頻率重合，是否存在共振。

3.2效益

高速公路應用綠籬修剪機進行隔離帶的修剪，有助于充分發(fā)揮綠籬植被降低噪音、減少光學污染和炫目的問題，確保通過相應公路路段的駕駛員可以實現(xiàn)安全運行。以往綠籬隔離帶修枝處理時應用的修剪機，具有修剪范圍小、操作難度大、勞動強度高的特點，極大的耗費了人力物力，也不方便對高枝進行有效修剪，因此經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計處理的綠籬修剪機在目前的高速公路應用中優(yōu)勢明顯。首先具有的經(jīng)濟價值，：我國經(jīng)濟發(fā)展中，農(nóng)業(yè)占據(jù)著重要的地位，當前市場對于木材、園林景觀等產(chǎn)品有著極大的需求量，因此應用現(xiàn)代化的綠籬修剪機，有助于農(nóng)業(yè)、林業(yè)人員減輕工作量，可以進行大范圍、多種類綠籬植被的修剪工作，形成農(nóng)、林業(yè)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展模式，促進我國農(nóng)林業(yè)朝著精細化的方向發(fā)展；同時還可以有效減少高速公路綠籬管理的成本支出，減輕修枝人員的工作量，最大化的提高工作效率和質(zhì)量。其次具有的社會效益：修剪機經(jīng)過優(yōu)化設計可以在高速公路上充分發(fā)揮作用，保證道路來往人員的人身安全，促使區(qū)域間的經(jīng)濟往來頻繁和人們出行的便捷，保證人們的人身安全，有效滿足人們生產(chǎn)、生活的需要，促進我國社會穩(wěn)定與經(jīng)濟的健康發(fā)展。

4結(jié)論

選擇CAD建立修剪機三維模型，導入ADAMS展開運動學仿真分析，獲取修剪機相關(guān)運動參數(shù)，判斷修剪機的設計是否滿足實際需要。針對修剪機結(jié)構(gòu)展開分析，得出不同工況下應力分布情況，之后借助導重法展開修剪機的優(yōu)化設計。分析修剪機模態(tài)，判斷修剪機是否會有共振出現(xiàn)本次選擇現(xiàn)代設計理論中相關(guān)方法進行修剪機的設計，修剪機研發(fā)周期有何大拿的縮短，修剪機設計質(zhì)量得到保證，可以為之后其他產(chǎn)品的設計提供參考和借鑒。

為了實現(xiàn)對傳統(tǒng)功能單一、效率差修剪機的取代，本次設計出智能化、機械化、自動化高速公路綠籬修剪機，想要保證新型修剪機有非常廣闊的市場應用前景，首先要分析修剪機可靠性，避免因為結(jié)構(gòu)疲勞導致零部件失效，降低產(chǎn)品安全性；其次要優(yōu)化智能方式，比如說自動感應等；再次要重視修剪機液壓控制系統(tǒng)的設計，使修剪機工作效率有顯著提高，節(jié)約能源消耗；最后要通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件對修剪機進行拓撲優(yōu)化，更好的滿足設計目標要求。

參考文獻

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