一种球形灌木修枝机的结构设计

摘要： 球形灌木作为一种广泛分布在城市道路两旁及高速公路绿化带的一种植物，但当前繁重的修枝工作仍以人工为主，存在机械化、自动化水平较低，成本较高等问题。本研究设计了一种针对球形灌木的多功能自动修枝机，旨在提升灌木修剪的效率与精确度。

关键词：球形灌木；自动修枝机；可调半径修剪刀具；园艺技术；智能化

一、引言

（一）研究背景及意义

球形灌木在园艺和城市绿化景观设计中广泛应用，合理修剪影响植物生长、抗病虫害能力和园林可持续性，还能改善城市环境。我国城市公园绿地面积不断增加，园林绿化需求增长，但传统灌木修剪依赖人工，效率低、成本高，开发自动修枝机意义重大。据国家统计局2021年统计，我国城市公园绿地面积约为84.1万公顷，同比增长5.4%。随着我国城市公园绿地面积的不断增加，园林绿化需求愈发增加[1]。然而，传统的灌木修剪流程通常是劳动密集型的，往往需要专业人员进行技术性修剪，伴随着高强度的体力劳动，这不仅影响了工作效率，也提高了人力成本。因此，开发一款具备多功能的自动修枝机显得尤为重要。

二、球形灌木修剪机整体方案

根据球形灌木修剪机的设计要求和作业工况，将整体分为三部分：整体升降机构、修剪伸缩机构以及角度调节机构。

整体升降采用剪叉式升降机构，通过液压杆的伸缩控制摇杆转动，进而实现平台的上下移动；修剪伸缩机构初步定为三节伸缩臂，利用电机和绳传动进行驱动，进而实现修剪刀具的左右移动；修剪刀具采用可变半径式，通过角度调节机构调节刀具与灌木轴心的距离，修剪园林中不同半径的球形灌木。

运动方式：修剪车运动到球形灌木附近，通过升降机构和伸缩机构将修剪刀具移动到被修球形灌木顶部，此时伸缩机构和升降机构停止运动，通过角度调节机构对刀具的半径进行调节，完成对球形灌木的修剪。

三、关键机构设计方案

（一） 整体升降机构方案

通过对国内外现有升降机的调研，根据结构形式的不同，主要分为：剪叉式、曲臂式、导轨链条式、多柱式以及套缸式[2-4]。其中剪叉式升降机具有承载能力大，运行平稳等优点，在升降作业中被广泛应用，我们采用液压驱动的剪叉式升降机构。

（二）修剪伸缩机构

目前国内外现有的伸缩机构主要有箱型伸缩机构、平行四边形伸缩机构和旋转伸缩机构[5]，其中箱型伸缩机构主要通过各节伸缩臂的前后运动进行作业，承载能力强，机构稳定，可用于高空作业；平行四边形伸缩机构的稳定性较差，常用于伸缩衣架、伸缩门等；旋转伸缩机构常见的有丝杠传动、凸轮传动等，其轴向承载较小，且制造和维护成本较高，综合对比下，本文的修剪伸缩机构选用箱型截面。

结合本文设计的球形灌木修剪机的作业环境，要求伸缩机构的工作范围为：0 mm-1200 mm，采用三节伸缩臂，驱动方式选用电力驱动，通过电机带动绳索驱动各节伸缩臂运动。

（三）刀具与角度调节机构方案

灌木修剪机的修剪刀具一般分为旋刀式、往复式和甩刀式三种类型，如图2-7所示，旋刀式刀具根据修剪幅度的不同，一般由2-3个刀片组成，主要利用高速旋转的刀片进行灌木修剪[6]。甩刀式刀具刀片与刀锟铰接，电机带动刀锟转动时，刀片在离心力和惯性作用下与刀锟一起转动，完成对灌木的切割[7]。往复式刀具由凸轮传动做往复直线运动，通过往复运动时上下两层刀片产生的挤压力切割灌木[8]。

结合球形灌木修剪机的作业环境和本文设计，通过对比旋刀式、往复式和甩刀式三种灌木修剪机常用刀具类型，本文设计选用往复式修剪刀具，该刀具具有结构简单，工作可靠，适应性强等的特点。

四、我国修枝机现存问题及展望

当前的球形灌木多功能自动修枝机在其应用过程中，面临诸多环境适应性的问题[9]。这些问题的根源在于多变的环境条件，包括气候变化、土壤类型和植被密度等，严重影响了设备的工作效率与修剪质量。为解决这些问题，引入环境影响评估的方法论，系统地分析不同自然环境条件对设备性能的影响，进而提出针对性的改进策略。

参考文献

[1]张飞梅.修剪对园林绿化的作用[J].现代园艺，2016，4（08）：149-150.

[2] Ren G. Dong， Christopher S. Pan， Jared J. Hartsell， et al. An investigation on the dynamic stability of scissor lift[J]. Open Journal of Safety Science and Techno logy，2012，2（1）：8-15.

[3]Tian Hongyu， Zhang Ziyi. Design and simulation based on Pro/E for a hydraulic lift platform in scissors type[J]. Procedia Engineering， 2011，16：772-781.

[4]Pan C S， Chiou S S， Kau T Y， et al. Evaluation of postural sway and impact forces during ingress and egress of scissor lifts at elevations[J].Applied Ergonomics，2017，65：152-162.

[5]吴义成.伸缩机构的研究与设计[J].机电工程技术， 2013，42（09）：115-117.

[6]尚树堂，卢希诚，水敬琪．旋刀式草坪割草机切割刀具的研制[J].北京林业大学学报，1988，10（03）：37-43.

[7]宋星亮.纯电动履带式遥控绿篱机关键结构的设计与研究[D].西安：长安大学，2019.

[8]施祖强.往复式稻茬切割器振动动力学分析与仿真研究[D].长沙：湖南农业大学，2009.

[9]石兆瑞.多功能体检机[J].科学启蒙，2022，（07）：48.