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旋刀式割草機的改進設計
陳作喜 范修文
( 塔里木大學機械電氣化工程學院， 阿拉爾 843300)
摘 要：對于旋刀式割草機的改進設計方案中，設計了兩種旋刀離地高度的調整方案，實現(xiàn)了合理的工作范圍。通過對于機架的調整來實現(xiàn)旋刀離地高度的調整，使得這種方案原理簡單且容易實現(xiàn)，并在工作時穩(wěn)定可靠；通過調整輸出軸與工作軸的配合尺寸來調整旋刀的離地高度，能夠是割草高度范圍能夠實現(xiàn)連續(xù)調整，避免了第一種方案只能在幾個固定高度之間的調整的不足。兩種方案采用其一便能實現(xiàn)工作要求。同時改進了旋刀結構并采用更加合理的材料以及熱處理方法，大大改善了旋刀的耐磨性使旋刀使用壽命大為提高，同時降低了工作噪音。并且整機原理簡單，結構緊湊，機動靈活，成本低廉，方便了機具的使用和維護，適于大范圍推廣應用，能夠很大程度上提高園林工作的機械化率，降低工人的工作強度。
關鍵詞：旋刀；割草；離地高度
6
0 引 言
割草作為草坪修整的一項最基本作業(yè)，人們希望使用簡單高效經(jīng)濟適用的割草機械來完成草坪修建作業(yè)，并輕松完成割草作業(yè)任務。同時，要考慮環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的要求，設法減輕工作中對環(huán)境的影響，盡量降低其噪音污染，不給周圍環(huán)境造成負面影響。割草的主要作用是保持草坪上草的可控性正常生長，并通過割草機的修剪，保持人們預期的生長高度以及生長形態(tài)，使草坪美化環(huán)境的功能和其他功能得到充分發(fā)揮。目前，大型生態(tài)園的綠地設計已是房地產(chǎn)開發(fā)團中一個重要環(huán)節(jié)，草地是綠化的一種重要形式。目前，庭院里修整草地通常使用身背柴油機作動力，采用尼龍繩甩打草葉；或者是使用電動、柴油機的割草機，這種割草機體積大、噪音大，適用于空曠大草坪，易夾草出故障，遇到石塊可能使刀片斷裂，發(fā)生事故。隨著國內(nèi)人們生活水平的提高，人們對居住的綠化水平要求越來越高，尤其帶花園的別墅不斷增加，更需要開發(fā)一種適合小面積草地、簡單靈活的手推式割草機。
本設計討論分析了旋刀式割草機機的基礎參數(shù)，參考已有旋刀式割草機的參數(shù)，既要保證工作要求，又要盡量減小噪音污染并提高刀片的時候用壽命。設計出一款經(jīng)濟適用，成本低廉，可大范圍推廣的割草機械，為人們的居住環(huán)境的美化提供良好的實現(xiàn)工具。
1 設計原理及機構
1.1 設計原理
對于旋刀式割草機的總體設計，要遵循的設計原則
（1）首先滿足農(nóng)藝要求并適應小區(qū)草坪的面積限制，具有良好的轉向性和操作靈活性。
（2）吸收國內(nèi)外設施農(nóng)業(yè)作業(yè)機械的新技術，采用新原理、新結構、新工藝、做到設計合理、使用可靠、優(yōu)質高效、物美價廉，能廣泛推廣。
（3）零部件的通用化、標準化程度高。
（4）整機結構簡單、成本低廉、操作簡便、維修方便、質量輕、機動性好。
1.2 旋刀式割草機的設計方案
圖1旋刀式割草機簡圖
1.工業(yè)腳輪 2.工業(yè)腳輪架 3.下機架 4.上機架
5.發(fā)動機6.推桿7.工業(yè)走輪架 8.工業(yè)走輪9.工作軸 10.刀片
如圖1 所示，旋刀式割草機主要工業(yè)腳輪、下機架、發(fā)動機、上機架、推桿、工作軸、工業(yè)走輪和刀片等組成。汽油發(fā)動機提供動力，其輸出軸通過花鍵與裝配有刀片的工作軸相連，帶動旋刀工作，使其實現(xiàn)割草動作，發(fā)動機有油門控制旋鈕，通過旋轉旋鈕控制發(fā)動機的轉速以及停止，從而實現(xiàn)控制選到的工作轉速，實現(xiàn)對旋刀的工作控制。
手推式割草機的動力是來源于行走輪驅動，即靠人的推力來驅動。查閱《人機工程手冊》，人步行速度約為3~5千米/時，即48~64米/分，考慮到要推動割草機進行切割，選取人的步行速度為48米/分，即0.8米/秒。
由《人機工程手冊》查得，人體身高尺寸（成年男性）多在170cm左右。因此，推桿距地面的高度取為1000毫米,且可在850~1300毫米之間調節(jié)，符合人體作業(yè)適應度。
設計原則：工作場地的高度取決于作用力、操作者的身高、操作者操作物件的尺寸、以及視野范圍。
又因為該割草機是手推式的，動力來源于人的行走以及推力。應考慮到其結構尺寸方面的因素，因而行走輪直徑不宜過大。其旋刀刀尖速度要求達到71~97m/s，在這個速度范圍能使選到旋轉引起的噪聲降到比較合理的水平，并能正常工作。
如果輪子直徑過大，將會使機具底盤抬高，影響整機的協(xié)調性，如果輪子直徑過小,則推行比較費力,不能達到設計要求,要滿足人的推力在200N左右都能推動這部割草機才行。
初步選取外輪直徑=80mm,
由《人機工程手冊》查得，人體身高尺寸（成年男性）多在170cm左右。因此，推桿距地面的高度取為100cm,且可在100~140cm之間調節(jié)，符合人體作業(yè)適應度。
功率消耗計算
本設計割草機的功率消耗為割草作業(yè)的功率消耗，行走動力由人提供，不列入計算。
旋刀式割草機在平坦地面上的割草消耗功率計算公式為，
式中 —機器前進速度（m/s）；
B —機器割副（m）；
—切割每平方米面積的莖干所需的功率，一般取=200~300。
割草機所需功率為。
則選用1.5馬力的發(fā)動機。
由以上分析確定割草機的各項參數(shù)：
割草機的整體寬度：495mm；
割草機的割幅：400mm；
割草高度：25~80mm；
旋刀寬度：B=58mm；
旋刀厚度：l=3mm；
機架離地高度：h=200mm；
發(fā)動機轉速：n=3600r/min；
旋刀的轉速：n=3600r/min=75.4m/s；
旋刀的刀尖速度：v=71~97m/s；
切割速度介于71~97ms之間，合適；
人的持續(xù)推力為15~20kg，取F=200N；
則p=Fv=200×0.8=0.16；
集草類型：就地灑落。
選取HONDA本田GX35汽油機。
2 旋刀式割草機主要部件的設計與計算
2.1 割草機工作部分設計
圖2刀組結構圖
如圖2所示：旋刀通過螺紋圓柱銷定位用螺母固定在工作軸上，工作軸通過花鍵與發(fā)動機輸出軸連接，軸向定位在軸上開兩個11 mm深的孔用螺紋圓柱銷定位。工作部件由一組這樣的機構構成，旋刀可以隨時更換。
2.1.1 旋刀的設計
圖3旋刀結構圖
旋刀的結構圖如圖3，材料是65Mn鋼，等溫淬火后硬度為42~50HRC，,。
2.1.2 傳動軸的設計
材料是合金結構鋼40MnB，調質處理，硬度為28HRC，,
，,軸上一端為內(nèi)花鍵，結構如圖3-3。
圖3傳動軸結構圖
傳動軸的結構簡圖如上圖3-4，一有內(nèi)花鍵，另一端直接與發(fā)動機的輸出軸相連；通過花鍵連接將動力傳導至工作軸。
軸徑的初步計算
根據(jù)軸的扭轉強度條件
,式中：
——扭轉相應切力，；
——軸所受的扭矩，；
——軸的抗扭截面系數(shù)，；
——軸的轉速，；
——軸傳遞的功率，；
——計算截面處軸的直徑，。
已知。其中，
得，
對于空心軸，，式中為空心軸的內(nèi)徑與外徑之比，通常取=0.5~0.6。
已知P =1.25，n=3600 r/min，軸的材料選用 40MnB， 。
將其代入式中，得實心軸軸徑；
空心軸軸徑。
故輸出軸的實心部分最小軸徑要大于7.73mm，空心部分最小軸徑要大于7.90mm，
2.1.3 工作軸的設計
材料是合金結構鋼40MnB，調質處理，硬度為28HRC，,
，,軸上一端為外花鍵，結構如下圖4。
圖4工作軸
軸徑的初步計算同上，工作軸最小軸徑要大于7.90mm。
傳動軸的結構簡圖如上圖3-6，一有加工有外花鍵，與傳動軸相連，另一端連接旋刀，帶動旋刀進行割草作業(yè)。
2.2 推桿的設計
材料是低合金結構鋼Q345做成的鋼管，有推桿和推桿套兩部分組成，可伸縮滿足不同身高的人對割草機的操縱，結構如下5。
圖5推桿結構圖
2.3 機架的設計
（1）機架材料是低合金結構鋼Q345做成的結構用冷彎空心型鋼，由下機架和上機架兩部分組成，可通過調節(jié)銷軸實現(xiàn)對機架高度的調節(jié)，從而實現(xiàn)對旋刀離地高度的調節(jié)，實現(xiàn)對割草高度的調節(jié)。結構如下6。
圖6機架結構圖
（2）銷軸的選擇
銷主要分為用于固定零件之間相對位置的定位銷，用于連接的連接銷和用于安全裝置中的過載剪斷元件的安全銷。本設計中上機架和下機架的鉸接處用銷軸連接。銷軸材料選用35鋼，調質處理，硬度為28~38HRC，表面氧化。根據(jù)具體的情況要求以及方便操作的要求，選用銷軸（GB/T 882-2000），開口銷（GB/T 91-2000）?？紤]到割草機工作時對銷軸有一些沖擊，故取許用剪切應力，許用壓應力，抗拉強度。
發(fā)動機的質量為3.4kg,燃油箱容量為1L，裝滿燃油時燃油質量為0.725kg，上機架材料采用16Mn。其質量為1.6kg。故作用在每個銷軸上的力為
銷軸工作面的擠壓應力 ，
計算結果：的強度條件，安全。
銷軸的剪切應力 。
計算結果：的強度條件，安全。
銷軸的彎曲應力 。
計算結果：的強度條件，安全。
3 旋刀式割草機傳動系統(tǒng)設計與計算
本次設計的手推旋刀式割草機的傳動部分采用花鍵連接的軸組成。當發(fā)動機工作使得輸出軸轉動時，通過花鍵連接的工作軸旋轉，使得旋刀也一起轉動，通過旋刀的高速旋轉動作，將草坪上多余高度的草割斷。
3.1 動力傳遞方案
動力傳動方案如圖7所示：
圖7動力傳動方案
3.2 傳動比的計算
電動機的轉速為3600r/min，用n表示，旋耕刀的轉速為 3600 r/min，用表示，則割草機的傳動比。
3.3 傳動系統(tǒng)計算與工作軸設計
割草機的傳動軸和輸出軸之間用花鍵連接，花鍵連接有外花鍵和內(nèi)花鍵組成，花鍵連接具有受力均勻、可承受較大載荷、對中性好、導向性好等特點，花鍵連接的齒數(shù)尺寸、配合等均按標準選取。本設計采用定心精度越高，定心的穩(wěn)定性好的矩形花鍵，矩形花鍵的定心方式為小徑定心。
3.3.1 載荷計算
輸入轉矩
名義切向力
單位載荷
3.3.2 齒面接觸強度計算
齒面壓應力
取。
齒面許用壓應力
。
計算結果：的強度條件，安全。
3.3.3 齒根彎曲強度計算
齒根彎曲應力,取,
。
齒根許用彎曲應力
。
計算結果：的強度條件，安全。
3.3.4 齒根剪切強度計算
。
應力集中系數(shù)
。
剪切應力 。
齒根最大剪切應力 。
許用剪切應力 。
計算結果：的強度條件，安全。
3.3.5齒面耐磨能力計算
齒面壓應力
齒面磨損許用壓應力。
計算結果：的強度條件，安全。
花鍵副長期工作無磨損時耐磨損能力計算
齒面壓應力
齒面磨損許用壓應力（查表5-3-38）。
計算結果：的強度條件，安全。
外花鍵的扭轉與彎曲強度計算
彎矩，
彎曲應力 。
當量應力 。
許用壓應力
計算結果：的強度條件，安全。
4 主要部件的強度分析
軸的校核
對工作軸進行扭轉剛度校核計算
對工作軸進行受力分析，其受力分析圖如下：軸材料選用合金結構鋼40MnB。,，。
圖8工作軸的受力圖
圖9工作軸扭矩圖
工作軸所受扭矩 ，
軸的扭轉變形角用每米長的扭轉角來表示，階梯軸的扭轉角的計算公式為
。
式中：——階梯軸第i段上所受的扭矩，。
——軸的材料的剪切彈性模量，，對于鋼材，。
——階梯軸第i段幾面的極慣性矩，，對于圓軸，。
——階梯軸第i段的長度，。
——階梯軸受扭矩作用的軸段數(shù)。
工作軸的扭轉角為
。
。
軸的扭轉剛度條件為，為軸每米長的允許扭轉角，與軸的使用場合有關。對于一般傳動軸，可??；對于精密傳動軸，可??；對于精度要求不高的軸，。在割草機工作軸的傳動中，因為是一般傳動，所以取。
計算結果：滿足強度條件，安全。
5 總結
（1）本文分析了目前國內(nèi)外草坪割草機械的現(xiàn)狀及存在問題，研究了普通草坪的物理狀況，為旋刀式割草機參數(shù)提供依據(jù)。
（2）針對當前國內(nèi)草坪面積不大卻形狀各異、要求割草靈活方便的問題，結合草坪修剪及方便實用和農(nóng)藝特點，吸收了JUS-420旋刀式剪草機及其它經(jīng)典機型的設計理念，提出旋刀式割草機的改進設計的設計思路。
（3）在整機設計中，以汽油發(fā)動機作為動力，體積小、成本低、工作可靠、。采用裝配式機架，汽油發(fā)動機輸出動力帶動旋刀工作，發(fā)動機固定在機架上方，使整機結構簡單緊湊又可根據(jù)不同工作環(huán)境以及工作要求調整機架。行走輪與機架直接固定，通過操向桿實行轉向。其他零部件經(jīng)過計算校核后，盡可能采用通用件或標準件，體現(xiàn)了經(jīng)濟、實用、操作簡易、維護簡單、成本低廉的設計原則。
參 考 文 獻
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Improved Design of Rotary Lawn Mower
Chen Zuoxi， Fan Xiuwen
( Mechanical Electrical Engineering College of Tarim University)
Abstract:For a rotary mower improved design scheme, design two rotary knife height adjustment program, realized the reasonable scope of work. Through the rack adjustment to achieve rotating blade height adjustment, the scheme is simple and easy to implement, and the work is stable and reliable; by adjusting the output shaft and the working shaft with the size to adjust the rotary knife height from the ground, can be mowing height range can realize continuous adjustment, avoids the first scheme only at a few fixed height adjustment between deficiency. Two kinds of scheme using one can achieve the requirements. And the improvement of the rotary cutter structure and adopt more reasonable material and heat treatment method, greatly improved the rotary cutter wear resistance of the rotary cutter service life is greatly improved, while reducing the work noise. And the principle is simple, compact structure, flexible, low cost, convenient use and maintenance of equipment, is suitable for a wide range of application, can greatly improve the garden work mechanization rate, reduce work intensity of workers.
Keywords: Rotaryknife;Cut grass;The height from the ground