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Ren Zhongxian haerbin Institute of Technology 2012-06·Harbin 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 摘 要 本設(shè)計介紹了一種林區(qū)除草機產(chǎn)品：自走式除草機。設(shè)計中根據(jù)林區(qū)路面狀況，以及清林撫育的作業(yè)情況，而設(shè)計出能夠適應(yīng)林區(qū)崎嶇路面及道路狹窄等惡劣環(huán)境的自走式除草機，具有很高的實用性和推廣價值。 該自走式除草機由行走部分，割灌部分，駕駛臺以及排障部分等組成，可以鋸切加工直徑范圍在10 ～80mm的灌木。整個機器由兩個汽油機提供動力，一個提供行走動力，另一個提供割灌動力。鋸片位于整個機器的前下端，由駕駛臺控制桿控制其離地面高度，以適應(yīng)林區(qū)路面狀況。通過頂部的排障桿使高于機器頂部的灌木倒向預(yù)定方向，達到排障目的。該自走式除草機結(jié)構(gòu)簡單，容易維修，操作簡單。 在文章中，對該自走式除草機的主要部件進行了設(shè)計計算（例如：皮帶輪，軸，軸承，鍵，四連桿等 ），并對主要部件進行了系統(tǒng)的介紹和說明，對使用中涉及到的潤滑，保養(yǎng)及注意事項也作了說明。 關(guān)鍵詞：自走式；除草機；除草部分；行走部分；駕駛臺；排障桿  Abstract A self preceded trash breaker, a new forestry machine has been presented in this paper. According to forest road surface conditions, and working situations of clearing fostering trees, the self-propelled brush breaker was designed to adapt to any atrocious environment, such as rugged road surface, narrowness of road and so on. It was highly practicability and generalizing value. This self-propelled brush breaker is consist of walking port, cutting port，bridge and breaching of obstacles part and can saw brush in diameter range from 10mm to 80mm.The power of whole machine is supplied by two petrol motors, one is for running power，the other is for breaking brush power. Saw blade was under the machine，the control stick on driving stand control its height away from ground to adapt to the forest road surface condition. The bushes that are higher than the machine can be controlled by a pilot bar, which can make bushes fall along the pre-designed direction and get rid of obstacles. This structure of self-propelled brush breaker is simple, is easy to maintain, and is operated easily as well. The main parts of the self-propelled brush breaker have been compeered and tested in this paper, such as pulley, axes, bearing, bond，four link rods and so on, and the main parts have been introduced and explained systemically, and have lubrication ,maintenance and other matters n related in using. Key words：Self-propelled； brush breaker； the cutting port；the walking port；bridge,；pilot bar Ⅱ 目 錄 摘要……………………………………………………………………………………………Ⅰ Abstract……………………………………………………………………………………Ⅱ 第1章緒論……………………………………………………………………………………1 1.1引言……………………………………………………………………………………1 1.2除草機的應(yīng)用范圍……………………………………………………………………1 1.3除草機的發(fā)展現(xiàn)狀……………………………………………………………………2 1.4我國除草機的市場及前景……………………………………………………………6 1.5除草機的發(fā)展方向……………………………………………………………………7 1.6自走式除草機設(shè)計的意義……………………………………………………………8 第2章 結(jié)構(gòu)概述 ………………………………………………………………………… 9 2.1工作原理……………………………………………………………………………… 9 2.2結(jié)構(gòu)分析……………………………………………………………………………… 9 2.3本章小結(jié)…………………………………………………………………………… 10 第3章 行走部分設(shè)計…………………………………………………………………… 11 3.1 方案的確定…………………………………………………………………………11 3.2 機構(gòu)選擇……………………………………………………………………………12 3.3 動力選擇……………………………………………………………………………13 3.4 主要設(shè)計參數(shù)………………………………………………………………………13 3.5本章小結(jié)……………………………………………………………………………14 第4章除草機部分設(shè)計…………………………………………………………………… 15 4.1 方案的確定…………………………………………………………………………15 4.2 汽油機輸出帶輪設(shè)計 ……………………………………………………………15 4.3 中間傳動軸的計算…………………………………………………………………20 4.4 中間傳動軸的校核 …………………………………………………………………20 4.5中間傳動軸軸承的校核 ……………… ……………………………………………24 4.6 中間軸的鍵的選擇和校核 …………………………………………………………27 4.7本章小結(jié)……………………………………………………………………………28 第5章 駕駛臺設(shè)計………………………………………………………………………29 5.1方案確定……………………………………………………………………………29 5.2本章小結(jié)……………………………………………………………………………30 第6章 排障部分設(shè)計 …………………………………………………………………31 6.1方案確定……………………………………………………………………………31 6.2本章小結(jié)……………………………………………………………………………32 結(jié)論……………………………………………………………………………………………33 參考文獻……………………………………………………………………………………34 致謝……………………………………………………………………………………………35 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 第1章 緒 論 1.1 引言 隨著國家對環(huán)保意識的進一步加強，特別是1998 年長江等流域的特大洪水, 給世人敲響了警鐘, 我國政府出臺了一系列保護生態(tài)環(huán)境的政策,禁伐天然林,嚴(yán)格控制砍伐人工林。林業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化,伐木工人變成了營林工人,使得林業(yè)部門對林業(yè)機械的需求也發(fā)生了重大變化; 伐木機械需求量急劇減少,以油鋸為例, 2007 年全國油鋸銷量在4.5萬臺左右, 2008 年下降至3.5萬臺,2009 年則降2.5萬臺, 因而營林機械必將有很大的增加。 由于營林作業(yè)的種類繁多, 因而營林機械的種類也很多, 本文介紹一種用途廣泛、操作簡便、使用靈活的營林機械——除草機。 除草機，又稱打草機、割草機、機動鐮，它是靠高速旋轉(zhuǎn)的鋒利刀片切割樹木枝椏、藤蔓或半木質(zhì)化草株，因此，其主要用于林地的雜草清除、低矮灌木割除和樹木邊緣的修剪，以及中幼林撫育、人工林間伐等。 在林業(yè)方面，撫育間伐是我國林業(yè)發(fā)展的一項重要工作。據(jù)統(tǒng)計，我國全國林區(qū)總面積的70%(約80萬公頃)是中幼林，其中約80%的中幼林未及時進行撫育，即急待撫育的約53萬公頃。目前我國中幼林撫育間伐作業(yè)只有少量機械，而大部分靠手工勞動，大斧子、油鋸、彎把鋸伐木，其勞動強度大、生產(chǎn)效率低已不能適應(yīng)撫育生產(chǎn)的要求。為了提高工作效率，保證幼林撫育管理任務(wù)的完成，必須使割灌機配合工作。 隨著植樹造林的深入，墾區(qū)林業(yè)已有長足發(fā)展，越來越多的人出現(xiàn)在墾區(qū)大地上，單靠人工用鐮刀撫育管理越來越不適應(yīng)大面積造林的需要。實踐證明，割灌機應(yīng)用于林業(yè)生產(chǎn)，既能減輕工人的勞動強度，又能按季節(jié)連續(xù)完成各種林業(yè)生產(chǎn)任務(wù)，節(jié)能低耗，是林業(yè)生產(chǎn)上一種省工高效的工具。 1.2 除草機的應(yīng)用范圍 1.2.1在園林業(yè)的應(yīng)用 除草機在林業(yè)上用于林地清理、幼林和成林撫育、次生林撫育改造等多種作業(yè)。要以切割直徑18cm以內(nèi)的多種林木和雜草。其結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈便,是一種比較理想的撫育機械。使用除草機可減輕勞動強度,提高工效、保證作業(yè)質(zhì)量;可加快中幼林的撫育間伐速度,提高森林經(jīng)營水平,加快林木生長。 在園藝方面,可用于綠化草坪的修剪,特別是小面積草坪如公園、城市、公路、學(xué)校等,更顯其操作的靈活性。 1.2.2 在農(nóng)、牧業(yè)的應(yīng)用 在農(nóng)、牧業(yè)上除可用于割草外,更主要的功能是用于收割,裝上被割物倒向控制裝置,便成為一臺小型收割機,可割水稻、小麥、黃豆等農(nóng)作物,裝上皮帶輪與脫粒機相配,可用于作物脫粒,還可與水泵相配,作排灌用。因其具有一機多用、重量輕轉(zhuǎn)移方便、利用率高、安裝簡單特點,故更適用于山地、丘陵地區(qū)。 1.3除草機的發(fā)展現(xiàn)狀 1.3.1 國外除草機械發(fā)展現(xiàn)狀 國外對除草機的開發(fā)研究較早，起點高，水平亦較高，廣泛采用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，如工程塑料、CDI無觸點電子點火等，整機質(zhì)量輕，功率大，使用操作靈巧，并形成了系列產(chǎn)品。以德國STIHL公司、SOLO公司為代表的廠家，其產(chǎn)品動力排量從22cc到56.5cc，功率從0.6KW到2.8KW。 日本生產(chǎn)的除草機機型號很多,其中Xenoah杰納亞割灌機有輕、中和重型三種。輕型有QT20和BCF01,中型的有BCD20、BCD29、FBC12、FBC22、FBC24、FBC26、FBC26和FBC28,重型的只有FBC33。其中,工作部分使用尼龍除草絲、圓鋸片和除草刀盤,可用于不同高度枝條的收割。1993年日本研制成功了割灌帶寬90cm、且能自動調(diào)平駕駛座椅的坡地用自行式割灌機。 前蘇聯(lián)生產(chǎn)的Cekop-3型除草機可用于幼林的撫育、灌木的采伐和割草等。除草機主要由發(fā)動機、傳動部分和鋸木圓鋸片組成。工作時操作人員可將除草機背在肩上,用右手操作機器,左手扶著鋸切的樹木。前蘇聯(lián)制造的MNC大型除草機裝在白俄羅斯型拖拉機上,前部為壓灌部分,后部為割灌切碎部分。機器前進時,壓灌部分先將灌木壓彎壓擠在一起,再由割灌裝置自根莖處切斷,最后由切碎裝置將割下的灌木切碎并撒拋在地上,該機可用于大面積的除灌作業(yè)。 加拿大Windsor公司最近也生產(chǎn)了一種Enso除灌機,它在割灌裝置后面加裝了除草劑噴灑裝置,能同時進行機械和化學(xué)撫育,可大大節(jié)省化學(xué)藥劑的噴灑量。 此外,中小型的灌木收割機還有瑞典制造的帕爾.特內(nèi)爾B173和胡斯克法爾165R除草機,后者還帶有可以更換的尼龍除草絲轉(zhuǎn)盤。德國制造的FS200AV割灌機上還配有減振裝置。拉馬爾除灌機懸掛在四輪驅(qū)動拖拉機的前方。機器前進時,旋切刀便將前面的灌木切成碎塊。 英國制造的大型除草機有薩布列除灌機、12型灌木切碎機、橫軸甩錘式除灌機和水平甩錘式除灌機。薩布列除灌機的除灌鋸片裝在向前伸出的懸臂上,為了保持機器的平衡后部裝有配重;鋸切部分可以根據(jù)需要更換,這種除灌機可鋸斷直徑4～20英寸的樹木。20世紀(jì)90年代,這些先進國家的灌木收割機械陸續(xù)進入我國種植基地。國外先進的灌木收割機械技術(shù)比較完善,機具品種齊全,性能可靠,但價格昂貴。目前,歐美各國幾乎所有的農(nóng)機公司都生產(chǎn)灌木收割機械且已形成系列化,能滿足各種收割作業(yè)的需要。其主要結(jié)構(gòu)、技術(shù)性能指標(biāo)至今沒有大的變化,只是在操作舒適性和電子計算機應(yīng)用方面有所改進。 20世紀(jì)90年代，這些先進國家的灌木收割機械陸續(xù)進入我國種植基地。國外先進的灌木收割機械技術(shù)比較完善，機具品種齊全，性能可靠，但價格昂貴。目前，歐美各國幾乎所有的農(nóng)機公司都生產(chǎn)灌木收割機械且已形成系列化，能滿足各種收割作業(yè)的需要。其主要結(jié)構(gòu)、技術(shù)性能指標(biāo)至今沒有大的變化，只是在操作舒適性和電子計算機應(yīng)用方面有所改進。下圖1-1為國外生產(chǎn)的除草機。 圖 1-1 1.3.2國內(nèi)割灌機械發(fā)展現(xiàn)狀 我國林木收獲機械產(chǎn)業(yè)化起步晚,與歐美等發(fā)達國家相比在技術(shù)、制造手段和工藝等方面都還有一定的差距,主要是產(chǎn)品的品種不全,適應(yīng)性和配套性差,產(chǎn)品的技術(shù)水平比較低。 我國除草機的開發(fā)、研究起步于20世紀(jì)60年代,目前國內(nèi)生產(chǎn)廠家仍較少,而且產(chǎn)品質(zhì)量大,性能落后,品種單一,規(guī)格少,不能形成系列產(chǎn)品,無法滿足各種用戶需求。 1992年原國家林業(yè)部下達給黑龍江省木材采運研究所“山地清林機的研制”項目,目的在于研制一種重、中型可提高割灌效率與質(zhì)量的割灌木設(shè)備。2G-200型懸掛式割灌機是“山地清林機的研制”項目的階段性成果,該機主要是為適應(yīng)營造短周期工業(yè)用材林以及人工速生豐產(chǎn)林發(fā)展的需要,它是以J-50履帶拖拉機為動力,在拖拉機前懸掛具有仿行特點的多圓鋸片的中型割灌木設(shè)備。 遼寧省法庫縣農(nóng)機推廣站對東風(fēng)-2型小麥?zhǔn)崭顧C進行了設(shè)計改造。由于小麥種植量少,設(shè)備使用時間短,該機每年絕大部分時間處于閑置狀態(tài),對其設(shè)計改造后可收獲苜蓿。其主要以東風(fēng)-2型收割機的主機為動力和行走平臺,通過重新設(shè)計割臺、鋪放裝置和傳動連接裝置,改造成9GY-2.3型牧草收割機,達到了收割苜蓿的要求。只要更換割臺就可以進行小麥的收割作業(yè)。此項研發(fā)縮短了苜蓿收割機的研制周期,降低了設(shè)計和制造成本,實現(xiàn)了一機多用。 山西省廣靈縣新特服務(wù)部研制成功了檸條收割機和麻黃收割機。其主要用途有檸條類叢林灌木的平茬、收割;桑樹、茶樹更新?lián)Q代的平茬;冬青、草坪等園林綠化的草和灌木植物的修整;草原牧草(如紅柳、沙柳、花棒、踏郎、紫花苜蓿、沙打旺、草木棲、檸條和篙籽等)的收割。 福建省林科所研制成功的2GB-081型背負式割灌機具有質(zhì)量輕、振動小、適應(yīng)性強、用途廣、易于綜合配套等特點,非常適合廣大農(nóng)村多種經(jīng)營使用。廣西柳州索羅小型動力機廠1999年研發(fā)的3GC-1.5割灌機,主要性能指標(biāo)具有國內(nèi)先進水平。該割灌機已 在東北林區(qū)、各地公園、機關(guān)和廠礦等廣泛應(yīng)用。此外,該機還可用于收割南方水稻,深受農(nóng)民的歡迎。下圖1-2，1-3，1-4分別為國內(nèi)生產(chǎn)的大型割灌機、便攜式割灌機和國內(nèi)外一些割灌機參數(shù)及特點的對比。 圖 1-2 圖 1-3 圖 1-4 1.4 我國除草機的市場及前景 1.4.1 在林業(yè)方面 撫育間伐是我國林業(yè)發(fā)展的一項重要工作,所謂撫育間伐,即是在未成熟的林分中定期而重復(fù)地砍伐部分林木,為保留的林木創(chuàng)造良好的環(huán)境條件促使其生長發(fā)育,一般自幼林郁閉開始到成熟林主伐前的用材要進行3~4次撫育間伐。 據(jù)統(tǒng)計,我國全國林分總面積的70%(約80萬公頃)是中幼林,其中約80%的中幼林未及時進行撫育,即急待撫育的約53萬公頃。目前我國中幼林撫育間伐作業(yè)只有少量機械,而大部分靠手工勞動大斧子、彎把鋸伐木,其勞動強度大、生產(chǎn)效率低已不能適應(yīng)撫育生產(chǎn)的要求。 除草機可以切割直徑18cm以內(nèi)的各種林木和雜草,其結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、操作靈活,是一種理想的撫育機械。國家對林業(yè)政策的合理調(diào)整,林業(yè)系統(tǒng)有一大批產(chǎn)業(yè)工人從采伐業(yè)轉(zhuǎn)向種植業(yè)。國家還將投入資金營造生態(tài)環(huán)保林,特別是中幼林的改造。按1臺1公頃,林業(yè)系統(tǒng)對割灌機的總需求量在50萬臺左右,每年需求量在5萬臺以上。 1.4.2 在園藝方面 從昆明世博會花卉研討會上了解到，90年代以來，我國草坪業(yè)增長率高達30%至40%，至2005年已成為新興的大產(chǎn)業(yè)。按國家建設(shè)部規(guī)定,2000年城市綠化率要達到30%,城市人均綠地面積要達7平方米,專家按此標(biāo)準(zhǔn)測算,2000年至2005年重點綠化目標(biāo)有各種堤壩、飛機場、公園、城市居民公共綠地、足球場、高爾夫球場、高速公路邊坡等,至少需要植草坪28.25萬公頃。在如此大規(guī)模的草坪管理、養(yǎng)護,除了需要大量大型剪草車小型草坪剪草機外,割灌機因其操作的靈活性,可以修剪小面積草坪,雜草及陡坡的優(yōu)點,仍可在草坪養(yǎng)護機械中占有一定的比例,每年需求量在3萬臺左右。 1.4.3 在農(nóng)業(yè)方面 實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械化是我國在八十年代提出的奮斗目標(biāo),目前廣泛使用的是大型的聯(lián)合收割機,主要適用于平原地區(qū)大面積農(nóng)作物收割。由于我國地域遼闊,地理、氣候環(huán)境復(fù)雜多變,農(nóng)作物的品種繁多,主要有小麥、水稻、高粱、玉米、黃豆等。同時我國有三分之一的山區(qū)丘陵,地形復(fù)雜,特別是現(xiàn)在實行了分田到戶的生產(chǎn)責(zé)任制,丘陵地區(qū)的農(nóng)民田地分散、小塊、交通不便,無法使用大型的聯(lián)合收割機。為了讓廣大農(nóng)民從繁重的勞動中解脫出來,發(fā)展其它農(nóng)業(yè)經(jīng)濟,特別是南方的“雙搶”季節(jié),迫切需要一種小型的、操作簡單、價格低,既能收割,又可脫粒的收割機器,而割灌機就滿足了這種要求。通過對農(nóng)村市場的促俏,很受農(nóng)民歡迎預(yù)計每年需求量在10萬臺左右,關(guān)鍵是做好產(chǎn)品的示范宣傳,讓農(nóng)民了解這種既實用,又能買得起的產(chǎn)品。 綜上所述, 除草機在我國具有廣泛的市場,加上草原牧場的需求,每年除草機的需求量可達20萬臺。 1.5 除草機的發(fā)展方向 除草機發(fā)展到今天,技術(shù)水平日益完善,我們只有充分利用現(xiàn)代科技成果才能使國產(chǎn)除草機達到國際先進水平,以便能在加入世貿(mào)組織之后,減免進口除草機對我國市場的沖擊。根據(jù)我國除草機現(xiàn)狀,應(yīng)朝以下兩個方面發(fā)展:①提高發(fā)動機制造水平,目前我國小型汽油機工藝水平落后,致使發(fā)動機在性能方面受到了限制,重量大、功率小。為此應(yīng)改進、更換現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備,包括模具設(shè)計、制造加工工藝,以達到減輕重量的目的。②發(fā)展多品種的系列產(chǎn)品,根據(jù)用戶的不同,對除草機的功率的要求也不同,林區(qū)作業(yè)要求的功率較大,要達到2kW以上;而園藝割草相對要求低些,有1kW已能滿足使用要求,甚至還可低些;而作為收割、脫粒之用,則要求功率在1.5kW左右。 1.6 自走式林區(qū)除草機設(shè)計的意義 由于目前國內(nèi)除草機大多是背負式輕型割灌機，主要用于園林、綠化等地方，功率小，不能用與林區(qū)割灌。而大功率除草機都是懸掛在履帶式拖拉機上的重型設(shè)備，體積龐大，耗油量大，不適合在次生林內(nèi)清林割灌，也不適合我國國情。因此設(shè)計能自走的大功率割灌機勢在必行，它能解決背負式割灌機功率小的問題，也能解決機器體積龐大、耗油量大的問題，填補國內(nèi)此領(lǐng)域的空白。 37 第2章 工作原理和結(jié)構(gòu) 針對所存在的問題，新型自走式除草機的設(shè)計目標(biāo)首先影視其工作原理及其結(jié)構(gòu)能夠在農(nóng)林等苛刻的作業(yè)環(huán)境下穩(wěn)步行走，其次才是通過鋸片的工作來完成林區(qū)除草及農(nóng)作物收割等作業(yè)。 2.1 工作原理 該新型自走式除草機借鑒仿生學(xué)原理，采用平行四邊形機構(gòu)和凸輪機構(gòu)，由汽油機驅(qū)動，既保證整機穩(wěn)步行走，又能使操作人員和各管機構(gòu)不受到顛簸。在保證穩(wěn)步行走的前提下，在整機的前下端安裝四個不同平面的鋸片，由駕駛臺控制桿控制其離地高度，以適應(yīng)不同路況，它們由垂直軸式汽油機提供動力，從而完成割灌和作物收割等作業(yè)。該機的排障功能通過頂部的排障桿使高于機器頂部的灌木倒向機器的右側(cè)來實現(xiàn)。 2.2 結(jié)構(gòu)分析 整個機器分為四個部分：行走部分、割灌部分、駕駛臺以及排障部分。 行走部分由汽油機、張緊輪、減數(shù)器、機架以及四組八個軸向間隔90度的平行四邊形機構(gòu)組成（由于其工作起來類似于動物的“腳”，在以后的敘述中統(tǒng)一為“腳”）。八只腳分別位于行走部分動力的兩側(cè)，每側(cè)四個，軸向間隔90度，通過爪牙式離合器與行走部分動力輸出軸相連。每側(cè)四只腳交替著地，保證了任何時刻內(nèi)，兩側(cè)各有至少一只腳著地，確保機器平衡。行走部分動力由一個4.8KW的宗申ZS168FB型汽油機提供動力，經(jīng)過張緊輪離合器，傳到齒輪減數(shù)箱，最后通過軸向減數(shù)器兩面輸出。 割灌部分由汽油機、皮帶輪、中間傳動軸、機架、控制機構(gòu)以及四個不同平面的鋸片疊加而成。動力由一個2.9KW的ZS1P60FA型垂直軸式汽油機提供。經(jīng)過兩條三角帶傳到中間傳動軸上并將速度降低一半，再分別傳到鋸片上，達到了在狹小的空間里變速并傳遞動力的設(shè)計初衷。鋸片離地面的高低由位于割灌部分機架兩側(cè)的兩套平行四邊形機構(gòu)，通過手閘鋼絲的牽引實現(xiàn)平行向上運動，并通過棘輪有級提升。松開手閘，在自重作用下實現(xiàn)向下運動。 駕駛臺位于行走部分正上方，通過四組套筒機構(gòu)與行走部分連接，并且由四個凸輪補償由行走機構(gòu)帶來的上下震動，通過鋼管架和鋼絲防護網(wǎng)對操作人員進行保護。駕駛臺內(nèi)設(shè)有汽車駕駛座椅，可根據(jù)操作人員的身高進行調(diào)節(jié)。在座椅兩邊放置了換向操作桿和割灌部分升降控制機構(gòu)，便于操作。 排障部分位駕駛臺頂部，由人手動提供動力。排障桿與位與駕駛臺后部的鉸鏈連接，以鉸鏈為中心，在限定的區(qū)域內(nèi)旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)將前方高灌木撥到割灌機右側(cè)實現(xiàn)其排障的功能，其動力由人通過拉環(huán)和鋼絲提供，然后回程動力由一跟拉簧提供，如圖2-1所示。 圖2-1 自走式除草機 2.3 本章小結(jié) 本章介紹了該除草機的工作原理，并對其結(jié)構(gòu)進行了概述，對整個機器的四個部分的結(jié)構(gòu)組成和工作原理進行了介紹，讓大家對該設(shè)計有一個初步的了解和熟悉。 第3章 行走部分設(shè)計 3.1 方案的確定 由于目前國內(nèi)外林業(yè)機械沒有任何能爬上山的小型機械設(shè)備，傳統(tǒng)的輪結(jié)構(gòu)跟履帶結(jié)構(gòu)在爬山時都有很大一部分分力白白浪費掉了，所以在方案選擇時必須另辟蹊徑，尋找一套更適合爬山的機構(gòu)。將傳統(tǒng)機械行走設(shè)備和人對比不難發(fā)現(xiàn)，在平地上行走，傳統(tǒng)行走設(shè)備比人有優(yōu)勢，而在山地上行走時情況截然相反了。在山地上，傳統(tǒng)行走設(shè)備自身平衡能力差，越障能力差，爬坡能力更差了，而人就跟它完全相反。是什么原因?qū)е逻@樣的結(jié)果呢？研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)行走設(shè)備將“腳”緊貼地面，并平行地面向后施加使自身前進的動力，如下圖3-1所示。 圖3-1 傳統(tǒng)行走設(shè)備受力分析圖 而人行走時是先將一只腳抬起，然后向前方邁出，最后落地支撐，這樣絕大多數(shù)分力用來抬升人體重心，完成爬山動作，如下圖3-2所示。 圖3-2人的行走方式圖 對比二者，發(fā)現(xiàn)人的行走方式更適合爬山，所以確定方案為模仿人的行走方式爬山。 3.2機構(gòu)選擇 確定采用模仿人的行走方式爬山后，在機械原理中尋找能實現(xiàn)這一目的的機構(gòu)，通過分析，我們認(rèn)為，平行四邊形機構(gòu)的相對桿始終保持平行﹐且兩連桿的角位移﹑角速度和角加速度也始終相等，能夠滿足我們的設(shè)計要求，最后決定選擇平行四邊形機構(gòu)，如圖3-3所示。 圖3-3平行四邊形機構(gòu)原理簡圖 平行四邊形機構(gòu)能完全模擬人腳的行走動作，抬起→邁步→落地→支撐→再抬起?？紤]平衡問題，必須選擇多組平行四邊形配合動作才能實現(xiàn)，而且相互之間不能干涉，所以又引入了曲軸，曲軸各曲柄之間在軸向方向上有固定的角度，這就保證了相互之間不干涉。我們模仿發(fā)動機中的曲軸機構(gòu)，采用了曲柄組合成組合式曲軸平行四邊形機構(gòu)。 由于平行形變形機構(gòu)行走時會產(chǎn)生垂直方向的震動，因此設(shè)計了凸輪補償機構(gòu)。凸輪補償機構(gòu)由四副相同的凸輪機構(gòu)組成，他們分布在駕駛臺的四個支點上。凸輪每旋轉(zhuǎn)一角度都會在豎直方向?qū)︸{駛臺作位移補償，該位移補償量決定于底部行走機構(gòu)在行進使所產(chǎn)生的豎直方向的位移，即底部機架向上產(chǎn)生位移時，凸輪補償機構(gòu)必需使駕駛臺在相反的方向上相對于底部機架產(chǎn)生同樣大小的位移。通俗地講就是底部機架往上移多少，駕駛臺就相反地往下移多少，這樣就使得駕駛臺相對地面位移為零，從而達到減少浮動臺振動的目的，使得操作人員和割灌部分不會受到顛簸。 3.3動力選擇 在市場中調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，可以買到帶離合器和帶3個檔位減數(shù)箱的耕田機，考慮到制造成本，因此購買其動力系統(tǒng)進行改裝。其參數(shù)如表3-1所示： 表3-1 耕田機工作參數(shù)表 發(fā) 動 機 發(fā)動機型號 宗申ZS168FB 缸徑×行程（mm×mm） 68×54 排量（ml） 194 壓縮比 8.5：1 最大輸出功率HP(kw)/rmp 6.5(4.8)/3600 額定功率HP(kw)/rmp 5.7(4.2)/3600 最大扭矩M.m/rmp 13.2/2500 燃油容積(L) 3.6 機油容積(L) 0.6 最底油耗g/kw.h 313 空濾器型號 半干、油浴、泡沫濾芯 點火方式 晶體管點火 發(fā)動機形式 OHV25°傾斜、單缸、四沖程 減 速 器 傳動方式 皮帶傳動 離合方式 張緊輪 減速比 7 變速檔數(shù) 0，1，-1檔 變速箱機油容量(L) 0.95 3.4 主要設(shè)計參數(shù) 設(shè)計行走速度V=12km/h，初步確定曲柄兩孔中心距為A=80mm,共四組腳, 每組腳間軸向夾角 α=360°/4=90° 步長 L= mm （3-1） 角速度 （3-2） 主軸轉(zhuǎn)速 （3-3） 減數(shù)比 i=n/N=3600/564=6.4 取i=7 （3-4） 主軸徑 ,取22mm （3-5） 行走部分具體結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。 圖3-4行走部分結(jié)構(gòu)圖 3.5 本章小結(jié) 本章是對除草機行走部分的設(shè)計，除草機能否在農(nóng)林等苛刻的作業(yè)環(huán)境下穩(wěn)步行走，是其能否順利工作的前提條件，也是本設(shè)計比較重要的部分；首先通過以往爬上機械和人爬山的原理的比較，選取較為合適的方案；在方案確定之后，從之前學(xué)的知識里尋找能實現(xiàn)其功能的機構(gòu)；前期的準(zhǔn)備工作完成后就，就是對行走部分的設(shè)計，包括動力的選擇，主要設(shè)計參數(shù)的確定。 第4章除草部分設(shè)計 4.1 方案的確定 由于林區(qū)作業(yè)情況比較惡劣，所以要求割灌部分機構(gòu)簡單、可靠、易于維護。因此確定如下方案。動力由一個2.9KW的ZS1P60FA型垂直軸式汽油機提供。經(jīng)過兩條三角帶傳到中間傳動軸上并將速度降低一半，再分別傳到鋸片上，達到了在狹小的空間里變速并傳遞動力的設(shè)計初衷。鋸片離地面的高低由位于割灌部分機架兩側(cè)的兩套平行四邊形機構(gòu)，通過手閘鋼絲的牽引實現(xiàn)平行向上運動，并通過棘輪有級提升。松開手閘，在自重作用下實現(xiàn)向下運動。結(jié)構(gòu)如圖4-1所示： 圖4-1 除草部分結(jié)構(gòu)圖 4.2 汽油機輸出帶輪設(shè)計 （1）計算設(shè)計功率 由機械設(shè)計手冊表8-7查的工作情況系數(shù)=1.2 (4-1） （2）選擇V帶的類型 根據(jù)設(shè)計功率=3.48kw和帶輪轉(zhuǎn)速=3600r/min,由機械設(shè)計手冊圖8-11，初選膠帶類型為A型普通V帶。 （3）確定帶輪的基準(zhǔn)直徑， 根據(jù)機械設(shè)計手冊，初選帶輪基準(zhǔn)直徑 由表8-6和表8-8，選=100mm 計算大帶輪的基準(zhǔn)直徑： ==（1-0.02）100=196mm （4-2） 由機械設(shè)計手冊表8-8，取直徑系列值=200mm （4）驗證帶速V V===18.84m/s （4-3） 在5～25m/s的范圍內(nèi),故帶速合適。 （5）確定V帶的中心距 根據(jù)結(jié)構(gòu)需要,取=380mm，因為 =2(100+200)=600mm （4-4） =0.7（100+200）=210mm 因為 210<380<600，故選取合適。 （6）計算帶的基準(zhǔn)長度 = （4-5） =2380++≈1237.6mm 查機械設(shè)計手冊表8-2，選基準(zhǔn)帶長=1250mm （7）計算實際中心距 =380+=386mm （4-6） 安裝時所需的最小中心距為 （4-7） =386-（0.0151250） =367.25mm 張緊或補償伸長所需的最大中心距為 （4-8） =386+0.031250 =423.5mm （8）驗算小帶輪上的包角 （4-9） = = （9）計算V帶的根數(shù)Z （4-10） 因為=100mm和=3600r/min, 由機械設(shè)計手冊表8-4a，查得單根V帶基本額定功率 =2.28kw 額定功率增量 （4-11） 由機械設(shè)計手冊查得彎曲影響系數(shù)=0.773 由機械設(shè)計手冊查得傳動比系數(shù)=1.12 得 △ =0.7733600（） =0.3kw 由機械設(shè)計手冊表8-2，查得帶長系數(shù)=0.93 由機械設(shè)計手冊表8-5，查得包角系數(shù)=0.96 得窄V帶根數(shù) （4-12） =1.51根 取Z=2根 （10）計算單根V帶的初拉力的最小值 （4-13） 查機械設(shè)計手冊表8-3，得每米V帶的質(zhì)量,q=0.10kg/m 得 ≈109.6N 應(yīng)使帶的實際初拉力 壓軸力： 壓軸力的最小值為 （4-14） = =435N （11）小帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)如圖4-2所示： 圖4-2小帶輪 計算結(jié)果總結(jié)： 膠帶規(guī)格：A型，基準(zhǔn)帶長1250mm 膠帶根數(shù)：2根 帶輪直徑：100mm,200mm 中 心 距：380mm 壓 軸 力：435N （12）帶輪輪緣尺寸的確定： 基 準(zhǔn) 寬 度 =11.0mm 基準(zhǔn)線上槽深 =2.75mm 基準(zhǔn)線下槽深 =11.0mm 槽 間 距 e=150.3mm 第一槽對稱面至端面的距離 f=10 最小輪緣厚 =6mm 帶 輪 寬 b =(z-1)e+2f=35mm （4-15） 外 徑 =105.5mm （4-16） 輪 槽 角 = 4.3 中間傳動軸的計算 確定輸入功率P，轉(zhuǎn)速n 先初步計算軸的最小直徑。先選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。 根據(jù)表15-3，取=125，于是得 （4-17） 所以取=28mm； 因為段的軸肩為非定位軸肩，所以=28+1+1=30mm； 因為段的軸肩為定位軸肩，所以=+2h=+2（0.07～0.1）d=35mm；（4-18） =30mm； =28mm； ==34mm； ==32mm； =26mm； 4.4 中間傳動軸的校核 由于此軸軸向力為自重，故忽略不計，將其視為只受轉(zhuǎn)矩和彎矩的傳動軸。 中間傳動軸零件如圖4-3所示： 圖4-3 軸結(jié)構(gòu)圖 （1）計算支承反力，軸的受力如圖4-4所示： 圖4-4軸受力圖 （4-19） （4-20） 因為a=42mm; b=40mm; c=42mm; ∴由式（4-19）和（4-20）得:； =1348.5(N) =1348.5(N) （2）畫軸的彎矩圖4-5 圖4-5軸彎矩圖 （3）畫軸的轉(zhuǎn)矩圖4-6 軸受轉(zhuǎn)矩 （4-21） 圖4-6軸的轉(zhuǎn)矩圖 （4）校核軸徑 許用應(yīng)力 用插入法查得： 許用應(yīng)力值 應(yīng)力校正系數(shù) （4-22） 當(dāng)量彎矩 （4-23） （4-24） 設(shè)計的最小直徑 軸徑 （4-25） ； （5）疲勞強度校核 初步分析、兩個截面有較大的應(yīng)力和應(yīng)力集中，下面以截面為例進行安全系數(shù)校核。 軸材料選用45鋼調(diào)質(zhì)，， 對稱循環(huán)疲勞極限 （4-26） （4-27） 脈動循環(huán)疲勞極限 （4-28） （4-29） 等效系數(shù) （4-30） （4-31） 截面上的應(yīng)力彎矩 彎曲應(yīng)力幅 （4-32） 彎曲平均應(yīng)力 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 （4-33） 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力幅和平均切應(yīng)力 （4-34） 因在此截面處，有軸直徑變化，過度圓角半徑 ，由，和，經(jīng)查（查值法）， 如果一個截面上有多種產(chǎn)生應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)，則分別求出其有效應(yīng)力集中系數(shù)，從而取最大值。 表面狀態(tài)系數(shù)查得 由附錄表6查得 彎曲安全系數(shù)設(shè)為無限壽命， （4-35） =6.85 扭轉(zhuǎn)安全系數(shù) （4-36） =55.6 復(fù)合安全系數(shù) （4-37） 由以上計算說明，軸是完全符合要求的。 4.5 中間傳動軸軸承的校核 軸承選取為30206型圓錐滾子軸承，經(jīng)查手冊，軸承主要性能參數(shù)如下：，，（脂潤滑），e=0.37，Y=1.45，=0.9，計算步驟及結(jié)果如下： （1）確定軸向力：由于中間傳動軸是豎直工作，而且軸上只有兩個皮帶輪，而且 （方向與相反） 所以確定軸承2被壓緊，故 （4-38） =421.4N （4-39） =471.4N （2）計算軸承1、2的當(dāng)量動載荷 （4-40） （4-41） 查機械手冊表13-5得 ， ， 沖擊載荷系數(shù)，考慮中等沖擊，經(jīng)查 當(dāng)量動載荷 （4-42） =1.5（11348.5+0421.4） =2022.75N （4-43） =1.5(11348.5+0471.4) =2022.75N （3）算軸承壽命驗算 因，只計算軸承壽命 （4-44） =15015251 （4）靜載荷驗算 ， 查機械設(shè)計手冊得 ， 當(dāng)量靜載荷 （4-45） =0.61348.5+0.5421.4 =1019.8N （4-46） =0.61348.5+0.5471.4 =1044.8N 取大者 ， 安全系數(shù) 正常使用滾子軸承。查得 計算額定靜載荷 （4-47） （5）許用轉(zhuǎn)速驗算 載荷系數(shù) （4-48） 經(jīng)查 ， 載荷分布系數(shù) （4-49） 經(jīng)查 ， 許用轉(zhuǎn)速 =0.850.86000 =4080r/min 均大于工作轉(zhuǎn)速，故軸承滿足要求。 4.6 中間軸的鍵的選擇和校核 根據(jù)軸的直徑d=28mm，所以查表6-1得，選取平鍵bh=87， 選取L=28mm（比輪轂寬度小些）； 鍵、軸、輪轂的材料都是鋼，由表6-2查得 許用擠壓應(yīng)力100～120MPa； 取其平均值110MPa； 鍵的工作長度l=L-b=28-8=20mm； （4-50） 鍵與輪轂鍵槽的接觸高度k=0.5h=0.57=3.5mm； （4-51） 由； （4-51） 所以鍵的選擇合適。 4.7 本章小結(jié) 本章主要對割灌機的割灌部分進行了設(shè)計，由于割灌機所處的工作環(huán)境惡劣，所以對割灌部分要求簡單、可靠且易于維護，應(yīng)該依據(jù)此來設(shè)計。對于割灌機的割灌部分，最重要的是中間傳動軸，其連接著動力輸出系統(tǒng)和切割鋸片，是割灌機能否正常工作的關(guān)鍵，本章對中間傳動軸及其相關(guān)的零件進行了計算和校核。 第5章 駕駛臺設(shè)計 5.1 方案確定 結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。 圖5-1 駕駛臺結(jié)構(gòu)圖 1套筒 2軋滾 3棘輪 4升降控制桿 5轉(zhuǎn)向控制桿 6座椅 7護罩 8鋼絲網(wǎng) 駕駛臺位于行走部分正上方，套筒1與行走部分的導(dǎo)桿相連接，軋滾2與行走部分的凸輪補償機構(gòu)連接，套筒1與軋滾2使駕駛臺與行走部分水平方向相對位置固定，并使其且具有垂直方向的自由度，便于行走時平穩(wěn)。 升降控制桿4的下端與割灌部分的四連桿相連接，利用杠桿原理，通過掰動控制桿4上端手柄，實現(xiàn)割灌部分的垂直方向的升降，并利用割灌部分自重和棘輪機構(gòu)3完成有級升降的固定。 轉(zhuǎn)向控制桿5也是利用杠桿原理，其下端通過鋼絲拉線與行走部分的爪牙式離合撥叉相連接，控制離合器的離與合，從而實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。 座椅6利用現(xiàn)有成熟技術(shù)，直接購買汽車駕駛員座椅，可根據(jù)駕駛員的身高進行調(diào)節(jié)，使其更方便、舒適的操作，同時減少了制造成本以及相關(guān)的設(shè)計計算。 護罩7位與行走部分腳的正上方，將行走過程中產(chǎn)生一切煙塵、雜物與駕駛臺隔離。鋼絲網(wǎng)8位與駕駛臺的前方，并與水平面成75度夾角，擴大了駕駛員的視野，并保障駕駛員在割灌作業(yè)過程中的安全。 設(shè)計中考慮到結(jié)構(gòu)林區(qū)實際狀況，以及人機工程學(xué)原理，將駕駛臺設(shè)計成結(jié)構(gòu)簡單、外觀尺寸較小、防護能力強、安全可靠的結(jié)構(gòu)。 5.2 本章小結(jié) 駕駛臺是機器操作人員工作的地方，所以應(yīng)該充分考慮其安全可靠性和舒適性;設(shè)計中的凸輪補償機構(gòu)是減少機構(gòu)行走時帶來的震動，鋼管架和鋼絲防護網(wǎng)對操作人員進行保護，座椅可根據(jù)操作人員升高進行調(diào)節(jié)，這些都是從安全、舒適的角度考慮設(shè)計的。 第6章 排障部分設(shè)計 6.1方案確定 結(jié)構(gòu)如圖6-1所示。 圖6-1 排障部分結(jié)構(gòu)圖 1排障桿 2拉環(huán) 3轉(zhuǎn)軸 4套筒 5拉簧 排障桿1位于駕駛臺頂部，一端與套筒4焊接，并套在轉(zhuǎn)軸3上，另一端懸空，伸出機器前方，工作時由繞轉(zhuǎn)軸逆時針轉(zhuǎn)35度，然后回到起始位置，完成一次排障過程。 拉環(huán)2通過鋼絲與排障桿1連接，連接點位于排障桿中間位置。排障作業(yè)時，駕駛員用右手向下拉動拉環(huán)2，即可帶動排長桿繞轉(zhuǎn)軸3轉(zhuǎn)動，完成排障作業(yè)。 轉(zhuǎn)軸3位與駕駛臺后方一跟立管上，一端與立管焊接，另一端與套筒4連接，提供排障桿作業(yè)時的支撐反力以及旋轉(zhuǎn)中心。 套筒4外部與排障桿焊接，內(nèi)部與轉(zhuǎn)軸連接，為排障桿提供鉸接約束，并防止排障桿自鎖。拉簧5一端連在駕駛臺上，另一端與排障桿連接，提供排障桿回程所需動力。 設(shè)計過程中參照了鏈?zhǔn)椒至蠙C構(gòu)、平帶式排障機構(gòu)（哈爾濱林業(yè)機械研究所），由于本機安裝位置及空間太狹小，無法安裝鏈?zhǔn)椒至蠙C構(gòu)。由于排障速度限制，無法使用平皮帶式排障機構(gòu)。故采用此排障機構(gòu)。 6.2 本章小結(jié) 排障裝置是一種更為人性化的設(shè)計，它為操作人員提供了良好的視野，讓其可以更順利的完成林區(qū)的割灌工作，保證了工作的效率。 結(jié) 論 本次設(shè)計完成了： （1）林區(qū)自走式除草機整體設(shè)計，考慮到方案的可行性、實用性體積、重量、制造工藝、制造成本、人性化以及可操作性。 （2）除草部分動力傳動設(shè)計計算，以及具體結(jié)構(gòu)設(shè)計。 （3）對彎曲強度主軸進行設(shè)計計算，對軸承進行了強度校核。 本次設(shè)計尚未很好解決的問題： （1）控制割灌部分升降的四連桿以及手閘工作的可靠性。 （2）排障部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 （3）各操作桿的人性化設(shè)計。 通過這次比較完整的割灌機的設(shè)計， 我認(rèn)識到了單純的理論知識學(xué)習(xí)和