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1、小型修剪機(jī)的設(shè)計(jì) 摘 要：針對(duì)綠籬修剪機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種小型手持式綠籬修剪機(jī)，包括動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和修剪裝置設(shè)計(jì)，在所查閱的文獻(xiàn)中尚未發(fā)現(xiàn)有相同機(jī)型的報(bào)道，屬原創(chuàng)型產(chǎn)品。相比當(dāng)前綠籬修剪的方式以綠籬剪為主的狀況，該綠籬修剪機(jī)能夠有效降低綠籬修剪時(shí)勞動(dòng)者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高修剪的質(zhì)量，有比較廣闊的市場(chǎng)前景。 關(guān)鍵詞：綠籬修剪機(jī)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；有限元分析 Abstract: For the current development of Hedge trimmers, we make one kind of small hand-held hedge trimmers, including

2、power system design and trimming device design, it is solely in the same type of coverage, belongs to original product. Compared to the way hedge trimmers to hedge shears mainly at present, the hedge trimmers can effectively reduce worker’s labor intensity, improve the quality of pruning, have a bro

3、ad market prospects. Keyword: hedge trimmer; System design; Finite element analysis 0 引言 綠籬多是由矮小叢生的灌木組成的綠色景觀植物，是裝飾景點(diǎn)、公園、居民小區(qū)、庭院以及城市綠化的主要植物。組成綠籬的樹種跟多，成長(zhǎng)特性也各不相同，長(zhǎng)勢(shì)各異，因此必須通過(guò)合理修剪才能成為理想景觀，一方面是控制其高度，另一方面是形成一定造型，比如整齊的冠部和側(cè)面形狀等，手工修剪是必不可少的，但國(guó)內(nèi)外有多種規(guī)格、型號(hào)的綠籬修剪機(jī)在生產(chǎn)中使用，成為主要的綠籬修剪工具[1]。 最近幾年中隨著空氣污染的不斷加重，因此在城市生活中

4、人們對(duì)環(huán)境的要求越來(lái)越高了，對(duì)城市綠化也越來(lái)越看重了，因此綠籬的修剪將會(huì)是園林工作者一項(xiàng)重要的任務(wù)。應(yīng)用綠籬修剪機(jī)械也會(huì)越來(lái)越多，綠籬修剪機(jī)不僅可以減輕城市園林工作者的工作量，還可以提高工作效率。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科技的不斷進(jìn)步，綠籬修剪機(jī)有也出現(xiàn)許多樣式， 功能也越來(lái)越多?，F(xiàn)在大多數(shù)的綠籬修剪還是采用比較原始剪刀修剪或者是大型車載式修剪機(jī)，對(duì)于前者工作的效率不高，勞動(dòng)量大；對(duì)于后者，使用的局限性也比較大，它主要應(yīng)用在道路兩側(cè)綠籬的修剪，無(wú)法剪出各種美觀的造型。因此在很多地方還是需要人工修剪，為了解決這一問(wèn)題，為了逐步改變這種現(xiàn)象，研究小型綠籬修剪機(jī)械是很有必要的[2]。 小型綠籬修剪機(jī)在國(guó)內(nèi)

5、外的研究主要集中以單缸汽油機(jī)為動(dòng)力的手持式油鋸和手動(dòng)修枝剪等園藝剪枝器具，主要研究的方面是刀具使用壽命的提高（如材料、刀刃的壽命等），而研究與開發(fā)電動(dòng)器具的則比較少，2002年有報(bào)道陜西省韓城市建設(shè)局園林綠化技術(shù)人員研制出電動(dòng)推走式綠籬修剪機(jī)，但不足之處是該機(jī)使用220V電源，需要外接交流電源[3]。因此，設(shè)計(jì)一種依靠蓄電池提供能源、由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的新型環(huán)保的綠籬修剪機(jī)，來(lái)代替由單缸汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)的綠籬修剪機(jī)，用以克服上述缺點(diǎn)，是很有必要的。 1 工作原理 本設(shè)計(jì)中的修剪機(jī)主要結(jié)構(gòu)類似于手提電鋸和手電鉆，主要部分有動(dòng)力部分、減速裝置、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置、剪切裝置。由于修剪機(jī)主要用于戶外工作，因此動(dòng)

6、力方面可供選擇的方案有兩種：第一種是直流電機(jī)+蓄電池；第二種是選用汽油機(jī)或柴油機(jī)。考慮到環(huán)保等因素，故選擇第一種方案比較適合。剪切裝置的設(shè)計(jì)思路來(lái)源于剪刀和中國(guó)古老的木匠工具——鋸。它由上刀片和下刀片組成，每塊刀片就像鋸一樣，兩邊都有鋸齒，在工作中，下刀片固定，上刀片在定位塊的限制下沿著下刀片做縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)在每個(gè)鋸齒之間便形成了像剪刀一樣的剪切刃。由于刀具需要做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此就需要將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成往 復(fù)運(yùn)動(dòng)，在此設(shè)計(jì)中采用的是通過(guò)曲軸連桿裝置將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成滑塊的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。整個(gè)動(dòng)力的傳遞路線：電機(jī)→二級(jí)齒輪減速器→曲軸→連桿→滑塊→上刀片。 圖1 運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1剪

7、切裝置的設(shè)計(jì) 2.1.1刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 剪切裝置的設(shè)計(jì)思路來(lái)源于剪刀和中國(guó)古老的木匠工具——鋸。它由上刀片和下刀片組成，每塊刀片就像鋸一樣，兩邊都有鋸齒，在工作中，下刀片固定，上刀片在定位塊的限制下沿著下刀片做縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)在每個(gè)鋸齒之間便形成了像剪刀一樣的剪切刃。如圖所示，每側(cè)有18個(gè)鋸齒，每?jī)蓚€(gè)鋸齒之間的距離為24mm，可剪切的最大直徑為8mm，完成一個(gè)剪切動(dòng)作的最大行程是16mm。 圖2 刀具 2.1.2刀具材料的選擇 在各種農(nóng)業(yè)機(jī)械中，刀具的主要磨損形式是磨粒磨損和研磨拋光，因此對(duì)刀具的耐磨性要求很高。普通刀具采用的是T8、T10以及鑄鐵等碳鋼材料，這種

8、刀具雖然具有一定的強(qiáng)度與硬度，但熱硬性低、淬透性差、易變性[4]。在本設(shè)計(jì)中下刀片（定刀片）采用鑄鐵，而上刀片（動(dòng)刀片）采用65Mn鍛造而成，65Mn不僅具有很高的強(qiáng)度和硬度，而且淬透性好，經(jīng)熱處理后其綜合性能優(yōu)于普通碳素鋼。 2.2、電機(jī)的選擇 根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)可知綠籬枝條的平均直徑為5mm，由吳良軍等人的《荔枝樹枝力學(xué)特性的試驗(yàn)研究》可知，荔枝樹枝剪切力與荔枝樹枝橫切面積有下列關(guān)系[5]： F=10x-230 ——其中x為樹枝的橫切面積，單位為mm2，F(xiàn)為剪切力，單位為N 本剪切機(jī)在實(shí)際使用中只有一側(cè)的刀刃處在工作狀態(tài)，因此在實(shí)際工作中受到的剪切力為： F=（1052-230）18

9、=360N 由于刀具完成一個(gè)剪切動(dòng)作的最大行程為16mm，故曲軸的曲柄半徑R取8mm，因此曲軸受到的轉(zhuǎn)矩為： T曲=FR=360N8mm=2.88Nm 本設(shè)計(jì)中刀具上刀片與下刀片之間的摩擦較大，因此剪切頻率不易過(guò)高，取每分鐘250次完整剪切，即上刀片每分鐘做250次來(lái)回運(yùn)動(dòng)，也意味著曲軸的轉(zhuǎn)速為n=250r/min,因此曲軸的功率為 那么電機(jī)的功率為 傳動(dòng)裝置的總效率 式中η1為滑動(dòng)軸承傳動(dòng)效率，η2為圓柱齒輪傳動(dòng)效率。查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》表3-1可知，滑動(dòng)軸承傳動(dòng)效率η1=0.94，圓柱齒輪傳動(dòng)效率η2=0.94，則 η=0.940.940.940.94≈0.78

10、故P電≈0.097Kw 因此電機(jī)可以選擇淄博博山聚英電機(jī)廠生產(chǎn)的90ZYT106型永磁直流電動(dòng)機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩0.796Nm，轉(zhuǎn)速1500r/min，額定功率125w，額定電壓24V。這款電機(jī)具有價(jià)格低，質(zhì)量輕，電壓低，功率大轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，便于安裝等特點(diǎn)， 因此很適合本修剪機(jī)。 2.3、傳動(dòng)比的分配 由上文可知，最終曲軸的轉(zhuǎn)速n曲=250r/min，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速n電=1500r/min,因此總傳動(dòng)比 減速裝置采用的是兩級(jí)直齒圓柱齒輪減速器，取高速級(jí)傳動(dòng)比i1=2，低速級(jí)傳動(dòng)比i2=3，則i=i1i2=23=6 2.4、傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)參數(shù) 2.4.1、各軸轉(zhuǎn)速

11、電機(jī)軸為0軸，齒輪軸為1軸，曲軸為2軸，則各軸轉(zhuǎn)速為： 2.4.2、各軸輸入功率 P0=125w P1= P0η2=1250.94=117.5w P2= P1η1η2=1117.50.940.94=103.8w 2.4.3、各軸轉(zhuǎn)矩 2.5、減速裝置的設(shè)計(jì) 本修剪機(jī)工作轉(zhuǎn)速低，功率小，減速裝置采用二級(jí)圓柱直齒輪，使用噴油式潤(rùn)滑。高速級(jí)傳動(dòng)比i1=2,低速級(jí)傳動(dòng)比i2=3。齒輪屬于標(biāo)準(zhǔn)件，可以直接從市場(chǎng)上采購(gòu)。 2.6、曲軸的設(shè)計(jì)與校核 2.6.1曲軸的設(shè)計(jì) 曲軸尺寸的設(shè)計(jì)是修剪機(jī)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其合理性是保證修剪機(jī)正常工作的一個(gè)

12、重要基礎(chǔ)。 本設(shè)計(jì)中曲軸材料選用45C，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理，硬度為240HBS。初步估算軸的直徑為： 根據(jù)選用的材料，A0的范圍為103-126，選取A0=126，算得 考慮到軸上開有鍵槽，將計(jì)算軸頸增大7%，取標(biāo)準(zhǔn)直徑為12mm，根據(jù)其他零件尺寸得到曲軸具體幾何形狀尺寸如下圖 圖3 曲軸 2.6.2曲軸的校核 對(duì)曲軸進(jìn)行受力分析可知，當(dāng)連桿與曲柄垂直時(shí)曲軸受到的力最大F=360N，針對(duì)此時(shí)的受力情況通過(guò)SolidWorks靜力有限元分析： ①外部載荷設(shè)置以及網(wǎng)格劃分。 曲軸屬于形狀不規(guī)則的長(zhǎng)軸類零件，具有軸線不連續(xù)和直徑變化大的等特點(diǎn)。施加模型約束時(shí)，在連桿和軸接觸的軸

13、頸處添加圓周約束。理論校核時(shí)，將載荷簡(jiǎn)化為集中力。在SolidWorks中加載為均布載荷，分別在X平面和Y平面對(duì)圓周施加8個(gè)力和一個(gè)扭矩，具體如下圖所示。網(wǎng)格劃分時(shí)，考慮到軸頸過(guò)渡圓角處的應(yīng)力集中，對(duì)此處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理[6]。 圖4 網(wǎng)格劃分圖 ②運(yùn)行結(jié)果與分析 對(duì)運(yùn)行結(jié)果分析處理時(shí)，分別查看了通過(guò)模型計(jì)算的曲軸位移、應(yīng)變和應(yīng)力分析圖，結(jié)果如下圖所示。 圖5 曲軸位移分析圖 圖6 曲軸應(yīng)變分析圖 圖7 曲軸應(yīng)力分析圖 由第四強(qiáng)度理論可知，曲軸的校核只需檢驗(yàn)曲軸的最大應(yīng)力值是否在其許可范圍內(nèi)即可。根據(jù)應(yīng)力分析圖可知，曲軸所受的最大應(yīng)力為,小于材料的屈服力，因此曲軸

14、能夠滿足使用要求。 2.7、電源選擇 本修剪機(jī)使用的是外接24V蓄電池，為了方便攜帶以及不影響工作，設(shè)計(jì)成雙肩背包的形式。在工作時(shí)，工作人員背在身后，通過(guò)電源線連接在修剪機(jī)的后面插孔上。跟其他電動(dòng)設(shè)備（將蓄電池集成在機(jī)殼內(nèi)部）相比，這樣的設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn);①可以減小整機(jī)的體積，以及重量，在工作中也會(huì)輕便很多。②蓄電池的體積可以做得更大一點(diǎn)，這樣儲(chǔ)存的電量也會(huì)更多，可續(xù)航的時(shí)間也會(huì)更長(zhǎng)。③采用外接式，蓄電池的充電以及更換也會(huì)更加的方便。 3 結(jié)論 1、 作為一個(gè)要面對(duì)市場(chǎng)的產(chǎn)品，必須要考慮產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性以及實(shí)用性。對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)產(chǎn)品的性價(jià)比是考慮的重點(diǎn)。對(duì)于本修剪機(jī)成本比較高的就是直

15、流電機(jī)和蓄電池，其他的像齒輪等市場(chǎng)上都可以直接購(gòu)買，只有曲軸、連桿、刀具、機(jī)殼等需要自己生產(chǎn)。大批量生產(chǎn)，整機(jī)價(jià)格大概在400-600元之間，因此還是具有很高的性價(jià)比的。 2、 該機(jī)動(dòng)力采用的是直流電機(jī)+外接蓄電池的形式，與其他類采用汽油機(jī)或柴油機(jī)的相比，噪音小，綠色環(huán)保，基本上不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，再者輕便小巧，便于攜帶。 3、 本機(jī)有兩個(gè)特色就是①帶有噴油系統(tǒng)，在工作中操作簡(jiǎn)單方便；②本機(jī)采用的是外接蓄電池，減輕了機(jī)身重量，可以減少工作人員手臂的負(fù)擔(dān)，對(duì)于蓄電池的充電與更換也會(huì)更加方便。 4、 本文所設(shè)計(jì)的修剪機(jī)在所查閱的資料中尚未發(fā)現(xiàn)相同類型的，并且在中國(guó)市場(chǎng)上也很少，除了有幾款日本

16、生產(chǎn)的。隨著機(jī)械化的推廣，該類型修剪機(jī)的市場(chǎng)需求量也會(huì)越來(lái)越大，所以該機(jī)型有很大的應(yīng)用市場(chǎng)。 參考文獻(xiàn) [1] 張俊虎.園林綠化機(jī)械的應(yīng)用以及發(fā)展前景[J].山西林業(yè)科技,2001(12):21-24. [2] 王偉,唐傳茵,張宏,馬少輝,杜志高.移動(dòng)式綠籬修剪機(jī)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2010(6):122-129. [3] 向北平,楊乾華.電動(dòng)成形綠籬修剪機(jī)的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008(3):23-24. [4] 顏海濤，趙建國(guó)，趙曉順.鎢極氬弧重熔對(duì)秸稈還田刀具耐磨性的影響[J].熱加工工藝，2005(3):52-53. [5] 吳良軍,楊洲,洪添勝,段潔利

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