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旋刀式割草機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)
陳作喜 范修文
( 塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 阿拉爾 843300)
摘 要：對于旋刀式割草機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案中，設(shè)計(jì)了兩種旋刀離地高度的調(diào)整方案，實(shí)現(xiàn)了合理的工作范圍。通過對于機(jī)架的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)旋刀離地高度的調(diào)整，使得這種方案原理簡單且容易實(shí)現(xiàn)，并在工作時(shí)穩(wěn)定可靠；通過調(diào)整輸出軸與工作軸的配合尺寸來調(diào)整旋刀的離地高度，能夠是割草高度范圍能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)調(diào)整，避免了第一種方案只能在幾個(gè)固定高度之間的調(diào)整的不足。兩種方案采用其一便能實(shí)現(xiàn)工作要求。同時(shí)改進(jìn)了旋刀結(jié)構(gòu)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(shí)降低了工作噪音。并且整機(jī)原理簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)動(dòng)靈活，成本低廉，方便了機(jī)具的使用和維護(hù)，適于大范圍推廣應(yīng)用，能夠很大程度上提高園林工作的機(jī)械化率，降低工人的工作強(qiáng)度。
關(guān)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(xiàng)最基本作業(yè)，人們希望使用簡單高效經(jīng)濟(jì)適用的割草機(jī)械來完成草坪修建作業(yè)，并輕松完成割草作業(yè)任務(wù)。同時(shí)，要考慮環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的要求，設(shè)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(fù)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(jī)的修剪，保持人們預(yù)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(shè)計(jì)已是房地產(chǎn)開發(fā)團(tuán)中一個(gè)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(jī)作動(dòng)力，采用尼龍繩甩打草葉；或者是使用電動(dòng)、柴油機(jī)的割草機(jī)，這種割草機(jī)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(jī)。
本設(shè)計(jì)討論分析了旋刀式割草機(jī)機(jī)的基礎(chǔ)參數(shù)，參考已有旋刀式割草機(jī)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(shí)候用壽命。設(shè)計(jì)出一款經(jīng)濟(jì)適用，成本低廉，可大范圍推廣的割草機(jī)械，為人們的居住環(huán)境的美化提供良好的實(shí)現(xiàn)工具。
1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)
1.1 設(shè)計(jì)原理
對于旋刀式割草機(jī)的總體設(shè)計(jì)，要遵循的設(shè)計(jì)原則
（1）首先滿足農(nóng)藝要求并適應(yīng)小區(qū)草坪的面積限制，具有良好的轉(zhuǎn)向性和操作靈活性。
（2）吸收國內(nèi)外設(shè)施農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械的新技術(shù)，采用新原理、新結(jié)構(gòu)、新工藝、做到設(shè)計(jì)合理、使用可靠、優(yōu)質(zhì)高效、物美價(jià)廉，能廣泛推廣。
（3）零部件的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化程度高。
（4）整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、操作簡便、維修方便、質(zhì)量輕、機(jī)動(dòng)性好。
1.2 旋刀式割草機(jī)的設(shè)計(jì)方案
圖1旋刀式割草機(jī)簡圖
1.工業(yè)腳輪 2.工業(yè)腳輪架 3.下機(jī)架 4.上機(jī)架
5.發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)主要工業(yè)腳輪、下機(jī)架、發(fā)動(dòng)機(jī)、上機(jī)架、推桿、工作軸、工業(yè)走輪和刀片等組成。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，其輸出軸通過花鍵與裝配有刀片的工作軸相連，帶動(dòng)旋刀工作，使其實(shí)現(xiàn)割草動(dòng)作，發(fā)動(dòng)機(jī)有油門控制旋鈕，通過旋轉(zhuǎn)旋鈕控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以及停止，從而實(shí)現(xiàn)控制選到的工作轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對旋刀的工作控制。
手推式割草機(jī)的動(dòng)力是來源于行走輪驅(qū)動(dòng)，即靠人的推力來驅(qū)動(dòng)。查閱《人機(jī)工程手冊》，人步行速度約為3~5千米/時(shí)，即48~64米/分，考慮到要推動(dòng)割草機(jī)進(jìn)行切割，選取人的步行速度為48米/分，即0.8米/秒。
由《人機(jī)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(diào)節(jié)，符合人體作業(yè)適應(yīng)度。
設(shè)計(jì)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?yàn)樵摳畈輽C(jī)是手推式的，動(dòng)力來源于人的行走以及推力。應(yīng)考慮到其結(jié)構(gòu)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(dá)到71~97m/s，在這個(gè)速度范圍能使選到旋轉(zhuǎn)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(huì)使機(jī)具底盤抬高，影響整機(jī)的協(xié)調(diào)性，如果輪子直徑過小,則推行比較費(fèi)力,不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求,要滿足人的推力在200N左右都能推動(dòng)這部割草機(jī)才行。
初步選取外輪直徑=80mm,
由《人機(jī)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(diào)節(jié)，符合人體作業(yè)適應(yīng)度。
功率消耗計(jì)算
本設(shè)計(jì)割草機(jī)的功率消耗為割草作業(yè)的功率消耗，行走動(dòng)力由人提供，不列入計(jì)算。
旋刀式割草機(jī)在平坦地面上的割草消耗功率計(jì)算公式為，
式中 —機(jī)器前進(jìn)速度（m/s）；
B —機(jī)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(jī)所需功率為。
則選用1.5馬力的發(fā)動(dòng)機(jī)。
由以上分析確定割草機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)：
割草機(jī)的整體寬度：495mm；
割草機(jī)的割幅：400mm；
割草高度：25~80mm；
旋刀寬度：B=58mm；
旋刀厚度：l=3mm；
機(jī)架離地高度：h=200mm；
發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：n=3600r/min；
旋刀的轉(zhuǎn)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(jī)。
2 旋刀式割草機(jī)主要部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算
2.1 割草機(jī)工作部分設(shè)計(jì)
圖2刀組結(jié)構(gòu)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(dòng)機(jī)輸出軸連接，軸向定位在軸上開兩個(gè)11 mm深的孔用螺紋圓柱銷定位。工作部件由一組這樣的機(jī)構(gòu)構(gòu)成，旋刀可以隨時(shí)更換。
2.1.1 旋刀的設(shè)計(jì)
圖3旋刀結(jié)構(gòu)圖
旋刀的結(jié)構(gòu)圖如圖3，材料是65Mn鋼，等溫淬火后硬度為42~50HRC，,。
2.1.2 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)
材料是合金結(jié)構(gòu)鋼40MnB，調(diào)質(zhì)處理，硬度為28HRC，,
，,軸上一端為內(nèi)花鍵，結(jié)構(gòu)如圖3-3。
圖3傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)圖
傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)簡圖如上圖3-4，一有內(nèi)花鍵，另一端直接與發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸相連；通過花鍵連接將動(dòng)力傳導(dǎo)至工作軸。
軸徑的初步計(jì)算
根據(jù)軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件
,式中：
——扭轉(zhuǎn)相應(yīng)切力，；
——軸所受的扭矩，；
——軸的抗扭截面系數(shù)，；
——軸的轉(zhuǎn)速，；
——軸傳遞的功率，；
——計(jì)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(shí)心軸軸徑；
空心軸軸徑。
故輸出軸的實(shí)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(shè)計(jì)
材料是合金結(jié)構(gòu)鋼40MnB，調(diào)質(zhì)處理，硬度為28HRC，,
，,軸上一端為外花鍵，結(jié)構(gòu)如下圖4。
圖4工作軸
軸徑的初步計(jì)算同上，工作軸最小軸徑要大于7.90mm。
傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)簡圖如上圖3-6，一有加工有外花鍵，與傳動(dòng)軸相連，另一端連接旋刀，帶動(dòng)旋刀進(jìn)行割草作業(yè)。
2.2 推桿的設(shè)計(jì)
材料是低合金結(jié)構(gòu)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(jī)的操縱，結(jié)構(gòu)如下5。
圖5推桿結(jié)構(gòu)圖
2.3 機(jī)架的設(shè)計(jì)
（1）機(jī)架材料是低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345做成的結(jié)構(gòu)用冷彎空心型鋼，由下機(jī)架和上機(jī)架兩部分組成，可通過調(diào)節(jié)銷軸實(shí)現(xiàn)對機(jī)架高度的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對旋刀離地高度的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對割草高度的調(diào)節(jié)。結(jié)構(gòu)如下6。
圖6機(jī)架結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)中上機(jī)架和下機(jī)架的鉸接處用銷軸連接。銷軸材料選用35鋼，調(diào)質(zhì)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(jī)工作時(shí)對銷軸有一些沖擊，故取許用剪切應(yīng)力，許用壓應(yīng)力，抗拉強(qiáng)度。
發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量為3.4kg,燃油箱容量為1L，裝滿燃油時(shí)燃油質(zhì)量為0.725kg，上機(jī)架材料采用16Mn。其質(zhì)量為1.6kg。故作用在每個(gè)銷軸上的力為
銷軸工作面的擠壓應(yīng)力 ，
計(jì)算結(jié)果：的強(qiáng)度條件，安全。
銷軸的剪切應(yīng)力 。
計(jì)算結(jié)果：的強(qiáng)度條件，安全。
銷軸的彎曲應(yīng)力 。
計(jì)算結(jié)果：的強(qiáng)度條件，安全。
3 旋刀式割草機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算
本次設(shè)計(jì)的手推旋刀式割草機(jī)的傳動(dòng)部分采用花鍵連接的軸組成。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作使得輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過花鍵連接的工作軸旋轉(zhuǎn)，使得旋刀也一起轉(zhuǎn)動(dòng)，通過旋刀的高速旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，將草坪上多余高度的草割斷。
3.1 動(dòng)力傳遞方案
動(dòng)力傳動(dòng)方案如圖7所示：
圖7動(dòng)力傳動(dòng)方案
3.2 傳動(dòng)比的計(jì)算
電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為3600r/min，用n表示，旋耕刀的轉(zhuǎn)速為 3600 r/min，用表示，則割草機(jī)的傳動(dòng)比。
3.3 傳動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算與工作軸設(shè)計(jì)
割草機(jī)的傳動(dòng)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(dǎo)向性好等特點(diǎn)，花鍵連接的齒數(shù)尺寸、配合等均按標(biāo)準(zhǔn)選取。本設(shè)計(jì)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(jì)算
輸入轉(zhuǎn)矩
名義切向力
單位載荷
3.3.2 齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算
齒面壓應(yīng)力
取。
齒面許用壓應(yīng)力
。
計(jì)算結(jié)果：的強(qiáng)度條件，安全。
3.3.3 齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算
齒根彎曲應(yīng)力,取,
。
齒根許用彎曲應(yīng)力
。
計(jì)算結(jié)果：的強(qiáng)度條件，安全。
3.3.4 齒根剪切強(qiáng)度計(jì)算
。
應(yīng)力集中系數(shù)
。
剪切應(yīng)力 。
齒根最大剪切應(yīng)力 。
許用剪切應(yīng)力 。
計(jì)算結(jié)果：的強(qiáng)度條件，安全。
3.3.5齒面耐磨能力計(jì)算
齒面壓應(yīng)力
齒面磨損許用壓應(yīng)力。
計(jì)算結(jié)果：的強(qiáng)度條件，安全。
花鍵副長期工作無磨損時(shí)耐磨損能力計(jì)算
齒面壓應(yīng)力
齒面磨損許用壓應(yīng)力（查表5-3-38）。
計(jì)算結(jié)果：的強(qiáng)度條件，安全。
外花鍵的扭轉(zhuǎn)與彎曲強(qiáng)度計(jì)算
彎矩，
彎曲應(yīng)力 。
當(dāng)量應(yīng)力 。
許用壓應(yīng)力
計(jì)算結(jié)果：的強(qiáng)度條件，安全。
4 主要部件的強(qiáng)度分析
軸的校核
對工作軸進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度校核計(jì)算
對工作軸進(jìn)行受力分析，其受力分析圖如下：軸材料選用合金結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變形角用每米長的扭轉(zhuǎn)角來表示，階梯軸的扭轉(zhuǎn)角的計(jì)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(zhuǎn)角為
。
。
軸的扭轉(zhuǎn)剛度條件為，為軸每米長的允許扭轉(zhuǎn)角，與軸的使用場合有關(guān)。對于一般傳動(dòng)軸，可??；對于精密傳動(dòng)軸，可??；對于精度要求不高的軸，。在割草機(jī)工作軸的傳動(dòng)中，因?yàn)槭且话銈鲃?dòng)，所以取。
計(jì)算結(jié)果：滿足強(qiáng)度條件，安全。
5 總結(jié)
（1）本文分析了目前國內(nèi)外草坪割草機(jī)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(jī)參數(shù)提供依據(jù)。
（2）針對當(dāng)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(jié)合草坪修剪及方便實(shí)用和農(nóng)藝特點(diǎn)，吸收了JUS-420旋刀式剪草機(jī)及其它經(jīng)典機(jī)型的設(shè)計(jì)理念，提出旋刀式割草機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路。
（3）在整機(jī)設(shè)計(jì)中，以汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，體積小、成本低、工作可靠、。采用裝配式機(jī)架，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力帶動(dòng)旋刀工作，發(fā)動(dòng)機(jī)固定在機(jī)架上方，使整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單緊湊又可根據(jù)不同工作環(huán)境以及工作要求調(diào)整機(jī)架。行走輪與機(jī)架直接固定，通過操向桿實(shí)行轉(zhuǎn)向。其他零部件經(jīng)過計(jì)算校核后，盡可能采用通用件或標(biāo)準(zhǔn)件，體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、操作簡易、維護(hù)簡單、成本低廉的設(shè)計(jì)原則。
參 考 文 獻(xiàn)
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[17] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第 3 卷）[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2004.8:22-157.
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