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摘 要
該設(shè)計是一種由小型汽油機(jī)帶動刀片運(yùn)動切割草株，人工推動機(jī)具前進(jìn)完成作業(yè)的草坪修剪機(jī)。
該機(jī)主要由發(fā)動機(jī)，傳動機(jī)構(gòu)，旋刀，機(jī)殼支撐座和集草袋等組成。采用XY168F發(fā)動機(jī)，最大輸出功率：5.5HP/3600rpm。
工作裝置為一條形割草刀直接裝在發(fā)動機(jī)的輸出軸上，作業(yè)時高速旋轉(zhuǎn)切割草莖。 將割草刀的非刃口做成風(fēng)機(jī)葉片，割草作業(yè)時對地面形成一定的真空降草莖吹成直立狀態(tài)，便于切割并與罩殼相結(jié)合形成渦流將割下來的碎草送入集草裝置。護(hù)罩為渦流形狀，是草坪修剪機(jī)的支架，為沖壓件，用于保護(hù)操作者和行人安全，并形成護(hù)罩內(nèi)渦流，給切下物導(dǎo)向和安裝行走裝置，發(fā)動機(jī)和工作裝置。集草裝置為集草袋，主要用于草坪切下物的收集，安裝于草坪修剪機(jī)的后部，并可以容易的安裝或拆下。
行走裝置為行走輪和割草裝置高度調(diào)節(jié)裝置組成。行走輪通過一個手柄可以相對草坪修剪機(jī)的護(hù)罩進(jìn)行調(diào)節(jié)，將輪子升高，割草機(jī)下降，割草高度降低，反之割草高度上升。
關(guān)鍵詞 割草機(jī)；刀具；傳動軸；罩殼及結(jié)構(gòu)設(shè)計
Abstract
This design in one kind cuts grass by the small gasoline engineimpetus bit movement, the artificial impetus machines advance completes the work lawn pruning machine.
This machine is mainly made up of engine, Transmission system, Turning tool,Cabinet, Composition supporting turn and collecting straw bag and so on. The engine: YX168F, Peak power output: 5.5HP/3600rpm.
The installment of work is a knife of linearity cuts grass fixing direct on the output shaft of the engine, When revolving at high speed it cuts the grass. The non-cutting edge of the knife is made up to the air blower leaf blade, when working it forms the certain real general grass stalk to the ground to blow stands erect the condition. Is advantages for cuts and unifies with the lagging with form the garrulous grass which the turbulent flow will cut to send in the collection grass installment. The guard shield is the turbulent flow shape. Is the lawn pruning machine support. For pressing part, with by protects the operator and the pedestrian safety.and forms in the guard shield the turbulent flow. For cuts the guidance and the installment walks the installment, Engine and work installment. The collection grass installment is the collection straw bag. Mainly use in the lawn cuts the collection. Installment in lawn pruning machine behind, and may the easy installment or dismantles. Walks the installment to walk turn and cuts grass the altitude mixture control installment composition. Walks turn may the relative lawn pruning machine guard shield carry on the adjustment through a handle. Elevates the wheel, the grass cutter drops, cute grass reduces highly. Otherwise cuts grass on highly.
Key words: grass cutter；reamer；transmission shaft；mantle；
design of structure
目 錄
第1章 總體設(shè)計.....................................................................................1
第2章 機(jī)構(gòu)設(shè)計.....................................................................................4
2.1 發(fā)動機(jī)的選擇.....................................................................................4
2.2 旋刀設(shè)計............................................................................................4
2.2.1 刃口設(shè)計......................................................................................4
2.2.2 翼片分析......................................................................................6
2.2.3 刀具的固定...................................................................................7
2.3 外殼設(shè)計............................................................................................7
2.4 傳動軸的設(shè)計計算..............................................................................7
2.4.1 初步確定傳動軸的最小直徑............................................................7
2.4.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計..............................................................................8
2.4.3 軸的校核....................................................................................9
2.5 離合器的設(shè)計...................................................................................10
2.6 調(diào)高裝置設(shè)計...................................................................................11
2.7 車輪及手把的選擇............................................................................11
結(jié)束語.........................................................................................................12
致謝.............................................................................................................13
參考文獻(xiàn).....................................................................................................14
第1章 總體設(shè)計
該機(jī)主要由發(fā)動機(jī)，傳動機(jī)構(gòu)，旋刀，機(jī)殼，支承輪和集草袋等組成。如圖1-1所示。
傳動機(jī)構(gòu)由離合器，傳動軸等組成。傳動軸由兩只軸承支承在機(jī)殼箱體上，如圖1-2所示。輸出軸固定旋轉(zhuǎn)刀片。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定數(shù)值時，離合器的離合塊在離心力作用下被甩出，與離合碟接合，發(fā)動機(jī)的動力傳給旋轉(zhuǎn)刀片，是旋轉(zhuǎn)刀片告訴旋轉(zhuǎn)，完成剪草工作。
14
旋刀主要由刀體，刀片，螺栓，止動墊片和螺母等組成，如圖1-3所示。刀體以45號鋼制成，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，用于牢固支承兩只刀片。刀片用65Mn鋼制成，具有適宜的硬度和韌度。刀片的前端的翼片以適當(dāng)?shù)慕嵌群托螤顦?gòu)成混流風(fēng)葉，并與機(jī)殼的下表面渦殼狀腔室配合，用以在剪刀的同時產(chǎn)生軸向和縱向的氣流，被剪下的草屑帶入集草袋。刀片和刀體采用螺栓固定，并用止動墊片防松。旋刀以鎖緊螺母固定在傳動箱的傳動軸上。
發(fā)動機(jī)，四個行走輪以及手把，集草袋全部固定在機(jī)殼上。機(jī)殼用3mm厚的優(yōu)質(zhì)鋼板沖壓成型后焊接合而成（見圖G530-01-00），強(qiáng)度很高，安全可靠，能防止切割過程中的意外事故。四個行走輪用螺栓固定在輪軸上，行走輪輪軸焊接與支撐板上，行走輪隨同支撐板可以繞支撐軸相對于機(jī)殼轉(zhuǎn)動。采用撥桿組件調(diào)整支撐板的轉(zhuǎn)角，并由撥桿組件上的定位臺與機(jī)殼上的五個定位孔實(shí)現(xiàn)定位。前后行走輪通過連接在支撐板上的連接桿連接在一起，可以同時調(diào)節(jié)高度。這樣調(diào)節(jié)行走輪 相對于機(jī)殼的位置，即可升高或降低修剪機(jī)（即調(diào)節(jié)刀片距地
面的高度），達(dá)到調(diào)節(jié)留草高度的目的。集草袋通過四個掛鉤固定在機(jī)殼上。
技術(shù)參數(shù)：
汽油機(jī)功率：5.5馬力
割刀轉(zhuǎn)速：3600r/min
切割幅寬：530mm
設(shè)計切割高度：20mm--80mm（5檔）
（詳圖見圖紙G530-00）
第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計計算
2.1發(fā)動機(jī)的選擇
根據(jù)功率要求小于5kw，轉(zhuǎn)速達(dá)可切割草速度，取3600r/min，選發(fā)動機(jī)YX168F，詳細(xì)參數(shù)如下：
型號：YX168F
發(fā)動機(jī)型式量：單缸，四沖程，氣缸中心斜置25
缸徑X行程：68mmX45mm
氣缸排量：163mm
壓縮比： 8：5：1
最大輸出功率：5.5HP/3600rpm
最大扭矩：1.1kg。M/2500rpm
點(diǎn)火系統(tǒng)：無觸點(diǎn)晶體管點(diǎn)火
起動方式：反沖式手拉起動
空氣濾清器：半干，油浴，雙式，雙靜噪，旋風(fēng)濾
燃油箱容量：3.6L
尺寸（長*寬*高）：312mm*362mm*335mm
凈重：15kg
2.2 旋刀設(shè)計
旋轉(zhuǎn)式切割器的切割速度高，且各能力強(qiáng)，其回轉(zhuǎn)慣性力容易平衡，震蕩較小，割刀的結(jié)構(gòu)也比較簡單，在園林機(jī)械，特別是草坪修剪機(jī)中得到廣泛的應(yīng)用，因此采用旋轉(zhuǎn)式切割器。
2.2.1刃口設(shè)計
旋刀式草坪修剪機(jī)的切割器是在水平內(nèi)回轉(zhuǎn)。旋刀式草坪修剪機(jī)的切割器為一把剪草旋刀，如圖1-3所示，由刀片和刀體組成。為了簡化分析，現(xiàn)將其簡化成線狀刀進(jìn)行分析，如圖2-1所示，其中aa0 和bb0為刀片刃口，刀片在水平平面內(nèi)繞O軸以角速度ω旋轉(zhuǎn)，并沿X軸以速度Vm向前運(yùn)動。
在切割過程中，刃口aa0 的運(yùn)動軌跡為相鄰的。并行的余擺線，而bb0的運(yùn)動軌跡為另兩條相鄰的，并行的余擺線，如圖2-1所示。其中畫有斜線的面積為漏割區(qū)，畫有交叉線的面積為重割區(qū)，其余為掃過區(qū)。
圖2-1旋刀式切割器切割圖
分析得，點(diǎn)a的位移方程式為
Xa=Vmt+Rsinwt
Ya=Rcoswt
式中R---刀片半徑。
點(diǎn)b的位移方程式為
Xa=Vmt+Rsin(wt-π)
Ya=Rcos(wt-π)
要使畫有斜線的漏割區(qū)消除，必須使：
Xb”-Xa”=h
式中h---刀片刃口高度。
從圖中可以看到，刃口aa0 上的a點(diǎn)轉(zhuǎn)到X軸時，其轉(zhuǎn)角為ωt=π/2，即經(jīng)過t=π/2ω后，刀片轉(zhuǎn)了1/4周，則有
Xa” =Vmt+Rsin(wt-π)=(Vmπ/2ω)+R
當(dāng)刃口bb0上的b點(diǎn)轉(zhuǎn)到X軸上時，其轉(zhuǎn)角為ωt=π/2+π，即經(jīng)過了t=3π/2ω后，刀片轉(zhuǎn)了3/4周，則有
Xb”= Vmt-Rsinwt=3Vmπ/2ω+R
將xb″和xa″代入式xb″-xa″=h，得到
ω=Vmπ/h
則有
Vm=hω/π=hn/30
或
h=Vmπ/ω=30Vm/n
式ω=Vmπ/h表示刀片旋轉(zhuǎn)角速度ω與機(jī)具前進(jìn)速度之間的關(guān)系，比值Vm/h越高，即機(jī)具前進(jìn)速度越高或刃口高度越小，則旋轉(zhuǎn)刀片的轉(zhuǎn)速應(yīng)越快；根據(jù)式 Vm=hω/π=hn/30可在選定了刃口高度h和轉(zhuǎn)速n情況，計算出機(jī)具前進(jìn)速度，可以看出，當(dāng)適當(dāng)?shù)脑龃笕锌诟叨然蜣D(zhuǎn)速時，就能使機(jī)具的前進(jìn)速度增大，從而提高效率。
由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速得刀具最大轉(zhuǎn)速3600r/min，取刃口高度為50mm，可計算出機(jī)具行走速度Vm=0.6m/s，符合人行走速度，故適合。
2.2.2翼片分析
圖2-2為圖1-3所示旋刀端部刃口及翼片的主視圖，俯視圖和側(cè)視圖以及空氣質(zhì)點(diǎn)A的速度矢量圖，Ra為翼片圓柱面形成半徑，α為翼片沖角，L為翼弦長度。
當(dāng)旋刀在刀殼內(nèi)繞其傳動軸旋轉(zhuǎn)時，翼片上質(zhì)點(diǎn)A一方面以角速度ω繞旋刀的傳動軸旋轉(zhuǎn)，另一方面繞翼片圓柱面的軸心線以ω′轉(zhuǎn)動（相對運(yùn)動），同時還由于離心慣性力影響沿著翼片母線以速度向刀殼裙部運(yùn)動。以修剪機(jī)為參考體，令質(zhì)點(diǎn)A的絕對速度為（圖中未畫出），它是牽連速度與相對速度（相對轉(zhuǎn)動時的瞬間速度）和的矢量和，即
而Vc可以分解為：
以及
從而有：
式中——質(zhì)點(diǎn)A的絕對速度在水平面的兩個分速度，前者與牽連速度同向，后者垂直于牽連速度；
——絕對速度垂直于水平面的分速度。
從式可以看出，旋刀的翼片能使空氣質(zhì)點(diǎn)A由垂直于水平面上的分速度向前（與牽連速度方向相同）的分速度，以及向外（垂直于牽連速度而指向刀殼裙部）的分速度，形成了向前，向上和向外的氣流，這樣也就將草屑向前，向上和向外輸送。在相應(yīng)位置配置集草通道和集草袋就可達(dá)到集草的目的。
2.2.3 刀具的固定
一個刀柄與兩個刀片采用四個螺栓連接，并用止動墊片以及螺母緊固防松。刀具與傳動軸利用方孔傳動扭矩，使刀具旋轉(zhuǎn)切割草株，并能使鎖緊螺母及止動墊片緊固連接，防止工作時松動甩出。
具體結(jié)構(gòu)見圖紙G530-00，G530-15，G530-16.
2.3外殼設(shè)計
罩殼用3mm厚的優(yōu)質(zhì)鋼板沖壓成型焊和而成，采用渦流狀集草通道，以配合刀具上的旋轉(zhuǎn)翼片實(shí)現(xiàn)排草。下部采用圓形護(hù)罩，用以防止刀具松動甩出時發(fā)生意外。排草口設(shè)在后部，罩殼上有四個掛鉤，使集草袋固定在其上。具體結(jié)構(gòu)見圖紙G530-01-00.
2.4傳動軸的設(shè)計計算
2.4.1 初步確定軸的最小直徑
1. 求出輸出軸上的功率P，轉(zhuǎn)速N和轉(zhuǎn)矩T
假設(shè)無損耗，輸出軸上最大功率即為發(fā)動機(jī)功率
P=5.5馬力=4.125kw
又 n=3600r/min
于是 T=95500P/n=95500×4.125÷3600=1094.27Nmm
2.初步確定軸的最小直徑
按式初步估算出軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)參考材料[1]表15-3，取A0=112，于是得
輸出軸的最小直徑顯然是安裝離合器離合碟處的直徑的d（見圖2-3）。因?yàn)橛幸粋€鍵槽，軸徑增大5%-7%,取最小徑為15mm。
2.4.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
1. 擬定軸上零件的裝配方案
方案見圖1-1所示的裝配方案，軸具體結(jié)構(gòu)見圖2-3
2. 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和要求
①為了滿足離合器的軸向定位要求，Ⅰ—Ⅱ軸段需制出一軸肩，故?、颉蠖蔚闹睆絛Ⅱ-Ⅲ=20mm；上端用軸端擋圈定位，按軸端直徑取擋圈直徑D=22mm，由結(jié)構(gòu)取Ⅰ—Ⅱ軸段的長度lⅠ—Ⅱ=16mm。
②初步選取滾動軸承。
因軸承同時承受軸向力和徑向力作用，故選用單列圓錐滾子軸承。
參照工作要求并根據(jù)dⅡ-Ⅲ=20mm，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取單列圓錐滾子軸承30304，其尺寸為d×D×T=20mm×52mm×16.25mm,故dⅡ-Ⅲ=20mm，lⅡ—Ⅲ=15mm。
參照工作要求及設(shè)計結(jié)構(gòu)要求，另一個軸承取單列圓錐滾子軸承30205，其尺寸為d×D×T=25mm×52mm×16.25mm,故dⅣ—Ⅴ=22mm，lⅣ—Ⅴ=12mm。
③兩軸承間根據(jù)結(jié)構(gòu)要求軸段直徑dⅢ—Ⅳ=22mm，lⅢ—Ⅳ=15mm。
④根據(jù)軸承定位要求，Ⅳ—Ⅴ軸段左側(cè)應(yīng)有一個軸肩，故取dⅥ—Ⅶ=30mm，由結(jié)構(gòu)選取此段長度lⅥ—Ⅶ=25mm。
⑤Ⅶ—Ⅷ軸段應(yīng)與刀具體以方孔配合，?、鳌S段截面為16mm×16mm的方形的柱體，根據(jù)刀具厚度，取此段長度lⅦ—Ⅷ=9mm。
⑥Ⅷ—Ⅸ軸段僅為固定刀具用，不受扭矩作用，取M10，長度根據(jù)鎖緊螺母等取為
lⅧ—Ⅸ=10mm。
至此，已初步確定了各軸的直徑和長度。
3. 軸上零件的周向定位
軸與離合器的離合碟采用平鍵連接。按dⅠ—Ⅱ由手冊查的平鍵截面b×h=5mm×8mm（GB1096-1990）。滾動軸承與周向定位是借過度配合來保證的。此處選軸的直徑尺寸公差為k6.
4.確定軸上圓角和倒角尺寸
根據(jù)參考資料[1]表15-2，取軸端倒角為1×45°，各軸肩處的圓角半徑見圖紙G530-06
2.4.3軸的校核
1. 求軸上的載荷
由于傳動軸只受扭矩作用，可得軸的計算簡圖和軸的扭矩圖2-4如下：
2. 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
進(jìn)行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面的強(qiáng)度，顯然Ⅱ截面為危險截面，由于傳動軸只受扭矩作用，故只需將扭矩T帶入。
取α=0.6
軸的計算應(yīng)力
前已經(jīng)選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由參考資料[1]表15-1查得[]=60MPa。因此，故安全。
3.精確校核軸的疲勞強(qiáng)度
1）判斷危險截面
軸上只受扭矩作用，且等大，又因軸段Ⅰ—Ⅱ處最細(xì)，且有鍵槽，截面Ⅱ處有軸肩，為應(yīng)力集中處，故只校核截面Ⅱ右側(cè)即可。
2） 截面Ⅱ右側(cè)校核
抗扭截面系數(shù)
截面Ⅱ上的扭矩T為
T=1094.27Nmm
截面上的扭矩切應(yīng)力
軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。由參考資料[1]表15-1查得
截面上由于軸肩形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)按參考資料[1]表3-2查取。因
經(jīng)插值后可查得
又由參考資料[1]附圖3-1可得軸的材料的敏感性系數(shù)為
故有效應(yīng)力集中系數(shù)按式（參考資料[1]附3-4）為
由參考資料[1]附圖3-3得扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù)
軸按磨削加工，由參考資料[1]附圖3-4得表面質(zhì)量系數(shù)為
軸未經(jīng)表面強(qiáng)化處理，即，則得綜合系數(shù)為
又由參考資料[1]§3-1以及§3-2得碳鋼的特性系數(shù)
，取
于是，計算安全系數(shù)為
故可知安全。
2.5離合器的設(shè)計
比較各種離合器，離心離合器利用自身的轉(zhuǎn)速來控制兩軸的結(jié)合或脫開，其特點(diǎn)是可直接與發(fā)動機(jī)連接，使發(fā)動機(jī)在空載下平穩(wěn)啟動，改善發(fā)熱，但由于未達(dá)額定轉(zhuǎn)速前，因打滑產(chǎn)生摩擦熱，故不宜使用頻繁啟動的場合，且輸出功率與轉(zhuǎn)速有關(guān)，故不宜用于變速傳動的軸系。
離心離合器符合本課題的要求，且自由閘塊式結(jié)構(gòu)簡單，啟動過程較平穩(wěn)，過載時能打滑，有安全保護(hù)作用，故采用此結(jié)構(gòu)。
具體結(jié)構(gòu)見圖紙G530-05-00.
發(fā)動機(jī)輸出軸與離合器主動套筒通過平鍵連接。離合器從動輪與軸間采用平鍵連接后，共同放入傳動箱箱體內(nèi)，構(gòu)成傳動機(jī)構(gòu)。
傳動箱箱體結(jié)構(gòu)見圖紙G530-03。
2.6調(diào)高裝置設(shè)計
調(diào)高手柄與輪軸支撐板焊接在一起，結(jié)構(gòu)見圖G530-06-00。手柄上有一個凸臺，使其與機(jī)架罩殼上的五個方孔配合，調(diào)節(jié)凸臺與方孔的位置，手柄與罩殼的相對位置也隨之改變，形成一轉(zhuǎn)角，使輪軸與罩殼間產(chǎn)生新的高度差，從而使車輪相對罩殼升高或降低，即刀具與地面的高度升高而降低，使其改變留草高度。前后行走輪通過連接在支撐板上的連接桿連接在一起，可以同時調(diào)節(jié)高度。
其配合見圖紙G530-00.
2.7 車輪及手把的選擇
車輪選用GB/T標(biāo)準(zhǔn)車輪，型號13B-200×50的車輪，內(nèi)部帶有滾動軸承，可直接安裝在輪軸上。
手把采用無縫鋼管制成，根據(jù)人體適合高度設(shè)計長度，使垂直地面在830mm-850mm間可調(diào)。
結(jié)語束
該設(shè)計是一種小型汽油機(jī)帶動刀片運(yùn)動切割草株，人工推動機(jī)具進(jìn)行完成作業(yè)的草坪修剪機(jī)，這種機(jī)具構(gòu)造簡單，但生產(chǎn)效率不高，工人勞動強(qiáng)度大，只適合于小面積草坪修剪。
致 謝
本文是在導(dǎo)師龐偉副教授悉心指導(dǎo)和熱情關(guān)懷下完成的，其中浸透著龐老師的心血和期盼。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的學(xué)識、敏銳的科學(xué)思維、大膽創(chuàng)新的科學(xué)精神以及寬容仁愛的為人方式使我受益匪淺、終生難忘。一個學(xué)期以來，龐老師激勵我在割草機(jī)領(lǐng)域里不斷探索，自始自終地給予耐心的教誨和細(xì)心地指導(dǎo)，不僅傳授科研治學(xué)的思路和方法，更讓我懂得為人處世的道理和準(zhǔn)則，值此論文完成之際，謹(jǐn)向恩師致以最崇高的敬意和最誠摯的感謝！
我還要感謝我的學(xué)友們，感謝他們以不同的方式給予我學(xué)術(shù)上的啟發(fā)、學(xué)業(yè)上的協(xié)助和支持。
由衷的感謝你們！
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