斜坡地割草机设计.docx

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斜坡地割草机设计

目录

摘要……………………………………………………………………………1

关键词…………………………………………………………………………1

1前言……………………………………………………………………………2

1.1割草机的发展历史…………………………………………………………………2

1.2我国割草机的发展…………………………………………………………………3

1.2.1发展状况…………………………………………………………3

1.2.2存在问题……………………………………………………………3

1.3斜坡地割草机的使用………………………………………………………………4

1.3.1设计用途………………………………………………………………………4

1.3.2注意事项………………………………………………………………………4

2割草机的概述……………………………………………………………………………5

2.1割草机的分类………………………………………………………………………5

2.2割草机割草的基本要求……………………………………………………………6

2.3本割草机的结构特点与工作原理…………………………………………………6

3割草机的设计计算………………………………………………………………………8

3.1电动机的选择………………………………………………………………………8

3.2割刀轴的设计………………………………………………………………………8

3.2.1轴的设计………………………………………………………………………8

3.2.2轴的材料选择…………………………………………………………………9

3.2.3轴的计算………………………………………………………………………9

3.3刀片的设计及其计算………………………………………………………………12

3.4内置调高机构的设计………………………………………………………………14

3.4.1内置调高结构的设计计算……………………………………………………14

3.5铰链的设计…………………………………………………………………………17

4结论…………………………………………………………………………18

参考文献……………………………………………………………………19

致谢……………………………………………………………………………19

斜坡地割草机设计

摘要：

本次设计的斜坡地割草机主要由电机、机架总成、割草装置、调高机构、控制机构、行走总成、铰链组成，机架总成由割草机箱体、前后轴支撑架，割草装置由割草电机、导流罩、传动轴、割刀盘和割刀组成。

本次设计通过铰链连接的方式实现了平地与斜坡地同时作业，这样既实现了平地的割草工作又做到了斜坡地的割草工作极大的提高了割草机的工作效率。

本次设计的斜坡割草机既适用于平地又适用于斜坡地的两用割草机，使用电机作为割刀工作，以人工推动驱动轮行走实现了既无废气又无噪音污染。

符合环保要求。

关键词：

斜坡地；草坪；割草机；环保

Designofweedingmachineforslopearea

Abstract：

Thedesignoftheslopegroundmowerismainlycomposedofamotor,amachineframeassembly,cuttingdevice,theregulatingmechanism,controlmechanism,walkingassembly,ahinge,aframeassemblybymowingmachineboxbody,frontandrearaxlesupportframe,mowingapparatuscomprisesamowingmotor,dome,driveshaft,cutterdiskandacuttingknife.Thisdesignthroughthehingeconnectionwayofplainandslopelandatthesametime,itcanimplementthegroundlawnmowingjobsdoinclinedslopeofthemowingworkgreatlyimprovestheworkefficiencyofthelawnmower.Thedesignoftheslopelawnmowerissuitableforflatgroundandsuitableforslopedlandtwo-purposemower,usingamotorasthecutter,withartificialpushthedrivewheelwalkingachievedneitherexhaustgasandnoisepollution.Inlinewiththerequirementsofenvironmentalprotection.

Keywords：

Slopeland;Lawn;Lawnmower;Environmentalprotection

1前言

1.1割草机的发展历史

在割草机问世之前，草坪的修剪主要工具是镰刀，放牧牛羊也是保持草地平整的重要方法。

随着高尔夫球、网球及足球等运动的兴起，人们拥有平整美观的草地做运动场地的要求越来越迫切。

1805年英国人普拉克内特发明了第一台收割谷物并能切割杂草的机器，由人推动机器，通过齿轮传动带动旋刀割草，这就是旋刀割草机的雏形。

1830年，英国纺织工程师比尔.布丁取得了滚筒割草机的专利，1832年兰赛姆斯农机公司开始批量生产滚筒割草机，1902年英国人伦敦恩斯制造了内燃机做动力的滚筒式割草机，其原理至今还在使用。

在西方发达国家，20世纪初期，割草机就得到了快速的发展[1]。

随着社会的进步和经济的发展，人们对生存环境的要求也越来越高，城市环境的保护得到越来越多的重视。

我国草坪建设也得到了迅速的发展。

草坪美化环境，固土护坡，净化空气多种功能已经成为人们的共识。

从第一台滚刀式割草机的问世，到现在已经过了100多年了，原来主要应用于牧场的机械已经发展成为有几十个品种，适用于不同场合的割草机。

我国生产割草机起步较晚，生产企业的规模普遍较小，产品用途较为单一，均没有形成规模批量，所以长期以来，割草机均以进口为主。

据统计，到1999年底我国有各种园林机械10万台，1999年的割草机销售量在3万台左右，其中80%为进口。

我国割草机进口主要来自于日本、美国、意大利、瑞典等国家，进口价格在0.38万元到5.8万元。

改革开放以来，我国的草坪业由兴起到长足发展，只有十几年的时间，却为草坪机械业的发展带来了勃勃生机。

首先是机械先进，90%以上为进口产品，其次外从草坪建植到养护生产环节机械配套齐全，基本上实现了全程机械化，其三是产品品种多、系列化程度高。

而在草坪机械中割草机发展最快，我国引进使用的割草机有美国和日本等十几个国家的几十种机型，我国也已经开始生产割草机，目前国内外所用的割草机种类繁多，其分类方法也多样化[2]。

我国目前生产的割草机以刀具类型可分为滚刀式和旋刀式两大类。

滚刀式割草机由带有刀片的滚筒和和不动的床刀组成。

它较旋刀式割草机有更好的修剪质量，是高质量草坪最常用的割草机型。

适用于草高3-80毫米的草坪，其问题主要是价格贵，维修保养要求严格。

而旋刀式割草机是由横向悬挂在直立轴上的刀片高速旋转打切草的上部叶片，它适合于在25-80毫米范围内的剪草。

由于其价格低廉，保养、维修方便、使用灵活，只要将刀片磨快，剪草效果还是可以的。

因此，一般要求的草坪都选用它，成为目前国内外最流行的割草机。

以动力划分可以分为机动和人推两类。

人推的主要是滚刀式，小巧灵活，适于家庭庭院中小型草坪使用。

机动的又分为柴油机、汽油机和电动机三类驱动。

其中以小型汽油机作为动力的较为普遍，而柴油机多用于大型的割草机械，如牧场的割草机。

1.2我国割草机的发展

1.2.1发展状况

据调查，国内生产割草机的厂家大约有50家左右。

多数为园艺系统的公司以及转产割草机的机械厂。

市场上草坪修剪机的品牌很多，有进口的产品，也有国内制造和中外合资的，从功率2.6-1.2千瓦，剪幅从43.2-127厘米。

国内的生产厂家主要有：

中美合资江苏淮阴泛亚园林机械有限公司，生产立特牌-NEAT草坪割草机，占国内市场的50%，现年产5000台。

目前正着手进行年产5万台割草机的技术改造，其动力选用日本本田发动机。

南通机床厂为转产生产割草机的厂家。

其产品为地草王系列产品；56厘米自走式草坪割草机（4.5千瓦），84厘米随进式割草机（7.8千瓦），84厘米电启动式割草机（7.8千瓦），122厘米坐骑式割草机（13.4千瓦）。

该厂生产除发动机以外的零部件，发动机多选用美国产品，1999年已经有产品出口美国。

山东省莱州市仲院宇峰铡草机厂研制出全新微型电动铡草机，该机以0.75-1.1kW单相照明电为动力，无电地区或停电时用165、175、180等型号柴油机为动力，适宜铡切玉米秸、麦秸、稻草及青贮饲料，每小时铡草量300-400kg，切草长度为1.5-2cm。

整机结构紧凑，体积小，重量轻，全机重仅32kg，移动方便，并具有切碎均匀、出料顺畅、扬程远、噪音低等特点。

目前，我国已经研制开发出来草坪割草机试验台，草坪割草机为现代城市绿化的重要设备，目前市场上国产的机器均有一定的市场，但质量参差不齐。

对于草坪割草机的安全指标，仅有检测方法，没有现成的撞击试验专用设备。

为了对其进行科学的测试，北京市农机试验鉴定推广站研制成功草坪割草机专用试验台。

该试验台自动化程度高，采用了气动传动技术、机－电安全锁定机构及气动调速技术，可对国内各型草坪割草机进行安全性能试验，能够完成草坪机的撞击试验和刀片护罩强度试验。

试验结果表明，该专用试验台达到国内先进水平，检测快捷，安全性高[3]。

1.2.2存在问题

国内割草机械市场发展缓慢，我国草坪机械产品全线接受检验，应用中暴露出―些质量问题。

对此，有关专家认为，当前我国畜牧机械产品质量水平低的原因有以下几个方面。

目前草地草坪业投入始终严重不足，相对支持力度减缓甚至下降，使得许多割草机械制造企业纷纷转产或停产，再加上我国与欧美等发达国家存在着技术、制造手段、工艺等方面的差距，制造能力和水平进一步拉大了距离。

如现有割草机械生产制造企业的产品质量低，使用故障多、可靠性差。

往复式割草机工作半天即需刃磨，使用可靠性不到80％。

国外割草机工作400公顷，故障率仅为4％左右，而我国的产品在同样的作业量其故障率为25％左右。

在相同作业情况下，我国的割草机完成的工作量仅是国外同类机型的一半。

产品品种不全，成套性差。

美国约翰迪尔公司的割草机械有13个品种49个机型；纽荷兰公司现生产12个品种25个机型，可供各种经营规模的用户选择。

我国的用户不能根据自己的经营规模选择合适的机具，机具使用效益不高。

产品技术水平低。

割草机械产品技术水平高低是衡量该行业整体科学技术水平的重要标志之一。

一段时间内，由于资金投入严重不足，技术创新的原动力、研发能力、技术模仿步伐放缓甚至停顿。

我国已定型的割草机械大部分属国外上世纪的技术水平，20多年来基本没有什么大的改进与创新。

缺乏应有的售后服务体系。

专家分析认为，造成割草机械产品质量水平低的原因有多方面，但缺乏资金投入和人才短缺是造成研发能力和生产制造工艺水平低的关键所在[4]。

1.3斜坡地割草机的使用

1.3.1设计用途

中国柑橘种植面积和产量目前均为世界第一；柑橘是中国南方栽培面积最大、涉及就业人口最多的果树。

近年来，随着我国劳动人口减少，老年及妇女劳动力增加，不仅增加了柑橘生产成本，同时造成劳动力缺乏。

我国南方大部分桔园分布在山区和丘陵地区，柑橘树单一、条栽种植对机械提出了特殊要求，现有的田间作业机械因动力不足和自身体积较大而很难进入园中行间作业，满足要求的桔园作业机械设备严重缺乏，对效率高、体积小、自重小、传动平稳、适应坡地工作环境的机械设备需求越来越迫切。

因此，开发研制适合丘陵山区桔园的斜坡地除草机具有重要的现实意义。

。

本次设计的斜坡地割草机是专为适合丘陵山区桔园设计的[5]。

1.3.2注意事项

（1）每次使用之前都需要进行一次检查，确认所有的螺栓、螺母、工具都没有磨损或损坏，对于磨钝或损坏了的刀片应当更换。

（2）再检查一下要割草的草坪表面，要清除干净石头、木块、电线等其他坚硬的物体，这些物品碰到刀具时会飞甩出去而无法控制。

（3）旁边有人，尤其是儿童和动物的时候，不要使用该割草机。

（4）割草时一定要穿用防滑底做成的结实靴子。

（5）旋转的刀片转筒可能会造成人身伤害，刀片转筒和操作人员之间的安全距离是通过导杆隔开的，一定要一直保持这个安全距离。

在堤岸或斜坡上割草时尤其要注意，一定要顺着斜坡的方向割。

（6）当后退拉动割草机时要特别小心，有绊倒的危险。

（7）任何时候都不要将手或脚放在运动部件的上方或下方。

（8）如果刀具或割草机遇到障碍或坚硬的物体时，一定要适当全面地检查割草机。

（9）只有在能见度好，视野清晰的时候才可以进行工作。

2割草机概述

2.1割草机的分类

按切割器类型可以分为旋刀式、往复式、滚刀式、甩刀式、甩绳式。

其中，应用最多的是滚刀式割草机和往复式割草机。

往复式割草机割茬低而整齐，草坪损失少，单位割幅的金属用量和功率消耗低，因而成本较低。

它的作业速度一般为6—8km/h。

提高割刀的往复次数并解决割刀的全平衡问题后，作业速度可以提高到10—12km/h。

往复式割草机适用于切割直立而生长密度不过分高的草坪。

旋转式割草机工作平稳，对草坪的适应性强，特别适用于稠密、倒伏、缠连的牧草，能以8—16km/h的作业速度工作，生产率高。

但是结构复杂，价格高，单位割幅功率消耗大。

按配套动力和作业方式分可以分为：

为手推式、手扶随行式、手扶自行式、坐骑式和拖拉机悬挂式割草机。

按动力驱动方式主要分为人畜力驱动、发动机驱动和电力驱动三种形式割草机。

其中，以发动机驱动的割草机最多，发动机多为单缸汽油机。

太阳能割草机虽然已有生产，但应用较少。

动力驱动的割草机按牵引方式或悬挂方式可分为前置式、侧置式、后置式、中置式割草机。

目前，也有旋刀式手推随行式割草机，大部分采用中置悬挂，而滚刀手推随行式割草机多采用前置式挂接，大型的割草机则采用混合牵引方式。

2.2割草机割草的基本要求

不论是哪一种类型的割草机对草坪修剪的基本要求是一样的：

（1）割草高度可根据要求调整，适应高度调整范围大，当草坪要求修剪很低能达到要求。

（2）割草整齐、平整，同一行程前后割草高度一致，两次作业行程衔接平滑、无接茬。

（3）对地形的适应能力强，仿行能力强，随地形变化前后剪草高度一致。

（4）割草机对草坪碾压轻、伤害少。

（5）草屑收集干净，或被切割部分细碎性能好（草屑撒在草坪中当肥料时），以便于洒落在草坪下及时腐烂。

（6）割草机质量好，故障少，节省燃料、效率高。

（7）易于操作、轻便灵活、维修调试方便，零部件通用性和互换性好。

（8）正确掌握修剪草坪的时间并且制定科学的修剪高度和修剪频率。

2.3本割草机的结构特点与工作原理

（1）设计结构特点

本设计的斜坡地割草机是由电机、机架总成、割草装置、调高机构、控制机构、行走总成等部分组成如图1所示

图1整体结构图

Fig1Theoverallstructurediagram

机架总成由割草机箱体、前后轴支撑架构成，我们设计成一体，主要用来支撑和安装其他部件。

如图2所示

图2机架总成示意图

Fig2Aframeassemblydiagram

割草装置由割草电机、导流罩、传动轴、割刀盘和割刀组成，割草电机安装在导流罩的上方，刀盘和割刀通过传动轴安装在导流罩内，割刀采用优质合金工具钢制造，以保证其具有较高的锋刃度和搞磨强度。

如图3所示

图3割草装置示意图

Fig3Cuttinggrassdeviceschemes

调高机构由车轮摇臂，连杆，助力弹簧，调高手柄，调高档位座，后轴，前轴组成。

控制机构由控制手柄，控制按钮，开关盒，及开关组成。

如图4所示

1手柄2控制手柄3控制按钮4开关盒

图4扶手示意图

Fig4Armrestschemes

行走装置由行走轮，轴承等组成。

如图5所示。

（1）本设计斜坡地割草机原理

本设计斜坡地割草机以普通的小型旋转式割草机为基础，通过铰链的方式将斜坡地割草装置连接在一起来实现角度的变换，从而实现斜坡地的割草工作。

（2）本设计方案的特点

本设计通过手推的方式来实现机器的行走，以电机来驱动刀片的旋转，以铰链连接来实现斜坡工作，

图5轮胎示意图

Fig5Tireschemes

3割草机的设计计算

3.1电动机的选择

通常需要割断草所需的力较大且转速较大大约在3000r/min故而选择Y802-2其技术参数：

功率：

1.1KW转速：

2830r/min质量：

18kg

选择原因：

转速较大，质量较小。

3.2割刀轴的设计

3.2.1轴的设计

轴的设计也和其它零件的设计相似，包括结构设计和工作能力计算两方面的内容。

轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。

轴的结构设计不合理，会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性，还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难等。

因此，轴的结构设计是轴设计中的重要内容。

轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。

多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。

这时只需要对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形。

而对于刚性要求较高的轴（如车床主轴）和受力大的细长轴，还应进行刚度计算，以防止工作时产生过大的弹性变形。

对高速运转的轴还应进行振动稳定性计算，以防止发生共振而破坏。

轴的结构设计又包括制定处合理的外形和全部结构尺寸。

轴的结构主要取决于以下因素：

轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及和轴联结的方法；载荷性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。

而影响轴的因素较多，且其结构形式又要随着具体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。

设计时，必须使轴满足以下条件：

轴和轴上工作的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应便于装卸和调整；轴应具有良好的制造工艺等。

3.2.2轴的材料选择

轴的材料主要是碳钢和合金钢。

钢轴的毛坯多数用扎制圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。

由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造轴尤为广泛，其中最常用的是45钢。

合金钢比碳钢具有更高的力学性能和更高的淬火性能。

因此，在传递大的动力时，并且要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或者低温条件下工作的轴，常采用合金钢。

各种热处理（高频淬火、渗碳、氮化、氰化等）以及表面强化处理（喷丸、滚压），对提高轴的抗疲劳强度都有着显著的效果。

高强度铸铁和球墨铸铁容易作成复杂的形状，且具有廉价、良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低的优点，可以用于制造外形比较复杂的轴。

3.2.3轴的计算

（1）初步确定轴的最小直径

先初步估算轴的最小直径。

本设计选取轴的材料为45钢，调质处理,适用于承受交变负荷、中等负荷，强烈磨损、无很大冲击的重要零件。

取A0=112，于是得

（1）

又因为

因此选择直径d1=20mm（刀片连接器）d2=22mm（与轴承配合处）d3=24mm（限制轴承处）d4=20（与电机连接）

（2）轴的结构设计

初选用7206c型角接触球轴承，其内径为30mm,

宽度为16mm.

考虑齿轮端面和箱体内壁，轴承端面和箱体内壁应有一定距离。

取套筒长为20mm，通过密封盖轴段长应根据密封盖的宽度，并考虑联轴器和箱体外壁应有一定矩离而定，为此，取该段长为55mm，安装齿轮段长度应比轮毂宽度小2mm,故

段长：

L2=（2+20+16+55）=93mm

（2）

段直径d3=35mm

L3=L1-L=50-2=48mm（3）

Ⅳ段直径d4=45mm

由手册得：

c=1.5h=2c=2×1.5=3mm

d4=d3+2h=35+2×3=41mm（4）

长度与右面的套筒相同，即L4=20mm

但此段左面的滚动轴承的定位轴肩考虑，应便于轴承的拆卸，应按标准查取由手册得安装尺寸h=3.该段直径应取：

（30+3×2）=36mm

因此将Ⅳ段设计成阶梯形，左段直径为36mm

Ⅴ段直径d5=30mm.长度L5=19mm

由上述轴各段长度可算得轴支承跨距L=100mm

（3）按弯矩复合强度计算

①求分度圆直径：

已知d1=50mm

②求转矩：

已知T2=50021.8N·mm

③求圆周力：

Ft

根据课本P127（6-34）式得

Ft=2T2/d2=50021.8/50=1000.436N（5）

④求径向力Fr

根据课本P127（6-35）式得

Fr=Ft·tanα=1000.436×tan200=364.1N（6）

⑤因为该轴两轴承对称，所以：

LA=LB=50mm

（1）绘制轴受力简图（如图a）

（2）绘制垂直面弯矩图（如图b）

轴承支反力：

FAY=FBY=Fr/2=182.05N

FAZ=FBZ=Ft/2=500.2N

由两边对称，知截面C的弯矩也对称。

截面C在垂直面弯矩为

MC1=FAyL/2=182.05×50=9.1N·m（7）

（3）绘制水平面弯矩图（如图c）

6弯矩图

Figure6bendingmomentfigure

截面C在水平面上弯矩为：

MC2=FAZL/2=500.2×50=25N·m（8）

（4）绘制合弯矩图（如图d）

MC=（MC12+MC22）1/2=（9.12+252）1/2=26.6N·m（9）

（5）绘制扭矩图（如图e）

转矩：

T=9.55×（P2/n2）×106=48N·m（10）

（6）绘制当量弯矩图

转矩产生的扭剪文治武功力按脉动循环变化，取α=1，截面C处的当量弯矩：

Mec=[MC2+（αT）2]1/2

=[26.62+（1×48）2]1/2=54.88N·m（11）

（7）校核危险截面C的强度

由式（11）

σe=Mec/0.1d33=99.6/0.1×413

=14.5MPa<[σ-1]b=60MPa

所以该轴强度足够。

3.3刀片设计及其计算

刀片材料要求刀片应选用优质钢材制造，最低硬度为GB/T230.1-2004中的

HRC45，脆性要求应符合弯曲试验。

弯曲试验：

如图所示，用半径16mm的圆冲头，以最小20mm/S的冲压速度压

在弯曲区内，将刀片弯成ａ角度，冲头和支承宽度应大于或等于试验刀片的厚

度S。

刀片的厚度对应的弯曲角度见表1。

表1刀片厚度对应的弯曲角度

Table1bladethicknessofthecorrespondingbendingAngle

厚度s/mm

角度a/（