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旋刀式割草機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)
一、課題研究的意義
割草機(jī)是隨著草坪的出現(xiàn)而被發(fā)明的，而草坪周圍人口比較稠密，流動(dòng)性大，對割草機(jī)的噪音、廢氣排放等指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)要求較高。但是現(xiàn)在的割草機(jī)多使用汽油機(jī)作動(dòng)力，排氣污染量相對于汽車的較小，但噪聲卻很嚴(yán)重。而且現(xiàn)在割草機(jī)的基本型式可分為旋刀式和滾刀式兩種。而旋刀式草坪割草機(jī)是以小型汽油機(jī)為動(dòng)力帶動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)的一種割草機(jī)械，主要用于公園、街心花園、球場、住宅小區(qū)庭院等綠地修剪、整理等工作，是園林機(jī)械中使用量較大的一種機(jī)械[1][3]。但它存在的主要問題是噪音較高和刀片磨損較快。為此，本文著重對旋刀式割草機(jī)的減噪和增加刀片的耐磨性加以改進(jìn)。在保證良好的加工工藝性能和使用性能的前提下，提高刀片的使用壽命，降低其生產(chǎn)成本。
二、現(xiàn)狀及分析
1國內(nèi)外旋刀式割草機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r及存在的問題
1.1國外旋刀式割草機(jī)械的發(fā)展?fàn)顩r
1805年英國工程師托馬斯·普拉克獲得了第一臺(tái)割草機(jī)的發(fā)明專利，當(dāng)時(shí)的割草機(jī)是裝有環(huán)形刀，機(jī)體笨重且運(yùn)轉(zhuǎn)不很理想。到1830年，埃文·馬丁制造出了類似于今天試用的手扶滾筒割草機(jī)。早期應(yīng)用普遍的是往復(fù)式割草機(jī)，通過加大割幅及提高機(jī)具的前進(jìn)速度來提高機(jī)具的生產(chǎn)率。20世紀(jì)70年代各國開始研制旋刀式割草機(jī)，利用高速旋轉(zhuǎn)的割刀對植株進(jìn)行無支撐切割，此類機(jī)具具有結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間少，不需磨刀、換刀等優(yōu)點(diǎn)。近年來，歐美發(fā)達(dá)國家的割草機(jī)設(shè)備更加成熟，結(jié)構(gòu)參數(shù)更加合理，可靠性、生產(chǎn)率提高很快。生產(chǎn)割草機(jī)的國際著名企業(yè)有沒過紐荷蘭、約翰迪爾、凱斯公司，英國弗格森公司，韓國成元公司，德國威格公司和前進(jìn)公司等。他們生產(chǎn)的設(shè)備無論在機(jī)械結(jié)構(gòu)、動(dòng)力配套、液壓系統(tǒng)還是控制系統(tǒng)方面都處理得很成功，一些最新的科學(xué)理論、最新的科研成果和最新的科學(xué)技術(shù)都在這些機(jī)械設(shè)備上有體現(xiàn)。例如在控制系統(tǒng)方面，單片機(jī)、可編程控制器PLC、工業(yè)控制機(jī)控制IPC等得自動(dòng)化控制手段都得到充分的應(yīng)用。一些發(fā)達(dá)國家如美國已經(jīng)發(fā)明機(jī)器人割草機(jī)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化作業(yè)[9]。
目前國外大多使用滾筒式、圓盤式、水平旋轉(zhuǎn)式或旋刀式割草機(jī)，這些割草機(jī)堅(jiān)固耐用，工作速度快。這些機(jī)具一次通過就能完成割草、壓扁、成條三道工序[3]。
1.2國內(nèi)旋刀式割草機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀
我國生產(chǎn)割草機(jī)起步較晚，生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模普遍較小，產(chǎn)品用途較為單一，均沒有形成規(guī)模批量，所以長期以來，割草機(jī)均以進(jìn)口為主。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到1999年底我國各種園林機(jī)械保有量達(dá)10萬臺(tái)，1999年的割草機(jī)銷售量在3萬臺(tái)左右，其中80%為進(jìn)口。
國內(nèi)目前生產(chǎn)的割草機(jī)一道具類型可分為滾刀式和旋刀式兩大類。旋刀式割草機(jī)是有橫向懸掛在直立軸上的刀片高速旋轉(zhuǎn)打切草上部的葉片，它適于25-80 mm范圍內(nèi)割草。由于期間各低廉，保養(yǎng)、維修方便，使用靈活，只要將刀磨快，就能達(dá)到較為理想的割草效果。因此，一般的草坪都使用旋刀式割草機(jī)作業(yè)，使得旋刀式割草機(jī)稱為國內(nèi)外最流行的割草機(jī)。
國內(nèi)生產(chǎn)割草機(jī)的廠家約有50多家。多為園藝系統(tǒng)的公司以及轉(zhuǎn)產(chǎn)割草機(jī)的機(jī)械廠。國內(nèi)市場上割草機(jī)的品牌很多，有進(jìn)口產(chǎn)品，也有國內(nèi)制造的和中外合資的。
中美合資江蘇淮陰泛亞園林機(jī)械有限公司，生產(chǎn)力特牌—NEAT草坪割草機(jī)，占國內(nèi)市場50%的市場份額，現(xiàn)年產(chǎn)量達(dá)5000臺(tái)。目前正這首進(jìn)行年產(chǎn)5萬臺(tái)的割草機(jī)技術(shù)改造，氣動(dòng)力選用日本本田發(fā)動(dòng)機(jī)。
南通機(jī)床為轉(zhuǎn)產(chǎn)生產(chǎn)割草機(jī)的廠家。其產(chǎn)品為草地王系列產(chǎn)品：56 cm自走式草坪割草機(jī)（4.5 kW）；84cm隨進(jìn)式割草機(jī)（7.8 kW）；84 cm電啟動(dòng)式割草機(jī)（7.8 kW）；122 cm坐騎式剪草機(jī)（13.4 kW）。該廠生產(chǎn)除發(fā)動(dòng)機(jī)以外的零部件，發(fā)動(dòng)機(jī)多選用美國產(chǎn)品，1999年已有產(chǎn)品出口美國。
安徽飛彩車輛股份有限公司“十五”期間進(jìn)行了技術(shù)改造，改造后計(jì)劃年產(chǎn)6萬臺(tái)割草機(jī)。其中代表產(chǎn)品之一是手扶式寬幅割草機(jī)系列，年產(chǎn)5萬臺(tái)，以22161型為例，發(fā)動(dòng)機(jī)為4沖程，4.8 kW，割草寬度53 cm，自走式；代表產(chǎn)品之二是駕乘式割草機(jī)系列，年產(chǎn)1萬臺(tái)，以16-38HXL型為例，為4沖程，11.7 kW，97 cm循環(huán)割草，帶驅(qū)動(dòng)[10]。
1.3國內(nèi)外旋刀式割草機(jī)械存在的問題
雖然旋刀式割草機(jī)的理論和制造技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是結(jié)構(gòu)簡單，操作方便、低噪音、高性能的割草機(jī)并不多。
旋刀式割草機(jī)的配套動(dòng)力有電動(dòng)機(jī)(有電纜或蓄電池供電)和汽油機(jī)兩種。機(jī)遇方面和安全的原因由電纜供電的割草機(jī)只能在小面積上使用，而蓄電池供電的個(gè)采集，因機(jī)器重量較大，且蓄電池需經(jīng)常充電（一般完成700平方米后需進(jìn)行充電）。所以，在小型割草機(jī)上（2.2 kW以下）常采用電動(dòng)機(jī)作為配套動(dòng)力機(jī)。而在2.2 kW以上的割草機(jī)多采用汽油機(jī)作為配套動(dòng)力機(jī)。以汽油機(jī)作為動(dòng)力的旋刀式割草機(jī)，其噪聲污染比較嚴(yán)重，它的噪聲源為汽油機(jī)和旋刀裝置[3]。
目前，國內(nèi)外采用的都是合金彈簧鋼，經(jīng)普通淬火加中、高溫回火后得回火索氏體或回火屈氏體，硬度在HRC40-45，以保證一定的強(qiáng)度和韌性。但生產(chǎn)上遇到的最大難題是合金彈簧鋼如65Mn鋼加工硬化率高，冷彎成型性差。此外，這樣的熱處理工藝并不能很好地滿足刀片強(qiáng)韌性和耐磨性的要求，主要失效形式是磨損。如鉸接式刀片往往是3天就要卸下來磨一次。有時(shí)遇到土質(zhì)不好，有鐵絲石頭等硬物時(shí)，還經(jīng)常發(fā)生刀片斷裂[9]。
1.4研究的內(nèi)容和方法
根據(jù)我國割草機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問題以及人們草坪割草機(jī)的更高要求，對現(xiàn)有的割草機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。在旋刀式割草機(jī)的基礎(chǔ)上，通過對其做減噪處理和刀片的優(yōu)化處理，利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出一款結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、低噪音、高效率的旋刀式草坪割草機(jī)。
設(shè)計(jì)旋刀式草坪割草機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，主要由汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、減速器、傳動(dòng)裝置、汽油機(jī)消音器、手把、行走膠輪、旋刀刀片組成。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，通過聯(lián)軸器與減速器連接，為旋刀裝置提供動(dòng)力。
討論確定了旋刀式割草機(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。根據(jù)選定的有關(guān)參數(shù)，由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出旋刀式割草機(jī)所需的功率，根據(jù)該功率選擇適合的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)。
該課題應(yīng)用的研究方法：理論設(shè)計(jì)、繪制模擬樣機(jī)并進(jìn)行仿真模擬。既要保證割草機(jī)的使用要求，又要盡量減小噪音污染，并提到刀片的使用壽命。
1.
5預(yù)期目標(biāo)
（1）整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)動(dòng)靈活，噪音小，刀片使用壽命長。
（2）汽油機(jī)為動(dòng)力源，在汽油機(jī)上加裝消音器，噪音低、可靠性高、使用簡便。
（3）適于草坪割草作業(yè)，有利于減輕噪音污染，提高刀片使用壽命，對提高割草機(jī)的經(jīng)濟(jì)適用性與環(huán)保舒適性有一定的價(jià)值。
三、重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問題及解決思路
該機(jī)動(dòng)力源為汽油機(jī)，通過聯(lián)軸器，減速器，減速器連接傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和刀片工作，割草機(jī)按設(shè)計(jì)要求切實(shí)降低了工作噪音，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
（1）選擇動(dòng)力,設(shè)計(jì)傳動(dòng)裝置、汽油機(jī)消聲器和刀片。
（2）運(yùn)用AutoCAD軟件，繪制二維零件圖和裝配圖。
（3）運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件完成整機(jī)各零部件的三維建模并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。
四、工作條件及解決方法
塔里木大學(xué)位于南疆中心位置，校內(nèi)環(huán)境優(yōu)美，草坪面積極廣，為項(xiàng)目開展提供了便利的原材料基地。這是本項(xiàng)目順利實(shí)施應(yīng)具備的良好外部科研環(huán)境。塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院擁有先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室和加工設(shè)備，校內(nèi)擁有優(yōu)良的硬件環(huán)境和雄厚的師資力量，這些都為課題的實(shí)施提供了保障。
五、工作方案及進(jìn)度
第1～2周 查閱相關(guān)文獻(xiàn)，撰寫開題報(bào)告。
第3～4周 根據(jù)現(xiàn)有的小型草坪修剪機(jī)和現(xiàn)有割草機(jī)確定旋刀式割草機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案，繪制總體結(jié)構(gòu)簡圖。
第5～6周 根據(jù)工作要求，計(jì)算并查閱相關(guān)手冊，選擇和設(shè)計(jì)各零部件。
第7～9周 運(yùn)用AutoCAD軟件，繪制二維零件圖和裝配圖。
第10～11周 運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件完成整機(jī)各零部件的三維建模并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。
第12周 從工藝性能，經(jīng)濟(jì)性能，實(shí)用性能等方面對產(chǎn)品進(jìn)行綜合評價(jià)、校核、修正。
第13周 完成設(shè)計(jì)說明書。
第14周 整理材料，準(zhǔn)備答辯。
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