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塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)____________________________________________________________________________________________
旋刀式割草機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)
目 錄
1國內(nèi)外旋刀式割草機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r 1
1.1割草機(jī)的分類 1
1.2國外旋刀式割草機(jī)械的發(fā)展?fàn)顩r 1
1.3國內(nèi)旋刀式割草機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.4國內(nèi)外旋刀式割草機(jī)械存在的問題 2
1.5割草作業(yè)的主要作用 2
1.6割草機(jī)割草的基本要求及注意事項(xiàng) 2
1.6研究的內(nèi)容和方法 3
1.7預(yù)期目標(biāo) 3
2 整機(jī)總體設(shè)計(jì)方案 3
2.1 設(shè)計(jì)原則 3
2.2 旋刀式割草機(jī)的設(shè)計(jì)方案 4
3 旋刀式割草機(jī)主要部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算 6
3.1割草機(jī)工作部分設(shè)計(jì) 6
3.2推桿的設(shè)計(jì) 10
3.3機(jī)架的設(shè)計(jì) 10
4 旋刀式割草機(jī)傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算 13
4.1動力傳遞方案 13
4.2傳動比的計(jì)算 13
5主要部件的強(qiáng)度分析 15
6總結(jié) 15
致謝 17
參考文獻(xiàn) 18
1國內(nèi)外旋刀式割草機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r
1.1割草機(jī)的分類
按切割器類型可以分為旋刀式、往復(fù)式、滾刀式、甩刀式、甩繩式。其中，應(yīng)用最多的是旋刀式割草機(jī)、滾刀式割草機(jī)和往復(fù)式割草機(jī)。
往復(fù)式割草機(jī)割茬低而整齊，草坪損失少，單位割幅的金屬用量和功率消耗低，因而成本較低。它的作業(yè)速度一般為6~8 km/h。提高割刀的往復(fù)次數(shù)并解決割刀的全平衡問題后，旋刀式割草機(jī)是由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25~80mm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)[1] [6] 。
按配套動力和作業(yè)方式分可以分為：手推式、手扶隨行式、手扶自行式、坐騎式和拖拉機(jī)懸掛式割草機(jī)。
按動力驅(qū)動方式主要分為人畜力驅(qū)動、發(fā)動機(jī)驅(qū)動和電力驅(qū)動三種形式割草機(jī)。其中，以發(fā)動機(jī)驅(qū)動的割草機(jī)最多，發(fā)動機(jī)多為單缸汽油機(jī)。太陽能割草機(jī)雖然已有生產(chǎn)，但應(yīng)用較少。
動力驅(qū)動的割草機(jī)按牽引方式或懸掛方式可分為前置式、側(cè)置式、后置式、中置式割草機(jī)。目前，也有旋刀式手推隨行式割草機(jī)，大部分采用中置懸掛，而滾刀手推隨行式割草機(jī)多采用前置式掛接，大型的割草機(jī)則采用混合牽引方式。
1.2國外旋刀式割草機(jī)械的發(fā)展?fàn)顩r
在割草機(jī)問世之前，草坪的修剪主要工具是鐮刀，放牧牛羊也是保持草地平整的重要方法。隨著高爾夫球、網(wǎng)球及足球等運(yùn)動的興起，人們擁有平整美觀的草地做運(yùn)動場地的要求越來越迫切。1805年英國人普拉克內(nèi)特發(fā)明了第一臺收割谷物并能切割雜草的機(jī)器，由人推動機(jī)器，通過齒輪傳動帶動旋刀割草，這就是旋刀割草機(jī)的雛形。1805年英國工程師托馬斯·普拉克獲得了第一臺割草機(jī)的發(fā)明專利，當(dāng)時的割草機(jī)是裝有環(huán)形刀，機(jī)體笨重且運(yùn)轉(zhuǎn)不恨理想。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)用普遍的是王府式割草機(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)了自動化作業(yè)。
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[1] [2]。
1.3國內(nèi)旋刀式割草機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀
隨著社會的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對生存環(huán)境的要求也越來越高，城市環(huán)境的保護(hù)得到越來越多的重視。我國草坪建設(shè)也得到了迅速的發(fā)展。草坪美化環(huán)境，固土護(hù)坡，凈化空氣多種功能已經(jīng)成為人們的共識。
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，1999年的割草機(jī)銷售量在3萬臺左右，其中80%為進(jìn)口。
改革開放以來，我國的草坪業(yè)由興起到長足發(fā)展，只有十幾年的時間，卻為草坪機(jī)械業(yè)的發(fā)展帶來了勃勃生機(jī) 。首先是機(jī)械先進(jìn)，90%以上為進(jìn)口產(chǎn)品，其次外從草坪建植到養(yǎng)護(hù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)機(jī)械配套齊全，基本上實(shí)現(xiàn)了全程機(jī)械化，再次是產(chǎn)品品種多、系列化程度高。而在草坪機(jī)械中割草機(jī)發(fā)展最快，我國引進(jìn)使用的割草機(jī)有美國和日本等十幾個國家的幾十種機(jī)型，我國也已經(jīng)開始生產(chǎn)割草機(jī)，目前國內(nèi)外所用的割草機(jī)種類繁多，其分類方法也多樣化。
我國目前生產(chǎn)的割草機(jī)以刀具類型可分為滾刀式和旋刀式兩大類。
據(jù)調(diào)查，國內(nèi)生產(chǎn)割草機(jī)的廠家大約有50家左右。多數(shù)為園藝系統(tǒng)的公司以及轉(zhuǎn)產(chǎn)割草機(jī)的機(jī)械廠。市場上草坪修剪機(jī)的品牌很多，有進(jìn)口的產(chǎn)品，也有國內(nèi)制造和中外合資的，從功率2.6~1.2千瓦，剪幅從43.2~127厘米。
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。目前正這首進(jìn)行年產(chǎn)5萬臺的割草機(jī)技術(shù)改造，氣動力選用日本本田發(fā)動機(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：56cm自走式草坪割草機(jī)；84cm隨進(jìn)式割草機(jī)；84nm電啟動式割草機(jī)；122cm坐騎式剪草機(jī)。該廠生產(chǎn)除發(fā)動機(jī)以外的零部件，發(fā)動機(jī)多選用美國產(chǎn)品，1999年已有產(chǎn)品出口美國。
山東省萊州市仲院宇峰鍘草機(jī)廠研制出全新微型電動鍘草機(jī)，該機(jī)以單相照明電為動力，無電地區(qū)或停電時用165、175、180等型號柴油機(jī)為動力，適宜鍘切玉米秸、麥秸、稻草以及青貯飼料，每小時鍘草量300~400 kg，切草長度為1.5~2 cm。整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，全機(jī)重僅32 kg，移動方便，并具有切碎均勻、出料順暢、揚(yáng)程遠(yuǎn)、噪音低等特點(diǎn)。
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，以22161型為例，發(fā)動機(jī)為4沖程，4.8，割草寬度53cm，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，以16-38HXL型為例，為4沖程，11.7 kW，97cm循環(huán)割草，帶驅(qū)動。
目前，我國已經(jīng)研制開發(fā)出來草坪割草機(jī)試驗(yàn)臺，草坪割草機(jī)為現(xiàn)代城市綠化的重要設(shè)備，目前市場上國產(chǎn)的機(jī)器均有一定的市場，但質(zhì)量參差不齊。對于草坪割草機(jī)的安全指標(biāo)，僅有檢測方法，沒有現(xiàn)成的撞擊試驗(yàn)專用設(shè)備。為了對其進(jìn)行科學(xué)的測試，北京市農(nóng)機(jī)試驗(yàn)鑒定推廣站研制成功草坪割草機(jī)專用試驗(yàn)臺。該試驗(yàn)臺自動化程度高，采用了氣動傳動技術(shù)、機(jī)－電安全鎖定機(jī)構(gòu)及氣動調(diào)速技術(shù)，可對國內(nèi)各型草坪割草機(jī)進(jìn)行安全性能試驗(yàn)，能夠完成草坪機(jī)的撞擊試驗(yàn)和刀片護(hù)罩強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該專用試驗(yàn)臺達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，檢測快捷，安全性高[10] [11]。
1.4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)的配套動力有汽油發(fā)動機(jī)(有電纜或蓄電池供電)和汽油機(jī)兩種?；诎踩矫娴脑蛴呻娎|供電的割草機(jī)只能在小面積上使用，而蓄電池供電的割草機(jī)，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）常采用汽油發(fā)動機(jī)作為配套動力機(jī)。而在2.2 kW以上的割草機(jī)多采用汽油機(jī)作為配套動力機(jī)。以汽油機(jī)作為動力的旋刀式割草機(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。
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。有時遇到土質(zhì)不好，有鐵絲石頭等硬物時，還經(jīng)常發(fā)生刀片斷裂[2] [3] [10]。
1.5割草作業(yè)的主要作用
割草作為草坪修整的一項(xiàng)最基本作業(yè)，要求使用簡單高效的割草機(jī)械，保質(zhì)保量完成割草作業(yè)任務(wù)。同時，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)作動力，采用尼龍繩甩打草葉；或者是使用電動、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)[3]。
1.6割草機(jī)割草的基本要求及注意事項(xiàng)
1.6.1基本要求
（1）割草高度可根據(jù)要求調(diào)整，適應(yīng)高度調(diào)整范圍大，當(dāng)草坪要求修剪很低能達(dá)到要求。
（2）割草整齊、平整，同一行程前后割草高度一致，兩次作業(yè)行程銜接平滑、無接茬。
（3）對地形的適應(yīng)能力強(qiáng)，仿行能力強(qiáng)，隨地形變化前后剪草高度一致。
（4）割草機(jī)對草坪碾壓輕、傷害少。
（5）草屑收集干凈，或被切割部分細(xì)碎性能好（草屑撒在草坪中當(dāng)肥料時），以便于灑落在草坪下及時腐爛。
（6）割草機(jī)質(zhì)量好，故障少，節(jié)省燃料、效率高。
（7）易于操作、輕便靈活、維修調(diào)試方便，零部件通用性和互換性好。
（8）正確掌握修剪草坪的時間并且制定科學(xué)的修剪高度和修剪頻率[8]。
1.6.2注意事項(xiàng)
（1）不可以將手動割草機(jī)用于割除攀藤植物、屋頂或陽臺上的青草等，那樣有可能傷害到身體。
（2）每次使用之前都需要進(jìn)行一次檢查，確認(rèn)所有的螺栓、螺母、工具都沒有磨損或損壞，對于磨鈍或損壞了的刀片應(yīng)當(dāng)更換。
（3）再檢查一下要割草的草坪表面，要清除干凈石頭、木塊、電線等其他堅(jiān)硬的物體，這些物品碰到刀具時會飛甩出去而無法控制。
（4）旁邊有人，尤其是兒童和動物的時候，不要使用該割草機(jī)。
（5）割草時一定要穿用防滑底做成的結(jié)實(shí)靴子。
（6）旋轉(zhuǎn)的刀片轉(zhuǎn)筒可能會造成人身傷害，刀片轉(zhuǎn)筒和操作人員之間的安全距離是通過導(dǎo)桿隔開的，一定要一直保持這個安全距離。在堤岸或斜坡上割草時尤其要注意，一定要順著斜坡的方向割。
（7）當(dāng)后退拉動割草機(jī)時要特別小心，有絆倒的危險。
（8）任何時候都不要將手或腳放在運(yùn)動部件的上方或下方。
（9）如果刀具或割草機(jī)遇到障礙或堅(jiān)硬的物體時，一定要適當(dāng)全面地檢查割草機(jī)。
（10）只有在能見度好，視野清晰的時候才可以進(jìn)行工作[8]。
1.6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)動機(jī)、傳動軸、工作軸、割草機(jī)機(jī)架、手把、行走膠輪、旋刀刀片組成。
汽油發(fā)動機(jī)機(jī)提供動力，通過傳動軸和工作軸為旋刀裝置提供動力。旋刀裝置主要部件為旋刀刀片。
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)動機(jī)型號。
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。
1.7預(yù)期目標(biāo)
（1）整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，質(zhì)量輕，尺寸小，機(jī)動性好。
（2）汽油發(fā)動機(jī)為工作動力源，人作為行走動力，造價低、可靠性高、使用簡便，具有節(jié)省能源，降低污染的特點(diǎn)。
（3）適于一般草坪維護(hù)，成本低廉，有利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。
2 整機(jī)總體設(shè)計(jì)方案
2.1 設(shè)計(jì)原則
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)動性好。
2.2 旋刀式割草機(jī)的設(shè)計(jì)方案
圖2-1旋刀式割草機(jī)
圖2-2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 2-2 所示，旋刀式割草機(jī)主要工業(yè)腳輪、下機(jī)架、發(fā)動機(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)動機(jī)提供動力，其輸出軸通過花鍵與裝配有刀片的工作軸相連，帶動旋刀工作，使其實(shí)現(xiàn)割草動作，發(fā)動機(jī)有油門控制旋鈕，通過旋轉(zhuǎn)旋鈕控制發(fā)動機(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)的動力是來源于行走輪驅(qū)動，即靠人的推力來驅(qū)動。查閱《人機(jī)工程手冊》，人步行速度約為3~5千米/時，即48~64米/分，考慮到要推動割草機(jī)進(jìn)行切割，選取人的步行速度為48米/分，即0.8米/秒。
查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》得到以下數(shù)據(jù)：
成年男性身高：
18—25周歲 1554~1830毫米
26—35周歲 1545~1851毫米
36—60周歲 1553~1798毫米
平均身高：
18—60周歲 1543~1814毫米
成年女性身高：
18—25周歲 1457~1709毫米
26—35周歲 1449~1698毫米
36—60周歲 1445~1683毫米
平均身高：
18—60周歲 1449~1697毫米
成年男性臂長：
18—25周歲 279~350毫米
26—35周歲 280~349毫米
36—60周歲 278~348毫米
平均臂長：
18—60周歲 279~349毫米
成年女性臂長：
18—25周歲 253~319毫米
26—35周歲 253~320毫米
36—60周歲 251~317毫米
平均臂長：
18—60周歲 252~319毫米
立姿工作崗位工作高度：
男性：
950~1050~1150毫米
1050~1200~1300毫米
女性：
850~950~1050毫米
1000~1100~1200毫米
綜合以上因素，設(shè)計(jì)推桿機(jī)支架的尺寸，并且根據(jù)不同性別和不同年齡將推桿的高度和傾斜角度設(shè)計(jì)成可以調(diào)節(jié)的。站立工作時操作的有關(guān)尺寸，以及人體需要的可能活動空間.
由《人機(jī)工程手冊》查得，人體身高尺寸（成年男性）多在170 cm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。
A：精密工作，靠肘支撐工作。（設(shè)計(jì)尺寸針對男性：105~115毫米 針對女性：100~110毫米）
B：虎鉗固定在工作臺上的高度：113毫米
C：輕手工工作。（男性：95~100毫米 女性：90~95毫米）
D：用勁大的工作。（男性：80~95毫米 女性：75~90毫米）
本設(shè)計(jì)屬于D范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)。
又因?yàn)樵摳畈輽C(jī)是手推式的，動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71~97 m/s，在這個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200 N左右都能推動這部割草機(jī)才行。
初步選取外輪直徑D=80 mm,
由《人機(jī)工程手冊》查得，人體身高尺寸（成年男性）多在170 cm左右。因此，推桿距地面的高度取為100 cm，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)，其主要技術(shù)參數(shù)如表2-1所示：
3 旋刀式割草機(jī)主要部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算
3.1割草機(jī)工作部分設(shè)計(jì)
圖3-1刀組結(jié)構(gòu)圖
表2-1 本田GX35汽油機(jī)技術(shù)參數(shù)
項(xiàng)目
技術(shù)參數(shù)
汽油機(jī)型號
GX35
汽油機(jī)型式
單缸、四沖程
氣缸直徑（mm）
39.0
活塞直徑（mm）
30.0
排量（mL）
31
標(biāo)定轉(zhuǎn)速(r/min)
3600
最大功率（ps）
1.5
旋轉(zhuǎn)方向
逆時針方向（面向輸出軸）
化油器型式
膜片式
點(diǎn)火系統(tǒng)
晶體化，無觸點(diǎn)
火花塞編號
GMR5H(NGK)
起動方式
手拉反沖起動
外形尺寸（長×寬×高）（mm）
198×234×240
調(diào)速器型式
離心重錘式
燃油箱容量（L）
1
凈重（kg）
3.4(無離合器)
如圖3-1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)動機(jī)輸出軸連接，軸向定位在軸上開兩個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，旋刀可以隨時更換。
3.1.1 旋刀的設(shè)計(jì)
圖3-1旋刀
圖3-2旋刀結(jié)構(gòu)圖
旋刀的結(jié)構(gòu)圖如圖3-2，材料是65Mn鋼，等溫淬火后硬度為42~50HRC，,。
3.1.2 傳動軸的設(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3-3傳動軸圖
（1）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） 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖3-4傳動結(jié)構(gòu)軸
傳動軸的結(jié)構(gòu)簡圖如上圖3-4，一有內(nèi)花鍵，另一端直接與發(fā)動機(jī)的輸出軸相連；通過花鍵連接將動力傳導(dǎo)至工作軸。
3.1.3 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3-5。
圖3-5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。
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖3-6工作軸結(jié)構(gòu)圖
傳動軸的結(jié)構(gòu)簡圖如上圖3-6，一端有加工有外花鍵，與傳動軸相連，另一端連接旋刀，帶動旋刀進(jìn)行割草作業(yè)。
3.1.4傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
傳動軸和工作軸通過花鍵連接，以此調(diào)整旋刀離地的高度，實(shí)現(xiàn)對割草高度的調(diào)節(jié)。
圖3-7傳動機(jī)構(gòu)
3.2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3-8。
圖3-8推桿結(jié)構(gòu)圖
3.3機(jī)架的設(shè)計(jì)
3.3.1萬向輪的設(shè)計(jì)
割草機(jī)的行走輪，采用工業(yè)腳輪和工業(yè)車輪的設(shè)計(jì)理念，充分考慮割草機(jī)低速行駛的特點(diǎn)，行走輪材料采用聚甲醛POM，材料選擇依據(jù)：聚甲醛耐磨性和剛性高于尼龍，尤其是彈性模量高、硬度高，這事其他塑料所不能比的；聚甲醛自潤滑性能好，耐磨性好，摩擦因數(shù)為0.15~0.35，極限值為；聚甲醛有較小的蠕變性和吸濕性，故其尺寸穩(wěn)定性好；長期使用溫度為-40～100℃；用聚四氟乙烯填充的聚甲醛，可顯著降低米擦因數(shù)，提高耐磨性極限值。因此聚甲醛聚甲醛常被用來制作相對強(qiáng)度有一定要求的一般結(jié)構(gòu)零件，適用于在輕載荷、霧潤滑或少潤滑條件下工作的各種耐磨受力傳動零件，以及制作間摩擦自潤滑零件。
走輪的大小尺寸應(yīng)與割草機(jī)的整體形狀和尺寸緊緊相連。根據(jù)機(jī)具整體設(shè)計(jì)方案并參考GB/T 14688-1993等相關(guān)國標(biāo)數(shù)據(jù)，割草機(jī)的前輪采用萬向輪，以方便割草機(jī)的轉(zhuǎn)向，以實(shí)現(xiàn)機(jī)動靈活的割草作業(yè)，后輪采用腳輪形式。
萬向輪的外徑是，其具體形狀參照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》中工業(yè)腳輪的形狀和尺寸。結(jié)構(gòu)采用萬向輪支架裝配，萬向輪支架材料選用HT200，并將支架焊接在割草機(jī)機(jī)架上。由公式得：外輪的轉(zhuǎn)速
萬向輪結(jié)構(gòu)如圖3-9。
圖3-9萬向輪結(jié)構(gòu)圖
3.3.2 腳輪的設(shè)計(jì)
輪子材料是聚甲醛POM，支架材料為HT200，由于萬向輪和腳輪的支架結(jié)構(gòu)尺寸不相同，為了是機(jī)架在平地上保持水平，取腳輪的外徑為170mm，其具體形狀參照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》中工業(yè)車輪的形狀和尺寸。結(jié)構(gòu)采用腳輪支架裝配，同樣焊接在割草機(jī)底部底部。結(jié)構(gòu)如圖3-10。
圖3-10腳輪結(jié)構(gòu)圖
3.3.3 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3-11。
圖3-11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）。考慮到割草機(jī)工作時對銷軸有一些沖擊，故取許用剪切應(yīng)力，許用壓應(yīng)力，抗拉強(qiáng)度。
發(fā)動機(jī)的質(zhì)量為3.4kg,燃油箱容量為1L，裝滿燃油時燃油質(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。
3.4.4刀殼的設(shè)計(jì)
外殼材料選用HT100，選用依據(jù)是HT100有一定的強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度非常高，有良好的吸振性、減振性和潤滑性，有良好的切削加工性與鑄造性，可用于制造外罩、手把等形狀簡單、對強(qiáng)度無要求的零件。
圖3-12外殼結(jié)構(gòu)圖
外殼的外形上方下圓，外殼的頂部有四個孔，可使用螺釘將其固定在機(jī)架底部。起到安全防護(hù)和收集草屑的作用。在外殼的一端有延伸的排草口。因?yàn)樾督Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，在兩端有刃口和翼片，當(dāng)旋刀旋轉(zhuǎn)割草作業(yè)時，翼片可將刀殼內(nèi)的空氣排出，這時刀殼內(nèi)形成負(fù)壓，當(dāng)草長的較高，割草機(jī)前進(jìn)時，刀殼前部下緣會把草按倒；當(dāng)草長得茂盛而發(fā)生倒伏時，刀殼外的空氣刀殼內(nèi)時，可對倒伏的草起到提升的作用。翼片旋轉(zhuǎn)形成的氣流可將刀刃切下的草屑懸浮到氣流中，經(jīng)排草口排除刀殼，就地灑落。從而避免出現(xiàn)草屑在刀殼內(nèi)堵塞的現(xiàn)象。
4 旋刀式割草機(jī)傳動系統(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)的傳動部分采用花鍵連接的軸組成。當(dāng)發(fā)動機(jī)工作使得輸出軸轉(zhuǎn)動時，通過花鍵連接的工作軸旋轉(zhuǎn)，使得旋刀也一起轉(zhuǎn)動，通過旋刀的高速旋轉(zhuǎn)動作，將草坪上多余高度的草割斷。
4.1動力傳遞方案
動力傳動方案如圖4-1所示：
圖4-1動力傳動方案
4.2傳動比的計(jì)算
電動機(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)的傳動比。
4.3傳動系統(tǒng)計(jì)算與工作軸設(shè)計(jì)
割草機(jī)的傳動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。
4.3.1載荷計(jì)算
輸入轉(zhuǎn)矩
名義切向力
單位載荷
4.3.2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。
4.3.3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。
4.3.4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。
4.3.5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。
5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5-1工作軸的受力圖
圖5-2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)。對于一般傳動軸，可??；對于精密傳動軸，可?。粚τ诰纫蟛桓叩妮S，。在割草機(jī)工作軸的傳動中，因?yàn)槭且话銈鲃?，所以取?
計(jì)算結(jié)果：滿足強(qiáng)度條件，安全。
6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)動機(jī)作為動力，體積小、成本低、工作可靠、。采用裝配式機(jī)架，汽油發(fā)動機(jī)輸出動力帶動旋刀工作，發(fā)動機(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。
致 謝
對于這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成，首先感謝母校塔里木大學(xué)的辛勤培育，感謝學(xué)校給我提供了如此難得的學(xué)習(xí)環(huán)境和機(jī)會，使我學(xué)到了許多新的知識、知道了知識的可貴與獲取知識的辛勤。
承蒙范修文老師的耐心指導(dǎo)，我順利地完成了我的畢業(yè)設(shè)計(jì)。在此深深感謝我的老師給予了我耐心的指導(dǎo)和幫助,表現(xiàn)了他對工作高度負(fù)責(zé)的精神，同時也感謝給我?guī)А懂嫹◣缀巍返睦钇嚼蠋?，《機(jī)械設(shè)計(jì)》的張涵老師，《互換性與測量技術(shù)》的馬少輝老師，《先進(jìn)制造技術(shù)》的張宏老師，沒有這些課程做基礎(chǔ)，是無法完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，感謝你們！同時在Solidwork三維繪圖中，感謝范修文老師提出的寶貴意見。
在我的設(shè)計(jì)過程中，還得到了眾多同學(xué)的支持和幫助，在此，我對這些同學(xué)表示我衷心的感謝和永遠(yuǎn)的祝福！
對于這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，還有許多美好的設(shè)想由于時間和自身因素?zé)o法得以實(shí)現(xiàn)，這不能不說是本次設(shè)計(jì)的遺憾之處。不過，至少它啟發(fā)了我的的思維，提高了我的動手能力，豐富了我為人處世的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步鞏固了所學(xué)知識，這為我在以后的學(xué)習(xí)過程當(dāng)中奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 。也為以后在自己的工作崗位上發(fā)揮才能奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
最后，再一次衷心的感謝贈與我知識、給予我?guī)椭乃欣蠋?，你們傳遞的知識使我受用一生，你們的恩情我會銘記一生！雖然說謝謝二字不足以表達(dá)我的感情，但是仍然對你們說聲“謝謝”，“桃李不言，下子成溪”！
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