立式园林树木修剪机械的设计说明书

1 前言1.1 国内外园林树木修剪机械的发展状况1.1.1 国内外园林树木修剪机械的基本情况园林树修剪机械的发展历史已有百年之久。最早是 20 世纪早期，在西方发达国家出现的，是为了在繁重的园林绿化作业中通过采用机械来减轻工人的劳动量和提高劳动效率。那时候出现的仅仅是起重运输机械和农业机械，直到 20世纪 50 年代以后，各种各样的园林绿化专用机械才开始纷纷面世，有植树机、伐木机、草坪修剪机等。20 世纪 80 年代后，欧美发达国家经济进一步发展，人们生活水平和住房条件的提高，草似的一些小型的草坪机械进入家庭，成为必备机械。到 20 世纪后期，世界各地大部分城市从公共绿地到庭院绿地的建设和养护已全部实现了机械化作业。国内的园林绿化机械设备发展比较晚，是从 20 世纪 70 年代后期开始的，20 世纪 90 年代开始进入快速发展时期。主要的标志就是有许多机械厂在生产通用的园林绿化机械的同时，开始生产各种型号的为了满足不同需要的的园林绿化机械，有的已经出口国外。还有许多机械发达的国家在我国建立园林树木修剪机械的生产厂家，并已经构成庞大的园林机械销售网络。越来越多的小型的园林修剪机械进入千千万万的企事业单位庭院和住宅小区。但从总体来看，我国的园林机械还是品种单一、普及率低、利用效率低、维护不良、性能质量与发达国家还有明显的差异、制作水平也远远落后发达国家。所以，我国处在园林修剪机械发展的初级阶段。1.1.2 园林树木修剪机械的的发展前景21 世纪，中国的园林修剪机械将会更快的发展。中国经济的高速发展带动了城市化的进程，越来越多的城市已经进行城市化的建设，绿化作为城市建设中一个方面越来越受到人们的重视。人们生活水平的提高，在满足物质需求的同时开始追求精神文化的发展，园林作为一种休闲场所，也在各地出现的越来越多。所以，园林的增多导致了对园林修剪机械的需求，推动了园林机械的发展。生产力的发展，劳动力的不足，导致人们对园林修剪机械的要求越来越高。小型化的和多功能化的园林树木修剪机械受到人们追捧。针对上面的问题，园林修剪机械的未来发展前景想着以下几个方向发展：（1）高效与节能结合起来，能源问题越来越受到人们的重视，在追求效率的同时还要考虑到能源的消耗问题。所以要求设计人员对机械设计的细致化，结构的合理化，降低能源的耗损。（2）要求操作简单，维修容易，使用寿命长。要对园林树木修剪机械进行合理的售后服务，对机械要经常进行保养。这就要求结构简单，零部件通用，各个部件的使用寿命加长。（3）要求工作安全可靠。这就要求考虑到机械工作时，防止被意外的情况破坏和损伤，也要求工作人员在进行机械操作的时候人身安全不会受到侵害，也不会对其他人员造成伤害。安全问题要考虑周全。（4）设计的机械要求功能能多样化，能够满足不同的作业情况。现在园林越来越多，各个企事业单位的庭院、住宅小区也越来越多，绿化面积越来越多，但是呈现出小型化，多样化的园林趋势。所以要求修剪机械能够满足不同绿化植被的使用和对同一绿化植被不同功能的使用。（5）由于受到园林地形的影响，车载式的园林修剪机械以及一些复杂的机械在园林中作业受到很多限制，所以要求机械小型化、轻型化。在满足生产作业的同时，尽量减小体积和质量，方便人们作业。（6）还要考虑的环境保护的问题。要求能安全作业的同时不会对环境造成污染，包括大气，噪音等。最好的选择就是电力。但郁郁受到园林地形的影响，可能作业区在远离电网的地方，所以要使用蓄电池。对蓄电池的要求也就会很高。1.2 选题目的与意义园林树木修剪机械的设计是为了满足现代园林绿化的作业要求，能够安全高效快速节能的完成园林树木的修剪。要求通过利用机械、液压以及电子知识设计一台观赏树木的修剪机械，能够满足不同的工作环境。随着社会的发展，城市化的建设，人们对生活环境要求的提高，导致了园林业的发展，又推动了烟园林械业的发展。对于园林树木修剪机械的设计，要使工人在进行园林树木修剪作业时能够大大的减轻工人的工作量，在相同的时间内完成更多的工作。并且考虑到了安全以及环境的问题，在作业的同时不会对操作人员和环境造成损害。同时园林树木修剪机械的轻型化，功能能多样化，可以对不同的园林树木进行修剪，使机械的利用率大大提高，降低使用成本。新型修剪机械也会推动园林业的发展。1.3 设计内容该机械利用电瓶或汽油机做动力，通过变速箱将动力分配、变换来实现行走和工作部件的驱动。可以实现如下功能：（1）可以修剪塔松、刺柏等观赏乔木。机器易于非工作状态下的行走、运输。（2）通过设定程序或调整机构，可以实现花样修剪，如将乔木修剪成波浪形、方形、三角形、断面圆形等等。（3）参数设定：修剪的树的树冠的直径在 5 m 范围之内，高度在 7 m 之内。本设计还要满足能够高效快速的对树木进行修剪，同时要求能够按照人的意愿进行树木的塑形修剪，所以要求修剪的刀具能够按照一定的轨迹行走。要求所设计的机械运输方便，所以设计要尽量的轻型化，能够实现所要求的功能。同时所涉及的机械必须要结构简单，便于维修使用。要对本设计的行走部分，传动部分以及修剪部分进行设计。2 机械结构设计随着经济发展，人们生活水平的提高，对生活环境要求的提高，推动了园林业与园林机械业的发展。园林机械业向着轻型化、多功能化、以及操作简单化。立式园林树木修剪机械设计的主体部分有行走部分、传动部分和剪切部分。还要考虑安全防护措施和动力源。2.1 立式园林树木修剪机械的结构的设计2.1.1 立式园林树木修剪机械的行走部分的设计立式园林树木修剪机的修剪目标可能是对单株的园林树木的修剪，并且进行简单的花样修剪，这就要求所设计的机械的行走部分能够满足不同的环境及要求。由于园林地势的多样化导致了一些大型车载式修剪机无法再园林中正常自由的工作，同时地势的凹凸不平，也给树木塑形造成困难。为了保持工作机械能够在同一个平面内工作，采用导轨的形式，让工作机械在导轨上运行，不受地势的影响，结构如图所示。图 2.1 导轨 1图 2.2 导轨 2作平台能够在导轨上绕树作圆周运动，同时支脚是可以升降调节的，根据不同的地势和环境要求，使得工作台所处的平面保持水平，从而保证对树木的塑形。2.1.2 立式园林树木修剪机械的传动部分的设计立式园林树木修剪机需要根据人的意愿进行花样修剪，如将乔木修剪成波浪形、方形、三角形、断面圆形等等，这就要求工作头能够上下前后移动，满足加工要求的弧线。通过丝杠螺母副将圆周运动变成往复的直线运动，就可以利用伺服电动机来带动工作台的运动。图 2.3 丝杠螺母副如图 2.3 所示，电机通过联轴器带动丝杠旋转，带动丝杠螺母的前后移动从而带动刀具的前后移动，而上下移动也采用了上面的设计。2.1.3 立式园林树木修剪机控制部分的设计由于工作头需要前后上下移动，如果由工作台传递动力结构比较复杂，所以直接使电机通过齿轮传动与刀具连接在一起，电机通电后旋转，带动刀具作旋转运动，对树木枝叶进行剪切运动，如图 2.4 所示。图 2.4 齿轮传动2.2 立式园林树木修剪机械的安全防护措施和动力源2.2.1 立式园林树木修剪机的防护措施由于设计的立式园林树木修剪机的传动系统都是采用的电动机带动的，动力源是有柴油发电机提供的，所以只需要设计一个控制电路就可以实现对工作头可控的规则运动，而操作人员也不需要待在机器或机器的边上，只需要拿着一个控制电源的开关就可以实现机械的远程操控。为了实现工作头的上下前后的移动，选用了丝杠螺母副的结构，通过控制伺服电动机，来带动支架的移动。为了防止人员的疏忽导致的伺服电动机持续运转，导致支架间的碰撞，损坏支架和伺服电动机，在支架的固定位置安装一个开关，当丝杠螺母运转到开关位置时，会引起开关的开合，然后断开伺服电动机的电源，从而保护支架和伺服电动机。2.2.2 立式园林树木修剪机的动力源考虑到整体结构的设计采用电机，需要与电网来凝结。考虑到要受到园林环境的影响，可能与电网连接出比较远或者没有电网，所以采用柴油发电机以满足电机对电源的需要。综合上面所诉，综合设计图如图 2.5 所示。图 2.5 总体结构图3 关键零部件计算与选择3.1 工作头各零部件选择3.1.1 工作头电机的选择电机的选择需要考虑到刀具进行剪切运动是功率的大小。而刀具工作功率的大小需要进行实际的测量，对选择所要修剪的树木进行实际的测量，多个地方测量后，然后确定刀具的实际工作功率，然后选用电机。由于受到条件的限制，无法进行实际的测量，就通过上网查询向关的内容。查询相关的绿篱修剪机械的功率，确定了电机的工作功率 w=0.75kW，刀具的转速大约在6000r/min。查表选用电机型号，具体参数如下表表 3.1 Y 系列(IP44) 电动机的技术数据摘录堵转转矩 最大转矩电动机型号 额定功率/kW 满载转速/(r/min) 额定转矩 额定转矩 质量/kg同步转速 3000r/min,2 级Y801-2 0.75 2825 2.2 2.3 16Y802-2 1.1 2825 2.2 2.3 17Y90S-2 1.5 2840 2.2 2.3 22Y90L-2 2.2 2840 2.2 2.3 25Y100L-2 3 2870 2.2 2.3 33Y112M-2 4 2890 2.2 2.3 45根据上表选用电机型号为 Y801-2，转速 n=2825（r/min ） 。设定传动比为 i=2，则旋转锯片的转速： min)/(56028rniN（3.1）3.1.2 轴的计算根据轴的扭转强度计算轴的直径 315280DNPWT（3.2）其中： 扭转切应力，单位 MPa；T轴所收到的转矩，单位为 Nmm；W轴的抗扭界面系数，单位为 3m；N为转速，单位为 inr；P为转轴的功率，单位为 kW;D计算截面处轴的直径，单位为 ；需用扭转切用力，单位为 MPa，其中 选取 60MPa， )m(6.1075.12833ND（3.3）)(6.74（3.4）所以轴的最小直径应大于 4.76（mm） 。3.1.3 轴承的选择为防止轴的轴向移动，选用圆锥滚子轴承，根据下列图表进行选择。表 3.2 圆锥滚子轴承（GB/T 2971994 摘录）代号 d D T B r1 C r3 E30202 15 35 11.75 11 0.6 10 0.6 2730203 17 40 13.25 12 1 11 1 31.40830204 20 47 15.25 14 1 12 1 37.30430205 25 52 16.25 15 1 13 1 43.135图 3.1 圆锥滚子轴承标注图根据上表选用轴承型号为 30202。3.1.4 端盖的选择根据图表进行端盖的选择：表 3.3 凸缘式轴承盖轴承外径 D 螺钉直径 d3 螺钉数4565 6 470100 8 4110140 19 6150230 1216 6根据上面轴承型号外径选择螺钉直径为 6、螺钉数为 4 的端盖安装螺钉的孔的直径： ）（ m71d30（3.5）螺钉轴线一端盖中心为中心所在圆的直径： )(50.230dD（3.6）端盖外圆直径：)(65.2302mdD （3.7）端盖厚度： )(2.7.13de（3.8）所以选取厚度为 8（mm） 。3.1.5 齿轮的计算齿轮计算选取小齿轮齿数 241z有上文中知传动比： i计算得出大齿轮齿数： 82z选取模数： m则 小齿轮分度圆直径： )(4821mzd（3.9）大齿轮分度圆直径： )(964822zd（3.10）齿顶圆直径： )(52)24()(*1 mmhzdaa （3.11）)(10)8()(*2aa（3.12）齿厚： ）（ m4.13214.32ms（3.13）考虑到键的安装，故齿轮厚度选 20（mm）3.1.6 键的选择键是用于轴和轴上零件的槽或座中，使二者周向固定以传递转矩的联接件。根据机械设计课程设计手册 53 页图表知：轴的公称直径在 1722（mm）之间，键的公称尺寸 6:bh选取键长： )(14mL3.2 支架横梁的计算根据计算估计工作头的重量要小于 45kg，横梁支架的长度为 2.5m，支架又两根圆柱体组成。根据公式计算： WMmaxax（3.14）其中： max为最大弯曲应力，单位 MPa；M为最大弯矩，单位 Nm；W抗弯截面系数，单位 3m396max125001.45（3.15）由公式 32dW（3.16）得 .6m4832d（3.17）由于支架是有两根组成的，为了安全性，每根的支架的轴径为 50mm。3.3 驱动丝杠以及电动机的计算选择假定支架横向移动的最快速度为 10m/min,电动机通过联轴器直接与丝杠连接，转速设为 1000r/min，丝杠的公称直径为 50mm。根据公式m10vhN（3.18）其中；ph进给丝杠的导程，单位 mm;V横梁移动的最快速度，单位 m/min;N为电机转速，单位 r/min。根据估算，横支架的重量在 120kg 以内，根据公式：mgaF（3.19）其中：Fa导向面的摩擦阻力；导向面的摩擦系数，滚珠丝杠螺母副取 0.003；g重力加速度，取 2sm10g；m横支架的重量，单位 kg；经计算得： .6N3102.0aF(3.20)根据下面公式计算驱动扭矩： 2haFT（3.21）其中：T驱动扭矩，单位 Nm;Fa导向面的摩擦阻力，单位 N;ph进给丝杠的导程，单位 mm;为进给丝杠的正效率,滚珠丝杠螺母副取 0.96;计算得 Nm7.956.04132haFT（3.22）则 kW625.09517.0TNP(3.23)根据机械设计课程设计手册 167 页选择电动机，型号为 Y90S-6。3.4 联轴器的选择联轴器是用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）的机械零件，使他们能够共同旋转递扭矩。在一些高速重载的动力传动中，有的联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。其种类有 凸 缘 式 联 轴 、 器 滑 块 联 轴 器 、 弹 性 联 轴 器 、 安 全联 轴 器 、 刚 性 联 轴 器 、 挠 性 联 轴 器 等 。合 理 选 用 的 是 凸 缘 式 联 轴 器 ， 根 据 机 械 设 计 课 程 设 计 手 册 94页 ， 进 行联 轴 器 的 参 数 确 定 。 设 计 如 图 3.1所 示 。图 3.1 凸缘式联轴器对于其他相同的零部件均按照上面的计算方法进行计算设计。4 结论随着生活水平的提高和园林机械行业的发展，园林机械的应用越来越广泛，园林机械的生产技术也会越来越先进。本文中设计的立式园林树木修剪机具有重要的意义。立式园林机械是通过机械设计方法，进行设计的。由于园林复杂的地形，许多园林机械无法在其中进行正常的工作。本文中设计的立式园林修剪机通过采用导轨的形式，使工作机械处于同一个平面内，以便于对园林树木进行规则的修剪。同时支架采用步进电机通过丝杠螺母副进行传动，能够自由的控制工作头进行上下前后的移动，从而能够进行复杂的花样修剪，如将乔木修剪成波浪形、方形、三角形、断面圆形等等。动力源采用的是柴油发电机。由于园林一般处于远离电网或者没有电网的地方，为了电动机能够正常运转和续航能力，采用了柴油发电机作为动力源。在设计中发现还有许多地方能够进行深层次的设计。现代园林机械正在朝着轻型化和多功能化发展，本文中的设计需要对树木进行修剪，为了满足条件，支架的长度太长，不便于运输，有待于进一步的设计，是支架能够减小，以便于运输和放置。在社会日益发展的现在，环境问题越来越受到重视，电力作为一种清洁易得的能源，应用的地方越来越广，园林机械的一个发展方向就是利用店里来作为动力源。但是由于有的园林没有电网或者远离电网，所以要用蓄电池组来进行供电。但是现有的电池技术还无法满足立式园林修剪机的续航，所以蓄电电池组技术需要进一步发展。参 考 文 献1 杜君文等 .机械制造技术装备及设计M.天津.天津大学出版社.20072 濮良贵.机械设计 .M.8 版.北京.高等教育出版社.20063 孙桓.机械原理 .M.7 版.北京.高等教育出版社.20064 张立富, 陆怀民. 国内外园林绿化机械的现状及其发展前景J. 林业机械与木工设备, 2009,37(7):4-65 吴宗泽.罗圣国 .机械设计课程设计手册.M.3 版.高等教育出版社.20