车载园林修剪机机械臂和工作机构设计

车载园林修剪机机械臂和工作机构设计摘要园林绿化机械作为林业机械的一个分支，它的发展只有50年左右的历史，它是随着城市园林化，特别是草坪业的发展，而逐步发展壮大起来。良好的环境，合理的生态系统，是人类赖以生存和发展的不可缺少的摇篮。随着生活水平的提高，人们对生活环境的要求也越来越高。绿篱在城市道路和园林绿化中也占有重要地位。因其可修剪成各种造型，并能相互组合，从而提高了观赏效果和城市的美化。此外，绿篱还能起到遮盖不良视点、隔离防护和防尘防噪等作用。绿篱生长会成各种各样的形状，因此对绿篱的修剪工作非常重要。本文设计一种车载式园林修剪机，其包括两个部分组成，分别为机械手臂结构和修剪工作机构。其中本次设计的园林修剪机的机械手臂拥有4个自由度，采用液压形式驱动，执行机构由液压马达提供动力。本文重点完成机械手臂和执行机构的设计，包括机械手臂结构形式的确认，液压缸的设计计算，刀片的设计，主轴的强度校核等。关键词车载园林修剪机，机械手臂，工作机构，液压缸IABSTRACTGARDENINGMACHINERYASABRANCHOFFORESTRYMACHINERY,ITSDEVELOPMENTISONLYABOUT50YEARSOFHISTORY,ITISWITHTHEURBANLANDSCAPE,ESPECIALLYTHEDEVELOPMENTOFTURFINDUSTRY,ANDGRADUALLYGROWUPGOODECOLOGICALENVIRONMENT,REASONABLESYSTEMISINDISPENSABLE,THECRADLEOFHUMANSURVIVALANDDEVELOPMENTWITHTHEIMPROVEMENTOFLIVINGSTANDARDS,PEOPLESDEMANDONLIVINGENVIRONMENTISMOREANDMOREHIGHTHEHEDGEALSOOCCUPIESANIMPORTANTPOSITIONINTHECITYROADSANDLANDSCAPINGBECAUSEITCANBECUTINTOVARIOUSSHAPES,ANDCANBECOMBINEDWITHEACHOTHER,THEREBYIMPROVINGTHEORNAMENTALEFFECTANDTHEBEAUTIFICATIONOFTHECITYINADDITION,HEDGESCANALSOPLAYABADCOVERVIEW,ISOLATIONPROTECTIONANDDUSTPROOFANTINOISEEFFECTHEDGEROWGROWTHINTOAVARIETYOFSHAPES,SOTHEHEDGEROWPRUNINGISVERYIMPORTANTINTHISPAPER,THEDESIGNOFAVEHICULARGARDENTRIMMINGMACHINE,WHICHCOMPRISESTWOPARTS,RESPECTIVELYMECHANICALARMSTRUCTUREANDTHEPRUNINGMECHANISMINTHEDESIGNOFGARDENPRUNINGMACHINEMECHANICALARMWITHFOURDEGREESOFFREEDOM,ANDUSESTHEFORMOFHYDRAULICDRIVE,ACTUATOR,POWEREDBYHYDRAULICMOTORSTHISPAPERFOCUSONTHECOMPLETIONOFTHEMECHANICALARMANDACTUATORDESIGN,INCLUDINGRECOGNITIONOFTHEMECHANICALARMSTRUCTUREFORM,DESIGNANDCALCULATIONOFHYDRAULICCYLINDER,DESIGNOFTHEBLADE,THESPINDLESTRENGTHCHECKKEYWORDSVEHICLEGARDENPRUNINGMACHINE,MECHANICALARM,WORKINGMECHANISM,HYDRAULICCYLINDERII目录摘要IABSTRACTII第一章引言111课题研究的目的及意义112机械手的研究现状及发展趋势1121国内的研究现状1122国外研究现状2123发展趋势313园林修剪机的发展314绿篱修剪机械的研究应用现状4141国内研究现状分析4142国外研究现状分析415课题设计思路416课题设计结构4第二章车载园林修剪机的总体设计方案621车载园林修剪机的组成及各部分关系概述622车载园林修剪机驱动方案的确认623机械手基本形式的选择6231直角坐标型机械手6232圆柱坐标型机械手7233极坐标型机械手7234多关节机械手724工作装置方案拟定9第三章车载园林修剪机机械手臂的设计计算1131拟定主要技术参数1132主臂液压缸的设计计算11321负载分析11322油缸效率分析12323系统背压的选择12324液压缸缸径的确认13325导向长度的确认14325活塞宽度的确定14B326缸体长度的确定14327缸筒壁厚的计算14328缸体外径尺寸的计算15329活塞杆强度和液压缸稳定性计算153210缸筒壁厚的验算173211活塞设计18III3212密封件的选用183213活塞杆的设计193214缓冲装置和排气阀2133其它液压缸的设计计算2241刀具的设计23411刀具的材料23412校核修剪刀具的强度23413修剪刀具的外形结构2642刀片主轴的设计及强度校核计算26421轴的校核27第五章结论3251本设计所取得的结果3252技术展望32参考文献33致谢340第一章引言11课题研究的目的及意义园林绿化机械作为林业机械的一个分支，它的发展只有50年左右的历史，它是随着城市园林化，特别是草坪业的发展，而逐步发展壮大起来。良好的环境，合理的生态系统，是人类赖以生存和发展的不可缺少的摇篮。随着生活水平的提高，人们对生活环境的要求也越来越高。绿篱在城市道路和园林绿化中也占有重要地位。因其可修剪成各种造型，并能相互组合，从而提高了观赏效果和城市的美化。此外，绿篱还能起到遮盖不良视点、隔离防护和防尘防噪等作用。绿篱生长会成各种各样的形状，因此对绿篱的修剪工作非常重要。通过本课题，让学生在此次设计过程中综合大学所学基础课程及专业课程，培养学生综合应用所学知识和技能去分析和解决一般工程技术问题的能力；进一步培养学生分析问题、创造性地解决实际问题的能力。本课题中车载园林修剪机系统主要采用气压驱动。12机械手的研究现状及发展趋势121国内的研究现状工业机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高温等恶劣环境中工作代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用与制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。我国工业机械手的研究与开发始于20世纪70年代。1972年我国第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划（19861990）开始，我国政府将工业机械手的发展列入其中，并且为此项目投入大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机械手，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机械手，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机械手，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机械手，沈阳工业大学设计制造的装卸载机械手等等。这些机械手的控制器，都是由中国科学院沈阳1自动化研究所和北京科技大学机械手研究所开发的，同时一系列的机械手关键部件也被开发出来，如机械手专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器，DCPWM等等。我国的工业机械手发展主要是逐步扩大其应用范围。在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于跟换工件，扩大了应用范围。目前国内机械手主要用于机床加工、锻造。热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。122国外研究现状国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如发生少许偏差时候，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定的成绩。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上，又试制成一台数控示教再现型机械手。运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓做储存装置。不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的；同年该公司和普曼公司合并成为万能制动公司，专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也实验成功一种叫VERSATRAN机械手，原意是灵活搬运，可做点位和轨迹控制该机械手的中央立柱可以回转、升降、伸缩，采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这2种机械手出现在六十年代初，但都是国外机械手发展的基础。从60年代后期起，喷漆、弧焊工业机械手相继在生产中开始应用。1978年美国UNIMATE公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种UNIMATIONVICARM型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业。联邦德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作2业联邦德国KUKA公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制；日本是工业机械手发展最快，应用国家最多的国家，自1969年从美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前以成为世界上工业机械手应用最多的国家之一。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，主要用于机械化、自动化程序较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作。123发展趋势现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。目前世界高端工业机械手均具有高精化，高速化，多轴化，轻量化等的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S，良新产品可以达到6轴，负载2KG的产品系统总重已突破100KG。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相互结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，从而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。13园林修剪机的发展为了获得造型各异的树木、绿篱及草坪等，都需要按规定进行不同的修剪作业。草坪修剪机分为滚切式、旋刀式、剪切式三大类，按动力则分为手动与机动两类。机动修剪机有乘座式及手推车式。上海园林工具厂生产JCG25D型手推草坪修剪机有6片滚刀旋转切草坪，幅宽250MM，地而坡度适应性较好，但效率较低。近年来大部分绿化部门都使用进口澳洲陆宝RDVER457CM草坪机其特点为刀片耐磨、噪声低、震动小、对坡地适应性较好。陆宝457CM系列草坪修剪机动力系单缸4冲程汽油机，功率294KW,441KW多种，刀片为剪切式。用于绿篱修剪作业机具的研制我国起步较早，生产的儿种机型，如北京园林机械厂研制的中频电机为动力的双动往复刀片式上海园林工具厂生产的电动旋刀式，刀片呈辐射状，定刀片对枝条起支承作用，动刀片旋转则进行切割，该机需配12V的蓄电池。从使用角度看，配置不大合里。效率不是很高。现在对这类机具一般采用进口的较好的。如日木产E7B750、HT750型，此机动力系单缸4冲程汽油机、体积小、重举轻、工作效率高。人行道两边树木多为银中杨、白杨、梧桐等乔木。其树形高大，一般高于5M,每天要进行适当的修剪，以控制树势。一般高枝直径在20MM以下的宜用手动向枝剪，台湾和青岛合资3M3伸缩HA200型，工作向度4M,适宜修剪行道树和同内绿化树术。日木巴尼高枝剪除剪枝、锯枝外还能摘果。14绿篱修剪机械的研究应用现状绿篱移动修剪作业机械执行机构控制系统的研究，有助于绿篱移动修剪作业机械系统和移动机械手控制的研究和实现，对提升我国环境绿化作业机械装备水平也具有重要的实际意义和科学价值。141国内研究现状分析我国对于绿篱修剪作业机具的研制起步较早，生产了几种机型，如北京园林机械厂研制的以中频电机为动力的双动往复刀片式上海园林工具厂生产的电动旋刀式，其刀片呈辐射状，定刀片对枝条起支承作用，动刀片旋转则进行切割，该机需配12V的蓄电池。从使用角度看其配置不太合理，效率不是很高。目前在我国城市道路以及企事业单位的道路绿篱，普遍采用的是手持式油锯或手动修枝剪国内目前只生产LT系列等便携式绿篱修剪机。高枝修剪机有锯式和剪切式两类，传动方式以液压、气动为多，比较有名的有小松、SOLO、STIHL等。142国外研究现状分析修剪机有汽油机作动力的，也有电动的，切割机械以往复式为多，日木的小松、德国的STIHL、瑞典的HUSQVARAN等均生产有各种不同规格的便携式绿篱修剪机。欧洲还生产一种车载臂架悬挂式绿篱修剪机，它可以修剪高度或宽度比较大的绿篱。15课题设计思路1）参考所有与车载园林修建机产品相关数据，了解整个车载园林修剪机的整机系统的组成。2）车载园林修剪机整机方案的确认。3）车载园林修剪机机械臂的设计计算，并对主要零部件进行设计校核。4）车载园林修剪机整机工作装置的设计计算。16课题设计结构本文以车载园林修剪机项目作为应用背景，对其机械结构进行了研究。全文共分为五章，各章的主要内容如下第一章前言部分，主要介绍车载园林修剪机的研究现状和课题研究的目的及意义；4第二章对整个车载园林修剪机的整机方案进行确认，包括传动系统，驱动系统等确认。第三章完成整个车载园林修剪机机械手臂的设计计算；第四章对车载园林修剪机进行工作装置的设计计算；第五章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。5第二章车载园林修剪机的总体设计方案21车载园林修剪机的组成及各部分关系概述车载园林修剪机主要由机械系统机械臂系统、工作机构系统、驱动系统和控制系统组成。执行系统执行系统是车载园林修剪机完成工作的部件。驱动系统为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的有机械传动、液压传动、气压传动和电传动。控制系统通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。22车载园林修剪机驱动方案的确认目前机械设备的主要驱动形式有三大类液压驱动、气动驱动和电机驱动。液压驱动具有输出功率大、控制精度高、可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制等优点。但是液压传动有较多的能量损失泄漏损失、压力损失等，传动效率相对低。液压传动需要配套设备如液压站、各种液压控制阀等，它适用于重载、低速驱动，成本高，体积大。适合本车载园林修剪机。气动驱动功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小，成本低。不符合本文需求。电机驱动与气动驱动和液压驱动相比，具有能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服性好等优点；单对于本机械手来说，结构相对复杂，要求精度较高，不符合本文要求。23机械手基本形式的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可以分为以下4种，如图21所示（1）直角坐标型机械手；（2）圆柱坐标型机械手；（3）极坐标型机械手；4多关节型机械手。231直角坐标型机械手直角坐标型机械手，它在X,Y,Z轴上的运动是独立的，3个关节都是移动关节，关节轴线相互垂直，它主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装卸和检测和作业。这种形式的主要特点是61在三个直线方向上移动，运动容易想象。2计算比较方便。3由于可以两端支撑，对于给定的结构长度，其刚性最大。4要求保留较大的移动空间，占用空间较大。5要求有较大的平面安装区域。6滑动部件表面的密封较困难，容易被污染。232圆柱坐标型机械手圆柱坐标型机械手，R、和X为坐标系的三个坐标，其中R是手臂的径向长度，是手臂的角位置，X是垂直方向上手臂的位置。这种形式的主要特点是1容易想象和计算。2能够伸入形腔式机器内部。3空间定位比较直观。4直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀物质。5手臂端部可以达到的空间受限制，不能到达靠近立柱或地面的空间。233极坐标型机械手极坐标型机械手又称为球坐标机械手，R，和为坐标系的坐标。其中是绕手臂支撑底座垂直轴的转动角，是手臂在铅垂面内的的摆动角。这种机械手运动所形成的轨迹表面是半球面。其特点是1在中心支架附近的工作范围较大。2两个转动驱动装置容易密封。3覆盖工作空间较大。4坐标系较复杂，较难想象和控制。5直线驱动装置仍存在密封问题。6存在工作死区。234多关节机械手多关节机械手，它是以其各相邻运动部件之间的相对角位移作为坐标系的。、和为坐标系的坐标，其中是绕底座铅垂轴的转角，是过底座的水平线与第一臂之间的夹角，是第二臂相对于第一臂的转角。这种机械手手臂可以达到球形体积内绝大部分位置，所能达到区域的形状取决于两个臂的长度比例。其特点是71动作较灵活，工作空间大。2关节驱动处容易密封防尘。3工作条件要求低，可在水下等环境中工作。4适合于电动机驱动。5运动难以想象和控制，计算量较大。6不适于液压驱动。直角坐标型圆柱坐标型极坐标型多关节型图21工业机械手基本结构形式本课题要求机械手为多关节结构形式，其方案图如图22所示8图22机械手臂结构图如图22所示因为本机械手工作范围大，位置精度要求不高。考虑本机械手工作要求的特殊情况，本设计采用四自由度的机械手自由度具体分配如下1）主臂俯仰自由度。拟采用液压缸达来实现，液压缸带动主臂完成俯仰运动。其俯仰角度靠液压缸行程来控制。2）中间臂俯仰自由度。拟采用液压缸达来实现，液压缸带动中间臂完成俯仰运动。其俯仰角度靠液压缸行程来控制。3）工作臂俯仰自由度。拟采用液压缸达来实现，液压缸带动工作臂完成俯仰运动。其俯仰角度靠液压缸行程来控制。4）工作装置回转自由度。拟采用液压马达来实现，液压马达带动工作装置回转机构完成回转运动。其回转角度靠液压马达来控制。24工作装置方案拟定本次工作装置要求有效修建宽度为1250MM，因此本次设计采用两把刀的结构形式，其结构简图如下图23所示9图23工作装置结构图如图所示，本次工作装置的动力单元由液压马达驱动，液压马达通过同步带轮传递动力，带动两把到同时旋转，达到修剪的效果。10第三章车载园林修剪机机械手臂的设计计算31拟定主要技术参数已知系统总的压力为10MPA,主臂液压缸推力为60KN，速度为10MM/S，行程为400MM。32主臂液压缸的设计计算321负载分析图31液压缸工作原理简图油缸实际推力公式FFWFA31FF式中FW工作负载，对于机械手臂来说，即为推力；FA运动部件速度变化时的惯性负载导轨摩擦阻力负载，启动时为静摩擦阻力。启动后为动摩擦FF阻力摩擦负载计算公式FGFRN32FF11式中G重力，工作台和弯曲的总量假定为900KG垂直于导轨的工作负载，本系统中为零RNFF摩擦系数，静摩擦系数取002,动摩擦系数为001。得出摩擦负载几乎忽略不计惯性负载计算公式33AGFGT式中重力加速度加速或减速时间，一般T取01S05S时间内的速度变化量。求的1633N惯FTGXVGX50X8924根据上述计算结果，列出各工作阶段所受的外负载求的FFWFA6000NFF322油缸效率分析油缸的效率由以下三种效率组成A机械效率，由各运动件摩擦损失所造成，在额定压力下，通常可取09MMB容器效率，由各密封件泄露所造成，通常容积效率为VV装弹性体密封圈时1V装活塞环时098C作用力效率，由出油口背压所产生的反作用力而造成。D一般取09所以09109MVD总效率为。08D12323系统背压的选择系统被压如表31所示表31执行元件背压力系统类型背压力P/MPA简单系统或轻载节流调速系统0205回油路带调速阀的系统0406回油路设置有背压阀的系统0515用补油泵的闭式回路0815回油路较复杂的工程机械123回油路较短，且直接回油箱可忽略不计按表31可取P2为05MPA324液压缸缸径的确认34221CM14FDPDD933M按设计手册取D/D为07，故得D65MM表32液压缸内径尺寸系列（GB234880）81012162025324050638090100110125140160180200220250表33活塞杆直径系列（GB234880）456810121416182022252832364045505663708090100110125140根据表32和表33将这些直径圆整成进标准值时得油缸有D100MM和活塞D70MM13由此求得液压缸面积的实际有效面积为A1000785MA200040M42D24）D（X2D2325导向长度的确认当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点距离为H，称为最小导向长度。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度增大，影响液压缸的稳定性，因此在设计时必须保证有一定的最小导向长度。图32液压缸最小导向长度对一般的液压缸，最小导向长度应满足H2501625LDM式中液压缸的最大行程MM设计要求200MMLL液压缸内径MMD取H70MM325活塞宽度的确定B活塞的宽度一般取（0610）D即（0610）100（60100）MM取35MM326缸体长度的确定液压缸缸体内部的长度应等于活塞的行程L与活塞宽度B的和。缸体外部尺寸还要考虑到两端端盖的厚度，一般液压缸缸体的长度不应大于缸体内径的2030倍。D即缸体内部长度25035285MM14327缸筒壁厚的计算在中、低压系统中，液压缸的壁厚基本上由结构和工艺上的要求确定，壁厚通常都能满足强度要求，一般不需要计算。但是，当液压缸的工作压力较高和缸筒内径较大时，必须进行强度校核。当时，称为薄壁缸筒，按材料力学薄壁圆筒公式计算，计算公式为08D（35）MAX2PD式中，缸筒内最高压力；MAXP缸筒材料的许用压力。,为材料的抗拉强度，N为安全系数，/B当时，一般取。08D5N当时,按式（36）计算3该设计采用无缝钢管（36）MAXA23PD根据缸径查手册预取30此时30081D最高允许压力一般是额定压力的15倍，根据给定参数，所以10PMA101515MPMAXP100110M（无缝钢管），取100A，其壁厚按公式（36）计算为AXMA150812323PDM满足要求，就取壁厚为10MM。328缸体外径尺寸的计算缸体外径120120D查机械手册表外径取340MM115329活塞杆强度和液压缸稳定性计算1、活塞杆强度计算活塞杆的直径按下式进行校核D4FD37式中，为活塞杆上的作用力；F为活塞杆材料的许用应力，,N一般取140。/BN3640170523598/4DMM满足要求2、液压缸稳定性计算活塞杆受轴向压缩负载时，它所承受的力F不能超过使它保持稳定工作所允许的临界负载KF，以免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作。K的值与活塞杆材料性质、截面形状、直径和长度以及液压缸的安装方式等因素有关。若活塞杆的长径比且杆件承受压负/10LD载时，则必须进行液压缸稳定性校核。活塞杆稳定性的校核依下式进行KNF38式中，KN为安全系数，一般取K24。A当活塞杆的细长比时/LRMI392KIEJFLB当活塞杆的细长比时/KLRI31021KKFAALIR式中，L为安装长度，其值与安装方式有关；K为活塞杆横截面最小回转半径，AJRK/；为柔性系数，其值见表34；为由液压缸支撑方式决定的末端系数；E为MI16活塞杆材料的弹性模量，对钢取21/062MNE；为活塞杆横截面惯性矩；A为活塞杆横截面积；F为由材料强度决定的实验值，为系数，具体数值见表35。表34液压缸支承方式和末端系数的值I支承方式支承说明末端系数I一端自由一端固定1/4两端铰接1一端铰接一端固定2两端固定4表35F、的值M材料28/10NF铸铁561/160080锻铁251/9000110钢491/500085C当时,缸已经足够稳定，不需要进行校核。20LK此设计安装方式两端固定的方式，此缸已经足够稳定，不需要进行稳定性校核。3210缸筒壁厚的验算液压缸的额定压力值应低于一定的极限值，保证工作安全NP（310）21035SNDMPA17根据式（310）得到23501763NPMPA显然，额定油压10MP，满足条件；N3211活塞设计1、活塞结构的设计活塞分为整体式和组合式，组合式制作和使用比较复杂，所以在此选用整体式活塞，形式如下图图32整体式活塞此整体式活塞中，密封环和导向套是分槽安装的。2、活塞的材料选用高强度球墨铸铁QT60033、加工公差活塞的配合因为使用了组合形式的密封器件，所以要求不高，这里不加叙述。活塞外径对内孔的同轴度公差不大于002MM，断面与轴线的垂直度公差不大于004MM/100MM，外表面的圆度和圆柱度不大于外径公差之半。3212密封件的选用1、对密封件的要求在液压元件中，液压缸的密封要求是比较高的，特别是一些特殊液压缸，如摆动液压缸等。液压缸不仅有静密封，更多的部位是动密封，而且工作压力高，这就要求密封件的密封性能要好，耐磨损，对温度的适应范围大，要求弹性好，永久变形小，有适当的机械强度，摩擦阻力小，容易制造和装拆，能随压力的升高而提高密封能力和利于自动补偿磨损。密封件一般以断面形状分类，有O形、Y形、U形、V形和YX形等。除O形外，其他都属于唇形密封件。182、O形密封圈的选用液压缸的静密封部位主要有活塞内孔与活塞杆、支撑座外圆与缸筒内孔、端盖与缸体端面等处。静密封部位使用的密封件基本上都是O形密封圈。3、动密封部位密封圈的选用由于O型密封圈用于往复运动存在起动阻力大的缺点，所以用于往复运动的密封件一般不用O形圈，而使用唇形密封圈或金属密封圈。液压缸动密封部位主要有活塞与缸筒内孔的密封、活塞杆与支撑座（或导向套）的密封等。活塞环是具有弹性的金属密封圈，摩擦阻力小，耐高温，使用寿命长，但密封性能差，内泄漏量大，而且工艺复杂，造价高。对内泄漏量要求不严而要求耐高温的液压缸，使用这种密封圈较合适。V形圈的密封效果一般，密封压力通过压圈可以调节，但摩擦阻力大，温升严重。因其是成组使用，模具多，也不经济。对于运动速度不高、出力大的大直径液压缸，用这种密封圈较好。U形圈虽是唇形密封圈，但安装时需用支撑环压住，否则就容易卷唇，而且只能在工作压力低于10MPA时使用，对压力高的液压缸不适用。比较而言，能保证密封效果，摩擦阻力小，安装方便，制造简单经济的密封圈就属YX型密封圈了。它属于不等高双唇自封压紧式密封圈，分轴用和孔用两种。综上，所以本设计选用YX型圈，聚氨酯和聚四氟乙烯密封材料组合使用，可以显著提高密封性能A降低摩擦阻力，无爬行现象；B具有良好的动态和静态密封性，耐磨损，使用寿命长；C安装沟槽简单，拆装简便。这种组合的特别之处就是允许活塞外园和缸筒内壁有较大间隙，因为组合式密封的密封圈能防止挤入间隙内，降低了活塞与缸筒的加工要求，密封方式图如下19图33密封方式图3213活塞杆的设计1、活塞杆杆体的选择此次设计选用的是实心杆件，形式如下图图34活塞杆2、活塞杆与活塞的连接形式此次设计采用的是锁紧螺母型连接，如下图图35锁紧螺母型3、活塞杆材料和技术要求A因为没有特殊要求，所以选用45号钢作为活塞杆的材料，本次设计中活塞杆只承受压应力，所以不用调制处理，但进行淬火处理是必要的，淬火深度可以在051MM左右。B安装活塞的轴颈和外圆的同轴度公差不大于001MM，保证活塞杆外圆和活塞外圆的同轴度，避免活塞与缸筒、活塞杆和导向的卡滞现象。安装活塞的轴间端面与活塞杆轴线的垂直度公差不大于004MM/100MM，保证活塞安装不产生歪斜。C活塞杆外圆粗糙度选择为03ARMD因为是运行在低载荷情况下，所以省去了表面处理。4、活塞杆的导向、密封和防尘A导向环选择非金属导向环，用高强度塑料制成，这种导向环的优点是摩擦阻力小、耐磨、使用寿命长、装导向环的沟槽加工简单，并且磨损后导向环易于更换。B密封YX型轴用密封圈加轴用阶梯圈组合使用，这样比起单独密封，可以减小摩擦，减少泄20漏量，增加寿命。C防尘使用DH防尘圈，材料是聚氨酯，既有防尘作用，又有润滑作用。3214缓冲装置和排气阀1、缓冲装置液压缸中缓冲装置的工作原理是利用活塞或缸筒在其走向行程终端时在活塞和缸盖之间封住一部分油液，强迫它从小孔或细缝中挤出以产生很大的阻力，使工作部件受到制动，逐渐减慢运动速度达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的。最常用的是节流口可调式和节流口变化式两种。其中，节流口可调式缓冲装置在节流口调定后，工作原理上就相当于一个单孔口式的缓冲装置。表36示节流口可调式和节流口变化式两种缓冲装置的主要性能。表36液压缸中常用的缓冲装置名称和工作原理图特点说明1针形节流阀2单向阀被封在活塞和缸盖间的油液经针形节流阀流出节流阀开口可根据负载情况进行调节起始缓冲效果大，随着活塞的行进，缓冲效果逐渐减弱，故制动行程长缓冲腔中的冲击压力大缓冲性能受油温影响适用范围广1轴向节流阀被封在活塞和缸盖间的油液经活塞上的轴向节流槽流出缓冲过程中节流口通流截面不断减小，当轴向槽的横截面为矩形，纵截面为抛物线形时，缓冲腔可保持恒压缓冲作用均匀，缓冲腔压力较小，21制动位置精度高综合所上本设计选择节流可调式缓冲装置。2、排气装置液压系统在安装过程中或长时间停止工作之后会渗入空气，油中也会混入空气，由于气体具有较大的可压缩性，将使油缸工作中产生振动、颤抖和爬行，并伴随有噪声和发热等系列不正常现象。因此在设计油缸结构时，要保证能及时排除积聚在缸内的气体。一般利用空气比重较油轻的特点，在油缸内腔的最高部位设置进出油口或专门的排气装置如排气螺钉、排气阀等，使积聚于缸内的气体排出缸外。图36排气装置的形式排气装置的形式和结构见图36，一般有整体排气塞和组合排气塞两种。整体排气塞（图C、E）由螺纹与缸筒或端盖连接，靠头部锥面起密封作用。排气时，拧松螺纹，缸内空气从锥面空隙中挤出并经斜孔排出缸外。这种排气装置简单方便，但螺纹与锥面密封处同心度要求较高，否则拧紧排气塞后不能密封，会造成外泄漏。组合排气塞一般由螺塞和锥阀组成。螺塞拧松后，锥阀在压力的推动下脱离密封面而排出空气。锥阀可以采用图A所示的锥面密封，也可以采用图B所示的锥面密封，还可以采用图G所示的钢珠密封。后两种排气密封形式对高压缸比较适用。所以本设计排气装置选择图（G）。33其它液压缸的设计计算考虑到设计的方便性和制造的便利性，其它两油缸的缸径同样选择为100MM的。22第四章车载园林修剪机工作装置的设计41刀具的设计411刀具的材料一台好的园林修剪机，核心之一就是修剪刀具的材料。因为它要粉碎各种类的物料，防锈是必须的，工作环境可能有水，生锈了就不能正常运转了；还有腐蚀作用，所以防腐蚀也是要求修剪刀具具备的；还有就是它的强度和刚度；考虑完那些，还要考虑适用加工性和经济性。所以我们决定在1CR13和9CR18中做出筛选，下表41是两种材料的一些参数。表41材料1CR13和9CR18的参数（1）一般知道一个材料中的C含量高的话，形成的微型原电池就越多，腐蚀铁越快，其耐腐蚀能力越差；（2）一般合金中有CR元素，其对钢具有很大的强化作用，提高强度、硬度和耐腐蚀性，同时提高了钢的耐热性；特别在高的合金范围内，使钢成为了强氧化酸类的克星，大大加强了其耐腐蚀性，由此可见CR全方面提高了钢的品质。但是CR铁矿属于短缺矿种在中国，我国CR的储量少，产量也低，所以每年80的CR主要依靠进口，CR虽然能大大提高其质量，但由于短缺的缘故，建议少用。所以在满足园林修剪机对修剪刀具设计要求的情况下，我们选用1CR13作为修剪刀具的材料。412校核修剪刀具的强度当修剪刀具转动的时候，它会受到一个循环载荷力，只要刀片旋转着，修剪刀具就会一23直承受着，这样就会发生疲劳破坏，一旦修剪刀具遭到断裂，粉碎机就不能使用了，所以在设计时要求其在循环工作载荷力的作用下，假设性的具备无限长的疲劳寿命的条件，下面是一般金属材料在交变应力的作用，常用的N曲线图。图41N曲线图可以看见在N曲线图的右侧是一条无限接近水平的渐近线，水平线起始点对应的应力值我们一般称为疲劳极限。我们定义为当最大应力小于疲劳极限的时候，且在不被破坏的情况下，可以做无限次循环应力。而水平起始点的横坐标NE大约为107，我们定义NNE的区域为无限寿命区。而在曲线的左侧是一条斜线，在该斜线段是NNS，我们称为有限寿命区，而在该段线所做的计算称为有限寿命计算。因此在设计时应力应该设计的低点，最大的提高其工作寿命。查资料可知疲劳极限R和抗拉强度LA有如下等式024R/LA0541从上表可知1CR13的抗拉强度LA540MPA；我们取025下限值可得R024540129MPA接下来是计算盘MAX假设在距离圆心为的圆上一面积为DA，这点的内力DA对X轴的矩力为DA，然后将内力矩积分MNARPDA4224图42截面力矩图据胡克定律可得MAXGRG43由（42）、（43）可得MNA2GDAGA2DAA2DA是几何量，它与圆的截面有关，可以用IP来表示，那么上式亦可转换为MNGIPF合R44由（43）、（44）可得MAXMN/IP分析可知在圆盘上的最大应力应该在圆截面边缘各点，即MAX；盘MAXMN/IP（45）IPA2DAD/202DAD4/32F离MAM2RR2/4HR2N/6027853140056200300561641/005621115NF合F离F2F1COS1115118172465N将所得结果带入（45）可得盘MAXMN/IPF合R2/D4/321632F合/R22516322465/31400562126MPA显而易见盘MAXR129MPA，而且它满足最大应力小于疲劳极限的条件，可以做无限次循环操作，结论该设计满足强度要求。413修剪刀具的外形结构在我国，厨余垃圾的种类有很多，其软硬程度、化学性质等都有较大的区别，根据这样的性质特点，可以采用组合式的粉碎修剪刀具，如下图35所示。图35细破碎刀片42刀片主轴的设计及强度校核计算刀片主轴轴是组成机械的重要部件之一。它用来安装各种传动零件，使之绕其轴线传动，传递转矩或回转运动，通过轴承与机架或机座联结。轴与其上的零件组成一个组合体轴系部件，在轴的设计时，不能只考虑轴本身，必须和轴系零部件的整个结构密切联系起来。应用于轴的材料种类很多，主要根据轴的使用条件，对轴的强度、刚度和其它机械性能等的要求，采用的热处理方式，同时考虑制造加工工艺，并力求经济合理，通过设计计算来选择主轴的材料。塑料杯封口机中，主轴既要支承主轴和刚卷的重量又要传递电动机的转矩，即同时承受弯矩和扭矩的作用。由于同样的材料，在热处理工艺不同时，所得到的静强度、硬度和疲劳极限也会不同，所以在选择主轴时还应确定其热处理方法。主轴受载荷大，应选用调质钢（含碳量在030060范围内的碳素结构钢和合金结构钢），调质钢能进行调质处理。调26质处理后得到的是索氏体组织，它比正火或退火所得到的铁素体混合组织具有更好的综合力学性能（例如更高的强度、较高的冲击韧度，较低的脆性转变温度和较高的疲劳强度）。调质钢的钢种很多，常用的有35、45、40CR、45MN、40MB等。主轴的钢种我们选取45，45钢调质后的硬度为HB217255。轴的设计应满足下列几方面的要求在结构上要受力合理，尽量避免或减少应力集中，足够的强度（静强度和疲劳强度），必要的刚度，特殊情况下的耐腐蚀性和耐高温性，高速轴的振动稳定性及良好的加工工艺性，并应使零件的轴上定位可靠、装备适当和装拆方便等。421轴的校核通过类比法，初步设计刀片主轴如图43所示现需要校核该刀片主轴图43刀片主轴1、轴的受力分析画轴的受力分析图计算支承反力在水平面内03121LFQLHN6975491F32121LLLN67542H27在垂直平面内021LFVLQN61372549081FVN9452画弯矩图在水平面内，AA剖面左侧21LFHMANMM74580AA剖面右侧NMM931LQ在垂直平面内，AA剖面左侧21LFVMANMM652AA剖面右侧0合成弯矩，AA剖面左侧NMM1567/212AVMLAHLMAA剖面右侧同式429得NMM5922VA画转矩图已知NM5461T28图44轴的弯矩、扭矩图2危险截面的判断AA截面左右的合成弯矩左侧相对右侧大些，扭矩为T，只要左侧处满足强度要求2FQ即可，即该处为危险截面。3轴的弯矩合成强度校核只需校核轴上受最大弯矩和扭矩的界面强度参考文献查得160MPA,6010BA剖面左侧DZDDDW32/4862382341507M221TMCA25640629NMM734682WMCAC608471503261弯扭合成强度满足要求F轴的疲劳强度安全系数校核由参考文献查得45钢调质，MPAB640PA2751MPA152010AA截面左侧由式得324M71503/DBZDDDW由参考文献查的，；绝对尺寸系数，；轴经磨削加工，1K892表面质量系数。则0弯曲应力MPA3471506WMB应力幅MPA34A平均应力0M切应力T1MPA8430756MPA92TMA安全系数MKS10362349501730MKS1349104920185S923406231第五章结论51本设计所取得的结果1、完成了车载园林修剪机了本体结构方案设计。2、根据车载园林修剪机的设计要求完成了车载园林修剪机整体方案的设计3、重点对液压缸进行进行设计计算，包括气缸的选择，零件的设计和校核等。4、最后，完成车载园林修剪机工作装置的设计。52技术展望所以我国的车载园林修剪机产业还不是发达的，很多地方都要有很大的改进，基于此，我认为以后可以从以下几个方面进行改进（1）如果从产业发展的角度来说，瓶颈可能是液压系统部分。（2）从研究上讲就是车载园林修剪机如何提高智能、传感器等，在技术方面则是如何与国际接轨。因此，我国车载园林修剪机产业的壮大必将是一个长期的过程，我们应该不断汲取国外发达国家的经验和技术，并不断创新，努力开拓一个属于中国人的车载园林修剪机时代。此次车载园林修剪机的设计不仅重温了过去所学知识，而且学到了很多新的内容。相信这次此次设计对我今后的工作会有一定的帮助。所以，我很用心的把它完成。在设计中体味艰辛，在艰辛中体味快乐。通过本次设计我可以更加系统的了解车载园林修剪机方面的知识；能够加强车载园林修剪机结构设计能够加强车载园林修剪机功能部件的选型和设计计算；能够加强车载园林修剪机的方法和理论；能够检验自己能否将四年学习的理论知识转化为实际应用；能够培养自己自学和与人合作的能力。这次设计不但锻炼我的思维能力，还锻炼我的查阅资料获取有用信息的能力，通过绘制设计图纸，使我熟练的掌握了CAD绘图软件的使用，我