小型园林除草机的结构设计8600字论文

I小型园林除草机的结构设计伴随我国经济的发展，国家和人民越来越重视环保事业，最近几年我们的的提升，其中草坪的种植是不可忽视的一部分，从而在市场上诞生了许多不同来确保草坪的整齐美观。本文以手推类型的割草设备作其中主要分析割草机所处的环境，即提出了本文研究的课题所处本设计重点设计了割草机的传动机构，从机构运动的功能出发，按关键词：手推式、割草机、草坪 I 11.1课题研究背景及现状 11.2电动割草机的分类 11.3割草机的发展趋势 3 52.1割草机的基本要求 52.2整体方案的设计 5 73.1行走装置的设计 73.2扶手部件的设计 93.3主电机的设计选择 3.4刀具的设计 3.5轴的设计 3.5.1轴的材料 3.5.2轴的强度校核 3.6联轴器的选用 结论 参考文献 1第一章绪论近些年来，由于我国对城市绿化非常重视，人民对空气质量需求的不断提升，园林绿化业的不断提升，推动我国此类设备快速发展。行业内的专家估计，几年以后，国产除草设备将在市场占据份额，并逐步打入国际市场。而电动割草机作为园林机械的其中之一，其产业将会迅速发展，现已成为一个设备总类比较齐全、创新能力不断增强、市场需求十分旺盛的朝阳产业。特别是近年来，电动割草机产业发展速度进一步加快，不但产量增加，而且产品出口的数量和科技含量也不断提升。我国电动割草机产业将进入高速发展阶段。但与此同时，我国除草设备基础十分薄弱，与发达国家有很大差距，生产工艺不成熟，设备耐用度和维修欠佳，远不能满足国内日益扩大的市场需求。为解决上述问题，进行草坪移动修剪作业机械的研究，有助于草坪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。1.1.2割草机研究现状我国的除草设备起步晚，只有短短几十年时间，目前国内大部分企业的现有产品和他们引进的初代产品比较，除了设备成本有了大幅度下降，基本在技术上和功能上没有较大的进步。目前许多企业都在研发该设备。我国现有的割草机跟国外相比还存在着许多问题。一些发达国家的割草机自动化程度很高，如瑞典公司光伏太阳能机器人割草机的自动控制、自动检测技术很先进，甚至提供接口，让用户根据实际使用情况进行编程。荷兰的公司、英国的公司相继开发出水中割草机，其液压系统、型切割器和驱动系统都很新颖。而在我国，由于对割草机的研究起步晚、研究人员较少，投入的资金短缺，一直以来较落后于发达国家。1.2电动割草机的分类这种收割机的特点呢就是割出来的草地整齐，单位割幅所需要的频率比较的小，虽然有这么多的优点，但是缺点也很多，这种机器呢，对不同草的生长状态的适应能力很差，易堵塞，因此他只适用于平坦一点的草地。这种机器的工作的速度并不快，切割速度最高能达到3m/s,前进速度一般是6-8公里小时，往复式割草机如下图所示：21.2.2拖拉机悬挂式割草机这种收割机不像第一种那么笨重，它的结构简单轻便运动灵活，这种收割机也是应用最广泛的一个，它的平均速度能达到1.6-2.0m/s。它适用于比较大的农场之类的地方。拖拉机悬挂式割草机如下图所示：3这是最快的一种收割机了，这种收割机速度高达60-90m/s。它工作平稳，不管是什么样的草地它都适合，但是缺点是它切割不够整齐，重割的比较多。旋转式割草机如下所示：1.3割草机的发展趋势综合市场的需求及最近破碎机械的发展，今后的破碎机发展方向主要集中在以下三个方面：操作的方便性始终是各厂家发展新产品的一个主要的卖点，如新机型普遍采用了割草高度的集中调节，甚至是无级调节等。在性能方面各厂家都把重点放在：增大草箱容积，提高集草效率，提高草箱容积的利用率，在车轮上增加轴承提高车轮运转的平稳性，改善风道结构和减小刀片尺寸以减小噪音。因为一般割草机的有两个最大的特点：一是电机占去了整机成本的以上；二是其产品内部大部分空腔并没有充分利用。这就出现一个趋势：利用割草机的轮轴增加割草机的功能；适当降低最低割草高度，同时强化割草机的集草功能，可用来收集秋、冬的落叶。三是增加一个打草的附件来弥补割草机可接近性差的问题。这些功能的增加都是在充分利用动力和草箱空间的基础上发展出来的，因而成本低有较强的竞争力。4.低成本化大量采用价格低、比重低的高抗冲的材料制造机身、草箱、草箱盖，采用料制造其他零件以减少材料成本。改善风道、提高电机散热效率、降低电机的制造成本。采取系列化、模块化设计、提高零件的通用化率、减小仓储和模具成本。大部分零件设计成免工具可拆卸结构，以最大限度地减小包装尺寸，降低运费。进行总体设计时应考虑到标准集装箱的装相数，合理设计外型尺寸，提高装箱率，从而降低运费成本。45.自动化的趋势从上述的调研中可以看出，高端的割草机还有一个发展的趋势就是自动驱动和全自动循迹。6.环保的趋势二十一世纪，人们更加重视环境保护，国家环保法律，法规的逐步完善，更主要是在城市园林绿化机械设备的开放工作环境保护更多的压力。例如，许多国家有自己的美国立法，对所有机器的规定必须达到一定的排放标准和噪声可以进入该地区。因此，许多大型制造企业园林机械设备已经或正在采取措施，开发和生产低污染，甚至无污染的“绿色”环保型园林机械产品。二冲程汽油机以前使用的一般小园林机械，虽然结构简单，比重小，但由于高噪声和重污染排放已逐步由四冲程汽油发动机所取代，新一代汽油低噪音，低污染机也已开始向市场。将环保机械产品性能成为评价其质量的重要指标。第三章主要零部件的设计分析5第二章手推式割草机的整体设计分析针对割草机以及使用者都会对其有这最基本的需求，如此才能很好的服务于社会，割草设备的基本设计要求如下所示：1.割草的基本高度大小能够结合基本的使用要求予以一定的调整。2.割草的之后的草坪应该尽可能的整齐以及平整。3.机型对所处的地理地形位置应该有很好的的适应能力。4.割草设备对下面的草坪应该有碾压比较轻的特点，对其伤害应该比较少。5.割草设备的整体质量应该较好，在作业的过程中故障的次数应该比较少。6割草设备应该比较容易操作使用，整机比较的轻便以及灵活，维修起来比较的方便快捷，里面的零部件能够很好的更换处理。7.使用着应该正确合理的掌握修剪草坪的最好的时间并且制定科学合理的修剪高度大小和频2.2整体方案的设计2.2.1方案的选择市场上使用比较常用的割草设备的基本模式有如下两种：方案1:往复类型的切割设备往复式切割器是目前国内外稻麦收割机上应用最广的切割器，现基本标准化。它由往复运动的割刀和固定不动的支撑部件组成。工作时，割刀作直线往复运动，割刀在运动中将草茎推向定刀进行切割。其作业速度低，往复惯性大，割台震动和噪声大。为了解决往复式切割器惯性力较大的问题，日本久保田稻麦收割机将刀杆分为两段，采用两个曲柄连杆机构双边驱动，两刀杆运动方向相反，可抵消部分惯性力。方案2:回转类型的切割设备回转式切割器主要用于收获牧草、青饲料等作物。回转式切割器具有惯性力易平衡，振动小，结构简单等特点。在小型水稻切割机上，多采用单盘和多盘式。在甘蔗收割机上多采用梯形或矩形刀片的单盘或双盘式。2.2.2方案的确定经过综合的比较分析，本文的研究设计选取了旋转类型的割草机设备，它具有整体结构简单，而且使用平稳的特点，本文的设计的割草设备的基本方案如下所示：第三章主要零部件的设计分析6本文方案中的部件主要包含了电机结构部件、壳体部件、集草箱结构部件、车轮部件、扶手装配部件、剪草刀片、导向机构、电机盖板部件，从图中可以看出，本文研究的主体部件是通过电机结构部件输出的基本运动传递给导向机构以及剪草刀片部件，剪草刀片部件将草予以剪断，之后有导向部件将剪断后的草送入集草装置中，从而避免对草进行重新收集。致谢7第三章主要零部件的设计分析3.1行走装置的设计手推式割草机的动力是来源于行走轮驱动，即靠人的推力来驱人步行速度约为3-5千米/时，即48-64米/分，考虑到要推动割草机进行切割，选取人的步行速度为48米/分，即0.8米/秒。轮胎在此不仅仅与外轮配合，也是凸轮啮合的关键所在，因此轮胎的大小尺寸应与割草机的整体形状和尺寸紧紧相连。外轮的外径是9=186mm,而其具体形状是参照《现代机械设备设计手册》中驱动轮的形状尺寸。选取外轮直径：φ=186mm,由公式n=v/Dπ设计尺寸如图所示：表3-1安装轮胎材料为橡胶外轮2个灰铁200灰铁200材料为Q235材料为Q23516个支撑轮的尺寸：外径：50mm支撑小支撑内径：30mm支撑轮2个材料的选取：灰铁100的最小抗拉强度为130Mpa,硬度为110-166HBS,具体的应用范围有：盖、外罩、油盘、手轮、手把、支架等。灰铁200的最小抗拉强度为220Mpa,硬度为157-236HBS,具体的应用范围有：汽缸、齿轮、底架、箱体、飞轮、齿条、衬筒、一般机床铸有导轨的床身及中等压力(8Mpa以下)的油缸、液压泵和阀的壳体。Q235的抗拉强度为375-460Mpa,具体的应用范围有：金属结构构件，心部要求不高的渗碳或者碳氮共渗的零件、吊钩、拉杆、致谢8套圈、气缸、齿轮、螺栓、螺母、连杆、轮轴、楔、盖及焊接件。在长期的使用过程中，橡胶产品除受应力、应变、高温、低温和天候的作用外，还受油、药品和生物等的侵蚀。产品设计时如不能全面考虑使用条件的单独和协同作用，将会导致其损坏速度加快，致使其使用寿命缩短。消除振动和噪声的有效方法之一是减少振动源的振动和隔离振动的传递。目前广泛使用的方法是利用橡胶材料与骨架材料(如金属、纤维、工程塑料等)复合制成的功能装置或特殊的橡胶粘弹性高阻尼材料来消除振动源的振动冲击和吸收噪声。这种橡胶减震功能装置已广泛应用于飞机、舰船、汽车、火车和建筑工程等方面以及仪器仪表的振动隔离。橡胶材料减震主要承受压缩应力、剪切应力和扭转力矩以及两种或两种以上应力的复合作用，在保证机车的高速性、舒适性和安全性方面起着重要作用。[14]所以本文的车轮部件采用橡胶材质。致谢93.2扶手部件的设计扶手的设计应该考虑人体形学来予以设计，如此设计出来的结构才能让使用者更加舒适的去操作。查阅参看文献得到以下数据：成年男性身高：18-25周岁26-35周岁36-60周岁平均身高：18-60周岁1554-1830毫米1545-1851毫米1553-1798毫米1543-1814毫米成年女性身高：18-25周岁26-35周岁36-60周岁平均身高：18-60周岁1457-1709毫米1449-1698毫米1445-1683毫米1449-1697毫米成年男性臂长：18-25周岁26-35周岁36-60周岁平均臂长：18—60周岁279-350毫米280-349毫米278-348毫米279-349毫米成年女性臂长：18-25周岁26-35周岁36-60周岁平均臂长：18-60周岁253-319毫米253-320毫米251-317毫米252-319毫米立姿工作岗位工作高度：男性：1050-1200-1300毫米女性：850—950-1050毫米1000-1100-1200毫米I⁴]综合以上因素，设计扶手以及支架的尺寸，并且根据不同性别和不同年龄将扶手的高度和倾斜角度设计成可以调节的。站立工作时操作的有关尺寸，以及人体需要的可能活动空间.由《人机工程手册》查得，人体身高尺寸(成年男性)多在170cm左右。因此，推杆距地面的高度取为1000毫米，且可在850A:精密工作，靠肘支撑工作。(设计尺寸针对男性：105-115毫米针对女性：100-110毫米)B:虎钳固定在工作台上的高度：113毫米C:轻手工工作。(男性：95-100毫米女性：90-95毫米)D:用劲大的工作。(男性：80-95毫米女性：75-90毫米)致谢由于剪草时为了提高整机的作业效率以及降低人员的作业强度，往往需要执行刀片的转动速度比较的大，此外转速比较大能确保草被整齐的剪断，而避免出现层次不齐的现象，所以本文研究的设计电机和执行机构之间不设置减速装置，选择合适的电机即可。结合本文的设计，整个传动装置的基本效率：传动装置的总效率7a:na=717₂N³=0.97×0.97×0.96=0.8371为联轴器的效率，n2为轴承的效率，73执行元件的效率，电动机所需工作功率为：Pw:工作装置的功率；Na:总效率；执行机构的转速n为800-1200r/min根据容量和转速，由设计手册查出的电动机型号，因此有以下三种传动比选择方案，如下：方案电动机型号额定功同步转速r/min满载转速r/min电动机参考价格123本设计选用的电动机型号为Y132M1-6。致谢3.4刀具的设计采用标准I型切割器GB1209-1213-86。护刀器为单体式，其尖部上翘，刀片向下倾斜6度30分，与护刀器梁装成一体，采用沉头螺栓安装。动刀片有齿刃(下刻齿)和光刃两种，定刀片为赤刃。动刀片为光刃时割茬整齐，功率消耗少，但需经常磨刃。动刀片为齿刃时，制造较复杂，功率消耗大，但不需要磨刃。标准I型切割器的割刀行程与护刀器节距相等，即S=t=t⁰=76.2mm.。由于草坪生长稠密，含水量较大，要求的割茬较低，采用的切割速度大，而进距较小，一般割刀为1.6m/s以上，进距为59-74mm。选择5组割刀，所以割幅为76.2×5=381mm切割器是由做往复运动的割刀、装有定刀片的护刃器、压刃器、护刃器梁等组成的。割刀相对护刃器做往复运动，并与机器一起前进。因此，动定刀片形成割副，定刀片是切割时的固定支架，它在切割时与剪刀的原理相似，必须使刀片之间保持正确的间隙，才可以使得切割整齐，所以采用压刃器来实现这一要求。带齿的动刀片有不宜磨钝，使用寿命较长的优点，因此，在切割器上被广泛使用。动刀片应该牢固的铆接在刀杆上，并且可、接缝要严密，如有松动，应该及时铆紧。动刀片齿纹应该完整，如果有5毫米以上的缺口，或者有一出连续掉齿达到三个以上并且刀片磨钝，齿高小于4毫米，应该拆掉换新的。[13]定刀片采用光刃刀片，当刃厚度超过0.3毫米上时，应该拆下来磨刃，当刀片宽度小于护刃器宽度时，应该更换新的。护刃器不得有裂纹和变形。护刃器变形轻的可以直接在护刃器梁上矫正，变形严重可以拆下定刀片，加热约800摄氏度，进行热较核。护刃器全部装到护刃器梁上要保证全部定刀片的工作面在同一个平面上，护刃器之间的距离应该保持一致，偏差不得差异于正负3毫米。材质的选择：割草机刀片必须采用高强度优质钢材，经过特殊热处理工艺保证刀片有较高的强度、锋利度、耐磨性、抗冲击韧性。刀架及刀片外形应该符合空气动力学要求，尽量减少运动时的空气阻力，以降低功率消耗。装配、调整刀具时，必须保证两端力矩平衡，以减少振动和噪声。致谢由选用电动机可知，电动机额定转速960r/min,所以刀具的转速也是960r/min。由选用的电动机可知，电机的额定扭矩与刀具想等。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。[12]轴材质的选择：轴的材料主要是轴的材料一般宜选用中碳钢和中碳合金钢。多采用优质碳素结构钢来制造，如45钢等。这类钢的加工性能和机械性能好，经过调质或者正火处理后可以获得良好的机械性能，且价格比较便宜。对于载荷不大、转速要求不高或者不重要的轴，可以采用普通的碳素结构钢来制造，如Q275等，以降低成本。轴上的功率p=4.125kw,转速n=3600r/min,转矩T=95500p/n=1094.28N/mmd=A3pln=112׳4.125/3因为需要设置键槽，所以轴径要增大6%左右，取整后选用15mm最小轴径。d2=di+1j=15+5=20mm(其中1为轴肩尺寸)d₃=d2+la=20+2=22mm(其中11为垫圈尺寸)d2>d₄>di,根据结构，取d4为16mm。l=15mm,l₂=25mm,l₃=9mm,l4=10mm。轴段倒角为45°。设最大婉拒和扭矩截面的α为0.6,扭矩T代入应力公式后得到：w=πd³/32-bt(d-t)²/2d=115.1ca=√0.60x1094.270/115由于我们在前文设计中已经选择了调质45钢作为轴的材料，所以可以直接查[σ,]=6Mpa,WT=πd³/32-bt(d-t)²/2d=446扭矩T=1094.280Nmm,切应力为：Tr=T/WT=1094.27/446.34调质处理的45钢t_1=155Mpa,计算公式r/d=0.100,R/D=1.340,所以α=1.334。材料敏感系数q,=0.85,所以有效应力集中系数为：k,=1+q₂(α-1)=1+0.84×(1.34-1)=查表得扭矩尺寸系数为ε=0.82,磨削加工后表面质量系数β=0.930,所以综合系数为：K,=k,/ε+1/β-1=1.2840/0.810+1/0.91-1致谢查表取特性系数为0.06,得出安全系数为：得出结论，整体轴承设计安全可靠。3.6联轴器的选用最终结果Tc=1422N.m,根据补偿扭矩值，查询联轴器的选型，只要联轴器的额定扭矩大于就可以。第四章割草机的操作使用4.1割草机的操作使用细节(1)、割草时，不要赤脚或穿凉鞋，一般应穿上工作服和工作鞋。(2)、熟悉操作过程，仔细阅读割草机说明书，知道在紧急情况下，及时关闭发动机。(3)、确保草地上没有棍子、石头、电线等杂物，以免割草机的刀片将它们抛起来伤人。(4)、使用前仔细检查各个部位，确保割草机刀片与割草机连接牢固。要成套更换旧的和损坏的刀片或螺丝，以免造成机器运转不平稳。损坏的刀片和螺丝是很危险的。(5)、经常检查所有螺帽、螺丝和螺钉，确保割草机处于安全运行状态。(6)、工作时应慢慢地推割草机向前走，行进速度不要过快。(7)、坡地割草时，不要时高时低。在坡地上转向时，一定要特别小心。不要在很陡的坡地上割草。(8)、正在