《机械创新设计》课件-智能割草机 下

智能割草机结构分析6.1智能割草机介绍6.2智能割草机结构分析、功能分析、实用性分析6.3智能割草机三维建模与装配、关键执行机构的模型设计、整体模型装配6.4智能割草机机构运动仿真与分析、设定运动关节运动副、整体结构运动仿真6.5智能割草机机构结构创新改进与分析、整机功能性创新分析、整机关键机械结构创新分析目录01.割草机功能分析02.割草机硬件组成01割草机功能分析PARTONE一、割草机功能分析山地智能割草机通过融合全地形设计、智能控制与高安全性技术，重新定义了复杂地形下的植被管理标准，其核心功能可从地形适应性、动力续航、智能操控、安全防护、作业效率五大维度展开分析：一、割草机功能分析（一）全地形适应能力：突破复杂地形限制履带式结构：采用坦克履型设计（复合材料履带+45°接近角），垂直越障高度达15cm，爬坡角度≤40°，可轻松应对山地、泥沼、碎石等复杂地形。例如，某型号在坡度35°的山地电站中日均作业面积达1.8万平方米，人工成本降低70%。低接地比压：履带设计分散压力，避免植被二次破坏，同时提升设备稳定性。自适应地形调节：前置铰接式割草甲板可自动调整角度，确保割草效果均匀，即使在坑洼或斜坡上也能保持稳定切割。山地环境对割草机的通过性提出严苛要求，智能割草机通过以下设计实现突破：一、割草机功能分析（二）混合动力系统：兼顾效率与续航山地作业对动力和续航要求极高，智能割草机通过油电混动技术实现全天候高效运行：搭载3kW闭环无刷电机（整机扭矩175N·m）与本田GXV630双缸汽油发动机（15.5kW峰值功率），配合自适应增程系统，纯电模式下可连续作业30分钟，混合动力满足全天需求。动力组合：部分型号配备480W直流外放电源，可为小型运维设备供电，构建离网作业微电网，契合光伏电站绿色理念。能源协同：根据作业强度动态调整功率输出，例如在低密度植被区域降低电机转速以节省能耗，延长单次充电覆盖面积。续航优化：一、割草机功能分析（三）智能操控体系：从手动到自主的灵活切换山地场景需兼顾精准控制与自动化需求，智能割草机提供双模操作方案：手动模式（MT）通过工业级433MHz遥控系统（500米超距控制）实现远程操控，支持百台设备同步作业，适用于复杂地形下的精细调整。一、割草机功能分析（四）安全防护矩阵：保障人机环境安全山地作业风险高，智能割草机通过多层级安全设计降低事故率：主动安全集成ABS刹车、电子防翻滚、倾斜保护、碰撞停机等12项功能，车身稳定系统确保45°倾角下稳定作业。被动安全采用一体式铝合金外壳（IPX6防水等级）、专利刀片防护板（超国际安全标准），关机后刀片立即停止旋转，防止误触伤害。防盗与监控通过GPS定位和地理围栏技术实现防盗报警，遥控器屏幕实时显示油量、电量、倾角、障碍物检测等信息，故障自检系统自动触发保养提醒。一、割草机功能分析（五）高效割草性能：提升作业效率与质量山地植被密度高、分布不均，智能割草机通过模块化设计实现高效精准作业：刀盘设计：浮动式双锰钢割刀（700mm割幅）结合空气弹簧提升机构，实现5-90mm割茬高度自适应调节，可切断8mm灌木枝条。作业效率：单机每小时可覆盖2500平方米，较人工效率提升10倍以上，且通过离合器保护机制避免硬物损伤设备。环境友好性：纯物理除草方式无需化学药剂，减少土壤和水源污染，符合绿色农业标准。02割草机硬件组成PARTTWO二、割草机硬件组成山地智能割草机的硬件组成需兼顾复杂地形适应性、动力续航与智能控制需求，其核心硬件模块可划分为以下四大部分，具体的工程总装图如下所示：二、割草机硬件组成（一）动力系统割草机宜采用混合动力系统分别由电机与发动机组成：电机采用高扭矩无刷电机（如5k闭环无刷电机，扭矩达175N·m），支持无级变速（0-4km/h），适应山地陡坡启停需求。发动机配备双缸汽油发动机（如本田GXV630，峰值功率15.5kW），与电机协同实现油电混动，纯电模式续航30分钟，混合动力满足全天作业。二、割草机硬件组成减速器通过高精密减速器降低电机转速、提升扭矩，增强可控性，匹配12V锂电池组（最大输出电流≥5A）供电。复合材料履带结合45°接近角设计，垂直越障高度达15cm，爬坡角度≤40°，接地比压小，避免植被二次破坏。动力系统之间相互独立，割草机在前往工作区域时主要依靠电池提供能量驱动履带前进，当抵达工作区域时需要驱动割草头主轴进行工作。割草头质量较高单纯通过电池供能无法满足能量需求。需要启动汽油机或柴油机进行能量供给。二、割草机硬件组成（二）智能感知与导航系统激光雷达：用于实时构建地形3D模型，识别障碍物（如岩石、沟壑）并规划避障路径。超声波阵列：360°探测距离0.1-3m，辅助近距离避障。摄像头：双目景深摄像头（4K分辨率+激光辅助测距）实现草长检测（精度±0.5mm），多光谱传感器分析草坪健康状态。定位模块环境感知传感器智能感知与导航系统在整机的成本中比重较高，结合当地农户的经济水平以及效益产出和地形结构分析等因素，仅保留远程摄像头部分。二、割草机硬件组成（三）割草执行系统定位模块割草机的盘刀与滚刀在结构、切割原理、适用场景及性能特点上存在显著差异，主流结构分为盘刀与滚刀2种。盘刀结构如图所示：二、割草机硬件组成（三）割草执行系统定位模块滚刀组成：由滚刀（动刀）和底刀（定刀）组成。滚刀呈圆柱形鼠笼状，刀片呈螺旋状安装在圆柱表面上；底刀固定在滚刀下方。结构特点：滚刀与底刀的配合类似于剪刀，切割时滚刀旋转带动草茎相对于底刀产生滑动剪切。优势：切割质量最佳、节能环保（能耗降低30%）、碎草可直接还田作肥料。切割质量高，切口平整，尤其适合低修剪。刀片磨刃特性好（自磨刃设计），维护成本低，但底刀与滚刀间隙需定期调整。二、割草机硬件组成（三）割草执行系统定位模块通过将滚刀与盘刀的优缺点进行对比，设计方案优选滚刀结构。主要考虑到割草机主要应用在山地丘陵地貌，遇到洼地或深坑等地貌主轴刀片与地面产生碰撞导致机器主轴损坏。二、割草机硬件组成（四）底盘结构设计丘陵果园地貌相对高度不超过200米的连绵起伏的低矮山体，介于平原与山地之间。坡度较缓（一般小于20°），顶部浑圆，坡面呈波浪状。部分地面还存在坑洞等塌陷区域。现行结构割草机履带底盘在上述特定区域中作业时无法稳定通过，存在侧翻的风险。在相对平坦的果园作业时，需要翻越田坎等一定坡度的地形，通过的稳定性较差。二、割草机硬件组成（四）底盘结构设计拟定的工作路径分析以四川地区丘陵地带的柑橘园为例，除相对平坦的路径以外，通常存在2种较为复杂的地形路线。第一种：在机器进入果园过程中有一段较长的下坡路线之后进入平路。第二种：经过大约20度左右的上坡之后立即下坡。具体路径轨迹如图所示。二、割草机硬件组成为了适应果园与上述地形的工作，主流机器履带的结构选用轮齿式橡胶履带对中处带有驱动孔，驱动轮上传动齿插入驱动孔内，通过啮合传动使履带运动。传统的割草机履带结构如下图所示，由主动轮、从动轮、支撑轮组成。支撑轮相对高度均一，无法上下调整，改结构遇到带有一定坡度的地形无法平稳通过。1-主动轮；2-履带；3-从动轮；4-承重轮二、割草机硬件组成故对履带结构进行修改，采用类似坦克履带结构设计，将主动轮前置，可以增加爬坡能力。同时需要考虑通过一定坡度的田坎特殊地形需要对底部各个驱动轮的排列结构进行重新规划，同时对底部支撑轮的高度调整为可活动式，提高履带与地面的贴合性，保证整个割草过程处于相对稳定状态。对履带结构整体修改之后，其结构如下图所示，水平向右为前进方向。其中单侧包含一个主动轮、履带、张紧轮、活动滚轮、右摆支架、左摆支架、推杆缓冲弹簧、张紧螺母、导向轮等结构组成。其驱动过程为电机驱动主动轮转动，主动轮通过与履带内侧齿进行啮合，从而使履带整体发生运动。底部的16个活动滚轮起重力支撑与减小摩擦力的作用，导向轮起到对履带进行张紧的作用。改动后的结构尺寸的上层履带的长度为1.4米，下层履带的长度为0.8米，高度为0.6米，带宽为0.15米。市面上遥控割草机主要分为2类，割草头内嵌式与外置式，经过两种机器实地测试，内嵌式在果园的灵活性较好，履带间距设定为0.8米宽较为合适。1-支架平台；2-履带；3-主动轮；4-张紧轮；5-活动滚轮；6右摆支架7-左摆支架、8-液压缓冲弹簧组件；9-张紧螺母；10-导向轮二、割草机硬件组成（五）割草机主轴高度调整装置针对丘陵地貌机器作业时需要对割草头装置的高度进行调整，避免发生刀片与地面干涉的情况。割草机主轴高度调整装置是实现割草高度灵活调节的核心组件，其设计直接影响切割效果和作业效率。以下是几种常见的割草机主轴高度调整装置及其特点：

1.机械式高度调节装置杠杆调高机构、齿轮齿条调高机构、连杆调高机构2.电动式高度调节装置3.液压高度调整装置经过分析，优选液压高度调整装置。二、割草机硬件组成液压高度调整装置主要由液压泵、液压马达、液压缸、液压阀和控制器等组成。其工作原理如下：液压泵：将液压油从油箱中抽吸并压力增加后输出给液压马达或液压缸。液压缸：通过伸缩和收缩来调整割草机刀片的高度。当液压缸伸出时，刀片上升；当液压缸收缩时，刀片下降。液压阀：接收控制信号，调节液压油的流量和压力，从而实现对割草机刀片的精确控制。控制器：根据操作指令或传感器反馈，控制液压阀的开闭和调节程度，实现刀片的自动或手动升降。液压高度调整装置二、割草机硬件组成高效稳定：液压马达和液压缸的工作效率高，能够提供稳定的动力输出，确保割草机在长时间作业中保持稳定的切割高度。调节灵活：通过调节液压阀和控制器的参数，可以灵活地调整刀片的升降速度和高度范围，满足不同草坪和工作要求。适应性强：液压系统具有较强的抗流量饱和能力，能够在复杂地形和恶劣环境下稳定工作，确保割草机在各种