【草坪割草机设计及Solidworks三维建模研究14000字（论文）】

PAGE19草坪割草机设计及Solidworks三维建模研究目录TOC\o"1-3"\h\u292461前言 5221801.1割草机的发展历史 5276361.2我国割草机的发展 6215651.3自走式割草机的使用 7193721.3.1设计用途 7192431.3.2注意事项 792712割草机概述 9142512.1割草机的分类 9291732.2割草机割草的基本要求 9132743本课题设计内容及思路方案 10286233.1设计目的、意义 10315413.2国内外研究现状 1037463.3调查研究情况 1164503.4设计调查研究 11148283.5设计的基本原理 12106683.6机械系统总体方案的拟定 12274103.6.1动力系统的拟定 1286133.6.2传动系统的拟定 12183143.7机构功能分析 1228634割草机的总体方案设计和动力机的选择 14106764.1总体方案设计 14136874.2割草机构的选择 14125874.3自走式割草机的工作原理 1487735机械传动部分的总体设计 1778816驱动装置设计 1811396.1驱动电机功率计算 1886416.2传动装置运动和传动比的计算 1850857割草机传动部分设计 21319497.1齿轮参数的确定 21239097.2齿面接触疲劳强度 2171207.3齿根抗弯强度校核 23267917.4几何尺寸验算 24122338.轮轴的设计 25162908.1求作用在齿轮上的力 25219628.2初步确定轴的最小直径 2586798.3轴的结构设计 2560258.4锥齿轮的计算 27318208.4.1选定齿轮的类型、精度等级，材料及齿数 27310088.4.2按齿面接触强度设计 27196468.4.3计算参数 27208018.4.4按齿根弯曲强度计算 29277928.5切割装置的运动 30274658.6动刀结构 30234578.7曲柄连杆设计 31270768.7.1曲柄连杆机构的设计 31296388.7.2曲柄结构设计 316838.8轴承的选型 31124648.9轴承的校核 32128569机架的设计 341285610电气部分设计 352345710.1PLC介绍 352345710.2PLC选型 352345710.3I/O口分配 352345710.4控制程序设计 362345710.5对社会的影响 362345710.6经济性分析 3730667结论 3826710参考文献 401前言1.1割草机的发展历史在第一台大型割草机面临世之前,用一把镰刀来修剪大片草坪已经是最常见的方法,同时草坪的良好程度与畜牧业的发展有很大关系。随着我们体育足球、马球等各类体育休闲运动的不断进步和快速发展,人们对于良好、平整的草地植被和天然草坪地的需求也随之增加得很大。第一台能够用于自动收割各种植物粮食和其他谷物的割草机械并且是能够自行旋刀切割各种植物杂草的自动机械化割草工具由著名英国人普拉克内特于1805年3月发明,第一台旋刀式自动割草机的机械设计出现雏形主要原因是通过自行旋刀可以进行自动割草,动力源来自人力推动。1830年,滚筒式小型割草机的相关技术和工业专利由当时英国著名农业纺织机械工程师约翰比尔.布丁所成功取得,1832年后荷兰赛姆斯维尔农机制造公司则正式宣布开始大规模设计生产一台滚筒式的割草机,1902年又由英国发明人伦敦恩斯制造了以四缸内燃机引擎为主要机械驱动力的一台滚筒式小型割草机,如今这一原理仍然是割草机常用的系统之一。在西方发达国家，割草机自20世纪以来起头了高速的经济增加。到如今21世纪，人们已经饱受环境破坏带来的影响，从而重新重视起了环境保护，于是城市绿化环境也不再被忽视，越来越多的草坪在城市中涌现。与此同时，我国的绿化扶植也获得了长足的成长。草坪不仅能够为钢铁丛林般的城市带来一抹绿色，同时也起到一定的改善空气环境的作用。经过100年的发展和创新,原来仅仅是用于收割牧草的割草机,现在已经发展成了可以用于几十种不同场所,适用于畜牧业、农业等环境的器具。我国目前所生产的割草机技术起步较晚,这也就导致国产的割草机制造技术与国外相比还是相去甚远,同时大都是为单一用途的割草机产品,无法真正形成大批量生产和制造的规模,从而导致国内常用的割草机都是国外品牌。据初步统计数据分析统计,到1999年底,我国已经累计拥有了各种农用园林机械10万台,1999年的农用机械植物肥和割草机械农产品市场销售量一直持续保持在3万台左右,其中80%以上是由于从我国国外进口。目前为止我国对进口割草机的产品进口主要来源是全部来自于出口日本、美国、意大利、瑞典等发达国家,进口机的价格一般从0.38万元至5.8万元左右不等。我国草坪割草机技术从改革开放以来由初期的起步向深度扩展,仅仅在二十年的时间里草坪割草机械行业正在高速发展。首先九成以上的草坪养护机械均为国外进口,其次外国基本上已经实现了全程的机械化来完成草坪建造、草坪养护等各个环节,同时还拥有完整的机械配套,其三则是产品品种多、量产化程度高。同时割草机也是这类器械中世界上发展最快的,我国从日本、美国等地区和国家进口了二十多种各种割草机,同时目前我国已经开始起步研制出适合中国国情的割草机,但距离国外割草机繁多的种类还有一定的差距【1】。按照刀具范例的分歧，我国出产的割草机可分为滚刀刀具和扭转刀具。滚刀式切削割草机是由一个带有刀片的滚筒和一个不动手柄的床刀所构成。与传统的旋刀式相比,滚刀式在高质量要求下的修剪效果较佳,一般适合用于满足高质量要求的草坪。适用于平均草高3-80mm的小树丛,但其缺点是价格贵、维修麻烦和生产要求高。而这种旋转剪刀式的人工割草机则一般是由一个主轴横向旋转悬吊刀片装置或者者说是将一个直立在主轴上的一个圆形刀片装置进行高速均匀地横向旋转后用来直接打开和切出割草的主体上部两个叶片,它特别非常适合于在25-80毫米不等长度空间范围内的人工旋刀剪草。其性能特点主要好处是比本产品价格低廉、保养简单、生产容易和使用方便,同时只要长期打磨刀片,剪切效果显著。因此，一般来说，所有需要的草坪都可以用来成为国内外最受欢迎的种植割草机。1.2我国割草机的发展1.2.1发展状况如今,我国与种植和割草机制造业有关的工厂已经超过50家,其中大部分都是与园艺相关的企业或由农用机械工厂进行转产。这也反映了割草机在我国有着庞大的是市场,因此无论是国产、进口、还是中外合资的割草机都有一席之地。这些割草机的性能由功率2.6-1.2千瓦,剪幅由43.2-127厘米左右。国内的草坪割草机机械生产商和机械制造加工企业主要包括有:中美中外合资企业江苏淮阴泛亚园林机械有限公司,生产独具特色的美国立特斯品牌-neat两型草坪百叶切割机,占国内割草市场的50%,现在可年产5000台。如今其正在通过技术改造的新技术已经实现每小时可以年产5万台新型割草机,同时这台新型割草机车的动力燃料来源也是全部选用美国本田新型发动机。目前，我国已经拥有了自己的草坪割草机实验室，草坪割草机是主要用于城市草坪等类似的地势平缓并且面积偏小的草坪，国内的草坪割草机市场已经有一部分的国产产品上市，但质量参差不齐。如今只能通过检测的方法来粗略地估计一种草坪割草机的安全性指标,却没有专业设备来得到精确数据。为了对它们进行一个科学的检查和测试,我国还开发出了一种名为草坪式割植机的专用实时检查试验平台。试验台的自动化程度很高。采用空气传动技术、机-风-电安全闭环锁紧机构和空气动力调速技术，可以对割草机的强度、机体的运动强度、刀片强度等进行测试，从而对割草机的安全性能进行测试。最终结果显示，该试验台达到国内先进水平，具有试验数据精确、检测快速、自动化高的特点。1.2.2存在问题国内割草机械发展缓慢的主要原因没有完整的研发技术，国产的割草机往往经过安全检验后会发现一些质量问题。在我看来,当前影响我国农业和畜牧机械行业产品质量水平较差的主要原因是有以下几个方面。产品种类繁多数量稀少,涉及领域过少。美国约翰迪尔公司的新型切削传动机械目前共有13个切削品类49个新型切削专用机型;纽国和荷兰公司目前已经设计生产了12个不同切削品种25个新型机,这些国外的割草机生产厂商都有各种不同类型的割草机供顾客选择。而目前我国的国产割草机由于种类单一,无法为顾客提供多样性选择,使得顾客难以获得满意的国产割草机。产品技术水平低。割草机技术的先进程度一定程度的代表了一个国家的农业技术水平，高效的割草机意味着更高效的农业生产。但是我国的割草机技术投资，由于起步慢，同时也没有加大投资，使得技术的更新换代、自主研发能力都受到了严重打击。我国当前拥有的完整的割草机技术大多属于国外上世纪的技术，我国缺少自己的割草机技术体系，无法在技术研发上实现弯道超车。1.3自走式割草机的使用1.3.1设计用途目前，城市内的绿化规划已经是土地开发必不可少的一个环节，镶嵌在高楼大厦间的草坪是绿化规划的重要部分。目前,庭院里对于需要进行修整的一片草地通常一般都会需要使用自己装在身背的小型柴油机来作为主要机械驱动力,采用一根小型尼龙绳驱动来轻松的地抛掷一片草叶;或者另外就是一些需要使用电动、柴油机的小型切削式草地割草机,这类型的切削式草地割叶除草机主要缺点有以下几大缺点:一个就是工作噪音也比较高、机身庞大、操作迟钝不灵活，同时容易夹草故障导致造成损害。随着经济的不断发展，越来越多的人想城市聚集，但与此同时人们对生活环境的要求也越来越高，对于运动草场也有更大的需求。为了平衡这一矛盾，小型草坪成了唯一的答案。本次设计的自走式割草机是针对家庭庭院、公园、运动场等地的草坪进行设计的，使用范围较广，具有很好的应用前景。1.3.2注意事项（1）不能将草坪割草机运用于地势起伏、墙面、峭壁等地形，那样有可能会损坏割草机，甚至对操作者造成伤害。（2）每次使用之前对割草机的各处螺栓、螺母、刀片等零部件进行检查，确认无磨碎和松动。当有损坏时要及时更换。（3）检查要割草的平面，去除大块的谁快、木头、其他各类坚硬的物品，防止刀片撞到障碍物时造成刀片飞出造成损害。（4）使用割草机时要避开周围人群，尤其是儿童和动物。（5）割草时要穿着防护衣物，防止滑倒或被刀片伤害。（6）刀片与操作人员必须由导杆隔开，不要进入安全距离以内的距离，否则有可能使操作者被刀片伤害。在斜坡上割草时一定要顺着斜坡的方向割，否则可能造成严重的人身伤害。（7）当操作割草机后退时要时刻注意身后，防止滑倒或者绊倒，造成伤害。（8）任何时候都不要将身体放在刀片的下方。（9）若割草机与其他障碍物接触或者坚硬的东西时,一定应该停机及时检查割草机。（10）不能在又雾霾、浓雾等清晰度差的环境下进行工作【2】。2割草机概述2.1割草机的分类割草机根据刀片的类型可以划分为旋刀、往复、滚动刀、抛杆杆、甩绳等。此中，利用最普遍的滚刀和一样平常往复式滚刀。割草机也按功能根据其主要作业运动模式而进行划分可成为三种:电扶手推车、手扶电动随行车、手扶电动自行车、坐骑式及装于拖拉机上的电动悬挂式吊车。而按照混合动力方式驱动的使用方式主要我们可以大致划分如下为两种:采用人畜混合动力方式驱动,发动机动力驱动和混合电能动力驱动三种不同类型的电动割草机。其中,以涡轮发动机柴油作为主要的柴油动力燃料来源又以割草机最常见,其中大型汽油涡轮发动机大部分均采用为大型单缸或直列汽油涡轮发动机。割草机也可以根据牵引方式或悬挂方式划分为前置式、侧置式、后置式、中置式割草机【3】。2.2割草机割草的基本要求不论是哪一种类型的割草机对草坪修剪的基本要求是一样的：（1）割草的高度、范围、速度和转速可以根据不同的情况自行调整，达到草坪修剪要求。（2）割草整齐、平整，能够在两次作业中流畅启停，同时保证两次作业的草坪修剪质量相同。（3）能够在适应地形良好工作，可以随着地形变化改变割草高度，使草坪相对在同一高度。（4）割草机质量好，故障少，节省燃料、效率高。（5）易于操作、轻便灵活、维修调试方便，零部件大多有替换件【4】。3本课题设计内容及思路方案3.1设计目的、意义园艺杂草和修剪一直是农业以及绿色生态中经常出现的问题。随着中国经济的不断发展，城市人口也在不断增加，城市面积不断扩大，同时城市绿化也越来越受人们重视，相应的割草机的使用率也水涨船高。它的使用大大提高了工作效率，降低了劳动成本，减少了除草机的工作时间。但是这种工具的大规模使用也出现了许多问题其中最令人诟病的就是割完的草屑四处飞散，安全系数低，修剪下来的杂草也会被抛撒到四周，四处飞舞，不仅对环境造成较大污染，同时也不利于对草坪的清洁，因此急需设计一种能够对草坪进行割草修剪而且可以对修剪下来的草屑进行回收收纳的草坪割草机是非常有必要的。3.2国内外研究现状20世纪50年代，国外开始研究割草机，至今已有70多年的历史。所以各方面属性都已趋于成熟完善，功能齐全。不仅有旋转割草机、用于除草的滚刀式割草机，还有往复式割草机，在不同领域割草机都有自己不同的功能特色，适用于无论是种植园或是家庭草坪。我国相较于国外在农业机械的研究上相对落后，割草机技术也同样如此。目前步行式以内燃机为动力的割草机运用最广泛，其特点是效率良好、造价低廉，但是噪音极大、不及时保养容易损坏。草坪割草机也属于盘式割草机，自1990年开始，我国对于割草机的技术进行了深度的研发。1997年,我国研究了一种jus480型多用途电动草坪机,这种类型的割草机充分吸取了国内外先进割草机的一些优点。它与传统电缆式和电动切削机相比,其优点是适用范围更大、噪音更小、动力更强从而效率更高、污染更小。它与传统的汽油割草机相比切割力和额定转速增加噪声降低10dB左右。因此综合来看它比进口产品性价比更高。2007年,我国升级了一种小型的往复式切割机。这种割草机主要目的就是为了切断和清除果园中生草的其他待割地段,该类型的割草机一般都是采用前悬挂式,主要有割刀带轮和传动履皮带两部分组成。本实用新型可以实现低等植物的有效切割。2013年我国设计了一种先进的创新型割草机,这种先进的割草机主要特点之一就是其结构简单、噪音小,能够通过大量人力驱动来完成作业,有效地解决了环境污染问题,避免了对于周围环境的严重噪音污染和能源浪费,是一种理想的草坪式割草机。3.3调查研究情况在确定题目后，通过实地调查我发现在城市中基本上对于割草机的使用都是使用的步行燃油动力的割草机，这种割草机在目前开来效率较低通常每次作业时间要一到两小时，而修剪玩作业区至少需要数天时间。并且我发现在每次作业中割草机都会出现需要停止降温以及因为碎草和草汁使割草机产生卡壳。在所有的花草和园林工程用具中,割草机已经成为了最普遍的工业。通过查找资料,我首先了解了割草机的分类以及工作原理。割草机一般根据其使用动力源的来源不同可以进行划分称其为各种燃油式和引擎式、电动式和不同的类型无机电动力式;按照目前人们的割草行走方向形式,切割切剪草机大致大概可以进行划分称其为三种:自走式、不是独立的自走式和各种坐垫座;同样也大致可以根据人们排草的各种类型不同来进行区分称其为各种集中式和各种侧向式的排草;按照滚动刀片的使用数量分类切割切剪草机大致大概可以将其细分为单刀片式、双滚动刀片式及各种复合滚动刀片式;按照滚动刀片式的运行方向形式,大家大致可以将其再细分为纵向滚动旋转刀式或者是横向旋转滚动刀式。其中最普遍广泛采用的自动割草机模式是通用燃油汽车引擎上的发动机切割模式、自动行走切割模式、独立驱动刀片切割模式等。3.4设计调查研究割草机的设计研究者们应该通过深入地分析各种割草机的使用环境和其工作原理,从自己的实际情况出发,经过合理地设计和具有针对性地调整,来最终得到一个最理想的设计研究结果。目前,草坪割草机的切削装置主要包括旋刀式和往复切削刀式两种。这种旋刀式的草坪割植机的优势之一就是结构简单、生产方便、操作和维修容易、价格廉宜而受到广泛的亲睐,然而它所存在的主要问题就是噪音太大。为此，本文主要对往复式剪刀式割草机的具体工作条件、工作原理等进行了阐述。割草机的设计研究者们应该通过深入地分析各种割草机的使用环境和其工作原理,从自己的实际情况出发,经过合理地设计和具有针对性地调整,来最终得到一个最理想的设计研究结果。目前,草坪割草机的切削装置主要包括旋刀式和往复切削刀式两种。这种旋刀式的草坪割植机的优势之一就是结构简单、生产方便、操作和维修容易、价格廉宜而受到广泛的亲睐,然而它所存在的主要问题就是噪音太大。为此，本文主要对往复式剪刀式割草机的具体工作条件、工作原理等进行了阐述。割草机的工作原理都主要是利用割刀与植物之间的接触来实现割草的动作,下面以往复一种切刀式的割草机为例对其进行说明。这种类型的割草机主要是利用一台高速往复的割刀来构造一台切割机。垂直轴从动力机械传递输出的动力轴通过增速传递齿轮带动,使得剪刀以几倍于动力机械的行驶速度而做为一个圆周旋转运动。在一种惯性的条件下,割刀就能够很容易地将数厘米高的牧草进行切断,至此即可完成牧草切割的任务。其他类型割草机的结构和工作模式也与之基本类似,但是它们的驱动方式也会因为种类而异。3.5设计的基本原理本设计以现有割草机的结构为基础，对割草机构进行了改进，主要是通过对传动装置的部分进行了改进，使得传动部分更加紧凑，布置更加合理，效率高，能耗低。将割草机推入到草坪后,通过电机的旋转和驱动轮带动两侧驱动轮轴向前进,从而带动整个割草机的方向前进,同时也通过驱动轮轴上的锥齿轮将动力传递至一个竖直方向上的锥齿轮中心轴上,并通过驱动曲柄轮的驱动连杆作为曲柄直线的运动,从而通过驱动两侧的割草机刀具作为往复直线的运动,实现左右两侧的切割动作，从而完成对草坪的割草动作，切割下来的杂草草屑通过风机吸入收集袋内，当收集袋内的草屑收集满之后，在处理草屑的地方通过盖板将草屑排出来。3.6机械系统总体方案的拟定3.6.1动力系统的拟定动力系统主要是根据原动机的种类而划分为电动、气动、液压等。小型草坪割草机由于其生产的功率小、结构简单、对产品中零部件精度要求低,因此在动力来源方面也不受较多限制,选择直流伺服电机作为动力输出装置。3.6.2传动系统的拟定传动系统根据连接传动件的种类不同,可以划分为履带传动、链传动、齿轮传动、蜗轮蜗杆传动等几个部分。小型草坪割草机的传动系统是通过整合了齿轮传动、圆锥齿轮传动以及曲柄摇杆机构等多种传动方式来实现整个草坪割草机的传动。3.7机构功能分析通过参考文献研究国内外小型草坪割草机相应的结构机构分析，将小型草坪割草机机构主要分为行走部分以及割草机构部分，分别由齿轮传动，锥齿轮换向机构及曲柄滑块机构等来实现其功能。本次设计的小型草坪割草机机构由齿轮传动，锥齿轮换向机构及曲柄摇杆机构等组成。（1）齿轮减速机构：通过一组齿轮大小不一样的齿轮，实现对电机转速的减速，达到增扭降速的作用，从而为后续的各个功能模块提供动力，齿轮减速机构位于割草机的侧部，占用空间少，结构非常紧凑，布置合理。（2）锥齿轮机构：利用锥齿轮传动，将动力传递方向换向，更好的节约空间，使得结构更加紧凑，机器小型化。（3）曲柄滑块机构：由驱动装置驱动和旋转曲柄轮，由连杆完成刀具的直线往复运动，实现割草动作。4割草机的总体方案设计和动力机的选择4.1总体方案设计自走式自动割麦除草机主要由一种人手配合作用的辅助工具驱动割草行走。查阅《人机工程手册》,人的自动步行切割距离和切削速度大约为3-5千米/时,即48-64米/分,考虑到工作需要可以使用电机推动一台轮式割草机对一个人或物进行自动切削,选择一个人的自动步行切削距离大约为48米/分,即0.8米/秒。确定割草机的各项技术规模参数：修剪幅宽0.3m,修剪高(离地)25mm修剪草高20cm以下；修剪效率60m²/小时。4.2割草机构的选择割草机一般可分为割草机旋转或往复运动的刀片和割草机旋转或往复运动的刀片。往复式的收割机比起另一种割草机所需要消耗的驱动力更少,同时它没有草屑四散的缺点,所以选择了往复式的割草机。因为单刀片的往复式割草机无法高效地完成对于草坪的切割作业,同时由于单刀片容易形成的刀片损毁而导致的作业不能正常进行等特殊情况,选择了使用单刀片的割草机;双刀片割草机主要指两组刀片朝着彼此的相反角度方向移动,其特点是相较于单刀片式的效率更高、作业更加平稳。因此我选择双刀片往复式割草机作为设计原型。4.3自走式割草机的工作原理割草机由直流伺服电机驱动，驱动行走装置、切割装置和收集装置。变相机构采用手推车架。自走式割草机由驱动电机、行走轮、支架、齿轮组和小锥齿轮组等部分构成,电机安装在割草机得的两侧板上,电机以驱动输出轴通过连接主动齿轮和连接下面轮轴上得被动齿轮,从而直接带动整个轮子的转动,实现了割草机得自走式前进,同时在轮轴得中间安装有一个圆锥齿轮,锥形输出轴在轮轴得中间啮合一个圆形小锥齿轮,称为小锥齿轮带动两个锥齿轮轴进行转动,锥齿轮轴得下部安装有一个偏心轮,偏心轮通过一个连杆将两侧刀片连接起来,两边则是通过一个v型导槽将刀片固定在两侧得v型导轨上面,当驱动电机停止转动时,两侧得轮子在转动得同时，两侧得刀片在偏心轮得转动下也实现来回交错得直线运动，实现在小车前进得过程中完成整个割草得过程。同时在尾部设置风机及集草盒，这样，就实现了对草坪的草从切割、收集的过程，实现了高效充分割草的功能。整体机械结构简单,割草充分,自动化的程度高,结构合理可靠,传动合理可靠,操作简单,高效,能够很好地完成预计的工作目标,机器运行过程中,运行稳定,无过大噪音，机器整体大小尺寸适中，应用前景广泛。具体结构如下图所示。1切割刀2连杆3被动锥齿轮4主动锥齿轮5转轮6被动齿轮7主动齿轮8行走轮9电机10风机11控制器本设计方案的特点是：（1）结构简单可靠、噪音小；（2）操作灵活简单、易上手；（3）割草动作没有撕扯，减少割草后的草屑四散。（4）整机重量较低。图4-1行走机构图4-2割草机构5机械传动部分的总体设计传动系统主要可以分为各种行走式传动系统及各种割草式传动系统,通过各种电机对各个部位进行运动力量的输送,电机将各个输出轴通过连接主动和各个齿轮,从而将整个轮轴上得到一个被动和各个齿轮,从而将整个轮子的转动,实现了割草机得自走和前进,同时在各个轮轴得中间安装有一个圆锥齿轮,锥和各个齿轮下面分别啮合一个小锥和各个齿轮,小锥和各个齿轮互相带动锥齿轮轴得下部转动,锥齿轮轴得下部安装有一个偏心轮,偏心轮通过曲柄摇杆将两侧刀片连接,两边刀片都通过一个v型导轨固定其移动方向,当发电机得下部转动时,两侧得轮子在转动得同时，两侧得刀片在偏心轮得转动下也实现来回交错得直线运动，实现在小车前进得过程中完成整个割草得过程，选用电机为直流伺服电动机。具体结构如下图5-1所示。图5-1传动机构6驱动装置设计6.1驱动电机功率计算此小型割草机由电机驱动。因为割草机工作所消耗的功率由行走功率Px、空转功率Pk及切割茎杆的功率Pg三部分组成，即Pw=Pg其中Pg=vmB式中vm——B——设备切割幅（米），本机为0.3米Pi——草坪切割机在成为一块每平方米的草地上大面积的小草坪所使用需要大量消耗的处理能量和利用功率（N⋅m空转功率Pk其中P&X&=Mgu×v——设备行进速度（米/秒），本机为0.8米/秒M——设备重量（KG），本机约为100KG所以P电机所需输出功率Pη为电机到工作部位的总效率，有四对轴承ηr=0.995，两对齿轮则η=ηr4⋅ηP因此，取输出功率P0=1.5kw的直流伺服电机6.2传动装置运动和传动比的计算主动齿轮与电机输出轴连接，选主动齿轮模数为2，齿数为40，与主动齿轮相连的被动齿轮模数为2，齿数为120，与轮轴相连的主动锥齿轮模数为3，齿数为81，被动锥齿轮模数为3，齿数为27，而偏心轮的偏心距为15mm，则行走机构传动比为QUOTEn行走=12040=3，割草机构传动比为QUOTEn割草=120401）计算传动装置的总传动比由计算出行走机构的传动比i行走=3，割草机构传动比为计算传动装置的运动和动力参数当割草机正常工作时。运行速度为0.8米/秒，割草机轮径D为500mm，轮轴转速为（6-5）QUOTEnΙ=VπD=各轴转速nnnΠ=nΙi各轴输入功率PPΙ=P0⋅PΠ=PΙ⋅各轴输入转矩T0=9550⋅PΙTT由以上计算得参数列表如下表：表6-1传动装置运动和动力参数（1）参数电机轴Ⅰ轴II轴转速n（r/min）30.5730.5791.71功率P（kw）1.51.471.455转矩T（N.m）156.2463.9146.27割草机传动部分设计本次设计的草坪割草机的传动部分为:首先是发电机带动主动齿轮旋转,之后是带动从驱和被传的齿轮旋转,与从驱和被传的齿轮轴相连接的一个轮轴旋转,轮轴旋转同时带动相连的锥齿轮旋转，锥齿轮与短轴相连，带动偏心轮旋转，使曲柄摇杆运动，最后传到双刀片使其做往复运动。传动部分的设计主要是对齿轮的设计。7.1齿轮参数的确定根据实际使用工作环境情况和用户设计使用目的,自定义该参数,电机的驱动输出旋转轴和主动轮的齿轮直接交互相连,主动轮的齿轮模数可以设定为2，齿数可以设定为40，分度圆的直径可以设定为80mm，齿顶圆的直径可以设定为84mm，齿根圆直径为75mm，齿宽为54mm，齿轮为标准直齿圆柱齿轮。被动齿轮模数设定为2，齿数设定为120，分度圆的直径设定为240mm，齿顶圆的直径设定为244mm，齿根圆的直径设定为235mm，齿宽设定为44mm，齿轮为标准直齿圆柱齿轮。主动锥齿轮的模数为3，齿数为81，分度圆直径为243mm，节锥角为27°，节锥长为90mm。主动锥齿轮的模数为3，齿数为27，分度圆直径为81mm，节锥角为27°，节锥长为90mm。所所有的大型齿轮机主体材料均全部采用45号不锈钢,调质,硬度要求范围一般为240HBS，整台齿轮设备的运转速度不高,故选7级精度。【10】7.2齿面接触疲劳强度（7-1）U=i=0.67T载荷系数：K=1.3齿宽系数：φ=1材料的弹性影响系数：Z=189.8MP被动齿轮的接触疲劳极限：σ=550MPa过渡齿轮的接触疲劳极限：σ=450MPa主动齿轮的接触疲劳极限：σ=450MPa应力循环次数：N3=8.611×108QUOTE经查接触疲劳强度寿命系数得：K1=0.9取失效概率为：百分之1安全系数为S=1（7-2）被动齿轮分度圆直径：

计算齿宽：b=φ⋅d=1×44=模数：（7-4）齿高：h=2.25⋅m=6.75（（7-6）载荷系数K：根据V=1.557级精度，查得KKK最后算得载荷系数：K=KaKvK7.3齿根抗弯强度校核弯曲强度设计公式：（7-8）中心齿轮弯曲疲劳极限：σ=380MPa内圈齿轮弯曲疲劳极限：σ=360MPa查得弯曲疲劳寿命系数：KK计算弯曲疲劳许用应力：取失效概率为百分之1，安全系数S=1.4计算载荷系数：K=查得齿形系数：YY取应力矫正系数：Yα3=1.59计算校核：通过比较，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数。可取由弯曲疲劳强度计算的模数m=1.85.并就近元整为m=2，但为了同时满足接触疲劳强度，许选取由接触疲劳强度算出的分度圆直径，d=240mm，来计算应有的齿数，于是有Z3=120。【7.4几何尺寸验算计算分度圆直径；d3=Z3×m=计算齿根圆直径：df3=Z38.轮轴的设计8.1求作用在齿轮上的力因已知被动齿轮的分度圆直径为（8-1）圆周力,径向力及轴向力8.2初步确定轴的最小直径先按式初步设计估算一个作为轴的最小结构长度和最大直径.首先需要选取一个作为轴的主要结构材料也就是45钢,调质和热处理.然后依据《机械设计》第8卷一文中的材料表15-3,取,于是得（8-2）故选取输出轴的直径30≥288.3轴的结构设计（1）拟定轴上零件的装配方案图8-1零件装配方案图（2）根据轴向定位的要求确定轴的直径和结构1)根据计算选取轮轴直径为30，两侧板各一个轴承32209安装在侧板上，轴承采用端盖对轴承外圈进行固定，被动齿轮与轴之间采用16×18得键进行固定，同时被动齿轮和轴的轴向固定采用直径为50的轴用卡簧进行限制，主动锥齿轮一端靠轴肩进行定位，两一侧采用直径为50的轴用卡簧进行限制，径向固定则选取16*10的键进行连接固定，两侧得轮子通过M30得圆螺母进行固定。现取轮轴总长度为L=920.52)初步选择滚动轴承。由于轴承受径向力和轴向力的共同作用，因此选用圆锥滚子轴承。参照工作要求并根据,由轴承产品目录中初步选取0基本游子隙组、标准精度级的圆锥滚子轴承32209。其内部轴承的尺寸为d×D×T=45mm×85mm×23mm。（3）轴上零件的轴向定位齿轮与轴的径向定位均采用平键连接。按查表查得平键截面b*h=16mm×10mm，键槽用键槽铣刀加工，长为L=44mm,同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为QUOTEH7n6；滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径公差为m6。8.4锥齿轮的计算8.4.1选定齿轮的类型、精度等级，材料及齿数（1）割草装通过锥齿圆柱齿轮传动对割草机构进行驱动。（2）割草机对速度、精度要求较低，故选用8级精度。（3）材料选择。由机械设计原理表10-1选择小齿轮材料为40Cr硬度为280HBS,大齿轮材料为45号钢，硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。（4）选小齿轮齿数Z1=27,则大齿轮齿数Z取Z2=81。8.4.2按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即QUOTEd1t≥32KtT1φdεα确定公式内的各计算数值:（1）试选载荷系数K（2）由《机械设计基础》图10-30选取区域系数Z（3）由《机械设计基础》图10-26查得εα（4）许用接触应力[σH]1=KHN1σHlim1S=0.9×600=540Mpa（8-3）其余参数与齿轮相同。8.4.3计算参数（1）试算小齿轮分度圆直径d1t,由计算公式（1）得QUOTEd1t≥32K（2）计算圆周速度vQUOTEV=πdd1n3（3）计算齿宽bb=（4）计算齿宽与齿高之比b/h模数QUOTEmnt=d1tcos齿高h=2.25b/h=80.62/6.54=12.335）计算载荷系数根据V=0.4m/s，7级精度，由《机械设计基础》图10-8查得动载荷系数Kv=1.02，表10-3查得KHα=KFα=1.4KHβ=1.02×0.18(1+0.6φ将数据代入后得K由b/h=10.99，Khp=1.323查图10-13得Khp=1.3;故载荷系数K=6）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式（10-10a）得QUOTEd1=d1t3kkt=57.6237）计算模数mQUOTEm=d1cosβz1=80.68×cos148.4.4按齿根弯曲强度计算由《机械设计基础》式（10-5）得弯曲强度的设计公式为（8-9）QUOTEmn≥32KT1计算式中各参数：1）计算载荷系数K：K=2）根据纵向重和度εβ=1.903,可得3）计算当量齿数QUOTEZV1=Z1cos3β=27cosQUOTEZV2=Z2cos4）查取齿形系数由表查得Y5）查取应力校正系数由表可查得Y6）计算大、小齿轮的QUOTEYFαYSα[σFQUOTEYFα1YSα1[σF]=2.65×QUOTEYFαYSα[σ大齿轮的数值大。由公式（2）设计计算：对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数mn大于由齿根弯曲强度计算的模数，取mn=3,已可满足弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳算得的分度圆直径d1=57.62来计算应有的齿数。于是有:QUOTEZ1=d1cos取Z大齿轮齿数：Z取Z2=81。这样就不仅可以直接使用所有新设计的传动齿轮系统来对其进行高速传动,同时也充分满足了传动齿面上的传动接触疲劳强度和传动齿根疲劳强度,并且很好地直接做到了传动结构【8】。8.5切割装置的运动双动式收割刀铡草机,是由偏心轮的纵向旋转往复运动而演变成收割刀片的横向往复运动。割刀的平均速度VmVm=2sn60（Vm和割草机前进速度Vf的比率K=8.6动刀结构切割器的驱动装置主要由一对通过往复移动的驱动刀杆所组成[11]，动刀和切削机构把刀杆当作一体,刀杆和传动机构中的连杆紧密地联系在一起,用以向动力传输给刀。固定的支撑单元包括手臂、v型刀槽等。在工作中双刀同时做一个往复的直线移动,对于两个双刀之间的草种也可以写个。动刀是切割器驱动装置的主要机械零件,它是采用激光刃体结构,其特点是制造简单、切割高度稳定,但同时也使得刀片易磨钝,要时常维护。而且由于活动型的刀片本身一般属于大型易损件,为了保证能够充分保证其本身具有良好的导热耐磨性及一定的冲击抗震性和韧性,刀片一般都是采用优质耐热铝合金一体材料加工制成,刃部均须同时进行耐热淬火。8.7曲柄连杆设计8.7.1曲柄连杆机构的设计刀片行程S=30mm，曲柄的转速n=91.71公式：VVm=rn15（得到偏心距离r8.7.2曲柄结构设计曲柄是工业切割切削设备中主要机械组成的零部件之一,其主要工作功能也就是将切割齿轮往复旋转时所移动的轴向运动力转变成齿轮往复一条直线的旋转运动,并同时传递动力到切割刀片上。曲柄摇杆一般采用偏心轮式摇杆结构,其中偏心轮的摇杆材料一般选用45钢,安装偏心轮的摇杆转轴部件材料一般选40Cr。按钮转强度计算轴外伸端的直径查资料取C=102QUOTEd≥CPΠnΠ=9.8mm（8 取d=10mm8.8轴承的选型首先齿轮轴主要承受径向力作用，所以可以选用主要承受径向载荷，也可同时承受小的轴向载荷，且大量生产，成本最低的圆锥滚子轴承。根据驱动轴的轴径，我们选用6308的深沟球轴承。其基本参数如下图。图8-2深沟球轴承基本参数表8-1深沟球轴承6308基本参数d/mmＤ/mmB/mmQUOTEda(min)/mmQUOTEDa(max)/mmQUOTEra(max)/mmQUOTEd2/mm40902355750.6≈56.7QUOTED2/mmr(min)/mmCr/kN极限转速/(r/min)重量/kg≈73.30.69.385.02190000.3688.9轴承的校核查表可得：表8-2当量动载荷计算参数计算P接触角ɑ负荷系数fp判断系数QUOTEe径向载荷系数轴向载荷系数01.20.16X=1Y=0代入公式：（8-16）得：P=2350.8N查表可得：表8-3基本额定动载荷及寿命计算参数要求寿命温度系数径向载荷系数轴向载荷系数对于球轴承QUOTEε=35000h1.00X=1Y=0轴承所需基本额定动载荷QUOTEC'=pε60Lh’10得：QUOTEC'=9380N计算寿命：QUOTELh=10660nftCPQUOTELh≥Lh’9机架的设计整整个小型草坪割草机的主要支持部件之一就是机架,它的作用就是能够承担全部来自于传动器械装置和电动机、割草式工具等的各种冲击和应力,机架的牢固性是草坪割草机能够稳定地工作、平稳地运行的重要保证。机架是草坪割草机的构成骨架，机架要求有足够的强度和刚度，以满足草坪割草机运行和行走时的要求。机架由两侧的侧板、上部的连接板以及底部的底板通过螺栓连接而成，本次设计的机架设计材料采用20mm的Q235A碳钢连接成框架，机架外形尺寸为长度1000mm，宽度600，高度450mm，驱动轮、电机、支撑轴承以及割草机构都安装在侧板及底板上，材质均采用Q235A,通过钢板之间相互连接支撑的好处在于：在钢板材料本身所支撑的载荷范围条件下，不会发生结构变形，能满足整个机构的工作强度大，承载能力强，受冲击载荷、弯矩、扭矩不会变形，这样的结构来支撑小型草坪割草机的主要载荷部分。行走部分通过轴承安装在车体两侧的侧板上面，割草机构位于整个机架的下层部分，布置合理可靠。从机架整体来看，机架的选料、结构设计、受力的不均，可以看出小型草坪割草机的机架设计是满足要求的，而且结构设计合理，结构设计见下图（9-1）所示：图9-1机架10电气部分设计10.1PLC介绍可编程逻辑控制器（PLC）是种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它使用可编程存储器，通过编程使其内部存储器执行逻辑操作，定时计数指令，控制机械设备和模拟各种生产过程。10.2PLC选型 通过对草坪割草机的结构分析，以及PLC的控制要求，确定系统的输入点数为5个，输出点数为2个，因此选用三菱电机公司生产的FX2N-32MR型可编程控制器，以行程开关、按钮、等开关量为PLC输入控制信号，有PLC输出控制直流伺服电机的动作。图10-1电气原理图10.3I/O口分配 选用X000、X001、X002、X003、X004五个输入地址，分别对应启动按钮、停止按钮、电源开关、抽风机启动按钮和抽风机停止按钮。而输出地址选用Y000和Y001，对应直流伺服电机驱动器和抽风机。表10-2I/O口分配表序号输入地址功能序号输出地址功能1X000启动按钮1Y000电机驱动器2X001停止按钮2Y001抽风机3X002电源开关4X003抽风机启动5X004抽风机停止10.4控制程序设计 控制程序是基于三菱公司的GXWorks软件，采用梯形图方式编程。程序描述如下：按下电源开关，将PLC调到RUN模式，按下电源开关后，X002导通，M1导通。这时候按下启动按钮，X000导通，同时Y000导通，使得直流电机启动，控制割草机前轮和刀片运动，进行割草工作。按下停止按钮后，X001常闭断开，使得Y000断开，割草机暂时停止工作。当再次按下停止按钮后，割草机重新运动。在电源开关按下的条件下，按下抽风机启动按钮，X003导通，Y001导通，抽风机启动开始收集草屑到集草袋。按下抽风机停止按钮时，常闭X004断开，Y001断开，抽风机停止。图10-3控制程序10.5对社会的影响 随着现代化、城市化的不断发展，越来越多的现代化都市正在建成，同时随着城市面积不断扩大的同时，人们对于城市环境的要求也越来越高。但是在不断建造高楼大厦的同时，城市中的绿化树林和公园正在不断减少。为了能够使城市绿化覆盖率提高，越来越多的楼顶花园、草坪正在不断出现，与此同时，为了长期的保障环境美观，草坪割草机的需求也在不断提高。 城市使用的草坪割草机需要满足以下几个要求：噪音小、小巧轻便、使用简单操作方便。要求噪音小是因为草坪周围的环境大多在闹市区，只有在不影响周围人群的前提下才能工作。而小巧轻便是因为城市中往往没有多余的空间去摆放大型机械，只能选择小型、易搬运的割草机类型。使用简单是为了保证任何人都能熟练使用。从某种方面上来说，机电设备是现代社会生产和生活的必不可少的一环，是社会发展和人民生活水平提高的必备条件。随着机电设备应用的不断推进和深化，机电设备自动化已经成为一个国家现代化水平和社会基础设置建设程度的重要标志。按照当前的国际平均水平和发展态势，在未来相当长的一段时间内，各国对机电设备需求的持续不断增长，将会促进机电工程及自动化技术发展。 只有进一步开发机电技术的使用范围，深化研究进程，加大使用力度，不断创新发展，才能使机电设备更加广泛地应用到生产和生活之中。从而支持我国在科技发展上不断赶超其他国家，实现成为世界顶尖科技研发中心的伟大理想，不断提高人民的民族自信，为我国综合国力和现代化提供强有力的支持。10.6经