水草收割機的設計

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1、 目錄 1 技術任務書 - 1 - 1.1 設計的依據(jù) - 1 - 1.2產(chǎn)品的用途及使用范圍 - 1 - 1.3主要技術指標和重要技術參數(shù) - 2 - 1.3.1 水草收割機的總體設計參數(shù) - 2 - 1.3.2 水草收割機的刀具設計參數(shù) - 2 - 1.4主要工作原理 - 2 - 1.5國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 - 3 - 1.5.1 國內(nèi)外發(fā)展概述 - 3 - 1.5.2 常見的剪草機械分類 - 4 - 1.5.3 常見幾種剪草機械剪草原理 - 4 - 1.6已經(jīng)考慮過的若干方案的比較 - 5 - 1.6.1水草收割機的工作設計方案 - 5 - 1.6.2其他工作

2、設計方案的比較 - 6 - 1.7關鍵問題及其解決辦法 - 7 - 1.7.1 增速機構(gòu)的設計選擇 - 7 - 1.7.2 幾種增速方式的實現(xiàn)比較 - 8 - 1.8 機構(gòu)的功能及特點 - 10 - 1.9機構(gòu)設計與用戶的一致性分析 - 11 - 2.設計計算說明書 - 12 - 2.1 設計方案論證 - 12 - 2.1.1水草收割機的設計原理 - 12 - 2.1.2 方案的選擇 - 12 - 2.2 齒輪的計算部分 - 13 - 2.2.1機構(gòu)的動力計算 - 13 - 2.2.2齒輪設計思路及要求 - 14 - 2.2.3.齒輪設計過程 - 15 - 2.3

3、 軸的計算部分 - 19 - 2.3.1水草收割機中軸2的設計 - 19 - 2.3.2水草收割機中軸1的設計 - 22 - 2.4 刀具的設計計算部分 - 25 - 2.4.1 刀具的概述 - 25 - 2.4.2 刀具的運動分析 - 26 - 2.4.2 刀具的結(jié)構(gòu)尺寸及相關參數(shù) - 27 - 2.5 端面齒輪及撥桿的設計部分 - 28 - 2.5.1端面齒輪和撥桿的概述 - 28 - 2.5.2 端面齒輪和撥桿的運動分析 - 28 - 2.6 結(jié)論 - 32 - 2.6.1 剪草機的使用方法 - 32 - 2.6.1 剪草前應注意的事項 - 33 - 2.6

4、.3 制造價格及應用范圍 - 33 - 參考文獻 - 37 - 致謝 - 39 - 1 技術任務書 1.1 設計的依據(jù) 剪草機械至今已有100多年的歷史，目前人們普遍使用的是電動剪草機械。由于剪草機械多在人口稠密的地區(qū)作業(yè)，流動性大，對機械的震動、噪音、廢氣排放、質(zhì)量等指標要求較高?，F(xiàn)在的剪草機多使用內(nèi)燃機作動力，排氣污染量相對于汽車的較少，但其噪聲危害卻很大。美國EPA(美國環(huán)境保護局)及歐盟對收割機等用發(fā)動機的排放均有相應的法規(guī)；德國還出臺了控制噪聲污染的《蘭色天使》法規(guī)；歐洲一些城市推出過引導性計劃，通過稅收優(yōu)惠及獎勵等措施鼓勵“綠色經(jīng)營者” 以加速環(huán)保技術的發(fā)展

5、 。 水草收割機主要利用滾動的輪子帶動機械運動。水草收割機結(jié)構(gòu)簡單，連接平穩(wěn)，噪音極小，并且操作十分容易，既給使用人帶來方便，也給周圍的人帶來舒適，安靜的環(huán)境。 1.2產(chǎn)品的用途及使用范圍 目前市面上的剪草機大多需動力引擎，這會產(chǎn)生較大的噪音，帶來環(huán)境污染，在辦公和學習的地方，這種需動力引擎的剪草機就顯得非常不受歡迎。由于動力引擎剪草機有動力裝置，保養(yǎng)，維護費用較高；同時動力引擎剪草機主要依靠刀片的高速旋轉(zhuǎn)把草排出，因此，對整機的安全性要求較高，操作時也會給工作人員帶來強烈的震動，使操作很不舒適。雖然，動力引擎水草剪草機剪草效率較高，剪草效果較好，但是，其價格也較昂貴，就目前來說，一般的

6、用戶難以接受。 通過市場調(diào)研，我們決定設計一種無引擎驅(qū)動，無噪音污染，剪草高度可調(diào)節(jié)，輕便簡潔，操作方便和美觀實用適用于一般用戶的水草剪草機。 該產(chǎn)品主要用于家用，及面積不大的水草修剪。無需引擎，可謂綠色環(huán)保的剪草機。對提倡環(huán)保的地域，是理想的剪草工具。 1.3主要技術指標和重要技術參數(shù) 1.3.1 該水草收割機的總體設計參數(shù) 外形尺寸： 輸入功率： 輪子轉(zhuǎn)速： 力矩： 凈質(zhì)量： 變速要求：單級刀具，一固定刀片和一活動刀片相互運動 單根剪草載荷： 同時剪草量： 1.3.2 該水草收割機的刀具設計參數(shù) 表1-1 刀具設計參數(shù) 項目 切割器的形式 切割幅寬

7、 刀片間距 刀片運動形式 刀片往復頻率 刀片形狀 配套動力 操作人數(shù) 凈重 水草收割機 往復切割 240mm 20mm 單動 860r/min 平形 149.1W 113r/min 1人 30kg 1.4主要工作原理 本次設計的水草收割機主要利用輪子運動傳動變速箱中的齒輪實現(xiàn)刀具的往復運動的功能。水草收割機由變速齒輪、端面齒輪、撥桿和剪刀等構(gòu)件組成，端面齒輪和撥桿是一對工作組合。端面齒輪通過自身的轉(zhuǎn)動將旋轉(zhuǎn)方向的力傳動給撥桿，引起水平方向的往復運動，從而使刀具自身往復運動。由于剪草機變速變矩范圍不夠大，因此在刀具的選擇上尤其注意以提高剪草機自身效率為重要

8、原則。 剪草機工作時由人推動機器行走，從而使剪草機的后輪1傳動，帶動與其同在一根軸上的大齒輪2傳動，通過齒輪2與齒輪3組成的增速機構(gòu)使速度得以提升，并帶動端面凸輪4（為了實現(xiàn)幾何形狀封閉和便于調(diào)整，采取兩個端面凸輪以背靠背形式裝配）回轉(zhuǎn)，端面凸輪4帶動撥桿5運動，通過端面凸輪4與撥桿5組成的轉(zhuǎn)換機構(gòu)將回轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€往復運動，使固定其上的活動刀片與固定在機架上的固定刀片形成相對交錯運動，完成剪草動作。如圖1—1所示： 圖1—1 機器的運動簡圖 1.5國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.5.1 國內(nèi)外發(fā)展概述 l9世紀中葉，大部分的水草還在使用鐮刀來割草或放牧牛羊來保持草

9、地的整齊性。隨著高爾夫球、網(wǎng)球及足球等運動的興起，保持完善的草地做運動場便成為當務之急。英國人Edwin Budding利用旋轉(zhuǎn)式機械工作的原理發(fā)明了滾刀式剪草機，該產(chǎn)品的問世在英國受到了廣泛的歡迎，隨后傳人美國。1868年，美國第一臺剪草機取得專利，美國的水草業(yè)也由此起步。不過幾年，便有37項有關剪草機的發(fā)明獲得專利。到1881年，總共有4萬多臺剪草機被生產(chǎn)和銷售 。最初的剪草機均為人力驅(qū)動；1890年，在英國開始設計有動力驅(qū)動的剪草機。從最初的蒸汽動力驅(qū)動發(fā)展到小型內(nèi)燃機動力驅(qū)動；1909年，美國科學家Leoni取得了動力型機械式剪草機專利，盡管剪草機由汽油機驅(qū)動，但整個裝置仍由馬拉行走。

10、 在水草修剪機械發(fā)展的歷史上，第二次世界大戰(zhàn)是一個轉(zhuǎn)折點。在20世紀30年代前后，每年生產(chǎn)的各類剪草機數(shù)量約3萬臺左右。戰(zhàn)后，美國經(jīng)濟得到復興，允許現(xiàn)役軍人低價買房不付現(xiàn)金，大批建設房屋并出售，促使水草修剪機械得到迅速發(fā)展，生產(chǎn)量急劇上升，1947年達36萬臺，1974年達700萬臺。20世紀70年代后期開始，剪草機的市場銷售量逐漸趨向飽和，但每年仍保持在500萬—600萬臺的銷量 。剪草機在數(shù)量增加的同時，其性能也在不斷改進。1950年，美國第一臺無線電操縱的剪草機誕生；1978年，C1arence Noke研制出了一種可進行水草修剪編程的剪草機" ；20世紀80年代，一些新的水草設備又投

11、放市場，如Mulching mower，Shredder，Lawndethatcher，String trimmer等，以及清潔水草用的Blower，Lawn vacuum，Lawn sweeper 。到了80年代后期，string trimmer被認為是一件普通的家庭用具。 我國生產(chǎn)剪草機起步較晚，生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模普遍較小，產(chǎn)品用途單一，品種數(shù)量少，遠不能滿足要求，而且質(zhì)量與發(fā)達國家的相比也有很大差距。所以長期以來，水草剪草機多以進口為主，主要來自日本、美國、意大利和瑞典等國。據(jù)統(tǒng)計，1999年的剪草機銷售量在3萬臺左右，其中80％為進口；2000年我國各類水草機械保有量達13余萬臺，剪草機進

12、口量在3．16萬臺左右；近兩年，水草機械平均年增長率達到30％左右，國內(nèi)每年水草機械的銷售總額大約為1．2億～1．3億元人民幣，其中從國外進口的機械占85％，國內(nèi)自行生產(chǎn)的產(chǎn)品占15％左右，其合計銷量約在1萬臺左右 。 1.5.2 常見的剪草機械分類 剪草機械按動力劃分可以分為機動和人推的兩類。按動力又分為柴油機、汽油機和電動機3類驅(qū)動。其中以小型汽油機作為動力的較為普遍，而柴油機多用于大型的剪草機械，如牧場的收割機；按剪草時刀片運動的方式可分為滾刀式、旋刀式和剪切式3種；按切割器形狀可分為旋刀式、滾刀式、往復割刀式和甩刀式等；按駕駛形式分類，可分為推動式(步行式)、自行式、坐騎式(駕乘式

13、)；按配套動力和作業(yè)方式分為、手扶推行式、手扶自行式、駕乘式、拖拉機式等。剪草機的剪草幅寬一般為400～lO00mm，剪草高度從15～lOOmm有幾個調(diào)節(jié)擋位 。 1.5.3 常見幾種剪草機械剪草原理 （1）滾刀式剪草機 其由帶有刀片的滾筒和不動的床刀組成。滾刀的形狀像一個圓柱形鼠籠，切割刀呈螺旋形安裝在圓柱表面，滾刀旋轉(zhuǎn)帶動草莖相對于底刀產(chǎn)生一個逐漸切割的滑動剪切而將草莖剪斷。滾刀式剪草機剪草的質(zhì)量取決于滾刀上刀片數(shù)和滾刀的轉(zhuǎn)速，滾刀上刀片數(shù)越多，單位長度行進中切割的次數(shù)就越多，切下的草也越細，滾刀的刀片數(shù)一般為3～12片不等；滾刀的轉(zhuǎn)速越高，切下的草也越細。滾刀式剪草機是高質(zhì)量水草最

14、常用的剪草機型，適用于草高3～80mm 的水草，其價格貴，維修保養(yǎng)要求嚴格。 （2）旋刀式剪草機(又稱懸刀式) 它是由橫向懸掛在直立軸上的刀片高速旋轉(zhuǎn)打切草的上部葉片。其工作裝置為一長條形剪草刀或多把剪草刀在水平刀盤上，高速旋轉(zhuǎn)的刀刃與草莖碰撞而將其割斷，為無支承切割。刀刃的后面是類風葉形狀，在高速旋轉(zhuǎn)下，對地面形成一定的真空將草莖吹成直立狀態(tài)，便于切割并與罩殼相結(jié)合，形成渦流將割下的碎草送人集草裝置或從罩殼出口噴出灑到水草，適于范圍內(nèi)剪草，它的價格相對低廉，保養(yǎng)、維修和使用都很方便，是國內(nèi)外目前最流行的剪草機。 （3）甩刀式剪草機 其切割裝置由多把垂直于地面的刀片鉸接在旋轉(zhuǎn)組成的旋轉(zhuǎn)

15、軸上， 當高速旋轉(zhuǎn)時，在離心力作用下，其刀片像垂直于軸芯的甩刀，端部刀刃不斷地沖擊切割草莖。由于刀片與刀軸或刀盤為鉸接， 當碰到堅硬沖擊不斷的物體時可以避讓而不致?lián)p壞機器。 （4）甩繩式剪草機 其工作裝置是由一個內(nèi)裝尼龍繩的打草盤、背向人的護罩組成。當打草盤高速旋轉(zhuǎn)時，露在外面的尼龍繩在離心力作用下，像一束伸直的刀刃快速撞擊草莖而切割斷草。由于尼龍繩是柔性的，其撞擊障礙物時退讓，不會損壞機器本身，也不會對障礙物有較大的破壞。 1.6已經(jīng)考慮過的若干方案的比較 1.6.1水草收割機的工作設計方案 我們所設計的水草收割機首先要通過一個傳力構(gòu)件將人力傳遞出去。為了讓操作者在正常行走速度下操

16、作，傳遞出去的力應通過增速機構(gòu)繼續(xù)傳遞。因執(zhí)行修剪草動作刀片的相對運動方向與人行進的方向垂直，經(jīng)前面增速機構(gòu)傳遞過來的運動都需要再經(jīng)過一級轉(zhuǎn)換機構(gòu)傳遞到執(zhí)行構(gòu)件。 通過分析得到水草收割機的組成框圖，如圖1—2所示。 圖1—2水草收割機的組成框圖 1.6.2其他工作設計方案的比較 能實現(xiàn)水草功能的技術原理較多，但各有利弊，具體分析如下： （1）用腳驅(qū)動 用腳驅(qū)動時，一般操作者都需站在或坐在被驅(qū)動的機器上用力，這樣所設計的機，除了要完成剪草動作外，還要承受操作者的自重，且要有方向控制裝置，使機器結(jié)構(gòu)復雜，尺寸較大，不適合小面積水草使用。 （2）用手驅(qū)動 用手驅(qū)動，可避免用腳

17、驅(qū)動時存在的問題，使所設計的機器小巧，且可靈活操作。因此，我們選擇設計手動式機。 （3）用割的方式 即用刀將草截斷。但草柔軟，且一端自由，采取割的方式將草截斷較難實現(xiàn)。 （4）用打的方式 即用刀片或打草繩將草打斷。用此法時所需的速度非常高，以其在草還沒被打倒之前將草打斷，這樣的產(chǎn)品已有，但效果不好。 （5）用剪的方式 即用刀將草剪斷，用兩個刀片作相對運動的原理較易將草剪斷，且不需要很高的速度。因此，我們選擇設計成手動式剪草機。 手動的形式又用手搖動和用手推動兩種。機械容易實現(xiàn)的是簡單的轉(zhuǎn)動和往復直線運動，如果用手搖動手柄實現(xiàn)執(zhí)行構(gòu)件的往復移動，由于剪草機還要靠人力推著向前行

18、進，操作者要完成的動作過多，操作不方便。要使操作者只通過簡單的操作即可完成剪草動作，可以用手推剪草機向前行駛，靠剪草機輪子的轉(zhuǎn)動將轉(zhuǎn)動運動轉(zhuǎn)變成往復移動而輸出到執(zhí)行構(gòu)件。顯然設計成手動式水草剪草機是合理而可行的。 根據(jù)所查資料，可選用組合—變異法構(gòu)成初步方案。由前面的分析可知，手動式水草剪草機只需要一項運動形式變換功能（即轉(zhuǎn)動變直線往復移動），所以，不必列出矩陣表后構(gòu)型。實現(xiàn)轉(zhuǎn)動到直線往復移動變換功能最簡單的機構(gòu)為曲柄滑塊機構(gòu)，直線推桿盤狀凸輪機構(gòu)和齒輪齒條機構(gòu)。 1)曲柄滑塊機構(gòu) 2）直動推桿盤狀凸輪機構(gòu) 3）齒輪齒條機構(gòu)

19、圖1—3機構(gòu)運動簡圖 1.7關鍵問題及其解決辦法 1.7.1 增速機構(gòu)的設計選擇 增速機構(gòu)是傳遞動力及變速的核心機構(gòu)。它的速度變化直接改變刀具的剪切運動。我的水草收割機采用圓柱凸輪傳動機構(gòu)。 可以利用圓盤側(cè)面的形狀特征，為此圓盤旋轉(zhuǎn)時通過側(cè)面推動固定在滑塊上的撥桿（可橫向調(diào)整）左右運動，這樣就得到了一種新型的凸輪—端面凸輪，其工作原理如圖1—4所示： 圖1—4 圓柱凸輪傳動機構(gòu) 1.7.2 幾種增速方式的實現(xiàn)比較 （1）用組合法實現(xiàn)增速 為了讓操作者在正常行走速度下操作，傳遞出去的力應通過增速機構(gòu)繼續(xù)傳遞。由于轉(zhuǎn)換機構(gòu)的運動輸入構(gòu)件作定軸轉(zhuǎn)動，這樣在剪草機動力輸入構(gòu)

20、件輪子和轉(zhuǎn)換機構(gòu)的運動輸入構(gòu)件之間，可以采用鏈傳動，帶傳動和齒輪傳動。為了使所設計的剪草機結(jié)構(gòu)緊湊，可以采用齒輪傳動。而齒輪傳動有直齒原著齒輪傳動，斜齒圓柱齒輪傳動，圓錐齒輪傳動和蝸輪蝸桿傳動等。但是蝸輪蝸桿傳動的效率低，一般是蝸桿主動，且軸線空間交錯，應用到剪草機械中，會使支撐結(jié)構(gòu)復雜。圓錐齒輪傳動的軸線相交，且其中一個齒輪需懸置，也會使剪草機支撐結(jié)構(gòu)復雜。直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪的軸線相互平行，支撐結(jié)構(gòu)較簡單，同時剪草機的速度不高，載荷也不大，因此，可選擇直齒圓柱齒輪作為增速機構(gòu)。 機構(gòu)組成方案如圖1—5所示： 1) 帶動齒輪增速的曲柄滑塊機構(gòu)

21、2）帶齒輪增速的直動推桿盤狀凸輪機構(gòu) 3) 帶齒輪增速的齒輪齒條機構(gòu) 圖1—5機構(gòu)運動簡圖 用異變法實現(xiàn)刀具剪草運動方向與剪草機行進方向垂直，由于刀具的剪切運動方向與剪草機行進方向垂直，圖1-5中1）和2）所示的機構(gòu)組成方案不能最終滿足設計要求，還需對機構(gòu)進行進一步構(gòu)型。 方案1 利用梅花凸輪（凸輪廓線呈梅花狀）和連桿機構(gòu)來實現(xiàn)滑塊在導軌上的往復運動，工作原理如圖1—6所示。 圖1—6梅花凸輪傳動機構(gòu) 方案2 利用圓柱凸輪機構(gòu)將凸輪軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滑塊的往復運動，其工作原理如圖1—7所示。 圖1—7圓柱凸輪傳動機構(gòu) 在圖1—6所示的梅花凸輪機構(gòu)中，為把

22、凸輪的轉(zhuǎn)動變?yōu)閳?zhí)行構(gòu)件的往復移動需增加一個支點和一個構(gòu)件兩個低副（或一個構(gòu)件一個高副），這樣會增加整個機構(gòu)的復雜性，且設計時應該比短（否則必然會增大梅花凸輪的尺寸，或者引起梅花凸輪邊緣曲線過度較急），這樣將減少傳送到滑塊上的力。圖7，圖4所示的圓柱凸輪機構(gòu)和端面凸輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單，可以考慮作為所設計的剪草機的運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)。 但是，我們還希望所設計的剪草機能實現(xiàn)剪草高度的調(diào)節(jié)。要實現(xiàn)此調(diào)節(jié)功能，在圖1—7所示的圓柱凸輪機構(gòu)中還需要增加一個能使刀架（包括活動刀片和固定刀片）沿垂直方向移動的移動副，使機構(gòu)結(jié)構(gòu)變得較為復雜。而圖2—7所示的端面凸輪機構(gòu)，可以使推桿沿端面凸輪的任意弦上下運動，從而帶動

23、刀架上下運動，易于實現(xiàn)剪草高度的調(diào)節(jié)。 1.8 機構(gòu)的功能及特點 該機采用固定刀片與活動刀片相對錯動的剪切原理，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)量輕，噪音小、無污染，使用方便、靈活，適合小面積水草的剪草處理； 無需引擎驅(qū)動，使用安全、可靠，便于維護； 剪草的高度可在1—20mm之間調(diào)整，割幅240mm，外形尺寸（長寬高：586369200mm）,質(zhì)量30kg（材料由45鋼制作）； 采用耐用的鑄鋁底盤和結(jié)構(gòu)件，具有永不生繡、永不卷曲變形的特點； 前輪采用萬向輪，具有良好的導向性，后輪的一個輪子裝上壽命長的球軸承，使剪草機轉(zhuǎn)彎時易于推動； 金屬手柄易于折疊，以減少包裝尺寸，手柄長度可伸縮，對于

24、不同身高的操作者同樣適用； 底盤獨特的設計可防止草堵塞出口通道； 外觀造型美觀，更適合家庭用戶的審美要求； 剪草的效果較理想，且成本低，是小面積水草修剪的首選產(chǎn)品。 1.9機構(gòu)設計與用戶的一致性分析 （1）從機構(gòu)運動的功能出發(fā)，按變異—組合法和類比法完成機構(gòu)的構(gòu)件和設計； （2）在作品樣機加工前，使用三維造型軟件進行三維造型、虛擬裝配和運動仿真； （3）理論上驗證設計的可行性，然后進行樣機制作； （4）外觀造型新穎，推桿可折疊伸縮，適合家庭用戶使用； （5）采用齒輪機構(gòu)（實現(xiàn)增速），提高整機的工作效率，解決了手動剪草機工作效率不高的問題； （6）采用端面凸輪機構(gòu)（運動形式

25、轉(zhuǎn)換機構(gòu)），將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復運動，從而滿足剪草運動要求，形狀類似冠輪，解決了端面凸輪加工難的問題； （7）采用的剪草高度調(diào)節(jié)機構(gòu)，解決了目前手動剪草機不易實現(xiàn)高度調(diào)節(jié)的問題； （8）產(chǎn)品成本（制造和使用成本）低，符合廣大用戶購買能力的要求。 2.設計計算說明書 2.1 設計方案論證 2.1.1水草收割機的設計原理 該機構(gòu)由輪子帶動，通過一對單級減速器進行傳遞轉(zhuǎn)矩，再由端面齒輪和撥桿組合變化運動方向，最終輸出往復剪切運動。 2.1.2 方案的選擇 選擇這個設計方案能夠更好的實現(xiàn)運動傳遞。無引擎驅(qū)動，節(jié)省能源，無污染（噪音、廢

26、氣），采用綠色環(huán)保設計。采用齒輪機構(gòu)（實現(xiàn)增速），提高整機的工作效率，解決了手動剪草機工作效率不高的問題；采用端面凸輪機構(gòu)（運動形式轉(zhuǎn)換機構(gòu)），將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復運動，從而滿足剪草運動要求，形狀類似冠輪，解決了端面凸輪加工難的問題。采用的剪草高度調(diào)節(jié)機構(gòu)，解決了目前手動剪草機不易實現(xiàn)高度調(diào)節(jié)的問題。 另一方案，用蝸輪蝸桿傳動，直接帶動割草圓盤，采用割草的方式。機構(gòu)更加簡單，刀具拆裝方便。但草柔軟，且一端自由，采取割的方式將草截斷較難實現(xiàn)，割草的數(shù)目不多。要想割的效率快，必須采用大功率。 我采用的剪草機方案結(jié)構(gòu)比較簡單，與之相比軸的位置較為容易定位，而蝸輪蝸桿傳動的收割機一水平一豎直的

27、軸造成了機架結(jié)構(gòu)的復雜。并且增速機構(gòu)采用端面齒輪和撥桿的運動組合，結(jié)構(gòu)簡單，運動實際為一凸輪推桿的運動組。 同時剪草的數(shù)量較多，在功率一定得情況下，剪得方式始終比割得方式效率高。蝸輪蝸桿傳動的收割機機構(gòu)方案簡圖如圖2—2所示： 圖2—2 蝸輪蝸桿傳動的收割機 2.2 齒輪的計算部分 2.2.1機構(gòu)的動力計算 水草上的草為特殊纖維材料，較易剪斷，不需要太大的載荷。通過實際運用中收割機械的分析，可以假設剪一根草所需載荷為，同時剪草數(shù)量最多為500根。可得F=250N；端面齒輪上所受力的大小為： 輪子提供轉(zhuǎn)矩帶動剪刀，進行機械運動。假設輪子的直徑為；輪子周長為。 假定人的正常行走步數(shù)為

28、。 假定刀具所受的力全部來自輪子的轉(zhuǎn)矩所引起的運動。 則 軸上的所傳遞的功率大小為： 軸上的所傳遞的功率大小為：; 輪子所傳遞的功率大小為： 2.2.2齒輪設計思路及要求 水草收割機中的齒輪設計要求 （1）合理選用模數(shù)： 在現(xiàn)代變速箱設計中，各檔齒輪模數(shù)的選擇是不同的。但為了經(jīng)濟性和用途的要求，初選模數(shù)：。 （2）合理選用壓力角： 對于同一分度圓的齒輪而言，若其分度圓壓力角不同，基圓也就不同。當壓力角越大時，基圓直徑就越小，漸開線就越彎曲，輪齒的齒根就會變厚，齒面曲率半徑增大，從而可以提高輪齒的彎曲強度和接觸強度。 合理選用螺旋角： 為了保證齒輪傳動的

29、平穩(wěn)性、低噪聲和少沖擊，所有齒輪都要選擇較大的螺旋角，一般都在30左右。 （3）分析齒頂寬： 對于正變位齒輪，隨著變位系數(shù)的增大，齒頂高也增大，而齒頂會逐漸變尖。所以必須對齒輪進行齒頂變尖的驗算。 （4）水草收割機中齒輪強度的計算方法概述 我國的國家標準局所發(fā)表的漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法是參照國際標準化組織的計算方法所制定的，該方法比較全面地考慮了影響齒輪承載能力的各種因素，現(xiàn)已成為目前最精確的、綜合的齒輪強度計算方法。 影響輪齒載荷的各種因素大致可歸納為四個方面，分別用四個系數(shù)來修正名義載荷，這四個系數(shù)分別為使用系數(shù)、動載系數(shù)、齒向載荷分布系數(shù)、齒間載荷分配系數(shù)。 各種齒輪

30、強度計算方法所采用的動載系數(shù)Kv在形式上有很大的差別，考慮的因素也不相同。 各種齒輪強度計算方法所采用的齒向載荷分布系數(shù)的計算方法各不相同。 各種齒輪強度計算方法所采用的齒間載荷分配系數(shù)的處理上有很大差別。 由于汽車變速箱的工作特性，使得輪齒的載荷是波動的，對于這種不穩(wěn)定載荷的情況。 從以上四點可看出國際標準化組織ISO的齒輪強度計算方法是一種比較合理、精確的方法，所以在本論文中齒輪的設計計算采用此種方法。 齒輪在傳遞動力時，輪齒處于懸臂狀態(tài)，在齒根產(chǎn)生彎曲應力和其它應力，并有較大的應力集中，為使齒輪在預定的壽命期內(nèi)不發(fā)生斷齒事故，必須使齒根的最大應力小于其許用應力。 2.

31、2.3.齒輪設計過程 （1）輸出轉(zhuǎn)矩設計： 轉(zhuǎn)速 軸上的轉(zhuǎn)速 計算輪子傳遞的轉(zhuǎn)矩 可得： 軸上的轉(zhuǎn)矩為: （2）齒輪的參數(shù)設計： 選擇齒輪材料、熱處理、精度等級及其齒數(shù) 剪草機為一般工作機器，齒輪選擇常用材料及熱處理，8級精度。小齒輪：40Cr(調(diào)質(zhì))，齒面硬度280HBS；大齒輪：45鋼（調(diào)質(zhì)），齒面硬度240HBS。二者硬度相差40HBS。 選擇小齒輪齒數(shù)：z1=23，大齒輪齒數(shù)： （3）基本參數(shù)的選擇 試選載荷系數(shù)： 選擇的齒寬系數(shù)為： 查得彈性系數(shù)為： 按齒面硬度查取接觸疲勞極限： 小齒輪：, 大齒輪：； （4）計算應力循環(huán)次數(shù)N 假定工作

32、機載荷有輕微沖擊，每星期左右修剪一次水草，每周工作8h，預期使用壽命為50年。 小齒輪的應力循環(huán)次數(shù)為： 可得： 大齒輪的應力循環(huán)次數(shù)為： （5）計算接觸疲勞許用應力 查得接觸疲勞壽命系數(shù)：小齒輪, 大齒輪 接觸疲勞強度安全系數(shù) 有公式： （1） （2） 試算小齒輪分度圓直徑 （3） 可得： 為了保證制造工藝簡單，取 模數(shù)： 取標準模數(shù) 小齒輪分度圓直徑： 大齒輪分度圓直徑： 大齒輪齒寬,圓整?。? 小齒輪齒寬 (加寬5mm)

33、 中心距 小齒輪齒全高 大齒輪齒全高 齒輪 齒數(shù) 模數(shù) 齒形角 全齒高 大齒輪 69 2.0 20 4.5 小齒輪 23 2.0 20 4.5 齒輪的相關參數(shù)如下表所示： 表2-1齒數(shù)表 （6）計算載荷系數(shù)K 查得使用系數(shù) 圓周力， 查得動載荷系數(shù) 查得齒間載荷分配系數(shù), 查得齒向載荷分布系數(shù), 一般經(jīng)仔細跑合，取 計算載荷系數(shù) （7）修正計算： 已取,符合接觸疲勞強度條件。 （8）齒輪齒根彎曲疲勞強度校

34、核過程 確定設計參數(shù) 載荷系數(shù)K= 小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 查得齒形系數(shù), ;應力修正系數(shù)， 查得彎曲疲勞壽命系數(shù)：小齒輪,大齒輪 按齒面硬度查得彎曲疲勞極限：小齒輪,大齒輪 計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞強度安全系數(shù) 由公式,可得 由公式，可得 齒根彎曲應力 結(jié)論:計算可得彎曲疲勞強度足夠。 2.3 軸的計算部分 2.3.1水草收割機中軸的設計 （1）選擇軸的材料 該軸無特殊要求，選擇45鋼調(diào)質(zhì)處理， 初步估算軸徑： 按扭轉(zhuǎn)強度估算輸入端的最小軸徑。按45鋼，取 根據(jù)公式，取 （2）軸的結(jié)構(gòu)設計 軸上零件的軸向定及位周向定位。 從左輪子連接處向

35、右?。? 。 考慮軸的結(jié)構(gòu)工藝性：考慮到軸的結(jié)構(gòu)工藝性，在軸的左端和右段均制成倒角。 （3）軸的強度演算 經(jīng)結(jié)構(gòu)設計之后，各軸段作用力大小和作用點位置、軸承跨距、各段軸徑等參數(shù)均已知。 齒輪上作用力的大小轉(zhuǎn)矩： 齒輪端面分度圓直徑： 圓周力： 徑向力： 軸向力： 受力簡圖如3—2所示： 圖2—3 垂直面上受力簡圖 垂直面上軸承的支反力及主要截面的彎矩： 截面C處的彎矩為： 圖2—4垂直面上截面的彎矩 水平面上軸承的支反力及主要截面的彎矩： 截面C處的彎矩

36、為： 圖2—5 水平面上截面的支反力 截面C處的合成彎矩為： 圖2—6 水平面上截面的彎矩及合成彎矩： 圖2—6水平面上截面的彎矩及合成彎矩 按彎扭合成應力校核軸的強度 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面強度，取，該截面上的計算應力： 通過查表可知： 材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理的許用應力為，由于，故安全。 2.3.2水草收割機中軸的設計 （1）選擇軸的材料 該軸無特殊要求，選擇45鋼調(diào)質(zhì)處理， 初步估算軸徑： 按扭轉(zhuǎn)強度估算輸入端的最小軸徑。按45鋼，取 根據(jù)公式，取 （2）軸的結(jié)構(gòu)設計 軸上零件的軸向定位周向定位

37、 大齒輪在軸上為對稱定位，左右兩端靠套筒定位，裝拆，傳力較為簡單；兩端軸承常用同一尺寸，以便于加工、安裝和維修；為便于拆裝軸承，軸承處軸肩不宜太高。 齒輪與軸的軸向固定采用普通平鍵聯(lián)接。 根據(jù)軸的直徑查得齒輪處的鍵截面尺寸為，配合為，滾動軸承內(nèi)圈與軸的配合采用基孔制。確定各段軸徑和長度通過確定定位軸肩高度，從左輪子連接處向右取。 考慮軸的結(jié)構(gòu)工藝性：考慮到軸的結(jié)構(gòu)工藝性，在軸的左端和右段均制成倒角。 軸的強度演算 經(jīng)結(jié)構(gòu)設計之后，各軸段作用力大小和作用點位置、軸承跨距、各段軸徑等參數(shù)均已知。 齒輪上作用力的大小轉(zhuǎn)矩：=3911Nmm 齒輪端面分度圓直徑：

38、 圓周力： 徑向力： 軸向力： 圖2—7 軸垂直面上受力簡圖 垂直面上軸承的支反力及主要截面的彎矩： 方向相反 截面C處的彎矩為： 圖2—8 軸垂直面上截面的彎矩 水平面上軸承的支反力及主要截面的彎矩： 截面C處的彎矩為： 圖2—9軸水平面上截面的支反力 截面C處的合成彎矩為： 圖2—10 軸水平面上截面的彎矩及合成彎矩 按彎扭合成應力校核軸的強度 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面強度，取，該截面上的計算應力： 通過查表可知： 材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理的許用

39、應力為，由于，故安全。 2.4 刀具的設計計算部分 2.4.1 刀具的概述 剪切機采用剛性切割式，運動方式選擇往復式運動。 往復式切割裝置由上、下兩組刀片組成，分動和雙動兩種運動方式。本設計采用單動運動方式。單動切割器是動刀片在定刀上作往復運動；其特點是：，刀片的行程與上、下刀片的距離均相等。 剪切機的上、下刀片形狀相同，剪切時，草兩側(cè)同時受到切割，在一個行程中，運動速度的大小有變化，合理切割的方法是利用較大的速度來剪切。刀片的速度圖如圖2—11所示。剪刀自點向右運動時，其速度自零逐漸增加，在沒有達到之前，因切刀不相接觸，不發(fā)生切割。刀片到達時，兩刀刃開始接觸，這時稱為始切速，然后刀

40、片繼續(xù)向右運動而進入切割，直到刀片到達時，兩刀刃相向接觸完畢，這以后不再切割，這時稱為終切速。由到為切割速度的變化范圍。由圖2—11可知，大于終切速。 圖2—11 切割速度的變化 在切割過程中，有些草是在被一刀刃頂斜著推向另一刀刃和剪切機前進而向前傾斜狀態(tài)下切割的，使草叢表面稍欠平整。 2.4.2 刀具的運動分析 刀片一個行程時間內(nèi)機器前進的距離稱為切刀的進程，以H表示，切刀一秒鐘內(nèi)運動的絕對距離為： 式中：——機器的前進速度 ——刀具水平運動的距離 ——輪子的周長 一個

41、行程所需要的時間為： 一個行程運動的絕對距離： 可得切刀的進程H為： 由于端面齒輪旋轉(zhuǎn)一周刀具往復運動6次，刀具行程運動呈現(xiàn)對稱的加速減速運動，速度由變化，從0到達的所需的時間與到達0的時間均為。 運動分析可知，刀具呈現(xiàn)勻加速運動，運動方程式為： 可得： 切刀的平均速度： 將切刀的平均速度與機器的前進速度的比值稱為刀機速比。 ，據(jù)類似的茶樹修剪機和采茶機的試驗分析，可得動力轉(zhuǎn)速較小的水草收割機傳動的效率較高。 2.4.2 刀具的結(jié)構(gòu)尺寸及相關參數(shù) 刀片是切割裝置的主要部件，由于使用條件和運動參數(shù)的不同

42、，使刀片的參數(shù)隨不同的機型而有些差異。 表2—2水草收割機的主要參數(shù) 項目 切割器的形式 切割幅寬 刀片間距 刀片運動形式 刀片往復頻率 刀片形狀 配套動力 操作人數(shù) 凈重 水草收割機 往復切割 240mm 20mm 單動 860r/min 平形 149.1W 113r/min 1人 30kg 切割角的增大使切口變得不整齊。當?shù)镀谐淘跁r，刀片的切割角和楔角不影響剪草的質(zhì)量。往復式刀刃的切割角和楔角如圖2—12所示。 圖2—12往復式刀刃的切割角和楔角 試驗分析可知行程與剪草質(zhì)量的關系： 刀片的刀距行程對剪草的質(zhì)量沒有顯著的影響。剪

43、草質(zhì)量比較好的行程在，碎片也相應較少。切割間距在時，切口平整；切割間距在30mm以上時，切口就不平整；切割間距大于40mm時，采摘面就象抓采樣的，漏采的也增多。 切割速度比與正常草芽葉、碎片的關系 剪切機刀片的切割速度比在2.5以下時，正常芽葉多，碎片少。對采摘質(zhì)量沒有大的影響。對類似作物的試驗，任何往復刀片，當切割速度比在2.5以下時，正常芽葉稍有減少的趨勢；切割速比在時，剪草質(zhì)量無明顯的差別。切割速度比在小于3時，剪草面切口出現(xiàn)明顯的不平整。 表2—3往復式刀片的主要技術參數(shù) 項目 刀片 刀間距 刀高 切割角 刀角 硬度（HRC） 往復式刀片 動刀片 20

44、mm 定刀片 2.5 端面齒輪及撥桿的設計部分 2.5.1端面齒輪和撥桿的概述 水草收割機中端面齒輪和撥桿一對運動組合類似于凸輪和推桿，而撥桿的運動直接影響其刀具的往復運動。由撥桿在端面齒輪凹凸曲面上的規(guī)則運動，從而帶動刀具的運動。 2.5.2 端面齒輪和撥桿的運動分析 端面齒輪的形狀如圖2—13所示： 圖2—13 端面齒輪的形狀 對撥桿的運動要求為： 當端面齒輪轉(zhuǎn)過時，推桿上升20mm； 端面齒輪再轉(zhuǎn)過時，撥桿下降20mm； 推桿繼續(xù)轉(zhuǎn)過時，撥桿又停止不動。 運動狀態(tài)如圖2—14所示。 圖2—14 運動分析圖 撥桿在

45、端面齒輪處安裝，圖中a與b為撥桿上升對應的端面齒輪所旋轉(zhuǎn)的角度，c為。在端面齒輪上撥桿與端面齒輪接觸點旋轉(zhuǎn)的角度所對應的行程為： 式中d為撥桿與端面齒輪接觸點在端面齒輪上離中心位置的直徑大小。 圖2—15 端面齒輪的輪廓曲線 假設在端面齒輪上的運動行程為,接觸點上下運動的位移為,可得運動軌跡方程為： 在式中各參數(shù)： 為端面齒輪旋轉(zhuǎn)的角度； k為與端面齒輪運動行程與接觸點上下運動的位移的相關參數(shù)。 代入特殊值，可得： 從而得出接觸點上下運動位移的軌跡方程為： 推程階段

46、 遠休止階段 回程階段 近休止階段 通過上述運動分析可以求出撥桿在端面齒輪上的工作輪廓線。 由于端面齒輪為六個相同的近似于凸輪的結(jié)構(gòu)。故只需研究撥桿一個往復運動的工作輪廓線即可。 計算結(jié)果可得端面齒輪的工作輪廓線對應的值 表2—4 端面齒輪的工作輪廓線 （mm） (mm) 0 0 2.269 0.118 4.538 0.474 6.807 1.06

47、6 9.076 1.895 11.345 2.960 13.614 4.263 15.883 5.802 18.152 7.578 20.421 9.591 22.690 11.841 24.959 14.328 27.228 17.051 29.497 20.000 通過上述表中參數(shù)，我們可以近似加工出端面齒輪的工作輪廓線。度數(shù)越分的密，端面齒輪的形狀越精確。工作輪廓線如圖2—16所示。 圖2—16 端面齒輪的工作輪廓線 2.6 結(jié)論 2.6.1 剪草機的使用方法 修剪是水草養(yǎng)護管理中的核心內(nèi)容。

48、科學地對水草進行定期修剪，可提高水草質(zhì)量，使水草整齊美觀，而且具有較高的坪用價值和經(jīng)濟價值，可促進分蘗，形成致密的水草，改善通氣性，減少病蟲害的發(fā)生，有效地抑制雜草生長，提高其美觀性。水草修剪應遵循“三分之一” 原則，即被剪去的部分占水草總高度的三分之一以內(nèi)。如修剪量過大，將會由于葉面積大量損失而導致水草草光合作用急劇下降。由于修剪不及時而導致失剪的水草，仍應遵循“三分之一” 原則，切忌一次修剪就達到需求的標準，而應通過少量多次修剪，逐步剪到需要的高度。水草修剪的時間與水草草的種類、水草草的生長發(fā)育和肥料供給等有關。北方水草草在春秋是兩個生長高峰期，修剪量加大和修剪次數(shù)增多，晚秋應逐漸減少修剪

49、次數(shù)，夏季有休眠現(xiàn)象，也應根據(jù)情況減少修剪次數(shù)。水草修剪頻率決定于水草的生育狀態(tài)、水草的用途、水草的質(zhì)量及水草草的種類，其中主要取決于水草的生長速度和生長勢。 2.6.1 剪草前應注意的事項 剪草前應先檢查剪草機械刀片是否損壞，螺母、螺栓的緊固情況，輪胎壓力情況.；剪草前應清除水草上的木棍、石頭、瓦塊、鐵絲等雜物。對于固定設施，如噴灌管埋頭等，應作好標志，以防損壞刀片在剪草前，應測量水草的高度，將剪草機調(diào)整到合理的剪草高度；剛澆過水、下過大雨或者霉雨季節(jié)等，潮濕的草地最好不要剪草；不得在坡度大于15度的地方采用該水草收割機修剪水草。 參考文獻 [1] 李森.水草的

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