无动力手推式割草机设计.docx
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无动力手推式割草机设计
摘要
发展草坪和地被植物是维护生态平衡、保护环境卫生、美化城市面貌、减少大气污染、防止水土流失的有效措施之一，特别是针对我国北方的沙尘暴天气。
而维持草坪的美观与整齐就要对其进行定期修剪。
修剪的过程要靠剪草机来完成。
割草机按切割器类型可以分为旋刀式、往复式、滚刀式、甩刀式、甩绳式。
其中，应用最多的是滚刀式割草机和往复式割草机。
按配套动力和作业方式分可以分为：
为手推式、手扶随行式、手扶自行式、坐骑式和拖拉机悬挂式割草机。
按动力驱动方式主要分为人畜力驱动、发动机驱动和电力驱动3种形式割草机。
本次设计的手推式剪草机的主要由操纵机构、行走机构、切割器、护罩等几大部分组成。
关键词：
操纵机构、行走机构、切割器、护罩
Abstract
Todeveloplawnisoneoftheeffectivemeasuresthatcanmaintainecologicalbalance,protectenvironmentalsanitationandbeautyurbanappearance.Tomaintainlawnbeautyandneatly,wemustcutthegrassincertaintime.Theglass-cuttingmachinewillrealizethecoursepruned.
Accordingtothecuttertypescanbedividedintothelawnmowerspinknifetype,reciprocating,hobtype,ShengShijiltknifetype,rejection.Amongthem,theapplicationisthelargesthobtypelawnmowerandreciprocatinglawnmower.Bysupportingpowerandpracticescanbedividedinto:
forhandportionpushtype,escalators,accompanyingtype,walkingself-traveling,mounttypeandtractorsuspensionlawnmower.Accordingtothedrivingwayaremainlydividedintopeopleworkdrive,theenginedriveandelectricdrivethreeformsalawnmower.
Thisdesignhandpushtypelawnmowersmanipulatedmechanism,mainlybythemobilemechanism,cutter,shieldandseveralothermajorcomponents.
Keywords:
operation,walkinginstitutions,cutter,shield
目录
摘要
4
Abstract
5
第一章绪论
6
1.1选题的背景和目的6
1.2无动力手推式割草机国内外的发展现状6
1.3割草机的概述8
1.3.1割草机的分类8
1.3.2手推式割草机的结构特点10
1.3.3如何安全操作草坪割草机11
第二章割草机总体方案的设计12
第三章割草机零部件的设计15
3.1割草机行走轮的设计15
3.1.1材料选择的依据17
3.2凸轮的设计17
3.2.1凸轮材料的选择17
3.3切割器的选择18
3.3.1切割器材料的选择20
3.4轴的设计23
3.4.1轴的概述23
3.4.2轴的设计23
3.4.3轴的材料选择23
3.5轴承的选择24
3.5.1轴承的载荷24
3.5.2球轴承的特点24
3.5.3轴承的转速24
3.6键的选择25
3.7平行四杆机构的设计26
3.8三脚架机构的设计26
总结27
致谢28
参考文献29
第一章.绪论
1.1选题的背景和目的
在剪草机问世之前，草坪的修剪主要工具是镰刀，放牧牛羊也是保持草地平整的重要方法。
随着高尔夫球、网球及足球等运动的兴起，人们拥有平整美观的草地做运动场地的要求越来越迫切。
1805年英国人普拉克内特发明了第一台收割谷物并能切割杂草的机器，由人推动机器，通过齿轮传动带动旋刀割草，这就是旋刀割草机的雏形。
1830年，英国纺织工程师比尔.布丁取得了滚筒割草机的专利，1832年兰赛姆斯农机公司开始批量生产滚筒剪草机，1902年英国人伦敦恩斯制造了内燃机做动力的滚筒式剪草机，其原理至今还在使用。
在西方发达国家，20世纪初期，剪草机就得到了快速的发展。
我国目前生产的剪草机以刀具类型可分为滚刀式和旋刀式两大类。
滚刀式剪草机由带有刀片的滚筒和和不动的床刀组成。
它较旋刀式剪草机有更好的修剪质量，是高质量草坪最常用的剪草机型。
适用于草高3-80毫米的草坪，其问题主要是价格贵，维修保养要求严格。
而旋刀式割草机是由横向悬挂在直立轴上的刀片高速旋转打切草的上部叶片，它适合于在25-80毫米范围内的剪草。
由于其价格低廉，保养、维修方便、使用灵活，只要将刀片磨快，剪草效果还是可以的。
因此，一般要求的草坪都选用它，成为目前国内外最流行的剪草机。
以动力划分可以分为机动和人推两类。
人推的主要是滚刀式，小巧灵活，适于家庭庭院中小型草坪使用。
机动的又分为柴油机、汽油机和电动机三类驱动。
其中以小型汽油机作为动力的较为普遍，而柴油机多用于大型的剪草机械，如牧场的割草机。
1.2无动力手推式割草机国内外的发展状况
据调查，国内生产剪草机的厂家大约有50家左右。
多数为园艺系统的公司以及转产剪草机的机械厂。
市场上草坪修剪机的品牌很多，有进口的产品，也有国内制造和中外合资的，从功率2.6-1.2千瓦，剪幅从43.2-127厘米。
国内的生产厂家主要有：
中美合资江苏淮阴泛亚园林机械有限公司，生产立特牌-NEAT草坪剪草机，占国内市场的50%，现年产5000台。
目前正着手进行年产5万台剪草机的技术改造，其动力选用日本本田发动机。
南通机床厂为转产生产剪草机的厂家。
其产品为地草王系列产品；56厘米自走式草坪剪草机（4.5千瓦），84厘米随进式剪草机（7.8千瓦），84厘米电启动式剪草机（7.8千瓦），122厘米坐骑式剪草机（13.4千瓦）。
该厂生产除发动机以外的零部件，发动机多选用美国产品，1999年已经有产品出口美国。
目前，我国已经研制开发出来草坪割草机试验台，草坪割草机为现代城市绿化的重要设备，目前市场上进口的国产的机器均有一定的市场，但质量参差不齐。
对于草坪割草机的安全指标，仅有检测方法，没有现成的撞击试验专用设备。
为了对其进行科学的测试，北京市农机试验鉴定推广站研制成功草坪割草机专用试验台。
该试验台自动化程度高，采用了气动传动技术、机－电安全锁定机构及气动调速技术，可对国内各型草坪割草机进行安全性能试验，能够完成草坪机的撞击试验和刀片护罩强度试验。
试验结果表明，该专用试验台达到国内先进水平，监测快捷，安全性高。
（2）存在问题
国内割草机械市场发展缓慢，我国草坪机械产品全线接受检验，应用中暴露出―些质量问题。
对此，有关专家认为，当前我国畜牧机械产品质量水平低的原因有以下几个方面。
目前草地草坪业投入始终严重不足，相对支持力度减缓甚至下降，使得许多割草机械制造企业纷纷转产或停产，再加上我国与欧美等发达国家存在着技术、制造手段、工艺等方面的差距，制造能力和水平进一步拉大了距离。
如现有割草机械生产制造企业的产品质量低，使用故障多、可靠性差。
往复式割草机工作半天即需刃磨，使用可靠性不到80％。
国外割草机工作400公顷，故障率仅为4％左右，而我国的产品在同样的作业量其故障率为25％左右。
在相同作业情况下，我国的割草机完成的工作量比国外同类机型相差一半。
产品品种不全，成套性差。
美国约翰迪尔公司的割草机械有13个品种49个机型；纽荷兰公司现生产12个品种25个机型，可供各种经营规模的用户选择。
我国的用户不能根据自己的经营规模选择合适的机具，机具使用效益不高。
产品技术水平低。
割草机械产品技术水平高低是衡量该行业整体科学技术水平的重要标志之一。
一段时间内，由于资金投入严重不足，技术创新的原动力、研发能力、技术模仿步伐放缓甚至停顿。
我国已定型的割草机械大部分属国外上世纪的技术水平，20多年来基本没有什么大的改进与创新。
缺乏应有的售后服务体系。
专家分析认为，造成割草机械产品质量水平低的原因有多方面，但缺乏资金投入和人才短缺是造成研发能力和生产制造工艺水平低的关键所在。
1.3割草机的概述
1.3.1割草机的分类
按切割器类型可以分为旋刀式、往复式、滚刀式、甩刀式、甩绳式。
其中，应用最多的是滚刀式割草机和往复式割草机。
按配套动力和作业方式分可以分为：
为手推式、手扶随行式、手扶自行式、坐骑式和拖拉机悬挂式割草机。
按动力驱动方式主要分为人畜力驱动、发动机驱动和电力驱动3种形式割草机。
其中，以发动机驱动的割草机最多，发动机多为单缸汽油机。
太阳能割草机虽然已有生产，但应用较少。
动力驱动的剪草机按牵引方式或悬挂方式可分为前置式、侧置式、后置式、中置式剪草机。
目前，也有旋刀式手推随行式割草机，大部分采用中置悬挂，而滚刀手推随行式剪草机多采用前置式挂接，大型的剪草机则采用混合牵引方式。
修剪是草坪养护基本的工作之一。
选择合适的草坪修剪机是保证草坪修剪质量的前提，选择草坪修剪机的类型要根据草坪的功能而定，高尔夫球场的果岭、发球台选用果岭机及发球台草坪修剪机；球道及运动场草坪，如足球场、橄榄球场等，最佳选择滚刀式草坪修剪车，也可以选用旋刀式草坪修剪车；普通绿地，景观草坪等，选用旋刀式草坪修剪机；高尔夫球场斜坡选用悬浮式草坪修剪机；林间草坪或障碍物较多的草坪可选用割灌割草机。
往复式割草机在19世纪50年代用于生产，起初由畜力牵引，由地轮驱动割刀。
20世纪后发展由拖拉机牵引的割草机，30年代出现拖拉机悬挂往复式割草机。
依靠切割器上动刀和定刀的相对剪切运动切割牧草，其特点是割茬整齐，所需功率较小，但对牧草的适应性差，易堵塞，适用于平坦天然草场和人工草场作业。
70年代中期开始生产并使用旋转式割草机。
依靠高速旋转刀盘上的刀片冲击切割牧草。
其特点是工作平稳，对牧草的适应性强，适用于高产草场；但切割不够整齐，重割较多，所需功率较大。
对于往复式割草机因为割草稠密汁多，割草机切割器的切割速度应该高于谷物收割机。
对于往复式割草机，割刀的平均速度应为1.6—2.0m/s或者更高,最低的切割速度应大于2.15m/s。
旋转式割草机的切割速度为60—90m/s。
往复式割草机割茬低而整齐，草坪损失少，单位割幅的金属用量和功率消耗低，因而成本较低。
它的作业速度一般为6—8km/h。
提高割刀的往复次数并解决割刀的全平衡问题后，作业速度可以提高到10—12km/h。
往复式割草机适用于切割直立而生长密度不过分高的草坪。
旋转式割草机工作平稳，对草坪的适应性强，特别适用于稠密、倒伏、缠连的牧草，能以8—16km/h的作业速度工作，生产率高。
但是结构复杂，价格高，单位割幅功率消耗大。
大多数割草机采用标准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，定刀片为齿刃。
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=t
=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。
综上所述，本设计选用的是往复式I型切割器。
不论是哪一种类型的剪草机对草坪修剪的基本要求是一样的：
1.剪草高度可根据要求调整，适应高度调整范围大，当草坪要求修剪很低能达到要求。
2.剪草整齐、平整，同一行程前后剪草高度一致，两次作业行程衔接平滑、无接茬。
3.对地形的适应能力强，仿行能力强，随地形变化前后剪草高度一致。
4.剪草机对草坪碾压轻、伤害少。
5.草屑收集干净，或被切割部分细碎性能好（草屑撒在草坪中当肥料时），以便于洒落在草坪下及时腐烂。
6.剪草机质量好，故障少，节省燃料、效率高。
7.易于操作、轻便灵活、维修调试方便，零部件通用性和互换性好。
8．正确掌握修剪草坪的时间并且制定科学的修剪高度和修剪频率。
1.3.2手推式割草机的结构特点
本次设计的手推式剪草机的主要由操纵机构、行走机构、切割器、护罩等几大部分组成。
1.手推式割草机的基本原理.
手推式割草机行走动力来自人给推力，割刀的动力来自地轮，地轮的内侧焊接着凸轮，相当于滚子的轴承与地轮内部的凸轮啮和，当地轮在推力的作用下向前滚动时，滚子在凸轮上的运动形成了一个往复的运动形式，带动平行四杆机构以及三角架机构来构成往复式切割器的往复式切割运动。
2.本设计方案的特点是：
1）用人力作为动力，具有节省能源、无污染的特点.
2）其传动部分结构简单，维护方便。
3）体积小、重量轻、结构简单、操作方便、保养方便、成本低廉，且采用人的推力为动力，无废气及噪音等污染。
山东省莱州市仲院宇峰铡草机厂研制出全新微型电动铡草机，该机以0.75-1.1kw单相照明电为动力，无电地区或停电时用165、175、180等型号柴油机为动力，适宜铡切玉米秸、麦秸、稻草及青贮饲料，每小时铡草量300-400kg，切草长度为1.5-2cm。
整机结构紧凑，体积小，重量轻，全机重仅32kg，移动方便，并具有切碎均匀、出料顺畅、扬程远、噪音低等特点。
割草机的切割器在运输过程中或停放时应装上防护罩，其结构形式参照图1制造。
所有防护装置应固定牢靠。
防护装置应便于拆装，且不妨碍机具的调整、清理及维护工作。
经常拆装的防护装置，机具上应设存放位置。
机具停止作业时，应能立即切断驱动切割器的动力。
机具应设过载防护装置或保护机具不被破坏的安全装置。
机具应设有支撑装置，保证机具卸下时停放稳定。
割草机上各操纵手柄之间或手柄与相邻部件之间，根据操纵手柄受力大小应留有安全距离d。
1.3.3如何安全操作草坪割草机：
（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）正在割草时，不要抬起或搬动割草机。
第二章.割草机总体方案的设计
手推式割草机的动力是来源于行走轮驱动，即靠人的推力来驱动。
查阅《人机工程手册》，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。
查阅《机械设计手册》得到以下数据：
成年男性身高：
18—25周岁1554—1830毫米
26—35周岁1545—1851毫米
36—60周岁1553—1798毫米
平均身高：
18—60周岁1543—1814毫米
成年女性身高：
18—25周岁1457—1709毫米
26—35周岁1449—1698毫米
36—60周岁1445—1683毫米
平均身高：
18—60周岁1449—1697毫米
成年男性臂长：
18—25周岁279—350毫米
26—35周岁280—349毫米
36—60周岁278—348毫米
平均臂长：
18—60周岁279—349毫米
成年女性臂长：
18—25周岁253—319毫米
26—35周岁253—320毫米
36—60周岁251—317毫米
平均臂长：
18—60周岁252—319毫米
立姿工作岗位工作高度：
男性：
950—1050—1150毫米
1050—1200—1300毫米
女性：
850—950—1050毫米
1000—1100—1200毫米
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850-1300毫米之间调节，符合人体作业适应度。
设计原则：
工作场地的高度取决于作用力、操作者的身高、操作者操作物件的尺寸、以及视野范围。
A：
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）
本设计属于D范围内的设计。
又因为该割草机是手推式的，动力来源于人的行走以及推力。
应考虑到其结构尺寸方面的因素，因而外轮直径不宜过大。
如果轮子直径过大，则推行起来比较容易，比较省力，但是达不到往复式切割的速度要求，其速度要求要大于0.8m/s,如果小于这个速度,那么草将被撕裂和扯断,而不是被切割了;如果轮子直径过小,则推行比较费力,不能达到设计要求,要满足人的推力在200N左右都能推动这部割草机才行。
初步选取外轮直径
=450mm,由公式n=v/
D
得：
外轮的转速n=48
103/450
3.14
34r/min.
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100cm,且可在100-140cm之间调节，符合人体作业适应度。
割草机的各个动力参数：
由上述已选取的参数，速度分析如图：
外轮的转速n=48
103/450
3.14
34r/min.
内圈（外径）周长：
L=3.14
300=942mm
分布凸轮的个数：
n=942/44=22（个）
人的持续推力为15—20Kg,
外轮的转速n=48
103/450
3.14
34r/min.
取F=20
10=200N
P=F
V=200
0.95=0.19Kw
割草机的整体宽度：
712mm
割草机的割幅：
5
76.2=381.0mm
割刀的往复余隙：
5
76.2=381.0+76.2=457.2mm<460mm
因此按照此方法装配合适；
割草机的行走速度：
0.8m/s；
割草机的切割速度：
保证在大于或者等于0.8m/s,因为当速度在0.3—0.6之间的时候，草坪是被撕裂和扯断的。
第三章.割草机零部件的设计
3.1割草机行走轮的设计
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
=450mm,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，材料为橡胶。
选取外轮直径：
=450mm,由公式n=v/
D
得：
外轮的转速n=48
103/450
3.14
34r/min.
设计尺寸如图所示：
外轮直径：
450mm
安装轮胎
材料为橡胶
外轮2个
倒角半径：
10mm
内圈外径：
360mm
焊接凸轮
灰铁200
倒角半径：
10mm
内圈内径：
300mm
焊接凸轮
灰铁200
倒角半径：
10mm
辐条半径：
4mm
支撑
材料为Q235
辐条
16个
辐条长度：
115mm
支撑
材料为Q235
支撑轮的尺寸：
外径：
50mm
支撑
灰铁100
小支撑轮2个
内径：
30mm
支撑
灰铁100
支撑轮采用两个万向轮，其基本结构如以上图所表示：
3.2.1材料选择的依据
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、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。
随着现代工业的飞速发展,仪器设备的功率越来越大,转速越来越快,振动和噪声的危害也越来越突出。
振动和噪声不仅影响产品质量和操作精度、缩短产品寿命、危及安全性,而且污染环境、影响人身健康。
因此,掌握振动与噪声控制技术是各国工业发展面临的重大课题。
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。
3.2凸轮的设计
轮的转速n=48
103/450
3.14
34r/min.
内圈（外径）周长：
L=3.14
300=942mm
分布凸轮的个数：
n=942/44=22（个）
如图所示：
其它参数为
tg50
=h/22h=26mm
凸轮的凸廓为：
44mm
凸轮的高度为：
26mm
将其打磨为圆角：
倒角半径为10mm
材料选择：
角钢
3.3切割器的选择
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=t
=76.2mm.。
由于草坪生长稠密，含
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