全自动模纹修剪机设计大学论文Word格式.docx

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立体修剪、模纹修剪和草坪修剪等专用机械也得到广泛应用。

产品性能上向节能化、智能化方向发展。

能耗大、操作复杂的修剪机械逐渐退出市场，更节能更“聪明”更简洁的修剪机械可有效降低人力和物力成本。

也更加符合国家的节能减排的相关要求。

产品技术上向信息化、智能化方向发展。

电控系统、传感器的广泛应用可帮助用户分析各种参数，了解工作状况，以此来对花坛的修剪进行严格的定位和操作，实现半自动化甚至自动化，以确保安全使用和提高工作效率。

修剪机械产品各部件逐渐实现标准化，操作逐渐实现自动化，对机械的维护便利性以及操作人员的工作安全性和专业性要求不断增强。

1.3本课题研究的目的和意义

随着社会科学的发展，各种园林机械被广泛应用于园林及绿化建设过程中。

大大的减轻了绿化建设的难度，为人与自然的和谐打下了基础。

但在模纹花坛的修剪和维护方面，还主要是应用绿篱机或剪刀，通过人力进行定位和剪切，存在辅助时间长、修剪效率低、精度低等问题，除此之外，该方法对于大型模纹花坛的修剪不得不进入花坛中进行操作，将破坏花坛的灌木生长和整体形象；

采用高性能机器人修剪机械或者高空剪切等手段，则价格昂贵，在一定程度上造成资源浪费。

因此，为了实现模纹花坛修剪维护的机械化、节约化和自动化，以及降级对花坛自身的伤害，就需要设计一种新型的模纹修剪机械。

本次设计，运用独特的发散思维和仿生学的知识，将各种限制进行分析，采用先进的机械设计理念，以内燃机为动力，重点对其行走系等部分进行改进，能够极大自动化程度，有效的提高工作效率，提高修剪精度。

为大范围的模纹花坛修剪提供有力的保障。

通过对此课题进行研究，目的在于通过对日常机械的基本结构的组合应用，完成模纹修剪机的整体底盘设计和工作部件设计，从而积累对整套机械系统的设计经验、掌握制图软件应用、比较自己的设计思路与传统设计方法的优劣，为今后的研究和学习提供动力和帮助。

1.4设计任务

近年来，我国国内市场对园林修剪机械的需求有增无减，需要新的更加符合工作环境要求的产品不断投入实际生产。

本次设计任务为设计一台自走式的中型模纹花坛修剪机的工作装置部分和行走系部分。

动力装置是由汽油机或柴油机作为主要动力，通过变速箱将动力分配变换来实现工作部位的驱动。

工作装置是一个较简单的机构，国内外对其力学分析、运动分析和结构参数优化设计方面都作了较深入的研究，设计已经趋于成熟。

针对这一部分研究情况和我国产品寿命短、质量不高的情况，偏重于尺寸结构的设计计算，保证其能满足工作要求，并具有一定的工作寿命。

行走系设计是一个较为复杂的全新设计，由于模纹修剪机的工作环境是在小灌木等植株上匀速行走，而且花坛不能被碾压损坏，所以便对模纹修剪机的行走系提出了较多的要求。

首先模纹修剪机的行进必须有最大工作速度2km/h和最大非工作运输速度5km/h两种匀速模式，其次行走于花坛上，不能对花坛造成碾压等损伤。

从行走系的功用出发，在保证其承载能力和牵引能力的同时，着重对其轮系进行设计。

在这里选择合适的四轮一带部件，并对履带进行变形。

在图纸中表达清楚其结构尺寸和配合状况。

2模纹修剪机总体方案的设计

全自动模纹修剪机顾名思义是自动化的对模纹花坛进行修剪和维护的园林机械，考虑到现有模纹修剪方法存在修剪效率低、精度低和破换花坛等问题。

本设计是在一顶的条件下自行作业的机械，有动力系统和控制系统的配合下自动作业。

其自走结构可以高效简洁的对模纹花坛进行作业，因此如何设计两种速度的切换以及行走系的结构，是本次设计的重点。

按照全自动模纹修剪机的作业要求，本设计采用特殊轮系设计，特殊轮系设计可以是机械在匀速水平行走的同时不对模纹花坛造成伤害，从机械的头部对花坛进行修剪，并在修剪后将废枝叶洒下花坛，形成有机肥料。

此设计既能自动行走，又能合理的处理修剪后的废枝叶，一次十分适合大型模纹花坛的修剪。

考虑到发动机、减速器、工作头等的重量较大，机械要进行平稳运作，必须进行平衡配置，尽量保持整机的平衡。

履带的更换决定了剪切的高度，一次此全自动模纹修剪机可适应模纹花坛等平面或浮雕式花坛的修剪，而且了对草坪等场地进行修剪和维护，这便做到一机多用从而使其可应用范围大幅度增加。

模纹修剪机主要由行走轮系、变速器、修剪头、支撑架、速度调节装置等几大部分组成。

其中行走轮系、变速器以及速度调节装置属于行走系，支撑并带动支撑架行走。

修剪器、转动轴和柴油机等分布于支撑架上，从而构成完整的机械。

行走系采用仿生学特殊履带行走，变速器采用电磁离合器与电磁控制开关，修剪器采用双齿锯修剪，废物处理的方式采用直接回归食物链法，用风扇将剪掉的枝叶送回地面。

在选定柴油机动力、行驶速度基础上，凭借经验公式给出模纹修剪机的基本参数，包括尺寸参数（工作尺寸、机体外形尺寸、工作装置尺寸）和重量参数、功率参数、剪切力、针对水平地面的最高剪切高度等等。

该全自动模纹修剪机总设计方案如图2-1所示

图2-1全自动模纹修剪机总体设计主视图

2.1全自动模纹修剪机修剪部件的方案设计

由于机械行走系统进行匀速行走，因此模纹修剪机的剪切装置必须进行线剪切，为了保证工作过程的顺利和效率，剪切刃的选择需要慎重，在螺旋剪切，锯齿剪切，双刃绿篱机等剪切机械中，我选择了双刃绿篱机的刀刃，该刀刃的零部件组成精密，传动轴耐磨性强，传动连接齿合精准，运作流畅，可以修剪不同的植物，从而大大的提高了修剪效率。

修剪部件的工作由内燃机带动，修剪速度要求适中，速度太快对刀具造成损伤，太慢则有损工作效率。

由于不同的模纹花坛要求的剪切力有所不同，设计时间有限，因此修剪机的动力，参考已经比较成熟的绿篱机的相关参数。

根据查阅同种刀具工作，参考发动机机型为发动机型号：

1E32F发动机排量：

23CC功率：

0.65KW/6500RPM割幅：

750MM修剪部的毛重/净重7.1/5.6KG。

2.2行走部件的设计

全自动模纹修剪机的行走部件是此次设计最重要的部分。

模纹花坛主要特点为：

由小型灌木组成、面积大、土质较结实。

因此变对修剪机提出了较为苛刻的要求：

首先，模纹修剪机必须在灌木上行走而不能对花坛造成损伤；

其次，模纹修剪机必须在花坛中实现自走，自行转弯以及差速行驶等动作；

第三，模纹修剪机的重量应满足土地的承受能力，虽然地面有一定的承受能力，但是对地压强不能过大。

2.2.1行走轮系设计方案

轮系的设计作为行走部件的重点项目，将其进行充分的构思和优化。

首先，在工作过程中，由于机械处于半悬空状态，不能对地面进行碾压，因此必须采用特殊轮系，我们可以试着将轮系分为两部分设计。

采用TRIZ理论进行设计，参照仿生学水黾的水上行走，将行走系下部设计成为柱状支撑体。

由于行走系使整个机械平稳前进，因此行走系的上部必须是保持水平运动，显而易见的我们必须抛弃轮式结构，在这里，我们参照履带式的行走过程中履带底部与地面始终保持平行的特点，将轮系的上半部设计为仿履带式结构。

以上方案综合便得到如图2-2的简易结构，有图中我们可以发现此结构基本符合全自动模纹修剪机的行走要求。

但是由于履带是软性传动，在行进中必然会产生前倾、偏移和履带变形等情况，造成模纹修剪机的不稳定。

因此必须对其进行更深层的改造，已达到满足在花坛中行走的要求。

对履带的支撑架进行改造，对履带进行约束，从而保证修剪机运动的稳定。

图2-2全自动轮系方案分析初步组合效果图

2.2.2运动状态的方案要求

全自动模纹修剪机的工作环境是大型模纹花坛，因此对比电动机、内燃机和液压马达等动力装置，我们选择内燃机这种对外界依赖小、操作简单的动力机作为模纹修剪机的主要动力。

全自动模纹修剪机根据设计要求有四种运动形式，因此行走系的传动设计比较复杂。

其中，修剪机的四种运动形式分别是：

停止、3km/h匀速前进、5km/h匀速前进和转弯前进。

停止是指在下达停止命令时修剪机必须立即停止，需要关闭柴油机的同时消灭修剪机前行中的惯性，两种匀速前进速度分别为非工作和工作速度，切换时必须平稳。

由于此机械采用半悬空状态，因此拐弯与常规履带式机械有所区别，必须保持双边同时前进，运用双边的差速进行转弯。

2.2.3实现差速行驶的设计方案

履带式行走系统的转向是一侧停止，另一侧运动，从而产生差速使机械转弯。

但是在花坛中为保持灌木的完整性，必须使两侧同时前进差速前进。

而汽车的转向器和差速器显然不能应用在模纹修剪机上。

因此设计中，我选择将两侧的履带分为不相关的两部分，自主设计小型齿轮箱，以达到单侧变速、差速行驶。

运动中的变速需要使用到离合器和齿轮箱。

参考离合器的种类以及变速范围，我选择采用电磁离合器，小巧简便又能实现可控离合。

齿轮箱参考机床齿轮箱进行设计，由电磁体实现齿轮的变换，从而达到转速的改变。

由于速度为3km/h和5km/h两种，因此采用三轴两速的齿轮箱。

2.3全自动模纹修剪机裁剪枝叶的处理方案

在修剪过程中产生的枝叶，可以进行收集或者直接还之于花坛。

考虑到模纹修剪机的工作环境，我们应尽量减轻其重量，以使修剪机更加高效实用，我们选择将修剪枝叶靠刀具打散到花坛中，使之成为有机肥料。

这样既优化了模纹修剪机，又能达到处理废枝叶的目的。

3修剪装置的运动分析及设计

在修剪装置的设计过程中主要针对行走系的稳定性以及机体的大小，设计修剪道刃的长度，设计动力的减速和传递的齿轮组合相关机构，采用自带小型柴油机，确定外载荷，对工作装置进行受力分析。

根据估算情况及其受力分析，即可按强度理论对工作装置主要构件进行强度校核，为简化计算，选定危险截面最大受力情况，大致得出剪切力和剪切阻力及其分布。

3.1修剪装置的设计方案

由任务书提出的修剪方式及给定工作环境，选取修剪装置，如图3-1所示：

1-传动轴；

2-锥齿轮；

3-底部齿轮；

4-连杆；

5-修剪刀刃；

6-传动齿轮；

图3-1工作装置组成图

图3-1为全自动模纹修剪机的工作装置即修剪部的基本组成就传动示意图，如图修剪工作装置由传动轴1、连杆4、修剪刀刃5以及传动齿轮2、3、5等组成。

刀刃的下刀刃是静片，下刀刃与支撑架焊接在一起，以保证其固定不动，刀刃的上刀片是动片，由连杆4带动其进行左右往复平移，使上下刀刃产生相对移动。

上下刀刃之间由凹槽想连接，以保证上刀刃的运动保持水平左右运动，而不会产生偏动或变位，从而对花坛产生修剪力。

工作时，启动柴油机，通过变速将动力通过皮带传达到修剪部的带轮上，如图所示的通过传动轴1传递动力，通过锥齿轮2改变传动方向，然后带动下部底部齿轮3调节好道具的高度，传递到传动齿轮6进行增速并带动连杆4进行运动，通过凸轮连杆机构将旋转运动转化为刀具所需要的平移运动，上刀刃与下刀刃相对移动产生剪切力，对花坛进行修剪。

在此过程中，全自动模纹修剪机的自动行进装置进行移动，使刀具与花坛产生相对移动，从而对花坛进行整体修剪和维护。

在在实际修剪作业中，由于所需修剪植物属性、修剪高度等不同，修剪部可以进行拆卸进行切换，模纹修剪机的修剪可以使多样性的、灵活性的。

上述上述过程仅为一般的理想过程。

全自动模纹修剪机的刀刃设计是基于绿篱机的修剪方式产生的，由于绿篱机修剪的绿篱的强度往往大于模纹花坛中小灌木的修剪强度，因此我们可以修改其传动装置，采用其刀片，既能保证修剪的效率，又能保证刀具的各方面参数达到修剪要求。

鉴于在国内外园林机械的发展中，绿篱机的设计已经非常成熟，且修剪要求不大，因此我通过查阅对比国内外的相关绿篱机刀具的参数，选定适中的参数进行设计。

根据全自动模纹修剪机的整体长宽数据，按最效率的设计将模纹修剪机的刀具长度选为900mm（修剪机前部正常工作的最大宽度）

参考相关书籍和绿篱机数据，初选刀具几何和组合是专为重型齿轮修剪。

用刀片切割速度可以达到极高的往返速度。

刀片运动型式为单刀运动，刀片长度L1=750mm，刀刃齿距L2=35mm，刀刃厚度d=2.5mm，速度调节模式为无调整式。

此修剪刀具可以保证在前进修剪过程中可以全面的修剪花坛。

3.2修剪装置的运动分析

修剪部的工作，动力由传动齿轮6传递至连杆4，连杆4将力传递给刀具上刀刃，从而与下刀刃相对移动产生剪切力。

以此便能对其进行力学分析，得到如图3-2所示的受力分析：

图3-2修剪机修剪部受力草图

如图所示，由齿轮的啮合转动对连杆产生作用力，作用力Fa2方向沿着齿轮的切线方向，力作用与连杆，因此对其进行受力分析得到

Fa2=Fa1+Fa3（3-1）

其中Fa3的力沿着连杆传递给刀具与连杆的交接螺栓处。

因此，刀具处连杆给予刀具的力为Fb2=Fa3。

而将Fb2进行分解可以得到

Fb2=Fb1+Fb3（3-2）

参照力矢量关系我们可以得到

Fa3=Fa2·

Cos∠a（3-3）

Fb3=Fb2·

Cos∠b=Fa2·

Cos∠a·

Cos∠b（3-4）

式中：

A：

Fa3和Fa2间的夹角；

b：

Fb2和Fb3间的夹角；

因此我们可以发现力的传递跟连杆和刀具间的夹角有函数关系，而且连杆长度和传递齿轮和刀具见距离有函数关系。

传递齿轮与刀具间距离越小力的传递效率越高，反之则传递效率低；

连杆的长度越长传递动力的效率越高，反之则效率降低。

因此设计时，在条件允许的范围内，我们应当适当的加长连杆的长度和减小传递齿轮于刀具间的距离。

已达到传递效率的最优化。

在刀具的匀速前进修剪过程中，由于修剪是均匀分布的，因此对于各修剪刀口的受力几乎是一样的，根据现有的合格修剪刀具的参数，我们可以认为，刀具是符合实际要求的，是经过验证的合格产品。

为了简化设计，就不再对刀具的受力及危险截面的受力进行分析。

另外，刀刃的下刀刃是静片与支撑架焊接在一起，刀刃的上刀片是动片由连杆4带动其进行左右往复平移，使上下刀刃产生相对移动。

上下刀刃之间由凹槽想连接，以保证上刀刃的运动保持水平左右运动，而不会产生偏动或变位。

连接间可在内部装如小钢珠以减少摩擦力并固定刀具。

如图3-3所示：

图3-3修剪机修剪部刀头设计

4行走装置的运动分析及设计

全自动模纹修剪机靠柴油机提供动力，在工作过程中，机械处于半悬空状态，不能对地面进行碾压，必须采用特殊轮系四种运动形式；

运动的四种行进状态分别是：

停止、5km/h匀速前进、3km/h匀速前进和转弯前进。

4.1轮系装置的设计方案

由前面的设计分析我们可以得到对于模纹修剪机我们有很多特殊的要求，首先，在工作过程中，由于机械处于半悬空状态，不能对地面进行碾压，因此必须采用特殊轮系。

这样我们应该想到模纹修剪机的行走只有两种情况：

一是悬空行走，如：

吊车或悬挂梁；

二是局部支撑，采用局部支撑的方式，如：

仿生蜘蛛腿或支架挪移前进。

而由于模纹花坛较大，考虑到修剪的简便效益问题。

我们不得不选择更合理的局部支撑方式，即全自动模纹修剪在行走过程中与地面的接触是点接触，行进属于点挪移方式，而非线型前进。

因此我们得到底部支撑如图4-1所示：

图4-1行走轮系支柱式设计

此设计利用支柱式支撑住模纹修剪机的机体，使其可以自由在上面进行工作，而不会对花坛小灌木造成损坏。

虽然模纹花坛相较于普通土质路面较为结实，但是全自动模纹修剪机使用柴油机、减速器以及钢质支撑架等较为沉重的部件，造成其自身重量非常大，多支柱也未必能很好的起到平稳支撑作用。

因此，我们设计底部的铁片进行辅助支撑，可以有效的将分散力的分布，从而减小模纹修剪机对于地面的压强，保证其不会因为下陷等造成变形。

底部的支撑片可以绕圆柱销范围移动，从而不论支柱与地面的角度为多少，支撑片始终与地面相接触并平行。

而且，在支撑片与灌木顶部枝叶接触时也会因为受力情况，产生倾斜运动，减少对植株造成的影响。

4.2行走装置的设计方案

底部采用TRIZ理论进行设计，参照仿生学水黾的水上行走，将行走系下部设计成为柱状支撑体。

要使行走系使整个机械平稳前进，因此行走系的上部必须是保持水平运动，显而易见的我们必须抛弃轮式结构，在这里，我们参照履带式的行走过程中履带底部与地面始终保持平行的特点，将轮系的上半步设计为仿履带式结构，从而得到整个轮系的组成。

4.2.1履带支撑体的设计方案

在这里我们着重解决两方面的问题：

第一，履带式前进的转弯，正常履带转弯将对花坛造成破坏性影响；

第二，履带属于软性传动，在行进中必然会产生前倾、偏移和履带变形等情况，造成模纹修剪机的不稳定。

履带的转弯我们可以在后面的差速设计中解决。

针对履带的软性，我们可以参考吊挂式传送链，对履带进行约束，使其只能进行前后移动而不能存在其他自由度，以使修剪机运动的稳定。

如图4-2所示：

图4-2履带支撑约束装置设计

底部平行支撑处的履带行进，采用此约束装置，可以支撑约束履带的行进，已达到我们希望得到的在行进中必然不会产生前倾、偏移和履带变形等情况，使模纹修剪机稳定的以各种状态行驶。

4.2.2履带的设计方案

模纹修剪机属于中型园林机械，其支柱式行走必然限制了整机的重量。

但是由于使用柴油机、减速器以及钢质支撑架等较为沉重的部件，造成其自身重量非常大。

因此我们必须优化设计所有部件，以最大化的减小其重量为目标。

模纹修剪机的履带支撑属于约束支撑，普通的履带板状连接会造成内部摩擦力过大、难以行驶、磨损严重等缺点。

因此我们必须重新设计履带的带板，并使其与支撑柱结合在一起。

我们可以参照支架支撑的设计，对其进行优化改进，在安全承受支撑力的前提下，减少钢材应用。

如图4-3所示：

图4-3履带单节设计方案

以上履带带板的边有四个轮子，能与支撑架产生滚动摩擦，从而可以最大限度的减少能量消耗，从而达到效率最大化。

整机重量较重，但是多节共同支撑可以有效的减少每节履带带板所需分担的压力，因此看似脆弱的履带带板足以保证全自动模纹修剪机的行走设计。

单节履带带板间有前后两轮间用刚性连接装置连接，以使履带的前进过程中不会产生变形或偏差。

4.2.3履带零部件的确定

驱动轮时将转动轴传来的动力通过相互咬合来传递给履带，因此驱动轮应该与履带啮合正确。

为减少磨损和功率损失，将驱动轮置于后部。

由于模纹修剪机属于小型履带，属于创新设计，因此没有标准的履带驱动轮，驱动轮齿块也无专门标准，借鉴履带式推土机驱动轮齿块标准JB/T2984.4-1999。

自定节圆直径为104mm、齿顶圆直径为124mm，选用等距齿驱动轮，齿数为6。

驱动轮每转一周则履带行驶6块。

简单计算为：

驱动轮每转一周，修剪机前进距离：

L=6·

l=6

115=690（mm）（4-1）

驱动轮轮齿主要受履带销套反作用的弯曲正应力，且轮齿和销套间有磨料磨损。

因此，驱动轮应选用淬透性较好的钢材。

履带带板及驱动轮中的轴和轴套、轴套和铁套、铁套和轮体间均为间隙配合，可起到轴承作用。

由JB/T2985-2001选取双金属轴套。

铁套的设计建立在轴套和轮体形状尺寸的选取和结构设计上，外圈小槽可安放密封圈，左端沉孔用于安装浮封环，其形状由JB/T8293.1-1999确定。

轮体选用蜂孔式，在保证安全使用的基础上，减小其质量。

行走架是行走装置的承重骨架，由横梁和履带架组成，底架连接转台，将上部载荷通过横梁传给履带架。

此次设计选取整体式行走架。

其尺寸根据整体尺寸和驱动轮尺寸选定，并依照结构质量最优化设计。

4.3转向变速装置的设计方案

全自动模纹修剪机的行走系的传动设计比较复杂。

模纹修剪机存在四种运动形式分别是：

其中匀速前进和停止运动均可以通过开关的开合来实现。

但是，在此模纹修剪机的设计中存在3km/h和5km/h的速度切换行驶以及在花坛中转弯。

4.3.1变速行驶的设计方案

汽车的变速行驶，需要离合器和变速齿轮箱共同作用，参照其设计，我们将利用离合器首先可以改变传动比，满足不同行驶条件对牵引力的需要，使发动机尽量工作在有利的工况下，满足可能的行驶速度要求；

其次中断动力传递，在发动机起动，怠速运转，汽车换档或需要停车进行动力输出时，中断向驱动轮的动力传递。

针对便于控制的需要，我们采用电磁式离合器进行动力离合。

电磁离合器靠线圈的通断电来控制离合器的接合与分离。

由于机械的行驶速度较小，所以再柴油机停止工作或使用离合器怠速运转时，由于地面支撑柱与地面的接触，前后动力柱将转化为停止装置，阻止模纹修剪机的继续前进。

在对于停止要求不是很严格的模纹修剪机的运作里，将不再设计停止刹车片等额外装置。

考自身进行行进停止。

4.3.2转弯的设计方案

由于此机械采用半悬空状态，因此修剪机的转弯与常规履带式机械以及轮式行进机械的转弯有所区别，必须保持双边同时前进，运用双边的差速进行转弯。

我们参考其余机械的转弯可以发现必须通过复杂的差速器等一系列的装置才能实现车辆的转弯行驶。

但是这势必增加了修剪机的重量以及复杂性。

根据模纹修剪机本身具有3km/h和5km/h两种行进速度，我们可以假使需要转弯行驶时，一侧的履带行驶速度为3km/h，另一侧的履带行驶速度为5km/h。

这样便实现了差速行驶以及转弯。

排除差速器的复杂装置，我们可以假使行进中左右履带由不同的速度控制器控制。

则四种行驶状态都可以轻易的得到。

而且设计中应当尽量使速度控制器重量最轻。

为此，设计如图4-4所示的单侧速度控制装置。

图4-4速度控制装置结构简图

1-电磁离合器；

2-弹簧；

3-齿轮组；

4-电磁铁；

5-铁头滑动齿轮轴；