背負(fù)式小型機動除草機設(shè)計

1、1目 錄摘要1關(guān)鍵詞11 緒論21.1 除草機的發(fā)展歷史21.2 我國除草機的發(fā)展21.3 背負(fù)式除草機的使用32 除草機概述322.1 除草機的分類32.2 除草機除草的基本要求42.3 背負(fù)式除草機的結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)參數(shù)42.3.1 除草機的結(jié)構(gòu)特點42.3.2 除草機的技術(shù)參數(shù)42.4 除草機的結(jié)構(gòu)與工作原理42.4.1 除草機的結(jié)構(gòu)52.4.2 除草機的工作原理53 除草機的總體方案設(shè)計和動力機的選擇363.1 總體方案設(shè)計63.2 動力機的選擇74 除草機傳動部分設(shè)計74.1 齒輪傳動的類型74.2 齒輪的材料選擇及其熱處理74.3 齒輪精度的選擇84.4 按齒根彎曲疲勞強度進行設(shè)計8

2、5 除草機除草機構(gòu)的設(shè)計1045.1 刀片材料的選擇105.2 刀片的設(shè)計115.3 刀片的受力分析115.4 刀片的尺寸計算126 軸的設(shè)計136.1 軸的概述136.2 軸的設(shè)計136.3 軸的材料選擇146.4 長軸的校核5146.5 軟軸的設(shè)計157 軸承的選擇167.1 軸承選型167.2 軸承的校核168 除草機進行中耕的設(shè)計188.1 結(jié)構(gòu)方案的確定188.2 動力的初步選擇188.3 重要零件設(shè)計1868.3.1 刀片類型的選擇188.3.2 刀片正切面的設(shè)計199 總結(jié)19參考文獻20致謝20附錄217背負(fù)式小型機動除草機設(shè)計背負(fù)式小型機動除草機設(shè)計摘 要：除草機是農(nóng)、牧、園

3、藝和園林等行業(yè)必備的一種常用機械, 傳統(tǒng)的田間除草是人工手用鋤頭除草，勞動強度大、生產(chǎn)效率低；手用化學(xué)的方式除草，對土壤及作物有副作用。為此,在研究我國廣泛應(yīng)用的一些除草機技術(shù)的基礎(chǔ)上,設(shè)計了簡單實用的背負(fù)式小型機動除草機,其特點是結(jié)構(gòu)簡單、輕便、工作頭前伸和支架高度可調(diào)，不僅能除草還能進行中耕;本文介紹了:背負(fù)式小型機動除草機的總體結(jié)構(gòu)、工作原理、電機選擇及傳動比的計算相關(guān)機構(gòu)的校核。關(guān)鍵詞:除草機; 背負(fù)式;工作頭Design of Knapsack Weeding MachineAbstract：Weeding machine is a common machine used in ag

4、ricultural, animal husbandry, gardening and landscaping and other industries, the traditional field weeding is the artificial hand hoe weeding, large labor intensity, low production efficiency , is even more difficult; hand with chemical way of weeding, on Soil and crop have side effects. Therefore,

5、 in our study the widely used some weeding machine based on the technology of design, a simple and practical type of small powered weeding machine, which is c0haracterized by simple structure, handiness, working head extension and the height of the bracket is adjustable, but also can not only weedin

6、g cultivation; This paper introduces: knapsack small powered weeding machine the overall structure, working principle, motor selection and calculation of the transmission ratio related to body check.Key words: weeding machine; working head 1 緒論1.1 除草機的發(fā)展歷史在除草機問世之前，草坪的修剪主要工具是鐮刀，放牧牛羊也是保持草地平整的8重要方法。隨著高

7、爾夫球、網(wǎng)球及足球等運動的興起，人們擁有平整美觀的草地做運動場地的要求越來越迫切。1805 年英國人普拉克內(nèi)特發(fā)明了第一臺收割谷物并能切割雜草的機器，由人推動機器，通過齒輪傳動帶動旋刀除草，這就是旋刀除草機的雛形。1830 年，英國紡織工程師比爾.布丁取得了滾筒除草機的專利，1832 年蘭賽姆斯農(nóng)機公司開始批量生產(chǎn)滾筒出草機，1902 年英國人倫敦恩斯制造了內(nèi)燃機做動力的滾筒式除草機，其原理至今還在使用。在西方發(fā)達(dá)國家，20 世紀(jì)初期，除草機就得到了快速的發(fā)展。我國目前生產(chǎn)的除草機以刀具類型可分為滾刀式和旋刀式兩大類。滾刀式除草機由帶有刀片的滾筒和和不動的床刀組成。它較旋刀式除草機有更好的修剪

8、質(zhì)量，是高質(zhì)量草坪最常用的除草機型。適用于草高 3-80 毫米的草坪，其問題主要是價格貴，維修保養(yǎng)要求嚴(yán)格。而旋刀式除草機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，它適合于在 25-80 毫米范圍內(nèi)的剪草。由于其價格低廉，保養(yǎng)、維修方便、使用靈活，只要將刀片磨快，剪草效果還是可以的。因此，一般要求的草坪都選用它，成為目前國內(nèi)外最流行的除草機。以動力劃分可以分為機動和人推兩類。人推的主要是滾刀式，小巧靈活，適于家庭庭院中小型草坪使用。機動的又分為柴油機、汽油機和電動機三類驅(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除草機械，如牧場的除草機。1.2 我國除草機的發(fā)展據(jù)

9、調(diào)查，國內(nèi)生產(chǎn)除草機的廠家大約有50家左右。多數(shù)為園藝系統(tǒng)的公司以及轉(zhuǎn)產(chǎn)除草機的機械廠。市場上草坪修剪機的品牌很多，有進口的產(chǎn)品，也有國內(nèi)制造和中外合資的，從功率2.6-1.2千瓦，剪幅從43.2-127厘米。國內(nèi)的生產(chǎn)廠家主要有：中美合資江蘇淮陰泛亞園林機械有限公司，生產(chǎn)立特牌-NEAT 草坪除草機，占國內(nèi)市場的 50%，現(xiàn)年產(chǎn) 5000 臺。目前正著手進行年產(chǎn) 5 萬臺除草機的技術(shù)改造，其動力選用日本本田發(fā)動機。南通機床廠為轉(zhuǎn)產(chǎn)生產(chǎn)除草機的廠家。其產(chǎn)品為地草王系列產(chǎn)品；56 厘米自走式草坪除草機（4.5 千瓦） ，84 厘米隨進式除草機（7.8 千瓦） ，84 厘米電啟動式除草機（7.8

10、千瓦） ，122 厘米坐騎式除草機（13.4 千瓦） 。該廠生產(chǎn)除發(fā)動機以外的零部件，發(fā)動機多選用美國產(chǎn)品，1999 年已經(jīng)有產(chǎn)品出口美國。山東省萊州市仲院宇峰鍘草機廠研制出全新微型電動鍘草機，該機以 0.75-1.1kW 單相照明電為動力，無電地區(qū)或停電時用 165、175、180 等型號柴油機為動力，適宜鍘切玉米秸、麥秸、稻草及青貯飼料，每小時鍘草量 300-400kg，切草長度為91.5-2cm。整機結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，全機重僅 32kg，移動方便，并具有切碎均勻、出料順暢、揚程遠(yuǎn)、噪音低等特點。目前，我國已經(jīng)研制開發(fā)出來草坪除草機試驗臺，草坪除草機為現(xiàn)代城市綠化的重要設(shè)備，目前市

11、場上國產(chǎn)的機器均有一定的市場，但質(zhì)量參差不齊。對于草坪除草機的安全指標(biāo)，僅有檢測方法，沒有現(xiàn)成的撞擊試驗專用設(shè)備。為了對其進行科學(xué)的測試，北京市農(nóng)機試驗鑒定推廣站研制成功草坪除草機專用試驗臺。該試驗臺自動化程度高，采用了氣動傳動技術(shù)、機電安全鎖定機構(gòu)及氣動調(diào)速技術(shù)，可對國內(nèi)各型草坪除草機進行安全性能試驗，能夠完成草坪機的撞擊試驗和刀片護罩強度試驗。試驗結(jié)果表明，該專用試驗臺達(dá)到國內(nèi)先進水平，檢測快捷，安全性高。1.3 背負(fù)式除草機的使用傳統(tǒng)的田間除草是人工手用鋤頭除草，勞動強度大、生產(chǎn)效率低；手用化學(xué)的方式除草，對土壤及作物有副作用。特別對山地作物除草，更是困難重重。本課題設(shè)計一種背負(fù)式小型機

12、動除草機，不僅能除草還能進行中耕。2 除草機概述2.1 除草機的分類按切割器類型可以分為旋刀式、往復(fù)式、滾刀式、甩刀式、甩繩式。其中，應(yīng)用最多的是滾刀式除草機和往復(fù)式除草機。往復(fù)式除草機割茬低而整齊，草坪損失少，單位割幅的金屬用量和功率消耗低，因而成本較低。它的作業(yè)速度一般為 68km/h。提高割刀的往復(fù)次數(shù)并解決割刀的全平衡問題后，作業(yè)速度可以提高到 1012km/h。往復(fù)式除草機適用于切割直立而生長密度不過分高的草坪。旋轉(zhuǎn)式除草機工作平穩(wěn)，對草坪的適應(yīng)性強，特別適用于稠密、倒伏、纏連的牧草，能以816km/h 的作業(yè)速度工作，生產(chǎn)率高。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，單位割幅功率消耗大。按配套動力和

13、作業(yè)方式分可以分為：為手推式、手扶隨行式、手扶自行式、坐騎式和背負(fù)式除草機。按動力驅(qū)動方式主要分為人畜力驅(qū)動、發(fā)動機驅(qū)動和電力驅(qū)動三種形式除草機。其中，以發(fā)動機驅(qū)動的除草機最多，發(fā)動機多為單缸汽油機。太陽能除草機雖然已有生產(chǎn)，但應(yīng)用較少。動力驅(qū)動的除草機按牽引方式或懸掛方式可分為前置式、側(cè)置式、后置式、中置式除草機。目前，也有旋刀式手推隨行式除草機，大部分采用中置懸掛，而滾刀手推10隨行式除草機多采用前置式掛接，大型的除草機則采用混合牽引方式。2.2 除草機除草的基本要求不論是哪一種類型的除草機對草坪修剪的基本要求是一樣的：1）除草高度可根據(jù)要求調(diào)整，適應(yīng)高度調(diào)整范圍大，當(dāng)草坪要求修剪很低能達(dá)

14、到要求。2）除草整齊、平整，同一行程前后除草高度一致，兩次作業(yè)行程銜接平滑、無接茬。3）對地形的適應(yīng)能力強，仿行能力強，隨地形變化前后剪草高度一致。4）除草機對草坪碾壓輕、傷害少。5）草屑收集干凈，或被切割部分細(xì)碎性能好（草屑撒在草坪中當(dāng)肥料時） ，以便于灑落在草坪下及時腐爛。6）除草機質(zhì)量好，故障少，節(jié)省燃料、效率高。7）易于操作、輕便靈活、維修調(diào)試方便，零部件通用性和互換性好。8）正確掌握修剪草坪的時間并且制定科學(xué)的修剪高度和修剪頻率。2.3 背負(fù)式除草機的結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)參數(shù)2.3.1 除草機的結(jié)構(gòu)特點本次設(shè)計的背負(fù)式除草機主要由括動力裝置、動力輸出軟軸、操縱桿和除草工作裝置，所述動力裝置

15、安裝在背架上，所述背架上設(shè)置有背帶，所述動力裝置通過離合器與所述動力輸出軟軸的一端連接，所述動力輸出軟軸的另一端與所述除草工作裝置連接，所述除草工作裝置安裝在所述操縱桿上。2.3.2 除草機的技術(shù)參數(shù)表 1 技術(shù)參數(shù)Table 1 technique parameter型號除草幅寬除草生產(chǎn)效率整機重量驅(qū)動功率Chucaoji010.3m1 畝/h20kg375w2.4 除草機結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)如下圖所示11圖 1 除草機的主要結(jié)構(gòu)Fig 1 The main structure of weeding machine2.4.1 除草機的結(jié)構(gòu)背負(fù)式除草機，包括由動力裝置 2，除草工作裝置 20，背

16、架 3，操縱桿 9 組成。其結(jié)構(gòu)是：動力裝置 2 安裝在背架 3 上，背架 3 上設(shè)有背帶 5 及防震墊 4，動力裝置2 和除草工作裝置 20 通過一根動力輸出軟軸 6 連接，除草工作裝置 20 由齒輪箱 11 和圓刀盤 16 組成，齒輪箱 11 內(nèi)安裝一對圓錐齒輪 13，齒輪箱 11 安裝在操縱桿 9 下端，動力輸出軟軸 6 通過離合器 1 與動力裝置 2 連接，刀盤軸 12 由軸承 14 安裝在齒輪箱11 內(nèi)，刀盤軸 12 下端安裝有圓刀盤 16，圓刀盤 16 與軸承 14 之間安裝有襯套 15，圓刀盤 16 通過襯套 15 和軸套 19 固定在刀盤軸 12 上。圓刀盤 16 上通過螺栓

17、17 連接安裝有三把帶鉤鏵式切刀 18，圓刀盤 16 上開有三個腰形孔，通過螺栓 17 在腰形孔內(nèi)移動可調(diào)整切刀除草直徑。操縱桿 9 下 端安有兩支撐輪 8。2.4.2 除草機的工作原理在使用本實用新型工作時，工人背上背帶 5，啟動動力裝置 2，通過離合器 1 帶動動力輸出軟軸 6 轉(zhuǎn)動.，當(dāng)工人合上操縱桿 9 上離合器 1 的手柄時，動力輸出軟軸6 的轉(zhuǎn)動帶動齒輪箱 11 內(nèi)的一對圓錐齒輪 13 轉(zhuǎn)動，從而帶動圓刀盤 16 上的帶鉤鏵式切刀 18 旋轉(zhuǎn)而達(dá)到松土除草，調(diào)整螺栓 17，可以改變刀具除草松土的幅寬。123 除草機的總體方案設(shè)計和動力機的選擇3.1 總體方案設(shè)計查閱人機工程手冊 ，

18、人步行速度約為35千米/時，即4864米/分，考慮到要背著動力機進行切割，選取人的步行速度為30米/分，即0.6米/秒。查閱機械設(shè)計手冊得到以下數(shù)據(jù)：成年男性平均身高：1860 周歲 15431814 毫米成年女性平均身高：1860 周歲 14491697 毫米成年男性平均臂長：1860 周歲 279349 毫米成年女性平均臂長：1860 周歲 252319 毫米立姿工作崗位工作高度：男性：95010501150 毫米105012001300 毫米女性：8509501050 毫米100011001200 毫米4綜合以上因素，設(shè)計扶手以及支架的尺寸，并且根據(jù)不同性別和不同年齡將扶手的高度和傾斜角

19、度設(shè)計成可以調(diào)節(jié)的。站立工作時操作的有關(guān)尺寸，以及人體需要的可能活動空間.由人機工程手冊查得，人體身高尺寸（成年男性）多在 170cm 左右。因此，推桿距地面的高度取為 1000 毫米,且可在 900-1300 毫米之間調(diào)節(jié)，符合人體作業(yè)適應(yīng)度。設(shè)計原則：工作場地的高度取決于作用力、操作者的身高、操作者操作物件的尺寸、以及視野范圍。A：精密工作，靠肘支撐工作。 （設(shè)計尺寸針對男性：105115 毫米 針對女性：100110 毫米）B：虎鉗固定在工作臺上的高度：113 毫米13C：輕手工工作。 （男性：95100 毫米 女性：9095 毫米）D：用勁大的工作。 （男性：8095 毫米 女性：75

20、90 毫米）4本設(shè)計屬于 D 范圍內(nèi)的設(shè)計。由以上分析確定除草機的各項參數(shù)：除草機的整體寬度：0.3m除草高度：3060mm3.2 動力機的選擇選用的小型汽油機 1E139F參數(shù)如下汽油機型號 1E139F 汽油機型式 單缸、風(fēng)冷二沖程最大功率 1.4kw 噪聲 101dB(A)最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 9000r/min 排量 33.6cc油箱容積 1.0L 點火方式 無觸點化油器型式 膜片式 起動方式 反沖起動傳動軸型式 硬軸 背帶型式 雙肩背帶凈重 7.7kg 汽油機包裝箱尺寸（mm）3303023004 除草機傳動部分設(shè)計本次設(shè)計的背負(fù)式除草機的傳動部分主要是長軸帶動齒輪箱的與圓錐齒輪轉(zhuǎn)動，圓錐齒

21、輪帶動圓刀盤上的切刀旋轉(zhuǎn)而達(dá)到松土除草。傳動部分的設(shè)計主要是對齒輪的設(shè)計。4.1 齒輪傳動的類型汽車、機床、航空發(fā)動機等所用的齒輪傳動，都是裝在經(jīng)過精確加工而且封閉嚴(yán)密的箱體(機匣)的，這稱為閉式齒輪傳動(齒輪箱)。它與開式或半開式的相比，潤滑及防護等條件最好，多用于重要的場合。本次設(shè)計的背負(fù)式除草機除草總成部分尺寸比較小，傳動齒輪尺寸和質(zhì)量比較小，轉(zhuǎn)速比較高，且沒有防護罩，如果選用開式容易損壞其壽命，因此齒輪傳動選用閉式傳動。4.2 齒輪的材料選擇及其熱處理齒輪是現(xiàn)代機械中應(yīng)用最廣泛的一種機械傳動零件。齒輪傳動通過輪齒互相嚙合來傳遞空間任意兩軸間的運動和動力，并可以改變運動的形式和速度。齒輪

22、傳動使用范圍廣，傳動比恒定，效率較高，使用壽命長。在機械零件產(chǎn)品的設(shè)計與制造過程中，14不僅要考慮材料的性能能夠適應(yīng)零件的工作條件，使零件經(jīng)久耐用，而且要求材料有較好的加工工藝性能和經(jīng)濟性，以便提高零件的生產(chǎn)率，降低成本，減少消耗。如果齒輪材料選擇不當(dāng)，則會出現(xiàn)零件的過早損傷，甚至失效。因此如何合理地選擇和使用金屬材料是一項十分重要的工作。滲碳淬火，常用于低碳鋼和低碳合金鋼，如 20、20Cr 鋼等。滲碳淬火后齒面硬度可達(dá) 5662HRC，而齒心部仍保持較高的韌性，輪齒的執(zhí)彎強度和齒面接觸強度高，耐磨性較好，常用于受沖擊載荷的重要齒輪傳動。齒輪經(jīng)滲碳淬火后，輪齒變形較大，應(yīng)進行磨齒。 故選擇大

23、小齒輪材料均為 20CrMnTi，滲碳后淬火處理，強度極限為 1100Mpa，屈服極限為 850Mpa，齒芯部硬度為 300HBS。4. 3 齒輪精度的選擇各類機器所用齒輪傳動的精度等級范圍列于下表中，按載荷及速度推薦的齒輪傳動精度等級如下表所示。各類機器所用齒輪傳動的精度等級范圍：表 2 齒輪傳動的精度等級Table 2 Gear transmission accuracy level機 器 名 稱精 度 等 級機 器 名 稱精 度 等 級汽輪機36拖拉機68金屬切削機床38通用減速器68航空發(fā)動機48鍛壓機床69輕型汽車58起重機710載重汽車79農(nóng)業(yè)機器811背負(fù)式除草機屬于農(nóng)業(yè)機械，速

24、度、精度要求都不高，故選用 6 級精度（GB1009588） 。4.4 按齒根彎曲疲勞強度進行設(shè)計齒坯基本參數(shù)的確定：按照格利森的制度1）軸交角與傳動比 ，是根據(jù)齒輪副的傳動要求確定的。i2）根據(jù)齒輪副所要傳遞的功率、扭矩，利用經(jīng)驗公式或圖表確定小輪外端的節(jié)圓直徑1d和小輪齒數(shù)1z（不小于 5） ?；↓X錐齒輪的外端模數(shù) m 可以根據(jù)公式15確定。11zdm 3）大輪的齒數(shù)計算后圓整，且大輪與小輪的齒數(shù)之和不小于 40。12z iz 4）齒面寬 b 的確定。查表，一般選擇為外錐距。%305）根據(jù)大輪和小輪的旋轉(zhuǎn)方向確定齒輪的旋向。齒輪的旋轉(zhuǎn)方向是根據(jù)傳動要求確定的，它的選擇要保證齒輪副在嚙合的過

25、程中有互相推開的軸向力。6）為了保證齒輪副具有一定的重合度，應(yīng)選擇合適的螺旋角，一般選擇位 35 度?？梢愿鶕?jù)經(jīng)驗表格來選取適當(dāng)?shù)穆菪?，并可根?jù)公式計算相應(yīng)的重合度。B 為齒寬，為外錐距，為中點錐距，為內(nèi)錐距，為端面重合度。eRRiRFm 1ieieFRRbRR1R12bK（1） ( 2)13FeF)(31KPRmtgKtgF7）壓力角的確定。壓力角一般有 16、19、20、21.5、22.5、25 度等，弧齒錐齒輪一般用 20 度。壓力角太小減小了齒輪的強度，并容易發(fā)生根切，但柔性增大；壓力角太大容易使得齒頂變尖，降低重合度。小轎車為了降低噪聲、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，采用小壓力角。載重汽車一般用大的壓

26、力角，以增大齒輪的強度。8）齒頂高系數(shù)、頂隙系數(shù)與側(cè)隙。查表，一般當(dāng)小輪齒數(shù)12 時，齒頂高系1z數(shù)為 0.85，頂隙為 0.188，則工作齒高系數(shù)為 1.7，全齒高系數(shù)為 1.888。側(cè)隙查表選取。9）變位系數(shù)的選擇。根據(jù)傳動比與齒輪的齒數(shù)查表。參數(shù)確定如下：1）選用弧齒錐齒輪傳動;齒輪精度為 8 級; 選擇大小齒輪材料均為 20CrMnTi，滲碳后淬火處理，強度極限為 1100Mpa，屈服極限為 850Mpa，齒芯部硬度為300HBS。;閉式齒輪傳動一般轉(zhuǎn)速較高，為了提高傳動的平穩(wěn)性，減小沖擊振動，大齒輪的齒數(shù)為 Z2=20，小齒輪的齒數(shù) Z1=6，傳動比為 i=0.8，軸交角為 120。

27、2）計算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。由于汽油機的最高轉(zhuǎn)速 n1=6500 r/min，根據(jù)傳動比 i12=0.8，則小齒輪的轉(zhuǎn)速為n2=6500 0.8=5200r/min，大齒輪功率近似 P=1.4kw16根據(jù)公式算得： (3)6r/min205665004 . 19549n9549mNPTKW查機械設(shè)計實用手冊圖 5.6-11 和 5.6-12，確定節(jié)圓直徑 d2=24，d1=30模數(shù) m=1.53）由機械設(shè)計實用手冊按以上步驟確定弧齒其它參數(shù)如下齒輪 小齒輪 大齒輪螺旋角 35 35齒形角 20 20工作齒高系數(shù) 1.7齒頂高系數(shù) 0.85 0.425壓力角 20 20頂隙系數(shù) 0.1888齒寬 8

28、 11變位系數(shù) 0圖 2 齒輪示意圖Fig 2 The schematic diagram of gear5 除草機除草機構(gòu)的設(shè)計5.1 刀片材料的選擇除草機刀片必須采用高強度優(yōu)質(zhì)鋼材，經(jīng)過特殊熱處理工藝保證刀片有較高的強度、鋒利度、耐磨性、抗沖擊韌性。刀架及刀片外形應(yīng)該符合空氣動力學(xué)要求，盡量減少運動時的空氣阻力，以降低功率消耗。裝配、調(diào)整刀具時，必須保證兩端力矩平衡，以減少振動和噪聲。17刀片材料選用優(yōu)質(zhì)合金鋼。在普通碳素鋼基礎(chǔ)上添加適量的一種或多種合金元素而構(gòu)成的鐵碳合金。根據(jù)添加元素的不同，并采取適當(dāng)?shù)募庸すに?，可獲得高強度、高韌性、耐磨、耐腐蝕、耐低溫、耐高溫、無磁性等特殊性能。5.

29、2 刀片的設(shè)計刀片的切割過程：在刀片除草的過程中，刀片和草是一對矛盾。要弄清切割過程的實質(zhì)，必須先了解這兩方面的性質(zhì)和特點，才能進一步分析它們的相互作用。草的橫截面呈扁平或槽型。非均勻體在不同方向上的機械性能并不相同（稱為各向異性） ，這是與均勻材料（各向同性）顯著不同的特點。草的剛度很小，極易彎曲，到一定撓度時，就會失去穩(wěn)定而彎折。根據(jù)上述要求，設(shè)計出如圖 3 所示的刀片結(jié)構(gòu)。圖 3 刀片結(jié)構(gòu)Fig 3 The structure of blade5.3 刀片的受力分析Vn=Vacos+Vmsin (5)1式中: 為刀刃的傾角 Vt/Vn=(tg-Vm/Va)/1+(Vm/Va)tg；滑切系

30、數(shù)與刀刃傾角(刀刃和前進方向的夾角)有關(guān)。同時也在更大程度上與除草機前進速度和瞬時割切速度的比值 Vm/Va 有關(guān)。18圖 4 刀片受力分析Fig 4 Stress analysis of blade因此, 的選擇應(yīng)滿足 tg-Vm/Va0 (6)1反之,當(dāng)滑切系數(shù)為負(fù)時,相應(yīng)的滑切速度指向刀片的頂部,這時草莖在切割時會發(fā)生彎曲,導(dǎo)致割漏區(qū)增加。 應(yīng)有:Vm/Va0.578,為最大限度地提高工作質(zhì)量和生產(chǎn)率,這里取 Vm/Va=0.6。當(dāng)除草機以某一速度 Vm 行駛時, 這樣就可避免人為盲目的調(diào)節(jié)除草機速度 Vm 和刀片速度 Va,不僅減輕了操作人員需要反復(fù)觀察甚至試驗才能確定兩個相適應(yīng)速度的

31、工作量,而且可以實現(xiàn)高質(zhì)量的割切,并能最大限度地提高除草機行駛速度 Vm,進而提高生產(chǎn)率。刀片漏割區(qū)的大小與刀片刀刃傾角 有關(guān), 增大,在其它條件不變時,漏割區(qū)減小。但 的過分增大會導(dǎo)致割切阻力的急劇增加,因此, 的正確選取,需綜合考慮多方面因素的影響,確切的數(shù)值需視具體情況在試驗中摸索。除草機前進速度 Vm 與割刀速度 Va 的比值,直接影響刀片漏割區(qū)的大小,因而對割切器割切質(zhì)量及生產(chǎn)率有很大影響,具體數(shù)值變化應(yīng)符合上面的公式(6)。5.4 刀片的尺寸計算圖 5 為刀片的結(jié)構(gòu)圖，其尺寸可通過計算求得，計算式： (7) 12222)(70104014. 3mmPDL (8)14021360hL

32、o19 (9) 1)(42sin2mmhC （3）式中：L刀片實長(mm)； h刀片高(mm)；刀片角度(度)； C刀片寬(mm)。 圖 5 刀片結(jié)構(gòu)Fig 5 The structure of blade6 軸的設(shè)計6.1 軸的概述軸是組成機器的主要零件之一。一切做回轉(zhuǎn)運動的傳動零件都必須安裝在軸上才能進行運動及動力的傳遞。因此，軸的主要功用是支撐回轉(zhuǎn)零件及傳遞動力和運動。按照承受載荷的不同，軸可以分為轉(zhuǎn)軸、心軸和傳動軸三類。工作中既能承受彎矩又能承受扭矩的稱為轉(zhuǎn)軸。只承受彎矩而不承受扭矩的軸稱為心軸。只承受扭矩而不承受彎矩的軸稱為傳動軸。還有很多種不同的分類方法，在此就不一一列出。6.2

33、軸的設(shè)計軸的設(shè)計也和其它零件的設(shè)計相似，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作能力計算兩方面的內(nèi)容。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，會影響軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性，還會增加軸的制造成本和軸上零件裝配的困難等。因此，軸的結(jié)構(gòu)20設(shè)計是軸設(shè)計中的重要內(nèi)容。軸的工作能力計算指的是軸的強度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面的計算。多數(shù)情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強度。這時只需要對軸進行強度計算，以防止斷裂或塑性變形。而對于剛性要求較高的軸（如車床主軸）和受力大的細(xì)長軸，還應(yīng)進行剛度計算，以防止工作時產(chǎn)生過大的彈性變形。對高速運轉(zhuǎn)的

34、軸還應(yīng)進行振動穩(wěn)定性計算，以防止發(fā)生共振而破壞。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計又包括制定處合理的外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。 軸的結(jié)構(gòu)主要取決于以下因素：軸在機器中的安裝位置及形式；軸上安裝的零件的類型、尺寸、數(shù)量以及和軸聯(lián)結(jié)的方法；載荷性質(zhì)、大小、方向及分布情況；軸的加工工藝等。而影響軸的因素較多，且其結(jié)構(gòu)形式又要隨著具體情況的不同而異，所以軸沒有標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計時，必須使軸滿足以下條件：軸和軸上工作的零件要有準(zhǔn)確的工作位置；軸上的零件應(yīng)便于裝卸和調(diào)整；軸應(yīng)具有良好的制造工藝等。6.3 軸的材料選擇軸的材料選用調(diào)制鋼 40Cr，這種鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后用于制造承受中等負(fù)荷及中等速度工作的機械零件，如汽車的轉(zhuǎn)向節(jié)、后半軸以及

35、機床上的齒輪、軸、蝸桿、花鍵軸、頂尖套等；經(jīng)淬火及中溫回火后用于制造承受高負(fù)荷、沖擊及中等速度工作的零件，如齒輪、主軸、油泵轉(zhuǎn)子、滑塊、套環(huán)等；經(jīng)淬火及低溫回火后用于制造承受重負(fù)荷、低沖擊及具有耐磨性、截面上實體厚度在 25mm 以下的零件，如蝸桿、主軸、軸、套環(huán)等；經(jīng)調(diào)質(zhì)并高頻表面淬火后用于制造具有高的表面硬度及耐磨性而無很大沖擊的零件，如齒輪、套筒、軸、主軸、曲軸、心軸、銷子、連桿、 螺釘、螺帽、進氣閥等。此外，這種鋼又適于制造進行碳氮共滲處理的各種傳動零件，如直徑較大和低溫韌性好的齒輪和軸。6.4 長軸的校核長軸只受到扭轉(zhuǎn)的作用，因此需按扭轉(zhuǎn)應(yīng)力來校核軸的強度。長軸的扭矩： /min95

36、49 1.495492056N mm 6500KWrPTn6（10）繪制軸的扭矩圖如圖 6 所示。21由強度條件，最小截面為邊長為 5 的正方形截面。查材料力學(xué)p96 表得 maxmaxTWa=0.208 maxmax33205679.070.208 5TMpaabh6（11）對于鋼材來說，許用剪應(yīng)力一般按（0.6-0.8）b/n，n 為安全系數(shù)查機械設(shè)計實用手冊P770 表得 40Cr 的 b=750Mpa計算得，滿足強度條件。 max故長軸安全。6.5 軟軸的設(shè)計按扭矩強度估算直徑根據(jù)表 6-2 得 C=118107，又由式（6-5）得 dc(p/n)1/3=(107118)(3.32/7

37、6.4)1/3=37.641.5mm考慮到軸的最小直徑處要求安裝聯(lián)軸器，會有鍵槽存在，故將計算直徑加 3%5%取38.7341.5mm,由設(shè)計手冊取標(biāo)準(zhǔn)直徑 d1=42mm軟軸的轉(zhuǎn)矩： /min9549 1.495492056N mm 6500KWrPTn6（12）由強度條件，最小截面為邊長為 5 的正方形截面。查材料力學(xué)p96 表得 maxmaxTWa=0.208MpaabhT07.1095108. 0205633maxmax22圖 6 軸的扭矩圖Fig 6 The torque diagram of shaft查表得 40Cr 的=250Mpa計算得，滿足強度條件。 max7 軸承的選擇根

38、據(jù)軸承中摩擦性質(zhì)的不同，可把軸承分為滑動摩擦軸承和滾動摩擦軸承兩大類。滾動軸承具有摩擦阻力小，功率消耗小，機械效率高，易起動；尺寸標(biāo)準(zhǔn)化，具有互換性，便于安裝拆卸，維修方便；精度高，轉(zhuǎn)速高，磨損小，使用壽命長；適用于大批量生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，因此在一般機器中應(yīng)用較廣，但滾動軸承也有噪音大、徑向尺寸過大、軸承座的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、成本較高等缺點。7.1 軸承選型 軸承是滑動軸承的重要零件，軸瓦和軸承襯的材料統(tǒng)稱為軸承材料。由于軸瓦或軸承襯與軸頸直接接觸，一般軸頸部分比較耐磨，因此軸瓦的主要失效形式是磨損。軸瓦的磨損與軸頸的材料、軸瓦自身材料、潤滑劑和潤滑狀態(tài)直接相關(guān)，選擇軸瓦材料應(yīng)

39、綜合考慮這些因素，以提高滑動軸承的使用壽命和工作性能。本設(shè)計中有三處用到軸承，一是在長軸和軸管之間，二是在大齒輪傳動的軸上，三是在小齒輪傳動的軸上。綜上因素，選用深溝球滾子軸承。在大齒輪傳動的軸上選用型號為 7000101 軸承，在小齒輪傳動的軸上和長軸上的軸承選用型號為 80100A。237.2 軸承的校核在本次設(shè)計中，軸與支架之間的聯(lián)結(jié)選用深溝球軸承 7000101，其主要參數(shù)為軸承參數(shù)： 軸承內(nèi)徑： 20（mm） 軸承外徑： 47（mm） 軸承寬度： 14（mm） 額定動載荷：12800(N) 額定靜載荷：6650(N) 潤滑方式： 脂潤滑 極限轉(zhuǎn)速： 14000(r/min) 滾動軸承

40、的基本額定動載荷，是在一定載荷條件下確定的。根據(jù)滾動軸承的實際受載情況，在許多場合，常常同時承受徑向和軸向載荷的復(fù)合作用，為了計算軸承壽命時能與基本額定動載荷在相同的條件下比較，需將實際工作載荷轉(zhuǎn)化為一個假想載荷。在此載荷作用下，軸承的壽命與實際載荷作用下的壽命相等，稱該假想載荷為當(dāng)量動載荷，以 P 表示。當(dāng)量動載荷的一般計算公式為： P = fp ( XR + YA ) 6（13） 式中 X徑向載荷系數(shù)；Y軸向載荷系數(shù)；R軸承所承受的徑向載荷；A軸承所承受的軸向載荷。fp載荷系數(shù)，考慮機器的運轉(zhuǎn)情況對軸承載荷的影響。在本設(shè)計過程中，所選軸承僅受徑向力，而軸向受力為 0，由機械設(shè)計冊查得軸承的

41、徑向載荷系數(shù) X=1.0,軸向載荷系數(shù) Y=0。由于該冰雪破除機是由裝載機推動的，所以其載荷性質(zhì)應(yīng)該屬于中等沖擊或中等慣性力，其載荷系數(shù) fp 取 1.8。根據(jù)上述經(jīng)驗公式以及所分析得到的數(shù)據(jù)，可以計算該軸承在工作時所遇到的當(dāng)量動載荷。P = 1.8255.1=459.18 N由上面計算結(jié)果可知道，該軸承在工作時的當(dāng)量動載荷比其額定動載荷要小得多, 所以是合格的。248 除草機進行中耕的設(shè)計8.1 結(jié)構(gòu)方案的確定 機構(gòu)設(shè)計包括傳動方案的確定，動力的選擇，耕幅的確定，刀片的選擇等內(nèi)容。結(jié)構(gòu)設(shè)計要求體現(xiàn)設(shè)計原則和設(shè)計思想，實現(xiàn)中耕的結(jié)構(gòu)合理，達(dá)到可靠性，適用性，先進性，經(jīng)濟型及系統(tǒng)化的統(tǒng)一。根據(jù)設(shè)

42、計任務(wù)書的要求，是用于山地間除草以及耕地作業(yè)，除草生產(chǎn)效率 1 畝/h，幅寬為 0.3m，由圖 1 除草機的主要結(jié)構(gòu)圖所示結(jié)構(gòu)能滿足要求。8.2 動力的初步選擇 根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求，本次設(shè)計的中耕機主要是針對山地丘陵地區(qū)的小塊山地，旱地和無機果園等地耕作之用，所需功率不大，所設(shè)計的及其要求輕便靈活，能耗不大，動力機只需是一般功率穿柴油機或汽油機。故之前選擇的汽油機 1E139F 能滿足中耕需要。8.3 重要零件設(shè)計軸和齒輪的設(shè)計，跟除草的設(shè)計一致。只需對刀片的選擇進行設(shè)計。8.3.1 刀片類型的選擇目前，使用旋耕刀的刀片按結(jié)構(gòu)形式分為大致 3 種類型：鑿型刀、直角刀和彎刀。直角刀入土、碎土能

43、力較強，但是側(cè)刀切刃滑切作用小，脫草性能較差，容易纏草；鑿型刀主要用于旱性土壤的耕作，在除草機上不作為選擇對象；彎刀的側(cè)刃具有較好的滑切性能，刀片不容易纏草，刀片的側(cè)面與土壤摩擦大，入土較困難。由于除草機的工作環(huán)境是山地、菜地等，土壤較疏松，土表雜草較少，脫草性能不再是刀片性能考慮的主要因素。另外，除草機功率小，刀片形狀的選擇應(yīng)從降低消耗功率，減少阻力，有利入土等幾方面來考慮，直角刀片與彎刀刀片相比，能很好的滿足除草機以上幾個方面要求。8.3.2 刀片正切面的設(shè)計 直角刀片正切面幾何參數(shù)主要是指切土角 （刀齒內(nèi)刃面與余擺線切線的夾角）和隙角 （刀齒外刃面與余擺線切線的夾角） ，如圖 6 所示。

44、由圖 6 幾何關(guān)系可得：= - 06（12）式中：為靜態(tài)隙角； i 為磨刀角；為圓周切線和余擺線切線之間的夾角。0刀片的靜態(tài)切土角和靜態(tài)隙角是一定值。由上式可得，欲考察 和 是否00合理，只需考察的數(shù)值即可。25由圖 6 中刀齒的速度關(guān)系可知： )sin-/(arctgcos6（13）由（13）式可見，隨刀齒位置 的變化而變化，并且相同的位置角的情況下，隨速比系數(shù)的減小而增大。切土角 和隙角則隨的增大而減小，按設(shè)計要求，刀片的最小切土角和最小隙角不能過大，也不能過小。過大時，刀齒難minmin于入土，增加了能量消耗；過小時，在最小隙角處會引起背部接觸土壤的現(xiàn)象，嚴(yán)重時刀片的背部擠入未耕地中，增

45、加功率的消耗以及刀片的磨損，甚至使除草機劇烈跳動，耕深自動變淺，不能正常工作。使刀片靜態(tài)切土角達(dá)到 37 39 最合適。0圖 6 刀片幾何參數(shù)Figure 6 Geometric parameters of blade 9 總結(jié)本文通過對除草機國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析，設(shè)計了一種操作容易、使用和攜帶方便、轉(zhuǎn)向靈活的背負(fù)式小型機動除草機，具有一定的實際意義和應(yīng)用前景。本次設(shè)計主要做了以下幾個方面的工作：1）閱讀了大量相關(guān)文獻，結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹了除草機的發(fā)展，通過比較確定了背負(fù)式小型除草機整體的設(shè)計方案。2）詳細(xì)介紹了除草機的工作原理，對除草機各個部分的設(shè)計確定了合理的方案。3）對動力機的功率

46、做了詳細(xì)的分析，確定了除草機的基本參數(shù)。4）對受力零件進行受力分析、材料強度校核。 本文對背負(fù)式小型機動除草機的分析與設(shè)計還有許多不足之處，但通過這幾個月的設(shè)計與學(xué)習(xí)，使我對大學(xué)所學(xué)知識有了一個全面的認(rèn)識，學(xué)會了系統(tǒng)的分析問題，26使我對 Word 的編排以及對 CAD 的運用有了更深的認(rèn)識，我以后更好的研究打下了一定的基礎(chǔ)。 參考文獻1 王少懷,徐東安.機械設(shè)計實用手冊M.北京:機械工業(yè)出版社,2009:12-152 濮良貴,季名剛.機械設(shè)計.第八版M.北京:高等教育出版社,2006:15-183 劉鴻文.材料力學(xué). 第四版M.北京：高等教育出版社,2004:55-584 丁玉蘭.人機工程手

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