手推式割草机设计说明书

手推式割草机设计 摘 要：割草机是农、牧、园艺和园林等行业必备的一种常用机械,但适合面积狭小、形状不规则或地形复杂的地段且操作使用便捷、灵活的小型手推式割草机却很少见。为此,在研究我国广泛应用的一些割草机技术的基础上,设计了简单实用的手推式割草机,其特点是结构简单、轻便、工作头前伸和支架高度可调;本文介绍了:手推式割草机的总体结构、工作原理、电机选择、传动比的计算及相关零件机构的校核。实验结果表明: 该机具有操作容易、使用和携带方便、转向灵活等特点,能有效降低劳动强度。 关键词：割草机;手推式;电机The Design of Hand-push Mowering-machine Abstract：The Mowing-machine is agricultural, animal husbandry, gardening and landscaping industries is essential for a common mechanical, but suitable for small size, irregular shape or terrain area and the operation is convenient, flexible miniature hand mower is rare. Therefore, in our study the extensive application of technology on the basis of some of the mower, designed a simple and practical hand mower, which is characterized by simple structure, handiness, working head extension and the height of the bracket is adjustable; this paper introduces: hand mowers overall structure, working principle, selection of motor, transmission ratio calculation and related parts of body checking. The experimental results show that: the machine has the advantages of easy operation, convenient use and carrying, flexible steering and other characteristics, can effectively reduce the labor intensity. Key words:mowing-machine;hand-push;electrical appliances1 绪论1.1 选题的背景和目的在割草机问世之前，草坪的修割主要工具是镰刀，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割草机，1902年英国人伦敦恩斯制造了内燃机做动力的滚筒式割草机，其原理至今还在使用。在西方发达国家，20世纪初期，割草机就得到了快速的发展。我国目前生产的割草机以刀具类型可分为滚刀式和旋刀式两大类。滚刀式割草机由带有刀片的滚筒和和不动的床刀组成。它较旋刀式割草机有更好的修割质量，是高质量草坪最常用的割草机型。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毫米范围内的割草。由于其价格低廉，保养、维修方便、使用灵活，只要将刀片磨快，割草效果还是可以的。因此，一般要求的草坪都选用它，成为目前国内外最流行的割草机。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。机动的又分为汽油机、柴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，而汽油机多用于大型的割草机械，如牧场的割草机，农业的割草，除草。1.2 手推式割草机国内外的发展状况1.2.1 发展状况据调查，国内生产割草机的厂家大约有50家左右。多数为园艺系统的公司以及转产割草机的机械厂。市场上草坪修割机的品牌很多，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，割幅从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草坪割草机，占国内市场的50%，现年产5000台。目前正着手进行年产5万台割草机的技术改造，其动力选用日本本田发动机。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。1.2.2 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 手推式割草机设计目的目前，农业在国家的支持下正在加速发展，随着农业的快速发展，劳动强度不断加大，人力已经无法在超负荷的劳动。因而农业机械随之而产生，代替了人力。随之而来的就是农业、牧业机械的大规模使用和普及。通常农业割草都是靠原始的镰刀人力割草，但工作效率低，劳动强度大，人力无法快速大量工作。而手推式汽油机割草机可以解决上述问题，这种手推式割草机体积小、噪音小，适用于空旷大草坪，农业田间割草，除草。随着农业大快速发展更需要开发一种适合农业割草，除草的手推式割草机。本次设计的手推式割草机是专为农业割草、除草设计的，不适用于空旷草场、农场和林场等场合，还适用于农田果园间除草。2 割草机的概述2.1 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。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68km/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1012km/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816km/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。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三种形式割草机。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。动力驱动的割草机按牵引方式或悬挂方式可分为前置式、侧置式、后置式、中置式割草机。目前，也有旋刀式手推随行式割草机，大部分采用中置悬挂，而滚刀手推随行式割草机多采用前置式挂接，大型的割草机则采用混合牵引方式7。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）割草整齐、平整，同一行程前后割草高度一致，两次作业行程衔接平滑。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）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。2.3 手推式割草机的结构特点本次设计的手推式割草机主要由汽油机、行走轮、支架、扶手架和割草机构组成，割草机构是一种割刀动力旋转工作头，它是在形似两个淋浴莲蓬头对合而成的a、b壳体内，由连接螺栓作为中心死轴，轴上装带有滚珠轴承的双面圆弧锥齿轮副；一面为齿轮副I，同轴安装在壳体a内，齿轴与小型汽油机的驱动轴花键连接，壳体端口连接支承管；另一面为齿轮副II，同轴安装在壳体b内，齿轴伸出端口外；圆盘割刀由开有花键槽的托盘和压盘夹住，套装在齿轴上，用螺母逼紧固定，头部装上割刀。图1 割草机内部结构示意图Fig 1 Lawn mower internal structure schematic drawing2.4 手推式割草机的工作原理割草机以手推式式汽油机作为动力，由汽油机驱动传动齿轮和割草装置。行走机构采用手推车架。汽油机转动带动长轴，长轴转动传递到弧形齿轮，两个呈角度的弧形齿轮改变转动的方向，最后转动传递到割草装置(见图2,图3），割草装置通过安装在轴上的割刀盘带动割刀旋转完成割草作业。本设计方案的特点是： 1）操作容易、使用和携带方。 2）转向灵活,能有效降低劳动强度。 3）整机重量较低。图2 割草机的割草头Fig 2 Mower mowing hend图3 割草机结构图Fig 3 Mower structue diagram 4）传动部分结构简单，维护方便。 5）割草动作同时可以将草旋根，有除草功能。3 割草机的总体方案设计3.1 总体方案设计手推式割草机是由人手推动的。查阅人机工程手册，人步行速度约为35千米/时，即4864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：成年男性平均身高：1860周岁 15431814毫米成年女性平均身高：1860周岁 14491697毫米成年男性平均臂长：1860周岁 279349毫米成年女性平均臂长：1860周岁 252319毫米立姿工作岗位工作高度：男性：95010501150毫米105012001300毫米女性：8509501050毫米100011001200毫米4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900-1300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。1）精密工作，靠肘支撑工作。（设计尺寸针对男性：105115毫米 针对女性：100110毫米）2）虎钳固定在工作台上的高度：113毫米3）轻手工工作。（男性：95100毫米 女性：9095毫米）4）用劲大的工作。（男性：8095毫米 女性：7590毫米）4本设计属于4）范围内的设计。由以上分析确定割草机的各项参数：割草机的整体宽度：713mm割草高度：3060mm集草类型：就地洒落3.2 动力机的选择选用的汽油机1E139F表4 汽油机 1E139F 技术参数Table 4 Gasoline engine 1E139F technical parameters类型 参数 类型 参数汽油机型号 1E139F 汽油机型号 单缸、风冷二冲程最大功率 1.4/6500kw/r/min 噪声 101dB(A)最高稳定转速 9000r/min 排量 33.6cc油箱容积 1.0L 点火方式 无触点化油器型式 膜片式 起动方式 反冲起动传动轴型式 硬轴 汽油机包装箱尺寸（mm）330302300净重 7.7kg4 割草机传动设计本次设计的手推式割草机的传动部分主要是长轴带动锥齿轮转动，锥齿轮带动另一锥齿轮转动并且改变方向，最后传到到割刀转动，将草坪上多余高度的草割断。传动部分的设计主要是对齿轮的设计。4.1 齿轮传动的类型齿轮传动就装置形式分： 1）开式、半开式传动在农业机械、建筑机械以及简易的机械设备中，有一些齿轮传动没有防尘罩或机壳，齿轮完全暴露在外边，这叫开式齿轮传动。这种传动不仅外界杂物极易侵入，而且润滑不良，因此工作条件不好，轮齿也容易磨损，故只宜用于低速传动。齿轮传动装有简单的防护罩，有时还把大齿轮部分地浸入油池中，则称为半开式齿轮传动。它工作条件虽有改善，但仍不能做到严密防止外界杂物侵入，润滑条件也不算最好。 2）闭式传动而汽车、机床、航空发动机等所用的齿轮传动，都是装在经过精确加工而且封闭严密的箱体(机匣)的，这称为闭式齿轮传动(齿轮箱)。它与开式或半开式的相比，润滑及防护等条件最好，多用于重要的场合。本次设计的手推式割草机割草总成部分尺寸比较小，传动齿轮尺寸和质量比较小，转速比较高，且没有防护罩，如果选用开式容易损坏其寿命，因此齿轮传动选用闭式传动。4.2 齿轮的选用齿轮传动是靠齿与齿的啮合进行工作的，轮齿是齿轮直接参与工作的部分，所以齿轮的失效主要发生在轮齿上。主要的失效形式有轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合以及塑性变形等。由上述分析可知，所设计的齿轮传动在具体的工作情况下，必须具有足够的，相应的工作能力，以保证在整个工作寿命期间不致失效。通常只按保证齿根弯曲疲劳强度及保证齿面接触疲劳强度两准则进行计算。由于本次设计的手推割草机的齿轮传动属闭式传动且属于高速传动的硬齿面，因此选用锥齿轮（见图7）作为传动齿轮。图7 锥齿轮传动的几何参数Fig 7 Bevel gear geometry parameters4.3 齿轮的材料选择由轮齿的失效形式可知，设计齿轮传动时，应使齿面具有较高的抗磨损，抗点蚀，抗胶合及抗塑性变形的能力，而齿根要有较高的抗折断能力。因此，对齿轮材料性能的基本要求为齿面要硬，齿芯要韧。齿轮材料的选择原则：齿轮材料必须满足工作条件的要求；应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成形方法及热处理和制造工艺。常用热处理方法主要有：表面淬火；渗碳淬火；渗氢；调质；正火等等。不同的热处理方法使得齿轮的表面强度不一样。综上所述，选择大小齿轮材料均为20CrMnTi，渗碳后淬火处理，强度极限为1100Mpa，屈服极限为850Mpa，齿芯部硬度为300HBS。4.4 齿轮精度的选择各类机器所用齿轮传动的精度等级范围列于下表中，按载荷及速度推荐的齿轮传动精度等级如下图所示。手推割草机属于农业机械，速度、精度要求都不高，故选用6级精度（GB1009588）。各类机器所用齿轮传动的精度等级范围：表5齿轮传动的精度等级Table 5 Gear transmission accuracy level机器名称 精度等级 机器名称 精度等级 汽轮机 36 拖拉机 68 金属切削机床 38 通用减速机 68 航空发动机 48 锻压机床 69 轻型汽车 58 起重机 710 载重汽车 79 农业机器 8114.5 按齿根弯曲疲劳强度进行设计 根据标准锥齿轮传动的强度计算，最常用的、轴交角=901）轴交角=90与传动比，是根据齿轮副的传动要求确定的。2）根据齿轮副所要传递的功率、扭矩，利用经验公式或图表确定小轮外端的节圆直径和小轮齿数（不小于5）。弧齿锥齿轮的外端模数m可以根据公式 (1)3） 大轮的齿数: （2）计算后圆整，且大轮与小轮的齿数之和不小于40。4）齿面宽b的确定。查表，一般选择为外锥距。5）根据大轮和小轮的旋转方向确定齿轮的旋向。齿轮的旋转方向是根据传动要求确定的，它的选择要保证齿轮副在啮合的过程中有互相推开的轴向力。6）为了保证齿轮副具有一定的重合度，应选择合适的螺旋角，一般选择位35度。可以根据经验表格来选取适当的螺旋角，并可根据公式计算相应的重合度。B为齿宽，为外锥距，为中点锥距，为内锥距，为端面重合度。 （3） （4）7）压力角的确定。压力角一般有16、19、20、21.5、22.5、25度等，弧齿锥齿轮一般用20度。压力角太小减小了齿轮的强度，并容易发生根切，但柔性增大；压力角太大容易使得齿顶变尖，降低重合度。小轿车为了降低噪声、运转平稳，采用小压力角。载重汽车一般用大的压力角，以增大齿轮的强度。8）齿顶高系数、顶隙系数与侧隙。查表，一般当小轮齿数12时，齿顶高系数为0.85，顶隙为0.188，则工作齿高系数为1.7，全齿高系数为1.888。侧隙查表选取。9）变位系数的选择。根据传动比与齿轮的齿数查表。参数确定如下：选用弧齿锥齿轮传动;齿轮精度为8级; 选择大小齿轮材料均为20CrMnTi，渗碳后淬火处理，强度极限为1100Mpa，屈服极限为850Mpa，齿芯部硬度为300HBS。;闭式齿轮传动一般转速较高，为了提高传动的平稳性，减小冲击振动，大齿轮的齿数为=20，小齿轮的齿数= 16 ，传动比为i=0.8，轴交角为120。计算齿轮传递的转矩。由于汽油机的最高转速=6500 r/min，根据传动比i=0.8，则小齿轮的转速为:=65000.8=5200r/min， (5)大齿轮功率近似P=1.4kW，根据公式算得： (6)查机械设计实用手册图5.6-11和5.6-12，确定节圆直径d2=24，d1=30,模数m=1.5由机械设计实用手册，按以上步骤确定弧齿其它参数如下表6 齿轮参数Table 6 Gear parametersl齿轮 小齿轮 大齿轮螺旋角 35 35齿形角 20 20模数 1.5 1.5工作齿高系数 1.7 1.7齿顶高系数 0.85 0.425压力角 20 20顶隙系数 0.1888齿宽 8 11齿顶高 0.7754 0.7754齿根高 1.235 1.235旋向 0 右旋4.6 锥齿轮的受力分析锥齿轮齿面上所受的法向载荷通常都视为集中作用在平均分度圆上，即在齿轮宽中点的法向截面（Pabc平面）内（见图8）。图8 锥齿轮的轮齿受力分析Fig 7 Bevel gear tooth stress analysis将法向载荷分解为切于分度圆锥面的周向分力（圆周力）及垂直于分度圆锥母线的分力F,在将力F分解为径向分力。小锥齿轮轮齿上所受各力的方向如图，各力的大小分别为 （7） （8） （9） （10）于及于大小相等，方向相反。5 割草机割草机构的设计手推式割草机的割草机构如图9，图10图9 刀片Fig 9 blade5.1 刀片材料的选择割草机刀片必须采用高强度优质钢材，经过特殊热处理工艺保证刀片有较高的强度、锋利度、耐磨性、抗冲击韧性。刀架及刀片外形应该符合空气动力学要求，尽量减少运动时的空气阻力，以降低功率消耗。装配、调整刀具时，必须保证两端力矩平衡，以减少振动和噪声。刀片材料选用优质合金钢（20CrMnTi)。在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金。根据添加元素的不同，并采取适当的加工工艺，可获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。图10托盘压盘Fig 10Tray pressure plate5.2 切割速度分析图11度分解图Fig 11Velocity diagram割切速度的分解从图中可以看到,割刀a点的相对运动速度为VaVa=rsint(1)；式中: r为曲柄半径;为曲柄角速度。在割刀单一行程中,Va和割草机的前进速度Vm的合成速度V在大小和方向上均发生着变化,把V分解为Vn和Vt,则Vt/Vn表征滑切系数 Vn=Vacos+Vmsin(2)Vt=Vasin-Vmcos；式中:为刀刃的倾角Vt/Vn=(tg-Vm/Va)/1+(Vm/Va)tg；滑切系数与刀刃倾角(刀刃和前进方向的夹角)有关。同时也在更大程度上与割草机前进速度和瞬时割切速度的比值Vm/Va有关。 因此,的选择应满足tg-Vm/Va0(5)反之,当滑切系数为负时,相应的滑切速度指向刀片的顶部,这时草茎在割切时会发生弯曲,导致割漏区增加。 应有:Vm/Va0.578,为最大限度地提高工作质量和生产率,这里取Vm/Va=0.6。当割草机以某一速度Vm行驶时, 这样就可避免人为盲目的调节割草机速度Vm和割刀速度Va,不仅减轻了操作人员需要反复观察甚至试验才能确定两个相适应速度的工作量,而且可以实现高质量的割切,并能最大限度地提高割草机行驶速度Vm,进而提高生产率。大型的高割切质量、高生产率的路用割草机的发展势在必行。割切器漏割区的大小与割切器刀刃倾角有关,增大,在其它条件不变时,漏割区减小。但的过分增大会导致割切阻力的急剧增加,因此,的正确选取,需综合考虑多方面因素的影响,确切的数值需视具体情况在试验中摸索。割草机前进速度Vm与割刀速度Va的比值,直接影响割切器漏割区的大小,因而对割切器割切质量及生产率有很大影响,具体数值变化应符合公式。采用本文的设计方案可最大限度地提高割草机的生产率,减小漏割区,并实现高质量、低劳动强度的割草作业。5.3 割刀受力分析割刀在切割过程中，割刀高速旋转，受刀轴方向上的向心力,水平方向上的切割力F1和割草时的摩擦力F2，直方向割刀受刀向下的割压力F3和向上的反作用力F4。在汽油机的驱动下，割草机构高速割草，割刀在各种力的作用下实现割草。本次设计的刀片为楔形3齿滚刀，楔形的弧角为135。这样设计有便于切割草，还可以将草旋根铲除，更高效的除草，防止草根不死继续吸收农作物营养。5.4 不同功能刀片的设计设计多种形式的刀片以适应不同的割草环境。一些刀片如图12图12 不同样式的刀片Fig 12 Different style of blade各种割草机刀片用途：1）2齿刀片：适用于切割较低软的杂草，切割直径大（菱形刀片在操作中较安全）2）3齿刀片：适用于切割较高软的杂草，经济实惠3）4齿刀片：适用于切割较高软的杂草（平衡，震动小，切割效果比较平整）4）8齿刀片：适用于切割较低软的杂草（平衡，震动小，切割效果比较平整）5）40齿刀片：适用于切割较硬的杂草和灌木（灌木直径1.5-2.0厘米）6）80齿刀片：适用于切割较硬的杂草和灌木（平衡，振动小，切割效果平整）刀片的切割过程：在刀片割草的过程中，刀片和草是一对矛盾。要弄清切割过程的实质，必须先了解这两方面的性质和特点，才能进一步分析它们的相互作用。草的横截面呈扁平或槽型。非均匀体在不同方向上的机械性能并不相同（称为各向异性），这是与均匀材料（各向同性）显著不同的特点。草的刚度很小，极易弯曲，到一定挠度时，就会失去稳定而弯折。利用工具所施加的压力来破坏材料相互之间联系使之分离的机械加工过程，都称之为“切”。刀片的切割过程同刀具切削金属的过程及冲模冲剪材料的过程本质是不同的。刀片的断面呈薄的楔形，前后两个刃磨面组成的楔角的顶部就是刃口。刀片的“切割”过程同“切削”及“冲剪”之不同，在于前者是利用刃口对材料产生很大的单位应力，使刃口穿透入被切材料之中来破坏材料。齿刀片的切割过程是，刀片以齿尖刺穿草面，将其断面分割开；随着齿尖的继续插入，由于草的强度各向异性的特点，纤维之间很容易沿横向被撕开，因而受到削弱。草被齿尖刺入后也不会再沿刀刃向外滑出，所以被割断。本次手推式割草机设计主要以农业割草，除草为主，采用的是3齿滚刀式刀片（见图7），滚刀式割草机由带有刀片的滚筒和不动的床刀组成，滚刀式刀片高速旋转来实现割草，其价格低廉，保养，维修方便，使用灵活。另外可以根据不同的工作环境，工作要求更换割草机的刀片来实现不同的工作目的，这也使的割草机具有多功能，克服了传统割草机单一工作条件的限制。6 轴的设计6.1 轴的概述轴是组成机器的主要零件之一。一切做回转运动的传动零件都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。因此，轴的主要功用是支撑回转零件及传递动力和运动。按照承受载荷的不同，轴可以分为转轴、心轴和传动轴三类。工作中既能承受弯矩又能承受扭矩的称为转轴。只承受弯矩而不承受扭矩的轴称为心轴。只承受扭矩而不承受弯矩的轴称为传动轴。还有很多种不同的分类方法，在此就不一一列出。6.2 轴的设计轴的设计也和其它零件的设计相似，包括结构设计和工作能力计算两方面的内容。轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的结构设计不合理，会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性，还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难等。因此，轴的结构设计是轴设计中的重要内容。图13长轴Fig 13 The major axis轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。这时只需要对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形。而对于刚性要求较高的轴（如车床主轴）和受力大的细长轴，还应进行刚度计算，以防止工作时产生过大的弹性变形。对高速运转的轴还应进行振动稳定性计算，以防止发生共振而破坏。轴的结构设计又包括制定处合理的外形和全部结构尺寸。 轴的结构主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及和轴联结的方法；载荷性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。而影响轴的因素较多，且其结构形式又要随着具体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。设计时，必须使轴满足以下条件：轴和轴上工作的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应便于装卸和调整；轴应具有良好的制造工艺等。6.3 轴的材料选择轴的材料选用调制钢40Cr，这种钢经调质后用于制造承受中等负荷及中等速度工作的机械零件，如汽车的转向节、后半轴以及机床上的齿轮、轴、蜗杆、花键轴、顶尖套等；经淬火及中温回火后用于制造承受高负荷、冲击及中等速度工作的零件，如齿轮、主轴、油泵转子、滑块、套环等；经淬火及低温回火后用于制造承受重负荷、低冲击及具有耐磨性、截面上实体厚度在25mm以下的零件，如蜗杆、主轴、轴、套环等；经调质并高频表面淬火后用于制造具有高的表面硬度及耐磨性而无很大冲击的零件，如齿轮、套筒、轴、主轴、曲轴、心轴、销子、连杆、 螺钉、螺帽、进气阀等。此外，这种钢又适于制造进行碳氮共渗处理的各种传动零件，如直径较大和低温韧性好的齿轮和轴。6.4 长轴的校核长轴只受到扭转的作用，因此需按扭转应力来校核轴的强度。长轴的扭矩： （6） （6）6.4.1 求作用在齿轮上的力已知小，大齿轮分度圆直径分别为： （1） （1）齿轮上的垂直切向力分别为： （7） （7）径向力： （8）6.4.2 作出轴的计算简图（即力学模型）轴所受的载荷是从轴上零件传来的。计算时，常将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布段的中点。作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂宽度的中心点算起。通常把轴当作置于铰链支座上的梁，支反力的作用点与轴承的类型和布置方式有关，深沟球轴承支反力的作用点就在轴承的中心线上与轴垂直。(见图12）图14 轴的力学模型Fig 14 The mechanical mode of shaft6.4.3 作出弯矩图根据上述简图，分别按水平和垂直面计算各力产生的弯矩，并按计算结果作出水平面上的弯矩图和垂直面上的弯矩图；然后按下式计算总弯矩并作出弯矩M图（见图13）垂直面弯矩： （9）水平面弯矩： （10）合成弯矩： (11)6.4.4 作出扭矩图(见图14） 由强度条件得： (12)最小截面为边长为5的正方形截面。查材料力学p96表得a=0.208 (13) （14）对于钢材来说，许用剪应力一般按（0.6-0.8）b/n，n为安全系数查机械设计实用手册P770表得40Cr的b=750Mpa，计算得：，满足强度条件，故长轴安全。6.4.5 刚度校核 (15) （16）根据以上计算结果，为了同时满足强度和刚度要求，选定轴的直径D=20mm。可见，刚度条件是轴的控制因素。由于刚度是齿轮轴的主要矛盾，所以用刚度作为控制轴非常重要的因素。 图15 轴的弯矩图Fig 15 Shaft bending moment diagram图16 轴的扭矩图Fig 16 Shaft torque diangram7 轴承的选择根据轴承中摩擦性质的不同，可把轴承分为滑动摩擦轴承和滚动摩擦轴承两大类。滚动轴承具有摩擦阻力小，功率消耗小，机械效率高，易起动；尺寸标准化，具有互换性，便于安装拆卸，维修方便；精度高，转速高，磨损小，使用寿命长；适用于大批量生产，质量稳定可靠，生产效率高等优点，因此在一般机器中应用较广，但滚动轴承也有噪音大、径向尺寸过大、轴承座的结构比较复杂、成本较高等缺点。滑动轴承具有径向尺寸小、装配空间小，减小设备体积；价格相对比较便宜，安装拆卸方便；具有良好的润滑性和抗磨耗性，能在无油或少油条件下工作，特别适用于高温，水溶液浸润或其他无油加油或加油困难场合；且滑动轴承具有较好的自润滑、耐磨损、低摩擦等性能。由于滑动轴承本身具有的这些独特优点，使得它在某些不能、不便或使用滚动轴承没有优势的场合仍占有重要地位。例如,在承受较大负荷的场合和或要求径向尺寸小、结构要求紧凑的场合,多采用滑动轴承。滑动轴承根据承受载荷的方向不同分为: 推力滑动轴承与径向滑动轴承两种。根据润滑膜的形成原理不同分为：动压滑动轴承与静压滑动轴承，根据结构型式不同可分为：整体式滑动轴承与剖分式滑动轴承。7.1 轴承材料 轴承是滑动轴承的重要零件，轴承衬的材料统称为轴承材料。由于轴承衬与轴颈直接接触，一般轴颈部分比较耐磨，因此轴的主要失效形式是磨损。轴的磨损与轴颈的材料、轴自身材料、润滑剂和润滑状态直接相关，选择轴材料应综合考虑这些因素，以提高滑动轴承的使用寿命和工作性能。轴承的材料有：1）金属材料，如轴承合金、青铜、铝基合金、锌基合金等；2）多孔质金属材料（粉末冶金材料）；3）非金属材料。轴承合金：轴承合金又称白合金，主要是锡、铅、锑或其它金属的合金，由于其耐磨型好、塑性高、跑合性能好、导热性好和抗胶和性好及与油的吸附性好，故适用于重载、高速情况下，轴承合金的强度较小，价格较贵，使用时必须浇筑在青铜、钢带或铸铁的轴上，形成较薄的涂层。多孔质金属材料：多孔质金属是一种粉末材料，它具有多孔组织，若将其浸在润滑油中，使微孔中充满润滑油，变成了含油轴承，具有自润滑性能。多孔质金属材料的韧性小，只适应于平稳的无冲击载荷及中、小速度情况下。轴承塑料：常用的轴承塑料有酚醛塑料、尼龙、聚四氟乙烯等，塑料轴承有较大的抗压强度和耐磨性，可用油和水润滑，也有自润滑性能，但导热性差。67.2 滑动轴承润滑剂的选用1）滑动轴承可用润滑脂来润滑，在选择润滑脂时应考虑下列几点： 轴承载荷大，转速低时，应选择锥入度小的润滑脂，反之要选择锥入度大的。高速轴承选用锥入度小些、机械安定性好的润滑脂。特别注意的是润滑脂的基础油的粘度要低一些。选择的润滑脂的滴点一般高于工作温度20-30，在高温连续运转的情况下，注意不要超过润滑脂的允许使用温度范围。滑动轴承在水淋或潮湿环境里工作时，应选择抗水性能好的钙基、铝基或锂基润滑脂。选用具有较好粘附性的润滑脂。2）滑动轴承用润滑脂的选择：载荷1MPa，轴颈圆周速度1m/s以下，最高工作温度75，选用3号钙基脂；载荷1-6.5MPa，轴颈圆周速度0.5-5m/s，最高工作温度55，选用2号钙基脂；载荷6.5MPa，轴颈圆周速度0.5m/s以下，最高工作温度75，选用3号钙基脂；载荷6.5MPa，轴颈圆周速度0.5-5m/s，最高工作温度120， 选用2号锂基脂；载荷6.5MPa，轴颈圆周速度0.5m/s以下，最高工作温度110，选用2号钙-钠基脂； 载荷1-6.5MPa，轴颈圆周速度1m/s以下，最高工作温度50-100，选用2号锂基脂； 载荷5MPa 轴颈圆周速度0.5m/s，最高工作温度60，选用2号压延机脂；在潮湿环境下，温度在75-120的条件下，应考虑用钙-钠基脂润滑脂。在潮湿环境下，工作温度在75以下，没有3号钙基脂，也可用铝基脂。工作温度在110-120时，可用锂基脂或钡基脂。集中润滑时，稠度要小些。 3）滑动轴承用润滑脂的润滑周期： 偶然工作，不重要零件：轴转速200r/min，润滑周期5天一次；轴转速200r/min，润滑周期3天一次。 间断工作：轴转速200r/min，润滑周期2天一次；轴转速200r/min，润滑周期1天一次。 连续工作，工作温度小于40：轴转速200r/min，润滑周期1天一次；轴转速200r/min，润滑周期每班一次。 连续工作，工作温度40-100：轴转速200r/min，润滑周期每班一次；轴转速200r/min，润滑周期每班二次。本设计中有三处用到轴承，一是在长轴和轴管之间，二是在大齿轮传动的轴上，三是在小齿轮传动的轴上。综上因素，选用深沟球滚子轴承。在大齿轮传动的轴上选用型号为7000102轴承，在小齿轮传动的轴上和长轴上的轴承选用型号为80100。8 结束语本次手推式割草机设计主要以农业割草，除草为主，采用的是3齿滚刀式刀片，滚刀式割草机由带有刀片的滚筒和不动的床刀组成，滚刀式刀片高速旋转来实现割草，其价格低廉，保养，维修方便，使用灵活。另外可以根据不同的工作环境，工作要求更换割草机的刀片来实现不同的工作目的，这也使的割草机具有多功能，克服了传统割草机单一工作条件的限制。本设计的不足之处在于割草机的动力设计和传动设计，选用小型汽油机可以解决整机的整机结构，外形尺寸，重量等，使其结构简单，轻便，操作容易，使用和携带方便，转向灵活。但汽油机动力较柴油机弱，不能实现大功率，长时间，大规模割草，除草。另传动轴的设计有不足之处，功率，转速损失大，传动效率不太高。在经过老师多次指导之后，我才意识到真正的设计不足，之前我不仅浪费了太多的时间，而且现在以我现在的知识水平以及经验，对于这些有点不太实际，而且想想当时自己真的是有一点夸夸其谈了，不免感觉很惭愧。本次设计可以说是对各门专业知识综合运用，对以前所学点滴知识的再一次系统性的综合考察和检验。通过查阅和研究一些资料，进一步开阔了自己的视野，也是通过查阅资料，提高了进行文献检索的能力。也培养锻炼自己的自学能力和综合能力，利用所学的知识解决实际问题。参考文献1 王少怀.徐东安.机械设计实用手册M 北京：机械工业出版社，20092 濮良贵.季名刚.机械设计.第八版M北京：高等教育出版社，20063 刘鸿文.材料力学.第四版M北京：高等教育出版社，20044 丁玉兰.人机工程手册M北京：化学工业出版社，20085 陈传强.草坪机械使用与维护手册M北京：中国农业出版社，20026 毛谦德.机械设计师手册M北京：机械工业出版社，20037 王万均.农业机械设计手册M北京：机械工业出版社，19738 邵陆涛.优化设计方法M北京：中国农业出版社，20079 李炳威.结构优化设计M北京：科学出版社，198110 吴宗泽.罗圣国.机械设计课程设计手册M北京：高等教育出版社,199911 孟宪源.机构构型与应用M北京：机械工业出版社,200412 周克绳.AutoCAD计算机绘图软件M北京：国防工业出版社,198913 江耕华.机械传动设计手册M北京：煤炭工业出版社,199214 刘鸿文.简明材料力学M北京：高等教育出版社，200315 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计仿形刨床液压系统设计封箱机设计盖帽垫片的冲压工艺及模具设计缸体气缸孔镗削动力头设计缸体曲轴孔与凸轮轴镗削动力头的设计钢筋调直机的设计高温高速摩擦磨损试验机设计刮板式脱壳机设计轨道式小型液压升降机机架和小车设计红薯丁切制机构设计红薯条切制机构的设计高压瓶盖注塑模具设计户用型太阳能水泵的设计机床手柄注塑模设计基于JN338的电动机转矩转速测量系统设计基于PLC的包装生产线计数分配环节控制系统设计基于PLC的材料分拣模型控制系统设计基于PLC的加热反应炉电气控制系统的设计基于PLC的食用油灌装生产线的电气控制设计基于PLC的四轴联动机械手控制系统设计基于PLC的污水处理电气控制系统设计基于PLC四自由度机械手基于单片机的电子秤的设计基于单片机的电子密码锁设计基于单片机的非接触式红外测温仪设计基于单片机的智力竞赛抢答器设计基于单片机的自动照明节能控制系统设计基于单片机控制的LED亮化设计基于浮子流量计单片机流量控制系统的设计矩形柱座双面倒角专用机床设计矩形柱座双面铣专用机床设计矿用固定式带式输送机的设计辣椒切碎机的设计离心式茶叶雨水叶脱水机设计犁刀变速齿轮箱体加工工艺及夹具设计立式离心式剥壳机设计立式推杆减速机的设计连杆端孔轴线平行度自动检测仪的设计连杆端面平行度自动检测仪的设计龙门动模式钢板模压机设计漏斗式热风干燥机的设计螺旋式榨油机设计密封垫罩的冷冲压模具设计棉花裸苗移栽机取苗机构设计与仿真棉花裸苗移栽机送苗机构设计与仿真棉花裸苗移栽机移栽机构设计与仿真灭火器外壳注塑模设计农用铺膜机设计平衡臂机械手设计普通车床的数控化改造设计汽车变速箱体加工工艺及夹具设计浅盒形件拉深工艺及模具设计曲轴加工工艺及夹具设计曲轴轴颈圆度自动检测仪的设计曲轴轴线同轴度自动检测仪的设计山茶采摘平台升降机构结构设计山区履带式喷雾机总体方案山楂采摘平台行走控制系统设计上前盖注塑模设计上下楼梯搬运器设计与仿真生物质秸秆切碎机设计手持式激光测距仪的设计手动机器人控制系统的设计手机外壳注塑模设计手推式草坪修剪机设计与仿真手推式割草机设计数控回转工作台设计双活塞浆体泵液力缸设计水稻育秧播种流水线控制系统水力切割除草试验台设计太阳能路灯的设计太阳能逆变设计太阳能蓄电池充放电器控制的设计太阳能最大功率跟踪系统的研究筒形件的冲压工艺及模具设计土豆清洗机的设计拖拉机液压提升实验