自行式電動(dòng)割草機(jī)的試驗(yàn)研究

劉興燕

（山東黃河梁山機(jī)械廠，山東 梁山 272600）

2002年，水利部黃河水利委員會(huì)提出黃河下游標(biāo)準(zhǔn)化堤防建設(shè)，構(gòu)筑防洪保障線、搶險(xiǎn)交通線、生態(tài)景觀線“三位一體”的標(biāo)準(zhǔn)化堤防體系，通過放淤固堤、堤防幫寬、堤頂硬化、防浪林以及險(xiǎn)工控導(dǎo)加固改建等項(xiàng)目建設(shè)，構(gòu)造維持黃河健康生命的基礎(chǔ)設(shè)施，達(dá)到人與自然環(huán)境和諧，謀求黃河長治久安。

隨著黃河下游標(biāo)準(zhǔn)化堤防建設(shè)的進(jìn)行，對(duì)工程養(yǎng)護(hù)的要求標(biāo)準(zhǔn)也大大提高，既要保證工程強(qiáng)度，又要注重美化。如對(duì)堤坡上的防護(hù)草皮，在保證其護(hù)坡能力的同時(shí)，由過去的任其自然生長，變?yōu)橐笳R美觀，規(guī)范劃一。為保持工程面貌，在夏季植物生長旺盛季節(jié)，需要對(duì)堤坡草皮經(jīng)常進(jìn)行修剪。堤坡除草作業(yè)以往多采用勞動(dòng)密集型鐮割工作方式或人工拔草，不但人力投入多，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且作業(yè)條件艱苦，工作效率低，往往經(jīng)過多次修剪，也達(dá)不到整齊規(guī)范的品質(zhì)目標(biāo)。

近幾年來，隨著機(jī)械化、自動(dòng)化的日益普及，在黃河堤防養(yǎng)護(hù)工作中，割草作業(yè)逐步向機(jī)械化邁進(jìn)，當(dāng)前多采用背負(fù)式內(nèi)燃割草機(jī)，但設(shè)備整機(jī)總質(zhì)量較大，振動(dòng)強(qiáng)烈，對(duì)人的健康危害較大，長期作業(yè)無疑會(huì)嚴(yán)重影響操作人員的身體健康。

為服務(wù)于黃河防洪工程的標(biāo)準(zhǔn)化管理，改善堤坡除草人員的勞動(dòng)條件，我們立足于黃河下游標(biāo)準(zhǔn)化堤防的實(shí)際養(yǎng)護(hù)工作，考慮在堤防養(yǎng)護(hù)中，割草作業(yè)的經(jīng)常性、安全性等實(shí)際要求，在深入調(diào)查的基礎(chǔ)上，博采眾長，本著采用新材料、新技術(shù)、新工藝的原則，于2009年8月研制出一種低噪音、機(jī)動(dòng)靈活、能在堤坡上自動(dòng)行走且操作簡(jiǎn)單、機(jī)械化效率高的新型割草設(shè)備。在2010年6月通過山東省科技廳組織的產(chǎn)品鑒定。該設(shè)備主要由電動(dòng)割草裝置、自動(dòng)行走裝置、機(jī)架底座、發(fā)電機(jī)組及電纜盤、操作控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等組成，是一種可在坡度小于1∶2.5的堤坡上自動(dòng)行走的履帶式割草設(shè)備，運(yùn)行機(jī)動(dòng)靈活，效率高，割草效率可達(dá)1400m2/h，專家一致認(rèn)為，整體上達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

1 自行式電動(dòng)割草機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

ZG-1230型自行式電動(dòng)割草機(jī)的結(jié)構(gòu)，主要由電動(dòng)割草裝置、自動(dòng)行走裝置、機(jī)架底座、發(fā)電機(jī)組及電纜盤、操作控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等部分組成。其基本外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ZG—1230型自行式電動(dòng)割草機(jī)

2 技術(shù)參數(shù)及各部分的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

整機(jī)總質(zhì)量（kg）：520；

輪距（mm）：970；

軸距（mm）：970；

鏈輪直徑（mm）：470；

行走速度（m/min）：18；

割草電機(jī)功率（kW）：1×3；

行走電機(jī)功率（kW）：1.1；

最大割幅（mm）：1234；

最大爬坡能力：≤1∶2.5；

割刀高度調(diào)節(jié)范圍（mm）：離地60～160；

作業(yè)效率（m2/h）：1200～1400。

2.2 割草面積的計(jì)算

根據(jù)工作環(huán)境狀況及市場(chǎng)調(diào)研，決定選用3臺(tái)RT 8020型大功率割草電動(dòng)機(jī)。如圖2所示。

圖2 割草面積示意圖

每臺(tái)割草電動(dòng)機(jī)的割除草面積為

其中，

所有陰影部分的面積即為割草面積，即所有圓減去重疊部分的面積Sc，如圖3所示。

圓（x-210）2+y2與直線x=13所圍成圖形面積，即為重疊部分的面積Sc。

圖3 重疊面積

2.3 行走電動(dòng)機(jī)功率校核計(jì)算

已知參數(shù)：

ZG-1230型自行式電動(dòng)割草機(jī)的自身總質(zhì)量為G=520 kg；

行走電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為n2=910 r/min；

減速器傳動(dòng)比為i1=1∶25；

差速器傳動(dòng)比為i2=1∶3；

鏈輪直徑為R1=470 mm=0.47 m；

則鏈輪的轉(zhuǎn)速為n3=n2i1i2

=910×1/25×1/3

=12.2 r/min，

則割草機(jī)行走速度為ν行=π R1ω2

=π×0.47×12.2

≈18 m/min；

鋼對(duì)地面的摩擦系數(shù)為μ=0.20～0.35，取

μ=0.25，

鏈輪傳動(dòng)效率為90%；

ZG-1230型自行式電動(dòng)割草機(jī)爬坡工作時(shí)，受力如圖4所示。

圖4 電動(dòng)割草機(jī)行走受力圖

從圖可知，

把已知數(shù)代入，得

計(jì)算得

則

所需電機(jī)功率計(jì)算得

所選電動(dòng)機(jī)為1.1 kW。

故所選電動(dòng)機(jī)能夠滿足設(shè)計(jì)需要。

2.4 鏈輪的選擇

鏈速度ν=18 m/min

電動(dòng)機(jī)功率P=1.1 kW

由鏈輪速度ν=18 m/min

希望結(jié)構(gòu)緊湊，初步確定鏈輪齒數(shù)Z1=45

考慮工作平穩(wěn),電動(dòng)機(jī)拖動(dòng),選工況系數(shù)KA=1.0，則計(jì)算功率Pc=PKA=1.1×1.0=1.1 kW

考慮自行式電動(dòng)割草機(jī)的行走特點(diǎn)，選雙排鏈，查得多排鏈系數(shù)Kp=1.0，

齒輪系數(shù)Kz=1.1，

鏈長系數(shù)Kl查參考文獻(xiàn)[1]確定為Kl=1.06，

所需傳遞功率

查圖5選滿足要求的20 A鏈，p=31.75 mm

圖5 滾子鏈的額定功率曲線

初步設(shè)計(jì)中心距為a=970 mm，

鏈輪齒數(shù)Z1=45。

則鏈節(jié)數(shù)

因鏈速為ν=18 m/min，小于0.6 m/s，其失效形式是過載拉斷，應(yīng)進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算，鏈的靜強(qiáng)度安全系數(shù)n應(yīng)滿足如下要求

式中，

Q為單排鏈的極限拉伸載荷；

m 為鏈板寬（mm），m=520；

KA為工況系數(shù)；

F1為鏈的緊邊工作拉力；

F為工作拉力；

F=3974 N

Fc為鏈兩邊所受的離心拉力

Fc=qν2

Ff為鏈條下垂而產(chǎn)生的懸垂力

Ff=Kfqga

其中，

ν為鏈速；

q為每米長度鏈的凈質(zhì)量；

Kf為垂度系數(shù)；

a為中心距；

g為下垂度，取0.02。

[1]確定

Q=86.7 N；

KA=1.0；

q=3.8 kg/m；

Kf=7。

把已知數(shù)據(jù)代入得

故滿足設(shè)計(jì)要求。

3 創(chuàng)新點(diǎn)及推廣前景

通過與國內(nèi)外同類產(chǎn)品的比較，總結(jié)該割草機(jī)具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）將履帶式鏈輪行走機(jī)構(gòu)有機(jī)地與割草設(shè)備組合在一起，實(shí)現(xiàn)了該設(shè)備在堤坡上工作運(yùn)行靈活行走的目的；

（2）巧妙地將后橋差速傳動(dòng)裝置和液壓鼓式剎車系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，利用兩側(cè)輪轂單獨(dú)制動(dòng)，解決了整機(jī)行走轉(zhuǎn)向的難題；

（3）設(shè)計(jì)了割草高度調(diào)整裝置，便于調(diào)整割草高度，以適應(yīng)不同的地形；增設(shè)兩道漏電保護(hù)罩裝置，增加了操作人員的安全系數(shù)；采用了電氣控制方式集中控制，自動(dòng)化程度高，操作容易，快速靈活；增設(shè)兩道漏電保護(hù)裝置，提升整機(jī)安全性；

（4）電動(dòng)割草機(jī)頭部結(jié)構(gòu)布置呈品字形，前一后二，且前一切割圓與后兩切割圓相外切，保證3個(gè)電動(dòng)割草機(jī)頭在工作時(shí)互不干擾，保證割草品質(zhì)。

（5）其利用高速旋轉(zhuǎn)的尼龍繩割斷草莖，由于尼龍繩具有柔韌性，使其遇到硬性障礙物時(shí)會(huì)退讓，不損傷人和機(jī)器，安全性能高。

該設(shè)備適用于堤坡割草養(yǎng)護(hù)作業(yè)，其性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、工作可靠，具有經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和靈活性等優(yōu)勢(shì)，能達(dá)到投資少、見效快的效果。

近年來，隨著黃河防洪工程管理標(biāo)準(zhǔn)化的開展，臨背河堤坡坡比已經(jīng)逐步調(diào)整為1∶3的比例,坡面的平順度也有了較大的提高,這給機(jī)械化修剪草皮提供了便利條件,機(jī)械化割草不僅可以節(jié)約大量開支及節(jié)省勞動(dòng)力，還可以提高工程維護(hù)品質(zhì)。

ZG-1230型割草機(jī)是針對(duì)堤防養(yǎng)護(hù)工作的實(shí)際需要，為提高割草作業(yè)工作效率、降低操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、減少高強(qiáng)度作業(yè)給一線工人帶來損害而研制的一種新型履帶式自行電動(dòng)割草設(shè)備。每小時(shí)割草是背負(fù)式割草機(jī)工效的15倍，可見其不但具有良好的社會(huì)效益，還具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，在當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)化堤防建設(shè)和管理日益加強(qiáng)的情況下，將有十分廣泛的推廣前景。

4 結(jié)束語

社會(huì)進(jìn)步要求以機(jī)械取代人工作業(yè)，堤防管理要盡可能改善管理養(yǎng)護(hù)人員的工作條件，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。管理養(yǎng)護(hù)機(jī)械化是提高養(yǎng)護(hù)作業(yè)品質(zhì)與進(jìn)度的重要手段，是實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)方式向現(xiàn)代養(yǎng)護(hù)方式轉(zhuǎn)變的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，投入各種專用機(jī)械用于維修養(yǎng)護(hù)，提高維修養(yǎng)護(hù)的機(jī)械化程度，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度非常必要。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（上冊(cè)）[K].北京：燃料化學(xué)工業(yè)出版社，1970.