步行割灌機行走部分結構設計與研究

楊春梅，郭明慧，馬　巖，王　爽

(東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

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步行割灌機行走部分結構設計與研究

楊春梅，郭明慧，馬巖，王爽

(東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

為研究目前能夠滿足進行爬山而且能夠自主作業的小型設備，提出一種步行割灌機行走部分的設計。闡述新型步行割灌機行走部分的工作原理和結構設計，以及對步行機構、行走機架和控制機構進行參數設計和計算。步行機構的行走是將動力傳遞到曲軸上的輸入軸，由輸入軸傳遞到凸輪，凸輪帶動腿向前行走。對曲軸主軸徑、長度、曲柄等參數進行設定，選用組合式曲軸，加入凸輪機構進行防震，利用兩只腳通過連接板的連接，構成一組具有良好的結構穩定性、較強的機動性能和跨越能力、近似平行四邊形的機構將步行機構設計出來。利用方鋼管承載重力小，具有足夠剛度，良好抗震性的特點將其應用于行走部分的行走機架，并與步行機構用曲軸相連接。采用牙嵌式離合器，依據離合器的接合過程對摩擦轉矩進行分析，計算出控制機構主要參數。最后將該行走部分應用于步行割灌機，得到所需合理的爬山機構。結果表明：該設計可實現割灌機爬山和自主作業的功用。

割灌機；爬山機構；行走部分；結構設計

0　引　言

割灌機在林業上用于林地清理、幼林和成林撫育、次生林撫育改造等多種作業。主要以切割直徑18 cm以內的多種林木和雜草。目前割灌機在林業、園藝和農牧等多個行業都有廣泛的應用[1]。割灌作業是城市園林綠化必不可少的工作，園林工人在清除雜草、修剪灌木時經常使用割灌機來完成綠化作業[2]。而我國灌木樹種資源極為豐富，根據沙生灌木的生物學特性，每3～5 a就需進行平茬。平茬收割時若手工勞作，其勞動強度大且生產效率低，因此只有使用專業的割灌機械才能提高生產效率[3]。割灌機是割除灌木、雜草的便攜式機械，靠高速旋轉的鋒利刀片切割樹木枝椏、藤蔓或半木質化草株[4]。

在如今這個機械行業越來越發達的時代，機械的各種機構也靠著先進的方向邁進，能夠滿足人類工作作業的機器也越來越多，但是，很多機器都是可以滿足在路面平整或者沒有坡度的路面行走，能夠滿足進行爬山而且能夠自主作業的小型機械設備的種類少之又少。本文將介紹這種能夠爬山且自主作業割灌機的行走部分。林間步行割灌機的行走機構在整機設計中尤為重要，在復雜的林區環境下工作，設計時要考慮機器良好的越障能力和防傾覆能力[5-7]。行走機構也稱行路機構，如圖1所示，主要由前導桿系、行走機架、后導桿系、左步行機構、離合器以及右步行機構組成。行走機架與步行機構用螺釘相連接，機架位于駕駛室的下部，二者都是由前后導桿系相連，駕駛室安裝在導桿系的上方，導桿系的下部連接行走機架。

本文設計的步行割灌機中的行走部分主要由行走部分機架、前后導桿系、步行機構和控制機構等組成。步行割灌機的行走機構在整機的最下方，起到支撐駕駛室與割灌部分的作用，同時也是用于前進的主要部件。

1.前導桿系　2.行走機架　3.后導桿系　4.左步行機構　5.離合器　6.右步行機構　7.減速汽油機1.Leading bar system　2.Walking frame　3.Rear guide bar system　4.Walk left institution　5.The clutch6.Walk right institution　7.Speed gasoline engine圖1　步行割灌機行走機構Fig.1 Walking mechanism of walking brush breaker

1　設計需求

根據步行割灌機設計初始考慮，作為可以在林間既能直線行走，又可以在有坡度的地面上行走，同時具備一定的轉彎功能，所以該行走部分的設計應從行走、越障和爬坡等方面考慮。此步行割灌機主要是用于林區復雜的環境，不僅可以使機器有一定的直線行走能力，還可以具有一定的越障能力，這種機器可以解決輪式或履帶式機械在林區行走的不足[8]，因此步行割灌機在設計過程中的設計需求見表1。

根據現階段我國人工灌木林的現狀，對割灌機的參數進行確定：林間步行割灌機需跨越有一定高度的障礙物，如小型灌木和雜草，越障高度可以達到100 mm；可以在林間進行平穩的速度行走，行走速度達到3～8 km/h；由于林間的道路崎嶇不平等各種復雜環境，機器的整體設計應趨于小巧、靈活等特點，使機器可以方便在林間自由工作，所以外形尺寸應保證在1800 mm×1200 mm×1900 mm；步行割灌機可以進行爬坡，但是爬坡角度應有一定的限制，角度過大，整個機器爬坡難度增大，消耗能源較大，因此爬坡角度限制在35°以內為最好；由于步行割灌機在轉向、爬坡和作業等都是由操作者控制，所以整個機器的質量不易偏大，質量過大將會影響整個機器的行走速度和浪費能源，因此整個機器的質量不應該超過150 kg；對于步行機整機的四周不應該有棱角，否則可能會刮斷林區的灌木或雜草；步行割灌機的外部盡可能采用輕型質量的材料，這樣可以減小整機的質量，防止由于笨重而產生不必要的影響。

表1　林間步行割灌機設計需求

2　步行割灌機步行機構設計

如圖2所示，步行割灌機的步行機構主要是由曲軸、端軸、軸承座、連接板、前底腳與后底腳等組成。在此次設計的行走機構共有8個平行四邊形機構，每個四邊形機構有兩只腳支撐，這樣就可以保證不同的四邊形機構上每個角之間的軸向夾角形成90°，每一個側面的四只腳在不同時間內交錯著地，這樣保證了在任何時間都至少有兩只腳在地面上，而這兩只腳分別在機器行走機構的兩側，這樣既可以保證機器本身可以順利向前方向行走，又可以保證行走時的穩定性。

步行割灌機的行走方式相比較傳統的履帶式和輪式機器來說，有更大的優勢在于較強的活動能力和牽引能力，跨越障礙的能力也有較大的優勢[9]。該行走部分是一種仿生行走機構，如圖3所示，兩只腳通過連接板的連接構成一組近似平行四邊形的機構，即平面四連桿機構[10]，共有8個平面四連桿機構，左右對稱。與眾不同的是，通過汽油機驅動多組行走機構實現行走，具有良好的結構穩定性，系統的平衡難度補償也降低，對于其有著較高的機動性能和跨越能力。此設計的導向機構是曲柄搖桿機構為該設計的關鍵點。在設計計算機構的自由度時，只需要考慮一個平面四連桿即可，其他的都為虛約束，只是為了使步行割灌機穩定而設計的，不會影響機器的自由度的計算。

1.曲軸　2.端軸　3.軸承座　4.后底腳　5.連接板　6.前底腳　7.凸輪1.The crankshaft　2.End shaft　3.The bearing seat　4.Rear bottom foot　5.Connect plate　6.Before the foot　7.The Cam圖2　步行機構Fig.2 Walking mechanism

圖3　平面四連桿機構Fig.3 Planar four-bar linkage

在設計該步行機構的自由度時，機械具有確定運動的條件是機構的原動件數等于自由度數，因原動件為1個，故自由度數只需考慮一個即可，如圖3所示，其他7個都為該機構的虛約束，對于機器的整體自由度沒有產生任何影響。四邊形自由度計算公式[11]為：F=3n-2PL-PH，其中n是該機構總活動構件數，PL為該機構低副的數目，PH為該機構高副的數目，在本機構的設計的自由度中，n=3、PL=4、PH=0得出自由度F=1。

在設計該機構的后底腳時，考慮到其跨越地面的穩定性，故采用三角形肋板的穩定結構，后底腳為120°的三角形，且為了保證其穩定性和強度要求，將腳底板設計為長360 mm，寬45 mm的鋼板形式。因其前底腳之前需要加裝割灌部分的圓鋸片、防護罩等，故前底腳為后底腳同型的不對稱結構。

步行機構的行走是將動力傳遞到曲軸上的輸入軸，由輸入軸傳遞到凸輪，在凸輪轉動時，行走機構的第一條腿也隨之轉動，凸輪轉動的角度與腿的轉動角度相同，之后其余腿也隨之轉動，這樣每條腿都會向前行走[12]。反之當動力傳遞到曲軸為反轉時，每條腿便會向后行走，形成步行機構的倒擋。行走機構中第一條腿由凸輪帶動旋轉，凸輪代替曲柄，目的是抵消機器在行走時產生的震動，凸輪與底腳關系如圖4所示。

1.凸輪　2.后底腳1.The Cam　2.Rear bottom foot圖4　凸輪與后底腳連接圖Fig.4 CAM with foot after connection diagram

軸承座是用于支撐步行機構腳與曲軸的作用。連接板是用于連接同一方向的兩只腳，兩只腳通過連接板的連接構成一組近似平行四邊形的機構(如圖2(a)所示)，該機器左右兩側共有8個平行四邊形機構，這些機構通過汽油機提供動力，由步行機構的曲軸依次將一側的四個腿抬起，而四個腿抬起的高度取決于曲軸曲柄的長度，四個腿的曲柄所成的角度依次相差90°，這樣可以保證每次行走時整機至少有兩條腿在地面上，具有良好的結構穩定性，這種機構有著較強的機動性能和跨越能力。

2.1曲軸的分類及分析

曲軸機構大致可分為：整體式和組合式。本文采用的是新型組合式偏心輪軸曲軸機構，該曲軸機構為四拐曲軸，每一個曲拐都是由兩個被曲柄銷連

接在一起的曲柄臂組成。四個曲拐通過多個主軸頸完成連接在一起。組合式偏心曲軸相比較傳統整體式曲軸的優點有：

(1)曲軸是由多點支撐，與傳統大跨距的兩個端點的結構相比，剛性和強度大大增強，有利于承受較大的彎矩 。

(2)各個零部件的制造也是十分簡單，熱處理質量好控制，而不像整體式曲軸加工工藝那樣困難。

(3)拆卸方便，可以用滾動軸承為轉動副，有利于潤滑，能夠提高曲柄機構的運動性能。

2.2曲軸的設計

通過步行機構即可實現機器的行走，它是模仿人的行走姿勢而設計的[13]，此設計采用的平行四邊形機構可以使機器行走穩定，為避免相互之間產生干涉現象，引入了曲軸[14]。本次設計的曲軸與汽車中的曲軸不同，該曲軸共有四個拐，每個拐上都與步行機構的腿相連，而這個拐的長度就是曲柄的長度。

圖5為該四拐曲軸端面示意圖，若將第一曲柄轉角設為X1=X，則第二曲柄轉角為X2=X+270°，第三曲柄轉角為X3=X+180°，第四曲柄轉角為X4=X+90°。四個曲柄的角度在任何情況下都各自成90°。

通常情況下，曲軸主要是將活塞的往復運動轉變成自身的圓周運動。但是本文在設計曲軸時是將它作為步行割灌機行走部分的主要部件，整個機器是以模仿人的行走方式為基準，所以曲軸的尺寸和質量影響著整機的工作性能，曲軸的強度影響整機的壽命。

因此在設計曲軸的過程中，首先應該準確地選擇要設計的參數、計算變量等多個方面，使設計達到最優。

1.凸輪　2.曲柄1.The Cam　2.The crank圖5　四拐曲軸示意圖Fig.5 Sketch of four-turn crankshaft

曲軸的參數設定：

主軸徑：

(1)

主軸的長度L=451 mm。

式中：C為由軸的材質和承載情況確定的參數129；P為軸傳遞的功率2.1，kw；n為主軸的轉速295，r/min。

在曲軸的設計過程中，曲柄的長度值也是非常重要的，曲柄的長度主要是由步行割灌機的速度、越障能力和整個機器的尺寸決定的。

曲柄長度：由該步行割灌機的越障能力為100 mm可確定曲柄長度為120 mm。

曲柄高度：

F/πdh≤[σ]。

(2)

式中：F為曲柄受重力，N；D為曲柄軸徑，mm；H為曲柄高度，mm；[σ]為曲柄材料的許用應力120 MPa。

由公式(2)解得曲柄厚度為8 mm。

曲柄寬度：已知曲柄上的孔為20 mm，可知該件的邊緣與零件外形邊緣不平行時，該最小距離應不小于材料厚度8 mm，取10 mm，故步行割灌機最終曲柄尺寸參數確定為：長度120 mm，寬度40 mm，厚度8 mm，如圖6所示。

圖6　曲柄結構圖Fig.6 Crank structure

在設計此曲軸曲柄臂的形狀時大多數都分成圓形和橢圓形，圓形曲柄的優勢是便于機械加工和拋光，因此采用圓形曲柄臂，表面拋光是增強曲軸疲勞強度的重要方法之一。正確合理選擇曲柄臂的厚度和寬度，可以保證曲軸的剛度和強度達到最優值。曲柄臂的抗彎模數用Wσ來表示：

(3)

式中：b為曲柄臂的寬度，mm；h為曲柄臂的厚度，mm。

由公式(3)可以得到，在增加曲柄抗彎能力上，增加曲柄的厚度比寬度要好得多。例如，h增加10%，Wσ提高21%；而寬度增加10%，抗彎強度只增加了10%，造成這種原因是曲柄臂越寬導致應力分布不平衡。

根據以往的曲軸設計常分為整體式和組合式兩大類，為了方便安裝步行割灌機，采用組合式曲軸，曲軸的材料選用45鋼，曲軸的結構示意圖如圖7所示。

1.軸套　2.端軸　3.曲柄　4.銷軸　5.隔套 6.中間軸　7.凸輪　8.輸入軸1.The collar　2.End shaft　3.The crank　4.The pin 5.Spacer tube　6.Intermediate shaft　7.The Cam　8.Input shaft圖7　曲軸結構圖Fig.7 The crankshaft structure

3　步行割灌機行走機架設計

行走部分機架(如圖8所示)是由不同的方鋼管焊接和折彎而成，它的功用是支撐步行機構和連接各個零件，可以緩沖行走過程中步行機構的震動。

1.行走機架　2.離合器托架　3.汽油機后托板 4.汽油機前支板　5.肋板1.Walking frame　2.The clutch bracket　3.The plate after the gasoline engine　4.The plate before gasoline engine　5.Floor圖8　步行割灌機行走部分機架Fig.8 The frame of walking part of walking brush breaker

選擇方鋼管的優勢在于本身機器的承載重力小，而且價格也較便宜，適合在質量小的機器上使用，而且具有足夠的剛度，良好的抗震性，可以盡量減小熱變形和內應力，防止步行機在運動過程中發生形變。在機架的上部有汽油機前支板、汽油機后托板、離合器托架和肋板。汽油機前支板主要是對汽油機的一種支撐，汽油機后托板主要是托住汽油機，起到固定汽油機的作用。

前后導桿系主要是起著連接的作用，它的上部即是駕駛平面，下部則是行走機架。

離合器托架是用于托住離合器，將離合器固定在行走機架上。

4　步行割灌機控制機構選用

由操作者控制步行割灌機的起步、停止、轉彎和越障，將市場買的農用機器的扶手作為步行割灌機的控制裝置，在割灌作業過程中，起步、停止、轉彎和越障等功能可以有操作者通過扶手進行控制[15]。本次設計在控制方向方面選擇用牙嵌式離合器，牙數一般取值在3～60，如圖9所示為步行割灌機控制元件圖[16]。

1.離合器固定端　2.離合器滑動端　3.平鍵 4.下滑動軸　5.上滑動軸　6.撥叉1.The fixed end of the clutch　2.The clutch sliding side 3.The flat key　4.The drop shaft　5.Sliding shaft　6.Fork圖9　步行割灌機控制元件圖Fig.9 Control components of walking brush breaker

牙嵌式離合器通過兩個相互嵌合的半離合器牙齒嵌合傳遞動力，由于該離合器牙齒結構的特殊性，其齒在結合過程中受到滑動端與固定端的轉速差影響較大，因此簡要分析離合器在結合過程中的4個階段。

從圖10(a)可以看出，離合器滑動端在操縱力的作用下與固定端的齒頂面相接觸，在轉速差的作用下逐漸向固定端的牙槽伸進，該階段為接合的初期。

圖10　離合器結合過程Fig.10 Clutch combination process

從圖10(b)可以看出，滑動端的齒頂面滑過固定端的側面，逐漸開始向牙槽靠近。

從圖10(c)可以看出，滑動端的齒頂面已經開始進入固定端的牙槽內。

從圖10(d)可以看出，滑動端的齒頂面已經完全進入固定端的牙槽內。

離合器滑動端的齒頂面在操縱力的作用下與固定端相互接觸時有摩擦力產生，因此，二者的轉速差也逐漸減小，假設在這段時間內操縱力大小不變，則可以計算滑動端的摩擦轉矩，圖11為齒頂面受到摩擦的示意圖。

圖11　齒頂面摩擦示意圖Fig.11 Addendum surface friction

圖11中ω為牙嵌式離合器的角速度；φ2為從動件牙頂面過渡圓角兩側起點對應的圓心角；α0為滑動端的齒頂面的起點與固定端側面圓角起點對應的角度。

對滑動端進行摩擦轉矩的動力學微分方程[17-19]：

(4)

對公式(4)進行二次微分方程：

(5)

式中：α0為滑動端的齒頂面的起點與固定端側面圓角起點對應的角度；ω0為所對應的角速度。

由公式(4)可以推出角度差為：

(6)

5　結論與討論

根據步行割灌機行走部分的行走原理對其行走部分進行了設計，分析行走部分每一個部件的功用及原理，分析行走機構行走原理，對曲軸、行走機架以及離合器控制機構進行設計分析，設計出了參數合理的曲軸及離合器控制機構，確定了割灌機行走部分的整體布局。

傳統的輪結構和履帶結構的機械設備，它們在爬山的過程中已將一部分動力耗費掉，剩余的動力也就不足以滿足剩下的割灌，該行走部分已實際應用于割灌機中，可大大提高割灌機的工作效率與質量，使得割灌機的爬山和自主作業功用能夠并行實現。但步行割灌機主要是用于林區割灌，如果想要作為家庭用的小型割草機及園用的草坪收割機，其質量偏大且不夠靈活，因此，考慮降低其質量是下一步需要完善的問題。

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Walking Structure Design and Research of Walking Brush Breaker

Yang Chunmei ，Guo Minghui，Ma Yan，Wang Shuang

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In order to find out the small devices which can satisfy climbing and do autonomous task at present，this article puts forward a kind of walking part design of the walking brush breaker.It has clarified the working principle and structural design of the new walking brush breaker，as well as design parameters of the walking structure，walking frame and control structure in details.The structure transport the power is passed on to the input shaft of crankshaft，then the power transmission also by the input shaft to the cam and the cam driven legs to walking forward.The diameter of a crankshaft principal axis，length and crank are set，it chooses the combined crankshaft and takes in the cam structure to shock absorption.It uses two feet to connect the junction plate，in order to constitute a pair of approximate parallelogram walking structure．The structure has good structure stability，strong maneuverability and spanning capacity.The square steel tube has the characteristics of bearing small gravity and enough stiffness，good vibration resistance，so it is applied to walking part of the frame and uses the crankshaft to connect with the walking structure.The claw coupling is used in the control structure，based on the claw coupling engaging process，the friction torque is analyzed，and the diameter of control structure is designed.Until now，the reasonable parameters of the crankshaft and clutch control mechanism have been designed and the walking part of walking brush breaker overall layout has been ascertained.Finally，make the walking part used in walking brush breaker，so the reasonable mountain climbing structure has obtained.The result shows that this design can make the brush breaker’s climbing and autonomous task function has achieved.

brush breaker；climbing structure；walking structure；structure design

2016-02-15

國家林業行業公益專項資助(201504508)

楊春梅，副教授，博士。研究方向：林業機械設備方面的研究。E-mail：ycmnefu@126.com

楊春梅，郭明慧，馬巖，等.步行割灌機行走部分結構設計與研究[J].森林工程，2016，32(5)：48-54.

S 776.21+1

A

1001-005X(2016)05-0048-07