微型雙圓盤(pán)式割草機(jī)設(shè)計(jì)

樊宏鵬

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730021）

為推動(dòng)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革，2015年中央一號(hào)文件明確提出，要加快發(fā)展草牧業(yè)，“支持青貯玉米”和苜蓿等飼草料種植，開(kāi)展糧改飼和種養(yǎng)結(jié)合模式試點(diǎn)，促進(jìn)糧食、經(jīng)濟(jì)作物、飼草料三元種植結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)發(fā)展[1]。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及國(guó)家精準(zhǔn)扶貧政策的實(shí)施，西北地區(qū)的牧草業(yè)發(fā)展進(jìn)入了快車道，農(nóng)戶從傳統(tǒng)的單一農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)楦B(yǎng)結(jié)合的經(jīng)營(yíng)模式，牧草種植已成為農(nóng)民增收的一種途徑。西北農(nóng)村存在由于人口老齡化而導(dǎo)致勞動(dòng)力不足的問(wèn)題，使得牧草種植在西北地區(qū)難以推廣，影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增收。缺乏小型的適用于西北地區(qū)小塊草地的牧草收割機(jī)，成為有待解決的難題[2]。為解決這一難題，針對(duì)西北地區(qū)的牧草種植模式，利用SolidWorks三維繪圖軟件設(shè)計(jì)了一款小巧、造價(jià)低、實(shí)用的微型雙圓盤(pán)割草機(jī)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

該微型雙圓盤(pán)割草機(jī)主要由切割器刀盤(pán)、機(jī)架、萬(wàn)向輪、擋板及傳動(dòng)系統(tǒng)等組成，通過(guò)雙圓盤(pán)實(shí)現(xiàn)對(duì)牧草的收割，通過(guò)萬(wàn)向輪實(shí)現(xiàn)機(jī)具的山地運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)的整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微型雙圓盤(pán)割草機(jī)簡(jiǎn)圖

將微型雙圓盤(pán)割草機(jī)設(shè)計(jì)為手扶自引式，主要是為了方便在西北狹小地塊及坡地使用；配置了一臺(tái)小型的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，為牧草收割提供動(dòng)力；作業(yè)時(shí)，利用前置的圓弧形擋板將牧草收攏，利用雙圓盤(pán)割刀完成收割作業(yè)，并使收割后的牧草沿著割刀旋轉(zhuǎn)的方向整齊擺放到一側(cè)；萬(wàn)向輪能起到調(diào)整方向及適應(yīng)坡地運(yùn)動(dòng)的作用；通過(guò)萬(wàn)向輪及四輪將機(jī)架固定；將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)架上。

2 切割器的研究與設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)切割器的過(guò)程中，對(duì)切刀的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了分析。微型雙圓盤(pán)割草機(jī)的運(yùn)動(dòng)是依靠人力推動(dòng)；汽油機(jī)主要為切割牧草提供動(dòng)力。汽油機(jī)輸出的動(dòng)力，可通過(guò)一系列傳動(dòng)件驅(qū)動(dòng)刀片運(yùn)動(dòng)。割刀的運(yùn)動(dòng)軌跡不是簡(jiǎn)單的圓弧，而是一條余擺線。設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)研究了刀片的運(yùn)動(dòng)軌跡，即割刀切割運(yùn)動(dòng)的范圍[3]，如圖2所示。

圖2 刀片運(yùn)動(dòng)軌跡

為確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和切割的效果，更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)牧草的切割，對(duì)刀片的切割速度進(jìn)行了計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)查閱文獻(xiàn)及田間試驗(yàn)，確定了切割器刀片的線速度約為70m/s。有關(guān)計(jì)算公式如下。

式（1）為刀片上一點(diǎn)的速度的計(jì)算公式。

當(dāng)式（2）成立時(shí)，Vm最小，即：

式中：n為刀盤(pán)轉(zhuǎn)速；Vd為刀片應(yīng)用的切割速度；Vm機(jī)器前進(jìn)速度；r為刀片內(nèi)端半徑。

通過(guò)計(jì)算，確定刀片數(shù)量為3片。根據(jù)GB699—88，查閱已有機(jī)型中刀片的加工處理等有關(guān)資料，對(duì)刀片進(jìn)行了熱處理，以增加刀片的硬度和耐用度。

3 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于該割草機(jī)的刀盤(pán)前置，與發(fā)動(dòng)機(jī)的距離較遠(yuǎn)，因此發(fā)動(dòng)機(jī)到刀盤(pán)的動(dòng)力傳動(dòng)距離較長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)各類傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)比，選擇長(zhǎng)軸輸出，利用斜齒輪和花鍵軸實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳輸。傳動(dòng)系共有7根軸、9對(duì)斜齒輪，斜齒輪的傳動(dòng)比為1。在傳動(dòng)過(guò)程中，由于傳動(dòng)軸的速度為3600r/min，并且斜齒輪的傳動(dòng)比為1，因此斜齒輪的轉(zhuǎn)速也為3600r/min，轉(zhuǎn)速不會(huì)發(fā)生變化。

3.1 軸的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系共有7根軸，分別為1根輸出軸、1根輸入軸、3根傳動(dòng)軸、2根連接雙圓盤(pán)切割器的輸出軸。其中，與發(fā)動(dòng)機(jī)連接的輸出軸與輸入軸通過(guò)聯(lián)軸器連接；輸出軸通過(guò)1對(duì)斜齒輪把動(dòng)力傳給1根傳動(dòng)軸；傳動(dòng)軸通過(guò)3對(duì)斜齒輪把動(dòng)力傳給另2根傳動(dòng)軸；這2根傳動(dòng)軸分別通過(guò)2對(duì)斜齒輪把動(dòng)力傳給2根連接雙圓盤(pán)切割器的輸出軸。

選用45號(hào)碳鋼制造該軸，可以很好地應(yīng)對(duì)應(yīng)力集中。該軸是一個(gè)較為重要的軸，軸上有兩個(gè)軸承，軸的一端連接斜齒輪,軸的另一端設(shè)有一個(gè)外花鍵。由于要通過(guò)軸和齒輪把動(dòng)力分別傳到兩個(gè)圓盤(pán)切割器上[4]，且花鍵聯(lián)接具有受力較均勻、齒根處應(yīng)力集中較小、可承受較大的載荷、導(dǎo)向性好等優(yōu)點(diǎn)，因此選擇采用花鍵聯(lián)接，以提高傳動(dòng)效率并使傳動(dòng)更加穩(wěn)定。

若軸徑的取值為10mm，則工作軸所受扭矩為：

若將軸的扭轉(zhuǎn)變形角用φ來(lái)表示，則軸的扭轉(zhuǎn)角計(jì)算公式為：

將數(shù)據(jù)代入式（8），得到工作軸的扭轉(zhuǎn)角為：

為使軸的剛度符合條件，軸的扭轉(zhuǎn)角應(yīng)滿足條件φ≤[φ]；[φ]的值應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)機(jī)具的使用情況而定，與軸在使用過(guò)程中所受的載荷和扭矩有關(guān)。由于對(duì)精度的要求不高，因此設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)角[φ]=0.5～1（°）/m。如果軸的傳動(dòng)對(duì)精度要求較高，那么[φ]可以小一點(diǎn)；如果軸的傳動(dòng)對(duì)精度要求較低，那么[φ]可以大一些。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，扭轉(zhuǎn)角在合理范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 聯(lián)軸器的選擇

在本設(shè)計(jì)中，與發(fā)動(dòng)機(jī)相連的輸出軸與輸入軸之間靠聯(lián)軸器連接，用于傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。由于微型雙圓盤(pán)割草機(jī)的工作環(huán)境溫度不高，因此可以選用非金屬元件制造的聯(lián)軸器；由于軸的轉(zhuǎn)速較高，且撓性聯(lián)軸器可以用于補(bǔ)償兩個(gè)傳動(dòng)軸之間的相對(duì)位移,而剛性聯(lián)軸器主要用于傳遞轉(zhuǎn)矩較大的軸之間[5]，因此應(yīng)選用非金屬?gòu)椥栽膿闲月?lián)軸器。在設(shè)計(jì)微型雙圓盤(pán)割草機(jī)時(shí)，選用了十字滑塊聯(lián)軸器。

4 機(jī)架的設(shè)計(jì)

由于設(shè)計(jì)的割草機(jī)主要用于西北地區(qū)的坡地和田間，工作地面主要為軟土地，因此應(yīng)根據(jù)機(jī)具的整體尺寸和整體結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)萬(wàn)向輪的大小。將萬(wàn)向輪的直徑取值為18cm，并根據(jù)萬(wàn)向輪的直徑大小選擇了萬(wàn)向輪支架的標(biāo)準(zhǔn)件。根據(jù)公式計(jì)算，萬(wàn)向輪的外輪轉(zhuǎn)速為150r/min。

根據(jù)割草機(jī)的工作要求及工作環(huán)境，設(shè)計(jì)的機(jī)架如圖3所示。機(jī)架的材料為低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345；機(jī)架由上機(jī)架和下機(jī)架組成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆卸和更換方便等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 機(jī)架

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一款手推式微型雙圓盤(pán)割草機(jī)，由汽油發(fā)動(dòng)機(jī)提供切割牧草的動(dòng)力；采用圓盤(pán)式切割器，不易產(chǎn)生堵塞，容易檢修，對(duì)牧草的適應(yīng)性強(qiáng)；整機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)；手扶式設(shè)計(jì)可控性強(qiáng)，操作使用靈活方便。設(shè)計(jì)的微型雙圓盤(pán)割草機(jī)，能夠適應(yīng)西北地區(qū)坡地牧草的收割作業(yè)，有效降低了農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，大幅提高了牧草收割的作業(yè)效率。