草坪割草機高度調節機構對作業質量的影響分析及其優化設計

廣西農業職業技術大學 劉震

前言

新時期發展背景下，人們對于生態綠化的要求越來越高，草坪割草機逐漸成為綠化管理中使用的主要器械，且市場需求逐年提升。為進一步提高草坪割草機的運行效果與質量，需要結合實際需求對草坪割草機進行優化設計，而高度調節機構是草坪割草機中十分關鍵的部件結構，能夠對草坪割草機的運行質量產生直接的影響效果。因此，需要對高度調節機構進行科學的研究，對內部參數進行調整變動，這樣才能保證草坪割草機符合人們的使用需求。

1 草坪割草機概述

草坪割草機是城市園林綠化中常使用的器械之一，其結構形式一般為旋刀式，刀片在高速旋轉的狀態下切斷草莖，以此實現對草坪高度和形狀的有效管理控制。割草機的內部結構以罩殼為基礎，并在此基礎上安裝有高度調節機構、行走裝置、扶手結構以及動力系統等。基于不同劃分標準可將草坪割草機分成多種不同形式，如以發動機劃分，可分成電動發電機式和汽油發動機式[1]；以形狀劃分可分，成轉盤式和滾筒式；以割草方式劃分，可分成旋轉式和往復式等，部分小型草坪割草機還可以分成側掛式和懸掛式。草坪割草機在使用期間需要滿足不同高度草坪的切割需求，在對高度進行調節變動的過程中，割刀的旋轉面應與地面之間保持平行狀態，這樣才能保證草坪割草機的作業質量。

2 草坪割草機高度調節機構分析

對現階段比較常見的草坪割草機進行分析，其高度調節機構主要分成兩個種類，第一種是前輪和后輪同時聯合驅動的四連桿式高度調節機構，在實際應用中具有調節操作簡單便捷、整體結構比較簡單、調節效率較快等特點，是現階段應用最為廣泛的種類。但是需要注意，其在應用過程中同樣存在一定的問題與缺陷，如四連桿參數的選擇以及設計優化相對比較復雜，需要對各項參數進行科學設定，在保證參數合理性的基礎上才能夠保證草坪割草機的作業質量。第二種是前輪和后輪獨立運行與高度調節的機構，其在應用中能夠保證割刀的旋轉面與地面之間具有較高水平的平行效果，但是單個機器中的高度調節裝置的數量相對較多，調節操作流程較為復雜。

3 草坪割草機高度調節機構對作業質量影響分析

對現階段市場中常見的草坪割草機進行分析能夠發現，大多數割草機都是四連桿式。因此，本研究主要對四連桿式的草坪割草機中的高度調節機構進行研究，具體構造如圖1 所示。

圖1 四連桿式草坪割草機高度調節機構構造圖

其中，1 代表前輪；2 代表前輪擺臂；3 代表連桿；4代表傳動軸及割刀；5 代表發動機裝置；6 代表后輪擺臂；7 代表機器罩殼；8 代表后輪。高度調節機構的固定鉸接支撐點在機器罩殼上固定，能夠圍繞軸心進行轉動運行，即圖1 中的O1和O2兩個點。將調節手柄搬動時，會導致后輪擺臂以O2點為軸心進行轉動，并在連桿和活動鉸接點的作用下驅使前輪擺臂以O1為軸心進行轉動，以此保證草坪割草機的前后輪與地面之間的高度保持相同狀態。機器罩殼上的O1和O2點的高度會隨著調節變動，進而實現對高度的有效調節。圖中的O1、O2、S、K1、K2共同構成四連桿調節系統。

在研究過程中對地面約束的影響效果進行忽略設計，需要保證P1和P2提升和降落高度相同。如果在調節的過程中未能選擇最為合適的參數，則會導致兩點之間的變化高度具有較大的差異性，使得割草機割刀的旋轉面與地面之間無法保持平行狀態，以此對草坪割草機的作業質量和效率造成一定的負面影響[2]。割刀的旋轉面與地面之間的不平行情況有兩種，分別為前傾和后傾。

當草坪割草機割刀的旋轉面處于前傾狀態時，對應的割草效果的橫截面如圖2（a）所示，整體呈現出比較明顯的凹陷波浪狀；草坪割草機割刀的旋轉面處于后傾狀態時，對應的割草效果的橫截面如圖2（b）所示，其整體呈現出比較明顯的凸起波浪狀。

圖2 草坪割草機前傾與后傾割草效果截面圖

對割刀前傾與后傾產生的局部高度差進行計算分析，具體公式如下：△h=rsinθ

其中，△h 代表了最大高度差；r 代表割刀旋轉面的半徑；θ 代表割刀的旋轉面與地面之間的傾斜角。

通過公式能夠發現，傾斜角的數值越大，對應的最大高度差值越大，草坪割草機的作業質量越低。與此同時，對割刀的旋轉面處于后傾狀態進行分析能夠發現，在割草機運行期間會導致重復切割以及壓實等現象發生，進而導致草坪割草機運行的前進阻力以及割刀作業阻力大幅度增加，提高了能源消耗量[3]。傾斜角數值越大，對應的壓實效果越明顯。

因此，對草坪割草機的高度調節機構進行設計時，應當確保各項參數均處于合理范圍內，使其能夠基于草坪割草機使用需求對參數進行有效調節控制，將割刀的旋轉面與地面之間的傾斜角控制在規定標準內，即在高度調節的過程中將前輪與后輪的中心變化高度差科學設計，這樣才能夠保證草坪割草機最終的作業質量與效果。

4 草坪割草機高度調節機構的優化設計分析

在對草坪割草機的高度調節機構進行優化設計時，可通過建立坐標系與函數的方法對其進行系統分析，以圖1 中的O1和O2兩點作為原點建立坐標系，通過函數轉換與計算能夠得到草坪割草機的前輪和后輪的高度變化情況。經過函數計算分析后能夠得知，在規定范圍區間對高度調節機構進行調節時，草坪割草機的后輪中心高度的差值與高度調節機構中的各項幾何尺寸之間具有多元高次函數的關系，此時的高度調節范圍會依據草坪割草機的具體情況處于一個規定范圍之間，而草坪割草機的割刀旋轉面與地面之間始終處于不平行的狀態[4]。

基于上述研究內容能夠得知，在對草坪割草機的高度調節機構進行優化設計時，始終無法徹底消除不平行狀態對草坪割草機運行質量的負面影響，因此只能對相關參數進行優化設計，對草坪割草機的割刀旋轉面的傾斜角進行科學設計，以此降低其對于草坪割草機運行作業質量的影響干擾效果。

通過本研究能夠發現，四連桿式的草坪割草機的高度調節機構設計具有多維度的約束條件，可將其視為一種給定函數。在優化設計過程中可利用計算機編程方法進行，其與傳統的作圖法或者人工試算方法相比具有比較明顯的優勢，在設計時間和效率等方面具有良好效果[5]。具體優化設計流程可以依據以下步驟開展：

第一步，確定約束條件以及約束變量的初始數值，明確計算步長與函數。第二步，利用多維度約束優化算法，在專門的計算機軟件系統中對相關參數之間的具體關系進行計算分析。第三步，對計算分析的結果數據進行判斷分析，將其與標準值進行對比。依據不同計算結果能夠得到不同的設計流程，如果計算結果小于或等于標準值，則代表高度調節機構的優化設計滿足約束條件，能夠將其應用到草坪割草機高度調節機構的實際優化設計工作中，此時結束計算。如果計算結果大于標準值，則繼續計算并改變函數值，并轉回到第二步流程進行充分計算分析，直至滿足計算結果小于或等于標準值的條件后停止計算。

5 草坪割草機高度調節機構的優化設計實例分析

在對草坪割草機的高度調節機構進行優化設計時，應遵循以下思想原則：（1）安全性，優化設計時應該始終把安全性放在首位，確保設計的割草機既能夠滿足使用者的需求，又不會對使用者造成傷害。（2）可靠性，優化設計時應該注重割草機的可靠性，確保割草機能夠長時間地穩定運行，并且不會出現故障或者安全隱患。（3）效率性，優化設計時應該注重割草機的效率性，確保割草機能夠以最少的時間完成最多的工作，從而提高工作效率。

在綜合研究后，本文對一種新型草坪割草機的高度調節機構進行分析，其在實際應用中有效解決了草坪割草機高度調節裝置難以實現完全水平同步提升以及工作過程晃動的問題，具有調節精度較高、同步性能良好、裝置結構簡單以及調節操作方便快捷等優點[6]。通過割草高度同步調節裝置能夠實現無級移動，具有良好的應用效果。具體結構示意圖如圖3 所示。

圖3 一種新型草坪割草機結構示意圖

其中，1 代表割草機底盤；2 代表割草刀盤；3 代表割草電機；4 代表壓縮左自鎖型氣彈簧；5 代表壓縮右自鎖型氣彈簧；6 代表自鎖頭；7 代表橫梁結構；8 代表壓桿裝置；9 代表割草機的旋轉刀片。

該草坪割草機具有自動式的割草運行系統，其高度調節機構主要包括左右自鎖型的氣彈簧、起到固定作用的割草電機橫梁以及進行高度調節的壓桿結構[7]。其中左右自鎖型的氣彈簧固定在割草機的底盤，橫梁設置在左右自鎖型的氣彈簧的活塞桿的端部位置，左右自鎖型的氣彈簧的自鎖鎖頭向上伸出橫梁，在橫梁的上方位置設置有壓桿機構，左右方設置有導向柱，壓桿與導向柱之間具有通孔設置，導向柱通過通孔能夠控制壓桿與橫梁連接，壓桿的地面會壓在左右自鎖型的氣彈簧的自鎖頭，壓桿在導向柱上進行自由的活動。

6 結語

通過本次研究能夠得出以下結論：草坪割草機中的高度調節機構對于整個機器的運行效果與質量具有顯著的影響作用，因此需要對其重點關注與研究。高度調節機構中的參數設計的合理性，還會導致草坪割草機的作業成本受到一定的影響。現階段比較常見的草坪割草機為四連桿式，此種類型的草坪割草機的高度調節機構中的結構參數和高度變化之間具有一定的關聯性，經過分析后能夠發現兩者之間屬于高次多元函數關系，在對高度調節機構進行優化設計時可以此為基礎，對目標函數進行優化設計，并利用計算機系統進行機械系統的優化設計處理，從而得到更加精準的結構參數，實現整個草坪割草機高度調節機構設計效率的提升。