自走式绿篱修剪机设计与研究

自走式绿篱修剪机设计与研究

0问题的解决措施栅栏在城市街道和花园中发挥着重要作用。因其可修剪成各种造型,并能相互组合,从而提高了观赏效果。此外,绿篱还能起到遮盖不良视点、隔离防护和防尘防噪等作用。绿篱生长会形成各种各样的形状,因此其修剪工作非常重要。目前,道路两旁绿化和园林景观绿化中都使用大量绿篱用于环境美化。其修剪基本上是靠人工进行,不仅劳动量大,效率低,还常常伴有危险发生,因此迫切需要研制一种移动式自动绿篱作业机械来提高林业机械的自动化装备水平,减少工人的工作量,提高工作效率,减少由于人工修剪带来的交通事故和人身安全问题。园林景观绿化中的绿篱使用自动化程度较高、修剪效果好、表面平齐美观和效率较高机械修整比较理想,但修剪效率的高低受绿篱的种类、修剪时纸条的粗细、老化程度以及绿篱的宽狭大小等因素影响。为解决上述问题,进行绿篱移动修剪作业机械执行机构控制系统的研究,有助于绿篱移动修剪作业机械系统和移动机械手控制的研究和实现,对提升我国环境绿化作业机械装备水平也具有重要的实际意义和科学价值。传统的绿篱修剪机械的理论研究和产品已经很成熟,近年来基本没有变化。绿篱机械按动力主要有人力、气动和液动的绿篱机械;按工作机构分为往复式、旋转式刀头绿篱机械,近年出现了液压控制整形机。除了在外性和功率上有所变化,其原理基本是相同的。主要生产厂家有德国的斯蒂尔、美国的小奇迹公司和日本的小松公司等。日本产E7B750和HT750型,其机动力系单缸四冲程汽油机,具有体积小、质量轻、噪音小和工作效率高等特点。农林业机器人生产作业环境比较恶劣,劳动强度大,现在的作业使机械的使用性能受到很大的限制,发达国家劳动力缺乏,机器人在国外农林业上得到了广泛的应用。我国对于绿篱修剪作业机具的研制起步较早,生产了几种机型,如北京园林机械厂研制的以中频电机为动力的双动往复刀片式;上海园林工具厂生产的电动旋刀式,其刀片呈辐射状,定刀片对枝条起支承作用,动刀片旋转则进行切割,该机需配12V的蓄电池。从使用角度看,其配置不太合理,效率不是很高。北京小型动力机械厂生产的SJ7OO绿篱修剪机,其动力采用1E32F小型汽油机,修剪机采用减速传动箱通过两根割刀连杆分别带动上下刀片做导向往复运动,具有劳动强度大、噪声大、效率低等缺点,只适用于景观等小型绿篱的修剪。小型绿篱修剪机以手持式为主,切割装置主要是往复式和旋刀式两种,动力有电动机和小型汽油机的两种。减轻手持质量是手持式绿篱修剪机发展方向。为减轻手持质量,除了发展电动绿篱修剪机外,有的采用把其主要质量(如发动机部分)背负在身上的措施,动力通过软轴传给切割装置,切割装置部分手持操作;有的采取把电源部分或电缆部分放在推行小车上随操作人员移动的措施。国内生产的LJ3型绿篱修剪机以1.85kW二行程小汽油机为动力,修剪幅宽为500mm,整机质量为8kg。大型自走式绿篱修剪机主要有车载式和臂架悬挂式两种,技术比较成熟的有以下3种机型:一是车载式绿篱修剪机;二是车载悬挂式绿篱修剪机;三是臂架悬挂式绿篱修剪机。其中,臂架悬挂式绿篱修剪机一般是悬挂在小型拖拉机上的,可利用拖拉机的液压系统(也可用单独的液压系统)对臂架和工作装置进行控制。1系统设计1.1剪切时刀轴的角度根据现有园林机械参数,设定该机的行走速度为2km/h,盘刀直径为400mm,齿数为20,刀片转速为1500r/min。由此可得,修剪时每秒的剪切距离为550mm,刀片转速为1500/60=25r/s,所以刀片每转一圈的剪切距离为550/25=22mm。由于修剪时刀片只有半圈处于工作状态,有效的剪切距离为22/2=11mm,所以每齿的剪切距离为11/10=1.1mm。由图1进给量与单位切削力的关系可知,单位切削力约为5N/mm。所以,切削力F=55N,剪切时刀轴扭矩T=F·l=11N·m,剪切所需功率为P1=1500T/9550=1.73kW。常用的动力设备有电动机、汽油机和柴油机。如果选用电动机作为动力,则需配备电源和电缆等设备,而绿篱修剪为室外作业,一般远离电源,使用不便。柴油机具有压缩比大的特点,但柴油机质量大,转速低,与绿篱修剪要求的高速作业不相适应;汽油机具有小巧轻便、转速高和易启动等特点,故选用汽油机作为动力。由于绿篱枝桠的最大直径为25mm,按照相似设计的原则,参照技术成熟的割灌机的动力,再考虑到该机有自走装置,选择功率2.8kW的单缸四冲程风冷汽油机。1.2步行设备1.2.1蜗杆、蜗轮和青铜根据GB/T10085-1988的推荐,采用圆弧圆柱蜗杆。考虑到蜗杆传动功率不大,速度只是中等,故蜗杆用45钢;因希望效率高些,耐磨性好些,故蜗杆螺旋齿面要求淬火,硬度为45～55HRC。蜗轮用铸锡青铜ZCuSn10P1,金属模铸造。为节约贵重的有色金属,仅齿圈用青铜制造,而轮心用灰铸铁HT100制造。1.2.1.动载系数和相关系数传动中心距为a≥3√ΚΤ2[ΖEΖΡ[σΗ]]2a≥KT2[ZEZP[σH]]2−−−−−−−−−−−√3(1)1)确定作用在蜗轮上的转矩T2。按z1=2,估取效率η=0.8,则Τ2=9.55×106Ρ2n2=129880T2=9.55×106P2n2=129880N·mm2)确定载荷系数K。因工作载荷较稳定,故取载荷分布不均系数Kβ=1;由文献选取适用系数KA=1.15。由于转速不是很高,冲击不大,可以取动载系数KV=1.05,则K=KAKβKV=1.15×1×1.05≈1.21。3)确定弹性影响系数ZE。因选用的是铸锡青铜蜗轮和蜗杆相配,故ZE=160MPa1/2。4)确定接触系数ZP。先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值d1/a=0.4,由文献的图11-18中可查得Zρ=2.75。5)确定许用接触应力[σH]。根据蜗轮材料为铸锡青铜ZguSn10P1,金属模铸造,蜗杆螺旋齿面硬度>45HRC,可从文献的表11-7中查得蜗轮的基本许用应力[σH]′=268MPa。应力循环次数为N=60jn2Lh=3.5×107寿命系数ΚΗΝ=8√10710.6×108=0.85KHN=10710.6×108−−−−−−√8=0.85,则[σH]=KHN[σH]′=0.85×268=228MPa(3)6)计算中心距。由式(1)可知a≥3√ΚΤ2[ΖEΖΡ[σΗ]]2=a≥KT2[ZEZP[σH]]2−−−−−−−−−−−√3=3√1.21×129880×[60×2.75228]2=42.81.21×129880×[60×2.75228]2−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√3=42.8mm取中心距a=63mm,模数m=2mm,蜗杆分度圆直径d1=26mm。这时,d1/a=0.413,从文献可查得接触系数Z′ρ=2.5,因为Z′ρ<Zρ,所以以上计算结果可用。1.2.1.齿形系数及螺旋角系数校核齿根弯曲疲劳强度为σF=1.53ΚΤ2d1d2mYFa2Yβ≤[σF]σF=1.53KT2d1d2mYFa2Yβ≤[σF](4)1)当量齿数。zv2=z2cos3γ=49(cos8.746)3=50.72zv2=z2cos3γ=49(cos8.746)3=50.72根据x2=0.5,zv2=50.72,从文献的图11-19中可查得齿形系数YFa2=2.1。2)螺旋角系数。Yβ=1-γ140°=1-8.746°140°=0.93753)许用弯曲应力。[σF]=[σF]′·KFN从文献的表11-8中查得由ZcuSn10P1制造的蜗轮基本许用弯曲应力[σF]′=56MPa。寿命系数ΚFΝ=9√1063.5×107=0.647[σF]=56×0.647=37.725MPaσF=1.53×1.21×12988026×98×2×2.1×0.9375=18.9ΜΡa由此可知,弯曲强度满足。1.2.2链通信的设计1.2.2.1.选择链轮齿数取小链轮齿数z1=17,大链轮的齿数为z2=iz1=1.23×17=21。1.2.2.计算功率的情况由文献查得:KA=1.0,K2=1.52,单排链,则计算功率为Pca=KAKZP=1.0×1.52×1=1.52kW(5)1.2.2.3选择链式扩张器的类型和长度根据Pca=1.52kW及n3=60r/min,查文献可选链条型号为10A,链条节距为p=15.875mm。1.2.2.节有机溶剂初定中心距a0=20p=20×15.875=317.5mm,取a0=300mm,相应的链长节数为Lp0=2a0p+z1+z22+[z2-z12π]2pa0=2×30015.875+17+212+[21-172π]×15.875300≈56.8取链长节数Lp0=56节。查文献得到中心距计算系数f=0.24978,则链传动的最大中心距为a=f1p[2Lp-(z1+z2)]=0.24978×15.875[2×56-(21+17)]=293.4mm1.2.2.定期人工润滑v=n3z1p60×1000=60×17×15.87560×1000=0.27m/s由v=0.27m/s和链号型号10A,查文献的图9-14可知,应采用定期人工润滑。1.2.2.00n6链轮水平布置时轴力值的计算Fe=1000P/v=1000/0.27≈3700N(6)链轮水平布置时压轴力系数KFp=1.1,则轴力为Fp≈KFpFe=1.1×3700=4070N1.3材料选择与动力传动装置切割装置有往复式和旋转运功式两种。鉴于旋转式切割装置动力输入和结构比较简单,该机切割装置选用旋转式。剪切装置支架分为竖直支架和水平支架两部分,都采用套筒式三级升降与伸缩来实现剪切部分的竖直方向的升降和水平方向的伸缩定位。支架升降和伸缩所需的动力由人力提供。为减轻操作人员的劳动强度,支架的材料选用低合金钢16Mn,这是因为该种材料相比同样性能的碳钢质量可以减轻30%左右。借鉴软轴背负割灌机和背负式软轴绿篱修剪机的动力传动装置,选择动力传动装置为功率型钢丝传动软轴。该机所用的软轴主要用来传递转矩,对它的基本要求是耐磨。钢丝软轴结构由较粗的钢丝卷成,而层数较少,一般3～4层。钢丝软轴由轴本体、护套和轴端接头组成。轴本体由多组钢丝分层卷绕而成,钢丝直径一般在0.3～3mm。卷绕时,一般4根钢丝为一组,并排地紧密缠绕在芯杆上,缠完一层再缠第2层,且相邻两层钢丝的缠向应相反。缠绕完毕,可将芯杆抽去,也可保留,因为芯杆为软金属制成,可以随意弯曲。钢丝绕成的轴本体在护套内工作。借鉴现有绿篱修剪机结构,选择该绿篱修剪机剪切装置离合器为径向弹簧离心离合器。离心离合器是靠离心体产生离心力,通过摩擦力来传递转矩,以达到自动分离或结合。其由主动件、离心体和从动件3部分组成。2升降和伸缩力的控制设计这种小型移动式绿篱修剪机的初步设计思想来自于文献中的臂架悬挂式绿篱修剪机,其切割装置就是采用圆盘锯片。这种剪切装置结构和动力输入都比较简单,刀片的更换比较方便。移动式绿篱修剪机整机结构如图1所示,支架采用套筒式三级升降和伸缩的方式,使得剪切刀片能够准确的定位,升降和伸缩的动力原考虑设计为液压或气压控制,这样就可以很容易地调节刀片的位置,但这部分内容没能做出来,现只能用人力使得支架升降和伸缩。行走装置和剪切装置两部分的控制是相互独立的,剪切装置通过一个径向弹簧离心离合器来控制刀片是否旋转,以控制刀片的工作状态。径向弹簧离心离合器通过车架右扶手上的汽油机控制器来控制汽油机的转速,并以此来控制离合器的离合状态,最终达到控制刀片工作状态的目的。行走部分由带传动将动力输入到蜗轮蜗杆减速器之间,是安装圆锥摩擦离合器。离合器通过车架左扶手上的离合控制器控制其离合状态。这样的控制系统可以在不剪切的状态下自己行走或是在不行走的状态下剪切,以及在两种状态都可以同时工作。该机在工作时,行走动力由汽油机提供,操作人员只需要扶住扶手控制方向即可,操作简单,劳动强度低。在不使用的时候可以将锯片部分旋转到安全位置,以免对人身造成伤害或刀片碰到硬物造成刀片的损坏。3制定本产品的价格较高的绿篱修剪机1)作为一个要面对市场的商品,必须得考虑该产品的经济性。性价比较低的产品在市场上是没有任何竞争力的。在移动式绿篱修剪机所有装置中,汽油机、蜗轮蜗杆减速器、离合器、软轴和车轮不需加工制造,只需在市场上按要求购买即可。在这些部件中,汽油机和蜗轮蜗杆减速器的价格比较高,所以主要考虑汽油机和蜗轮蜗杆减速器的价格。2)在该机的动力源选择中,考虑到常用的动力设备有电动机、汽油机和柴油机。如果选用电动机作为动力,则需配备电源和电缆等设备。而绿篱修剪为室外作业,一般远离电源,使用不便。柴油机具有压缩比大的特点,但柴油机质量大,转速低,与绿篱修剪要求的高速作业不相适应;汽油机具有小巧轻便、转速高和易启动等特点,故选用汽油机作为动力。汽油机有二、四、六等冲程汽油机,冲程数越多价格越高,但转速越低。动力转速越低,速度降到工作部件需要的转速就越容易,减速装置的费用就越少;相反,冲程数越少,价格越低,转速越高,减速装置就越复杂,费用就越高。综合考虑以上方面,选择四冲程风冷汽油机。该类型汽油机的市场价格在600～1000元不等。3)传动装置中价格最高的是蜗轮蜗杆减速器。选择蜗轮蜗杆减速器是由于该级减速比达25,其他几种传动装置减速比都不能满足该传动比要求。普通蜗轮蜗杆减速器壳体用铸钢铸造而成,其价格在1000元左右。如果选用该类型,减速器