《手推车式球形植物修剪机设计8700字（论文）》

手推车式球形植物修剪机设计摘要本文主要完成了手推车式球形植物修剪机的设计。首先介绍了本文的研究背景、意义以及国内外研究现状，了解了目前球形植物修剪机的发展水平。然后进行了该修剪机的整体设计方案，确定了该修剪机的主要功能、工作原理、总体尺寸要求、强度校核以及结构组成，其中结构组成中介绍了电机、齿轮等辅助设备的选型工作。最后是对手推车式球形植物修剪机关键零部件的设计，该部分通过计算确定了推车架、主横梁、电动升降杆、刀片部分的具体设计方案。关键词：修剪机；植物；设计目录8316摘要 125364目录 12983第一章绪论 1238801.1研究背景及意义 1289331.2研究现状 17137第二章手推式球形植物修剪机的整体设计方案 3105672.1手推式球形植物修剪机的功能规划 3221682.2手推式球形植物修剪机的结构组成 440382.3手推式球形植物修剪机的工作原理 571122.4手推式球形植物修剪机的总体尺寸要求 68276第三章手推式球形植物修剪机关键零部件的设计 7274983.1手推式球形植物修剪机总体尺寸的确定 7186013.2推车架的设计 7233853.3主横梁的设计 9128483.4电动升降杆设计 1057363.5电动升降杆的高度调节机构的设计 12120923.6主横梁的伸出长度调节机构的设计 14218213.7刀片部分设计 1438243.7.1刀具选型 14100173.7.2刀具旋转 16300493.7.2传动部分设计 1621018第四章个人总结 18435参考文献 20第一章绪论1.1研究背景及意义绿化是城市建设的一个重要部分，不但为居民提供了休闲娱乐的场所，更是洁净了空气、吸收了噪音。各种绿化树木是景区及绿篱带的关键组成部分，公园里有用于参观的各种绿篱造型，企事业单位里有用于美化环境的绿化带，球场或危险区域有用于阻隔作用的绿篱墙。高速公路中间隔离带须栽植绿化树木，因为这不仅起到了阻挡对面车辆灯光的作用，又能吸收噪音、缓解驾驶员视觉疲劳。随着城市化建设及人们环保意识的增强，我国城市园林绿地的面积不断增长。已存的修剪工具难以满足高效可靠、完成效果好的工作期望。公园里的绿化树的造型组成：成条状的低矮绿篱、圆球型、圆锥型、圆柱型、混合型绿篱，人工进行造型修剪时仅凭直观大致操作工具，缺少参考对象，一方面达不到修剪效果，整齐度不规范，容易造成树木损伤，另一方面作业强度大、成本代价高。因此，有必要对特殊造型的景观植物的修剪机进行设计，不仅可以解放劳动力，还可以保证修剪出来的植物造型一致，增加美观效果。所以本文选取了球形植物的修剪机进行设计，以期促进我国园林产业的发展。1.2研究现状当前绿篱修剪机可分为三类：手工修剪设备，即绿篱剪、手锯；背负式小型便携式修剪机；机载式大型修剪机，即车载式、车载悬挂式、臂架悬挂式。不同类型的修剪机经过不断的改造升级，已经逐步工作于相应的工作场合中。（1）国外研究现状国外发展绿篱修剪设备距今已经有40多年的历史，从最原始的人工操作剪刀，逐步转向机动式设备，从20世纪70年代开始，城市园林和高速公路的快速建设，传统的绿化养护设备已经无法达到高效性、灵活性、安全性的要求，美国和日本率先推广使用车载悬挂式修剪机，这款设备结合了往复式修剪机切割及运送装置，采用液压驱动调节切割装置的位姿，以修剪不同高度、不同倾斜角度的绿篱，适合于高速公路中央隔离带及两侧绿化带的修剪，类似工作量大、绿篱树木高大的场所也能满足要求。德国拥有绿篱修剪机器方面的先进技术，著名的Ducker公司生产有AWS22、AWS13以及HS20三种型号的绿篱树木修剪机，其安装在卡车或者拖拉机前方的机械臂能够实现升降和伸缩，机械臂末端配有采用液压马达驱动的切割器，HS20的切割器宽2.0m，重130kg，最大修剪高度5.9m，承载车的速度最大可达2.0Km/h，将切割器更换为剪草刀具，可以用于草坪维护，实现了一机多用。（2）国内研究现状国内修剪机械发展起步较晚，20世纪70年代后期，开始出现园林绿化养护机械，国内企业结合我国国情，初期主要靠引进国外成熟技术或产品，为了适应国内特点，开始有仿制或改进的设备出现，为了解决国内公路窄及公路绿化规模小的问题，设计出手持式的半自动化的园林机械，如手持式绿篱修剪机，之后随着高速公路的大规模建设出现了车载式绿篱修剪机，20世纪90年代以来，相继推出多种具有自主特色的产品，修剪机在我国进入快速发展时期。我国的智能型修剪机的研制还处于起步阶段，没有完善的技术体系，没有统一的标准，控制方式多样，工作时往往达不到预定效果，修剪设备的灵活性与可靠性与国外存在差距，急需开发一种小型车载式绿篱修剪设备。我国一些高校和公司也在这方面做了研究并取得一定成果，如广西大学蒙艳政教授，韦锦硕士设计了绿篱苗木修剪机械手，其采用圆柱型坐标结构，结合控制程序，可对绿篱和树木进行圆球、圆柱、圆锥、平面及波浪面等各种形状进行修剪，已做出样机，可实际运行。南京林业大学，南京林业大学引进高层次人才和高层次留学回国人员科研基金项目“多功能移动智能机器人系统实现的研究”杨家富副教授，周勇硕士，吴小锋硕士，陶波硕士，贺婷硕士先后对绿篱修剪机进行了研究，但是并没实现实际操作。广西大学，王小纯教授，魏倩硕士，做了双面高效绿篱修剪机的研究与设计。华南理工大学，邵明教授，黄彪博士，做了枇杷剪枝机器人关键技术的研究，研究了图像识别技术的应用，设计一种剪枝末端执行器。山东强众机械有限公司的车载式液压绿篱修剪机；天津迈克科技发展有限公司的关节式液压修剪机。虽然这些样机可以实现一定程度的自动化修剪，但是还远远没有达到全自动甚至智能化。第二章手推式球形植物修剪机的整体设计方案2.1手推式球形植物修剪机的功能规划园林绿地中修剪的球形植物如灌木，修剪过后的灌木球体直径大概在1.5m~2.0m左右，不同地方对灌木在直径和高度上有一定的差异。因此，就需要球形植物修剪机的刀片所处的高度位置和主横梁的悬伸长度在一定范围内可以调节。同时由于植物的高低不一致的原因，如图2-1所示，所以要求球形植物修剪机的刀片能够在水平方向上进行调节，便于完成球体底部的修剪工作。图2-1植物修剪成效图整形修剪的要求是：高度要一致，整齐划一，球面要光滑。因此，要求修剪过程的平稳性好。采用手推式球形植物修剪机，为了修剪出来的球形更加圆滑，故手推式球形植物修剪机在前进时，要克服园林绿地不是很平整的问题，使得植物的修剪一直很平齐，这就要求球形植物修剪机的推车部分所安装的车轮直径要大一些，使其抗波动性好。园林绿地布局复杂，转折较多，形成各种小道，所以球形植物修剪机的换向性能要好，以适应不断调整修剪的前行方向，这里考虑推车部分安装的轮子中要有方便换向的万向轮。球形植物修剪机底部配有电瓶箱，可以循环充电使用。为适应刀片所处的位置和角度都在一定范围内可调节，故考虑采用钢丝软轴进行传动。另外，手推式球形植物修剪机要结构简单、方便制造，整机质量轻、结构紧凑、方便操作使用，整机的结构要安全可靠。2.2手推式球形植物修剪机的结构组成针对手推式球形植物修剪机的这些功能要求，可以初步确定：手推式球形植物修剪机主要由推车、发动机、高度可升降的升降杆、悬伸长度可调节的主横梁、齿轮齿条调节机构、锁紧机构、刀片组成，如图2-2所示。图2-2手推式球形植物修剪机将推车安放到合适位置后就可以调节修剪机的各个状态来进行下一步修剪，首先启动高度调节装置，该修剪机运用电动升降进行调节总体高度，升降装置采用电动推杆，更加的方便。然后调节主横梁的伸出长度，方便修剪尺寸不同的植株，此机构采用手动调节，将横梁伸出到合适距离将其锁紧，并配备有防翻机构进行加固。最后进行刀片的调节，我的设计是进行球形植物的修剪，刀片需要根据所植物需的尺寸进行弧度的调节，使刀片贴合植物。调节好之后便可以启动机器进行修剪。推车用于支撑整个机身，要有良好的承受压力的性能，而且整体要较为轻便，材料要方便购买，故可选用圆钢折弯、矩形管焊接或角钢焊接。为了更美观和使用的舒适，扶手部分选择圆钢，车身部分选择角钢焊接。其中车轮分为前轮和后轮，两只前轮要直径大一些，承载能力好、抗起伏波动性能好；两只后轮可以采用直径小一些的万向轮，其辅助承载作用，换向要灵活。高度可升降的升降杆用以承载悬伸长度可调节的主横梁及刀片，升降杆装入推车上的固定支撑架的孔内，通过升降杆上所焊接的齿条与推车上固定支撑架的装有齿轮形成齿轮齿条副，当齿轮转动时，可以实现升降杆的高度位置的调节。悬伸长度可调节的主横梁安装在升降杆上，并配有防翻钩2只和压紧螺钉1只，2只防翻钩拉开距离布置，可以防止横梁在支撑架上移动时或者承受修剪抗力时翻动，压紧螺钉松开时，横梁在支撑架上可以移动，紧定螺钉拧紧时，横梁被紧固在支撑架上的指定位置。齿轮齿条调节机构是实现升降杆相对于推车上固定支撑架的高度位置的调节机构，通过转动电动机来带动齿轮转动，齿轮在固定位置自转，带动齿条在竖直方位移动，由于齿条是焊接在实现升降杆上的，从而最终是带动了升降杆在竖直方向上的位置调整。锁紧机构是安装在推车上固定支撑架上的，由于升降杆直接承受了自重、刀片重量和修剪抗力，当通过升降机构将升降杆调节到某一高度位置时，升降杆只有在锁紧作用下才能保持处于这个高度位置而不至于落下。锁紧机构的组成是在升降杆的方钢管柱的一个竖直面上钻若干个近距均布的孔，在推车上固定支撑架铰链上联接一个把手，把手上焊有与孔匹配的小圆柱。当将把手转动使得把手上的柱体嵌入升降杆的方钢管柱的孔内时，即可实现了锁紧，此时升降杆就会保持处于该高度位置。要调节升降杆所处的高度位置时，先要将把手旋转，使把手上的小圆柱退出方钢管柱的孔。刀片是实现球形植物修剪作业的执行部件，刀片的修剪弧度可以调整，这样就可以很好的适应不同直径大小的植株了。刀片的旋转速度可以达到每分钟0~6圈。钢丝软轴是对发动机动力输出轴到刀片进行动力传递的部件，由于手推式球形植物修剪机的刀片所处的高度位置、水平伸出位置、以及角度都是在一定范围内可变的，要实现距离和角度都可变的传动，选用钢丝软轴传动是适合的。软轴主要用来传递转矩，对它的基本要求是耐磨。钢丝软轴由轴本体、护套和轴端接头组成，可以随意弯曲。软轴传动距离短，且工作杆又可进行全方位操作，能保证安全可靠地传递运动。手推式球形植物修剪机根据需要修剪的植株高度，先用启动电机使固定在小推车上的齿轮带动升降杆上的齿条，将刀片达到需要的高度，方便对生长不一的植株进行修剪，根据植物的高度修剪机的高度调节范围为1500～2500mm，升降装置如图2-1。2-1升降杆高度调节完毕之后，在进行主衡梁的调节，来调整刀具伸出的长度，更加的方便该机器进行作业。手推式球形植物修剪机在主轴电机工作的情况下，通过钢丝软轴将动力传递给刀片，刀片产生修剪作业运动。此作业方式，球形植物修剪质量高、工人劳动强度低、且修剪效率高。每次修剪前，工人要调整好推车与待修剪的植物之间的位置，然后通过调节电动升降杆到所需高度；当要所要修剪球形植物最内侧时，可以通过调整悬伸长度可以调节的主横梁完成修剪作业。每次要进行调节时，要先松开锁紧部分，调整好后要进行锁紧。2.3手推式球形植物修剪机的总体尺寸要求根据手推式球形植物修剪机的使用要求和结构方案，对手推式球形植物修剪机的总体尺寸作初步规划：宽修球直径一般为：1.5m～2.0m手推式球形植物修剪机的高度：1280mm；手推式球形植物修剪机的扶手高度为：800～900mm；升降杆的高度调节范围：1500～2500mm；主横梁的水平伸长调节范围：100～1200mm。第三章手推式球形植物修剪机关键零部件的设计手推式球形植物修剪机中零件很多，当中需要对其结构和尺寸进行重点设计的主要是推车架、电动升降架、悬伸长度可调节的主横梁、齿轮齿条调节机构、刀具。这些零件结构要根据使用功能和操作方便的要求来设计、而截面尺寸要根据机械设计中的静力强度设计办法加以设计保证。3.1手推式球形植物修剪机总体尺寸的确定为了实现整个机身结构紧凑，用起来轻便，设计车身长1150mm、车身底座长700mm、车身底座宽400mm，在升降杆未升高的状态下，整车高度600mm，在升降杆全部升高的状态下，整车高度2500mm，如图3-1所示。图3-1手推式球形植物修剪机的总体尺寸3.2推车架的设计推车架用来承载发动机、可升降的支撑架、以及刀片等，采用角钢焊接出框架，框架的具体尺寸如图3-2所示，框架上面铺设薄钢板，推车架的扶手部分采用壁厚2mm、直径25mm的圆钢折弯焊接在车架的后方，推车架上还焊接有固定支撑架，用以承载升降杆，固定支撑架采用方钢管焊接而成。推车架上用以承载发动机的2根角钢受力最大，需要对其进行强度设计。图3-2推车架底部框架的结构图选取其中1根角钢来进行受力分析，发动机的重量均匀作用在角钢长度方向的中间一段范围，可以将其看作一个集中力FB，角钢的两端还分别受到支承力FA和FC，如图3-2所示。发动机的重量一般在15~30kg，这里选用马力大些的发动机，因而取发动机的重量25kg，所以FB=122.5kN，因而角钢会受到弯矩，可根据弯曲强度来设计选取角钢的型号。图3-3角钢的受力图由受力平衡：，B点处的弯矩最大：并查热轧等边角钢表3-1得，至少选用角钢号数为2.5的角钢，宽20mm厚3mm。表3-1热轧等边角钢型号尺寸（mm）长度（mm）理论重量（kg/m）边宽边厚22033-91.1452.52543-91.45333030343-91.7863.3主横梁的设计主横梁的安装在升降杆上，用以承载刀片。主横梁由方钢管加工而成，其上主要受到球形植物修剪机修剪时刀片传递来的修剪反作用力FE，以及升降杆对其的约束力FB和FC，如图3-4所示。当绿刀片满刃口修剪、推车行进速度较快（4km/h）、枝条直径较粗（≤10mm）时，绿篱修剪的反作用力最大，估算这个最大修剪反力造成的FE=50KN。图3-4主横梁的受力情况主横梁在这3个力的作用下，主要是受到弯曲作用，由于主横梁是重要部件，因而要对其进行强度分析，图3-5所示。图3-5主横梁的剪力图、弯矩图由受力平衡：，力矩平衡：，得：C点处的弯矩最大：C点处的弯曲正应力：这里，B――方钢管总宽度；H――方钢管总高度；b――方钢管内空宽度；h――方钢管内空高度。由于这里拟采用B=60mm、H=30mm的方钢管，可算得至少选用壁厚在3.6mm以上的方钢管。3.4电动升降杆设计升降杆采用支架形式，用方钢管焊接而成，装在推车架上的固定支撑架内，用来支撑主横梁。升降杆中水平方位的方钢管主要承受主横梁对其的作用力FB’和FC’、以及固定支撑架对其的约束力FA和FD，如图3-6所示，其中FB’和FC’与前面的FB和FC是作用力与作用反力的关系。图3-6升降杆的受力情况升降杆中竖直方位的方钢管主要承受自重、主横梁与刀片等的重量，所承受的重量不是太大，因而升降杆中方钢管的截面尺寸主要是要保证其中水平方位的方钢管的强度。水平方位的方钢管受到的是弯曲作用力，如图3-7所示，所以主要根据弯曲强度来设计确定其截面尺寸。图3-7升降杆的剪力图、弯矩图由受力平衡：，力矩平衡：，得：FA=146KN，FD=196KNB点处的弯矩最大：B点处的弯曲正应力：由于这里拟采用B=50mm、H=30mm的方钢管，可算得至少选用壁厚在3.4mm以上的方钢管，既选用壁厚3.5mm，B=50mm、H=30mm的方钢管。3.5电动升降杆的高度调节机构的设计电动升降杆的高度调节机构通过齿轮齿条机构来实现，齿条焊接在升降杆的一根竖直方钢管上，齿轮装在推车上固定支撑架的一根方钢管上如图3-8所示。当要升降杆升高时，可以通过开关控制电机带动齿轮顺时针转动，齿轮与齿条进行啮合，由于齿轮是固连在推车架上，故啮合过程中齿轮不能发生位置移动，因而只能是升降杆被与其固连的齿条带动而上升。1.升降杆2.推车上的固定支撑架3.齿条4.齿轮图3-8电动升降杆结构示意图初定载荷为F=100kg，升降速度V=0.3m/s，齿轮齿条材料选用Cr40(调制)则功率转矩式中n—转速；计算齿轮强度的在和系数K式中—使用系数；—动载系数；—齿间载荷分配系数；—齿向载荷分配系数；根据机械设计，取压力角，齿数，模数由于齿轮做悬臂布置，齿宽，预计工作时间齿轮许用应力式中S—疲劳强度安全系数；—寿命系数；齿轮工作应力循环次数齿轮弯曲疲劳强度=225.93MPa齿轮齿条副参数：齿轮模数m=7齿数z=21分度圆直径d=147mm3.6主横梁的伸出长度调节机构的设计主横梁承受了绿篱修剪作业时的反作用力以及升降杆对其的约束力，主横梁还要能在需要调整伸出量时可移动，在绿篱修剪时要保持位置固定，为此设计了主横梁的伸出长度调节机构，如图3-10所示。当要调节主横梁的位置时，先拧松紧定螺钉，方可移动主横梁，位置调整到位后，拧紧紧定螺钉，即可使主横梁与升降杆之间形成挤紧作用而保持其位置。主横梁上还设置了防翻钩，在移动主横梁时，防翻钩起导向作用；在绿篱修剪作业时，防翻钩起到防止主横梁转动或反转的作用。图3-10主横梁的伸出长度调节机构示意图3.7刀片部分设计3.7.1刀具选型刀片的结构采用弧形可调节的刀片，通过旋转完成修剪作业，刀片示意图入图所视：图3-11刀片刀片在高速的环境下工作，且在剪切过程中，刀片会受到很大的挤压力，摩擦也会很厉害，需要的硬度也比较高，根据这些我们决定选择SQ圆钢热处理，刀具厚度2mm刀具长1500mm。该修剪机的目标是球形植物，刀具是具有一定弧度的，并且在工作中需要满足不同大小的球形植物，这时就要求刀片的弧度是具有一定的可调节性，弧度调节使用杆1、杆2进行手动调节，是刀片调整到合适的位置如图3-12所示。两定位轮分别固定在车身、杆1上，若需要进行弧度调节，先转动杆1到合适位置，通过定位轮a与杆1上的开孔用销卡死，定位轮2同样如此操作，即可将弧度调节到合适位置。修剪球形植物直径为1.5m～2.0m，杆1长1m，杆2长度30mm,选用高强度抗弯曲材料Q235钢,宽5mm,厚2mm。(b)图3-12刀片弧度调节3.7.2刀具旋转刀具的旋转采用锥齿进行传动图3-13，螺旋锥齿轮具有弯曲的节锥齿线。齿面接触区由齿的一端开始，逐渐地移向另一端。和直齿锥齿轮的啮合过程一样，其啮合伴随着接触斑点沿着齿廓表面的齿高方向移动。由于轮齿端面重叠的影响，至少有两对以上的轮齿同时啮合，因此螺旋锥齿轮较之同样大小的直齿锥齿轮和零度螺旋锥齿轮能传递更大的负荷，而且工作得更平稳。尤其在高速运转时，其噪音和震动比另两种齿轮显著减小。螺旋锥齿轮的最少齿数可减少到6今甚至5个，因而较之直齿锥齿轮可提高传动比。齿面局部接触区的可以控制是螺旋锥齿轮的主要特点之一。在切齿时，通过对配对齿轮相啮合齿表面的曲率半径的不大改变，可以获得在给定工作条件下最好的齿面接触区的位置和大小。接触的局部性，显著地提高了螺旋锥齿轮工作的平稳性、降低了噪音，提高了齿轮寿命。图3-13锥齿轮传动3.7.2传动部分设计修剪机刀具驱动电机转速为3600r/min，驱动轮直径若为14mm,则传动比大约为20~30，由于刀片转速为0~6圈/min，所以传动方式采用内啮合齿轮传动。根据数据发动机输出功率2.9马力（约为2131.5W），输出转速3600r/min，取V带传动的传动比为2，差速器中第一级锥齿传动的传动比为6，内啮合齿轮传动传动比为2。已知i=6，P=0.19，n1=900r/min1.选定齿轮的材料及齿数（1）齿轮材料。由《机械设计》表10-1小齿轮选用40Cr，调质处理，齿面硬度241～286HBS，大齿轮选用42SiMn钢，调质处理，齿面硬度217～255HBS。（2）精度等级。由于圆周速度不高，故选7级精度（GB10095-88）。（3）选小齿轮齿数z1=18，大齿轮齿数z2=6*18=1082按齿面接触疲劳强度设计由设计计算公式进行试算，即（1）确定公式中的各参数值1）试选载荷系数Kt=1.32）确定极限应力，按齿面硬度中间值260HBS，查得小齿轮。由参考文献[1]图6-32，按齿面硬度中间值230HBS查得大齿轮。由手册查得：弯曲强度极限：接触疲劳寿命系数：弯曲疲劳寿命系数：接触疲劳安全系数S=1，弯曲疲劳安全系数S=1.4根据公式：则接触疲劳许用应力：几何尺寸计算载荷系数取K=1.5弹性系数查手册取ZH=189.82mm/N节点区域系数取ZH=2.5节宽系数取R=0.4分度圆直径：大端模数me=d1/z1=1.035，取me=2分度圆直径齿顶高齿宽齿宽中点分度圆直径当量齿数校核齿面接触疲劳强度5.校核弯曲疲劳强度第四章个人总结本次设计的球形植物修剪机具有结构简单、操作方便、保养方便等优点，维护方便，可以有效的提高园林行业工作人员的工作效率和工作效果。球形植物修剪机是在中国起步相对较晚的的小型机械，它在中国的发展还存在着许多不足，无论是在制造工艺还是在技术研究上，相比于国外，我们都还