环保型手推式草坪剪草机

2011 年度本科生毕业论文（设计）环保型手推式草坪剪草机院 系： 工学院 机械系 专 业： 机械工程及自动化 年 级： 2007 级 学生姓名： 冯 彬 学 号： 200703050605 导师及职称： 苏艳萍 副教授 2011 年 5 月2011 Annual Graduation Thesis (Project) of the College Undergraduate Environmentally friendly hands push type lawn lawnmowers Department: Mechanical Engineering Department, Engineering College Major: Mechanical Engineering and Automation Grade: 2007Students Name: Feng BinStudent No.: 200703050605Tutor: Associate professor Su YanpingMay, 2011毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解红河学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名： 指导教师签名：日期： 日期： 冯 彬 毕业论文（设计）答辩委员会(答辩小组)成员名单姓名 职称 单位 备注苏艳萍 副教授 红河学院工学院 主席（组长）郭德伟 讲师 红河学院工学院普亚松 讲师 红河学院工学院江洁 讲师 红河学院工学院王海生 讲师 红河学院工学院红河学院本科毕业论文 (设计)摘 要市面上流行的剪草机一般都是引擎驱动，这不仅需要消耗很多能源，同时还会造成环境污染，而且由于引擎驱动的剪草机噪音很大，严重影响了人们的工作学习。本设计是希望设计出一种无需引擎驱动的环保型剪草机。本设计采用手推式驱动，不仅能实现动力的输入，又能节约能源，保护环境；并采用类似于老式理发器的刀头，通过上刀头的往复直线运动，与固定的下刀头配合实现剪切，从而实现剪草运动。本设计创新地在于实现了剪草高度的可连续性调节和无引擎剪草机的碎草收集功能。通过剪草机箱体两侧的螺纹杆的转动，可实现刀架的连续上下移动，从而实现剪草高度的连续调节，更加地人性化。而通过对运输带的运用，依靠待修剪的草坪将已修剪下来的碎草推上剪草机的平带上，再由平带将碎草送入安装在剪草机后部的碎草收集袋中。使用者只需在碎草收集袋装满后及时清理即可。本次设计的环保型手推式草坪剪草机能较好地满足一般用户的需求。关键词：剪草机；引擎；手推式；环保型红河学院本科毕业论文 (设计)ABSTRACTFashion market is commonly lawnmowers, which not only engines driving need to consume a lot of energy, also can cause environmental pollution, and because the engine driving lawnmowers noise is very big, badly affects people work and study. This design is to design a kind of no engine drive environmental lawnmowers. This design USES the hands push type driving power, not only can realize the input, and save energy and protect the environment; And using similar to the old haircut device on the blade, through coping.keeping reciprocating linear motion, and fixed with under shear blade, thus realize cut grass movement. This design is to realize the innovation to cut grass height adjustment and no engine can be continuity of lawnmowers crushed grass collect function. Through lawnmowers on either side of the threaded rod body rotation, may realize the continuous throats cut move up and down, so as to realize the continuous adjustment, grass height more humane. And through the use of conveyor belt, relying on the lawn will have to trim down on lawnmowers crushed grass on the flat, then the conveyor belt will crush grass into installed on lawnmowers crushed grass back part of the collection bags. The user pushes a collection bags full in the broken grass can be cleaned after timely. This design environmental hands push type lawn cut the grass function better meet the general needs of the users. Keywords: lawnmowers ; engine; hands push type; environmentally friendly红河学院本科毕业论文 (设计)目 录第一章 绪论 1 页1.1 我国草坪业的发展现状 1 页1.2 草坪剪草机的国内市场 1 页1.3 我国剪草机市场预测 2 页1.3.1 按城市人均应有草坪面积来预测 2 页1.3.2 按新建草坪面积来预测 2 页1.3.3 按国家建设部规划来预测 2 页1.4 选题意义 3 页第二章 设计任务 5 页第三章 方案设计 6 页3.1 工作原理 6 页3.2 传动机构 6 页3.3 刀架高度调节机构 6 页3.4 碎草收集机构 6 页第四章 结构设计 7 页4.1 剪草机构的设计 8 页4.1.1 刀头设计 8 页4.1.2 刀架设计 9 页4.1.3 碎草收集机构设计 13 页4.2 车轮的设计 14 页4.3 传动零件的设计 15 页4.3.1 齿轮机构设计 15 页4.3.2 轴的设计 19 页4.4 箱体设计设计 31 页4.3 整体设计 32 页第五章 总体评价 37 页参考文献 38 页致谢 39 页红河学院本科毕业论文 (设计)1第一章 绪 论1.1 我国草坪业的发展现状随着国民经济和社会的发展，人们已经不再仅仅满足于物质生活的提高，周边环境的质量已经为越来越多人所关注。绿化程度尤其是草坪绿化成度已成为衡量一个国家、地区或城市文明发展程度的一个重要指标。草坪绿化环境的保护以及美化方面已经起到越来越重要的作用。近年来，我国的草坪建设发展迅速，如各地风景园林和各种休闲娱乐场所等都需要大面积的高质量草坪；各地江河湖泊、高铁以及高速公路等交通设施的护坡需要用到草坪；住宅小区的绿化都需要优质草坪。据不完全统计，在全国 500 城市 66 万 hm2绿地面积中，草坪占 18 万hm2,1994 年上海草坪绿化面积为 300 hm ,1997 年为 800 hm2，以后每年以400 hm 的速度增长；1997 年北京绿地面积已突破 2000 hm ，人均公共绿地面积为 7.8 m2，现在每年草坪以 300 hm2的速度增长。修剪是草坪区别于其他一些植物的特殊要求。草坪通过修剪，可以阻止草坪的草抽穗、开花。结果；修剪可以阻止草坪的生长和病虫害。因此，草坪业的迅猛发展必将发展成为带动一系列产业的兴起。我国的草坪业发展自 2-实际 80 年代才起步，在 90 年代后期发展迅速，到 2000 年为止，我国已建成各类 3 亿 m2以上，经营草业的公司有 5000 多家，草坪业从业人员 20 多万人，总产值超过 100 亿元，而且规模呈逐年扩大趋势。在我国 500 个城市 66 万 hm2绿地面积中，草坪占 18 万 hm2，并呈告诉增长趋势。90 年代以来我国的草坪业年增长率高达 30%40%.。随着人们对环境保护、固土防沙意识的日益增强，退耕还草政策的进一步实行，草坪业必将快速发展，修剪是草坪区别于其他植物的特殊要求，草坪业的迅猛发展，意味着草坪剪草机械的大量需求 1。1.2 草坪剪草机的国内市场世界上第一台滚刀式剪草机诞生于 100 多年前。最初的剪草机主要应用于牧场。发展到现在，剪草机已经发展出可应用于不同场合的几十个品种。根据其工作原理和形式可分为滚刀式、悬刀式和扫雷式三种类型。国内剪草机的生产起步较晚，生产规模普遍比较小，产品的用途也很单一。所以长期以来，草第一章 绪 论2国内的草坪剪草机以进口为主。据不完全统计，截止 1999 年底，我国各种园林机械的保有量达 10 万台，1999 年的剪草机销售量在 3 万台左右，仅 20%为国产。目前，国内生产的剪草机按动力划分可分为机动和人力两类；按配套动力和作业方式可分为手推式、手扶推行式、手扶自动式、驾乘势、拖拉机式等；按照刀具类型可分为滚刀式和悬刀式。 。悬刀式剪草机的刀具是横向悬挂在竖直安装轴上的刀片，通过刀片的高速旋转切除草叶。它的优势是价格低廉、保养、维修都很方便，是国内外目前最流行的剪草机。滚刀式剪草机的刀具由带有刀片的滚筒和静止的床刀组成，相对于悬刀式剪草机修剪效果更为理想，适用于草坪质量较高场所。其问题主要是价格过于昂贵，而且后期的维护要求相对严格此外，还有甩绳式和甩刀式等。剪草机的剪草宽度一般为 4001000mm，剪草高度从 15100mm 有几个调节档位。据有关部门的调查报告显示，国内生产剪草机的厂家仅有 50 家左右。市场上草坪剪草机的品牌众多。功率从 2.616.2kw；剪草宽度从 43.2127cm 不等。进口剪草机主要来自于日本、美国、意大利和瑞典等国。主要品牌和售价详见表 1-1。1.3 我国剪草机市场预测1.3.1 按城市人均应有草坪面积来预测城市人均应有 28 m 左右的草坪才能解决人们的呼吸需要。国外一些城市2和中国及北京人均草坪面积对比见表 1-2.从表 1-2 可以看出，我国人均草坪面积相对于发达国家有较大差距。全国现有草坪面积约为 19 万 hm 。不妨假设每公顷草坪需 6 台剪草机，从而算得市2场容量达到 114 万台。而且随着中国经济的不断发展，这一数字将直线增长。1.3.2 按新建草坪面积来预测新建草坪有两种方式，播种草种和移植草皮。据不完全统计，历年进口草种量如下，截止 1995 年总共约为 5900t，1996 年为 2600t，1998 年为5200t，1999 年为 6100t。仅 1999 年种草面积就约有 12 万 hm2，如果按每公顷需 6 万台剪草机，仅 1999 年时就需剪草机 72 万台。1.3.3 按国家建设部规划来预测红河学院本科毕业论文 (设计)3按国家建设部规定。2000 年后城市绿化面积需达到 30%。目前深圳、珠海、厦门等城市超过达到甚至是超过这以标准。城市人均绿地面积达到 7 m2以上。照此估计每年约需 56 万 hm2草坪，剪草机 30 万台。在草坪的建设过程中，随之而来大的相关园林设备的市场无疑是十分广阔的。表 1-1 进口剪草机的主要品牌和售价表 1-2 国外一些城市和中国及北京人均草坪面积名称 面积/m 2 名称 面积/m 2伦敦 70.4 巴黎 24.7纽约 45.7 堪培拉 70.5莫斯科 37.0 中国 1华沙 73.5 北京 81.4 选题意义从上述来看，我国的剪草机市场无疑是巨大的。根据市场调查发现，目前市面上的剪草机大多都是动力引擎，由于功率较大，产生很大的噪音，国别 型式 价格日本 本田 H1011 坐骑式带草袋 76cmH3011 坐骑式带草袋 71cmLM5360HX 自行可控刀式带草袋 53cm5.2 万元/台5.8 万元/台1.08 万元/台美国 MID（美神） B560C 坐骑式带草袋 76cm38C 自行式侧除草 53cmMurray（美丽）2.62.8KW 手推式后草袋型22355 型、22545 型手推式侧派草21386 型手推式、21855 型自行式21975、22855、22856 型使用大面积长时间剪草2.98 万元/台0.5 万元/台意大利花园牌 R484TR 自行式带草箱 46cmR484 手推式带草箱 46cm0.43 万元/台0.38 万元/台瑞典 Kusovarna 系列剪草机第一章 绪 论4在办公、学习等安静场所，这种剪草机不是很适用。首先，这种剪草机有动力装置，维护费用较高；其次，它主要依靠刀片的告诉旋转把草切断，通过气流的的旋转将碎草清理出去，这样就对整机的安全性要求较高了；同时，此类剪草机工作时会产生强烈的震动，会造成操作者很不舒服；最后，虽然动力引擎剪草机剪草效率较高，剪草效果较好，但是价格也较昂贵，一般的用户难以接受。故而，研究一种无引擎驱动、价格低廉的剪草机势在必行！红河学院本科毕业论文 (设计)5红河学院本科毕业论文 (设计)5第二章 设计任务 设计一台环保手推式的剪草机。 至少提出两种方案，然后进行方案分析评比，选出一种方案进行设计。 用 UG 软件对环保型手推式草坪剪草机进行建模。 完成设计说明。 第三章 方案设计6第三章 方案设计3.1 工作原理通过市场研究，我们决定设计一种无引擎驱动，无污染，操作舒适和经济实用的草坪剪草机。通过人力推动剪草机向前行走，带动剪草机的车轮转动，通过传动机构，形成刀具的剪切运动。3.2 传动机构能够实现环保型手推式剪草机功能的方案有很多，且各有特点，具体如下：驱动方式的选择：1）用脚驱动 用脚驱动时，操作人员站在或者坐在剪草机上，故此类剪草机除了要完成剪草机动作，还要承受操作人员的体重；而且要有制动以及方向控制装置，以上使得此类剪草机结构复杂、尺寸较大，只适用于大面积草坪。2）用手驱动 而用手驱动则能够避免以上麻烦。这样设计的剪草机轻便灵活。因此我们选择设计手动式剪草机。断草方式的选择：1)割断 即用刀刃将草割断。由于草叶很软，用这种方法剪草时，需要极高的速度，在草叶被碰倒之前将其割断。因为如果刀刃速度不够快，很难将草割断，而人力驱动都很难达速度上的要求。故这种方法一般只适用于引擎驱动2）剪断 即用两个刀片作相对运动将草剪断，对速度的要求不高。因此我们选择这种断草方式。 手动又分为手摇和手推两种。如果选择用手摇动手柄实现执行构件的往复移动，同时还要靠人力推动剪草机向前移动，这样操作者要完成的动作太多，不方便。而选择直接用手推动剪草机向前移动则比较简单。通过剪草机车轮的转动输入，经过传动装置将转动转变成往复移动而输出给刀具。从而选择设计成手推式是比较可行的。3.3 刀架高度调节机构由于各个场所对于草坪高度的要求是不一样的。因此，我们还需要设计剪草高度调节装置。 用户可以根据实际需要，调节剪草高度。红河学院本科毕业论文 (设计)73.4 碎草收集机构一般市面上的剪草机是通过引擎产生的旋转气流来收集碎草，我们所要设计的手推式显然无法达到这种效果。故而同样需要设计新的碎草收集装置。第三章 方案设计8第四章 结构设计8第四章 结构设计4.1 剪草机构的设计4.1.1 刀头设计在之前的方案设计章节，我们选择用剪断的方式来设计刀具。根据老式理发器（见图 3-1）的刀头，我们同样可以考虑用此种刀头作为我们手推式剪草机的刀具部分。现设计刀头由固定在刀架上的下刀片和可以水平横向往复直线运动的上刀片组成。这样通过上刀片的往复移动将草叶剪断，同时又不需要太高的速度就能够实现。这样就避免了大功率带来的噪音污染。刀头主要尺寸设计如下：下刀片（固定刀片） （如图 3-2） ，厚度 3mm，宽度 343mm，齿长 30mm，齿宽 8mm，齿间距 8mm；上刀片（活动刀片） （如图 3-3）具体尺寸同下刀片；刀头整体装配如图 3-4。图 4-1 老式理发器 图 4-2 下刀片（固定刀片）红河学院本科毕业论文 (设计)9图 4-3 上刀片（活动刀片） 图 4-4 刀头整体装配图4.1.2 刀架设计首先我们设计了一根横梁（如图 3-5）来支撑刀头，下刀片固定在横梁的下部，用螺栓进行固定。而为了保证上刀头能实现往复直线运动，我们设计了一个刀头固定装置（如图 3-6）和一对端面凸轮（如图 3-7） 。固定装置由上下两部分组成，之间用螺栓进行固定。其中固定装置的下部（如图 3-8） ，是用来联接上刀片；而固定装置上部（如图 3-9） ，设计了一对内爪用来与端面凸轮接触，当凸轮转动，带动上刀片做水平往复直线运动，从而与下刀片配合实现剪切运动。这里，不仅仅是要实现刀头的运动，还有很重要的是要实现剪草高度的调节。市面上的各类剪草机基本都能实现这一功能，然而，绝大多数却只能实现几个档位的调节，并不能实现任意高度的连续调节。当然，这也跟市面上所销售的一般是动力引擎剪草机有关，其工作时转速太大，实现刀头高度连续调节比较困难。我们设计将整个刀架固定在剪草机两侧的螺纹杆（如图 3-10） ，通过两根螺纹杆的转动便可以轻松实现剪草高度的连续调节，而且由于我们采用的是环保型手推式，功率较小，两根直径 30mm 的螺纹杆足以固定刀头。螺纹杆通过上下两个固定装置（如图 3-11）与箱体固定。第四章 结构设计10刀架主要尺寸设计如下：横梁（如图 3-5） ，位于箱体内部宽度为 355mm，主体为 30mm30mm355mm 的长方体，外部设计一对 M30 的螺纹孔，用来配合螺纹杆。固定装置（如图 3-6） ，宽度为 200mm，内爪距离 131mm，其上均使用 M8的螺栓进行固定。端面凸轮（如图 3-7） ，端面凸轮主体是由一个直径 250mm，长度 38mm 的圆柱，以通过圆柱中心的斜面等分成两半组成，因此无论断面凸轮如何旋转，其端面任意水平线的两点距离是不变的，因此与固定装置内爪永远是保持接触，故而可以一直带动固定装置做水平往复直线运动。螺纹杆（如图 3-10） ，螺纹杆整体长度为 306mm，直径为 30mm，螺纹起始处距离杆底部 93mm，螺纹总长 130mm。螺纹杆固定装置（如图 3-11） ，其中上面的装置高度 26mm，孔径 30mm，孔中心距离箱体外表面 21mm；下面的装置，高度 26mm，孔径 23mm。使用M8 螺钉与箱体固定。刀架整体装配如图 3-12 和 3-13。图 4-5 横梁 图 4-6 刀头固定装置红河学院本科毕业论文 (设计)11图 4-8 刀头固定装置下部图 4-7 端面凸轮 图 4-9 刀头固定装置上部 图 4-10 螺纹杆第四章 结构设计12图 4-11 螺纹杆固定装置图 4-12 刀架整体装配图红河学院本科毕业论文 (设计)13图 4-13 刀架整体爆炸图4.1.3 碎草收集机构设计正如方案设计章节中所提到的，市面上的带引擎剪草机大多是通过引擎产生的旋转气流来收集碎草。而我们所要设计的手推式显然无法达到这种效果。由于剪草机在不断地向前移动，待修剪的草会将已经剪下的碎草往剪草机里面推，从而我们重新考虑采用小型的运输带将碎草运到剪草机后面的碎草手机袋中。这样，剪草机使用者只需要推动机器就可以实现草坪的修剪，偶尔清理一下碎草收集袋即可。运输带主要尺寸如下：宽度 323mm，整体长度约 460mm碎草收集装置如图 3-14第四章 结构设计14图 4-14 碎草收集装置4.2 车轮的设计根据剪草机的重量以及剪草机移动速度需要，选择前轮（如图 3-15）直径为 260mm，宽度为 30mm；后轮（如图 3-16）直径为 80mm，宽度为 20mm。图 4-15 前轮 图 4-16 后轮红河学院本科毕业论文 (设计)154.3 传动零件的设计4.3.1 齿轮机构设计1 选定齿轮的类型。精度等级，材料以及齿数1）由于齿轮受轴向力很小，故选用直齿圆柱齿轮传动，直齿圆柱齿轮制造工艺简单，可以降低成本。2）手推式剪草机工作速度较低，可以选择 7 级精度（GB10095-88 ） 。3）材料选择。齿轮材料的选择原则：齿轮材料的种类很多，在选择时应考虑的因素也很多，下述几点可供选择材料时参考： 齿轮材料必须满足工作条件的要求。工作条件的要求是选择齿轮材料时首先应考虑的因素。 应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成形方法及热处理和制造工艺。大尺寸的齿轮一般采用铸造毛坯，可选用铸钢或铸铁作为齿轮材料。中等或中等以下尺寸要求较高的齿轮常选用锻造毛坯，可选择锻钢制作。尺寸较小而又要求不高时，可选用圆钢做毛坯。 金属制的软齿面齿轮，配对两轮齿面的硬度差应保持为 3050HBS 或更多 【2】 。综上，选择小齿轮材料为 40Cr(调质)，硬度为 280HBS，大齿轮材料为 45钢（调质） ，硬度为 240HBS，二者的材料硬度差为 4-HBS。4）选小齿轮齿数 z =17，设计传动比 u=5，则大齿轮数 z =517=85。人1 2正常走路时的速度大约 1.2m/s。考虑到剪草时的实际情况，取 0.78m/s。设计剪草机的前轮直径为 260mm。不妨假设剪草机工作时处于理想状况下即轮子只滚动不滑动。由此可得，前轮轴的转速为 0.95r/s。查机械设计手册得：橡胶轮胎对路面的摩擦力臂为 1015/mm，而剪草机的质量不大于 50kg，则车轮沿地面的最大滚动阻力矩为 M=NK=501015=7500Nmm。设计剪草机工作寿命为 8 年（设每年工作 300 天） 。2.按齿面接触强度设计由设计计算公式（3-1）进行试算d 2.32 （4-1）t1321)(HEdZuKT第四章 结构设计16（1）确定公式内的各计算数值1）试选载荷系数 K =1.3。t2）计算小齿轮传递的转矩。T =0.985 =0.985 Nmm =1477.5Nmm1uM5703）选取齿宽系数 =1。d4）查得材料的弹性系数 =189.8M 。EZ21aP5）按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 =600 M ；大齿轮的1limHaP接触疲劳强度极限 =550 M 。2limHa6）计算应力循环次数。=60 n j =600.951(283008)=2.2002NhL 610=52.200 =1.10016107107)查得接触疲劳寿命系数 =1.28； =1.46。HNK2HN8）计算接触疲劳许用应力。取失效概率为 1%，安全系数 s=1，= =1.28600 M =768 M1HsHN1limaPa= =1.46550 M =803M2K2li（2）计算1）试算小齿轮分度圆直径 ，代入 中较小的值。td1H2.32 =2.32 mmtd1321)(HEdZuKT 3 2)768.