旋刀式割草机的改进设计

一、课题研究的意义

割草机是随着草坪的出现而被发明的，而草坪周围人口比较稠密，流动性大，对割草机的噪音、废气排放等指标技术指标要求较高。但是现在的割草机多使用汽油机作动力，排气污染量相对于汽车的较小，但噪声却很严重。而且现在割草机的基本型式可分为旋刀式和滚刀式两种。而旋刀式草坪割草机是以小型汽油机为动力带动刀片旋转的一种割草机械，主要用于公园、街心花园、球场、住宅小区庭院等绿地修剪、整理等工作，是园林机械中使用量较大的一种机械[1][3]。但它存在的主要问题是噪音较高和刀片磨损较快。为此，本文着重对旋刀式割草机的减噪和增加刀片的耐磨性加以改进。在保证良好的加工工艺性能和使用性能的前提下，提高刀片的使用寿命，降低其生产成本。

二、现状及分析

1国内外旋刀式割草机的发展状况及存在的问题

1.1国外旋刀式割草机械的发展状况

1805年英国工程师托马斯·普拉克获得了第一台割草机的发明专利，当时的割草机是装有环形刀，机体笨重且运转不很理想。到1830年，埃文·马丁制造出了类似于今天试用的手扶滚筒割草机。早期应用普遍的是往复式割草机，通过加大割幅及提高机具的前进速度来提高机具的生产率。20世纪70年代各国开始研制旋刀式割草机，利用高速旋转的割刀对植株进行无支撑切割，此类机具具有结构简单，维护保养时间少，不需磨刀、换刀等优点。近年来，欧美发达国家的割草机设备更加成熟，结构参数更加合理，可靠性、生产率提高很快。生产割草机的国际著名企业有没过纽荷兰、约翰迪尔、凯斯公司，英国弗格森公司，韩国成元公司，德国威格公司和前进公司等。他们生产的设备无论在机械结构、动力配套、液压系统还是控制系统方面都处理得很成功，一些最新的科学理论、最新的科研成果和最新的科学技术都在这些机械设备上有体现。例如在控制系统方面，单片机、可编程控制器PLC、工业控制机控制IPC等得自动化控制手段都得到充分的应用。一些发达国家如美国已经发明机器人割草机，实现了自动化作业[9]。

目前国外大多使用滚筒式、圆盘式、水平旋转式或旋刀式割草机，这些割草机坚固耐用，工作速度快。这些机具一次通过就能完成割草、压扁、成条三道工序[3]。

1.2国内旋刀式割草机械的发展现状

我国生产割草机起步较晚，生产企业规模普遍较小，产品用途较为单一，均没有形成规模批量，所以长期以来，割草机均以进口为主。据统计，到1999年底我国各种园林机械保有量达10万台，1999年的割草机销售量在3万台左右，其中80%为进口。

国内目前生产的割草机一道具类型可分为滚刀式和旋刀式两大类。旋刀式割草机是有横向悬挂在直立轴上的刀片高速旋转打切草上部的叶片，它适于25-80 mm范围内割草。由于期间各低廉，保养、维修方便，使用灵活，只要将刀磨快，就能达到较为理想的割草效果。因此，一般的草坪都使用旋刀式割草机作业，使得旋刀式割草机称为国内外最流行的割草机。

国内生产割草机的厂家约有50多家。多为园艺系统的公司以及转产割草机的机械厂。国内市场上割草机的品牌很多，有进口产品，也有国内制造的和中外合资的。

中美合资江苏淮阴泛亚园林机械有限公司，生产力特牌—NEAT草坪割草机，占国内市场50%的市场份额，现年产量达5000台。目前正这首进行年产5万台的割草机技术改造，气动力选用日本本田发动机。

南通机床为转产生产割草机的厂家。其产品为草地王系列产品：56 cm自走式草坪割草机（4.5 kW）；84cm随进式割草机（7.8 kW）；84 cm电启动式割草机（7.8 kW）；122 cm坐骑式剪草机（13.4 kW）。该厂生产除发动机以外的零部件，发动机多选用美国产品，1999年已有产品出口美国。

安徽飞彩车辆股份有限公司“十五”期间进行了技术改造，改造后计划年产6万台割草机。其中代表产品之一是手扶式宽幅割草机系列，年产5万台，以22161型为例，发动机为4冲程，4.8 kW，割草宽度53 cm，自走式；代表产品之二是驾乘式割草机系列，年产1万台，以16-38HXL型为例，为4冲程，11.7 kW，97 cm循环割草，带驱动[10]。

1.3国内外旋刀式割草机械存在的问题

虽然旋刀式割草机的理论和制造技术已经相当成熟，但是结构简单，操作方便、低噪音、高性能的割草机并不多。

旋刀式割草机的配套动力有电动机(有电缆或蓄电池供电)和汽油机两种。机遇方面和安全的原因由电缆供电的割草机只能在小面积上使用，而蓄电池供电的个采集，因机器重量较大，且蓄电池需经常充电（一般完成700平方米后需进行充电）。所以，在小型割草机上（2.2 kW以下）常采用电动机作为配套动力机。而在2.2 kW以上的割草机多采用汽油机作为配套动力机。以汽油机作为动力的旋刀式割草机，其噪声污染比较严重，它的噪声源为汽油机和旋刀装置[3]。

目前，国内外采用的都是合金弹簧钢，经普通淬火加中、高温回火后得回火索氏体或回火屈氏体，硬度在HRC40-45，以保证一定的强度和韧性。但生产上遇到的最大难题是合金弹簧钢如65Mn钢加工硬化率高，冷弯成型性差。此外，这样的热处理工艺并不能很好地满足刀片强韧性和耐磨性的要求，主要失效形式是磨损。如铰接式刀片往往是3天就要卸下来磨一次。有时遇到土质不好，有铁丝石头等硬物时，还经常发生刀片断裂[9]。

1.4研究的内容和方法

根据我国割草机的发展现状和存在的问题以及人们草坪割草机的更高要求，对现有的割草机进行改进。在旋刀式割草机的基础上，通过对其做减噪处理和刀片的优化处理，利用现代设计方法，设计出一款结构简单、操作方便、低噪音、高效率的旋刀式草坪割草机。

设计旋刀式草坪割草机的整体结构，主要由汽油发动机、减速器、传动装置、汽油机消音器、手把、行走胶轮、旋刀刀片组成。汽油发动机提供动力，通过联轴器与减速器连接，为旋刀装置提供动力。

讨论确定了旋刀式割草机的基础参数，参考已有旋刀式割草机的参数，既要保证工作要求，又要尽量减小噪音污染并提高刀片的时候用寿命。根据选定的有关参数，由经验公式计算出旋刀式割草机所需的功率，根据该功率选择适合的汽油发动机型号。

该课题应用的研究方法：理论设计、绘制模拟样机并进行仿真模拟。既要保证割草机的使用要求，又要尽量减小噪音污染，并提到刀片的使用寿命。

1.

5预期目标

（1）整机结构简单，机动灵活，噪音小，刀片使用寿命长。

（2）汽油机为动力源，在汽油机上加装消音器，噪音低、可靠性高、使用简便。

（3）适于草坪割草作业，有利于减轻噪音污染，提高刀片使用寿命，对提高割草机的经济适用性与环保舒适性有一定的价值。

三、重点研究的关键问题及解决思路

该机动力源为汽油机，通过联轴器，减速器，减速器连接传动机构和刀片工作，割草机按设计要求切实降低了工作噪音，达到预期目标。

（1）选择动力,设计传动装置、汽油机消声器和刀片。

（2）运用AutoCAD软件，绘制二维零件图和装配图。

（3）运用三维设计软件完成整机各零部件的三维建模并进行运动仿真。

四、工作条件及解决方法

塔里木大学位于南疆中心位置，校内环境优美，草坪面积极广，为项目开展提供了便利的原材料基地。这是本项目顺利实施应具备的良好外部科研环境。塔里木大学机械电气化工程学院拥有先进的实验室和加工设备，校内拥有优良的硬件环境和雄厚的师资力量，这些都为课题的实施提供了保障。

五、工作方案及进度

第1～2周 查阅相关文献，撰写开题报告。 第3～4周 根据现有的小型草坪修剪机和现有割草机确定旋刀式割草机的总体设计方案，绘制总体结构简图。 第5～6周 根据工作要求，计算并查阅相关手册，选择和设计各零部件。 第7～9周 运用AutoCAD软件，绘制二维零件图和装配图。 第10～11周 运用三维设计软件完成整机各零部件的三维建模并进行运动仿真。 第12周 从工艺性能，经济性能，实用性能等方面对产品进行综合评价、校核、修正。 第13周 完成设计说明书。

第14周 整理材料，准备答辩。

参考文献

[1]赵大伟,石淑英.浅析旋刀式草坪割草机产品质量状况[J].林业劳动安全.2001(2):27-28.

[2]卢希诚,尚树堂,水敬琪.旋刀式草坪割草机切割刀具的研究[J].北京林业大学学报.1988(3):37-43.

[3]卢希诚,尚树堂.旋刀式草坪割草机旋刀装置的减噪措施[J].北京林业大学学报.1993(1):33-38.

[4]周忠旺.草坪割草机的设计与割草质量[J].林业机械与木工设备.2002(10):22.

[5]马晓春.割草机的设计与动态特性研究[D].黑龙江:东北林业大学.2005.

[6]高敏.坐骑式割草机改型设计研究[D].南京:南京理工大学.2006.

[7]金立刚.自动割草机器人的研制[D].辽宁:大连理工大学.2006.

[8]林元德.JUS-420旋刀式剪草机及使用维修[J].林业机械.1989(5):25.

[9]苗少君,董金宝.旋刀式草坪和割草机刀片几种钢材的热处理工艺及性能试验[J].北京林业大学学报.1994(2):69-74.

[10]刘静.我国剪草机市场的现状和发展趋势[J].拖拉机与农用运输车.2001(6):8-9