0 引 言
割草作为草坪修整的一项最基本作业，人们希望使用简单高效经济适用的割草机械来完成草坪修建作业，并轻松完成割草作业任务。同时，要考虑环境保护和可持续发展的要求，设法减轻工作中对环境的影响，尽量降低其噪音污染，不给周围环境造成负面影响。割草的主要作用是保持草坪上草的可控性正常生长，并通过割草机的修剪，保持人们预期的生长高度以及生长形态，使草坪美化环境的功能和其他功能得到充分发挥。目前，大型生态园的绿地设计已是房地产开发团中一个重要环节，草地是绿化的一种重要形式。目前，庭院里修整草地通常使用身背柴油机作动力，采用尼龙绳甩打草叶；或者是使用电动、柴油机的割草机，这种割草机体积大、噪音大，适用于空旷大草坪，易夹草出故障，遇到石块可能使刀片断裂，发生事故。随着国内人们生活水平的提高，人们对居住的绿化水平要求越来越高，尤其带花园的别墅不断增加，更需要开发一种适合小面积草地、简单灵活的手推式割草机。
本设计讨论分析了旋刀式割草机机的基础参数，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。设计出一款经济适用，成本低廉，可大范围推广的割草机械，为人们的居住环境的美化提供良好的实现工具。
1 设计原理及机构
1.1 设计原理
对于旋刀式割草机的总体设计，要遵循的设计原则
（1）首先满足农艺要求并适应小区草坪的面积限制，具有良好的转向性和操作灵活性。
（2）吸收国内外设施农业作业机械的新技术，采用新原理、新结构、新工艺、做到设计合理、使用可靠、优质高效、物美价廉，能广泛推广。
（3）零部件的通用化、标准化程度高。
（4）整机结构简单、成本低廉、操作简便、维修方便、质量轻、机动性好。
1.2 旋刀式割草机的设计方案
图1旋刀式割草机简图
1.工业脚轮 2.工业脚轮架 3.下机架 4.上机架
5.发动机6.推杆7.工业走轮架 8.工业走轮9.工作轴 10.刀片
如图1 所示，旋刀式割草机主要工业脚轮、下机架、发动机、上机架、推杆、工作轴、工业走轮和刀片等组成。汽油发动机提供动力，其输出轴通过花键与装配有刀片的工作轴相连，带动旋刀工作，使其实现割草动作，发动机有油门控制旋钮，通过旋转旋钮控制发动机的转速以及停止，从而实现控制选到的工作转速，实现对旋刀的工作控制。
手推式割草机的动力是来源于行走轮驱动，即靠人的推力来驱动。查阅《人机工程手册》，人步行速度约为3~5千米/时，即48~64米/分，考虑到要推动割草机进行切割，选取人的步行速度为48米/分，即0.8米/秒。
由《人机工程手册》查得，人体身高尺寸（成年男性）多在170cm左右。因此，推杆距地面的高度取为1000毫米,且可在850~1300毫米之间调节，符合人体作业适应度。
设计原则：工作场地的高度取决于作用力、操作者的身高、操作者操作物件的尺寸、以及视野范围。
又因为该割草机是手推式的，动力来源于人的行走以及推力。应考虑到其结构尺寸方面的因素，因而行走轮直径不宜过大。其旋刀刀尖速度要求达到71~97m/s，在这个速度范围能使选到旋转引起的噪声降到比较合理的水平，并能正常工作。
如果轮子直径过大，将会使机具底盘抬高，影响整机的协调性，如果轮子直径过小,则推行比较费力,不能达到设计要求,要满足人的推力在200N左右都能推动这部割草机才行。
初步选取外轮直径
=80mm,
由《人机工程手册》查得，人体身高尺寸（成年男性）多在170cm左右。因此，推杆距地面的高度取为100cm,且可在100~140cm之间调节，符合人体作业适应度。
功率消耗计算
本设计割草机的功率消耗为割草作业的功率消耗，行走动力由人提供，不列入计算。
旋刀式割草机在平坦地面上的割草消耗功率计算公式为
，
式中 
—机器前进速度（m/s）；
B —机器割副（m）；
—切割每平方米面积的茎干所需的功率，一般取
=200~300。
割草机所需功率为
。
则选用1.5马力的发动机。
由以上分析确定割草机的各项参数：
割草机的整体宽度：495mm；
割草机的割幅：400mm；
割草高度：25~80mm；
旋刀宽度：B=58mm；
旋刀厚度：l=3mm；
机架离地高度：h=200mm；
发动机转速：n=3600r/min；
旋刀的转速：n=3600r/min=75.4m/s；
旋刀的刀尖速度：v=71~97m/s；
切割速度介于71~97ms之间，合适；
人的持续推力为15~20kg，取F=200N；
则p=Fv=200×0.8=0.16；
集草类型：就地洒落。
选取HONDA本田GX35汽油机。
2 旋刀式割草机主要部件的设计与计算
2.1 割草机工作部分设计
图2刀组结构图
如图2所示：旋刀通过螺纹圆柱销定位用螺母固定在工作轴上，工作轴通过花键与发动机输出轴连接，轴向定位在轴上开两个11 mm深的孔用螺纹圆柱销定位。工作部件由一组这样的机构构成，旋刀可以随时更换。
2.1.1 旋刀的设计
图3旋刀结构图
旋刀的结构图如图3，材料是65Mn钢，等温淬火后硬度为42~50HRC，
,
。
2.1.2 传动轴的设计
材料是合金结构钢40MnB，调质处理，硬度为28HRC，
,
，
,轴上一端为内花键，结构如图3-3。
图3传动轴结构图
传动轴的结构简图如上图3-4，一有内花键，另一端直接与发动机的输出轴相连；通过花键连接将动力传导至工作轴。
轴径的初步计算
根据轴的扭转强度条件
,式中：
——扭转相应切力，
；
——轴所受的扭矩，
；
——轴的抗扭截面系数，
；
——轴的转速，
；
——轴传递的功率，
；
——计算截面处轴的直径，
。
已知
。其中
，
得
，
对于空心轴，
，式中
为空心轴的内径与外径之比，通常取
=0.5~0.6。
已知P =1.25，n=3600 r/min，轴的材料选用 40MnB，
。
将其代入式中，得实心轴轴径
；
空心轴轴径
。
故输出轴的实心部分最小轴径要大于7.73mm，空心部分最小轴径要大于7.90mm，
2.1.3 工作轴的设计
材料是合金结构钢40MnB，调质处理，硬度为28HRC，
,
，
,轴上一端为外花键，结构如下图4。
图4工作轴
轴径的初步计算同上，工作轴最小轴径要大于7.90mm。
传动轴的结构简图如上图3-6，一有加工有外花键，与传动轴相连，另一端连接旋刀，带动旋刀进行割草作业。
2.2 推杆的设计
材料是低合金结构钢Q345做成的钢管，有推杆和推杆套两部分组成，可伸缩满足不同身高的人对割草机的操纵，结构如下5。
图5推杆结构图
2.3 机架的设计
（1）机架材料是低合金结构钢Q345做成的结构用冷弯空心型钢，由下机架和上机架两部分组成，可通过调节销轴实现对机架高度的调节，从而实现对旋刀离地高度的调节，实现对割草高度的调节。结构如下6。
图6机架结构图
（2）销轴的选择
销主要分为用于固定零件之间相对位置的定位销，用于连接的连接销和用于安全装置中的过载剪断元件的安全销。本设计中上机架和下机架的铰接处用销轴连接。销轴材料选用35钢，调质处理，硬度为28~38HRC，表面氧化。根据具体的情况要求以及方便操作的要求，选用销轴
（GB/T 882-2000），开口销（GB/T 91-2000）。考虑到割草机工作时对销轴有一些冲击，故取许用剪切应力
，许用压应力
，抗拉强度
。
发动机的质量为3.4kg,燃油箱容量为1L，装满燃油时燃油质量为0.725kg，上机架材料采用16Mn。其质量为1.6kg。故作用在每个销轴上的力为
销轴工作面的挤压应力 
，
计算结果：
的强度条件，安全。
销轴的剪切应力 
。
计算结果：
的强度条件，安全。
销轴的弯曲应力 
。
计算结果：
的强度条件，安全。
3 旋刀式割草机传动系统设计与计算
本次设计的手推旋刀式割草机的传动部分采用花键连接的轴组成。当发动机工作使得输出轴转动时，通过花键连接的工作轴旋转，使得旋刀也一起转动，通过旋刀的高速旋转动作，将草坪上多余高度的草割断。
3.1 动力传递方案
动力传动方案如图7所示：
图7动力传动方案
3.2 传动比的计算
电动机的转速为3600r/min，用n表示，旋耕刀的转速为 3600 r/min，用
表示，则割草机的传动比
。
3.3 传动系统计算与工作轴设计
割草机的传动轴和输出轴之间用花键连接，花键连接有外花键和内花键组成，花键连接具有受力均匀、可承受较大载荷、对中性好、导向性好等特点，花键连接的齿数尺寸、配合等均按标准选取。本设计采用定心精度越高，定心的稳定性好的矩形花键，矩形花键的定心方式为小径定心。
3.3.1 载荷计算
输入转矩 
名义切向力 
单位载荷 
3.3.2 齿面接触强度计算
齿面压应力 
取
。
齿面许用压应力
。
计算结果：
的强度条件，安全。
3.3.3 齿根弯曲强度计算
齿根弯曲应力,取
,
。
齿根许用弯曲应力
。
计算结果：
的强度条件，安全。
3.3.4 齿根剪切强度计算
。
应力集中系数
。
剪切应力 
。
齿根最大剪切应力 
。
许用剪切应力 
。
计算结果：
的强度条件，安全。
3.3.5齿面耐磨能力计算
齿面压应力 
齿面磨损许用压应力
。
计算结果：
的强度条件，安全。
花键副长期工作无磨损时耐磨损能力计算
齿面压应力 
齿面磨损许用压应力（查表5-3-38）
。
计算结果：
的强度条件，安全。
外花键的扭转与弯曲强度计算
弯矩
，
弯曲应力 
。
当量应力 
。
许用压应力
计算结果：
的强度条件，安全。
4 主要部件的强度分析
轴的校核
对工作轴进行扭转刚度校核计算
对工作轴进行受力分析，其受力分析图如下：轴材料选用合金结构钢40MnB。
,
，
。
图8工作轴的受力图
图9工作轴扭矩图
工作轴所受扭矩 
，
轴的扭转变形角用每米长的扭转角
来表示，阶梯轴的扭转角的计算公式为
。
式中：
——阶梯轴第i段上所受的扭矩，
。
——轴的材料的剪切弹性模量，
，对于钢材，
。
——阶梯轴第i段几面的极惯性矩，
，对于圆轴，
。
——阶梯轴第i段的长度，
。
——阶梯轴受扭矩作用的轴段数。
工作轴的扭转角为
。
。
轴的扭转刚度条件为
，
为轴每米长的允许扭转角，与轴的使用场合有关。对于一般传动轴，可取
；对于精密传动轴，可取
；对于精度要求不高的轴，
。在割草机工作轴的传动中，因为是一般传动，所以取
。
计算结果：满足强度条件，安全。
5 总结
（1）本文分析了目前国内外草坪割草机械的现状及存在问题，研究了普通草坪的物理状况，为旋刀式割草机参数提供依据。
（2）针对当前国内草坪面积不大却形状各异、要求割草灵活方便的问题，结合草坪修剪及方便实用和农艺特点，吸收了JUS-420旋刀式剪草机及其它经典机型的设计理念，提出旋刀式割草机的改进设计的设计思路。
（3）在整机设计中，以汽油发动机作为动力，体积小、成本低、工作可靠、。采用装配式机架，汽油发动机输出动力带动旋刀工作，发动机固定在机架上方，使整机结构简单紧凑又可根据不同工作环境以及工作要求调整机架。行走轮与机架直接固定，通过操向杆实行转向。其他零部件经过计算校核后，尽可能采用通用件或标准件，体现了经济、实用、操作简易、维护简单、成本低廉的设计原则。
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Abstract:For a rotary mower improved design scheme, design two rotary knife height adjustment program, realized the reasonable scope of work. Through the rack adjustment to achieve rotating blade height adjustment, the scheme is simple and easy to implement, and the work is stable and reliable; by adjusting the output shaft and the working shaft with the size to adjust the rotary knife height from the ground, can be mowing height range can realize continuous adjustment, avoids the first scheme only at a few fixed height adjustment between deficiency. Two kinds of scheme using one can achieve the requirements. And the improvement of the rotary cutter structure and adopt more reasonable material and heat treatment method, greatly improved the rotary cutter wear resistance of the rotary cutter service life is greatly improved, while reducing the work noise. And the principle is simple, compact structure, flexible, low cost, convenient use and maintenance of equipment, is suitable for a wide range of application, can greatly improve the garden work mechanization rate, reduce work intensity of workers.
