小型電動(dòng)割草機(jī)的設(shè)計(jì)
摘 要：隨著農(nóng)村現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)正朝著多元化的方向發(fā)展。20多年來畜牧業(yè)發(fā)展較快，與之相應(yīng)的牧草種植面積也不斷擴(kuò)大。目前牧草種植均為中小型牧場，田塊大小不一，高低不平，大型牧草收割機(jī)械難以在這些地區(qū)作業(yè)。而中小型牧場資金有限，而且牧草在一個(gè)生長期內(nèi)多次收割，急需適合中小型牧場的收獲機(jī)械。
根據(jù)收獲對象對收割機(jī)的各種約束條件和設(shè)計(jì)原則，本設(shè)計(jì)確定了小型電動(dòng)割草機(jī)的最佳總體方案和適宜的切割系統(tǒng)主軸轉(zhuǎn)速、切割速比、輸送速比等設(shè)計(jì)參數(shù)。該機(jī)主要由切割系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)三部分組成，自帶動(dòng)力（2.9kW水冷柴油機(jī)）采用立式割臺(tái)、橫向輸送。小型電動(dòng)割草機(jī)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，小巧靈活，轉(zhuǎn)移方便且操作簡捷，整機(jī)通過性能好，適應(yīng)性強(qiáng)。
關(guān)鍵詞： 牧草；割草機(jī)；機(jī)械設(shè)計(jì)；強(qiáng)度計(jì)算；雙動(dòng)
The Design of Small Electric Mower
Abstract:With the quickening course of modernization in the country, the agriculture industrial structure is facing to the multiplex direction. The stock breeding have developed quickly for 20 years, correspondingly the area of the pasture grass have increasingly expanded. At present the pasture grass is the middle or small scale, and the field block size is different, and uneven. Therefore the large-scale pasture grass harvesting machine is difficult to work in these local areas. However the fund of the middle and small scale pasture is limited, the pasture grass have been harvested many times in one vegetal period. So the harvest machines which suit the middle and small scale pasture is needed urgently.
According to resembling design principle and various restraint conditions for reaper, the optimal overall scheme of reaper working on hillside and some suitable design parameters such as rotational speed of main shaft in cutting system, cutting speed index, conveying speed index have been determined. The reaper is mainly composed of cutting, conveying and Transmission system. This machine with self-driven power (the water-cooling diesel engine of 2.9kw) was adopted to vertical header, horizontal conveying .
Keywords: Herbage; Reaper; Machine Design; Strength Evaluation; Double-Propelled
1 前言
1.1 研究目的與意義
我們國家改革開放以來，人民生活水平顯著提高，生活的質(zhì)量也得到了明顯的改善，這都?xì)w功于經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展。經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷加快促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化機(jī)構(gòu)調(diào)整，畜牧業(yè)隨之突顯為主體，在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中所占的比重越來越大。我國的牧草資源豐富，是巨大的天然寶藏，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)我國共有各類天然草二十多種，有33億畝草原，10億畝草山坡地，占國土面積的41.7%，居世界第二位，同時(shí)我國的秸稈資源也是非常豐富的，可以生產(chǎn)大量的飼草。飼草作為發(fā)展畜牧業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，成為畜牧業(yè)發(fā)展規(guī)模和速度的決定因素[1][2]。
隨著農(nóng)村現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)正朝著多元化的方向發(fā)展。南方農(nóng)村地處山丘陵區(qū)，具有適合奶牛、羊、鵝等畜禽養(yǎng)殖的良好條件，20多年來畜牧業(yè)發(fā)展較快，與之相應(yīng)的牧草種植面積也不斷擴(kuò)大。目前牧草種植均為幾公頃至幾十公頃的中小型牧場，田塊大小不一，高低不平，大型電動(dòng)割草機(jī)械難以在這些地區(qū)作業(yè)，這些地理位置對電動(dòng)割草機(jī)械要求的條件比較高。而大多數(shù)中小型牧場運(yùn)作資金有限，不可能花巨資購置成套的牧草收獲機(jī)具，而且成套的電動(dòng)割草機(jī)獲機(jī)械不夠靈活，運(yùn)作大型成套的電動(dòng)割草機(jī)的費(fèi)用比較高。現(xiàn)在種植牧草的品種主要為黑麥草、紫花苜蓿，這些品種韌性大，強(qiáng)度高，人工用鐮刀收割時(shí)刀口在很短時(shí)間就鈍了，農(nóng)戶常將磨刀磚帶到田頭，經(jīng)常磨刀，工作效率低下。人員工資高，造成作業(yè)成本高，而且牧草在一個(gè)生長期內(nèi)多次收割，急需適合中小型牧場的收獲機(jī)械。 所以我們應(yīng)該盡快找到一個(gè)合適的方法目的在于盡快解決牧草收割的難點(diǎn)[3] 。
牧草收獲機(jī)械化技術(shù)在北美以及歐洲地區(qū)已經(jīng)有非常成熟的經(jīng)驗(yàn)，牧草收獲機(jī)械的種類也非常多，而我國的牧草收獲機(jī)械化目前仍處于起步階段，牧草收獲機(jī)械特別是苜蓿的收獲機(jī)械主要是由國外進(jìn)口。無論是對進(jìn)口機(jī)械還是國產(chǎn)機(jī)械，國內(nèi)用戶在購買時(shí)都應(yīng)該慎重，仔細(xì)分析每種機(jī)器的特點(diǎn)、性能以及適應(yīng)性，這樣才能更好地使其發(fā)揮最大的作用，為我國牧草產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)大的裝備支持[4]。
由于我國畜牧機(jī)械業(yè)起步比較晚，在生產(chǎn)工藝、機(jī)械設(shè)計(jì)、加工設(shè)備和自動(dòng)化控制水平等諸多方面與發(fā)達(dá)國家存在著一定的差距。主要的原因是我國的牧草收割機(jī)的品種不齊全，牧草收割的質(zhì)量不能夠達(dá)標(biāo)，這樣就會(huì)影響牧草的再生長，研究牧草收割技術(shù)的人員少，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，再者農(nóng)牧民的購買欲望不夠強(qiáng)烈，嚴(yán)重影響了牧草收割機(jī)的快速發(fā)展。發(fā)達(dá)國家在草原畜牧業(yè)各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)大都已機(jī)械化[5]。
我國的牧草收割技術(shù)設(shè)備與發(fā)達(dá)國家相比有很大的差距，而且大多為仿造產(chǎn)品，品種不全，主要的工作零部件機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇不當(dāng)，生產(chǎn)技術(shù)不成熟，設(shè)備質(zhì)量欠佳，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足日益擴(kuò)大的國內(nèi)草產(chǎn)品生產(chǎn)加工設(shè)備市場的需要。提高國產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量，開發(fā)新結(jié)構(gòu)，無疑會(huì)畜牧業(yè)發(fā)展起到革命性的作用。雖然市場上國外產(chǎn)品質(zhì)量較好，但價(jià)格太高，不太適合國內(nèi)市場的消費(fèi)水平，所以開發(fā)性能良好、自動(dòng)化程度高、外形輕巧美觀，而且價(jià)格適中的國產(chǎn)收割機(jī)將是我國牧草收割設(shè)備的關(guān)鍵機(jī)械之一，對促進(jìn)飼草產(chǎn)業(yè)化繼承會(huì)起到舉足輕重的作用[6]。
目前，我國牧草的種植收獲主要依靠人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，功效低，有時(shí)得不到及時(shí)收獲，難以適應(yīng)規(guī)?；?、商品化及市場發(fā)展的要求。小型牧草收割機(jī)普遍得到牧草專業(yè)戶的歡迎，能減輕牧草收獲時(shí)繁重的體力勞動(dòng)，同時(shí)減少工人割草的時(shí)候?qū)δ敛莸嫩`踏，還有工人用手工割草時(shí)對草根的傷害，使牧草生長的更旺盛，用電動(dòng)割草機(jī)割的草長度一致，便于捆扎和運(yùn)輸，給剩下的環(huán)節(jié)帶來了很大的方便。隨著牧草產(chǎn)業(yè)的迅速崛起，給牧草機(jī)械化發(fā)展帶來了新的機(jī)遇，小型電動(dòng)割草機(jī)市場需求空間很大，前景廣闊[7]。
1.2 國內(nèi)外發(fā)展歷史及現(xiàn)狀
1.2.1 國外電動(dòng)割草機(jī)的生產(chǎn)研究概況
國外研制和生產(chǎn)牧草收獲機(jī)械起步早，發(fā)展較快。尤其是美、德、法、意、日等發(fā)達(dá)國家在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。
1805年英國工程師托馬斯·普拉克內(nèi)特獲得了第一臺(tái)割草機(jī)的發(fā)明專利，那是一臺(tái)裝有環(huán)形刀身的笨重機(jī)器，而且運(yùn)轉(zhuǎn)不很理想。在1830年由埃溫·馬丁制造的割草機(jī)類似于今天使用的手扶滾筒割草機(jī)。早期應(yīng)用普遍的是往復(fù)式割草機(jī)，為了提高機(jī)具的生產(chǎn)率，盡量加大割幅以及提高機(jī)具的前進(jìn)速度。到了20世紀(jì)70年代各國開始研制使用旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)，利用高速旋轉(zhuǎn)的割刀對植株進(jìn)行無支撐切割的工具，具有結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間少，不需要磨刀、換刀等優(yōu)點(diǎn)。
美國約翰·迪爾公司和紐荷蘭公司目前是世界上最大的牧草機(jī)械制造商，美國約翰·迪爾公司牧草機(jī)械有 13個(gè)品種 49個(gè)機(jī)型；紐荷蘭公司現(xiàn)生產(chǎn) 12個(gè)品種 25個(gè)機(jī)型[3]。具有領(lǐng)先地位的產(chǎn)品有牽引式往復(fù)割草壓扁機(jī)、自走式割草壓扁機(jī)，如 NEWHOLLAND471、488、499、1465 型等，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：配有護(hù)刃器和短齒護(hù)刃器，根據(jù)牧草作物生長情況選用，不發(fā)生堵塞現(xiàn)象；能手動(dòng)或液壓調(diào)節(jié)切割器護(hù)刃器傾角，適用于多石塊、坡地的田間作業(yè)；可靠的齒輪箱驅(qū)動(dòng)壓扁輥，不需要調(diào)整任何鏈條等優(yōu)點(diǎn)[4]。英國的 Hesston 往復(fù)式割草機(jī)，如 1275 型，具有國際領(lǐng)先水平。傳動(dòng)系統(tǒng)通過變速箱及主傳動(dòng)軸將動(dòng)力送到割草機(jī)輾壓輪，再經(jīng)過二級變速箱通過皮帶傳到割刀；采用時(shí)間控制，雙動(dòng)割刀，割刀速度為 1800 行程/分鐘，兩邊各有一個(gè)平衡飛輪，以減少振動(dòng)及幫助割刀切割；其加強(qiáng)型剛性刀桿提供長久維護(hù)，護(hù)刃器經(jīng)二次熱處理，使其具有可靠的耐磨性；采用可調(diào)浮動(dòng)彈簧，使割刀能完全自由浮動(dòng)；方便的護(hù)刃角調(diào)節(jié)，可適合不同地勢及作物狀況等[5]。世界著名牧草機(jī)械制造商約翰·迪爾 John Deer 和凱斯 CAS 廠商不斷研制開發(fā)新型多功能聯(lián)合收獲機(jī)械，如 CASE Combine Harvester515，整機(jī)性能優(yōu)異，可收獲 40 多種農(nóng)作物及牧草，操作方便，可靠耐用，可以毫不費(fèi)力地應(yīng)付潮濕倒伏密集的牧草及坡地上的作物[6]。因此，國外牧草收獲機(jī)械研究開發(fā)從整機(jī)性能上已日益完善。
近年來，歐美等天然草場面積較大的發(fā)達(dá)國家的收割設(shè)備更成熟，結(jié)構(gòu)參數(shù)更合理，更可靠，生產(chǎn)率也很高。國際著名的農(nóng)機(jī)生產(chǎn)商如美國紐荷蘭、約翰迪爾、凱斯公司，英國福格森公司，韓國成元公司，德國威格公司和前進(jìn)公司的收割機(jī)都已系列產(chǎn)生，這些設(shè)備無論在機(jī)械結(jié)構(gòu)、動(dòng)力配套、液壓系統(tǒng)還是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面都處理得很成功，一些新的設(shè)計(jì)理論、最新科研成果的應(yīng)用在這些機(jī)械上都有體現(xiàn)。在一些發(fā)達(dá)國家，如美國牧草收割機(jī)已全部實(shí)行機(jī)械化，由牽引發(fā)展成自走式，已發(fā)明出機(jī)器人式割草機(jī)，牧草業(yè)已成為國民經(jīng)濟(jì)一大產(chǎn)業(yè)[8]。
但由于國外的收獲機(jī)械以大型為主，其機(jī)具轉(zhuǎn)彎半徑大，需要地頭長，組織水平要求高，價(jià)格昂貴，因此考慮種植方式，作業(yè)地塊條件及農(nóng)牧民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等多種因素，國外電動(dòng)割草機(jī)在我省推廣應(yīng)用存在很大的局限性。
1.2.2 國內(nèi)電動(dòng)割草機(jī)機(jī)的生產(chǎn)研究概況
我國牧草機(jī)械產(chǎn)業(yè)化起步晚。與許多的發(fā)達(dá)國家相比有很大的差距。在50年代末海拉爾機(jī)械廠生產(chǎn)出了新型的畜力割草機(jī)，同時(shí)還生產(chǎn)了引爆單刀割草機(jī)。60年代內(nèi)蒙古畜牧機(jī)械研究所進(jìn)行了后懸掛雙刀高速割草機(jī)的研究，雙動(dòng)刀高速割草機(jī)接近當(dāng)時(shí)國外同類產(chǎn)品先進(jìn)水平，由于某種原因約十年的時(shí)間停止了這方面的研究工作。70年代內(nèi)蒙古和分別研制成單圓盤，雙圓盤和四圓盤旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)，這些割草機(jī)適合于高密度的人工種植和天然草場收割，具有割茬低等。我國在85年又研制出了六盤全齒式旋轉(zhuǎn)割草機(jī)。20 世紀(jì) 80 年代中期以來，我國對草地畜牧業(yè)投入嚴(yán)重不足，相對支持力度減緩甚至下降，使得許多牧草機(jī)械制造企業(yè)紛紛轉(zhuǎn)產(chǎn)或停產(chǎn)，再加上我國與歐美等發(fā)達(dá)國家存在著技術(shù)差距和制造手段、工藝等方面的差距，使得我國與國外同類產(chǎn)品的制造能力和水平的距離進(jìn)一步拉大，其產(chǎn)品類型只有圓盤式旋轉(zhuǎn)割草機(jī)、后懸掛往復(fù)割草機(jī)、機(jī)引單刀割草機(jī)、指盤式摟草機(jī)、圓捆、方捆打捆機(jī)等，目前，人們多熱衷于討論種植牧草的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，但對于如何實(shí)現(xiàn)上述效益，討論研究較少。由于嚴(yán)重缺乏適合農(nóng)牧民的牧草收獲機(jī)械，造成農(nóng)牧民種草豐產(chǎn)不豐收，或豐產(chǎn)欠收。盡管我國牧草收獲機(jī)械，在引進(jìn)、消化的基礎(chǔ)上也初步形成了散草、方捆、圓捆、壓垛、二次加壓打包作業(yè)工藝系統(tǒng)，但每種作業(yè)機(jī)械多數(shù)為單一機(jī)型，各作業(yè)工序間機(jī)具與動(dòng)力配套性差，特別是我國農(nóng)村實(shí)行草畜雙承包到戶生產(chǎn)責(zé)任制以后，地塊變小，用戶不能根據(jù)自己的經(jīng)營規(guī)模選擇合適的機(jī)具，機(jī)具使用效益不高，造成供需脫節(jié)。 目前，我國生產(chǎn)的牧草收獲機(jī)械的主要企業(yè)有3家（海拉爾牧業(yè)機(jī)械總廠、寶昌牧業(yè)機(jī)械廠和畜牧機(jī)械廠）。海拉爾牧業(yè)機(jī)械總廠是全國牧草收獲機(jī)械的最大生產(chǎn)廠家。該廠生產(chǎn)的天然草場和低產(chǎn)人工草場的割、摟產(chǎn)品，技術(shù)上比較成熟，且市場占有率高、量大而面廣，但它在種植高產(chǎn)牧草的收割方面競爭力較小。
目前甘肅酒泉地區(qū)農(nóng)機(jī)推廣站研制成功新式的二圓盤旋轉(zhuǎn)牧草收割機(jī)，正式通過技術(shù)鑒定，準(zhǔn)予批量生產(chǎn)，可收割各類高密度的人工種植和天然牧草。
在2002年上海向明公司也自行研制出了圓盤后掛式割草機(jī)，它是利用拖拉機(jī)輸出的動(dòng)力和行走裝置進(jìn)行收割牧草作業(yè)。 現(xiàn)在我們研究的方向是趨向方便和省時(shí)省力。
總體來講我國牧草收獲機(jī)械化水平還是很低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，品種單一，且草地單位面積擁有整套割、摟、裝、運(yùn)設(shè)備數(shù)量與美國相比差距懸殊。
1.2.3 國內(nèi)外電動(dòng)割草機(jī)械切割部件發(fā)展概況
切割部件是電動(dòng)割草機(jī)械的最主要的部件，國內(nèi)外電動(dòng)割草機(jī)械按其切割部件的結(jié)構(gòu)分為往復(fù)式和圓盤式割草機(jī)；按其行走動(dòng)力分為牽引式、半懸掛式、懸掛式、自走式割草機(jī);按照割草幅寬可為窄幅和寬幅式割草機(jī)。
（1）往復(fù)式切割器割草機(jī)研究發(fā)展概況
往復(fù)式割草機(jī)具有最悠久的歷史。它適于收割天然牧草和種植牧草，具有割茬低而整齊，牧草損失少，便于調(diào)整使用等優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展過程是從畜力到機(jī)引；從牽引到懸掛。其發(fā)展趨勢是提高生產(chǎn)效率，一是提高前進(jìn)速度，二是增加割幅。加大割幅將增加金屬消耗量，因此以提高前進(jìn)速度更為有利。但為保證切割質(zhì)量，必須同時(shí)提高切割器切割速度。由于切割速度提高，引起割刀往復(fù)慣性力大為增加，會(huì)造成機(jī)器震動(dòng)和機(jī)件損壞，切割高產(chǎn)或濕潤牧草常產(chǎn)生堵刀現(xiàn)象。這種割草機(jī)雖有這些缺點(diǎn)，但目前仍作為一種標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型被國內(nèi)外廣泛使用和大量生產(chǎn)，并且在不斷完善和改進(jìn)。
（2）回轉(zhuǎn)式割草機(jī)研究發(fā)展概況
近年來，西歐由于種植牧草面積大量增加，并使用大量含氮肥料使牧草高大，茂密而趨于倒伏。因此，回轉(zhuǎn)式割草機(jī)得到迅速發(fā)展，它屬無支承切割。切割器刀片安裝在刀盤上，并隨刀盤一起回轉(zhuǎn)進(jìn)行割草，其前進(jìn)速度高，有較高的生產(chǎn)率，不產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，更換刀片簡易，保養(yǎng)方便。但回轉(zhuǎn)式割草機(jī)功率消耗較大，為 10～6 馬力/米。（普通往復(fù)式割草機(jī)為 1～2 馬力/米，雙動(dòng)刀割草機(jī)為 4～8 馬力/米）工作幅重割區(qū)大，割茬不齊，碎草多，且對地面的平坦程度要求較高。在牧草剛度小時(shí)易使割茬高度增加，因此較適于高產(chǎn)硬桿牧草，在西歐比較盛行。
2 整體方案的確定
2.1 割草機(jī)類型的選擇
2.1.1 按切割裝置分類
割草機(jī)按其切割裝置來分可分為刀片往復(fù)運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)兩類。根據(jù)相關(guān)的資料介紹其兩類割草機(jī)在收割時(shí)所需的動(dòng)力不一樣，往復(fù)運(yùn)動(dòng)的割草機(jī)所需的動(dòng)力較小，所以往復(fù)運(yùn)動(dòng)的割草機(jī)就成為了主流。如圖1所示是兩種割草機(jī)在收割時(shí)，所需動(dòng)力的對比[8]。
圖1旋轉(zhuǎn)式和往復(fù)式割草機(jī)所需動(dòng)力的比較
Fig1 Comparison of rotating and reciprocating mower required power
所以本設(shè)計(jì)選用的割草機(jī)是往復(fù)式割草機(jī)。
2.1.2 往復(fù)式割草機(jī)的分類
往復(fù)式割草機(jī)主要分為以下幾類：
（1）手扶拖拉機(jī)配套；又分為前懸掛式和牽引式:；
（2）乘座式拖拉機(jī)配套；又分為前懸掛式和牽引式；
（3）連桿式割草機(jī)；采用曲柄輪和連桿驅(qū)動(dòng)的形式；
（4）無連桿式割草機(jī)；又稱作平衡驅(qū)動(dòng)割草機(jī)，通過動(dòng)刀的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在此過程中所產(chǎn)生的不平衡又重錘吸收。
以上的割草機(jī)都是固定式定刀，只有一個(gè)動(dòng)刀，單動(dòng)刀的運(yùn)動(dòng)頻率低，容易卡滯堵塞，難以適應(yīng)柔性莖桿牧草的切割，而且工作時(shí)平衡能力差。雙動(dòng)刀割草機(jī)是兩組刀片相反反向切割。因此驅(qū)動(dòng)裝置和刀片支撐裝置的構(gòu)造比較復(fù)雜，但驅(qū)動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)平衡較優(yōu)越，刀片的往復(fù)次數(shù)非常高，所以作業(yè)時(shí)相對比較快。結(jié)合當(dāng)前養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展的特點(diǎn)，牧草機(jī)械的研制在機(jī)型上以小型為主，在研究內(nèi)容上，重點(diǎn)解決勞動(dòng)強(qiáng)度大，用工多的牧業(yè)生產(chǎn)作業(yè)，考慮部分牧場的規(guī)模等，所以本論文主要設(shè)計(jì)一種小型輕便的雙動(dòng)刀的往復(fù)式割草機(jī)械。
2.2 方案確定
通過以上的分析和比較，選用雙動(dòng)往復(fù)式割草機(jī)。電動(dòng)割草機(jī)主要有動(dòng)力源、切割系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)和行走系統(tǒng)組成。
割草機(jī)的動(dòng)力由柴油機(jī)提供。選擇單缸兩沖程的柴油機(jī)，它的額定功率為2.9kW,轉(zhuǎn)速為2600r/min,外形尺寸為166×196×208。
切割系統(tǒng)，選用雙刀片往復(fù)式。因?yàn)閱蔚镀\(yùn)動(dòng)時(shí)，它的速度不能達(dá)到切割牧草所需要的速度，雙刀片割草機(jī)的速度是單刀片割草機(jī)的兩倍。將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橥鶑?fù)運(yùn)動(dòng)采用雙曲柄機(jī)構(gòu)。
傳動(dòng)系統(tǒng)中動(dòng)力由柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶輪輸出后，經(jīng)三角皮帶輪和一對錐齒輪兩級減速，并改變傳動(dòng)方向后傳遞給曲柄主軸，在經(jīng)過聯(lián)軸器將動(dòng)力傳遞給凸輪軸，帶動(dòng)刀片進(jìn)行切割，同時(shí)，切割器曲柄主軸經(jīng)一對小鏈輪將驅(qū)動(dòng)力傳遞給輸送系統(tǒng)。減速器中采用錐齒輪傳動(dòng)。
輸送系統(tǒng)采用皮帶傳輸，傳輸帶上裝有撥齒，將牧草輸送到收割機(jī)的右側(cè)。
行走系統(tǒng)，目前行走系統(tǒng)采用人工推行，暫時(shí)不考慮機(jī)動(dòng)行走，這樣也是為了從經(jīng)濟(jì)方面考慮。行走輪的直徑為250mm。
小型電動(dòng)割草機(jī)要能適應(yīng)目前主要種植的黑麥草、紫花苜蓿和三葉草等品種。這些品種在形狀、性能上差異較大，切割強(qiáng)度明顯不同，故對牧草切割裝置要求較高，對刀刃型式、切割運(yùn)動(dòng)速度及相關(guān)參數(shù)都要有兼容收割能力。牧草機(jī)的動(dòng)力機(jī)型要小巧，工作可靠；操作上要簡單便利，整機(jī)輕便，價(jià)格低廉。根據(jù)以上原則，并結(jié)合牧草收割的農(nóng)藝要求，本論文所設(shè)計(jì)的小型電動(dòng)割草機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)：
配套動(dòng)力：柴油機(jī)2.9kW；
割幅： 1 m；
割茬高度：45mm左右；
切割形式：雙動(dòng)往復(fù)式；
適用作物高度：600mm左右；
刀片刃口：平面形；
刀齒間距：39mm；
刀片運(yùn)動(dòng)速率：>1800次/min；
前進(jìn)方式：手扶推行式；
操縱人數(shù)：1人；
工效：334m2/h左右。
2.3 本章小結(jié)
這一章主要是確定小型電動(dòng)割草機(jī)總體的設(shè)計(jì)方案。確定割草機(jī)的類型為雙動(dòng)往復(fù)式收割機(jī)。其中的切割系統(tǒng)中采用雙動(dòng)刀片；傳動(dòng)系統(tǒng)中減速器采用錐齒輪傳動(dòng)；輸送系統(tǒng)采用帶傳動(dòng)。這一章主要是設(shè)計(jì)小型電動(dòng)割草機(jī)的大體的方案，為以后的設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。
3切割系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1 切割器主要參數(shù)的分析
切割器是各種割草機(jī)最主要的部件，其工作效率和作業(yè)質(zhì)量直接影響整機(jī)性能。目前割草機(jī)上普遍采用往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式切割器。因回轉(zhuǎn)式切割器切割功率消耗大，對地面的平坦程度要求較高，不適應(yīng)于山地、丘陵、梯田等地段，因此選用普通Ⅰ往復(fù)式切割器[2]。在工作時(shí)，柴油機(jī)輸出回轉(zhuǎn)動(dòng)力，經(jīng)過輸入軸將動(dòng)力傳輸給曲柄主軸,再經(jīng)曲柄機(jī)構(gòu)變?yōu)橥鶑?fù)運(yùn)動(dòng)。
3.1.1 往復(fù)式切割器影響切割質(zhì)量的因素分析
切割速度與進(jìn)給速度之間的關(guān)系，用切割速比來描述。在動(dòng)刀高度一定時(shí)，重割區(qū)和空白區(qū)的大小與機(jī)器前進(jìn)速度和曲柄轉(zhuǎn)速有密切的關(guān)系，其關(guān)系用切割進(jìn)程表示。數(shù)學(xué)式為
（1）
式中 ——機(jī)器前進(jìn)速度（m/s）；
——割刀運(yùn)動(dòng)一個(gè)行程時(shí)間。
因?yàn)橥鶑?fù)切割器割刀運(yùn)動(dòng)一個(gè)行程，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)180°，其時(shí)間為
= （2）
將（2）代入（1）得
= （3）
式中 ——曲柄轉(zhuǎn)速（r/min）。
因牧草稠密多汁，切割阻力大，往復(fù)式割草機(jī)切割速度應(yīng)大于 2.15m/s[3]。但切割速度太大，慣性力增加，引起機(jī)器震動(dòng)，因此選擇適宜切割速度是關(guān)鍵，曲柄主軸轉(zhuǎn)速 738 r/min。曲柄旋轉(zhuǎn)一周，割刀完成兩個(gè)行程，則割刀平均速度為
=（m/s） （4）
= = 1.87 m/s
式中 ——曲柄半徑（mm）；
——曲柄轉(zhuǎn)速（r/min）；
因?yàn)榍懈钏俦圈? 將（1）、（3）代入整理得
λ= （5）
現(xiàn)有割草機(jī) =（1.1～1.5） 代入（5）式得
λ= （6）
——?jiǎng)拥度懈叨龋╩m），標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ型切割器動(dòng)刀刃高度為 54，代入（6）得
λ= = 0.94～1.28
為保證切割質(zhì)量，實(shí)際切割速比應(yīng)大于理論切割速比，理論進(jìn)給速度 取機(jī)器穩(wěn)定行駛所允許的最高速度。
3.1.2 技術(shù)參數(shù)的分析和評價(jià)
當(dāng)曲柄主軸轉(zhuǎn)速為 738 r/min，切割器平均速度 =1.87m/s，收割機(jī)平均作業(yè)速度=0.99m/s，切割器選標(biāo)準(zhǔn) I 型，為保證切割質(zhì)量，應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)那懈钏俦取Ｇ懈钏俦纫话愦笥?.02[3]，本機(jī)在平均工況下 =1.87>1.02，故本機(jī)的設(shè)計(jì)是合理的。
3.2 凸輪軸的設(shè)計(jì)
切割時(shí)為實(shí)現(xiàn)從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到雙刀的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，必需有一個(gè)中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)就是雙曲柄機(jī)構(gòu)，采用偏心輪式結(jié)構(gòu)，由兩偏心輪和凸輪軸組成。由于本文設(shè)計(jì)的是雙刀割草機(jī)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的受力情況正好相反，相互抵消，所以凸輪軸平衡能力較好，就不需要校核計(jì)算了。
3.2.1 凸輪軸的設(shè)計(jì)
凸輪軸的動(dòng)力是經(jīng)曲柄主軸通過聯(lián)軸器傳動(dòng)動(dòng)力，故該軸的輸入功率是2.45kW，軸的材料選用40Cr調(diào)質(zhì)，=112～97，=35～55MPa，軸的轉(zhuǎn)速n=738r/min，則計(jì)算軸的最小軸徑：
（7）
取，MPa 則：
mm
由于軸上開鍵槽,考慮鍵槽對軸的強(qiáng)度削弱,應(yīng)增大軸徑,一般有一個(gè)鍵槽時(shí),軸徑增大3%左右,有兩個(gè)鍵槽時(shí)應(yīng)增大7%左右,然后圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑,因此
將圓整成16mm。
軸的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2
圖2 凸輪軸的結(jié)構(gòu)示意圖
Fig2 Schematic diagram of the structure of the camshaft
3.2.2 確定凸輪軸的各段直徑和長度
由圖可知軸段上最小直徑在凹槽處，故④段的直徑即mm， mm。
軸段①是和曲柄主軸聯(lián)接的聯(lián)軸器，根據(jù)聯(lián)軸器中許用的直徑，取mm， mm。
軸段②是定位軸肩，取mm，mm。
軸段③是安裝偏心輪，根據(jù)偏心輪的直徑和厚度可得mm， mm。
軸段⑤上是圓螺母，故mm，mm。
3.3 切割裝置的設(shè)計(jì)
3.3.1 動(dòng)刀的結(jié)構(gòu)
切割裝置主要是由一對往復(fù)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)刀和固定不動(dòng)的支撐部分組成，動(dòng)刀和刀桿做成一體，刀桿和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，用以將動(dòng)力傳遞給動(dòng)刀。固定支撐部分包括刀架，間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等，工作時(shí)雙刀同時(shí)作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，對雙刀間的牧草進(jìn)行收割。
動(dòng)刀是切割器的主要工作零件，采用光刃結(jié)構(gòu)，光刃切割省力，割荏整齊，但易磨鈍，工作中需經(jīng)常磨刀，主要用于牧草收割。動(dòng)刀片是一種易損件，為了保證具有較好的耐磨性和一定的沖擊韌性，刀片一般用合金鋼制成，刃部需淬火。
動(dòng)刀的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3動(dòng)刀的結(jié)構(gòu)
Fig3 The knife structure
1、 下動(dòng)刀 2、上動(dòng)刀 3、壓板 4 機(jī)架 5、墊片 6、螺母 7、螺栓 8、墊片
圖4刀片的間隙調(diào)整
Fig4 The blade gap adjustment
3.3.3 偏心輪的設(shè)計(jì)
偏心輪是該機(jī)器的最主要的一個(gè)部件，要想實(shí)現(xiàn)從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到雙刀的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，必需有一個(gè)中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)就是雙曲柄機(jī)構(gòu)，采用偏心輪式的結(jié)構(gòu)。
偏心輪的結(jié)構(gòu)如圖5所示：
圖5偏心輪
Fig5 Eccentric gear
3.3.4 切割裝置附件的設(shè)計(jì)
1、壓板 （見圖6）
圖6 壓板
Fig6 Clamp
2、機(jī)架 （見圖 7）
圖7 機(jī)架
Fig7 Frame
3.4 本章小結(jié)
本章主要是分析切割器的參數(shù)，通過原理分析，根據(jù)電動(dòng)割草機(jī)的工作情況計(jì)算出機(jī)器前進(jìn)的速度和割刀切割的速度，同時(shí)進(jìn)行切割裝置的設(shè)計(jì)，切割裝置是牧草收割機(jī)的主要組成部分，其性能影響整個(gè)牧草的收割質(zhì)量。切割裝置的設(shè)計(jì)包括刀片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、刀片間隙的調(diào)整、偏心輪的設(shè)計(jì)和相關(guān)附件的設(shè)計(jì)。
4 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
傳動(dòng)系統(tǒng)將柴油機(jī)的動(dòng)力分別傳送給切割器和輸送系統(tǒng)。
4.1 傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳動(dòng)比的確定
4.1.1 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)電動(dòng)割草機(jī)切割系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)的工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)見圖8。
1、柴油機(jī) 2、聯(lián)軸器 3、動(dòng)力輸入皮帶輪 4、輸入軸大皮帶輪 5、小錐齒輪 6、 大錐齒輪 7、輸送主動(dòng)鏈輪 8、輸送從動(dòng)鏈輪 9、偏心輪 10、輸送帶輪 Ⅰ、減速箱輸入軸 Ⅱ、曲柄主軸 Ⅲ、凸輪軸 Ⅶ、 輸送主軸
圖8 傳動(dòng)系統(tǒng)簡圖
Fig8 Drive system schematic
由圖8可知，動(dòng)力由柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶輪輸出后經(jīng)皮帶輪3、4和一對錐齒輪5、6兩級減速，并改變傳動(dòng)方向后傳遞給曲柄主軸。曲柄主軸經(jīng)聯(lián)軸器將動(dòng)力傳遞給凸輪軸帶動(dòng)刀桿及動(dòng)刀做往復(fù)切割運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，切割器曲柄主軸經(jīng)一對小鏈輪7、8將驅(qū)動(dòng)力傳遞給輸送系統(tǒng)。
4.1.2 傳動(dòng)比確定
1、曲軸主軸的轉(zhuǎn)速
==m/s （8）
往復(fù)式切割器割刀平均速度常為 1.6～2.0 m/s，由公式（8）得
== 631.58～789.5 r/min
取曲柄主軸轉(zhuǎn)速=738 r/min。
2、確定傳動(dòng)比
在標(biāo)定工作狀況，柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速=2600r/min,功率=2.9kW,動(dòng)力經(jīng)皮帶輪輸出分兩路。一路經(jīng)二級減速后，直接傳遞給曲柄主軸（nⅡ=738r/min）。因此切割系統(tǒng)傳動(dòng)比為：
= ·===3.52 （9）
式中 —— 一級皮帶輪減速比；
—— 二級圓錐齒輪減速比。
各種傳動(dòng)的傳動(dòng)比[4]： 平帶傳動(dòng)比≤ 5 ；錐齒輪傳動(dòng)比≤ 5；
鏈輪傳動(dòng)比≤ 6 ；
根據(jù)相似設(shè)計(jì)法和結(jié)構(gòu)空間位置，取 =1.5 即：
=
式中 —— 小皮帶輪的直徑（mm）；
—— 大皮帶輪的直徑（mm）。
由式（9）得
=
即
=
式中 —— 二級減速主動(dòng)小錐齒數(shù)；
—— 二級減速從動(dòng)大錐齒數(shù)。
輸送系統(tǒng)傳動(dòng)是通過曲柄主軸中央的小鏈輪，經(jīng)同比傳動(dòng)給輸送主軸，獲得動(dòng)力帶動(dòng)輸送帶橫向輸送。
4.2 割草機(jī)功率需求分析和傳動(dòng)效率
4.2.1 割草機(jī)的功率分析
割草機(jī)功率包括立式割臺(tái)往復(fù)切割器切割功率和輸送功率。 即：
（10）
其中
=（kW）[5] （11）
式中 —— 機(jī)器前進(jìn)速度（m/s）；
—— 機(jī)器割幅（m）；
—— 切割每平方米面積的莖稈所需的功率（N·m/m2）。
經(jīng)測定，割草= 200～300，[5]所以
==1.94
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)輸送系統(tǒng)功率需求為
（12）
式中 —— 輸送系統(tǒng)單位割幅所需功率（kW/m）， 一般取0.22～0.25 kW[11]，則
=0.22×1 = 0.22 kW
（12）式中未考慮傳動(dòng)效率和空轉(zhuǎn)所需的功率，故立式割臺(tái)往復(fù)收割機(jī)最低所需總功率為：
kW
4.2.2 割草機(jī)的傳動(dòng)效率
切割器的往復(fù)運(yùn)動(dòng)工作是由柴油機(jī)的皮帶輪輸出動(dòng)力，經(jīng)皮帶輪、圓錐齒輪二級減速見圖9。皮帶輪傳動(dòng)效率取，圓錐齒輪傳動(dòng)效率[11]，則切割系統(tǒng)總的傳動(dòng)效率
圖9 切割系統(tǒng)傳動(dòng)圖
Fig9 Cutting system transmission diagram
（1）各軸的轉(zhuǎn)速
Ⅰ軸 r/min
Ⅱ軸 r/min
（2）各軸的功率
Ⅰ軸 kW
Ⅱ軸 kW
（3）各軸的扭矩
電機(jī)軸 N·m
Ⅰ軸 N·m
Ⅱ軸 N·m
表1 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)
Table1 Kinematic and dynamic parameters
軸名
參數(shù)
電動(dòng)機(jī)軸
Ⅰ軸
Ⅱ軸
轉(zhuǎn)速/（r/min）
2600
1733
738
功率/（kW）
2.9
2.78
2.70
扭矩/（N·m）
10.65
15.32
34.94
傳動(dòng)比
1.5
2.35
效率
0.96
0.97
4.3 減速器的設(shè)計(jì)
4.3.1 錐齒輪的設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)切割系統(tǒng)總傳動(dòng)比3.52:1，可進(jìn)行二級減速，一級通過動(dòng)力皮帶輪輸出減速，第二級因要滿足回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)最終轉(zhuǎn)化為割刀往復(fù)運(yùn)動(dòng)，故設(shè)計(jì)二級減速為一對圓錐齒輪。
1、選擇材料 兩錐齒輪用40Cr,滲碳淬火齒面硬度58-62HRC。
2、選取精度等級 表面因采用淬火處理，故初選7級精度。
3、因?yàn)槭情]式硬齒面齒輪傳動(dòng)，故初選小齒輪齒數(shù) 。
4、閉式硬齒面齒輪傳動(dòng)，采用齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式，齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核公式。
5、 齒根彎曲疲勞設(shè)計(jì)，公式為：
（13）
（1）齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩
N·m
（2）取齒寬系數(shù)，齒寬中點(diǎn)的平均分度圓直徑和模數(shù) ，故。[11]
（3）由齒輪的抗彎疲勞極限圖查得大、小齒輪的抗彎疲勞強(qiáng)度極限 MPa。
（4）由抗彎疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù)圖查得抗彎疲勞壽命系數(shù)。
（5）應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（14）
式中 ——軸的轉(zhuǎn)速（r/min ，r/min ）；
——齒輪每轉(zhuǎn)一周時(shí)齒面嚙合次數(shù)，取=1；
——齒輪工作壽命，取300小時(shí)。
則
（6）計(jì)算抗彎疲勞許用應(yīng)力，錐齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)。
MPa
MPa
（7）計(jì)算載荷系數(shù)
（15）
式中 ——工作情況系數(shù)，由使用系數(shù)表[7]查得；
——?jiǎng)恿d荷系數(shù)。
由動(dòng)載系數(shù)圖查得 =1.11；
——嚙合齒對間載荷分配系數(shù)，取1；
——齒輪傳動(dòng)載荷分布不均勻系數(shù)，由齒向載荷分布不均系數(shù)圖查得。
即
（8）查取齒形系數(shù)，由齒形系數(shù)及應(yīng)力修正系數(shù)查得，。
（9）查取應(yīng)力校正系數(shù)，由齒形系數(shù)及應(yīng)力修正系數(shù)查得 ，。
（10）計(jì)算大、小齒輪的 并加以比較
小齒輪的數(shù)值大。
（11）設(shè)計(jì)計(jì)算
mm
就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值=2mm。
6、 幾何尺寸計(jì)算
（1）計(jì)算分度圓直徑
mm
mm
（2）錐角
（3）根高 （其中 =1 ）
（4）齒根角
（5）頂圓直徑
mm
mm
（6）齒根圓直徑
mm
mm
（7）錐距
mm
（8）齒根角
故=3.0052°
（9）分度圓齒厚
mm
7、齒輪強(qiáng)度校核
按齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核
（16）
式中 ——節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，對于標(biāo)準(zhǔn)直齒輪 =2.5；
——彈性系數(shù)，由彈性系數(shù)表查得；
——接觸疲勞許用應(yīng)力（MPa）；
（17）
式中 ——齒輪材料的接觸疲勞極限（MPa）；
——接觸疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù)，由接觸疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù)圖查得；
——接觸疲勞強(qiáng)度最小安全系數(shù)，取 ；
MPa
MPa
MPa＜
故二級錐齒輪齒面接觸強(qiáng)度合理。
4.3.2 減速箱輸入軸的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核
（1）減速箱輸入軸的設(shè)計(jì)
該軸的一端與皮帶輪相聯(lián)，另一端與小錐齒輪相聯(lián)，且都是懸臂式，軸的材料選用45鋼調(diào)質(zhì)時(shí)，取皮帶輪的傳動(dòng)效率為0.96，則計(jì)算出皮帶輪和齒輪與軸相聯(lián)地方軸的直徑
（18）
式中 ——軸傳遞的功率（kW）；
——軸的轉(zhuǎn)速（r/min）
由前面的計(jì)算可知kW，r/min
mm
由于軸上開鍵槽，考慮鍵槽對軸的強(qiáng)度削弱，應(yīng)增大軸徑，一般有一個(gè)鍵槽時(shí)，軸徑增大3%左右，有兩個(gè)鍵槽時(shí)應(yīng)增大7%左右，然后圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑，因此
mm
將圓整成 14mm，即mm。
由于與皮帶輪相聯(lián)的軸徑較長，且是懸臂式，與減速箱體相配，見圖10。
圖10 軸結(jié)構(gòu)示意圖
Fig10 Schematic diagram of shaft structure
（2）確定輸入軸各段的直徑和長度
各軸段的直徑是在扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算而得的最小直徑的基礎(chǔ)上，考慮軸上零件的軸向定位及裝拆要求，由軸端起逐段加以確定。
各軸段的長度，主要取決于各零件與軸配合部分的軸向尺寸和零件間必要的軸向間隔的距離。
由上計(jì)算可知求得輸入軸的最小直徑=14mm，該處與小錐齒輪連接，故軸段①的直徑=14mm，該軸上除安裝齒輪外還有固定錐齒輪的套筒，則 =14+10+2=16mm。
軸段②上安裝滾動(dòng)軸承，因軸上零件安裝的是錐齒輪，軸定位時(shí)采用一對角接觸球軸承，選用7004AC型角接觸球軸承。故該段的直徑和長度應(yīng)等于軸承內(nèi)徑和寬度，即=20mm,右端定位是套筒，其長度比齒輪輪轂寬度小2mm，故=10mm。
軸段③為軸肩定位軸承，為保證軸承的軸向固定，則mm，mm。
軸段④上也安裝軸承，故直徑與②的直徑相等，則mm，mm。
軸段⑤上安裝彈性擋圈以固定它右側(cè)的軸承，則取mm，mm。
軸段⑥上預(yù)留端蓋安裝的尺寸，則mm，mm。
軸段⑦上安裝有皮帶輪，考慮到帶輪裝拆方便，故mm，mm。
（3）軸的受力分析
軸的受力分析見圖11。
因?yàn)檩S的輸入功率為2.78kW，轉(zhuǎn)速=1733r/min ，=18
輸入轉(zhuǎn)矩
N·mm
作用在小錐齒輪上的各力：
（19）
式中 ——小齒輪齒寬中點(diǎn)平均分度圓直徑，；
——齒寬中點(diǎn)平均模數(shù)，。
則
N
式中 ——壓力角，；
——小齒輪分度圓錐角，由前面計(jì)算可知 。
N
圖11 軸的受力圖
Fig11 Axial force
N
由軸上受力分析可計(jì)算軸上的支反力，最大應(yīng)力處 、、、值于下表4.2。
表2 減速器輸入軸支承點(diǎn)反作用力
Table 2 The input shaft of the speed reducer bearing reaction force
載荷
水平面
垂直面
支反力（N）
彎矩（N·m）
扭矩（N·m）
15.32
總彎矩（N·m）
計(jì)算彎矩（N·m）
（ 式中）
（4）輸入軸的強(qiáng)度校核
由上面的彎曲應(yīng)力圖知B處截面為最大應(yīng)力處，
（20）
查軸的常用材料及其主要機(jī)械性能表可知45鋼調(diào)質(zhì)時(shí)，MPa ，根據(jù)值查軸的許用彎曲應(yīng)力表查得軸的許用彎曲應(yīng)力 MPa
式中 ——軸計(jì)算截面的抗彎截面模量mm3；
（21）
＜
故安全。
由于割草機(jī)工作季節(jié)強(qiáng)，一荏一般一周多，故不需對其精確校核疲勞強(qiáng)度。
（5）確定軸上鍵的類型和尺寸
軸上零件的周向固定采用鍵，故在錐齒輪與皮帶輪的軸段上開鍵槽。
a 齒輪處的軸段上的鍵
①選擇鍵的類型 選A型普通平鍵；
②確定鍵的尺寸 根據(jù)軸徑=14mm,輪轂長mm,查平鍵聯(lián)接的剖面和鍵槽尺寸表[4]查得鍵寬=5mm,=5mm,=8mm；
③強(qiáng)度驗(yàn)算 確定許用應(yīng)力 由鍵聯(lián)接的許用應(yīng)力和壓強(qiáng)表[6]查=70～80MPa；
鍵的工作長度 mm
擠壓面高度 mm
擠壓應(yīng)力 MPa＜
故安全。
b皮帶輪軸段上的鍵
①選擇鍵的類型 選A型普通平鍵；
②確定鍵的尺寸 根據(jù)軸徑=16mm,輪轂長mm,查平鍵聯(lián)接的剖面和鍵槽尺寸表[4]查得鍵寬=6mm,=5mm,=22mm；
③強(qiáng)度驗(yàn)算 確定許用應(yīng)力由鍵聯(lián)接的許用應(yīng)力和壓強(qiáng)表[6]查=70～80 MPa；
鍵的工作長度 mm
擠壓面高度 mm
擠壓應(yīng)力 MPa＜
故安全。
4.3.3 曲柄主軸的設(shè)計(jì)及校核
(1)曲柄主軸的設(shè)計(jì)
收割機(jī)的切割器動(dòng)力輸入主軸一端與大錐齒輪相聯(lián)，另一端與小鏈輪相聯(lián)傳送切割的動(dòng)力，由前面的功率計(jì)算可知=2.70kW，錐齒輪傳動(dòng)的效率為0.97,軸的材料選則40Cr調(diào)質(zhì)，， MPa，軸的轉(zhuǎn)速=738r/min。
軸的最小直徑
（22）
取 ， MPa ，則
mm
由于軸上開鍵槽,考慮鍵槽對軸的強(qiáng)度削弱,應(yīng)增大軸徑,一般有一個(gè)鍵槽時(shí),軸徑增大3%左右,有兩個(gè)鍵槽時(shí)應(yīng)增大7%左右,然后圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑,因此
將圓整成18mm。
軸的結(jié)構(gòu)示意圖見圖12。
圖12 曲柄主軸的結(jié)構(gòu)示意圖
Fig12 Schematic diagram of crank spindle structure
(2)確定軸的各段直徑和長度
根據(jù)軸上零件的定位,為了便于拆裝,軸上最小直徑選在⑧段, ⑧段上安裝的是彈性當(dāng)圈,即mm，mm。
軸段⑦上安裝小鏈輪,則mm，mm。
軸段④安裝軸承,其直徑和長度等于相應(yīng)軸承的內(nèi)徑和寬度,選用6025型深溝球軸承,則mm， mm。
軸段③為軸肩,對軸承左端固定,為保證軸承的安裝,則mm，mm。
軸段⑥上安裝軸承蓋,故可選與軸④段直徑相等,則mm，mm。
軸段⑤上也是安裝彈性擋圈,則mm，mm。
軸段②上安裝錐齒輪,則mm，mm。
軸段①上安裝軸承與固定的套筒,則直徑為軸承的內(nèi)徑,故mm， mm。
軸段⑨上安裝聯(lián)軸器，便于安裝與定位，取= 20mm，=52mm。
(3)曲柄主軸的受力分析
曲柄主軸的受力見圖13。
圖13 曲柄主軸的受力圖
Fig13 The crank shaft by the attempt
因?yàn)檩S的輸入功率為2.70kW，用于輸送系統(tǒng)功率是0.25kW，則切割系統(tǒng)的功率為2.45kW，主軸的轉(zhuǎn)速為nⅡ=738 r/min。
大錐齒輪的受力的大小與小錐齒輪的受力大小一致，即
N N N
鏈輪作用在主軸的壓軸力
（23）
式中 ——壓軸力系數(shù) ，水平傳動(dòng) ；
——有效圓周力。
（24）
式中 ——為傳遞功率（kW）；
——為鏈速（m/s）。
（25）
式中 ——為鏈輪齒數(shù)；
——鏈輪轉(zhuǎn)速（r/min）；
——為鏈條節(jié)距（mm）。
計(jì)算得 m/s N N
(4)曲柄主軸的強(qiáng)度校核
由上面的彎曲應(yīng)力圖13知處錐齒輪截面為最大應(yīng)力處，
（26）
查軸的常用材料及其主要機(jī)械性能表[6]可知40Cr調(diào)質(zhì)時(shí)，MPa，根據(jù)值查軸的許用彎曲應(yīng)力表查得軸的許用彎曲應(yīng)力MPa。
式中 ——軸計(jì)算截面的抗彎截面模量 mm3；
（27）
MPa＜ 故安全。
由軸上受力分析可計(jì)算軸上的支反力，最大應(yīng)力處 、、、值于下表4.3。
表3曲柄主軸的支承點(diǎn)反作用力
Table3 Crank shaft bearing reaction force
載荷
水平面
垂直面
支反力（N）
彎矩（N·m）
扭矩（N·m）
16
總彎矩（N·m）
計(jì)算彎矩（N·m）
（ 式中）
(5)確定曲柄主軸上鍵的類型與尺寸
軸上零件的周向固定采用鍵聯(lián)接，在曲柄主軸上與大錐齒輪、鏈輪和聯(lián)軸器聯(lián)接的地方采用鍵聯(lián)接。故需要確定它們的類型及尺寸，以及校核強(qiáng)度。
a與大錐齒輪聯(lián)接處的鍵
①選擇鍵的類型 選A型普通平鍵；
②確定鍵的尺寸 根據(jù)軸徑=28mm,輪轂長=30mm,由平鍵聯(lián)接的剖面和鍵槽尺寸表[4]查得鍵寬=8mm,=7mm,=25mm；
③強(qiáng)度驗(yàn)算 確定許用應(yīng)力由鍵聯(lián)接的許用應(yīng)力和壓強(qiáng)表[6]查得=70~80 MPa
鍵的工作長度 mm
擠壓面高度 mm
擠壓應(yīng)力 MPa＜ 故安全。
b與鏈輪聯(lián)接處的鍵
①選擇鍵的類型 選A型普通平鍵；
②確定鍵的尺寸 根據(jù)軸徑=22mm,輪轂長mm,由平鍵聯(lián)接的剖面和鍵槽尺寸表[4]查得鍵寬=6mm, =6mm, =32mm；
③強(qiáng)度驗(yàn)算 確定許用應(yīng)力由鍵聯(lián)接的許用應(yīng)力和壓強(qiáng)表[6]查得=70~80 MPa
鍵的工作長度 mm
擠壓面高度 mm
擠壓應(yīng)力 MPa＜ 故安全。
c與聯(lián)軸器聯(lián)接處的鍵
①選擇鍵的類型 選A型普通平鍵；
②確定鍵的尺寸 根據(jù)軸徑=20mm,輪轂長=50mm, 由平鍵聯(lián)接的剖面和鍵槽尺寸表[4]查得鍵寬=6mm, =6mm, =40mm；
③強(qiáng)度驗(yàn)算 確定許用應(yīng)力由鍵聯(lián)接的許用應(yīng)力和壓強(qiáng)表[6]查=125~150 MPa
鍵的工作長度 mm
擠壓面高度 mm
擠壓應(yīng)力 MPa＜ 故安全。
(6)確定聯(lián)軸器的類型和相關(guān)尺寸
①選用凸緣式聯(lián)軸器
②計(jì)算轉(zhuǎn)矩 工作轉(zhuǎn)矩為
N·mm
查表[6]得工作情況系數(shù)
故計(jì)算轉(zhuǎn)矩
N·mm
③確定型號(hào) 查設(shè)計(jì)手冊，選取凸緣聯(lián)軸YL5，它的公稱扭矩為63 N·mm,允許的軸孔直徑在mm之間。
4.3.4 箱體及附件的設(shè)計(jì)
(1)箱體的設(shè)計(jì)
a箱體的材料
箱體一般用灰鑄鐵HT200或HT250制造。
b箱體的結(jié)構(gòu)分析
箱體是支承和固定減速器及保證傳動(dòng)件嚙合精度的重要機(jī)件，其重量約占減速器總重量的50%，對減速器的性能、尺寸、重量和成本均有很大的影響。
c箱體的結(jié)構(gòu)尺寸
通過其中的傳動(dòng)件，軸和軸系部件的結(jié)構(gòu)尺寸，按經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)關(guān)系在減速器裝配草圖的設(shè)計(jì)和繪制過程中確定。見圖14和圖15。
d減速器的潤滑和密封
本文所設(shè)計(jì)的減速器是小型的，可采用脂潤滑，選用二硫化鉬鋰；軸伸出端密封采用軸承蓋及密封圈。
圖14 上箱體
Fig14 Box
圖15 下箱體
Fig15 The lower box
(2)減速器附件的設(shè)計(jì)
a固定減速箱輸入軸的軸承蓋
①材料選用鑄鐵HT150，結(jié)構(gòu)尺寸如圖16所示。（相關(guān)尺寸的確定參[4] ）
②采用凸緣式結(jié)構(gòu)
圖16 軸承蓋結(jié)構(gòu)
Fig16 Bearing cap structure
③尺寸計(jì)算 與此對應(yīng)的軸承外徑為42mm，則mm
，取mm
因采用套杯結(jié)構(gòu)，mm
根據(jù)軸承外徑選4×M6 ，則
故mm
mm
，取mm
mm
b曲柄主軸的軸承蓋
①材料選用鑄鐵HT150，結(jié)構(gòu)尺寸如圖17所示；
②采用凸緣式結(jié)構(gòu)；
③尺寸計(jì)算 與此對應(yīng)的軸承外徑為52mm，則mm。
，取mm。
根據(jù)軸承外徑選4×M8，則
故mm
mm
，取 mm
mm。
圖17曲柄主軸中軸承蓋結(jié)構(gòu)
Fig17 Bearing cap structure of crank spindle
③尺寸計(jì)算 與此對應(yīng)的軸承外徑為52mm，則mm。
，取mm。
根據(jù)軸承外徑選4×M8，則
故mm
mm
，取 mm
mm
c套杯的設(shè)計(jì)
在減速器中的輸入軸上兩個(gè)軸承組合在一起，應(yīng)采用套杯使軸承的固定和拆裝更為方便，套杯的結(jié)構(gòu)，形狀及軸向尺寸視需要而定，套杯的內(nèi)徑即為軸承的外徑，套杯的厚度取S=6mm。
4.4 本章小結(jié)
本章主要是設(shè)計(jì)整個(gè)裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)，確定傳動(dòng)系統(tǒng)比的分配，計(jì)算出切割系統(tǒng)和行走系統(tǒng)的功率需求和傳動(dòng)效率。根據(jù)傳動(dòng)比進(jìn)行錐齒輪的設(shè)計(jì)，確定錐齒輪的有關(guān)參數(shù)，并進(jìn)行校核計(jì)算。箱體設(shè)計(jì)中主要進(jìn)行箱體結(jié)構(gòu)的分析和確定箱體的結(jié)構(gòu)尺寸；附件設(shè)計(jì)中包括軸承蓋的設(shè)計(jì)和套杯的設(shè)計(jì)。軸承蓋的設(shè)計(jì)主要確定其類型、結(jié)構(gòu)和尺寸；套杯的設(shè)計(jì)主要是結(jié)構(gòu)分析和尺寸的確定。
5輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
割草機(jī)的輸送系統(tǒng)直接影響著收獲質(zhì)量。立式割臺(tái)往復(fù)式切割器其輸送系統(tǒng)不僅應(yīng)即時(shí)將切割的牧草輸送到一側(cè)，還應(yīng)鋪放均勻整齊，形成一定的形狀和厚度，以利于干燥。因此，本研究試驗(yàn)的目的是選擇合理的輸送速度和輸送機(jī)構(gòu)。
5.1 輸送帶速度計(jì)算
合理的輸送速度應(yīng)使輸送帶單位時(shí)間內(nèi)輸送的牧草量等于收割機(jī)同時(shí)間內(nèi)收割的牧草量，如圖18所示。
即
（28）
式中 ——機(jī)器前進(jìn)速度；
——機(jī)器作業(yè)幅寬(=1m)；
——輸送帶速度；
——牧草層厚度（拔齒高度）；
——牧草生長密度（株/M2）；
——牧草在輸送帶上的集密度（株/M2）。
圖18 輸送帶
Fig18 Conveyor
取=/，為牧草積集系數(shù)。
所以輸送帶速