小型修剪機的設(shè)計

小型修剪機的設(shè)計摘 要：針對綠籬修剪機的發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計開發(fā)了一種小型手持式綠籬修剪機，包括動力系統(tǒng)設(shè)計和修剪裝置設(shè)計，在所查閱的文獻中尚未發(fā)現(xiàn)有相同機型的報道，屬原創(chuàng)型產(chǎn)品。相比當(dāng)前綠籬修剪的方式以綠籬剪為主的狀況，該綠籬修剪機能夠有效降低綠籬修剪時勞動者的勞動強度，提高修剪的質(zhì)量，有比較廣闊的市場前景。關(guān)鍵詞：綠籬修剪機；系統(tǒng)設(shè)計；有限元分析Abstract: For the current development of Hedge trimmers, we make one kind of small hand-held hedge trimmers, including power system design and trimming device design, it is solely in the same type of coverage, belongs to original product. Compared to the way hedge trimmers to hedge shears mainly at present, the hedge trimmers can effectively reduce workers labor intensity, improve the quality of pruning, have a broad market prospects.Keyword: hedge trimmer; System design; Finite element analysis0 引言綠籬多是由矮小叢生的灌木組成的綠色景觀植物，是裝飾景點、公園、居民小區(qū)、庭院以及城市綠化的主要植物。組成綠籬的樹種跟多，成長特性也各不相同，長勢各異，因此必須通過合理修剪才能成為理想景觀，一方面是控制其高度，另一方面是形成一定造型，比如整齊的冠部和側(cè)面形狀等，手工修剪是必不可少的，但國內(nèi)外有多種規(guī)格、型號的綠籬修剪機在生產(chǎn)中使用，成為主要的綠籬修剪工具1。最近幾年中隨著空氣污染的不斷加重，因此在城市生活中人們對環(huán)境的要求越來越高了，對城市綠化也越來越看重了，因此綠籬的修剪將會是園林工作者一項重要的任務(wù)。應(yīng)用綠籬修剪機械也會越來越多，綠籬修剪機不僅可以減輕城市園林工作者的工作量，還可以提高工作效率。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，科技的不斷進步，綠籬修剪機有也出現(xiàn)許多樣式， 功能也越來越多。現(xiàn)在大多數(shù)的綠籬修剪還是采用比較原始剪刀修剪或者是大型車載式修剪機，對于前者工作的效率不高，勞動量大；對于后者，使用的局限性也比較大，它主要應(yīng)用在道路兩側(cè)綠籬的修剪，無法剪出各種美觀的造型。因此在很多地方還是需要人工修剪，為了解決這一問題，為了逐步改變這種現(xiàn)象，研究小型綠籬修剪機械是很有必要的2。小型綠籬修剪機在國內(nèi)外的研究主要集中以單缸汽油機為動力的手持式油鋸和手動修枝剪等園藝剪枝器具，主要研究的方面是刀具使用壽命的提高（如材料、刀刃的壽命等），而研究與開發(fā)電動器具的則比較少，2002年有報道陜西省韓城市建設(shè)局園林綠化技術(shù)人員研制出電動推走式綠籬修剪機，但不足之處是該機使用220V電源，需要外接交流電源3。因此，設(shè)計一種依靠蓄電池提供能源、由直流電動機驅(qū)動的新型環(huán)保的綠籬修剪機，來代替由單缸汽油機驅(qū)動的綠籬修剪機，用以克服上述缺點，是很有必要的。1 工作原理本設(shè)計中的修剪機主要結(jié)構(gòu)類似于手提電鋸和手電鉆，主要部分有動力部分、減速裝置、運動轉(zhuǎn)換裝置、剪切裝置。由于修剪機主要用于戶外工作，因此動力方面可供選擇的方案有兩種：第一種是直流電機+蓄電池；第二種是選用汽油機或柴油機。考慮到環(huán)保等因素，故選擇第一種方案比較適合。剪切裝置的設(shè)計思路來源于剪刀和中國古老的木匠工具鋸。它由上刀片和下刀片組成，每塊刀片就像鋸一樣，兩邊都有鋸齒，在工作中，下刀片固定，上刀片在定位塊的限制下沿著下刀片做縱向往復(fù)運動，此時在每個鋸齒之間便形成了像剪刀一樣的剪切刃。由于刀具需要做往復(fù)運動，因此就需要將電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變成往復(fù)運動，在此設(shè)計中采用的是通過曲軸連桿裝置將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成滑塊的往復(fù)運動。整個動力的傳遞路線：電機二級齒輪減速器曲軸連桿滑塊上刀片。圖1 運動簡圖2 系統(tǒng)設(shè)計2.1剪切裝置的設(shè)計 2.1.1刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計剪切裝置的設(shè)計思路來源于剪刀和中國古老的木匠工具鋸。它由上刀片和下刀片組成，每塊刀片就像鋸一樣，兩邊都有鋸齒，在工作中，下刀片固定，上刀片在定位塊的限制下沿著下刀片做縱向往復(fù)運動，此時在每個鋸齒之間便形成了像剪刀一樣的剪切刃。如圖所示，每側(cè)有18個鋸齒，每兩個鋸齒之間的距離為24mm，可剪切的最大直徑為8mm，完成一個剪切動作的最大行程是16mm。圖2 刀具2.1.2刀具材料的選擇 在各種農(nóng)業(yè)機械中，刀具的主要磨損形式是磨粒磨損和研磨拋光，因此對刀具的耐磨性要求很高。普通刀具采用的是T8、T10以及鑄鐵等碳鋼材料，這種刀具雖然具有一定的強度與硬度，但熱硬性低、淬透性差、易變性4。在本設(shè)計中下刀片（定刀片）采用鑄鐵，而上刀片（動刀片）采用65Mn鍛造而成，65Mn不僅具有很高的強度和硬度，而且淬透性好，經(jīng)熱處理后其綜合性能優(yōu)于普通碳素鋼。2.2、電機的選擇根據(jù)實際統(tǒng)計可知綠籬枝條的平均直徑為5mm，由吳良軍等人的荔枝樹枝力學(xué)特性的試驗研究可知，荔枝樹枝剪切力與荔枝樹枝橫切面積有下列關(guān)系5：F=10x-230其中x為樹枝的橫切面積，單位為mm2，F(xiàn)為剪切力，單位為N本剪切機在實際使用中只有一側(cè)的刀刃處在工作狀態(tài)，因此在實際工作中受到的剪切力為：F=（1052-230）18=360N由于刀具完成一個剪切動作的最大行程為16mm，故曲軸的曲柄半徑R取8mm，因此曲軸受到的轉(zhuǎn)矩為：T曲=FR=360N8mm=2.88Nm本設(shè)計中刀具上刀片與下刀片之間的摩擦較大，因此剪切頻率不易過高，取每分鐘250次完整剪切，即上刀片每分鐘做250次來回運動，也意味著曲軸的轉(zhuǎn)速為n=250r/min,因此曲軸的功率為那么電機的功率為傳動裝置的總效率式中1為滑動軸承傳動效率，2為圓柱齒輪傳動效率。查機械設(shè)計課程設(shè)計表3-1可知，滑動軸承傳動效率1=0.94，圓柱齒輪傳動效率2=0.94，則=0.940.940.940.940.78故P電0.097Kw因此電機可以選擇淄博博山聚英電機廠生產(chǎn)的90ZYT106型永磁直流電動機，電機轉(zhuǎn)矩0.796Nm，轉(zhuǎn)速1500r/min，額定功率125w，額定電壓24V。這款電機具有價格低，質(zhì)量輕，電壓低，功率大轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，便于安裝等特點， 因此很適合本修剪機。2.3、傳動比的分配由上文可知，最終曲軸的轉(zhuǎn)速n曲=250r/min，電機的輸出轉(zhuǎn)速n電=1500r/min,因此總傳動比減速裝置采用的是兩級直齒圓柱齒輪減速器，取高速級傳動比i1=2，低速級傳動比i2=3，則i=i1i2=23=62.4、傳動裝置的運動和運動參數(shù) 2.4.1、各軸轉(zhuǎn)速電機軸為0軸，齒輪軸為1軸，曲軸為2軸，則各軸轉(zhuǎn)速為： 2.4.2、各軸輸入功率P0=125wP1= P02=1250.94=117.5wP2= P112=1117.50.940.94=103.8w 2.4.3、各軸轉(zhuǎn)矩2.5、減速裝置的設(shè)計本修剪機工作轉(zhuǎn)速低，功率小，減速裝置采用二級圓柱直齒輪，使用噴油式潤滑。高速級傳動比i1=2,低速級傳動比i2=3。齒輪屬于標(biāo)準(zhǔn)件，可以直接從市場上采購。2.6、曲軸的設(shè)計與校核 2.6.1曲軸的設(shè)計曲軸尺寸的設(shè)計是修剪機的一個重要環(huán)節(jié)，其合理性是保證修剪機正常工作的一個重要基礎(chǔ)。本設(shè)計中曲軸材料選用45C，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，硬度為240HBS。初步估算軸的直徑為：根據(jù)選用的材料，A0的范圍為103-126，選取A0=126，算得考慮到軸上開有鍵槽，將計算軸頸增大7%，取標(biāo)準(zhǔn)直徑為12mm，根據(jù)其他零件尺寸得到曲軸具體幾何形狀尺寸如下圖圖3 曲軸2.6.2曲軸的校核對曲軸進行受力分析可知，當(dāng)連桿與曲柄垂直時曲軸受到的力最大F=360N，針對此時的受力情況通過SolidWorks靜力有限元分析：外部載荷設(shè)置以及網(wǎng)格劃分。曲軸屬于形狀不規(guī)則的長軸類零件，具有軸線不連續(xù)和直徑變化大的等特點。施加模型約束時，在連桿和軸接觸的軸頸處添加圓周約束。理論校核時，將載荷簡化為集中力。在SolidWorks中加載為均布載荷，分別在X平面和Y平面對圓周施加8個力和一個扭矩，具體如下圖所示。網(wǎng)格劃分時，考慮到軸頸過渡圓角處的應(yīng)力集中，對此處進行網(wǎng)格細化處理6。圖4 網(wǎng)格劃分圖運行結(jié)果與分析對運行結(jié)果分析處理時，分別查看了通過模型計算的曲軸位移、應(yīng)變和應(yīng)力分析圖，結(jié)果如下圖所示。圖5 曲軸位移分析圖圖6 曲軸應(yīng)變分析圖圖7 曲軸應(yīng)力分析圖由第四強度理論可知，曲軸的校核只需檢驗曲軸的最大應(yīng)力值是否在其許可范圍內(nèi)即可。根據(jù)應(yīng)力分析圖可知，曲軸所受的最大應(yīng)力為,小于材料的屈服力，因此曲軸能夠滿足使用要求。2.7、電源選擇本修剪機使用的是外接24V蓄電池，為了方便攜帶以及不影響工作，設(shè)計成雙肩背包的形式。在工作時，工作人員背在身后，通過電源線連接在修剪機的后面插孔上。跟其他電動設(shè)備（將蓄電池集成在機殼內(nèi)部）相比，這樣的設(shè)計主要有以下幾個優(yōu)點;可以減小整機的體積，以及重量，在工作中也會輕便很多。蓄電池的體積可以做得更大一點，這樣儲存的電量也會更多，可續(xù)航的時間也會更長。采用外接式，蓄電池的充電以及更換也會更加的方便。3 結(jié)論1、 作為一個要面對市場的產(chǎn)品，必須要考慮產(chǎn)品的經(jīng)濟性以及實用性。對于消費者來說產(chǎn)品的性價比是考慮的重點。對于本修剪機成本比較高的就是直流電機和蓄電池，其他的像齒輪等市場上都可以直接購買，只有曲軸、連桿、刀具、機殼等需要自己生產(chǎn)。大批量生產(chǎn)，整機價格大概在400-600元之間，因此還是具有很高的性價比的。2、 該機動力采用的是直流電機+外接蓄電池的形式，與其他類采用汽油機或柴油機的相比，噪音小，綠色環(huán)保，基本上不會對環(huán)境造成污染，再者輕便小巧，便于攜帶。3、 本機有兩個特色就是帶有噴油系統(tǒng)，在工作中操作簡單方便；本機采用的是外接蓄電池，減輕了機身重量，可以減少工作人員手臂的負擔(dān)，對于蓄電池的充電與更換也會更加方便。4、 本文所設(shè)計的修剪機在所查閱的資料中尚未發(fā)現(xiàn)相同類型的，并且在中國市場上也很少，除了有幾款日本生產(chǎn)的。隨著機械化的推廣，該類型修剪機的市場需求量也會越來越大，所以該機型有很大的應(yīng)用市場。參考文獻1 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