手推式绿篱修剪机的设计_戴有华

上升；当要可升降支撑架下降时，只需逆时针转动手轮
即可。
第5期
戴有华 等: 手推式绿篱修剪机的设计
构来实现，齿条焊接在可升降支承架的左侧竖直方钢管
上，齿轮通过齿轮座装在推车上固定支承架的左侧方钢
管上，手轮与齿轮同轴，如图6所示。 当需要可升降支承
架升高时，可以顺时针旋转手轮，手轮带动齿轮顺时针
转动，齿轮与齿条进行啮合，由于齿轮回转轴的位置相
对于推车不变动， 故啮合过程中齿轮不能发生位置移
动，因而只能是可升降支承架被与其固连的齿条带动而
图 5 可升降支承架的受力图 Fig. 5 Lift frame′s force diagram
由受力平衡：
-FA+FB′-FC′+FD=0 力矩平衡：
FA·LAB-FC′·LBC+FD·LBD=0 得： FA=67.5kN， FD=117.5kN D点处的弯矩最大：
Mmax=M（D）=FC′·LCD=26 250Nm
1 手推式绿篱修剪机的整体结构方案
1.1 整机结构 手推式绿篱修剪机主要由推车、 汽油发动机、 传
动系统、 绿篱刀、 调节装置等部件组成， 如图1所示。 推车承载整个机器的零部件， 下部安装车轮、 后
侧焊接扶手。 采用汽油发动机， 便于户外作业、 不依 赖电源， 且易于启动和停止。
传动系统由三部分组成： 减速箱、 钢丝软轴和动力 转换箱， 减速箱用于对发动机输出转速的减速， 钢丝软 轴用于减速箱动力输出端与动力转化箱动力输入端在一
0 引言
绿篱在城市道路和园林绿化中起到提高观赏效 果和隔离防护的作用， 规则式绿篱每年须修剪数次， 以使绿篱基部光照充足、枝叶繁茂。 国外绿篱修剪设备 的发展己有几十年历史， 从便携式绿篱修剪机发展到 车 载 式 绿 篱 修 剪 机 ， 便 携 式 以 手 持 式 为 主 [1]， 车 载 悬 挂 式绿篱修剪机把往复式切割装置和运送装置结合起 来[2]。 我国对于绿篱修剪作业机具的研制起步较早 [3]， 现 只 生 产 LT 系 列 等 便 携 式 绿 篱 修 剪 机 [4] ， 2002 年 陕西省韩城市建设局园林绿化技术人员研制成功电 动推走式绿篱修剪机 [5]。 目前， 园林绿地中绿 篱 修 剪仍然主要依靠手持式修剪机， 不仅劳动量大、 效 率低， 还常常伴有危险发生。 因此， 本文设计一种 手推式绿篱修剪机， 以提高园林绿地绿篱修剪的机 械化水平。
收稿日期： 2014年1月6日 修回日期： 2014年3月10日 第一作者： 戴有华， 男， 1980年生， 江苏江都人， 硕士， 讲师； 研究方向为数字化设计与制造等。 E-mail: jsjddyh@163.com
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1.2 工作原理 手推式绿篱修剪机进入园林绿地作业时， 先根据
所 选 的 汽 油 发 动 机 重 量 在 13kg 左 右 ， 减 速 箱 的 重 量 接 近 10kg ， 由 于 这 根 角 钢 承 担 了 发 动 机 和 减 速 箱 的 重 量 的 一 半 左 右 ， 所 以 取 FB=125kN ， 因 而角钢会受到弯矩， 可根据弯曲强度来设计选取 角钢的型号。
戴有华， 刘永华， 张丽丽， 黄克
(江苏农林职业技术学院， 江苏句容， 212400)
摘要： 针对园林绿地绿篱修剪中存在的不足，设计开发一种手推式绿篱修剪机，根据使用功能提出了手推式绿篱修剪机的结构方案与总体尺 寸，接着采用机械设计的方法设计出了手推式绿篱修剪机的主要零部件，之后，应用软件对手推式绿篱修剪机进行了三维建模，并对其中的 关键部件作了静力学分析，在此基础上优化了该部件结构尺寸，最后，指出了手推式绿篱修剪机的应用情况。 关键词： 绿篱修剪机； 结构设计； 静力学分析 中图分类号： S605.1 文献标识码： A 文章编号： 2095-5553 (2014) 05-0094-05
在锯业制造企业可以买到绿篱机的刀片， 为 了 提 高 工 作 效 率 ， 设 计 中 选 用 单 刃 780mm 的 绿 篱 机刀片。 2.2 传动系统设计
手推式绿篱修剪机的传动系统如图2所示。
是为了适应减速箱输出轴与动力转换箱输入轴之间 可存在的空间距离和角度位置的变化。 动力转换箱 里的锥齿轮传动， 将传入的转动转换到相垂直的方 位， 并可实现再一次的减速， 从动锥齿轮与偏心轮 固连， 偏心轮6的形心在图2所示的位置， 偏心轮外 侧套一个带有大圆孔的连杆5， 绿篱刀的活动刀片4 就相当于一个滑块， 偏心轮、 连杆和活动刀片形成 了一个曲柄滑块机构， 将转动变成了活动刀片的往 复直线运动。 2.3 推车架的设计
推车架用来承载发动机、 减速箱、 可升降的支撑 架、 悬伸横梁、 以及绿篱刀等， 采用角钢焊接出框 架， 框架上面铺设薄钢板， 推车架的扶手部分采用壁 厚2mm、 直径25mm的圆钢管折弯焊接在车架的后方， 推车架上还焊接有固定支承架， 用以承载可升降支承 架， 固定支承架采用方钢管焊接而成。 推车架上起横 梁作用且同时承载发动机和减速箱的角钢受力最大， 需要对其进行强度设计。
图 4 悬伸横梁的受力图 Fig. 4 Overhanging beams′ force diagram
当 推 车 行 进 速 度 较 快 (4km/h) 、 绿 篱 刀 满 刃 口 修 剪 、 枝 条 直 径 较 粗 (≤10mm) 时 ， 绿 篱 修 剪 的 反 作 用 力 最 大 ， 估 算 这 个 最 大 修 剪 反 力 造 成 的 FE = 50kN。 悬 伸 横 梁 在 这 3 个 力 的 作 用 下 ， 主 要 是 受 到 弯曲作用。
由受力平衡：
FC-FB-FE=0 力矩平衡： FB·LBC-FE·LCE=0 得： FB=37.5kN， FC=87.5kN C点处的弯矩最大： Mmax=M（C）=FC·LLBBCC·+LLCCEE =15 000Nm
C点处的弯曲正应力：
σmax=σC=
Mmax W
=
Mmax （B·H）3（Hale Waihona Puke Baidu·h）3
9.角度调节装置 10. 绿篱刀 11. 动力转换箱 12.钢丝软轴 13.汽油发动机 14. 推车
绿篱刀选用往复式齿条形状的绿篱刀， 结构紧 凑、 割幅大。
调节装置由高度调节机构、 伸出长度调节装置和 角度调节装置组成， 高度调节机构用于调节绿篱刀所 处的高度位置， 伸出长度调节装置用于调节绿篱刀所 处的悬伸位置， 角度调节装置用于调节绿篱刀处于水 平或竖直位置， 应用调节装置可以修剪一定范围内的 不同高度或宽度的绿篱的顶面与侧面。
选取这根角钢来进行受力分析， 发动机与减速箱 的重量大致作用在角钢长度方向的中间一段范围， 可 以将其看作一个集中力FB， 角钢的两端还分别受到边 框的支承力FA和FC， 如图3所示。
图 2 传动系统示意图 Fig. 2 Schematic diagram of driveline 1.动力转换箱 2.锥齿轮Ⅰ 3.锥齿轮Ⅱ 4. 绿篱刀的活动刀片 5.连杆 6.偏心轮 7.钢丝软轴 8.汽油发动机 9.离合器 10.小齿轮Ⅰ 11.大齿轮Ⅰ 12.小齿轮Ⅱ 13.大齿轮Ⅱ 14.减速箱
该传动系统将汽油发动机输出的动力经离合器 传递到减速箱的高速轴， 通过两级齿轮传动进行减 速 ， 可 以 减 速10倍 左 右 ， 然 后 减 速 箱 输 出 的 动 力 通 过钢丝软轴传递到动力转换箱， 采用钢丝软轴传动
图 3 角钢的受力图 Fig. 3 Angle iron's force diagram
第 35 卷 第 5 期 2014 年 9 月
中国农机化学报 Journal of Chinese Agricultural Mechanization
DOI:10.13733/j.jcam.issn.2095-5553.2014.05.022
Vol.35 No.5 Sep. 2014
手推式绿篱修剪机的设计
戴有华, 刘永华, 张丽丽, 黄克. 手推式绿篱修剪机的设计[J]. 中国农机化学报, 2014, 35(5): 94~98 Dai Youhua, Liu Yonghua, Zhang lili, Huang Ke. Design of hand-push hedge trimmer based on UG [J]. Journal of Chinese Agricultural Mecha nization, 2014, 35(5): 94~98
定空间范围内的动力传递， 动力转换箱内采用偏心连杆 机构将钢丝软轴的转动转化为绿篱刀的往复运动。
图 1 手推式绿篱修剪机结构示组成意图 Fig. 1 Hand push hedge trimmer structure of intention 1.减速箱 2.固定支承架 3.高度调节机构 4.可升降支承架 5.防翻钩 6.紧定螺钉 7.高度位置锁紧装置 8.悬伸横梁
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中国农机化学报
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2.4 悬伸横梁的设计 悬伸横梁的安装在可升降支承架上， 用以承载绿
篱刀。 悬伸横梁由方钢管加工而成， 其上主要受到绿 篱修剪时篱刀传递来的修剪反作用力FE， 以及可升降 支承架对其的约束力FB和FC， 如图4所示。
受力最大， 如图5所示， 其中FB′和FC′与前面的FB和FC 是作用力与作用反力的关系。 可升降支承架中竖直 方位的方钢管主要承受自重、 悬伸横梁与绿篱刀等 的重量， 所承受的重量不是太大， 因而可升降支撑 架中方钢管的截面尺寸主要是要保证其中水平方位 的方钢管的强度。 水平方位的方钢管受到的是弯曲 作用力， 所以主要根据弯曲强度来设计确定其截面 尺寸。
6H
式中： B— ——方钢管总宽度； H— ——方钢管总高度； b— ——方钢管内空宽度； h— ——方钢管内空高度。
C点处的最大弯曲正应力需满足： σmax= [σ] =140MPa 考虑方钢管用作悬伸横梁时要进行的切削加工， 查 结 构 用 冷 弯 方 形 空 心 钢 (GB/T6728―1986) 表 得 ， 选用规格型号为40×40×4mm。 2.5 可升降支承架的设计 可升降支承架采用方钢管焊接而成， 装在推车 的固定支承架内， 用来支承悬伸横梁。 可升降支承 架中水平方位的方钢管主要承受悬伸横梁对其的作 用力FB′和FC′、 以及固定支承架对其的约束力FA和FD， 当悬伸横梁处于最大伸出位置时， 可升降支承架的
预期修剪后绿篱的高度， 通过高度调节装置调整绿篱 刀的高度位置并锁紧， 再将悬伸横梁调整至合适的伸 出位置并锁紧， 将绿篱刀的方位调节至水平 (或竖直) 并锁紧， 然后将手推式绿篱修剪机放置于与绿篱紧靠 的合适位置， 即可启动汽油发动机， 动力经传动系统 传至绿篱刀动刀片， 驱动动刀片做往复运动， 动刀片 与固定刀片共同形成剪切运动； 此时， 平缓地推动扶 手， 绿篱修剪机便可向前进行绿篱修剪作业， 修剪完 成后关停发动机。
由Z向受力平衡： ΣFZ=0， FA-FB+FC=0 B点处的弯矩最大： Mmax=M（B）=FB·LLAABB·+LLBBCC
B点处的最大弯曲正应力需满足：
σmax=
Mmax W
≤
≤σ
≤=140MPa
并查热轧等边角钢 (GB9787―88) 表得， 至少选 用号数为2.5的角钢， 其规格型号为25×25×4mm。
D点处的弯曲正应力：
σmax=σD=
Mmax W
=
Mmax （B·H）3（b·h）3
6H
D点处的最大弯曲正应力需满足：
σmax= [σ] =140MPa 查结构用冷弯方形空心钢 (GB/T6728―1986) 表
得， 选用规格型号为30mm×30mm×4mm。
2.6 高度调节机构的设计
可升降支承架的高度调节机构通过齿轮齿条机
2 关键部件的设计
2.1 汽油发动机和绿篱刀的选型 考虑到手推式绿篱修剪机的动力要求和长时间
户 外 作 业 要 求 ， 以 及 成 本 和 通 用 性 ， 选 用GX120K1 发动机作为动力源， 其型式为空冷四冲程单汽缸、 水 平 轴 ， 额 定 功 率2.6kW， 转 速3 600r/min， 燃 油 箱 容 量 2.5L， 长 × 宽 × 高 ／ mm 为 305 ×341 ×318， 净 重 13kg 。