零轉(zhuǎn)彎半徑割草機變割幅割草器研究

王新彥，周　浩，劉　勇，高里悅，周　媛

(江蘇科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江　212003)

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零轉(zhuǎn)彎半徑割草機變割幅割草器研究

王新彥，周浩，劉勇，高里悅，周媛

(江蘇科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

摘要：為了使零轉(zhuǎn)彎半徑割草機能夠在不同工作條件下進行割草作業(yè)，研發(fā)了一個用于零轉(zhuǎn)彎半徑割草機的變割幅割草器。以一個1.2m割幅的WBZ12219K-S零轉(zhuǎn)彎半徑割草機為原始機型，采用子、母刀盤配合的設(shè)計思想(即在現(xiàn)有1.2m母刀盤的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上左右兩邊各加一個子刀盤，通過與3種不同大小的子刀盤的組合裝配來實現(xiàn)變割幅)，實現(xiàn)了1.5、1.8、2.3m機械式變割幅割草器設(shè)計；雙層刀片軸、帶輪和皮帶將動力從母刀盤傳到子刀盤，同時利用有限元分析軟件對割草器關(guān)鍵零部件進行了靜力學(xué)分析，研究其剛度和變形情況，表明該結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，強度滿足要求。最后，試制出變割幅割草器樣機，并且進行了試驗，表明該變割幅割草器實現(xiàn)了其功能。

關(guān)鍵詞：割草機；變割幅割草器；零轉(zhuǎn)彎半徑；有限元分析

0引言

隨著草坪業(yè)的飛速發(fā)展，人們對乘坐式割草機的需求量日益增加[1]。割草機一般是由動力與傳動部分、底盤、刀盤裝置、行走部分和相關(guān)液壓系統(tǒng)等組成，可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，工作效率高，常常應(yīng)用于高爾夫球場斜坡、莊園洼地和運動場地等大型公共綠地場合[2-3]。但是，目前市面上銷售的零轉(zhuǎn)彎半徑割草機都是定割幅的，無法滿足不同空間的割草需求[4-5]。若處在狹窄的工作環(huán)境中，其通過性則受割草器寬度(割幅)的限制[6-10]；反之，若在較寬闊的草地上割草時，定割幅又限制了其割草效率。因此，為了提高割草機的作業(yè)效率，減輕勞動強度，本文對零轉(zhuǎn)彎半徑割草機機械式變割幅設(shè)計進行了研究。

以揚州維邦園林機械有限公司生產(chǎn)的WBZ12219K-S零轉(zhuǎn)彎半徑割草機為原始研究對象，在現(xiàn)有1.2m母刀盤的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上左右各加1個子刀盤，通過與3種不同尺寸的子刀盤進行組合裝配，實現(xiàn)了1.5、1.8、2.3m機械式變割幅割草器設(shè)計。此外，利用ANSYS Workbench和ABAQUS有限元分析模塊對旋轉(zhuǎn)刀片和雙層刀片軸施加力和約束，通過計算，判斷其結(jié)構(gòu)強度是否滿足要求，為變割幅割草器提供可靠的保證。最后，通過廠家將這些子刀盤進行加工制造、裝配，形成了變割幅的樣機，并進行了試驗驗證。

1總體方案設(shè)計

1.1　設(shè)計原則

割草機能夠在不同的割草環(huán)境下工作，即在較寬闊的草地上割草時需較大的割幅，提高其工作效率；相反，若在狹窄的區(qū)域割草時，需縮小割幅才能通過該區(qū)域，割草機才能繼續(xù)割草。為了解決上述問題，研制了ZTR割草機機械式變割幅的割草器，具體要求如表1所示。

表1　變割幅割草器功能要求

割草器與整個車架底座相連接，整機結(jié)構(gòu)布置如圖1和圖2所示。圖1是原割草器的整機結(jié)構(gòu)圖，割草器位于車架底座的下方，割草機母刀盤的原始割幅為1.2m；圖2是變割幅的整機結(jié)構(gòu)圖，在割草器母刀盤(1.2m割幅)的兩邊各加150、300、550mm等3種大小的子刀盤，達到割幅增大的效果，整個動力傳遞過程主要通過皮帶帶動皮帶輪高速旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)。其優(yōu)點是該割草機割草靈活性較大，能夠根據(jù)實際工作情況隨時更換不同大小的子刀盤，操作簡單，大大提高了割草效率。

1.母刀盤　2.車架底座

1.母刀盤　2.子刀盤左　3.車架底座　4.子刀盤右

1.2　總體結(jié)構(gòu)

機械式變割幅割草器設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。該變割幅割草器在原有1.2m母刀盤的基礎(chǔ)上兩邊各加1個子刀盤，子刀盤上分別裝有150、300、550mm這3種子刀片，以實現(xiàn)1.5、1.8、2.3m變割幅的效果。左右兩邊的子刀盤通過連接板和連接塊與母刀盤實現(xiàn)連接；通過雙層刀片軸、帶輪及皮帶將動力從母刀盤傳遞到子刀盤，從而帶動子刀盤上的刀片高速旋轉(zhuǎn)，如圖3所示。3種變割幅割草器結(jié)構(gòu)類似，只是左右兩邊子刀盤的尺寸不同，割草機可根據(jù)實際割草情況選擇不同割幅的割草器進行割草工作。

1.1.5m/1.8m/2.3m子刀盤右　2.皮帶　3.張緊裝置

1.3　割草器功率需求分析

為了對新設(shè)計的變割幅割草器匹配動力，進行了功率需求分析。旋轉(zhuǎn)割草機在草地上工作時的割草器功率為

P=Vm·B·L0/102(kW)

式中Vm—割草機前進速度；

B—割草器割幅；

L0—切割每平方面積所需的功率。

割草機的前進速度為Vm=3.1m/s，割幅B=2.3m，L0=300，計算可得P=20.97kW。

因此，帶動變割幅割草器的功率需求最小為20.97kW。

1.4　刀片運動分析

為了防止割草作業(yè)中刀片與其他零件的干涉，進行了刀片運動分析。零轉(zhuǎn)彎半徑割草機的刀片運動是刀片的水平旋轉(zhuǎn)與機器前進運動所合成的。刀片某一點對地面的軌跡為余擺線，如圖4所示。

刀片任意一點的位移可用方程式表示。設(shè)刀片中心為坐標原點O，水平向右為X軸，垂直向上(割草機前進方向)為Y軸。令刀片逆時針轉(zhuǎn)動，角速度為ω，則刀片外端點a的位移方程為

式中r—刀片的半徑；

ω—刀片的旋轉(zhuǎn)角速度；

t—旋轉(zhuǎn)時間；

Vm—割草機的前進速度。

圖4　刀片運動軌跡

2關(guān)鍵裝置設(shè)計

2.1　驅(qū)動裝置

割草器驅(qū)動裝置主要由發(fā)動機驅(qū)動，發(fā)動機高速旋轉(zhuǎn)的輸出軸通過減速器傳遞給皮帶輪，再通過皮帶帶動與刀片軸相連的皮帶輪高速旋轉(zhuǎn)工作。

2.2　動力傳遞裝置

割草器的動力傳遞裝置主要由皮帶輪、皮帶、張緊裝置、張緊輪、導(dǎo)向輪和若干刀片輪組成，如圖5和圖6所示。圖5是1.2m割幅的母刀盤動力傳遞系統(tǒng)，具體的傳動過程為：發(fā)動機的動力先傳遞到皮帶輪1，經(jīng)皮帶分別繞過張緊輪和導(dǎo)向輪1和2，從而帶動3個與刀片相連的刀片輪1、2、3高速旋轉(zhuǎn)。圖6是改變割幅之后的動力傳遞系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)是在原1.2m割幅母刀盤的基礎(chǔ)上左右兩邊各加1個子刀盤，子刀盤上帶有新增的刀片輪4和5，原始的刀片輪1、 3和新增刀片輪4、5通過雙層刀片軸、帶輪及皮帶實現(xiàn)動力傳遞。

圖5　原始1.2m割幅母刀盤動力傳遞系統(tǒng)

圖6　變割幅割草器動力傳遞系統(tǒng)

2.3　工作裝置

割草器的工作裝置即刀片輪帶動與刀片螺釘相連的刀片軸高速旋轉(zhuǎn)這一部分，具體結(jié)構(gòu)如圖7和圖8所示。圖7表示的是單個刀片的工作裝置結(jié)構(gòu)爆炸圖，主要由17個部件組成，其整體工作裝置結(jié)構(gòu)如圖8所示。子刀盤上的刀片軸頂端裝有刀片輪，刀片輪與刀片軸通過平鍵連接，動力經(jīng)皮帶傳遞過來帶動刀片軸同步旋轉(zhuǎn)；刀片軸的中間裝有3個滾動軸承，使刀片軸相對軸承座做高速旋轉(zhuǎn)運動；末端則將通過緊固螺釘及碟片彈簧將刀片固定在底部使其同步高速旋轉(zhuǎn)運動。母刀盤上刀片軸的工作裝置與子刀盤裝置相似，但其軸與原刀片軸結(jié)構(gòu)不同的是：該軸的上端部分承載了兩個皮帶輪，即在原有刀片輪的上端新增1個，是為了將傳遞過來的動力傳遞給子刀盤，起到了動力傳輸作用，故該刀片軸為雙層刀片軸。

1.鎖緊螺母　2.平墊圈　3.上端蓋　4.平鍵　5.法蘭軸承座

1.緊固螺釘　2.刀片碟簧　3.深溝球軸承6205 　4.深溝球軸承6203

2.4　部件連接裝置

機械式變割幅割草器的連接裝置主要為兩邊子刀盤與母刀盤的連接部分，連接結(jié)構(gòu)如圖9～圖11所示。其主要靠子刀盤和母刀盤兩邊共有的連接板進行連接，背后兩個加強筋起到了提高連接板強度的效果；同時，利用子刀盤表面上的螺紋孔與母刀盤對應(yīng)連接；連接件兩邊用殼連接塊在螺紋孔4位置進行固定，三者都以螺栓連接的方式進行固定。圖11為子刀盤和母刀盤總體連接示意圖。

1.螺紋孔1　2.子刀盤　3.連接板　4.加強筋　5.螺紋孔2

圖10　殼連接塊

1.六角頭螺栓1　2.加強筋　3.母刀盤　4.雙層刀片軸

3關(guān)鍵部件的有限元分析

3.1　刀片分析

在零轉(zhuǎn)彎半徑割草機在實際割草工作中，由于割草器刀片旋轉(zhuǎn)工作環(huán)境較為復(fù)雜、承受不同大小及不同外界阻力因素的影響，對旋轉(zhuǎn)刀片的質(zhì)量要求不斷提高：不僅強度、剛度高，來確保割草器刀片滿足割草需求，而且對刀片后期排草要有一定的引導(dǎo)作用。故零轉(zhuǎn)彎半徑割草機刀片基于性能和結(jié)構(gòu)上考慮，設(shè)計出了如下理想的旋轉(zhuǎn)刀片三維模型，如圖12所示。

圖12　旋轉(zhuǎn)刀片的三維模型

3.1.1定義材料屬性

旋轉(zhuǎn)刀片工作時受力復(fù)雜，同時受到?jīng)_擊和其他因素的磨損，對到刀片材質(zhì)的強度和硬度要求都比較高。因此，本刀片采用60Si2Mn鋼。采用此種鋼的刀片具有較高的使用壽命，且機械性能符合要求。

在ABAQUS應(yīng)力分析模塊中，分析的對象材料可通過自定義設(shè)置60Si2Mn的材料屬性，密度為7 800kg·m3。其材料的主要性能參數(shù)見表2所示。

表2　刀片的材料屬性

3.1.2模型約束

割草機刀片高速旋轉(zhuǎn)時，刀片通過螺栓固定在刀片軸的頂端，所以應(yīng)對安裝刀片的螺栓孔進行全約束，同時還要添加刀片地面在厚度方向的移動約束。

3.1.3載荷施加

實際工作中刀片的受力比較復(fù)雜，為了方便計算和分析，將刀片的受力簡化為均勻作用于局部刀刃面的載荷F。根據(jù)ZTR割草機的工作參數(shù)：割幅寬度B(m)、旋轉(zhuǎn)速度n(r/min)和行駛速度v(km/h)可計算出刀片的功率為4.2kW。由功率、載荷以及線速度和角速度，可得

v=r·ω

式中v—刀片的線速度；

r—刀片的旋轉(zhuǎn)半徑；

ω—刀片的角速度；

P是刀片的工作功率。

因此，施加在刀片上的作用力可根據(jù)上述公式計算得出為21N，并且均勻分布。施加約束及載荷后的刀片模型如圖13所示。

圖13　旋轉(zhuǎn)刀片的約束和載荷施加

3.1.4計算結(jié)果分析

通過ABAQUS的有限元分析，給出模型的變形位移和應(yīng)力的計算結(jié)果，其云圖如圖14所示。由分析計算結(jié)果可知：刀片的刀刃臨界處是刀片性能的關(guān)鍵處。從應(yīng)力分布云圖可看出：旋轉(zhuǎn)刀片最大應(yīng)力約為73.86MPa，出現(xiàn)在刀片中刀刃臨界處附近以及中心孔固定約束的四周遠小于其材料的屈服強度1 200MPa，滿足強度要求。

圖14　旋轉(zhuǎn)刀片應(yīng)力分布云圖

旋轉(zhuǎn)刀片的總體變形分析結(jié)果如圖15所示。從變形分析云圖中可以看出：旋轉(zhuǎn)刀片的最大變形發(fā)生在刀片的最兩端，最大變形量約為0.098mm。

圖15　旋轉(zhuǎn)刀片總變形分布云圖

3.2　雙層刀片軸分析

零轉(zhuǎn)彎半徑割草機在進行變割幅設(shè)計后，原刀片軸變成了雙層刀片軸，即一個長鍵同時帶動兩個皮帶輪高速旋轉(zhuǎn)，刀片長度也隨之增長。因此，對刀片軸的強度提出了更高的要求，以確保高強度的刀片軸能夠大大的滿足其使用壽命要求，降低更換周期。

根據(jù)變割幅設(shè)計的工作要求和連接條件，建立帶動皮帶輪旋轉(zhuǎn)的雙層刀片軸的三維模型，如圖16所示；再利用Ansys Workbench分析軟件對它進行分析，判斷其是否滿足試驗要求。

3.2.1定義材料屬性

現(xiàn)以上述刀片軸為例，為便于分析計算，對刀片軸的部分細節(jié)進行合理簡化，選擇刀片軸材料為45鋼。而在Ansys Workbench應(yīng)力分析模塊中，分析的對象材料可通過自定義設(shè)置45鋼的材料屬性，密度為7 890kg/m3。其材料的主要性能參數(shù)見表3所示。

圖16　雙層刀片軸的三維模型

楊氏模量E/Pa泊松比μ屈服極限σs/MPa強度極限σb/MPa2.09e110.269360650

3.2.2模型約束

雙層刀片軸的約束條件主要是在末端和中間兩個滾動軸承施加軸向和徑向的位移約束。在Ansys Workbench中，軸承對刀片軸的約束可定義成Cylindrical Support，即圓柱面約束。

3.2.3載荷施加

刀片軸的載荷F主要在其前端的鍵槽處相對側(cè)面，計算公式為

式中FQ—作用在軸上的載荷；

Z—皮帶的數(shù)目；

F0—皮帶輪的張力；

α1—包角。

根據(jù)零轉(zhuǎn)彎半徑割草機的工作參數(shù)，將這些參數(shù)帶入上述公式，計算可得載荷近似為2 600N。

3.2.4計算結(jié)果分析

對雙層刀片軸的分析主要有兩方面：一方面是分析刀片軸的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，找出刀片軸的薄弱環(huán)節(jié)，判斷其強度是否滿足要求；另一方面是分析刀片軸受載荷后的變形程度。

雙層刀片軸的應(yīng)力分析結(jié)果如圖17所示。從最大應(yīng)力分布云圖中可以看出：刀軸的最大應(yīng)力約為150MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在軸承安裝處的軸肩附近。從刀片軸的強度方面考慮，其最大應(yīng)力150MPa小于其材料屈服強度360MPa。所以，雙層刀片軸滿足強度要求。

圖17　雙層刀片軸應(yīng)力分布云圖

雙層刀片軸的總體變形分析結(jié)果如圖18所示。從變形分析云圖可以看出：刀片軸的最大變形發(fā)生在軸端，最大變形約為0.2mm。

圖18　雙層刀片軸總變形分布云圖

4樣機總裝調(diào)試

根據(jù)前期的割幅設(shè)計，廠家結(jié)合本割草器要求進行了生產(chǎn)加工制造，加工出了滿足要求的1.5、1.8、2.3m割幅的割草器。同時，在揚州高爾夫球場俱樂部對2.3m割幅的割草器進行了斜坡翻滾試驗，該球場的斜坡角度最大可達到40°，達到了預(yù)設(shè)翻滾角度;并且這3種割幅的割草器在割草機發(fā)動機動力的提供下均能實現(xiàn)工作目的，滿足了本次裝置設(shè)計的最終需求。其實物結(jié)構(gòu)圖如圖19～圖20所示。圖19為2.3m割幅割草機在斜坡上的靜止狀態(tài)，通過對該割草機施加一定的側(cè)向翻轉(zhuǎn)力，割草機出現(xiàn)了非連續(xù)翻滾和連續(xù)翻滾兩種趨勢。因此，該2.3m割幅割草機樣機滿足本試驗要求。圖20為2.3m割幅割草器的局部放大圖，與本設(shè)計方案基本符合，且可以通過皮帶將動力傳遞到兩邊的子刀盤上，從而帶動兩邊的子刀片旋轉(zhuǎn)。圖21為1.8m割幅的割草器部分。

1.2.3m子刀盤　2.母刀盤　3.底座　4.保護罩

1.雙層刀片軸　2.連接板　3.刀片輪　4.2.3m子刀盤

圖21　1.8m割草器總裝圖

5結(jié)論

1) 提出了零轉(zhuǎn)彎半徑割草機機械式變割幅割草器創(chuàng)新設(shè)計思想并實現(xiàn)了樣機模型制造。該樣機模型可方便、快捷地實現(xiàn)變割幅作業(yè)，以此滿足不同的空間要求，具有較好的通過性和較高的割草效率，為今后的割草機設(shè)計提供了有價值的參考依據(jù)。

2) 通過對旋轉(zhuǎn)刀片和雙層刀片軸模型的有限元分析可知:旋轉(zhuǎn)刀片最大變形發(fā)生在刀片兩端，而雙層刀片軸最大變形主要集中在有鍵槽的那一軸段處，但它們的最大值都在允許范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

3) 機械式變割幅割草器具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、通用性好等特點，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

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Abstract ID:1003-188X(2016)08-0012-EA

Development of a Variable-swath Deck for a Zero Turning Radius Mower and Finite Element Analisys of Main Parts

Wang Xinyan, Zhou Hao, Liu Yong, Gao Liyue, Zhou Yuan

(Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003， China)

Abstract：To enable operation in different-size environments, a variable-swath deck for use in a zero turning radius (ZTR) mower was developed in this paper. A WBZ12219K-S ZTR mower with the fixed swath of 1.2 m was used as the original vehicle. Using a combination of a primary deck and a secondary deck, a variable-swath deck with swaths of 1.5, 1.8 and 2.3 m was realized. A double-layer blade shaft and a double-layer pulley were used to transmit power from the primary deck to the secondary deck. In addition, the rigidity and deformation of the main parts of the mower were determined using finite element analysis software. The stress diagram showed that the structure is reasonable and meets the relevant strength requirements. Finally, a prototype model with the different swath decks was manufactured, and a field test demonstrated the good performance of this variable-swath mower.

Key words：mower; variable-swath deck; zero turning radius; finite element analysis

中圖分類號：S817.11+1

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0012-07

作者簡介：周浩(1990-),男，江蘇溧陽人，碩士研究生，(E-mail)389020034@qq.com。通訊作者：王新彥(1962-)，女，河北保定人，副教授，博士，(E-mail)xinyanwang1@163.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51275223)

收稿日期：2015-07-16