步行割灌機(jī)行走部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

楊春梅，郭明慧，馬　巖，王　爽

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

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步行割灌機(jī)行走部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

楊春梅，郭明慧，馬巖，王爽

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

為研究目前能夠滿足進(jìn)行爬山而且能夠自主作業(yè)的小型設(shè)備，提出一種步行割灌機(jī)行走部分的設(shè)計(jì)。闡述新型步行割灌機(jī)行走部分的工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及對步行機(jī)構(gòu)、行走機(jī)架和控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和計(jì)算。步行機(jī)構(gòu)的行走是將動(dòng)力傳遞到曲軸上的輸入軸，由輸入軸傳遞到凸輪，凸輪帶動(dòng)腿向前行走。對曲軸主軸徑、長度、曲柄等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，選用組合式曲軸，加入凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行防震，利用兩只腳通過連接板的連接，構(gòu)成一組具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性能和跨越能力、近似平行四邊形的機(jī)構(gòu)將步行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出來。利用方鋼管承載重力小，具有足夠剛度，良好抗震性的特點(diǎn)將其應(yīng)用于行走部分的行走機(jī)架，并與步行機(jī)構(gòu)用曲軸相連接。采用牙嵌式離合器，依據(jù)離合器的接合過程對摩擦轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析，計(jì)算出控制機(jī)構(gòu)主要參數(shù)。最后將該行走部分應(yīng)用于步行割灌機(jī)，得到所需合理的爬山機(jī)構(gòu)。結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)割灌機(jī)爬山和自主作業(yè)的功用。

割灌機(jī)；爬山機(jī)構(gòu)；行走部分；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0　引　言

割灌機(jī)在林業(yè)上用于林地清理、幼林和成林撫育、次生林撫育改造等多種作業(yè)。主要以切割直徑18 cm以內(nèi)的多種林木和雜草。目前割灌機(jī)在林業(yè)、園藝和農(nóng)牧等多個(gè)行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用[1]。割灌作業(yè)是城市園林綠化必不可少的工作，園林工人在清除雜草、修剪灌木時(shí)經(jīng)常使用割灌機(jī)來完成綠化作業(yè)[2]。而我國灌木樹種資源極為豐富，根據(jù)沙生灌木的生物學(xué)特性，每3～5 a就需進(jìn)行平茬。平茬收割時(shí)若手工勞作，其勞動(dòng)強(qiáng)度大且生產(chǎn)效率低，因此只有使用專業(yè)的割灌機(jī)械才能提高生產(chǎn)效率[3]。割灌機(jī)是割除灌木、雜草的便攜式機(jī)械，靠高速旋轉(zhuǎn)的鋒利刀片切割樹木枝椏、藤蔓或半木質(zhì)化草株[4]。

在如今這個(gè)機(jī)械行業(yè)越來越發(fā)達(dá)的時(shí)代，機(jī)械的各種機(jī)構(gòu)也靠著先進(jìn)的方向邁進(jìn)，能夠滿足人類工作作業(yè)的機(jī)器也越來越多，但是，很多機(jī)器都是可以滿足在路面平整或者沒有坡度的路面行走，能夠滿足進(jìn)行爬山而且能夠自主作業(yè)的小型機(jī)械設(shè)備的種類少之又少。本文將介紹這種能夠爬山且自主作業(yè)割灌機(jī)的行走部分。林間步行割灌機(jī)的行走機(jī)構(gòu)在整機(jī)設(shè)計(jì)中尤為重要，在復(fù)雜的林區(qū)環(huán)境下工作，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮機(jī)器良好的越障能力和防傾覆能力[5-7]。行走機(jī)構(gòu)也稱行路機(jī)構(gòu)，如圖1所示，主要由前導(dǎo)桿系、行走機(jī)架、后導(dǎo)桿系、左步行機(jī)構(gòu)、離合器以及右步行機(jī)構(gòu)組成。行走機(jī)架與步行機(jī)構(gòu)用螺釘相連接，機(jī)架位于駕駛室的下部，二者都是由前后導(dǎo)桿系相連，駕駛室安裝在導(dǎo)桿系的上方，導(dǎo)桿系的下部連接行走機(jī)架。

本文設(shè)計(jì)的步行割灌機(jī)中的行走部分主要由行走部分機(jī)架、前后導(dǎo)桿系、步行機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)等組成。步行割灌機(jī)的行走機(jī)構(gòu)在整機(jī)的最下方，起到支撐駕駛室與割灌部分的作用，同時(shí)也是用于前進(jìn)的主要部件。

1.前導(dǎo)桿系　2.行走機(jī)架　3.后導(dǎo)桿系　4.左步行機(jī)構(gòu)　5.離合器　6.右步行機(jī)構(gòu)　7.減速汽油機(jī)1.Leading bar system　2.Walking frame　3.Rear guide bar system　4.Walk left institution　5.The clutch6.Walk right institution　7.Speed gasoline engine圖1　步行割灌機(jī)行走機(jī)構(gòu)Fig.1 Walking mechanism of walking brush breaker

1　設(shè)計(jì)需求

根據(jù)步行割灌機(jī)設(shè)計(jì)初始考慮，作為可以在林間既能直線行走，又可以在有坡度的地面上行走，同時(shí)具備一定的轉(zhuǎn)彎功能，所以該行走部分的設(shè)計(jì)應(yīng)從行走、越障和爬坡等方面考慮。此步行割灌機(jī)主要是用于林區(qū)復(fù)雜的環(huán)境，不僅可以使機(jī)器有一定的直線行走能力，還可以具有一定的越障能力，這種機(jī)器可以解決輪式或履帶式機(jī)械在林區(qū)行走的不足[8]，因此步行割灌機(jī)在設(shè)計(jì)過程中的設(shè)計(jì)需求見表1。

根據(jù)現(xiàn)階段我國人工灌木林的現(xiàn)狀，對割灌機(jī)的參數(shù)進(jìn)行確定：林間步行割灌機(jī)需跨越有一定高度的障礙物，如小型灌木和雜草，越障高度可以達(dá)到100 mm；可以在林間進(jìn)行平穩(wěn)的速度行走，行走速度達(dá)到3～8 km/h；由于林間的道路崎嶇不平等各種復(fù)雜環(huán)境，機(jī)器的整體設(shè)計(jì)應(yīng)趨于小巧、靈活等特點(diǎn)，使機(jī)器可以方便在林間自由工作，所以外形尺寸應(yīng)保證在1800 mm×1200 mm×1900 mm；步行割灌機(jī)可以進(jìn)行爬坡，但是爬坡角度應(yīng)有一定的限制，角度過大，整個(gè)機(jī)器爬坡難度增大，消耗能源較大，因此爬坡角度限制在35°以內(nèi)為最好；由于步行割灌機(jī)在轉(zhuǎn)向、爬坡和作業(yè)等都是由操作者控制，所以整個(gè)機(jī)器的質(zhì)量不易偏大，質(zhì)量過大將會(huì)影響整個(gè)機(jī)器的行走速度和浪費(fèi)能源，因此整個(gè)機(jī)器的質(zhì)量不應(yīng)該超過150 kg；對于步行機(jī)整機(jī)的四周不應(yīng)該有棱角，否則可能會(huì)刮斷林區(qū)的灌木或雜草；步行割灌機(jī)的外部盡可能采用輕型質(zhì)量的材料，這樣可以減小整機(jī)的質(zhì)量，防止由于笨重而產(chǎn)生不必要的影響。

表1　林間步行割灌機(jī)設(shè)計(jì)需求

2　步行割灌機(jī)步行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，步行割灌機(jī)的步行機(jī)構(gòu)主要是由曲軸、端軸、軸承座、連接板、前底腳與后底腳等組成。在此次設(shè)計(jì)的行走機(jī)構(gòu)共有8個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)，每個(gè)四邊形機(jī)構(gòu)有兩只腳支撐，這樣就可以保證不同的四邊形機(jī)構(gòu)上每個(gè)角之間的軸向夾角形成90°，每一個(gè)側(cè)面的四只腳在不同時(shí)間內(nèi)交錯(cuò)著地，這樣保證了在任何時(shí)間都至少有兩只腳在地面上，而這兩只腳分別在機(jī)器行走機(jī)構(gòu)的兩側(cè)，這樣既可以保證機(jī)器本身可以順利向前方向行走，又可以保證行走時(shí)的穩(wěn)定性。

步行割灌機(jī)的行走方式相比較傳統(tǒng)的履帶式和輪式機(jī)器來說，有更大的優(yōu)勢在于較強(qiáng)的活動(dòng)能力和牽引能力，跨越障礙的能力也有較大的優(yōu)勢[9]。該行走部分是一種仿生行走機(jī)構(gòu)，如圖3所示，兩只腳通過連接板的連接構(gòu)成一組近似平行四邊形的機(jī)構(gòu)，即平面四連桿機(jī)構(gòu)[10]，共有8個(gè)平面四連桿機(jī)構(gòu)，左右對稱。與眾不同的是，通過汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)多組行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)行走，具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，系統(tǒng)的平衡難度補(bǔ)償也降低，對于其有著較高的機(jī)動(dòng)性能和跨越能力。此設(shè)計(jì)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度時(shí)，只需要考慮一個(gè)平面四連桿即可，其他的都為虛約束，只是為了使步行割灌機(jī)穩(wěn)定而設(shè)計(jì)的，不會(huì)影響機(jī)器的自由度的計(jì)算。

1.曲軸　2.端軸　3.軸承座　4.后底腳　5.連接板　6.前底腳　7.凸輪1.The crankshaft　2.End shaft　3.The bearing seat　4.Rear bottom foot　5.Connect plate　6.Before the foot　7.The Cam圖2　步行機(jī)構(gòu)Fig.2 Walking mechanism

圖3　平面四連桿機(jī)構(gòu)Fig.3 Planar four-bar linkage

在設(shè)計(jì)該步行機(jī)構(gòu)的自由度時(shí)，機(jī)械具有確定運(yùn)動(dòng)的條件是機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)等于自由度數(shù)，因原動(dòng)件為1個(gè)，故自由度數(shù)只需考慮一個(gè)即可，如圖3所示，其他7個(gè)都為該機(jī)構(gòu)的虛約束，對于機(jī)器的整體自由度沒有產(chǎn)生任何影響。四邊形自由度計(jì)算公式[11]為：F=3n-2PL-PH，其中n是該機(jī)構(gòu)總活動(dòng)構(gòu)件數(shù)，PL為該機(jī)構(gòu)低副的數(shù)目，PH為該機(jī)構(gòu)高副的數(shù)目，在本機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)的自由度中，n=3、PL=4、PH=0得出自由度F=1。

在設(shè)計(jì)該機(jī)構(gòu)的后底腳時(shí)，考慮到其跨越地面的穩(wěn)定性，故采用三角形肋板的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，后底腳為120°的三角形，且為了保證其穩(wěn)定性和強(qiáng)度要求，將腳底板設(shè)計(jì)為長360 mm，寬45 mm的鋼板形式。因其前底腳之前需要加裝割灌部分的圓鋸片、防護(hù)罩等，故前底腳為后底腳同型的不對稱結(jié)構(gòu)。

步行機(jī)構(gòu)的行走是將動(dòng)力傳遞到曲軸上的輸入軸，由輸入軸傳遞到凸輪，在凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，行走機(jī)構(gòu)的第一條腿也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與腿的轉(zhuǎn)動(dòng)角度相同，之后其余腿也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣每條腿都會(huì)向前行走[12]。反之當(dāng)動(dòng)力傳遞到曲軸為反轉(zhuǎn)時(shí)，每條腿便會(huì)向后行走，形成步行機(jī)構(gòu)的倒擋。行走機(jī)構(gòu)中第一條腿由凸輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，凸輪代替曲柄，目的是抵消機(jī)器在行走時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)，凸輪與底腳關(guān)系如圖4所示。

1.凸輪　2.后底腳1.The Cam　2.Rear bottom foot圖4　凸輪與后底腳連接圖Fig.4 CAM with foot after connection diagram

軸承座是用于支撐步行機(jī)構(gòu)腳與曲軸的作用。連接板是用于連接同一方向的兩只腳，兩只腳通過連接板的連接構(gòu)成一組近似平行四邊形的機(jī)構(gòu)(如圖2(a)所示)，該機(jī)器左右兩側(cè)共有8個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)，這些機(jī)構(gòu)通過汽油機(jī)提供動(dòng)力，由步行機(jī)構(gòu)的曲軸依次將一側(cè)的四個(gè)腿抬起，而四個(gè)腿抬起的高度取決于曲軸曲柄的長度，四個(gè)腿的曲柄所成的角度依次相差90°，這樣可以保證每次行走時(shí)整機(jī)至少有兩條腿在地面上，具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，這種機(jī)構(gòu)有著較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性能和跨越能力。

2.1曲軸的分類及分析

曲軸機(jī)構(gòu)大致可分為：整體式和組合式。本文采用的是新型組合式偏心輪軸曲軸機(jī)構(gòu)，該曲軸機(jī)構(gòu)為四拐曲軸，每一個(gè)曲拐都是由兩個(gè)被曲柄銷連

接在一起的曲柄臂組成。四個(gè)曲拐通過多個(gè)主軸頸完成連接在一起。組合式偏心曲軸相比較傳統(tǒng)整體式曲軸的優(yōu)點(diǎn)有：

(1)曲軸是由多點(diǎn)支撐，與傳統(tǒng)大跨距的兩個(gè)端點(diǎn)的結(jié)構(gòu)相比，剛性和強(qiáng)度大大增強(qiáng)，有利于承受較大的彎矩 。

(2)各個(gè)零部件的制造也是十分簡單，熱處理質(zhì)量好控制，而不像整體式曲軸加工工藝那樣困難。

(3)拆卸方便，可以用滾動(dòng)軸承為轉(zhuǎn)動(dòng)副，有利于潤滑，能夠提高曲柄機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能。

2.2曲軸的設(shè)計(jì)

通過步行機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器的行走，它是模仿人的行走姿勢而設(shè)計(jì)的[13]，此設(shè)計(jì)采用的平行四邊形機(jī)構(gòu)可以使機(jī)器行走穩(wěn)定，為避免相互之間產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，引入了曲軸[14]。本次設(shè)計(jì)的曲軸與汽車中的曲軸不同，該曲軸共有四個(gè)拐，每個(gè)拐上都與步行機(jī)構(gòu)的腿相連，而這個(gè)拐的長度就是曲柄的長度。

圖5為該四拐曲軸端面示意圖，若將第一曲柄轉(zhuǎn)角設(shè)為X1=X，則第二曲柄轉(zhuǎn)角為X2=X+270°，第三曲柄轉(zhuǎn)角為X3=X+180°，第四曲柄轉(zhuǎn)角為X4=X+90°。四個(gè)曲柄的角度在任何情況下都各自成90°。

通常情況下，曲軸主要是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成自身的圓周運(yùn)動(dòng)。但是本文在設(shè)計(jì)曲軸時(shí)是將它作為步行割灌機(jī)行走部分的主要部件，整個(gè)機(jī)器是以模仿人的行走方式為基準(zhǔn)，所以曲軸的尺寸和質(zhì)量影響著整機(jī)的工作性能，曲軸的強(qiáng)度影響整機(jī)的壽命。

因此在設(shè)計(jì)曲軸的過程中，首先應(yīng)該準(zhǔn)確地選擇要設(shè)計(jì)的參數(shù)、計(jì)算變量等多個(gè)方面，使設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)。

1.凸輪　2.曲柄1.The Cam　2.The crank圖5　四拐曲軸示意圖Fig.5 Sketch of four-turn crankshaft

曲軸的參數(shù)設(shè)定：

主軸徑：

(1)

主軸的長度L=451 mm。

式中：C為由軸的材質(zhì)和承載情況確定的參數(shù)129；P為軸傳遞的功率2.1，kw；n為主軸的轉(zhuǎn)速295，r/min。

在曲軸的設(shè)計(jì)過程中，曲柄的長度值也是非常重要的，曲柄的長度主要是由步行割灌機(jī)的速度、越障能力和整個(gè)機(jī)器的尺寸決定的。

曲柄長度：由該步行割灌機(jī)的越障能力為100 mm可確定曲柄長度為120 mm。

曲柄高度：

F/πdh≤[σ]。

(2)

式中：F為曲柄受重力，N；D為曲柄軸徑，mm；H為曲柄高度，mm；[σ]為曲柄材料的許用應(yīng)力120 MPa。

由公式(2)解得曲柄厚度為8 mm。

曲柄寬度：已知曲柄上的孔為20 mm，可知該件的邊緣與零件外形邊緣不平行時(shí)，該最小距離應(yīng)不小于材料厚度8 mm，取10 mm，故步行割灌機(jī)最終曲柄尺寸參數(shù)確定為：長度120 mm，寬度40 mm，厚度8 mm，如圖6所示。

圖6　曲柄結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Crank structure

在設(shè)計(jì)此曲軸曲柄臂的形狀時(shí)大多數(shù)都分成圓形和橢圓形，圓形曲柄的優(yōu)勢是便于機(jī)械加工和拋光，因此采用圓形曲柄臂，表面拋光是增強(qiáng)曲軸疲勞強(qiáng)度的重要方法之一。正確合理選擇曲柄臂的厚度和寬度，可以保證曲軸的剛度和強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)值。曲柄臂的抗彎模數(shù)用Wσ來表示：

(3)

式中：b為曲柄臂的寬度，mm；h為曲柄臂的厚度，mm。

由公式(3)可以得到，在增加曲柄抗彎能力上，增加曲柄的厚度比寬度要好得多。例如，h增加10%，Wσ提高21%；而寬度增加10%，抗彎強(qiáng)度只增加了10%，造成這種原因是曲柄臂越寬導(dǎo)致應(yīng)力分布不平衡。

根據(jù)以往的曲軸設(shè)計(jì)常分為整體式和組合式兩大類，為了方便安裝步行割灌機(jī)，采用組合式曲軸，曲軸的材料選用45鋼，曲軸的結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

1.軸套　2.端軸　3.曲柄　4.銷軸　5.隔套 6.中間軸　7.凸輪　8.輸入軸1.The collar　2.End shaft　3.The crank　4.The pin 5.Spacer tube　6.Intermediate shaft　7.The Cam　8.Input shaft圖7　曲軸結(jié)構(gòu)圖Fig.7 The crankshaft structure

3　步行割灌機(jī)行走機(jī)架設(shè)計(jì)

行走部分機(jī)架(如圖8所示)是由不同的方鋼管焊接和折彎而成，它的功用是支撐步行機(jī)構(gòu)和連接各個(gè)零件，可以緩沖行走過程中步行機(jī)構(gòu)的震動(dòng)。

1.行走機(jī)架　2.離合器托架　3.汽油機(jī)后托板 4.汽油機(jī)前支板　5.肋板1.Walking frame　2.The clutch bracket　3.The plate after the gasoline engine　4.The plate before gasoline engine　5.Floor圖8　步行割灌機(jī)行走部分機(jī)架Fig.8 The frame of walking part of walking brush breaker

選擇方鋼管的優(yōu)勢在于本身機(jī)器的承載重力小，而且價(jià)格也較便宜，適合在質(zhì)量小的機(jī)器上使用，而且具有足夠的剛度，良好的抗震性，可以盡量減小熱變形和內(nèi)應(yīng)力，防止步行機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生形變。在機(jī)架的上部有汽油機(jī)前支板、汽油機(jī)后托板、離合器托架和肋板。汽油機(jī)前支板主要是對汽油機(jī)的一種支撐，汽油機(jī)后托板主要是托住汽油機(jī)，起到固定汽油機(jī)的作用。

前后導(dǎo)桿系主要是起著連接的作用，它的上部即是駕駛平面，下部則是行走機(jī)架。

離合器托架是用于托住離合器，將離合器固定在行走機(jī)架上。

4　步行割灌機(jī)控制機(jī)構(gòu)選用

由操作者控制步行割灌機(jī)的起步、停止、轉(zhuǎn)彎和越障，將市場買的農(nóng)用機(jī)器的扶手作為步行割灌機(jī)的控制裝置，在割灌作業(yè)過程中，起步、停止、轉(zhuǎn)彎和越障等功能可以有操作者通過扶手進(jìn)行控制[15]。本次設(shè)計(jì)在控制方向方面選擇用牙嵌式離合器，牙數(shù)一般取值在3～60，如圖9所示為步行割灌機(jī)控制元件圖[16]。

1.離合器固定端　2.離合器滑動(dòng)端　3.平鍵 4.下滑動(dòng)軸　5.上滑動(dòng)軸　6.撥叉1.The fixed end of the clutch　2.The clutch sliding side 3.The flat key　4.The drop shaft　5.Sliding shaft　6.Fork圖9　步行割灌機(jī)控制元件圖Fig.9 Control components of walking brush breaker

牙嵌式離合器通過兩個(gè)相互嵌合的半離合器牙齒嵌合傳遞動(dòng)力，由于該離合器牙齒結(jié)構(gòu)的特殊性，其齒在結(jié)合過程中受到滑動(dòng)端與固定端的轉(zhuǎn)速差影響較大，因此簡要分析離合器在結(jié)合過程中的4個(gè)階段。

從圖10(a)可以看出，離合器滑動(dòng)端在操縱力的作用下與固定端的齒頂面相接觸，在轉(zhuǎn)速差的作用下逐漸向固定端的牙槽伸進(jìn)，該階段為接合的初期。

圖10　離合器結(jié)合過程Fig.10 Clutch combination process

從圖10(b)可以看出，滑動(dòng)端的齒頂面滑過固定端的側(cè)面，逐漸開始向牙槽靠近。

從圖10(c)可以看出，滑動(dòng)端的齒頂面已經(jīng)開始進(jìn)入固定端的牙槽內(nèi)。

從圖10(d)可以看出，滑動(dòng)端的齒頂面已經(jīng)完全進(jìn)入固定端的牙槽內(nèi)。

離合器滑動(dòng)端的齒頂面在操縱力的作用下與固定端相互接觸時(shí)有摩擦力產(chǎn)生，因此，二者的轉(zhuǎn)速差也逐漸減小，假設(shè)在這段時(shí)間內(nèi)操縱力大小不變，則可以計(jì)算滑動(dòng)端的摩擦轉(zhuǎn)矩，圖11為齒頂面受到摩擦的示意圖。

圖11　齒頂面摩擦示意圖Fig.11 Addendum surface friction

圖11中ω為牙嵌式離合器的角速度；φ2為從動(dòng)件牙頂面過渡圓角兩側(cè)起點(diǎn)對應(yīng)的圓心角；α0為滑動(dòng)端的齒頂面的起點(diǎn)與固定端側(cè)面圓角起點(diǎn)對應(yīng)的角度。

對滑動(dòng)端進(jìn)行摩擦轉(zhuǎn)矩的動(dòng)力學(xué)微分方程[17-19]：

(4)

對公式(4)進(jìn)行二次微分方程：

(5)

式中：α0為滑動(dòng)端的齒頂面的起點(diǎn)與固定端側(cè)面圓角起點(diǎn)對應(yīng)的角度；ω0為所對應(yīng)的角速度。

由公式(4)可以推出角度差為：

(6)

5　結(jié)論與討論

根據(jù)步行割灌機(jī)行走部分的行走原理對其行走部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，分析行走部分每一個(gè)部件的功用及原理，分析行走機(jī)構(gòu)行走原理，對曲軸、行走機(jī)架以及離合器控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，設(shè)計(jì)出了參數(shù)合理的曲軸及離合器控制機(jī)構(gòu)，確定了割灌機(jī)行走部分的整體布局。

傳統(tǒng)的輪結(jié)構(gòu)和履帶結(jié)構(gòu)的機(jī)械設(shè)備，它們在爬山的過程中已將一部分動(dòng)力耗費(fèi)掉，剩余的動(dòng)力也就不足以滿足剩下的割灌，該行走部分已實(shí)際應(yīng)用于割灌機(jī)中，可大大提高割灌機(jī)的工作效率與質(zhì)量，使得割灌機(jī)的爬山和自主作業(yè)功用能夠并行實(shí)現(xiàn)。但步行割灌機(jī)主要是用于林區(qū)割灌，如果想要作為家庭用的小型割草機(jī)及園用的草坪收割機(jī)，其質(zhì)量偏大且不夠靈活，因此，考慮降低其質(zhì)量是下一步需要完善的問題。

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Walking Structure Design and Research of Walking Brush Breaker

Yang Chunmei ，Guo Minghui，Ma Yan，Wang Shuang

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In order to find out the small devices which can satisfy climbing and do autonomous task at present，this article puts forward a kind of walking part design of the walking brush breaker.It has clarified the working principle and structural design of the new walking brush breaker，as well as design parameters of the walking structure，walking frame and control structure in details.The structure transport the power is passed on to the input shaft of crankshaft，then the power transmission also by the input shaft to the cam and the cam driven legs to walking forward.The diameter of a crankshaft principal axis，length and crank are set，it chooses the combined crankshaft and takes in the cam structure to shock absorption.It uses two feet to connect the junction plate，in order to constitute a pair of approximate parallelogram walking structure．The structure has good structure stability，strong maneuverability and spanning capacity.The square steel tube has the characteristics of bearing small gravity and enough stiffness，good vibration resistance，so it is applied to walking part of the frame and uses the crankshaft to connect with the walking structure.The claw coupling is used in the control structure，based on the claw coupling engaging process，the friction torque is analyzed，and the diameter of control structure is designed.Until now，the reasonable parameters of the crankshaft and clutch control mechanism have been designed and the walking part of walking brush breaker overall layout has been ascertained.Finally，make the walking part used in walking brush breaker，so the reasonable mountain climbing structure has obtained.The result shows that this design can make the brush breaker’s climbing and autonomous task function has achieved.

brush breaker；climbing structure；walking structure；structure design

2016-02-15

國家林業(yè)行業(yè)公益專項(xiàng)資助(201504508)

楊春梅，副教授，博士。研究方向：林業(yè)機(jī)械設(shè)備方面的研究。E-mail：ycmnefu@126.com

楊春梅，郭明慧，馬巖，等.步行割灌機(jī)行走部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究[J].森林工程，2016，32(5)：48-54.

S 776.21+1

A

1001-005X(2016)05-0048-07