手推式綠籬修剪機(jī)的設(shè)計與研究*

程偉韜 ，王引衛(wèi) ，李攀奇

（西京學(xué)院機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710123）

0 引言

公路兩邊的綠籬可以防止晚上車輛在會車時因車燈過亮而發(fā)生車禍，且在發(fā)生車禍時可以有部分的緩沖作用，減少一些防護(hù)措施將車道隔離開來，減輕因為駕駛車輛引起的疲勞，還具有隔音和防塵的效果，可以給司機(jī)帶來舒適的視覺效果，乘車人員也可以感到舒適。因此，綠籬在公路中不僅起到了觀賞目的，同時還對車乘人員有一定的保護(hù)作用。綠籬每年至少需要修剪兩次，以便植物的根部能夠得到充足的光照，同時也保證道路通行安全。

綠籬修剪機(jī)動力是通過電動機(jī)或者汽油發(fā)動機(jī)生產(chǎn)的。從20世紀(jì)20年代開始，日本和美國相繼成功研制出了車載懸掛式的修剪機(jī)，用它來修剪公路上的綠籬和園林的綠籬。車載懸掛式綠籬修剪機(jī)的工作原理是往復(fù)式切割機(jī)構(gòu)，經(jīng)過一些對操控系統(tǒng)的調(diào)整，可以讓綠籬修剪機(jī)在不同的平面和不同的高度進(jìn)行修剪作業(yè)，這種修剪機(jī)可以適應(yīng)工作量較大的工作和路程比較長的道路兩側(cè)綠籬，但是精度不是很理想。歐洲國家的人們比較會享受生活，他們把修剪綠籬當(dāng)作休閑活動，設(shè)計了一款小型的坐騎式修剪機(jī)，這種修剪機(jī)可以保護(hù)工作者的安全。

我國現(xiàn)在公路兩邊的綠籬整理依然需要依靠手持式的修剪機(jī)器，勞動量大，效率低，并且經(jīng)常會有危險發(fā)生。本文設(shè)計了一款手推式的綠籬修剪機(jī)器，提高綠籬修剪效率。

1 修剪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)

因車載式的綠籬修剪機(jī)器一般適用于長路程的道路綠籬，許多比較小的空間里車載式綠籬修剪機(jī)無法自由活動，而手持式綠籬修剪機(jī)又對工作者的體力要求很高，一般人無法接受比較大工作量，所以本設(shè)計選擇的是手推式綠籬修剪機(jī)。手推式綠籬修剪機(jī)器主要是由綠籬刀、調(diào)節(jié)裝置、傳動系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)、手推車等組成，調(diào)節(jié)裝置包括伸出長度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)和角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)等，伸出長度調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制綠籬刀片的所處伸出位置，高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制綠籬刀片的高度位置，角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制綠籬刀片豎直還是水平位置，使用調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以修理大部分不同寬度和高度的綠籬的上方和兩側(cè)[1]。傳動系統(tǒng)一共有三部分，分別為動力轉(zhuǎn)換裝置、減速裝置和鋼絲軟軸，減速裝置將發(fā)動機(jī)輸出的動力減小，鋼絲軟軸把減速過的動力輸入到動力轉(zhuǎn)換裝置，動力轉(zhuǎn)換裝置采用連桿機(jī)構(gòu)將鋼絲軟軸的動力轉(zhuǎn)化為綠籬刀片的往復(fù)運動。手推車負(fù)擔(dān)整個機(jī)器，底部安裝輪子，后方安置扶手。

1.2 工作原理

手推式修剪機(jī)開始工作時，要做好一系列準(zhǔn)備工作，先確定綠籬修剪后的形狀，根據(jù)預(yù)先要得到的綠籬高度，通過綠籬高度控制裝置調(diào)節(jié)綠籬刀片的高度，把鎖緊裝置鎖定。再確定綠籬的寬度，接著通過伸出裝置將綠籬刀片伸出到合適的位置，把綠籬刀的長度鎖定[2]。之后將綠籬刀片的位置調(diào)到上方或者兩側(cè)鎖定，把綠籬推車推到與綠籬下方緊靠的位置，就可以啟動發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)的動力經(jīng)過減速，通過鋼絲軟軸傳到綠籬刀片，作往復(fù)運動的刀片與下方的靜止刀片類似剪刀一樣剪切綠籬，這時推動手推車，綠籬修剪機(jī)就可以完成修剪綠籬的工作，最后修剪完畢關(guān)閉發(fā)動機(jī)，這樣就完成了綠籬修剪的作業(yè)[3]。

2 主要部位設(shè)計

2.1 發(fā)動機(jī)的選擇和綠籬刀頭的選擇

常見的動力源有柴油發(fā)動機(jī)、汽油發(fā)動機(jī)和電動發(fā)動機(jī)。如果本設(shè)計使用電力作為動力，就需要把電源和電線等一系列設(shè)備準(zhǔn)備好，但是綠籬修剪大多為室外作業(yè)，基本上都是遠(yuǎn)離電源的，所以選擇使用電動發(fā)動機(jī)是不可行的。柴油發(fā)動機(jī)有動力強(qiáng)勁的特點，但是柴油發(fā)動機(jī)的重量大，轉(zhuǎn)速也是比較低，噪聲也不小，很容易在施工時吵到他人[4]，和綠籬修剪需要的快速作業(yè)不太匹配，使用柴油發(fā)動機(jī)是不合適的。而汽油發(fā)動機(jī)既有小巧輕便、轉(zhuǎn)速快又有容易啟動的特點，所以本設(shè)計選擇使用汽油發(fā)動機(jī)作為綠籬修剪機(jī)的動力源，大多數(shù)綠籬枝丫的最大直徑不超過25 mm，對比類似的設(shè)計準(zhǔn)則，對比一下技術(shù)已經(jīng)成熟的機(jī)器的動力來源，再考慮到此設(shè)備是手推式裝置，綠籬修剪機(jī)要在戶外運動，同時考慮到成本和通用性，這里選擇使用JK-CH750作為綠籬修剪機(jī)發(fā)動機(jī)的型號，額定功率1000 W，外形尺寸1000 mm，凈重13 kg，華盛四沖程手推式綠籬修剪機(jī)，轉(zhuǎn)速2800 r/min，排量31 cc。綠籬刀采用單刃刀片，長度850 mm，結(jié)構(gòu)合理且割幅較大[5]。

2.2 傳動系統(tǒng)的設(shè)計

綠籬修剪機(jī)傳動的部分是主要參照系數(shù)，本設(shè)計采用齒輪傳動。

此傳動部分將汽油發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的動力經(jīng)過傳送系統(tǒng)傳遞到減速箱的高速旋轉(zhuǎn)軸承，經(jīng)過兩級齒輪傳動進(jìn)行適當(dāng)減速，可以減速到所需轉(zhuǎn)速，然后減速系統(tǒng)輸出的動力經(jīng)過旋轉(zhuǎn)軟軸傳送到動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，使用可以轉(zhuǎn)動的軸承作為傳動是為了調(diào)節(jié)減速系統(tǒng)輸出軸承和動力轉(zhuǎn)化方面輸入軸中間的長度和角度的變化。經(jīng)過動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)里的錐齒輪傳動，把傳入的動力轉(zhuǎn)換到與之垂直的方位，并且可以實現(xiàn)進(jìn)一步的減速，從動輪與偏心輪固定連接，偏心輪外面套有一個帶圓孔的連接桿，綠籬刀的刀片實際上等于一個可以運動的滑塊，偏心輪、連接桿和刀片組成了一個曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，把轉(zhuǎn)動變成了綠籬刀片的來回直線運動[6]。

2.3 手推車架的設(shè)計

手推車架用來放置發(fā)動機(jī)、減速裝置、可控制的升降支撐架、伸出長度控制系統(tǒng)和綠籬刀片等裝置，是用角鋼焊接出的基本結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)上面放置薄鋼板，然后把薄鋼板焊到角鋼結(jié)構(gòu)上去。另外還需要設(shè)計手推車的推手部分，手推車架子的推手部分使用厚2 mm、直徑為25 mm的圓鋼管以折彎的方式，然后焊接在手推車架的后上方，并且手推車架上面還焊有起固定作用的支撐結(jié)構(gòu)，用來放置可控制的升降支撐架[7]。

2.4 支撐橫梁的設(shè)計

將伸出長度控制系統(tǒng)安裝在可控制的升降支撐架上，然后在伸出長度控制系統(tǒng)上放置綠籬刀片。伸出長度控制系統(tǒng)是由鋼管加工而成的，這個系統(tǒng)主要是受到了在工作時綠籬刀傳遞來的反作用力FE，和可以控制的升降支撐架對它的約束力FB和FC。在工作人員推手推車的速度比較快的時候，綠籬刀片修剪比較粗的灌木樹枝的時候，綠籬修剪刀受到的反作用力最大，大概估計這個最大的反作用力是FE=50 N。支撐橫梁在這三個力的共同作用下，主要受到了彎曲應(yīng)力[8]。

2.5 高度控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計

可控制升降支撐架的高度控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)是通過齒條和齒輪的配合來達(dá)成的，首先把齒條焊接在可控制的升降支撐架左邊的豎直鋼管上面，然后齒輪固定在手推車固定支撐架左邊的鋼管上面，手輪與齒輪焊在一個軸上。如果需要可控制的升降支撐架向上調(diào)整的時候，先順時針調(diào)節(jié)手動輪，手動輪就可以帶著齒輪順時針轉(zhuǎn)動，然后齒輪與齒條嚙合，由于齒輪是固定的，齒條相對上升，同時齒條和左邊的可控制的升降支撐架是連接在一起的，所以可控制的升降支撐架也向上升，達(dá)到了調(diào)節(jié)高度的目的。如果需要可控制的升降支撐架向下調(diào)節(jié)時，可以逆時針轉(zhuǎn)動手輪，手輪就可以帶著齒輪進(jìn)行逆時針轉(zhuǎn)動，齒輪與齒條嚙合，由于齒輪位置不變，所以齒條就向下降，而齒條與左邊的可控制的升降支撐架是焊在一起的，所以可控制的升降支撐架也向下降，從而達(dá)到了調(diào)節(jié)高度的目的。

2.6 刀片方向調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計

綠籬機(jī)器既需要水平方向修剪綠籬，還需要豎直方向修剪綠籬，所以對綠籬刀進(jìn)行方向方面的設(shè)計。綠籬刀方向調(diào)節(jié)設(shè)計主要是由支撐橫梁右方末端安置有正十二邊形的頭部、刀片尾部的正十二邊形的凸臺、螺母和螺栓構(gòu)成[9]。當(dāng)需要修剪路邊兩側(cè)的綠籬時，首先要將綠籬刀從水平方向切換至豎直方向，第一步松開螺母，把綠籬刀尾部的方形凸臺在支撐橫梁右方末端的頭部方形孔內(nèi)拔出，將綠籬刀頭轉(zhuǎn)動到豎直方向，然后將之放進(jìn)支撐橫梁右方末端的頭部方形孔中，最后把螺母擰緊用以固定刀頭的位置。然而這種綠籬刀方向的調(diào)節(jié)不是說一格不變的，當(dāng)需要剪切斜著的綠籬時，可以把刀頭調(diào)節(jié)到所需的方向，并且使每一格30°，非常簡單可靠。如果需要修剪水平面的綠籬，也可以調(diào)節(jié)回來。

2.7 蝸輪蝸桿減速器的設(shè)計

經(jīng)查標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10085—2018可知，需要使用圓弧圓柱蝸桿的減速器。由于考慮到了蝸桿傳動的功率不是很大，轉(zhuǎn)動速度一般為中等轉(zhuǎn)速，所以選擇使用四十五號鋼的蝸桿；為了使機(jī)器的工作效率高一些，并且耐磨性也要好一些，在這里選擇對進(jìn)行淬火處理，淬火后蝸桿螺旋齒面的硬度為四十至五十五HRC[10]。渦輪使用鑄錫青銅（參考GB/T 1176—2013）中的ZCuSn10Pb1，在金屬模中鑄造。為了節(jié)省稀有的金屬，這里的齒圈使用青銅構(gòu)成，用灰鑄鐵HT100構(gòu)成輪芯。

2.8 SolidWorks建模軟件三維建模

SolidWorks是一款三維設(shè)計軟件，內(nèi)容包含產(chǎn)品在概念時的設(shè)計、運動和強(qiáng)度分析的計算、三維模型設(shè)計、生產(chǎn)加工直至做成完整產(chǎn)品的全部過程。依據(jù)綠籬修剪機(jī)的作業(yè)原理，將整機(jī)劃分為發(fā)動機(jī)、減速裝置、可控制的升降支撐架、伸出長度控制系統(tǒng)和綠籬刀片等分部件先進(jìn)行構(gòu)建，隨后把構(gòu)建的分部件進(jìn)行裝配得到完整的綠籬修剪機(jī)的三維模型，如圖1所示。現(xiàn)在的國內(nèi)市場所售賣的綠籬修剪機(jī)，一般只具有一個修剪部分，而且配置的刀頭大部分不滿足大面積小區(qū)域的綠籬修剪作業(yè)。根據(jù)當(dāng)前的綠籬修剪機(jī)的行情和發(fā)展的趨勢，然后結(jié)合公路兩邊綠籬的參數(shù)，設(shè)計了一款手推式綠籬修剪機(jī)，并且將這個綠籬修剪機(jī)的三維圖形繪制出來，將各個零件的細(xì)節(jié)繪制出來，把運動細(xì)節(jié)描述出來了[11-14]。

圖1 三維模型

3 總結(jié)

本文選擇SolidWorks建立修剪機(jī)三維模型，計算出相關(guān)參數(shù)。展開各個部位的靜力學(xué)分析，用以判斷該設(shè)計是否滿足實際需要。針對修剪機(jī)各部分結(jié)構(gòu)展開分析，得到各部分參數(shù)。該修剪機(jī)使用當(dāng)代先進(jìn)設(shè)計理念，研發(fā)周期大大縮短，且質(zhì)量仍得到保證，可為以后相似產(chǎn)品的設(shè)計提供借鑒。