草坪割草機高度調(diào)節(jié)機構(gòu)對作業(yè)質(zhì)量的影響分析及其優(yōu)化設(shè)計

廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué) 劉震

前言

新時期發(fā)展背景下，人們對于生態(tài)綠化的要求越來越高，草坪割草機逐漸成為綠化管理中使用的主要器械，且市場需求逐年提升。為進一步提高草坪割草機的運行效果與質(zhì)量，需要結(jié)合實際需求對草坪割草機進行優(yōu)化設(shè)計，而高度調(diào)節(jié)機構(gòu)是草坪割草機中十分關(guān)鍵的部件結(jié)構(gòu)，能夠?qū)Σ萜焊畈輽C的運行質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響效果。因此，需要對高度調(diào)節(jié)機構(gòu)進行科學(xué)的研究，對內(nèi)部參數(shù)進行調(diào)整變動，這樣才能保證草坪割草機符合人們的使用需求。

1 草坪割草機概述

草坪割草機是城市園林綠化中常使用的器械之一，其結(jié)構(gòu)形式一般為旋刀式，刀片在高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下切斷草莖，以此實現(xiàn)對草坪高度和形狀的有效管理控制。割草機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以罩殼為基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上安裝有高度調(diào)節(jié)機構(gòu)、行走裝置、扶手結(jié)構(gòu)以及動力系統(tǒng)等。基于不同劃分標準可將草坪割草機分成多種不同形式，如以發(fā)動機劃分，可分成電動發(fā)電機式和汽油發(fā)動機式[1]；以形狀劃分可分，成轉(zhuǎn)盤式和滾筒式；以割草方式劃分，可分成旋轉(zhuǎn)式和往復(fù)式等，部分小型草坪割草機還可以分成側(cè)掛式和懸掛式。草坪割草機在使用期間需要滿足不同高度草坪的切割需求，在對高度進行調(diào)節(jié)變動的過程中，割刀的旋轉(zhuǎn)面應(yīng)與地面之間保持平行狀態(tài)，這樣才能保證草坪割草機的作業(yè)質(zhì)量。

2 草坪割草機高度調(diào)節(jié)機構(gòu)分析

對現(xiàn)階段比較常見的草坪割草機進行分析，其高度調(diào)節(jié)機構(gòu)主要分成兩個種類，第一種是前輪和后輪同時聯(lián)合驅(qū)動的四連桿式高度調(diào)節(jié)機構(gòu)，在實際應(yīng)用中具有調(diào)節(jié)操作簡單便捷、整體結(jié)構(gòu)比較簡單、調(diào)節(jié)效率較快等特點，是現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛的種類。但是需要注意，其在應(yīng)用過程中同樣存在一定的問題與缺陷，如四連桿參數(shù)的選擇以及設(shè)計優(yōu)化相對比較復(fù)雜，需要對各項參數(shù)進行科學(xué)設(shè)定，在保證參數(shù)合理性的基礎(chǔ)上才能夠保證草坪割草機的作業(yè)質(zhì)量。第二種是前輪和后輪獨立運行與高度調(diào)節(jié)的機構(gòu)，其在應(yīng)用中能夠保證割刀的旋轉(zhuǎn)面與地面之間具有較高水平的平行效果，但是單個機器中的高度調(diào)節(jié)裝置的數(shù)量相對較多，調(diào)節(jié)操作流程較為復(fù)雜。

3 草坪割草機高度調(diào)節(jié)機構(gòu)對作業(yè)質(zhì)量影響分析

對現(xiàn)階段市場中常見的草坪割草機進行分析能夠發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)割草機都是四連桿式。因此，本研究主要對四連桿式的草坪割草機中的高度調(diào)節(jié)機構(gòu)進行研究，具體構(gòu)造如圖1 所示。

圖1 四連桿式草坪割草機高度調(diào)節(jié)機構(gòu)構(gòu)造圖

其中，1 代表前輪；2 代表前輪擺臂；3 代表連桿；4代表傳動軸及割刀；5 代表發(fā)動機裝置；6 代表后輪擺臂；7 代表機器罩殼；8 代表后輪。高度調(diào)節(jié)機構(gòu)的固定鉸接支撐點在機器罩殼上固定，能夠圍繞軸心進行轉(zhuǎn)動運行，即圖1 中的O1和O2兩個點。將調(diào)節(jié)手柄搬動時，會導(dǎo)致后輪擺臂以O(shè)2點為軸心進行轉(zhuǎn)動，并在連桿和活動鉸接點的作用下驅(qū)使前輪擺臂以O(shè)1為軸心進行轉(zhuǎn)動，以此保證草坪割草機的前后輪與地面之間的高度保持相同狀態(tài)。機器罩殼上的O1和O2點的高度會隨著調(diào)節(jié)變動，進而實現(xiàn)對高度的有效調(diào)節(jié)。圖中的O1、O2、S、K1、K2共同構(gòu)成四連桿調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

在研究過程中對地面約束的影響效果進行忽略設(shè)計，需要保證P1和P2提升和降落高度相同。如果在調(diào)節(jié)的過程中未能選擇最為合適的參數(shù)，則會導(dǎo)致兩點之間的變化高度具有較大的差異性，使得割草機割刀的旋轉(zhuǎn)面與地面之間無法保持平行狀態(tài)，以此對草坪割草機的作業(yè)質(zhì)量和效率造成一定的負面影響[2]。割刀的旋轉(zhuǎn)面與地面之間的不平行情況有兩種，分別為前傾和后傾。

當草坪割草機割刀的旋轉(zhuǎn)面處于前傾狀態(tài)時，對應(yīng)的割草效果的橫截面如圖2（a）所示，整體呈現(xiàn)出比較明顯的凹陷波浪狀；草坪割草機割刀的旋轉(zhuǎn)面處于后傾狀態(tài)時，對應(yīng)的割草效果的橫截面如圖2（b）所示，其整體呈現(xiàn)出比較明顯的凸起波浪狀。

圖2 草坪割草機前傾與后傾割草效果截面圖

對割刀前傾與后傾產(chǎn)生的局部高度差進行計算分析，具體公式如下：△h=rsinθ

其中，△h 代表了最大高度差；r 代表割刀旋轉(zhuǎn)面的半徑；θ 代表割刀的旋轉(zhuǎn)面與地面之間的傾斜角。

通過公式能夠發(fā)現(xiàn)，傾斜角的數(shù)值越大，對應(yīng)的最大高度差值越大，草坪割草機的作業(yè)質(zhì)量越低。與此同時，對割刀的旋轉(zhuǎn)面處于后傾狀態(tài)進行分析能夠發(fā)現(xiàn)，在割草機運行期間會導(dǎo)致重復(fù)切割以及壓實等現(xiàn)象發(fā)生，進而導(dǎo)致草坪割草機運行的前進阻力以及割刀作業(yè)阻力大幅度增加，提高了能源消耗量[3]。傾斜角數(shù)值越大，對應(yīng)的壓實效果越明顯。

因此，對草坪割草機的高度調(diào)節(jié)機構(gòu)進行設(shè)計時，應(yīng)當確保各項參數(shù)均處于合理范圍內(nèi)，使其能夠基于草坪割草機使用需求對參數(shù)進行有效調(diào)節(jié)控制，將割刀的旋轉(zhuǎn)面與地面之間的傾斜角控制在規(guī)定標準內(nèi)，即在高度調(diào)節(jié)的過程中將前輪與后輪的中心變化高度差科學(xué)設(shè)計，這樣才能夠保證草坪割草機最終的作業(yè)質(zhì)量與效果。

4 草坪割草機高度調(diào)節(jié)機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計分析

在對草坪割草機的高度調(diào)節(jié)機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計時，可通過建立坐標系與函數(shù)的方法對其進行系統(tǒng)分析，以圖1 中的O1和O2兩點作為原點建立坐標系，通過函數(shù)轉(zhuǎn)換與計算能夠得到草坪割草機的前輪和后輪的高度變化情況。經(jīng)過函數(shù)計算分析后能夠得知，在規(guī)定范圍區(qū)間對高度調(diào)節(jié)機構(gòu)進行調(diào)節(jié)時，草坪割草機的后輪中心高度的差值與高度調(diào)節(jié)機構(gòu)中的各項幾何尺寸之間具有多元高次函數(shù)的關(guān)系，此時的高度調(diào)節(jié)范圍會依據(jù)草坪割草機的具體情況處于一個規(guī)定范圍之間，而草坪割草機的割刀旋轉(zhuǎn)面與地面之間始終處于不平行的狀態(tài)[4]。

基于上述研究內(nèi)容能夠得知，在對草坪割草機的高度調(diào)節(jié)機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計時，始終無法徹底消除不平行狀態(tài)對草坪割草機運行質(zhì)量的負面影響，因此只能對相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，對草坪割草機的割刀旋轉(zhuǎn)面的傾斜角進行科學(xué)設(shè)計，以此降低其對于草坪割草機運行作業(yè)質(zhì)量的影響干擾效果。

通過本研究能夠發(fā)現(xiàn)，四連桿式的草坪割草機的高度調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計具有多維度的約束條件，可將其視為一種給定函數(shù)。在優(yōu)化設(shè)計過程中可利用計算機編程方法進行，其與傳統(tǒng)的作圖法或者人工試算方法相比具有比較明顯的優(yōu)勢，在設(shè)計時間和效率等方面具有良好效果[5]。具體優(yōu)化設(shè)計流程可以依據(jù)以下步驟開展：

第一步，確定約束條件以及約束變量的初始數(shù)值，明確計算步長與函數(shù)。第二步，利用多維度約束優(yōu)化算法，在專門的計算機軟件系統(tǒng)中對相關(guān)參數(shù)之間的具體關(guān)系進行計算分析。第三步，對計算分析的結(jié)果數(shù)據(jù)進行判斷分析，將其與標準值進行對比。依據(jù)不同計算結(jié)果能夠得到不同的設(shè)計流程，如果計算結(jié)果小于或等于標準值，則代表高度調(diào)節(jié)機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計滿足約束條件，能夠?qū)⑵鋺?yīng)用到草坪割草機高度調(diào)節(jié)機構(gòu)的實際優(yōu)化設(shè)計工作中，此時結(jié)束計算。如果計算結(jié)果大于標準值，則繼續(xù)計算并改變函數(shù)值，并轉(zhuǎn)回到第二步流程進行充分計算分析，直至滿足計算結(jié)果小于或等于標準值的條件后停止計算。

5 草坪割草機高度調(diào)節(jié)機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計實例分析

在對草坪割草機的高度調(diào)節(jié)機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計時，應(yīng)遵循以下思想原則：（1）安全性，優(yōu)化設(shè)計時應(yīng)該始終把安全性放在首位，確保設(shè)計的割草機既能夠滿足使用者的需求，又不會對使用者造成傷害。（2）可靠性，優(yōu)化設(shè)計時應(yīng)該注重割草機的可靠性，確保割草機能夠長時間地穩(wěn)定運行，并且不會出現(xiàn)故障或者安全隱患。（3）效率性，優(yōu)化設(shè)計時應(yīng)該注重割草機的效率性，確保割草機能夠以最少的時間完成最多的工作，從而提高工作效率。

在綜合研究后，本文對一種新型草坪割草機的高度調(diào)節(jié)機構(gòu)進行分析，其在實際應(yīng)用中有效解決了草坪割草機高度調(diào)節(jié)裝置難以實現(xiàn)完全水平同步提升以及工作過程晃動的問題，具有調(diào)節(jié)精度較高、同步性能良好、裝置結(jié)構(gòu)簡單以及調(diào)節(jié)操作方便快捷等優(yōu)點[6]。通過割草高度同步調(diào)節(jié)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)無級移動，具有良好的應(yīng)用效果。具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3 一種新型草坪割草機結(jié)構(gòu)示意圖

其中，1 代表割草機底盤；2 代表割草刀盤；3 代表割草電機；4 代表壓縮左自鎖型氣彈簧；5 代表壓縮右自鎖型氣彈簧；6 代表自鎖頭；7 代表橫梁結(jié)構(gòu)；8 代表壓桿裝置；9 代表割草機的旋轉(zhuǎn)刀片。

該草坪割草機具有自動式的割草運行系統(tǒng)，其高度調(diào)節(jié)機構(gòu)主要包括左右自鎖型的氣彈簧、起到固定作用的割草電機橫梁以及進行高度調(diào)節(jié)的壓桿結(jié)構(gòu)[7]。其中左右自鎖型的氣彈簧固定在割草機的底盤，橫梁設(shè)置在左右自鎖型的氣彈簧的活塞桿的端部位置，左右自鎖型的氣彈簧的自鎖鎖頭向上伸出橫梁，在橫梁的上方位置設(shè)置有壓桿機構(gòu)，左右方設(shè)置有導(dǎo)向柱，壓桿與導(dǎo)向柱之間具有通孔設(shè)置，導(dǎo)向柱通過通孔能夠控制壓桿與橫梁連接，壓桿的地面會壓在左右自鎖型的氣彈簧的自鎖頭，壓桿在導(dǎo)向柱上進行自由的活動。

6 結(jié)語

通過本次研究能夠得出以下結(jié)論：草坪割草機中的高度調(diào)節(jié)機構(gòu)對于整個機器的運行效果與質(zhì)量具有顯著的影響作用，因此需要對其重點關(guān)注與研究。高度調(diào)節(jié)機構(gòu)中的參數(shù)設(shè)計的合理性，還會導(dǎo)致草坪割草機的作業(yè)成本受到一定的影響?，F(xiàn)階段比較常見的草坪割草機為四連桿式，此種類型的草坪割草機的高度調(diào)節(jié)機構(gòu)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)和高度變化之間具有一定的關(guān)聯(lián)性，經(jīng)過分析后能夠發(fā)現(xiàn)兩者之間屬于高次多元函數(shù)關(guān)系，在對高度調(diào)節(jié)機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計時可以此為基礎(chǔ)，對目標函數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，并利用計算機系統(tǒng)進行機械系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計處理，從而得到更加精準的結(jié)構(gòu)參數(shù)，實現(xiàn)整個草坪割草機高度調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計效率的提升。