旋刀式割草机的改进设计

在割草机问世之前，草坪的修剪主要工具是镰刀，放牧牛羊也是保持草地平整的重要方法。随着高尔夫球、网球及足球等运动的兴起，人们拥有平整美观的草地做运动场地的要求越来越迫切。1805年英国人普拉克内特发明了第一台收割谷物并能切割杂草的机器，由人推动机器，通过齿轮传动带动旋刀割草，这是

旋刀割草机的雏形。

一、国内外旋刀式割草机的发展状况

1、国外旋刀式割草机械的发展状况

1805年英国工程师托马斯·普拉克获得了第一台割草机的发明专利，当时的割草机是装有环形刀，机体笨重且运转不恨理想。到1830年，埃文·马丁制造出了类似于今天试用的手扶滚筒割草机。早期应用普遍的是王府式割草机，通过加大割幅及提高机具的前进速度来提高机具的生产率。20世纪70年代各国开始研制旋刀式割草机，利用高速旋转的割刀对植株进行无支撑切割，此类机具具有结构简单，维护保养时间少，不需磨刀、换刀等优点。近年来，欧美发达国家的割草机设备更加成熟，结构参数更加合理，可靠性、生产率提高很快。生产割草机的国际著名企业有没过纽荷兰、约翰迪尔、凯斯公司，英国弗格森公司，韩国成元公司，德国威格公司和前进公司等。他们生产的设备无论在机械结构、动力配套、液压系统还是控制系统方面都处理得很成功，一些最新的科学理论、最新的科研成果和最新的科学技术都在这些机械设备上有体现。例如在控制系统方面，单片机、可编程控制器PLC、工业控制机控制IPC等得自动化控制手段都得到充分的应用。一些发达国家如美国已经发明机器人割草机，实现了自动化作业。

目前国外大多使用滚筒式、圆盘式、水平旋转式或旋刀式割草机，这些割草机坚固耐用，工作速度快。这些机具一次通过就能完成割草、压扁、成条三道工序。

2、国内旋刀式割草机械的发展现状

随着社会的进步和经济的发展，人们对生存环境的要求也越来越高，城市环境的保护得到越来越多的重视。我国草坪建设也得到了迅速的发展。草坪美化环境，固土护坡，净化空气多种功能已经成为人们的共识。

我国生产割草机起步较晚，生产企业规模普遍较小，产品用途较为单一，均没有形成规模批量，所以长期以来，割草机均以进口为主。据统计，到1999年底我国各种园林机械保有量达10万台，1999年的割草机销售量在3万台左右，其中80%为进口。

改革开放以来，我国的草坪业由兴起到长足发展，只有十几年的时间，却为草坪机械业的发展带来了勃勃生机 。首先是机械先进，90%以上为进口产品，其次外从草坪建植到养护生产环节机械配套齐全，基本上实现了全程机械化，再次是产品品种多、系列化程度高。而在草坪机械中割草机发展最快，我国引进使用的割草机有美国和日本等十几个国家的几十种机型，我国也已经开始生产割草机，目前国内外所用的割草机种类繁多，其分类方法也多样化。我国目前生产的割草机以刀具类型可分为滚刀式和旋刀式两大类。据调查，国内生产割草机的厂家大约有50家左右。多数为园艺系统的公司以及转产割草机的机械厂。市场上草坪修剪机的品牌很多，有进口的产品，也有国内制造和中外合资的。

中美合资江苏淮阴泛亚园林机械有限公司，生产力特牌—NEAT草坪割草机，占国内市场50%的市场份额，现年产量达5000台。目前正这首进行年产5万台的割草机技术改造，气动力选用日本本田发动机。

南通机床为转产生产割草机的厂家。其产品为草地王系列产品：56cm自走式草坪割草机；84cm随进式割草机；84nm电启动式割草机；122cm坐骑式剪草机。该厂生产除发动机以外的零部件，发动机多选用美国产品，1999年已有产品出口美国。

山东省莱州市仲院宇峰铡草机厂研制出全新微型电动铡草机，该机以单相照明电为动力，无电地区或停电时用165、175、180等型号柴油机为动力，适宜铡切玉米秸、麦秸、稻草以及青贮饲料，每小时铡草量300~400 kg，切草长度为1.5~2 cm。整机结构紧凑，体积小，重量轻，全机重仅32 kg，移动方便，并具有切碎均匀、出料顺畅、扬程远、噪音低等特点。

安徽飞彩车辆股份有限公司“十五”期间进行了技术改造，改造后计划年产6万台割草机。其中代表产品之一是手扶式宽幅割草机系列，年产5万台，以22161型为例，发动机为4冲程，4.8，割草宽度53cm，自走式；代表产品之二是驾乘式割草机系列，年产1万台，以16-38HXL型为例，为4冲程，11.7 kW，97cm循环割草，带驱动。

目前，我国已经研制开发出来草坪割草机试验台，草坪割草机为现代城市绿化的重要设备，目前市场上国产的机器均有一定的市场，但质量参差不齐。对于草坪割草机的安全指标，仅有检测方法，没有现成的撞击试验专用设备。为了对其进行科学的测试，北京市农机试验鉴定推广站研制成功草坪割草机专用试验台。该试验台自动化程度高，采用了气动传动技术、机－电安全锁定机构及气动调速技术，可对国内各型草坪割草机进行安全性能试验，能够完成草坪机的撞击试验和刀片护罩强度试验。试验结果表明，该专用试验台达到国内先进水平，检测快捷，安全性高。

3、国内外旋刀式割草机械存在的问题

虽然旋刀式割草机的理论和制造技术已经相当成熟，但是结构简单，操作方便、低噪音、高性能的割草机并不多。

旋刀式割草机的配套动力有汽油发动机(有电缆或蓄电池供电)和汽油机两种。基于安全方面的原因由电缆供电的割草机只能在小面积上使用，而蓄电池供电的割草机，因机器重量较大，且蓄电池需经常充电（一般完成700平方米后需进行充电）。所以，在小型割草机上（2.2 kW以下）常采用汽油发动机作为配套动力机。而在2.2 kW以上的割草机多采用汽油机作为配套动力机。以汽油机作为动力的旋刀式割草机，其噪声污染比较严重，它的噪声源为汽油机和旋刀装置。

目前，国内外采用的都是合金弹簧钢，经普通淬火加中、高温回火后得回火索氏体或回火屈氏体，硬度在HRC40~45，以保证一定的强度和韧性。但生产上遇到的最大难题是合金弹簧钢如65Mn钢加工硬化率高，冷弯成型性差。此外，这样的热处理工艺并不能很好地满足刀片强韧性和耐磨性的要求，主要失效形式是磨损。如铰接式刀片往往是3天就要卸下来磨一次。有时遇到土质不好，有铁丝石头等硬物时，还经常发生刀片断裂。

二、割草机的分类

按切割器类型可以分为旋刀式、往复式、滚刀式、甩刀式、甩绳式。其中，应用最多的是旋刀式割草机、滚刀式割草机和往复式割草机。

往复式割草机割茬低而整齐，草坪损失少，单位割幅的金属用量和功率消耗低，因而成本较低。它的作业速度一般为6~8 km/h。提高割刀的往复次数并解决割刀的全平衡问题后，旋刀式割草机是由横向悬挂在直立轴上的刀片高速旋转打切草上部的叶片，它适于25~80mm范围内割草。由于期间各低廉，保养、维修方便，使用灵活，只要将刀磨快，就能达到较为理想的割草效果。因此，一般的草坪都使用旋刀式割草机作业，使得旋刀式割草机称为国内外最流行的割草机。

1、按配套动力和作业方式分可以分为：手推式、手扶随行式、手扶自行式、坐骑式和拖拉机悬挂式割草机。

2、按动力驱动方式主要分为人畜力驱动、发动机驱动和电力驱动三种形式割草机。其中，以发动机驱动的割草机最多，发动机多为单缸汽油机。太阳能割草机虽然已有生产，但应用较少。

动力驱动的割草机按牵引方式或悬挂方式可分为前置式、侧置式、后置式、中置式割草机。目前，也有旋刀式手推随行式割草机，大部分采用中置悬挂，而滚刀手推随行式割草机多采用前置式挂接，大型的割草机则采用混合牵引方式。

三、研究的内容和方法

根据我国割草机的发展现状和存在的问题以及人们草坪割草机的更高要求，对现有的割草机进行改进。在旋刀式割草机的基础上，通过对其做减噪处理和刀片的优化处理，利用现代设计方法，设计出一款结构简单、操作方便、低噪音、高效率的旋刀式草坪割草机。

设计旋刀式草坪割草机的整体结构，主要由汽油发动机、传动轴、工作轴、割草机机架、手把、行走胶轮、旋刀刀片组成。

汽油发动机机提供动力，通过传动轴和工作轴为旋刀装置提供动力。旋刀装置主要部件为旋刀刀片。

讨论分析了旋刀式割草机机的基础参数，参考已有旋刀式割草机的参数，既要保证工作要求，又要尽量减小噪音污染并提高刀片的时候用寿命。根据选定的有关参数，由经验公式计算出旋刀式割草机所需的功率，根据该功率选择适合的汽油发动机型号。

该课题应用的研究方法：理论设计、绘制模拟样机并进行仿真模拟。既要保证割草机的使用要求，又要尽量减小噪音污染，并提到刀片的使用寿命。

四、旋刀式割草机整机总体设计方案

1、设计原则

对于旋刀式割草机的总体设计，要遵循的设计原则

（1）首先满足农艺要求并适应小区草坪的面积限制，具有良好的转向性和操作灵活性。

（2）吸收国内外设施农业作业机械的新技术，采用新原理、新结构、新工艺、做到设计合理、使用可靠、优质高效、物美价廉，能广泛推广。

（3）零部件的通用化、标准化程度高。

（4）整机结构简单、成本低廉、操作简便、维修方便、质量轻、机动性好。

2、旋刀式割草机的设计方案

图1 旋刀式割草机

手推式割草机的动力是来源于行走轮驱动，即靠人的推力来驱动。查阅《人机工程手册》，人步行速度约为3~5千米/时，即48~64米/分，考虑到要推动割草机进行切割，选取人的步行速度为48米/分，即0.8米/秒。

设计推杆机支架的尺寸，并且根据不同性别和不同年龄将推杆的高度和倾斜角度设计成可以调节的。站立工作时操作的有关尺寸，以及人体需要的可能活动空间。由《人机工程手册》查得，人体身高尺寸（成年男性）多在170 cm左右。因此，推杆距地面的高度取为1000毫米,且可在850~1300毫米之间调节，符合人体作业适应度。

设计原则：工作场地的高度取决于作用力、操作者的身高、操作者操作物件的尺寸、以及视野范围。

又因为该割草机是手推式的，动力来源于人的行走以及推力。应考虑到其结构尺寸方面的因素，因而行走轮直径不宜过大。其旋刀刀尖速度要求达到71~97 m/s，在这个速度范围能使选到旋转引起的噪声降到比较合理的水平，并能正常工作。

如果轮子直径过大，将会使机具底盘抬高，影响整机的协调性，如果轮子直径过小,则推行比较费力,不能达到设计要求,要满足人的推力在200 N左右都能推动这部割草机才行。

四、旋刀式割草机工作改进设计

旋刀通过螺纹圆柱销定位用螺母固定在工作轴上，工作轴通过花键与发动机输出轴连接，轴向定位在轴上开两个11 mm深的孔用螺纹圆柱销定位。工作部件由一组这样的机构构成，旋刀可以随时更换。

1、 旋刀的设计

图2. 旋刀结构图

旋刀的结构图，材料是65Mn钢，等温淬火后硬度为42~50HRC，,。

2、传动轴的设计

材料是合金结构钢40MnB，调质处理，硬度为28HRC，,

，,轴上一端为内花键，结构如图3

图3. 传动轴图

3、机架的设计

(1)万向轮的设计

割草机的行走轮，采用工业脚轮和工业车轮的设计理念，充分考虑割草机低速行驶的特点，行走轮材料采用聚甲醛POM，材料选择依据：聚甲醛耐磨性和刚性高于尼龙，尤其是弹性模量高、硬度高，这事其他塑料所不能比的；聚甲醛自润滑性能好，耐磨性好，摩擦因数为0.15~0.35，极限值为；聚甲醛有较小的蠕变性和吸湿性，故其尺寸稳定性好；长期使用温度为-40～100℃；用聚四氟乙烯填充的聚甲醛，可显著降低米擦因数，提高耐磨性极限值。因此聚甲醛聚甲醛常被用来制作相对强度有一定要求的一般结构零件，适用于在轻载荷、雾润滑或少润滑条件下工作的各种耐磨受力传动零件，以及制作间摩擦自润滑零件。

走轮的大小尺寸应与割草机的整体形状和尺寸紧紧相连。根据机具整体设计方案并参考GB/T 14688-1993等相关国标数据，割草机的前轮采用万向轮，以方便割草机的转向，以实现机动灵活的割草作业，后轮采用脚轮形式。

图4. 万向轮结构图

4、脚轮的设计

轮子材料是聚甲醛POM，支架材料为HT200，由于万向轮和脚轮的支架结构尺寸不相同，为了是机架在平地上保持水平，取脚轮的外径为170mm，其具体形状参照《机械设计手册》中工业车轮的形状和尺寸。结构采用脚轮支架装配，同样焊接在割草机底部底部。结构如图5。

图5. 脚轮结构图

5、机架的设计

(1)机架材料是低合金结构钢Q345做成的结构用冷弯空心型钢，由下机架和上机架两部分组成，可通过调节销轴实现对机架高度的调节，从而实现对旋刀离地高度的调节，实现对割草高度的调节。结构图6。

图6. 机架结构图

（2）销轴的选择

销主要分为用于固定零件之间相对位置的定位销，用于连接的连接销和用于安全装置中的过载剪断元件的安全销。本设计中上机架和下机架的铰接处用销轴连接。销轴材料选用35钢，调质处理，硬度为28~38HRC，表面氧化。根据具体的情况要求以及方便操作的要求，选用销轴（GB/T 882-2000），开口销（GB/T 91-2000）。考虑到割草机工作时对销轴有一些冲击，故取许用剪切应力，许用压应力，抗拉强度。

6、刀壳的设计

外壳材料选用HT100，选用依据是HT100有一定的强度，抗压强度非常高，有良好的吸振性、减振性和润滑性，有良好的切削加工性与铸造性，可用于制造外罩、手把等形状简单、对强度无要求的零件。

图7. 外壳结构图

外壳的外形上方下圆，外壳的顶部有四个孔，可使用螺钉将其固定在机架底部。起到安全防护和收集草屑的作用。在外壳的一端有延伸的排草口。因为旋刀结构设计上，在两端有刃口和翼片，当旋刀旋转割草作业时，翼片可将刀壳内的空气排出，这时刀壳内形成负压，当草长的较高，割草机前进时，刀壳前部下缘会把草按倒；当草长得茂盛而发生倒伏时，刀壳外的空气刀壳内时，可对倒伏的草起到提升的作用。翼片旋转形成的气流可将刀刃切下的草屑悬浮到气流中，经排草口排除刀壳，就地洒落。从而避免出现草屑在刀壳内堵塞的现象。

五、结论

本文分析了目前国内外草坪割草机械的现状及存在问题，研究了普通草坪的物理状况，为旋刀式割草机参数提供依据。针对当前国内草坪面积不大却形状各异、要求割草灵活方便的问题，结合草坪修剪及方便实用和农艺特点，吸收了JUS-420旋刀式剪草机及其它经典机型的设计理念，提出旋刀式割草机的改进设计的设计思路。在整机设计中，以汽油发动机作为动力，体积小、成本低、工作可靠、。采用装配式机架，汽油发动机输出动力带动旋刀工作，发动机固定在机架上方，使整机结构简单紧凑又可根据不同工作环境以及工作要求调整机架。行走轮与机架直接固定，通过操向杆实行转向。其他零部件经过计算校核后，尽可能采用通用件或标准件，体现了经济、实用、操作简易、维护简单、成本低廉的设计原则。

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