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1、济南大学毕业设计1 前言1.1 园林修剪机械研究现状模纹花坛的修剪目前仅仅使用简单的绿篱机或者手提式割草机，由工作人员进入花坛中进行操作，至今未有自动行走的模纹修剪机进行花坛修剪和维护。自古以来便有园林的建设和维护，相应的机械也得以发展。随着现今城市人民生活水平的提高，人们对于生活质量的要求越来越高，随之发展的就是城市的生态建设和绿化建设。要想拥有好的绿化建设，园林机械是必不可少。在国外，由于土地资源、人文环境、生活水平等许多因素影响，国外的绿化园林机械发展较早，20世纪初，国外发达国家就已开始大规模的绿化建设和绿化宣传等工作，并且使用园林机械代替繁重的体力劳动。21世纪初，发达国家从企业到公
2、共绿地全部实现机械化作业，并向更高层次发展。经过近百年的发展，美国、日本、德国、意大利、瑞典等国家小动力园林机械得到了长足的发展，培养出许多国际知名品牌，如美国的B&S（百力通）、Kohler、MTD、Tecumsen,日本的小松、YAMAHA、HONDA，意大利的Emark，德国的STIHL、SOLO，瑞典的HUSQVARNA等。这些企业在行业中有较大的影响。我国的园林机械生产起始于20世纪70年代，但是进入90年代以来，特别是最近几年，随着市政建设、工业用途和城市园林绿化需求规模的迅速扩大及模纹花坛、立体花坛的的持续发展，带动了园林机械的生产和不断更新进步。外资企业的加盟缩小了我国园林机械
3、产品与国外的差距，也使竞争日趋激烈。加入WTO后，面对欧美园林机械的巨大市场，中国小型绿化园林机械以其低价格、简易、耐用等优势，出口量得以大幅度提高，促进了国内园林机械的发明和迅速发展。我国小型柴油机产品品种较少，与某些国家相比差距较大。美国和日本的产品已实现系列化、统一化、标准化，各公司均有自成体系的系列产品，产品覆盖很大的功率范围，配套几十种机具。目前，我国配套的园林机具仅有十几种，技术含量低。产品性能普遍低于国外同类产品。1.2 模纹修剪机的发展趋势近年来，随着我国基础绿化建设的持续深入和建设中模纹花坛的推广应用，人们对园林机械产品的发展提出了新的要求，具体如下：产品规格上向大型化和微型
4、化方向发展。模纹修剪机的应用范围日渐广泛，为适应大型模纹花坛的修剪和维护，为实现高效修剪大型模纹花坛，修剪机的规格不断发展；为满足市政花坛建设和公园花坛建设的需要，小型的精致花坛修剪产品不断成熟。产品功能上向多功能化和专用化方向发展。园林的作物种类不同，但共通点颇多，使得修剪机械趋向于一机多能，配备多种工作装置，以满足各种施工需要；立体修剪、模纹修剪和草坪修剪等专用机械也得到广泛应用。产品性能上向节能化、智能化方向发展。能耗大、操作复杂的修剪机械逐渐退出市场，更节能更“聪明”更简洁的修剪机械可有效降低人力和物力成本。也更加符合国家的节能减排的相关要求。产品技术上向信息化、智能化方向发展。电控系
5、统、传感器的广泛应用可帮助用户分析各种参数，了解工作状况，以此来对花坛的修剪进行严格的定位和操作，实现半自动化甚至自动化，以确保安全使用和提高工作效率。修剪机械产品各部件逐渐实现标准化，操作逐渐实现自动化，对机械的维护便利性以及操作人员的工作安全性和专业性要求不断增强。1.3 本课题研究的目的和意义随着社会科学的发展，各种园林机械被广泛应用于园林及绿化建设过程中。大大的减轻了绿化建设的难度，为人与自然的和谐打下了基础。但在模纹花坛的修剪和维护方面，还主要是应用绿篱机或剪刀，通过人力进行定位和剪切，存在辅助时间长、修剪效率低、精度低等问题，除此之外，该方法对于大型模纹花坛的修剪不得不进入花坛中进
6、行操作，将破坏花坛的灌木生长和整体形象；采用高性能机器人修剪机械或者高空剪切等手段，则价格昂贵，在一定程度上造成资源浪费。因此，为了实现模纹花坛修剪维护的机械化、节约化和自动化，以及降级对花坛自身的伤害，就需要设计一种新型的模纹修剪机械。本次设计，运用独特的发散思维和仿生学的知识，将各种限制进行分析，采用先进的机械设计理念，以内燃机为动力，重点对其行走系等部分进行改进，能够极大自动化程度，有效的提高工作效率，提高修剪精度。为大范围的模纹花坛修剪提供有力的保障。通过对此课题进行研究，目的在于通过对日常机械的基本结构的组合应用，完成模纹修剪机的整体底盘设计和工作部件设计，从而积累对整套机械系统的设
7、计经验、掌握制图软件应用、比较自己的设计思路与传统设计方法的优劣，为今后的研究和学习提供动力和帮助。1.4 设计任务近年来，我国国内市场对园林修剪机械的需求有增无减，需要新的更加符合工作环境要求的产品不断投入实际生产。本次设计任务为设计一台自走式的中型模纹花坛修剪机的工作装置部分和行走系部分。动力装置是由汽油机或柴油机作为主要动力，通过变速箱将动力分配变换来实现工作部位的驱动。工作装置是一个较简单的机构，国内外对其力学分析、运动分析和结构参数优化设计方面都作了较深入的研究，设计已经趋于成熟。针对这一部分研究情况和我国产品寿命短、质量不高的情况，偏重于尺寸结构的设计计算，保证其能满足工作要求，并
8、具有一定的工作寿命。行走系设计是一个较为复杂的全新设计，由于模纹修剪机的工作环境是在小灌木等植株上匀速行走，而且花坛不能被碾压损坏，所以便对模纹修剪机的行走系提出了较多的要求。首先模纹修剪机的行进必须有最大工作速度2km/h和最大非工作运输速度5km/h两种匀速模式，其次行走于花坛上，不能对花坛造成碾压等损伤。从行走系的功用出发，在保证其承载能力和牵引能力的同时，着重对其轮系进行设计。在这里选择合适的四轮一带部件，并对履带进行变形。在图纸中表达清楚其结构尺寸和配合状况。2 模纹修剪机总体方案的设计全自动模纹修剪机顾名思义是自动化的对模纹花坛进行修剪和维护的园林机械，考虑到现有模纹修剪方法存在修
9、剪效率低、精度低和破换花坛等问题。本设计是在一顶的条件下自行作业的机械，有动力系统和控制系统的配合下自动作业。其自走结构可以高效简洁的对模纹花坛进行作业，因此如何设计两种速度的切换以及行走系的结构，是本次设计的重点。按照全自动模纹修剪机的作业要求，本设计采用特殊轮系设计，特殊轮系设计可以是机械在匀速水平行走的同时不对模纹花坛造成伤害，从机械的头部对花坛进行修剪，并在修剪后将废枝叶洒下花坛，形成有机肥料。此设计既能自动行走，又能合理的处理修剪后的废枝叶，一次十分适合大型模纹花坛的修剪。考虑到发动机、减速器、工作头等的重量较大，机械要进行平稳运作，必须进行平衡配置，尽量保持整机的平衡。履带的更换决
10、定了剪切的高度，一次此全自动模纹修剪机可适应模纹花坛等平面或浮雕式花坛的修剪，而且了对草坪等场地进行修剪和维护，这便做到一机多用从而使其可应用范围大幅度增加。模纹修剪机主要由行走轮系、变速器、修剪头、支撑架、速度调节装置等几大部分组成。其中行走轮系、变速器以及速度调节装置属于行走系，支撑并带动支撑架行走。修剪器、转动轴和柴油机等分布于支撑架上，从而构成完整的机械。行走系采用仿生学特殊履带行走，变速器采用电磁离合器与电磁控制开关，修剪器采用双齿锯修剪，废物处理的方式采用直接回归食物链法，用风扇将剪掉的枝叶送回地面。在选定柴油机动力、行驶速度基础上，凭借经验公式给出模纹修剪机的基本参数，包括尺寸参
11、数（工作尺寸、机体外形尺寸、工作装置尺寸）和重量参数、功率参数、剪切力、针对水平地面的最高剪切高度等等。该全自动模纹修剪机总设计方案如图2-1所示图2-1 全自动模纹修剪机总体设计主视图2.1 全自动模纹修剪机修剪部件的方案设计由于机械行走系统进行匀速行走，因此模纹修剪机的剪切装置必须进行线剪切，为了保证工作过程的顺利和效率，剪切刃的选择需要慎重，在螺旋剪切，锯齿剪切，双刃绿篱机等剪切机械中，我选择了双刃绿篱机的刀刃，该刀刃的零部件组成精密，传动轴耐磨性强，传动连接齿合精准，运作流畅，可以修剪不同的植物，从而大大的提高了修剪效率。修剪部件的工作由内燃机带动，修剪速度要求适中，速度太快对刀具造成
12、损伤，太慢则有损工作效率。由于不同的模纹花坛要求的剪切力有所不同，设计时间有限，因此修剪机的动力，参考已经比较成熟的绿篱机的相关参数。根据查阅同种刀具工作，参考发动机机型为发动机型号：1E32F发动机排量：23CC 功率：0.65KW/6500RPM割幅：750MM 修剪部的毛重/净重7.1/5.6KG。2.2 行走部件的设计全自动模纹修剪机的行走部件是此次设计最重要的部分。模纹花坛主要特点为：由小型灌木组成、面积大、土质较结实。因此变对修剪机提出了较为苛刻的要求：首先，模纹修剪机必须在灌木上行走而不能对花坛造成损伤；其次，模纹修剪机必须在花坛中实现自走，自行转弯以及差速行驶等动作；第三，模纹
13、修剪机的重量应满足土地的承受能力，虽然地面有一定的承受能力，但是对地压强不能过大。2.2.1 行走轮系设计方案轮系的设计作为行走部件的重点项目，将其进行充分的构思和优化。首先，在工作过程中，由于机械处于半悬空状态，不能对地面进行碾压，因此必须采用特殊轮系，我们可以试着将轮系分为两部分设计。采用TRIZ理论进行设计，参照仿生学水黾的水上行走，将行走系下部设计成为柱状支撑体。由于行走系使整个机械平稳前进，因此行走系的上部必须是保持水平运动，显而易见的我们必须抛弃轮式结构，在这里，我们参照履带式的行走过程中履带底部与地面始终保持平行的特点，将轮系的上半部设计为仿履带式结构。以上方案综合便得到如图2-
14、2的简易结构，有图中我们可以发现此结构基本符合全自动模纹修剪机的行走要求。但是由于履带是软性传动，在行进中必然会产生前倾、偏移和履带变形等情况，造成模纹修剪机的不稳定。因此必须对其进行更深层的改造，已达到满足在花坛中行走的要求。对履带的支撑架进行改造，对履带进行约束，从而保证修剪机运动的稳定。图2-2 全自动轮系方案分析初步组合效果图2.2.2 运动状态的方案要求全自动模纹修剪机的工作环境是大型模纹花坛，因此对比电动机、内燃机和液压马达等动力装置，我们选择内燃机这种对外界依赖小、操作简单的动力机作为模纹修剪机的主要动力。全自动模纹修剪机根据设计要求有四种运动形式，因此行走系的传动设计比较复杂。
15、其中，修剪机的四种运动形式分别是：停止、3km/h匀速前进、5km/h匀速前进和转弯前进。停止是指在下达停止命令时修剪机必须立即停止，需要关闭柴油机的同时消灭修剪机前行中的惯性，两种匀速前进速度分别为非工作和工作速度，切换时必须平稳。由于此机械采用半悬空状态，因此拐弯与常规履带式机械有所区别，必须保持双边同时前进，运用双边的差速进行转弯。2.2.3 实现差速行驶的设计方案履带式行走系统的转向是一侧停止，另一侧运动，从而产生差速使机械转弯。但是在花坛中为保持灌木的完整性，必须使两侧同时前进差速前进。而汽车的转向器和差速器显然不能应用在模纹修剪机上。因此设计中，我选择将两侧的履带分为不相关的两部分
16、，自主设计小型齿轮箱，以达到单侧变速、差速行驶。运动中的变速需要使用到离合器和齿轮箱。参考离合器的种类以及变速范围，我选择采用电磁离合器，小巧简便又能实现可控离合。齿轮箱参考机床齿轮箱进行设计，由电磁体实现齿轮的变换，从而达到转速的改变。由于速度为3km/h和5km/h两种，因此采用三轴两速的齿轮箱。2.3 全自动模纹修剪机裁剪枝叶的处理方案在修剪过程中产生的枝叶，可以进行收集或者直接还之于花坛。考虑到模纹修剪机的工作环境，我们应尽量减轻其重量，以使修剪机更加高效实用，我们选择将修剪枝叶靠刀具打散到花坛中，使之成为有机肥料。这样既优化了模纹修剪机，又能达到处理废枝叶的目的。3 修剪装置的运动分析及设计在修剪装置的设计过程中主要针对行走系的稳定性以及机体的大小，设计修剪道刃的长度，设计动力的减速和传递的齿轮组合相关机构，采用自带小型柴油机，确定
