小型电动式除草清扫一体机设计_宋世权.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation162023 年 第 03 期文章编号：2095-6835（2023）03-0016-03小型电动式除草清扫一体机设计宋世权，韦建龙，韦鉴祖，严 寒，郑照桐，卢 伟（桂林电子科技大学，广西 桂林 541004）摘要：针对解决草坪修剪过程需要人工二次清理草屑的问题，研究设计了一款集除草清扫功能于一体的新型除草机，对草坪机械化清洁作业具有重要意义。基于对草坪清洁作业环境的需求，确定了使用旋转菱形刀具和滚筒来实现除草和清扫功能的方案，构建了除草清扫一体机可行性模型，并基于不同的作业环境对除草机构和清扫机构设置了对应的作业参数，根据理论计算出合适的切割和清扫速度，利用有限元仿真软件验证除草清扫机构的可靠性，从而确保满足实际应用需求。关键词：除草清扫一体机；草坪修剪；除草机构；有限元分析中图分类号：TH122文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.03.005随着校园以及居民小区绿化程度的提高，随之而来的落叶、杂草等清洁工作量也逐渐增大。国内机械除草技术大多局限于人工利用打草机去除杂草，而没有清扫的功能，除草工作往往都伴随着遍地等待清扫的杂草，有些甚至会飞溅至草坪以外，这种传统的人工除草方式除草效果不理想，清扫效率较低。所以除草机械化势在必行，但国内的除草机多以发动机驱动的座式除草机为主，功能单一，只有割草的功能，没有收集以及清扫道路落叶、杂物的功能。普通的除草机无法对校园草坪和校园、小区道路等环境进行有效的清洁，而且工作量巨大，效率低，并且噪声污染巨大1。当前，尽管中国自行研究的除草机械已经取得了一定的成就，但在除草精度、能耗、效率、智能化方面还需不断努力2。本文根据在校园或居民小区草坪中的清洁任务，研究设计了一款集除草、清扫为一体的小型电动除草机，该小型电动除草机不但具有除草功能，还有聚拢并收集落叶、草屑的作用，采用双电机驱动，有效减轻噪声和空气污染，工作环境安静舒适，减少工人的工作负担，应用范围广，适合大多数的绿化带。1整体结构设计及其工作原理1.1除草机结构组成该小型电动式除草清扫一体机如图 1 所示，主要由外八字聚拢装置、搂草轮、旋转式菱形刀具、刀具高度调节导轨、除草电机、车轮、蓄电池、清扫电机、链轮、滚筒、出草口、扶手、收集袋支撑板等构成。其中整机机架为焊接式，外八字聚拢装置为 2 块长方形挡板通过螺纹连接在整体前端，每块挡板中部均匀分布 3 个搂草轮，用于将草屑落叶推向除草机构，其侧边有滑槽式角度调节机构，通过改变滑块的位置，从而调节聚拢宽度。除草机构由一个竖直悬挂交流电机、高度调节导轨和菱形刀具组成，通过调节导轨，设置不同的刀具高度，用于完成不同清洁任务，电机驱动转轴带动菱形刀具，产生切割杂草的动力。清扫机构由水平放置电机、链轮、皮带、滚筒组成，通过电机驱动带动链轮，接着传递动力给滚筒，使滚筒高转速运行，并且滚筒上附带有若干个弹齿，可将草屑卷入后方的收集袋中。1.2工作原理该小型电动式除草清扫一体机在工作过程中，前端的外八字聚拢机构通过两挡板上的 6 个搂草轮将杂草、落叶汇聚于指定路线，牵引至除草机构，在机体与挡板连接处设置有滑槽限位机构，通过改变滑块在滑槽中的位置可以改变张角角度，从而控制聚拢宽度，接着由旋转的菱形刀具将杂草进行切割打碎，机身底端两侧会有防溅挡板，防止清理的草屑乱飞，最后高速旋转的滚筒会通过外表的弹齿产生牵引力将草屑落叶送入顶端的出草口。前端的 2 个车轮为转向轮，可以通过扶手改变前进方向。整机的动力源来源于磷酸铁锂电池，在保证能供应足够的动力前提下，可以实现零排放。基金项目 2022 年国家级大学生创新创业训练计划项目“小型电动式除草、清扫一体机”（编号：202210595008）Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 03 期171蓄电池；2刀具高度调整导轨；3除草电机；4搂草轮；5菱形刀具；6车轮；7链轮；8清扫电机；9收集袋支撑板；10树叶、草屑出口；11扶手；12滚筒。图 1小型电动式除草清扫结构示意图1.3主要参数该小型电动式除草清扫一体机要求在工作过程中具有稳定性良好、操作简便、除草效率较高、清扫效果达到 80%等特点。该小型电动式除草清扫一体机技术类型（参数）：人工牵引、旋转切割、一把刀具、2个刀头、除草幅宽 6001 000 mm。2关键部件设计及相关参数计算该电动式除草清扫一体机要完成在除草的同时将草屑、落叶清扫收集起来，这便要求运行时稳定可靠。关键部件设计主要分析滚筒收集机构和聚拢机构 2 部分。该电动式除草清扫一体机主要需要计算 3 个参数：菱形刀具的转动速度、切割功率和滚筒的转动速度。2.1关键部件设计2.1.1滚筒收集机构设计滚筒捡拾装置设置于整体后下方，通过螺栓将固定板与机架连接，弹齿与弹齿护套结合，依次固定于弹齿支撑轴，接着安装在弹齿支撑架上，弹齿支撑架由曲柄连接固定，最后滚筒轴与弹齿支撑架中心连接，电机通过联轴器带动链轮，通过皮带传递动力给另一个与滚筒轴连接的链轮，使滚筒轴进行旋转运动，然后弹齿在随着滚筒旋转过程中，将杂草落叶卷入后方的收集袋中3。滚筒捡拾装置如图 2 所示。2.1.2聚拢机构聚拢机构设置于整体前端，是由 2 部分相同的挡板组成的外八字形结构。将固定前板与整机前端固定，在八字挡板上均匀设置有 3 个搂草轮，在除草清扫一体机前进过程中，搂草轮可通过与地面的摩擦产生向内旋转的动力，从而将杂草落叶推入内部的除草机构。除此之外，在固定前板的一端设置有滑槽限位机构，用于调节聚拢机构的收集宽度，只需将滑块推进对应位置，再用滑动挡块进行固定即可。聚拢机构如图 3所示。1固定板；2弹齿护套；3弹齿；4弹齿支撑轴；5弹齿支撑架；6曲柄；7滚筒轴。图 2滚筒捡拾装置示意图1固定前板；2滑槽；3支撑杆；4外八字挡板；5螺栓；6搂草轮；7轴承；8螺母；9铰链；10滑动挡块；11滑块。图 3聚拢机构示意图2.2相关参数计算2.2.1菱形刀具转动速度菱形刀具的转速一般是根据切割要求而定，假设在无支撑的条件下，电动式除草清扫一体机在进行除草时，菱形刀片任意一点的线速度由刀具随转轴转动速度和整机前进速度合成而来4，故可以计算出某一瞬间刀片刃口处的绝对速度为：123451110986543217761234567891011125科技与创新Science and Technology&Innovation182023 年 第 03 期222cos2kktVtrVrV+=）（1）式（1）中：Vt为刀片刃口处的速度，取 60 m/s；r 为刀片刃口半径，m；为刀具角速度，rad/s；Vk为整体前进速度，取 0.2 m/s。当t+=+2k，k=0，1，2，3，n 时，Vt最小，即：Vt=Vtmin=rVk根据研究资料，一般在无支承条件下，刀片刃口在进行切割时，最小极限速度为 30 m/s，所以该刀片在进行切割时候，切割速度要大于 30 m/s，其刀片的线速度普遍范围为 5090 m/s，刀具旋转速度为：rVVnkt301）（+=其中，刀片刃口半径hDr-=2。刀片工作刃口线长度为：tkmVDVh=（2）式（2）中：h 为刀片工作刃口线长度，m；D 为刀具直径，取 0.6 m；m 为刀片数量，取 2。代入数据可求出菱形刀具转动速度，取整可表示为 n1=1 916 r/min。2.2.2切割功率该电动式除草清扫一体机的切割功率为：102HMVPk=（3）式（3）中：P 为除草作业时的切割功率，kW；H 为除草宽度，取 0.6 m；M 为切割每平方米所需功率，取200 kW。综上所述，将数据代入可得出该电动式除草清扫一体机的切割功率为 P=0.24 kW。2.2.3滚筒转动速度在滚筒旋转过程，当旋转速度越快，其收集卷入量就会越大，而且转速过快也会产生一定过载风险，所以在设计时应保证在收集量满足基本需求时，尽可能选择小转速。滚筒旋转一周可收集体积为：LRLRV2122-=（4）式（4）中：R2为收集半径，取 150 mm；L 为收集宽度，取 700 mm；R1为滚筒半径，取 100 mm。代入数据可得出收集体积 V=0.027 m3。滚筒旋转一周可收集质量为：m=KV（5）式（5）中：为草屑落叶堆积密度，取 15 kg/m3；K为填充因子，取 0.09。代入上述数据，可求出收集质量 m=0.036 kg。该小型电动式除草清扫一体机的清洁机构的理想收集量为 Q=500 kg/h，所以滚筒转速为：mQn=2（6）式（6）中：Q 为理想收集量，kg/h；m 为旋转一周收集质量，kg。代入上述数据，可得滚筒转速 n2=231 r/min。3结语随着校园和小区绿化工程的推广，草坪修整清洁的工作量越来越繁重，传统的人工打草劳动强度高，且效率较低。该小型电动式除草清扫一体机不仅可以显著提高清洁效率，还能减轻工人劳作成本，降低空气污染。该小型电动式除草清洁一体机可适用于大部分水平绿化带，较为适合学校、居民小区等小规模草坪作业需求，具有很大的市场潜力。参考文献：1贾瑞昌，方奕，孔祥锤.手推式电动除草机设计与试验J.农业工程，2018（3）：99-101.2汤维龙，曹现果，邹存伟.智能越野割草机设计与研究J.河北农机，2021（11）：10-11，13.3奚嘉强，曹有为，李欣，等.弹齿滚筒式捡拾装置的结构设计J.林业机械与木工设备，2022，50（2）：34-36.4赵满全，张宁，杨铁军，等.双圆盘割草机切割器虚拟样机设计与试验J.农业机械学报，2014，45（8）：101-105.作者简介：宋世权（2001），男，广西玉林人，桂林电子科技大学本科生，研究方向为机械设计制造及其自动化。通信作者：卢伟（1973），男，黑龙江佳木斯人，博士，副教授，研究方向为机械设计与仿真优化。（编辑：王霞）