小型修剪机的设计
摘 要：针对绿篱修剪机的发展现状，设计开发了一种小型手持式绿篱修剪机，包括动力系统设计和修剪装置设计，在所查阅的文献中尚未发现有相同机型的报道，属原创型产品。相比当前绿篱修剪的方式以绿篱剪为主的状况，该绿篱修剪机能够有效降低绿篱修剪时劳动者的劳动强度，提高修剪的质量，有比较广阔的市场前景。
关键词：绿篱修剪机；系统设计；有限元分析
Abstract: For the current development of Hedge trimmers, we make one kind of small hand-held hedge trimmers, including power system design and trimming device design, it is solely in the same type of coverage, belongs to original product.Compared to the way hedge trimmers to hedge shears mainly at present, the hedge trimmers can effectively reduce worker’s labor intensity, improve the quality of pruning, have a broad market prospects.Keyword: hedge trimmer; System design; Finite element analysis 0 引言
绿篱多是由矮小丛生的灌木组成的绿色景观植物，是装饰景点、公园、居民小区、庭院以及城市绿化的主要植物。组成绿篱的树种跟多，成长特性也各不相同，长势各异，因此必须通过合理修剪才能成为理想景观，一方面是控制其高度，另一方面是形成一定造型，比如整齐的冠部和侧面形状等，手工修剪是必不可少的，但国内外有多种规格、型号的绿篱修剪机在生产中使用，成为主要的绿篱修剪工具[1]。 最近几年中随着空气污染的不断加重，因此在城市生活中人们对环境的要求越来越高了，对城市绿化也越来越看重了，因此绿篱的修剪将会是园林工作者一项重要的任务。应用绿篱修剪机械也会越来越多，绿篱修剪机不仅可以减轻城市园林工作者的工作量，还可以提高工作效率。随着经济的发展，科技的不断进步，绿篱修剪机有也出现许多样式， 功能也越来越多。现在大多数的绿篱修剪还是采用比较原始剪刀修剪或者是大型车载式修剪机，对于前者工作的效率不高，劳动量大；对于后者，使用的局限性也比较大，它主要应用在道路两侧绿篱的修剪，无法剪出各种美观的造型。因此在很多地方还是需要人工修剪，为了解决这一问题，为了逐步改变这种现象，研究小型绿篱修剪机械是很有必要的[2]。
小型绿篱修剪机在国内外的研究主要集中以单缸汽油机为动力的手持式油锯和手动修枝剪等园艺剪枝器具，主要研究的方面是刀具使用寿命的提高（如材料、刀刃的寿命等），而研究与开发电动器具的则比较少，2002 年有报道陕西省韩城市建设局园林绿化技术人员研制出电动推走式绿篱修剪机，但不足之处是该机使用220V电源，需要外接交流电源[3]。因此，设计一种依靠蓄电池提供能源、由直流电动机驱动的新型环保的绿篱修剪机，来代替由单缸汽油机驱动的绿篱修剪机，用以克服上述缺点，是很有必要的。
1 工作原理
本设计中的修剪机主要结构类似于手提电锯和手电钻，主要部分有动力部分、减速装置、运动转换装置、剪切装置。由于修剪机主要用于户外工作，因此动力方面可供选择的方案有两种：第一种是直流电机+蓄电池；第二种是选用汽油机或柴油机。考虑到环保等因素，故选择第一种方案比较适合。剪切装置的设计思路来源于剪刀和中国古老的木匠工具——锯。它由上刀片和下刀片组成，每块刀片就像锯一样，两边都有锯齿，在工作中，下刀片固定，上刀片在定位块的限制下沿着下刀片做纵向往复运动，此时在每个锯齿之间便形成了像剪刀一样的剪切刃。由于刀具需要做往复运动，因此就需要将电机的转动转变成往
复运动，在此设计中采用的是通过曲轴连杆装置将转动转换成滑块的往复运动。整个动力的传递路线：电机→二级齿轮减速器→曲轴→连杆→滑块→上刀片。
图1 运动简图
2 系统设计
2.1剪切装置的设计
2.1.1刀具的结构设计
剪切装置的设计思路来源于剪刀和中国古老的木匠工具——锯。它由上刀片和下刀片组成，每块刀片就像锯一样，两边都有锯齿，在工作中，下刀片固定，上刀片在定位块的限制下沿着下刀片做纵向往复运动，此时在每个锯齿之间便形成了像剪刀一样的剪切刃。如图所示，每侧有18个锯齿，每两个锯齿之间的距离为24mm，可剪切的最大直径为8mm，完成一个剪切动作的最大行程是16mm。
图2 刀具
2.1.2刀具材料的选择
在各种农业机械中，刀具的主要磨损形式是磨粒磨损和研磨抛光，因此对刀具的耐磨性要求很高。普通刀具采用的是T
8、T10以及铸铁等碳钢材料，这种刀具虽然具有一定的强度与硬度，但热硬性低、淬透性差、易变性[4]。在本设计中下刀片（定刀片）采用铸铁，而上刀片（动刀片）采用65Mn锻造而成，65Mn不仅具有很高的强度和硬度，而且淬透性好，经热处理后其综合性能优于普通碳素钢。 2.2、电机的选择
根据实际统计可知绿篱枝条的平均直径为5mm，由吴良军等人的《荔枝树枝力学特性的试验研究》可知，荔枝树枝剪切力与荔枝树枝横切面积有下列关系[5]：
F=10x-230 ——其中x为树枝的横切面积，单位为mm2，F为剪切力，单位为N 本剪切机在实际使用中只有一侧的刀刃处在工作状态，因此在实际工作中受到的剪切力为：
F=（10×52-230）×18=360N 由于刀具完成一个剪切动作的最大行程为16mm，故曲轴的曲柄半径R取8mm，因此曲轴受到的转矩为：
T曲=FR=360N×8mm=2.88Nm 本设计中刀具上刀片与下刀片之间的摩擦较大，因此剪切频率不易过高，取每分钟250次完整剪切，即上刀片每分钟做250次来回运动，也意味着曲轴的转速为n=250r/min,因此曲轴的功率为
那么电机的功率为
传动装置的总效率错误！未找到引用源。
式中η1为滑动轴承传动效率，η2为圆柱齿轮传动效率。查《机械设计课程设计》表3-1可知，滑动轴承传动效率η1=0.94，圆柱齿轮传动效率η2=0.94，则
η=0.94×0.94×0.94×0.94≈0.78
故P电≈0.097Kw 因此电机可以选择淄博博山聚英电机厂生产的90ZYT106型永磁直流电动机，电机转矩0.796Nm，转速1500r/min，额定功率125w，额定电压24V。这款电机具有价格低，质量轻，电压低，功率大转速稳定，便于安装等特点，
因此很适合本修剪机。 2.3、传动比的分配
由上文可知，最终曲轴的转速n=1500r/min,因此总传动比
曲=250r/min，电机的输出转速
n
电
减速装置采用的是两级直齿圆柱齿轮减速器，取高速级传动比i1=2，低速级传动比i2=3，则i=i1i2=2×3=6 2.4、传动装置的运动和运动参数
2.4.1、各轴转速
电机轴为0轴，齿轮轴为1轴，曲轴为2轴，则各轴转速为：
2.4.2、各轴输入功率
P0=125w P1= P0η2=125×0.94=117.5w P2= P1η1η2=1117.5×0.94×0.94=103.8w
2.4.3、各轴转矩
2.5、减速装置的设计
本修剪机工作转速低，功率小，减速装置采用二级圆柱直齿轮，使用喷油式润滑。高速级传动比i1=2,低速级传动比i2=3。齿轮属于标准件，可以直接从市场上采购。 2.6、曲轴的设计与校核
2.6.1曲轴的设计
曲轴尺寸的设计是修剪机的一个重要环节，其合理性是保证修剪机正常工作的一个重要基础。
本设计中曲轴材料选用45C，经过调质处理，硬度为240HBS。初步估算轴的直径为：
根据选用的材料，A0的范围为103-126，选取A0=126，算得
考虑到轴上开有键槽，将计算轴颈增大7%，取标准直径为12mm，根据其他零件尺寸得到曲轴具体几何形状尺寸如下图
图3 曲轴
2.6.2曲轴的校核
对曲轴进行受力分析可知，当连杆与曲柄垂直时曲轴受到的力最大F=360N，针对此时的受力情况通过SolidWorks静力有限元分析：
①外部载荷设置以及网格划分。
曲轴属于形状不规则的长轴类零件，具有轴线不连续和直径变化大的等特点。施加模型约束时，在连杆和轴接触的轴颈处添加圆周约束。理论校核时，将载荷简化为集中力。在SolidWorks中加载为均布载荷，分别在X平面和Y平面对圆周施加8个力和一个扭矩，具体如下图所示。网格划分时，考虑到轴颈过渡圆角处的应力集中，对此处进行网格细化处理[6]。
图4 网格划分图
②运行结果与分析
对运行结果分析处理时，分别查看了通过模型计算的曲轴位移、应变和应力分析图，结果如下图所示。
图5 曲轴位移分析图
图6 曲轴应变分析图
图7 曲轴应力分析图
由第四强度理论可知，曲轴的校核只需检验曲轴的最大应力值是否在其许可范围内即可。根据应力分析图可知，曲轴所受的最大应力为错误！未找到引用源。,小于材料的屈服力错误！未找到引用源。，因此曲轴能够满足使用要求。 2.7、电源选择
本修剪机使用的是外接24V蓄电池，为了方便携带以及不影响工作，设计成双肩背包的形式。在工作时，工作人员背在身后，通过电源线连接在修剪机的后面插孔上。跟其他电动设备（将蓄电池集成在机壳内部）相比，这样的设计主要有以下几个优点;①可以减小整机的体积，以及重量，在工作中也会轻便很多。②蓄电池的体积可以做得更大一点，这样储存的电量也会更多，可续航的时间也会更长。③采用外接式，蓄电池的充电以及更换也会更加的方便。 3 结论
1、作为一个要面对市场的产品，必须要考虑产品的经济性以及实用性。对于消费者来说产品的性价比是考虑的重点。对于本修剪机成本比较高的就是直流电机和蓄电池，其他的像齿轮等市场上都可以直接购买，只有曲轴、连杆、刀具、机壳等需要自己生产。大批量生产，整机价格大概在400-600元之间，因此还是具有很高的性价比的。
2、该机动力采用的是直流电机+外接蓄电池的形式，与其他类采用汽油机或柴油机的相比，噪音小，绿色环保，基本上不会对环境造成污染，再者轻便小巧，便于携带。
3、本机有两个特色就是①带有喷油系统，在工作中操作简单方便；②本机采用的是外接蓄电池，减轻了机身重量，可以减少工作人员手臂的负担，对于蓄电池的充电与更换也会更加方便。
4、本文所设计的修剪机在所查阅的资料中尚未发现相同类型的，并且在中国市场上也很少，除了有几款日本生产的。随着机械化的推广，该类型修剪机的市场需求量也会越来越大，所以该机型有很大的应用市场。
参考文献
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