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草坪打孔机的设计


设计与制造

技术

草坪打孔机的设计
谭铁仁 1 (1.北京市地铁运营有限公司机电公司 贾 生2

2.北京市房山区农业机械研究所 )

1

草坪打孔机简介

有 6 把叉式刀管 , 管刀沿圆周方向均布 。 管刀的轴心均 与刀盘轴的轴心保持一定的偏

心距 。 前轮的尺寸 、 转速

图 1、 图 2 所示草坪打孔机是小型步行操作自走式 和刀盘的尺寸 ( 包括叉式管刀的尺寸 、 布 置 方 式 )、 转 速 滚动草坪打孔机 , 具有结构紧凑 、 工作可靠 , 操 作 简 单 , 的合理配置才能保证叉式管刀的短余摆线运动 , 使得叉 维护 、 保养方便 , 打孔质量高 , 价格低廉等诸多特点 。 打 式管刀打出的孔洞的孔深与直径的比值最大 。 孔刀具为带后开口的叉式空心管刀 , 由于刀具为空心圆 管 , 除了切根外 , 打孔时可以将洞中的旧土壤带出 , 实现 在不破坏草坪的情况下更新草坪土壤 , 并且洞内和洞壁 土壤是疏松的 , 有利于肥料进入草坪下的草株根部 , 加 快水分的渗透和空气的扩散 。

图3 图1 草坪打孔机效果示意 图2 三视图和轴侧示意

隐藏机体的打孔机

1. 发 动 机 2. 胶 带 离 合 器 3. 刀 盘 4. 升 降 机 构 5. 传 动 机 构 6. 行走轮

2
2.1

草坪打孔机的设计
设计的基本原则 (1) 尽可能采用国外产品的成熟结构和参数 。

草坪打孔机由人扶持步行操作 。 后轮可以通过位于 扶手右侧的手柄来改变后 轮 的 位 置 , 当 向 后 拉 动 手 柄 时 , 后轮下降 , 刀盘相对升高 , 此时为运输状态 ; 向 前 推 态 。 当后轮处于打孔作业和运输 、 作业两个位置时 , 升降 草坪打孔机离合器带有一个胶带张紧轮 , 带传动的 ( 见图 4)。

(2) 在保证机 器 性 能 的 前 提 下 , 尽 可 能 减 少 所 用 材 动 手 柄 , 后 轮 升 高 , 刀 盘 相 对 下 降 , 此 时 为 打 孔 作 业 状 料的规格 , 简化结构 , 减轻质量 。 国情做改进设计 。 方面应适应国情 。 (5) 设计过程中运用计算机技术进行优化设计 。 (3) 在理解国 外 产 品 设 计 思 想 的 前 提 下 , 根 据 我 国 机构的自锁装置起作用 。 (4) 在机器的 工 艺 性 、 加 工 方 法 和 配 套 件 的 选 用 等 松配合和紧配合两种工况 , 满足传递和切断动力的要求

2.2

总体设计方案 打孔机由机架 、 发动机 、 减速机构 ( 包括离合器 )、 行

走机构 、 刀盘 、 升降装置等组成 。 汽油机通过两级减速驱 动前轮和刀盘旋转以实现 叉 式 管 刀 的 余 摆 线 运 动 打 孔 作业 。 第一级减速为胶带传动 , 同时兼有离合器的作用 。 第二级减速为链条传动 ( 见图 3)。 草坪打孔机的刀盘轴上安装有 5 个刀盘 , 中间的 3 个固定安装在轴上 , 与轴同步转动 ; 其 余 两 个 对 称 活 动 安装在轴两端 ( 轴承连接 ), 为从动轮 。 每个刀盘上安装
责任编辑 : 李明明

图4

打孔机离合器装置

1. 大胶带轮 2. 离合器拉杆 3. 胶带 4. 胶带张紧轮
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2.3
主要技术性能指标 最高行走速度 km/h 行距 穴距 打孔孔洞直径 打孔孔洞深度 打孔机工作幅宽 单位面积孔数 工作效率 运输状态离地间隙 配套动力 外形尺寸 整机质量

设计与制造

根据余摆线的基本方程 , 编写 VB 程序优化刀盘转 速 。 假设打孔刀盘旋转一周 , 既叉式管刀转过的弧度为

4.75 mm 95 mm 165 mm 19 mm 75 mm 475 2 个 /m 75 2 m /h 2 300 mm 35 kW/hp 4/5.5 单缸 4 冲程
风冷汽油机

2π,计算叉式管刀转过非常小的角度(转过的角度为 2π/n, n 的取值越大,计算的结果越准确 ),程序自动判断、记录叉
式管刀转过若干个 2π/n 角度时 , 叉式管刀是否与地面接 触,自动记录叉式管刀从入土到出土的时间内草坪上被打 出孔洞在前进方向上的最大轮廓线 ,当转速为零时的打孔 机叉式管刀变成犁刀 。 由于孔洞的形状受前进速度 ,叉式 管刀的外径 , 偏心距 , 刀盘旋转速度 , 刀盘上刀尖处的直 径 , 土壤的硬度 , 驱动轮的附着系数等诸多因素的影响 , 在这些因素中 , 前进速度是定值 , 叉式管刀的外径 、 刀尖 处的直径也可以认为是定值 , 余下的参数中只有偏心距 和刀盘旋转速度两个 , 而偏心距和刀盘旋转速度两个参 数中只要知道其中一个时可以推导出另外一个 。 标准的孔洞是 孔 洞 的 前 进 方 向 上 的 最 大 轮 廓 线 与 孔洞深度 ( 耕深 ) 的比值最小 , 程序的核心是遵循这一原 则循环筛选不同转速下的比值 , 找出最小比值时的各参 据已知的条件找出孔洞的前 进 方 向 上 的 最 大 轮 廓 线 与 孔洞深度 ( 耕深 ) 的比值最小时的转速和偏心距 。 第二个 程序是根据筛选出的数据通 过 图 象 对 比 验 证 数 据 的 准 确性 ( 图 6、7、8 是程序输出图象 )。

mm kg

1 638×752×938 180

2.4 2.4.1 2.4.2

主要技术参数的确定 行走速度 采用人正常行走速度 4.75 km/h 。

刀盘转速 、 管刀直径 、 管刀刀口斜率 、 管刀安装偏 数 。 编制了两个程序 , 第一个是筛选数据的列表程序 , 根

心距的确定 叉式管刀的运动轨迹为短余摆线运动轨迹 (见图 5)。

图5

三种余摆线

x=R(aωt+cos (ωt)) y=R(b-sin(ωt)) a= 1 = vm λ Rω
余摆线公式 :
图6 循环筛选数据程序 的数据输出列表 图7

3 种转速下的

孔洞轮廓示意

b= H R
—— 长余摆线 λ< 1— —— 余摆线 λ= 1— —— 短余摆线 λ> 1—
图8

3 个转速下孔洞的放大示意
中间 82 r/min 右侧 92 r/min

左侧 72 r/min

经过运算得到这样的结果 : 当草坪打孔机前进速度

式中 ω— —— 角速度 ; —— 半径 ; R— —— 时间 ; t— —— 圆心的纵坐标 ; H— —— 圆心水平移动速度 ; v—

4.75 km/h ( 约 1 319 mm/s )、 刀 盘 刀 尖 处 半 径 为 197.5 mm、 打孔深度为 75 mm 、 刀管直径 19 mm 、 刀口斜率为 1 对应的转速为 82 r/min 钟 , 横坐标极限差值为 42.11 mm ( 是循环中的最小值 ), 偏心距为 27 mm ( 见图 9)。
将数据带入第二个程序 , 可观察叉式管刀旋转一周

短余摆线的描述 : 一半径为 R 的圆周以角速度 ω 等 的轨迹刀盘转速 82 r/min 时叉式管刀的运动轨迹 ( 上面 速回转 , 同时其中心 O 以速度 vm 在距 x 轴高度为 H 的 的水平线是刀盘轴线的运动轨迹 , 下面的水平线是草坪 直线上运动时 , 圆周上一点 M 所描成的轨迹 。 的地平线 , 刀盘为逆时针旋转 , 打孔机向左运动 。
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技术

2.5

工作原理与使用

CDK-1 型草坪打孔机为步行操作滚动打孔机 , 由发
动机 、 传动系统 、 打孔装置 、 行走装置 、 操纵机构等组成 。 发动机的动力通过传动系统一方面驱动行走轮 ( 前轮 ), 另一方面驱动刀盘旋转 。 后轮兼有控制草坪打孔机工作 状态的作用 , 通过摆杆机构改变后轮位 置 , 操 纵 刀 盘 的
图9 转速为 82 r/min 孔洞轮廓放大示意

入土与出土 。 其工作装置由可以滚动的刀盘和轴组成 。

通过观察 , 刀盘转速为 72 r/min 时孔洞呈漏斗型 , 刀 叉式空心管刀按要求均匀地 固 定 安 装 或 活 动 安 装 在 圆 盘转速为 92 r/min 时孔洞直径最大值太大 , 刀盘转速为 盘或一定形状的转盘上 , 装有管刀的刀盘等距离间隔地

82 r/min 时孔洞直径最大值最小 。 ( 其全部参数为 : 草坪 固定安装在轴上 。 刀盘活动安装在轴上的工作装置是有 打孔机前进速度 4.75 km/h , 刀盘转速为 82 r/min , 叉式管 动力驱动的 , 刀盘活动安装在轴上的工作装置是无动力 刀 的 直 径 为 19 mm , 刀 口 斜 率 为 1, 管 刀 的 偏 心 距 为 27 驱动的 ( 见图 11、12、13)。 mm, 刀尖处半径 197.5 mm , 此种配置的横坐标极限差值 为 42.11 mm ( 即理论上的打孔孔洞的最大直径 )。
通过以下公式验证数据 。 短余摆线环的最大宽度 :

C= 2R (arcsin ( 1 )- π + 姨λ2-1 ) λ λ 2
验证横坐标极限差值 : 最佳配置的刀盘转速为 82

r/min 对应 的 其 它 参 数 为 刀 尖 处 半 径 197.5 mm 、 前 进 速 度 4.75 km/h 、 刀 管 直 径 19 mm 。
由于叉式管刀的刀尖处总是率先入土且刀尖处直径 最大 ,所以只考虑该点的 C 值 ,如果考虑管刀直径的影响 还应加上 19 mm 在横坐标上的投影 ( 为矢量 , 随时间 t 周 期变化 ),也就是说用这种简单算法得出的打孔孔洞最大 直径的最大近似值应该是 64.21 mm,最小近似值为 42.21
6. 驱动轮
图 11 打孔机构造示意

1. 发 动 机 2. 离 合 器 3. 刀 盘 4. 后 轮 及 升 降 机 构 5. 链 条

mm,但打孔刀余摆线运动的影响因素多 (前进速度 、刀管
直径 、偏心距等因素 ), 运动极其复杂 , 此种算法精度应该 不会比前述的 VB 程序算法高 ,因为 VB 程序编程时考虑 了刀盘叉式管刀安装的偏心距 , 假定叉式管刀为 3 段直 线 (见图 10),中间直线与垂直线的夹角为斜率 ,此种算法 应更能反映实际工作状况 ,计算结果应更准确 。
图 12 打孔机打孔工作状态

C= 2R (arcsin ( 1 )- π + 姨λ2-1 )=42.21 mm λ λ 2

图 13

打孔机运输工作状态

刀盘总成由 2 个 动 刀 盘 和 3 个 定 刀 盘 组 成 ( 见 图
图 10
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管刀 3 段直线

14、15)。
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设计与制造

以检查运动零部件间的相对运动 , 及时消除干涉现象 , 改进设计 。

Solidworks2000 软件的质量特性功能可以根据零件
三维建模时赋予的材质 , 自动计算装配总成的体积 、 质 量和三维质心 。 图 17、18、19、20 是 Solidworks2000 软件生成的打孔 机在运输和工作状态下的质心位置坐标 。
图 14 刀盘滚筒示意

1. 刀盘轴承 2 、4. 活动刀盘 3. 活动刀盘轴承 5 、6 、7. 固定刀盘

图 17

工作状态 X-Y

图 18

工作状态 Y-Z

图 15

刀盘总成示意

1. 星型盘片 2. 叉式管刀 3. 叉式管刀固定螺栓 4. 刀盘轴

带传动此时为松配合 , 胶带与胶带轮摩擦力小 , 小 胶带轮空转 , 大胶带轮没有转动 , 此时 草 坪 打 孔 机 停 在 原地不动 , 当向后拉动离合器拉杆 , 胶 带 张 紧 轮 压 紧 胶 带 , 大胶带轮转动带动前轮以及刀盘轴转动 。 此时草坪 打孔机前进 。
图 19 运输状态 X-Y 图 20 运输状态 Y-Z

根据给出的质心位置可以得出这样的结论 : 无论打

如发现叉式管刀变形 、 破 损 应 及 时 更 换 , 方 法 是 首 孔机处于运输状态或工作状态 ( 地面坡度小于 15° ), 打 先拆下该刀管上的固定螺栓 , 拆下破损 刀 管 , 更 换 新 刀 孔机不会出现倾覆事故 , 即打孔机的质量分布和行走轮 管 , 注意安装新刀管时应保持 6 个刀管的刀尖应共圆 , 布局具有很好的横向和纵向安定性 。 且偏心距与其它刀管的偏心距相等 。 链条的张紧调整见图 16。

2.8

打孔机叉式管刀的创成式零件有限元分析

Catia V5R10 软 件 是 集 CAD/CAE/CAM 于 一 体 的 三
维参数化软件 , 它提供了功能强大 , 且 使 用 方 便 的 工 程 分析模块 — Analysis & Simulation 。 利用该软件 , 非分析专 业的设计人员只需在模型上添加载荷和约束 , 就可以快 速的进行初步的有限元分析 , 得到应力图和位移图 , 验 证零部件的结构强度 。

图 16

链条张紧度调整示意

图 21 是 Solidworks2000 软 件 建 立 的 管 刀 模 型 三 视 图 , 图 22、23、24 是 Catia V5R10 软件生成的加载 、 应力 、 位移图 。

1. 调整螺栓 2. 锁紧螺母 3. 张紧轮臂 4. 张紧链轮

2.6

整机的干涉检查与运动模拟 设计时使用 Solidworks2000 软件建立模型 , 所有零

部件根据零件材料赋予材质 , 根据装配关系组装为不同 的部件 , 最后形成总成装配 。 利用软件的运 动 模 拟 模 块 仿 真 运 动 部 件 的 动 作 过 程 , 验证设计方案 。
图 21 表1 材料 叉式管刀模型示意 低碳钢的物理特性 密度 (kg/m3) 屈服极限 (MPa )

2.7

打孔机质量特性列表 使 用 Solidworks2000 软 件 三 维 建 模 模 块 和 装 配 模
Q235 200

弹性模量 (GPa ) 波松比

块 , 建立打孔机的装配模型 , 使用动态 干 涉 检 查 功 能 可

0.266

7 860

235
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3
3.1

结论
使用 Visual Basic 程序设计语言 编 制 短 余 摆 线 运 在前进速度 、 刀盘刀尖处直径 、 耕 深 、 刀 管 直 径 、 刀

动数据优化程序 管刃口斜率等为常量的情况下 , 可以求解打孔孔洞最大 直径与耕深比值最小时的转速 , 转速是唯一的 。 这个结 论对于设计不同园艺要求 的 打 孔 机 具 有 重 要 的 参 考 和
图 22 叉式管刀加载和约束

指导价值 , 使用该程序可以解决拖拉机牵引打孔机的参 数确定 , 诸如拖拉机前进速度 、 刀盘刀尖直径 、 偏心距等 参数 , 使用图像程序可以验证数据的正确性 。

3.2

三维设计软件的运用

Solidworks2000 设计软件的运用使设计者可以在三
维空间中开发产品 , 虚拟样机和动态干涉检查可以避免 设计错误 , 缩短了设计开发周期 , 降低了试制成本 。 可以 生成动画和效果图 ( 图 1 是设计软件生成的效果图 ), 自 动计算整机的质心 , 避免了庞大的计算工作量 。

3.3

有限元分析软件的使用

Catia V5R10 软件的有限元分析模块对于解决复杂
外型零件的强度计算具有现实指导意义 , 只要建立零件
图 23 叉式管刀的应力 ( 冯米泽斯应力 )

的三维模型 ,赋予材质 , 计算机将根据给出的约束和载荷 自动求解 ,输出零件的应力分布图 , 给出节点的位移并给 出零件的最大位移 ,可以根据最大应力点改进设计 。

3.4

离合器的优化设计 皮带张紧轮离合器具有 构 造 简 单 、 使 用 可 靠 、 维 护

简便等特点 。

3.5

打孔孔洞的测量 使用熟石膏灌制孔洞的石膏模型 。 由于孔洞的测量

较困难 , 使用熟石膏粉加水搅拌 , 倒入孔洞 , 制作石膏模 型测量孔洞的尺寸和形状 ( 见图 2 5 )。

3.6
图 24 叉式管刀位移图

样机的鉴定 样机通过了新产品鉴定 , 具 有 结 构 简 单 紧 凑 、 性 能

可靠 、 操作灵活 、 调整方便等特点 。 通过实地测试证明打

由计算结果可知 , 打孔机叉式管刀加载后产生的最 孔孔洞符合园艺要求 , 各项指标达到了设计要求 。 大应力为 σ=127E6 Pa , 最大应力点在缺口的上部的焊接 处 , 其值远小于钢的屈服极限 σs=235E6 Pa , 安全系数

K>1.85, 由此可知 , 在工作状态下 , 叉式管刀处于弹性变
形状态 , 没有产生不可恢复性变形 , 刚度 、 强度完全符合 要 求 ; 叉 式 管 刀 受 力 产 生 的 位 移 变 形 最 大 为 s =0.348
图 24 石膏模型 ( 刀盘总成的 5 个刀盘打出的孔洞 )

参考文献
[1 ] 周全申 . 直摆组合凸轮机构设计 [J ]. 机械设计 ,1992 ,9 (1 ). [2 ] 谭浩强.Visual Basic 语言教程 [M].北京 :电子工业出版社 ,2000. [3 ] 高秀华 , 王智明 , 王继新等编著 . 工程分析及电子样机模拟 —

mm,最大位移点处在缺口的上部的焊接处 。 本机使用的主要材料为 Q235 型材 , 材料名称 :Q235 型材 , 弹性 模 量 \E\Gpa=196 ~206, 切 变 模 量 \G\Gpa=79 , 泊松比 \μ=0.24~0.28。
责任编辑 :李明明

CatiaV5 在工程实践中的应用 . 北京 : 化学工业出版社 ,2004.
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