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  南京林业大学本科毕业设计题 目: 小型便携式割灌机设计 学 院: 南方学院 专 业:机械设计制造及其自动化 学 号: n090301127 学生姓名: 张丹丰 指导教师: 贾志成 职 称: 讲 师 二O一三年 五 月南京林业大学本科毕业设计说明书小型便携式割灌机设计摘要割灌机作为营林机械的一种,用于林地清理、幼林抚育、次生林改造和森林抚育采伐等割除灌木、杂草、修枝、伐小径木、割竹等作业。我国灌木树种资源极为丰富,近几年来,为了防风固沙、保持水土、改善生态系统、维持生态系统、维持生态平衡,正在持续大面积种植灌木,仅内蒙古鄂尔多斯市就有沙生灌木1200多万亩,我国西部地区沙生灌木资源也非常丰富且集中。根据沙生灌木的生物学特性,每35年就需进行平茬,平茬后生长加快,萌发力加强,具有复壮作用。平茬收割时若手工劳作,其劳动强度大且生产效率低,因此,为了提高生产效率,割灌机必不可少。而本次设计的小型便携式割灌机就是割灌机中一种简便、快捷的机具。割灌机能切割直径4cm以内的多种林木杂草;应尽可能小型便携,以方便在地区崎岖,起伏不定的山林地带操作,灵活工作;动力装置应符合国标要求;长期在恶劣的噪声环境中工作会导致职业性耳聋,并且在4KHz附近容易产生听力损伤,这是职业性耳聋的特点,所以割灌机工作是应尽量防止噪声过大,并使用消音器;要尽量减小割灌机把手的振动;工作部分采用尼龙丝、圆锯片等做为切割部件。关键词:割灌机;小型;便携。Design of Small portable brush cutterAbstractOne of the brush cutter as a forestry machinery, used in forest land clearing, young forest tending, Secondary forest transformation and forest tending cutting, etc. Resect shrubs and weeds, trimming and cutting path cut wood, bamboo and the other works. Shrub species resources are very abundant in China, in recent years, in order to prevent the land, conserve water and soil, improve the ecological system, maintain ecological balance, we are planting large area of shrubs, only the Inner Mongolia Erdos City has about 12000000 mu of sandy shrub, shrub resources in western region of China is also very rich and concentrated. According to the biological characteristics of shrub, it will accelerate growth ,strength sprout and has the effect of rejuvenation after stubble for every 35 years. When you are harvesting, manual labor is intensity and low production efficiency, so in order to improve the production efficiency,brush cutter is indispensable. The design of the small portable brush cutter is an easy and fast machineof the brush cutter.Brush cutting diameter 4cm function within a variety of trees and weeds. It should be as small and light, in order to facilitate the rugged terrain undulating forest zone operation, flexible working. Power unit shall comply with the requirements of GB. Long in harsh noise environments can cause occupational deafness, and in the vicinity of 4KH prone hearing loss, which is the characteristics of occupational deafness, so brush cutter work, it should try to prevent excessive noise, and use the silencer. To minimize vibration handle brush cutter, work part adopts nylon yarn, such as a circular saw blade cutting parts.Key words: brush cutter; small; portable 目 录第一章 绪论11.1 引言11.2 国外小型便携式割灌机发展概况11.3 国内小型便携式割灌机发展概况41.4 本文研究的目的及意义6第二章 小型便携式割灌机的设计方案72.1 小型便携式割灌机的比较和选择72.2 小型便携式割灌机的组成及工作原理8第三章 小型便携式割灌机的机构设计103.1 发动机的选择103.2 离合器的设计选择103.3 传动轴的设计163.4 减速器的设计计算183.5 小型便携式割灌机工作头的设计253.6 小型便携式割灌机把手的设计263.7 背架、后盖及机架的设计273.8 小型便携式割灌机的减振降噪措施29第四章 小型便携式割灌机的计算校核30第五章 总结和展望345.1 总结345.2 展望34致谢35参考文献36附 录37第一章 绪论1.1 引言 抚育间伐是我国林业发展的一项重要工作,所谓抚育间伐,即在未成熟的林分中定期而重复地砍伐部分林木,为保留的林木创造良好的生长环境,促使其生长发育,一般自幼林郁闭开始到成林主伐前的用材要进行34次抚育间伐,据统计,我国林分总面积的70%( 约80万hm2) 是中幼林, 其中约80%的中幼林未及时进行抚育,亟待抚育的约53万hm2。目前我国中幼林抚育间伐作业只有少量利用机械,大部分还靠手工作业(大斧子、弯把锯伐木),其劳动强度大,生产效率低,已不能适应抚育生产的要求1。 随着国家对环保意识的进一步加强,特别是1998年长江等流域的特大洪水,给世人敲响了警钟,我国政府出台了一系列保护生态环境的政策,禁伐天然林,严格控制砍伐人工林。林业产品结构发生了重大变化,伐木工人变成了营林工人,使得林业部门对林业机械的需求也发生了重大变化2;伐木机械需求量急剧减少,以油锯为例,1997年全国油锯销量在415 万台左右, 1998年下降至315万台,预计1999 年至多215万台,因而营林机械必将有很大的增加。我国灌木树种资源极为丰富,灌木林不仅是重要的生态林, 而且是经济效益很高的商品林3。灌木具有耐干旱、抗风沙、天然更新快、萌发能力强和根系发达等特点, 是我国造林绿化的重要树种, 也是西北地区防沙治沙和一些特殊自然地理区植被建设的重要森林群落。同时, 灌木林还是重要的薪炭林、饲料林、工业原料林和景观观赏林,在林业生产和经营中具有不可替代的地位。大力发展灌木林, 充分发挥灌木林在生态建设、生态安全、生态文明中的突出优势, 已经成为经济和社会可持续发展的迫切需要4。近几年来,为了防风固沙、保持水土、杏彩体育官网改善生态系统、维持生态平衡,正在持续大面积种植灌木,仅内蒙古鄂尔多斯市就有沙生灌木1200多万亩,我国西部地区沙生灌木资源也非常丰富且集中。根据沙生灌木的生物学特性,每35 年就需进行平茬,平茬后生长加快,萌发力加强,具有复壮作用1。平茬收割时若手工劳作,其劳动强度大且生产效率低,因此,为了提高生产效率,割灌机必不可少。1.2 国外小型便携式割灌机发展概况 国外对割灌机的开发研究较早, 起点高、水平亦较高, 广泛采用现代科技成果, 如工程塑料、CD I无触点电子点火等, 整机重量轻、功率大、使用操作灵巧, 并形成了系列产品。以德国ST IHL 公司、SOLO 公司为代表的厂家, 其产品动力排量从22CC到56.5CC,功率从0.6kw到2.8kw。以日本为例,日本生产的割灌机型号很多, 其中Xenoah 杰纳亚割灌机有轻、中和重型三种5。轻型有QT20 和BCF01,中型的有BCD20、BCD29、FBC12、FBC22、FBC24、FBC26、FBC26 和FBC28,重型的只有FBC336。其中,工作部分使用尼龙除草丝、圆锯片和除草刀盘,可用于不同高度枝条的收割。1993年日本研制成功了割灌带宽90cm、且能自动调平驾驶座椅的坡地用自行式割灌机。前苏联生产的Cekop- 3型割灌机可用于幼林的抚育、灌木的采伐和割草等。割灌机主要由发动机、传动部分和锯木圆锯片组成。工作时操作人员可将割灌机背在肩上,用右手操作机器,左手扶着锯切的树木7。前苏联制造的MNC大型除灌机装在白俄罗斯型拖拉机上,前部为压灌部分,后部为割灌切碎部分。机器前进时,压灌部分先将灌木压弯压挤在一起,再由割灌装置自根茎处切断,最后由切碎装置将割下的灌木切碎并撒抛在地上,该机可用于大面积的除灌作业。加拿大Windsor 公司最近也生产了一种Enso 除灌机,它在割灌装置后面加装了除草剂喷洒装置, 能同时进行机械和化学抚育, 可大大节省化学药剂的喷洒量8。此外,中小型的灌木收割机还有瑞典制造的帕尔特内尔B173 和胡斯克法尔纳165R 割灌机, 后者还带有可以更换的尼龙除草丝转盘。德国制造的FS200AV割灌机上还配有减振装置3。 德国制造的克拉马尔除灌机悬挂在四轮驱动拖拉机的前方。机器前进时, 旋切刀便将前面的灌木切成碎块。英国制造的大型灌木切割机有萨布列除灌机、12 型灌木切碎机、横轴甩锤式除灌机和水平甩锤式除灌机。萨布列除灌机的除灌锯片装在向前伸出的悬臂上,为了保持机器的平衡后部装有配重; 锯切部分可以根据需要更换, 这种除灌机可锯断直径420英寸的树木。20世纪90年代,这些先进国家的灌木收割机械陆续进入我国种植基地。国外先进的灌木收割机械技术比较完善, 机具品种齐全,性能可靠,但价格昂贵。目前, 欧美各国几乎所有的农机公司都生产灌木收割机械且已形成系列化,能满足各种收割作业的需要9。其主要结构、技术性能指标至今没有大的变化,只是在操作舒适性和电子计算机应用方面有所改进。如图1所示,是德国生产的产品型号FS-120的割灌机 图1 FS120型便携式割灌机如图2所示,是日本小松背负式割灌机图2 日本本田GX-35背负式割灌机如图3所示,是日本生产的自走式割灌机:本田GXV160割灌机,发动机采用顶尖的OHV技术,大大改善空气、燃料和温度的控制,在输出达5.5匹的马力之同时,省油20%30%,比一般草坪机所采用的侧置式气门发动机更省油达50%。 图3 本田GXV160割灌机1.3 国内小型便携式割灌机发展概况 我国割灌机的开发、研究起步于20世纪60年代,目前国内生产厂家仍较少, 而且产品质量大,性能落后,品种单一, 规格少,不能形成系列产品,无法满足各种用户需求10。 1992年原国家林业部下达给黑龙江省木材采运研究所“山地清林机的研制”项目, 目的在于研制一种重、中型可提高割灌效率与质量的割灌木设备。2G- 200 型悬挂式割灌机是“山地清林机的研制”项目的阶段性成果, 该机主要是为适应营造短周期工业用材林以及人工速生丰产林发展的需要,它是以J- 50履带拖拉机为动力,在拖拉机前悬挂具有仿行特点的多圆锯片的中型割灌木设备。辽宁省法库县农机推广站对东风- 2 型小麦收割机进行了设计改造。由于小麦种植量少, 设备使用时间短, 该机每年绝大部分时间处于闲置状态,对其设计改造后可收获苜蓿。其主要以东风-2型收割机的主机为动力和行走平台,通过重新设计割台、铺放装置和传动连接装置,改造成9GY- 2.3型牧草收割机,达到了收割苜蓿的要求。只要更换割台就可以进行小麦的收割作业。此项研发缩短了苜蓿收割机的研制周期, 降低了设计和制造成本,实现了一机多用。 山西省广灵县新特服务部研制成功了柠条收割机和麻黄收割机。其主要用途有柠条类丛林灌木的平茬、收割; 桑树、茶树更新换代的平茬; 冬青、草坪等园林绿化的草和灌木植物的修整;草原牧草( 如红柳、沙柳、花棒、踏郎、杏彩登录紫花苜蓿、沙打旺、草木栖、柠条和篙籽等)的收割。 福建省林科所研制成功的2GB- 081型背负式割灌机具有质量轻、振动小、适应性强、用途广、易于综合配套等特点,非常适合广大农村多种经营使用。广西柳州索罗小型动力机厂1999 年研发的3GC- 1.5割灌机,主要性能指标具有国内先进水平。该割灌机已在东北林区、各地公园、机关和厂矿等广泛应用。此外,该机还可用于收割南方水稻,深受农民的欢迎。从以上可以看出,我国林木收获机械产业化起步晚, 与欧美等发达国家相比在技术、制造手段和工艺等方面都还有一定的差距,主要是产品的品种不全,适应性和配套性差,产品的技术水平比较低12。我国割灌机的开发、研究起步于20世纪60年代,目前国内生产厂家仍较少,而且产品质量大,性能落后,品种单一,规格少,不能形成系列产品,无法满足各种用户需求。而我过割灌机的开发、研究较晚, 起步于60年代,都停留在仿制的基础上。主要用于灌木的清除及一些硬质杂草的清除。如图4所示,采用1E40F-6型发动机,风冷二冲程发动机形式,发动机功率:2.3KW/6500-7000r/min,发动机排量为52CC,汽化品形式为浮子式,质量为9.5Kg。该机主要用于园林绿化、庭院维护、公路清理等。图4 1E40F-6 型便携式割灌机如图5所示,也是我国生产的便携式割灌机 图5 HHGT-005A割灌机 我国便携式割灌机在市场上的应用是很广泛的,在林业方面,抚育间伐是我国林业发展的一项重要工作11, 所谓抚育间伐, 即是在未成熟的林分中定期而重复地砍伐部分林木, 为保留的林木创造良好的环境条件,促使其生长发育,一般自幼林郁闭开始到成熟林主伐前的用材要进行34次抚育间伐。据统计,我国全国林分总面积的70%(约80万公顷)是中幼林, 其中约80%的中幼林未及时进行抚育, 即急待抚育的约53 万公顷。目前我国中幼林抚育间伐作业只有少量机械, 而大部分靠手工劳动,大斧子、弯把锯伐木,其劳动强度大、生产效率低,已不能适应抚育生产的要求12。在园艺方面,从昆明世博会花卉研讨会上了解到,90年代以来,我国草坪业增长率高达30%至40%,预计至2005年将发展成为新兴大产业。按国家建设部规定,2000年城市绿化率要达到30%,城市人均绿地面积要达7平方米,专家按此标准测算,2000年至2005 年重点绿化目标有各种堤坝、飞机场、公园、城市居民公共绿地、足球场、高尔夫球场、高速公路边坡等, 至少需要植草坪28125 万公顷。在如此大规模的草坪管理、养护, 除了需要大量大型剪草车、小型草坪剪草机外,割灌机因其操作的灵活性,可以修剪小面积草坪,杂草及陡坡的优点,仍可在草坪养护机械中占有一定的比例,每年需求量在3万台左右13。在农业方面,实现农业机械化是我国在八十年代提出的奋斗目标, 目前广泛使用的是大型的联合收割机, 主要适用于平原地区大面积农作物收割。由于我国地域辽阔, 地理、气候环境复杂多变, 农作物的品种繁多, 主要有小麦、水稻、高粱、玉米、黄豆等。同时我国有三分之一的山区丘陵, 地形复杂, 特别是现在实行了分田到户的生产责任制, 丘陵地区的农民田地分散、小块、交通不便, 无法使用大型的联合收割机3。为了让广大农民从繁重的劳动中解脱出来, 发展农业经济, 特别是南方的“双抢”季节, 迫切需要一种小型的、操作简单、价格低, 既能收割, 又可脱粒的收割机器, 而割灌机就满足了这种要求。通过对农村市场的促俏, 很受农民欢迎。预计每年需求量在10万台左右, 关键是做好产品的示范宣传, 让农民了解这种既实用, 又能买得起的产品。综上所述,便携式割灌机在我国具有广泛的市场,割灌机发展到今天, 技术水平日益完善, 我们只有充分利用现代科技成果才能使国产割灌机达到国际先进水平,并在市场上占有一席之地。1.4 本文研究的目的及意义 随着国家对环保意识的进一步加强,我国政府出台了一系列保护生态环境的政策, 禁伐天然林, 严格控制砍伐人工林。林业产品结构发生了重大变化, 伐木工人变成了营林工人, 使得林业部门对林业机械的需求也发生了重大变化;伐木机械的需求量急剧减少,那么营林机械必将有很大的增加。由于营林作业的种类繁多, 因而营林机械的种类也很多,割灌机作为营林机械的一种,其用途广泛、操作简便、使用灵活的特点,必然大受欢迎。目前, 全世界割灌机的年产量约为300多万台。日本是世界上生产和使用割灌机最多的国家之一, 产量高,出口广泛。我国割灌机的研制起步较晚, 而且产量低, 品种少, 且基本上都是侧挂式割灌机, 已远远不能满足国民经济飞速发展的需要。作为世界农业大国,割灌机在我国潜在着巨大的市场, 开发高性能割灌机已势在必行14。本次课题研究的是小型便携式割灌机,从国产的小型便携式割灌机情况来看,除了设计割灌机的结构和部件方案的选择外,可以在以下两个方面进行设计创新:减轻机具的震动以及在机具质量上的减轻。另外,不同类型的割灌机,都有着不同程度上的噪声15,因此,减少机体工作时的噪声,从而减少对操作者的伤害,也是设计的一个重要部分。第二章 小型便携式割灌机的设计方案2.1 小型便携式割灌机的比较和选择割灌机根据作业方式可分为3种:便携式割灌机,手扶式割灌机和悬挂式割灌机。便携式割灌机又分为侧挂式和背负式两种:侧挂式割灌机采用硬轴传动,背负式割灌机采用软轴传动;手扶式割灌机由行走轮支承机具重量,由人推动机器前进,由发动机驱动工作部件进行切割灌作业。其构造和工作原理同便携式割灌机相似;悬挂式割灌机悬挂在拖拉机后面,由动力输出轴驱动工作部件旋转,适用于大面积割灌作业。目前割灌机的使用范围较广,如在林区进行人工林间伐,打割带,在苇场收割芦苇,但大多还是在园林绿化中用来切割杂草、修剪草坪。随着国家对生态环境的重视,全民环保意识的增强,对园林绿化机械的需求也在逐步加大,因而用于园林绿化的轻型割灌机的需求也在大幅增加,综观园林机械市场,我们不难发现也不可否认,国外的割灌机占领着绝大部分市场,从最早的小松、STIHL、ALPINA、MCCULLOCH,到SOLO、Husqvama等,再到Efco、Jonsered等,大大小小十几个品牌,纷纷进占中国市场,中国有着非常大的市场,同时由于我们遭受了环境破坏所带来的恶果,国家正加倍地保护环境,由此所带来的无限商机使得国外企业源源不断地进入,要想冲出重围,在园林机械市场上立足,并与世界列强抗衡是非常困难的,但也不是不可能,关键在于我们如何取长补短,并迎头赶上16。对于小型便携式割灌机而言,其类型不同,作业对象、作业地点就有差异,操作起来也有所差别。以下是对侧挂式和背负式的比较:(1)侧挂式割灌机采用硬轴传动, 主要由发动机、传动系统、离合器、工作部件、操纵装置和侧挂皮带等组成。在传动轴的一端配置0.75 2千瓦的单缸二冲程风冷汽油机和离心式摩擦离合器;另一端安装由减速器和切割刀具组成的工作部件。工作部件的类型很多,常用的为圆锯片、刀片或尼龙丝。作业时,将传动轴的铝合金套管上的钩环挂在操作者肩下的背带上,握住手把,横向摆动硬轴,即可完成切割杂草、灌木等作业17。机具重约612千克,转速约45005000转/分。(2)背负式割灌机。用软轴传动,一般构造与侧挂式割灌机相似,不同的是其发动机背在操作者背上,切割部件由软轴传动,发动机功率一般为0.751.2千瓦。发动机与背架之间以两点联接并装有特制橡胶件以隔振。软轴为套装在软管内的钢丝挠性轴,用以传递扭矩。软管为敷有橡胶保护套的金属编织网包住的钢带缠卷的螺纹管,以防尘土侵入轴内并保持轴表面的润滑油。割幅一般在1.52米之间。 对于一些崎岖山地,便携式割灌机更能发挥起作用,而以软轴传动的背负式割灌机,在作业时更加灵巧、方便。2.2 小型便携式割灌机的组成及工作原理2.2.1 小型便携式割灌机的组成本次课题研究的小型便携式割灌机为背负式割灌机。背负式割灌机由背负和机具两大部分组成。背负部分为动力部分, 包括发动机,背负架和离合器等。机具部分包括软轴传动组、工作杆齿轮箱操纵手把及切割装置等。其结构简图如图6所示,1.软轴传动组 2.离合器 3.发动机 4.油箱 5.背垫 6.背带 7.切割装置8.齿轮箱 9.保护罩 10.工作杆 11.前把手 12.背负架 13.后把手图6 便携式割灌机结构简图2.2.2 小型便携式割灌机的工作原理小型便携式割灌机的工作原理比较简便,利用背负架将动力部分背在操作者身后,发动机及离合器可绕底座支承轴线作水平方向转动, 以适应工作时工作杆角度的不断变化。操作者通过安装在工作杆上的手油门控制发动机的供油量来调整转速。当发动机的转速接近工作转速时, 自动离心式离合器的飞块在离心力的作用下, 克服弹簧拉力与离合碟结合, 带动软轴旋转, 软轴又通过联轴节带动工作杆内的硬轴转动, 并经过齿轮箱内一对螺旋锥齿轮的减速换向, 使切割装置做逆时针方向旋转, 进行切割作业。需转移作业地点时, 可关小手油门, 发动机转速下降, 离合器的飞块由于弹簧的拉力与离合碟分离, 切割装置停止转动, 发动机处于怠速状态。割灌机作业前,必须进行一系列检查和准备工作。将机器停止在水平位置上,首先检查燃油箱和冷却水箱,打开水箱盖,按手册要求加入适量的冷却水,盖上水箱盖,打开油箱盖,加入符合要求的燃油,燃油不要加得太满,盖上并拧紧油箱盖。第三章 小型便携式割灌机的机构设计3.1 发动机的选择发动机一般选用风冷二冲程,发动机怠速为3000r/min,输出功率为1.25kw,排量为40-50cc,油箱容量1.2升。发动机的工作原理如下:发动机气缸体上有三个孔,即进气孔、排气孔和换气孔,这三个孔分别在一定时刻由活塞关闭。其工作循环包含两个行程:1.第一行程:活塞自下止点向上移动,三个气孔同时被关闭后,进入气缸的混合气被压缩;在进气孔露出时,可燃混合气流入曲轴箱。2.第二冲程:活塞压缩到上止点附近时,火花塞点燃可燃混合气,燃气膨胀推动活塞下移作功。这时进气孔关闭,密闭在曲轴箱内的可燃混合气被压缩;当活塞接近下止点时排气孔开启,废气冲出;随后换气孔开启,受预压的可燃混合气冲人气缸,驱除废气,进行换气过程。如图7所示,是发动机的结构图:图7 发动机结构图3.2 离合器的设计选择 离合器位于发动机和变速箱之间的飞轮壳内,用螺钉将离合器总成固定在飞轮的后平面上,离合器的输出轴就是变速箱的输入轴。离合器类似于开关,接合或断离动力传递作用,离合器机构其主动部分与从动部分可以暂时分离,又可以逐渐接合,并且在传动过程中还要有可能相对转动。离合器的主动件与从动件之间不可采用刚性联系。离合器分为电磁离合器、磁粉离合器、摩擦式离合器和液力离合器。本次设计选择摩擦式离合器,其特点更符合本次设计的要求。如图8所示的摩擦式离合器:图8-1 摩擦式离合器图8-2 摩擦式离合器三视图(1)确定总体设计方案由于滑块为两块,而离合器允许外径偏小,考虑到便于布置零件,故采用压缩弹簧的形式,离心块与被动盘间隙取为1mm,满足要求且便于计算。滑块离心式摩擦离合器主要用于草坪机械。(2).确定离合器需要传递的扭距离合器安装轴转速=6000r/min根据公式,可得T工=9550=2.3875(Nm)Mf=(Nm)式中:1扭距储备系数,一般=1.2 2,此处取=1.2故Mf= =T工=1.22.3875=2.865(Nm)(2) .摩擦式离合器摩擦片参数与尺寸计算 摩擦盘工作面平均直径计算公式DP=(2.54)d 摩擦盘工作面外直径D1=1.25Dp,摩擦盘工作面内直径D2=0.75Dp 但经验算与校核,所取值不能满足条件,不能采用。因此,改取摩擦盘外直径D1=120mm,内直径D2=90mm由公式的DP=(D1+D2)=(120+90)=105mm摩擦盘宽度b=15mm摩擦面对数:m=1摩擦盘脱开时所需的间隙取1mm根据公式Tc=确定计算转矩。其中T为离合器理论转矩,可取最大工作转矩,即T=4.011N.m,K为离合器工况系数,根据机械设计手册6-222页表6-3-3查表,此处K取1.2Km为离合器接合频率系数,根据机械设计手册6-222页表6-3-4查表,Km取1KV为离合器滑动速度系数,根据公式m=(m/s) =32.97(m/s)根据机械设计手册6-222页表6-3-5查表,可得KV=0.924可得,Tc=5209(Ncm)压紧力:Q=,为摩擦面的摩擦系数,本设计采用黄铜,取0.17代入后Q=3830(N)许用传递转矩:应满足=(D12-D22)Tc其中pp为许用压强,根据机械设计手册6-232页表6-3-16查表,本设计取2040Ncm-2K1为摩擦片数修正系数,根据机械设计手册6-238页表6-3-20查表,取K1=1将参数代入公式得 =(122-92)10.510.17401=8828(Ncm) 因此可知,满足校核条件21。摩擦面压强:应满足p=pp将已知量代入公式可得p=37.44 Ncm-2根据机械设计手册6-232页表6-3-16查表,知许用压强为2040Ncm-2,所以符合。(3)摩擦式离合器圆柱螺旋压缩弹簧参数与尺寸计算1) 原始条件 最小工作载荷 P 1= 0 N 最大工作载荷 3830 N 工作行程 h = 8 mm 端部结构:端部并紧,磨平,两端支撑圈各一圈 弹簧材料:碳素弹簧钢丝 C 级2)参数计算 初算弹簧刚度 P : P = = = 478.75( N / mm) 工作极限载荷 ,故 =3830 N 弹簧材料直径 d 及弹簧中径 D 与有关参数 根据 与 D 条件从机械设计手册11-24 页表 11-2-19 查表得dDjPd104046152.9911543 有效圈数 n : n= 3.22 圈 按照机械设计手册11-17 页表 11-2-10 取标准值为 n=3.25 总圈数 : n1= n +2 = 3.25 + 2 = 5.25 圈 弹簧刚度 P : P= = 474.77 N / mm 工作极限载荷下的变形量 = n j= 3.25 2.991 = 9.72mm 9.7mm 节距 t : t =+d=+10= 12.98mm 自由高度 H0= 1.5d = 3.2512.98 + 1.510 = 57.2mm 根据机械设计手册11-17 页表 11-2-12 取标准值为 H0=58mm 弹簧外径 D2= D + d = 40 + 10 =50mm 弹簧内径 D1= D - d =40 +10= 30mm 螺旋角=5.8970 展开长度 L: L= 663.24mm3)验算 最小载荷时的高度: H1= H0-=58 -= 58mm 最大载荷时的高度: -=50mm 极限载荷时的高度: - 实际工作行程: h = H1- H n = 58 - 50 = 8mm 高径比: b =1.45 2.6 符合条件,不必进行稳定性验算。(4) 圆盘摩擦离合器轴用平键参数与尺寸计算1)摩擦盘用平键参数选择根据要求,离合器轴与摩擦片间连接采用平键连接。离合器主动摩擦盘安装轴直径为 20mm,查表选用以下尺寸的平键:轴的公称直径d键尺寸b*h键槽深度半径轴 t1毂 t2最小最大17226*63.52.80.160.25长度 L28 2)键连接的强度计算 其中 T:为转矩 T=52090N.mm D:轴的直径 D=20 mm k:键与轮毂的接触高度 k=2.8mm,即 t2, l:键的工作长度( mm),选用 B 型平键,l=L =28mm :许用挤压应力,按照机械设计手册5-227页表 5-3-17 查表得取 100120MPa 代入公式得 满足校核条件。 3)键连接的强度计算 根据题目要求,此处为平键的静联接,应用的计算公式为 其中 T:为转矩 T=52090Nmm D:轴的直径 D=25 mm k:键与轮毂的接触高度 k=3.3mm,即 t2, l:键的工作长度 mm,选用 B 型平键,l=L =28mm :许用挤压应力,按照机械设计手册5-227页表 5-3-17 查 表得取 100120MPa 代入公式得 满足校核条件。(4).圆盘摩擦离合器轴承参数与尺寸选用 此处轴承的作用是传递轴向力,因此选用推力球轴承。轴直径 d=25mm, 按照机械设计手册7-418 页表 7-2-94 查表,选用以下单向推力球轴承:基本尺寸/mmd25D42T11基本额定载荷/Ca15.2C0a30.2最小载荷常数A0.005极限转速r/min脂4300油6000质量 /kgW0.055轴承代号51000型51105其他尺寸/mmD126D142r0.6安装尺寸/mmda35Da32r a0.6 此型号推力球轴承满足离合器使用要求。(5).圆盘摩擦离合器其他参数与尺寸确定 垫片:根据离合器安装轴尺寸,查机械设计手册5-150 页表 5-1-157。选取平垫圈 C 级(GB/T952002)公称直径 d=12mm,外径 d2=24mm,内径 d1=13.5mm,厚度 h=2.5mm 螺栓:根据离合器安装轴尺寸,查机械设计手册5-86 页表 5-1-83 , 选取 M12 的螺栓。 3.3 传动轴的设计 传动轴是一个高转速、少支承的旋转体,因此它的动平衡是至关重要的。一般传动轴在出厂前都要进行动平衡试验,并在平衡机上进行了调整。对前置引擎后轮驱动的车来说是把变速器的转动传到主减速器的轴,它可以是好几节的,节与节之间可以由万向节连接。传动轴是由轴管、伸缩套和万向节组成。伸缩套能自动调节变速器与驱动桥之间距离的变化。万向节是保证变速器输出轴与驱动桥输入轴两轴线夹角的变化,并实现两轴的等角速传动。本文设计的小型便携式割灌机是以软轴传动的,由发动机输出,软轴传递到输出轴,进行工作头的。如图9所示为软轴与传动轴的结构图:图9-1 传动部分结构图 图9-2 传动部分三视图 3.4 减速器的设计计算 减速器在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用,在现代机械中应用极为广泛。减速器按用途可分为通用减速器和专用减速器两大类,两者的设计、制造和使用特点各不相同。选用减速器时应根据工作机的选用条件,技术参数,动力机的性能,经济性等因素,比较不同类型、品种减速器的外廓尺寸、传动效率、承载能力、质量、价格等,选择最适合的减速器。减速器是一种相对精密的机械,使用它的目的是降低转速,增加转矩。本次设计所使用的减速器为锥齿轮减速器,由于工作要求的不同,锥齿轮传动可设计成不同的形式。而这次设计的小型便携式割灌机使用的是最常用的轴交角的标准直齿锥齿轮传动的强度计算19。 (一)设计参数 直齿锥齿轮传动是以大端参数为标准值的。在强度计算时,则以齿宽中点处的当量齿轮作为计算的依据。对轴交角的直齿锥齿轮传动,其齿数比u、锥距R(图10-1)、分度圆直径、平均分度圆直径、当量齿轮的分度圆直径、之间的关系分别为图10-1 直齿锥齿轮传动的几何参数 (a)大、小齿轮均选用45钢,选用8级精度,选取=16,=22,则u=1.375, (b)计算得 (c)令,称为锥齿轮传动的齿宽系数,通常取,最常用的值为。于是 (d)计算得 由图10可找出当量直齿圆柱齿轮的分度圆半径与平均分度圆直径的关系式为 (e)现以表示当量直齿圆柱齿轮的模数,亦即锥齿轮平均分度圆上齿轮的模数(简称平均模数),则当量齿数为 (f)当量齿轮的齿数比 (g)显然,为使锥齿轮不致发生根切,应使当量齿数不小于直齿圆柱齿轮的根切齿数。另外,由式(d)极易得出平均模数和大端模数m的关系为 (h)计算得顶隙:c=c*me=0.21=0.2mm大端齿顶高:ha1=(1+x1)me=(1+0.18)1=1.18mm,ha2=0.82mm大端齿根高:hf1=(1+c*-x1)me=(1+0.2-0.18)1=1.02mm hf2=(1+c*-x2)me=(1+0.2+0.18)1=1.38mm全齿高:h=(2+c*)me=(2+0.2)1=2.2mm齿根角:f1=4.288840 f2=5.793580齿顶角:a1=f2=5.793580,a2=f1=4.288840顶锥角:36.027370+5.793580=41.820950 53.972630+4.288840=58.261470根锥角:36.027370-4.288840=31.738530 -53.972630-5.793580=48.179050大端齿顶圆直径:16+21.180.808736=17.909mm 22+20.820.588171=22.965mm当量齿数:19.784mm,37.404mm当量齿轮分度圆直径:dv1=dm1=16.875mm, dv2=u2dv1=31.904mm当量齿轮根圆直径:dvb1=dv1cos=15.857mm,dvb2=dv2cos=29.980mm当量齿轮传动中心距:av=24.390mm (二)轮齿的受力分析直齿锥齿轮齿面上所受的法向载荷通常都视为集中作用在平均分度圆上,即在齿宽中点法向截面(Pabc平面)内。与圆柱齿轮一样,将法向载荷分解为切于分度圆锥面的周向分力(圆周力)及垂直于分度圆锥母线的分力,再将力分解为径向分力及轴向分力。小锥齿轮轮齿上所受各力的方向如图10-2所示,各力的大小分别为图10-2 直齿锥齿轮的轮齿受力分析式中,与及与大小相等,方向相反。 (三)齿根弯曲疲劳强度计算直齿锥齿轮的弯曲疲劳强度可近似地按平均分度圆处的当量圆柱齿轮进行计算。因而可直接沿用式得直齿锥齿轮的载荷系数同样为,其中使用系数可查表得到,取;动载系数可按图10-3中低一级的精度线 动载系数值齿尖载荷分配系数及可取为1;齿向载荷分布系数可按下式计算式中,是轴承系数,可从图10-4中查取。引入式(h),得 (1)KA=1.25;=1.16;1.65;1.0;Ft=350N、分别为齿形系数及应力校正系数,按当量齿轮查图10-5。应 用小轮和大轮的支承两者都是两端轴承一个两端支承一个轴臂两者都是悬臂飞机1.001.101.25车辆1.001.101.25工业用、船舶用1.101.251.50图10-4 轴承系数22.972.912.852.802.762.721.521.531.541.551.561..692.652.622.602.572.551.5751.581.591.5951.601.61图10-5 齿形系数及应力校正系数引入式(b),得并将代入上式可得 (2)式(1)为设计计算公式;式(2)为校核计算公式。两式中、的单位为,m的单位为mm,其余各符号的意义和单位同前。(四)齿面接触疲劳强度计算直齿锥齿轮的齿面接触疲劳强度,仍按平均分度圆处的当量圆柱齿轮计算,工作齿即为锥齿轮的宽度b。按式计算齿面接触疲劳强度时,式中的综合曲率为得 (j)将式(j)即,等代入下式,并令接触线长度,得对的直齿锥齿轮,于是可得 (3) (4)式(3)为设计计算公式;式(4)为校核计算公式。两式中、的单位为,m的单位为mm,其余各符号的意义和单位同前。复合齿形系数:YFS1=4.5;YFS2=4.45,重合度系数:=0.25+=0.71,锥齿轮系数:YK=1载荷分配系数:YLS=1齿根弯曲应力计算值:784N/mm2 775N/mm2齿根许用弯曲应力:,齿根抗弯疲劳强度基本值:,寿命系数:,长期工作,取为无限寿命设计相对齿根圆角敏感系数:相对齿根表面状况系数:尺寸系数:1最小安全系数:许用弯曲应力值:857N/mm2齿根弯曲强度校核结果:;通过 (五)曲齿锥齿轮传动较之前锥齿轮传动具有重合度大、承载能力高、传动效率高、传动平稳、噪声小等优点,因而获得了日益广泛的应用。减速器的基本结构有三大部分:1、 齿轮、轴及轴承组合 :小齿轮与轴制成一体,称齿轮轴,这种结构用于齿轮直径与轴的直径相关不大的情况下,如果轴的直径为d,齿轮齿根圆的直径为df,则当df-d67mn时,应采用这种结构。而当df-d67mn时,采用齿轮与轴分开为两个零件的结构,如低速轴与大齿轮。此时齿轮与轴的周向固定平键联接,轴上零件利用轴肩、轴套和轴承盖作轴向固定。轴承是利用齿轮旋转时溅起的稀油,进行润滑。箱座中油池的润滑油,被旋转的齿轮溅起飞溅到箱盖的内壁上,沿内壁流到分箱面坡口后,通过导油槽流入轴承。当浸油齿轮圆周速度2m/s时,应采用润滑脂润滑轴承,为避免可能溅起的稀油冲掉润滑脂,可采用挡油环将其分开。为防止润滑油流失和外界灰尘进入箱内,在轴承端盖和外伸轴之间装有密封元件。2、 箱体:箱体是减速器的重要组成部件。它是传动零件的基座,应具有足够的强度和刚度。箱体通常用灰铸铁制造,对于重载或有冲击载荷的减速器也可以采用铸钢箱体。单体生产的减速器,为了简化工艺、降低成本,可采用钢板焊接的箱体。灰铸铁具有很好的铸造性能和减振性能。为了便于轴系部件的安装和拆卸,箱体制成沿轴心线水平剖分式。上箱盖和下箱体用螺栓联接成一体。轴承座的联接螺栓应尽量靠近轴承座孔,而轴承座旁的凸台,应具有足够的承托面,以便放置联接螺栓,并保证旋紧螺栓时需要的扳手空间。3、 减速器附件:为了保证减速器的正常工作,除了对齿轮、轴、轴承组合和箱体的结构设计给予足够的重视外,还应考虑到为减速器润滑油池注油、排油、检查油面高度、加工及拆装检修时箱盖与箱座的精确定位、吊装等辅助零件和部件的合理选择和设计。如图11所示为锥齿轮轴:图11 锥齿轮轴 3.5 小型便携式割灌机工作头的设计 本文研究的小型便携式割灌机可用三角刀片,尼龙丝等进行切割,将其安装在工作头上便可进行工作,刀片转速3000r/min,切割直径4cm以内的灌木、杂草。如图12所示:图12-1 刀片图12-2-1 工作头3D图图12-2-2 工作头三视图3.6 小型便携式割灌机把手的设计本文研究了手柄的宽度、握持点的空间位置对最大水平操作力的影响。因为在林地作业时, 当锯片切割灌木时, 需要较大的水平操作力, 水平操作力的大小直接影响作业时的身体平衡。如果操作力过大会导致失衡而引起跌倒, 特别是在噪声、振动、热负荷以及重量负荷的综合作用下, 的平衡功能会受到影响。如果有较大的横向水平力作用于身体, 其跌倒潜在危险性会增加。因此, 以减少水平操作力为目的的手柄与操作者的人机几何关系研究具有重要的意义20。 手柄宽度、前后距离以及握持高度对操作力都有显著的影响, 并且手柄宽度、前后距离与握持高度具有显著的交互作用。因此, 小型便携式割灌机前后把手的人机界面参数的合理化直接影响操作力,对操作者的疲劳、稳定性、安全性以及作业效率产生影响21。如图13所示左右把手图:图13-1 左右把手图13-2 U型手柄三视图3.7 背架、后盖及机架的设计 背架是承载割灌机的重要载体,操作者通过背架能更方便的携带割灌机并高效的进行作业,背架还有固定机具,减震防震的效果22。如图14所示为此次设计的背负背架: 图14-1 背负背架图14-2 背负背架三视图 机壳是本次设计的小型便携式割灌机的重要组成部分,不但起着固定保护机体的作用,还要考虑到发动机工作时的散热问题,如图15所示为本次设计的机壳部分: 图15-1 机壳 图15-2 后盖 机架位于整个设计的底端,有着不可替代的作用,它固定着整个机体,又承载着整机的重力,保护着油箱13,如图16所示为本次设计的机架:图16-1 机架图16-2 机架三视图3.8 小型便携式割灌机的减振降噪措施 小型便携式割灌机虽然工作灵巧、方便,但相对的也会产生噪声,对操作者有较大影响,高速运转的传动件所产生的机械噪声是整机的主要噪声源之一。长期在恶劣的噪声环境中工作会导致职业性耳聋,并且在4KHz附近容易产生听力损伤,这是职业性耳聋的特点,所以割灌机工作时应尽量防止噪声过大,并使用消音器3。第四章 小型便携式割灌机的计算校核(1) 确定离合器需要传递的扭矩由最大输出扭矩为5209,b1扭矩储备系数,故发动机最大输出扭矩。(2) 初定结合转速: 因结合转速 这里系数取1.25,由发动机怠速 计算得(3) 确定离合器结构形式: 由初始给定数据条件,离心块数量为2,即Z=2;确定被动盘直径D=120mm,壁厚取2mm,离合器离心块与被动盘间隙,因摩擦配合为石棉石棉,石棉厚度取为4mm,则被动盘半径R=60-2-6-1=51mm; 由离心块质心半径选取范围,再结合初步确定的离心块结构和形状,初步选r=45mm;离心块与被动盘材料均选45号钢,由于摩擦配合为石棉石棉,故离心块与被动盘结合面均贴一层石棉,摩擦系数f选为0.5.(4) 初定离心块质量: 离心块质量须满足两个条件: 结合转速时式中:结合转速n2时离心块产生的离心力;弹簧对离心块张紧力的径向分力;结合转速n2时的角速度

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