廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué) 劉震

前言

新時(shí)期發(fā)展背景下，人們對(duì)于生態(tài)綠化的要求越來(lái)越高，草坪割草機(jī)逐漸成為綠化管理中使用的主要器械，且市場(chǎng)需求逐年提升。為進(jìn)一步提高草坪割草機(jī)的運(yùn)行效果與質(zhì)量，需要結(jié)合實(shí)際需求對(duì)草坪割草機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，而高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是草坪割草機(jī)中十分關(guān)鍵的部件結(jié)構(gòu)，能夠?qū)Σ萜焊畈輽C(jī)的運(yùn)行質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響效果。因此，需要對(duì)高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)的研究，對(duì)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行調(diào)整變動(dòng)，這樣才能保證草坪割草機(jī)符合人們的使用需求。

1 草坪割草機(jī)概述

草坪割草機(jī)是城市園林綠化中常使用的器械之一，其結(jié)構(gòu)形式一般為旋刀式，刀片在高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下切斷草莖，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)草坪高度和形狀的有效管理控制。割草機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以罩殼為基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上安裝有高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、行走裝置、扶手結(jié)構(gòu)以及動(dòng)力系統(tǒng)等?；诓煌瑒澐謽?biāo)準(zhǔn)可將草坪割草機(jī)分成多種不同形式，如以發(fā)動(dòng)機(jī)劃分，可分成電動(dòng)發(fā)電機(jī)式和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)式[1]；以形狀劃分可分，成轉(zhuǎn)盤(pán)式和滾筒式；以割草方式劃分，可分成旋轉(zhuǎn)式和往復(fù)式等，部分小型草坪割草機(jī)還可以分成側(cè)掛式和懸掛式。草坪割草機(jī)在使用期間需要滿足不同高度草坪的切割需求，在對(duì)高度進(jìn)行調(diào)節(jié)變動(dòng)的過(guò)程中，割刀的旋轉(zhuǎn)面應(yīng)與地面之間保持平行狀態(tài)，這樣才能保證草坪割草機(jī)的作業(yè)質(zhì)量。

2 草坪割草機(jī)高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)分析

對(duì)現(xiàn)階段比較常見(jiàn)的草坪割草機(jī)進(jìn)行分析，其高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要分成兩個(gè)種類(lèi)，第一種是前輪和后輪同時(shí)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的四連桿式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中具有調(diào)節(jié)操作簡(jiǎn)單便捷、整體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)效率較快等特點(diǎn)，是現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛的種類(lèi)。但是需要注意，其在應(yīng)用過(guò)程中同樣存在一定的問(wèn)題與缺陷，如四連桿參數(shù)的選擇以及設(shè)計(jì)優(yōu)化相對(duì)比較復(fù)雜，需要對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)設(shè)定，在保證參數(shù)合理性的基礎(chǔ)上才能夠保證草坪割草機(jī)的作業(yè)質(zhì)量。第二種是前輪和后輪獨(dú)立運(yùn)行與高度調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)，其在應(yīng)用中能夠保證割刀的旋轉(zhuǎn)面與地面之間具有較高水平的平行效果，但是單個(gè)機(jī)器中的高度調(diào)節(jié)裝置的數(shù)量相對(duì)較多，調(diào)節(jié)操作流程較為復(fù)雜。

3 草坪割草機(jī)高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)作業(yè)質(zhì)量影響分析

對(duì)現(xiàn)階段市場(chǎng)中常見(jiàn)的草坪割草機(jī)進(jìn)行分析能夠發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)割草機(jī)都是四連桿式。因此，本研究主要對(duì)四連桿式的草坪割草機(jī)中的高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，具體構(gòu)造如圖1 所示。

圖1 四連桿式草坪割草機(jī)高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)構(gòu)造圖

其中，1 代表前輪；2 代表前輪擺臂；3 代表連桿；4代表傳動(dòng)軸及割刀；5 代表發(fā)動(dòng)機(jī)裝置；6 代表后輪擺臂；7 代表機(jī)器罩殼；8 代表后輪。高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的固定鉸接支撐點(diǎn)在機(jī)器罩殼上固定，能夠圍繞軸心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行，即圖1 中的O1和O2兩個(gè)點(diǎn)。將調(diào)節(jié)手柄搬動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致后輪擺臂以O(shè)2點(diǎn)為軸心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，并在連桿和活動(dòng)鉸接點(diǎn)的作用下驅(qū)使前輪擺臂以O(shè)1為軸心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，以此保證草坪割草機(jī)的前后輪與地面之間的高度保持相同狀態(tài)。機(jī)器罩殼上的O1和O2點(diǎn)的高度會(huì)隨著調(diào)節(jié)變動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)高度的有效調(diào)節(jié)。圖中的O1、O2、S、K1、K2共同構(gòu)成四連桿調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

在研究過(guò)程中對(duì)地面約束的影響效果進(jìn)行忽略設(shè)計(jì)，需要保證P1和P2提升和降落高度相同。如果在調(diào)節(jié)的過(guò)程中未能選擇最為合適的參數(shù)，則會(huì)導(dǎo)致兩點(diǎn)之間的變化高度具有較大的差異性，使得割草機(jī)割刀的旋轉(zhuǎn)面與地面之間無(wú)法保持平行狀態(tài)，以此對(duì)草坪割草機(jī)的作業(yè)質(zhì)量和效率造成一定的負(fù)面影響[2]。割刀的旋轉(zhuǎn)面與地面之間的不平行情況有兩種，分別為前傾和后傾。

當(dāng)草坪割草機(jī)割刀的旋轉(zhuǎn)面處于前傾狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)的割草效果的橫截面如圖2（a）所示，整體呈現(xiàn)出比較明顯的凹陷波浪狀；草坪割草機(jī)割刀的旋轉(zhuǎn)面處于后傾狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)的割草效果的橫截面如圖2（b）所示，其整體呈現(xiàn)出比較明顯的凸起波浪狀。

圖2 草坪割草機(jī)前傾與后傾割草效果截面圖

對(duì)割刀前傾與后傾產(chǎn)生的局部高度差進(jìn)行計(jì)算分析，具體公式如下：△h=rsinθ

其中，△h 代表了最大高度差；r 代表割刀旋轉(zhuǎn)面的半徑；θ 代表割刀的旋轉(zhuǎn)面與地面之間的傾斜角。

通過(guò)公式能夠發(fā)現(xiàn)，傾斜角的數(shù)值越大，對(duì)應(yīng)的最大高度差值越大，草坪割草機(jī)的作業(yè)質(zhì)量越低。與此同時(shí)，對(duì)割刀的旋轉(zhuǎn)面處于后傾狀態(tài)進(jìn)行分析能夠發(fā)現(xiàn)，在割草機(jī)運(yùn)行期間會(huì)導(dǎo)致重復(fù)切割以及壓實(shí)等現(xiàn)象發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致草坪割草機(jī)運(yùn)行的前進(jìn)阻力以及割刀作業(yè)阻力大幅度增加，提高了能源消耗量[3]。傾斜角數(shù)值越大，對(duì)應(yīng)的壓實(shí)效果越明顯。

因此，對(duì)草坪割草機(jī)的高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)確保各項(xiàng)參數(shù)均處于合理范圍內(nèi)，使其能夠基于草坪割草機(jī)使用需求對(duì)參數(shù)進(jìn)行有效調(diào)節(jié)控制，將割刀的旋轉(zhuǎn)面與地面之間的傾斜角控制在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，即在高度調(diào)節(jié)的過(guò)程中將前輪與后輪的中心變化高度差科學(xué)設(shè)計(jì)，這樣才能夠保證草坪割草機(jī)最終的作業(yè)質(zhì)量與效果。

4 草坪割草機(jī)高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

在對(duì)草坪割草機(jī)的高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)建立坐標(biāo)系與函數(shù)的方法對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)分析，以圖1 中的O1和O2兩點(diǎn)作為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，通過(guò)函數(shù)轉(zhuǎn)換與計(jì)算能夠得到草坪割草機(jī)的前輪和后輪的高度變化情況。經(jīng)過(guò)函數(shù)計(jì)算分析后能夠得知，在規(guī)定范圍區(qū)間對(duì)高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，草坪割草機(jī)的后輪中心高度的差值與高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中的各項(xiàng)幾何尺寸之間具有多元高次函數(shù)的關(guān)系，此時(shí)的高度調(diào)節(jié)范圍會(huì)依據(jù)草坪割草機(jī)的具體情況處于一個(gè)規(guī)定范圍之間，而草坪割草機(jī)的割刀旋轉(zhuǎn)面與地面之間始終處于不平行的狀態(tài)[4]。

基于上述研究?jī)?nèi)容能夠得知，在對(duì)草坪割草機(jī)的高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，始終無(wú)法徹底消除不平行狀態(tài)對(duì)草坪割草機(jī)運(yùn)行質(zhì)量的負(fù)面影響，因此只能對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)草坪割草機(jī)的割刀旋轉(zhuǎn)面的傾斜角進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，以此降低其對(duì)于草坪割草機(jī)運(yùn)行作業(yè)質(zhì)量的影響干擾效果。

通過(guò)本研究能夠發(fā)現(xiàn)，四連桿式的草坪割草機(jī)的高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)具有多維度的約束條件，可將其視為一種給定函數(shù)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中可利用計(jì)算機(jī)編程方法進(jìn)行，其與傳統(tǒng)的作圖法或者人工試算方法相比具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，在設(shè)計(jì)時(shí)間和效率等方面具有良好效果[5]。具體優(yōu)化設(shè)計(jì)流程可以依據(jù)以下步驟開(kāi)展：

第一步，確定約束條件以及約束變量的初始數(shù)值，明確計(jì)算步長(zhǎng)與函數(shù)。第二步，利用多維度約束優(yōu)化算法，在專(zhuān)門(mén)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)中對(duì)相關(guān)參數(shù)之間的具體關(guān)系進(jìn)行計(jì)算分析。第三步，對(duì)計(jì)算分析的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷分析，將其與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比。依據(jù)不同計(jì)算結(jié)果能夠得到不同的設(shè)計(jì)流程，如果計(jì)算結(jié)果小于或等于標(biāo)準(zhǔn)值，則代表高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足約束條件，能夠?qū)⑵鋺?yīng)用到草坪割草機(jī)高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)工作中，此時(shí)結(jié)束計(jì)算。如果計(jì)算結(jié)果大于標(biāo)準(zhǔn)值，則繼續(xù)計(jì)算并改變函數(shù)值，并轉(zhuǎn)回到第二步流程進(jìn)行充分計(jì)算分析，直至滿足計(jì)算結(jié)果小于或等于標(biāo)準(zhǔn)值的條件后停止計(jì)算。

5 草坪割草機(jī)高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例分析

在對(duì)草坪割草機(jī)的高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循以下思想原則：（1）安全性，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該始終把安全性放在首位，確保設(shè)計(jì)的割草機(jī)既能夠滿足使用者的需求，又不會(huì)對(duì)使用者造成傷害。（2）可靠性，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注重割草機(jī)的可靠性，確保割草機(jī)能夠長(zhǎng)時(shí)間地穩(wěn)定運(yùn)行，并且不會(huì)出現(xiàn)故障或者安全隱患。（3）效率性，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注重割草機(jī)的效率性，確保割草機(jī)能夠以最少的時(shí)間完成最多的工作，從而提高工作效率。

在綜合研究后，本文對(duì)一種新型草坪割草機(jī)的高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，其在實(shí)際應(yīng)用中有效解決了草坪割草機(jī)高度調(diào)節(jié)裝置難以實(shí)現(xiàn)完全水平同步提升以及工作過(guò)程晃動(dòng)的問(wèn)題，具有調(diào)節(jié)精度較高、同步性能良好、裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及調(diào)節(jié)操作方便快捷等優(yōu)點(diǎn)[6]。通過(guò)割草高度同步調(diào)節(jié)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)移動(dòng)，具有良好的應(yīng)用效果。具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3 一種新型草坪割草機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

其中，1 代表割草機(jī)底盤(pán)；2 代表割草刀盤(pán)；3 代表割草電機(jī)；4 代表壓縮左自鎖型氣彈簧；5 代表壓縮右自鎖型氣彈簧；6 代表自鎖頭；7 代表橫梁結(jié)構(gòu)；8 代表壓桿裝置；9 代表割草機(jī)的旋轉(zhuǎn)刀片。

該草坪割草機(jī)具有自動(dòng)式的割草運(yùn)行系統(tǒng)，其高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要包括左右自鎖型的氣彈簧、起到固定作用的割草電機(jī)橫梁以及進(jìn)行高度調(diào)節(jié)的壓桿結(jié)構(gòu)[7]。其中左右自鎖型的氣彈簧固定在割草機(jī)的底盤(pán)，橫梁設(shè)置在左右自鎖型的氣彈簧的活塞桿的端部位置，左右自鎖型的氣彈簧的自鎖鎖頭向上伸出橫梁，在橫梁的上方位置設(shè)置有壓桿機(jī)構(gòu)，左右方設(shè)置有導(dǎo)向柱，壓桿與導(dǎo)向柱之間具有通孔設(shè)置，導(dǎo)向柱通過(guò)通孔能夠控制壓桿與橫梁連接，壓桿的地面會(huì)壓在左右自鎖型的氣彈簧的自鎖頭，壓桿在導(dǎo)向柱上進(jìn)行自由的活動(dòng)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次研究能夠得出以下結(jié)論：草坪割草機(jī)中的高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)于整個(gè)機(jī)器的運(yùn)行效果與質(zhì)量具有顯著的影響作用，因此需要對(duì)其重點(diǎn)關(guān)注與研究。高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中的參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，還會(huì)導(dǎo)致草坪割草機(jī)的作業(yè)成本受到一定的影響?，F(xiàn)階段比較常見(jiàn)的草坪割草機(jī)為四連桿式，此種類(lèi)型的草坪割草機(jī)的高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)和高度變化之間具有一定的關(guān)聯(lián)性，經(jīng)過(guò)分析后能夠發(fā)現(xiàn)兩者之間屬于高次多元函數(shù)關(guān)系，在對(duì)高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)可以此為基礎(chǔ)，對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)處理，從而得到更加精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)草坪割草機(jī)高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)效率的提升。