摘要：為解決隨進(jìn)式起草皮機(jī)工作時(shí)草皮根部切割不規(guī)整導(dǎo)致的草皮移植存活率低、起草皮工作效率低的突出問(wèn)題，研發(fā)設(shè)計(jì)一種基于振動(dòng)機(jī)理的隨進(jìn)式起草皮機(jī)。通過(guò)分析草皮根部切割機(jī)理，設(shè)計(jì)由振動(dòng)部件、起皮刀具和起皮刀具升降機(jī)構(gòu)等核心部件組成的振動(dòng)起草皮裝置，并對(duì)該裝置進(jìn)行模態(tài)和諧響應(yīng)分析，獲取其固有特性、響應(yīng)特性和受激振力最大的關(guān)鍵零部件形變和應(yīng)力分布。結(jié)果表明：隨進(jìn)式起草皮機(jī)在動(dòng)力源常用工作頻率33.3 Hz激勵(lì)下，振動(dòng)部件最大形變的仿真位移為0.246 63 mm，試驗(yàn)位移為0.278 3 mm，誤差率為11.38%。相同工況下，起草皮機(jī)改進(jìn)后的工作效率提高6.8%，晾置5天平均移植存活率提高2.5%，晾置7天平均移植存活率提高4.2%。為振動(dòng)起草皮裝置的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和改進(jìn)方向。

關(guān)鍵詞：隨進(jìn)式起草皮機(jī)；起皮機(jī)理；模態(tài)分析；諧響應(yīng)分析

中圖分類號(hào)：S776.24+6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：20955553 （2024） 070048

07

Study on vibrating sod cutting device of pedestrian-controlled lawn sod cutter

Li Huaiyong1， 2， Chen Zhong1， 2， Qian Weimin1， 2， Bu Qinghui1， 2

（1. Faculty of Mechanical amp; Material Engineering， Huaiyin Institute of Technology， Huai’an， 223003， China；

2. Jiangsu Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology， Huai’an， 223003， China）

Abstract：

In order to solve the outstanding problems such as low survival rate of sod transplantation and low working efficiency for sod cutting caused by irregular cutting of sod root， a pedestrian-controlled lawn sod cutter based on vibration mechanism is developed and designed. The cutting mechanism of sod root is analyzed， a vibrating sod cutting device composed of core components such as vibration components， sod cutter and lifting mechanism of peeling tools is designed， modal and harmonic response analysis on the device are carried out to obtain its inherent characteristics， response characteristics and the deformation and stress distribution of the key components with the largest excitation force. It is obtained that the maximum response simulation displacement of the vibrating parts is 0.246 63 mm， the test displacement is 0.278 3 mm， and the error rate is 11.38% under the excitation of 33.3 Hz， the common working frequency of the power source. Under the same working conditions， the working efficiency of the improved leather drafting machine is increased by 6.8%， the average transplant survival rate of 5 days after drying is increased by 2.5%， and the average transplant survival rate of 7 days after drying is increased by 4.2%. It provides theoretical basis and improvement direction for further optimization design of vibration drafting device.

Keywords：

pedestrian-controlled lawn sod cutter; sod cutting mechanism; modal analysis; harmonic response analysis

0 引言

建設(shè)人與自然和諧共生的現(xiàn)代化，必須把保護(hù)城市生態(tài)環(huán)境擺在更加突出的位置。作為提升宜居生活環(huán)境舒適度的一種經(jīng)濟(jì)有效措施，城市綠化既要“好看”也要“健康”已成為許多城市的綠化共識(shí)［1］。草坪作為不可缺少的綠地景觀之一，既有綠化美化功能，又有休閑休憩等公用服務(wù)功能，在城市綠化建設(shè)中占有重要地位。在城市化進(jìn)程不斷加速、綠化標(biāo)準(zhǔn)不斷提高的發(fā)展過(guò)程中，草坪已廣泛滲入到環(huán)境保護(hù)、城市建設(shè)、園林綠化、體育運(yùn)動(dòng)、休閑娛樂(lè)、水土保持等各個(gè)領(lǐng)域［24］。

早在20世紀(jì)初期，西方國(guó)家就已開始在園林綠化的繁重作業(yè)中應(yīng)用機(jī)械。

我國(guó)草坪機(jī)械設(shè)備的發(fā)展起始于20世紀(jì)70年代后期，發(fā)展緩慢。直到90年代，隨著城市園林綠化規(guī)模的迅速擴(kuò)大和草坪業(yè)的快速崛起，草坪機(jī)械才開始進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期［5］。經(jīng)過(guò)近30年的高速發(fā)展，我國(guó)的草坪機(jī)械使用量年均增長(zhǎng)率為30%，草坪機(jī)械的年銷售總額為1.2×108～1.3×108元左右。我國(guó)草坪機(jī)械的市場(chǎng)應(yīng)用前景非常廣闊。

為解決隨進(jìn)式起草皮機(jī)工作時(shí)，草皮根部切割不規(guī)整導(dǎo)致的草皮移植存活率低、起草皮工作效率低的突出問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種基于振動(dòng)機(jī)理的隨進(jìn)式起草皮機(jī)。闡述起草皮機(jī)工作機(jī)理，設(shè)計(jì)由振動(dòng)部件、起皮刀具和起皮刀具升降機(jī)構(gòu)等核心部件組成的振動(dòng)起草皮裝置，分析整機(jī)環(huán)境下振動(dòng)起草皮裝置的動(dòng)態(tài)特性。并在相同工況下，開展隨進(jìn)式起草皮機(jī)改進(jìn)前與改進(jìn)后的整機(jī)工作性能和作業(yè)成效試驗(yàn)，驗(yàn)證整機(jī)改進(jìn)的合理性。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

草皮是指草地上可以剝離并可以移植他處生長(zhǎng)成草坪的前期產(chǎn)品，是由草坪草的葉、莖、根和附帶的土壤構(gòu)成。待成坪后鏟起，卷成草皮卷，運(yùn)至工地鋪設(shè)美化環(huán)境［6， 7］。如今現(xiàn)代城市里有大量的公園、花園以及體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所綠化草坪需要定期維護(hù)和翻修管理。起草皮機(jī)作為草坪養(yǎng)護(hù)的一種園林機(jī)械［8］，將種植在草坪基地的草皮切割成一定寬度、一定長(zhǎng)度、一定厚度的草皮塊或草皮卷，供城市美化綠化建立草坪的機(jī)具［9］。起草皮機(jī)的使用大大提高了作業(yè)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，有利于草皮的商品化和運(yùn)輸，已成為園林機(jī)械不可或缺的工具之一［10］。隨著國(guó)家堅(jiān)定不移走生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展之路，投資者越來(lái)越關(guān)注和重視起草皮機(jī)市場(chǎng)，產(chǎn)品產(chǎn)銷持續(xù)增長(zhǎng)。

起草皮機(jī)主要由動(dòng)力源、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、起草皮裝置和底盤組成，如圖1所示。

動(dòng)力源提供起草皮機(jī)工作動(dòng)力。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)不同齒輪的嚙合降低動(dòng)力源輸出的轉(zhuǎn)速、增加驅(qū)動(dòng)力矩，然后將動(dòng)力傳遞給所需機(jī)構(gòu)。起草皮裝置用于起草皮，其作業(yè)性能決定了起草皮機(jī)的工作性能，為起草皮機(jī)的核心部件。底盤為用于支承和安裝動(dòng)力源、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、起草皮裝置及其各零部件的總成，形成起草皮機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，接受動(dòng)力源的動(dòng)力，使起草皮機(jī)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，保證正常行駛。

目前常用的起草皮作業(yè)多采用小型手扶隨進(jìn)式起草皮機(jī)進(jìn)行起草，然后人工手動(dòng)成卷［1113］，用于減少起草皮過(guò)程對(duì)草皮的傷害。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式主要為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)通過(guò)傳動(dòng)皮帶驅(qū)動(dòng)變速箱內(nèi)多級(jí)齒輪相互嚙合，將驅(qū)動(dòng)力傳遞到起草皮機(jī)左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上，實(shí)現(xiàn)起草皮機(jī)的向前運(yùn)動(dòng)。起草皮裝置固定在齒輪箱上，下端固聯(lián)起草皮刀。起草皮機(jī)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪前進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力帶動(dòng)起草皮刀向前運(yùn)動(dòng)，切割草皮根部，將草皮和生長(zhǎng)土壤分離，實(shí)現(xiàn)起草皮的工作［14］。然而隨著草坪業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，對(duì)草皮移植的工作效率和草皮移植后的存活率有了更高的要求，該機(jī)工作時(shí)，起草皮刀依靠起草皮機(jī)驅(qū)動(dòng)輪前進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，刀具與土壤之間阻力較大，影響了起草皮機(jī)的前進(jìn)速度進(jìn)而降低了起草皮機(jī)的工作效率，并在較大阻力下，起草皮刀易磨損，草皮根部切割不規(guī)整，降低了起草皮效率、影響了起草皮工期、且草皮移植鋪設(shè)后存活率低，造成后期管理時(shí)需要對(duì)綠化場(chǎng)所枯死的草皮重新補(bǔ)種，增加綠化維護(hù)成本，降低了產(chǎn)品市場(chǎng)占有率和客戶滿意度。

為克服現(xiàn)有產(chǎn)品存在的上述缺陷，改進(jìn)起草皮機(jī)起草皮的工作方式，企業(yè)在原有產(chǎn)品前向驅(qū)動(dòng)起草皮裝置的工藝基礎(chǔ)上增加激振源，研發(fā)設(shè)計(jì)了具有振動(dòng)起草皮裝置的隨進(jìn)式起草皮機(jī)。工作原理如圖2所示。

隨進(jìn)式起草皮機(jī)的起草皮裝置上端固定在位于齒輪箱左右側(cè)板上端的立板上，下端與起草皮刀固聯(lián)，起草皮刀附近的起草皮裝置下部（即搖桿下部）與具有激振器的曲柄連桿機(jī)構(gòu)鉸接，激振器（即一對(duì)偏心塊）套裝固定在位于齒輪箱下部的傳動(dòng)軸上。工作時(shí)，扳動(dòng)離合手柄，使汽油機(jī)的動(dòng)力通過(guò)離合機(jī)構(gòu)的接合傳遞給驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)起草皮機(jī)向前運(yùn)動(dòng)。扳動(dòng)起草皮刀操縱手柄，放下起草皮刀到合適的位置，汽油機(jī)的動(dòng)力通過(guò)多級(jí)齒輪嚙合帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)偏心塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生慣性力，作用在傳動(dòng)軸上形成激振源，通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)起草皮刀兩側(cè)縱向刀刃振動(dòng)切割，形成切下的草皮寬度，底刀刃橫向振動(dòng)切割，形成切下的草皮厚度［15］。起草皮完成后，扳動(dòng)起草皮機(jī)操縱手柄，斷開動(dòng)力源，抬高起草皮裝置，結(jié)束工作。隨進(jìn)式起草皮機(jī)工作機(jī)理如圖2所示。

2 振動(dòng)起草皮裝置組成

本文的隨進(jìn)式起草皮機(jī)振動(dòng)起草皮裝置主要由振動(dòng)部件、起草皮刀和起草皮刀升降機(jī)構(gòu)三部分組成。工作時(shí)通過(guò)各部件之間的相互協(xié)作配合來(lái)完成該裝置的起草皮動(dòng)作，振動(dòng)起草皮裝置在隨進(jìn)式起草皮機(jī)中的位置如圖3所示。

2.1 振動(dòng)部件

該裝置振動(dòng)部件主要由傳動(dòng)軸、偏心塊和曲柄連桿機(jī)構(gòu)組成。偏心塊固定套裝在傳動(dòng)軸上，傳動(dòng)軸兩端固定在齒輪箱左右側(cè)板的下部。起草皮機(jī)動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸上的偏心塊旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生慣性力，施加于傳動(dòng)軸的徑向，使傳動(dòng)軸產(chǎn)生周期性的振動(dòng)，該振動(dòng)通過(guò)與之鉸接的曲柄連桿機(jī)構(gòu)傳給起草皮刀升降機(jī)構(gòu)中的搖桿，然后傳給與搖桿下端固聯(lián)的起草皮刀，形成起草皮刀的激振動(dòng)力源。

2.2 起草皮刀

該裝置起草皮刀是用切割的方法將草皮和生長(zhǎng)土壤分離。主要由底刀架、左側(cè)板、右側(cè)板和可拆卸式月牙弧型刃板、月牙弧型壓板和螺栓組成。左、右側(cè)板底部磨有刃口，縱向垂直切割草皮卷的兩側(cè)邊，可拆卸式月牙弧型刃板用壓板通過(guò)螺栓固定在底刀架前端。刃口磨損后松開螺栓即可更換月牙弧型刃板，操作方便，通用性強(qiáng)［16］。該刀具總成通過(guò)螺栓固定或鉚釘鉚接在起草皮刀升降機(jī)構(gòu)的搖桿下端。

2.3 起草皮刀升降機(jī)構(gòu)

該裝置起草皮刀升降機(jī)構(gòu)上端固定在位于齒輪箱左右側(cè)板上端的立板上，該機(jī)構(gòu)主要由定位架、操縱手柄和搖桿組成。振動(dòng)部件中的曲柄連桿機(jī)構(gòu)鉸接在起草皮刀升降機(jī)構(gòu)搖桿的下部，靠近起草皮刀的位置。起草皮刀在驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)前向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)起草皮刀激振力的有效傳遞。調(diào)節(jié)操縱手柄，控制起草皮深度和起草皮刀切割角度。

3 振動(dòng)起草皮裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件中，分別建立隨進(jìn)式起草皮機(jī)振動(dòng)起草皮裝置中組成振動(dòng)部件的傳動(dòng)軸、偏心塊和曲柄連桿機(jī)構(gòu)，組成起草皮刀的底刀架、左、右側(cè)板、月牙弧型刃板、壓板，組成起草皮刀升降機(jī)構(gòu)的定位架、操縱手柄和搖桿等組成起草皮裝置各部件的三維參數(shù)化模型。對(duì)各零件進(jìn)行組件裝配，再進(jìn)行總裝配。振動(dòng)起草皮裝置裝配總圖如圖4所示。工作時(shí)，汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使位于其上的一對(duì)偏心塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生慣性力通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)傳與搖桿下部，再傳至與搖桿下端固聯(lián)的起草皮刀，使起草皮刀隨搖桿擺動(dòng)做往復(fù)的縱、橫向運(yùn)動(dòng)。

3.1 傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

振動(dòng)起草皮裝置通過(guò)傳動(dòng)軸傳遞激振力，帶動(dòng)起草皮刀產(chǎn)生周期性振動(dòng)，傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)是影響整機(jī)起草皮性能的關(guān)鍵。傳動(dòng)軸選用45鋼，最小直徑計(jì)算［17］如式（1）所示。

dmin=39.55×106P0.2τtn=A03Pn

（1）

式中：

P——傳動(dòng)軸所傳遞的功率，kW；

n——傳動(dòng)軸工作轉(zhuǎn)速，r/min；

τt——傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)的強(qiáng)度，MPa；

A0——

計(jì)算系數(shù)，通常A0=107～118。

起草皮機(jī)動(dòng)力源選擇汽油機(jī)常用型號(hào)，傳遞的功率P為10 kW，起草皮時(shí)的工作轉(zhuǎn)速n為2 000 r/min，A0取115，代入式（1），可得傳動(dòng)軸的最小直徑為20 mm。

在SolidWorks軟件中完成傳動(dòng)軸的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其軸上的鍵槽和螺紋孔用于固定偏心塊和齒輪箱側(cè)板，如圖5所示。

3.2 偏心塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

振動(dòng)起草皮裝置中的偏心塊用于產(chǎn)生起草皮時(shí)的周期性激振力，其設(shè)計(jì)的合理性是影響激振幅度大小，制約起草皮效率的關(guān)鍵。偏心塊選用45鋼，可根據(jù)由經(jīng)驗(yàn)確定的激振幅值來(lái)計(jì)算偏心塊的偏心距，計(jì)算如式（2）所示。

A=m·eM

（2）

式中：

A——傳動(dòng)軸激振幅值，mm；

m——偏心塊質(zhì)量，kg；

e——偏心塊偏心距，mm；

M——傳動(dòng)軸質(zhì)量，kg。

本文偏心塊質(zhì)量m為0.274 kg，傳動(dòng)軸質(zhì)量M為1.088 kg，傳動(dòng)軸激振幅值A(chǔ)為2 mm。代入式（2），可得偏心塊的偏心距為7.942 mm。

在SolidWorks軟件中完成偏心塊的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖6所示。

4 振動(dòng)起草皮裝置動(dòng)態(tài)特性分析

隨進(jìn)式起草皮機(jī)起草皮裝置設(shè)計(jì)中，對(duì)其振動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析是驗(yàn)證所設(shè)計(jì)裝置可行性和合理性的基礎(chǔ)，也為后續(xù)的整機(jī)改進(jìn)優(yōu)化和性能分析提供理論參考。

4.1 模態(tài)分析

為減小分析誤差，將SolidWorks環(huán)境中建立的隨進(jìn)式起草皮機(jī)整機(jī)三維參數(shù)化模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖7所示。將簡(jiǎn)化后的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench有限元分析軟件中，對(duì)各零部件定義材料屬性（表1）和劃分網(wǎng)格，對(duì)應(yīng)的有限元分析網(wǎng)格模型如圖8所示。起草皮機(jī)驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪與地面接觸部位施加位移約束，如圖9所示，因汽油機(jī)工作頻率較低，計(jì)算階次設(shè)置為六階，即可滿足實(shí)際工作需要。參數(shù)設(shè)置完成后，進(jìn)行模態(tài)分析，確定隨進(jìn)式起草皮機(jī)整機(jī)固有的振動(dòng)特性，為整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。經(jīng)計(jì)算，前六階模態(tài)振型如圖10所示。

隨進(jìn)式起草皮機(jī)各階模態(tài)對(duì)應(yīng)的固有頻率結(jié)果如表2所示。

從圖10和表2可知，前三階模態(tài)形變主要發(fā)生在振動(dòng)部件、起草皮刀和起草皮刀升降機(jī)構(gòu)中的搖桿下端，且變形量按階次依次減小，特別是當(dāng)汽油機(jī)工作頻率接近起草皮機(jī)第一階模態(tài)的固有頻率（3.581 2 Hz）時(shí)，振動(dòng)部件、起草皮刀和起草皮刀升降機(jī)構(gòu)組成的起草皮裝置極易產(chǎn)生共振，導(dǎo)致隨進(jìn)式起草皮機(jī)的起草皮性能較差，工作效率較低，整機(jī)應(yīng)該避免在該頻率附近工作；處于四階模態(tài)頻率時(shí)整機(jī)表現(xiàn)為剛體狀態(tài)，整機(jī)變形較??；處于第五和第六階模態(tài)頻率時(shí)，其形變均發(fā)生在起草皮刀升降機(jī)構(gòu)的搖桿上，且搖桿中部形變最大，加大了搖桿抖動(dòng)，降低了起草皮刀起草皮性能。因此，選擇隨進(jìn)式起草皮機(jī)動(dòng)力源—汽油機(jī)時(shí)其工作頻率要避免接近其固有頻率（3.581 2 Hz、6.765 8 Hz、17.473 Hz、58.881 Hz、60.603 Hz），防止起草皮裝置工作時(shí)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

根據(jù)隨進(jìn)式起草皮機(jī)選定的汽油機(jī)型號(hào)，可知其起草皮時(shí)工作轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，那么該起草皮機(jī)動(dòng)力源—汽油機(jī)施加給起草皮裝置的激振頻率

f（0）=n60=2 00060≈33.3Hz

（3）

該激振頻率介于第四階固有頻率（25.569 Hz）和第五階固有頻率（58.881 Hz）之間，且距第四階固有頻率較近。從這兩階固有頻率對(duì)應(yīng)的振型可知，起草皮機(jī)工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生共振，該工作頻率下不會(huì)影響起草皮機(jī)的工作性能。

4.2 諧響應(yīng)分析

由模態(tài)分析結(jié)果可知，隨進(jìn)式起草皮機(jī)工作時(shí)在汽油機(jī)正常工作轉(zhuǎn)速產(chǎn)生激振頻率的激勵(lì)下整機(jī)不會(huì)產(chǎn)生共振。在此基礎(chǔ)上，分析振動(dòng)部件中的傳動(dòng)軸在套裝其上偏心塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生慣性力的作用下它的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。確定振動(dòng)裝置中受力最大的關(guān)鍵零部件產(chǎn)生的最大形變和應(yīng)力是否滿足設(shè)計(jì)要求。

在前述模態(tài)分析定義材料屬性、施加位移約束和劃分網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，只保留傳動(dòng)軸沿軸向的旋轉(zhuǎn)自由度，在振動(dòng)部件傳動(dòng)軸與齒輪箱接觸處沿傳動(dòng)軸徑向施加隨時(shí)間周期性不斷變化的載荷約束的邊界條件（圖11），設(shè)置響應(yīng)頻率范圍，通過(guò)計(jì)算可得旋轉(zhuǎn)慣性力作用下傳動(dòng)軸的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)［18］。

從圖12（a）可知，振動(dòng)部件中傳動(dòng)軸最大形變位移在軸兩端，其形變位移為0.246 63 mm，滿足傳動(dòng)軸形變位移設(shè)計(jì)要求。從圖12（b）可知，振動(dòng)部件中傳動(dòng)軸最大應(yīng)力發(fā)生在軸兩端與齒輪箱連接處，最大應(yīng)力為2.984 7 MPa，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)時(shí)所設(shè)定的許用應(yīng)力，故傳動(dòng)軸的最大應(yīng)力也滿足設(shè)計(jì)要求。該分析方法的建立，為整機(jī)結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化和動(dòng)力源—汽油機(jī)動(dòng)力參數(shù)的選擇提供了理論依據(jù)和分析方法。

5 試驗(yàn)與分析

5.1 整機(jī)關(guān)鍵零部件性能試驗(yàn)

根據(jù)樣機(jī)三維設(shè)計(jì)模型和動(dòng)態(tài)特性分析結(jié)果，加工隨進(jìn)式起草皮機(jī)齒輪箱、振動(dòng)部件、振動(dòng)起草皮裝置等各核心部件，并完成各部件的裝配。

根據(jù)LY/T1609—2013《園林機(jī)械 以汽油機(jī)為動(dòng)力的隨進(jìn)式起草皮機(jī)》國(guó)家林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中整機(jī)性能試驗(yàn)要求，選擇平坦的瀝青混凝土或水泥混凝土路面進(jìn)行空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。將加速度傳感器放置于振動(dòng)部件，利用數(shù)據(jù)采集儀等測(cè)試儀器采集整機(jī)處于非作業(yè)狀態(tài)，離合機(jī)構(gòu)處在結(jié)合位置，動(dòng)力源—汽油機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牧愕綐O限速度范圍內(nèi)變化時(shí)，傳動(dòng)軸在隨進(jìn)式起草皮機(jī)動(dòng)力源激勵(lì)下的位移響應(yīng)。測(cè)試結(jié)果如圖13所示，隨著系統(tǒng)激振頻率的變化，傳動(dòng)軸的位移響應(yīng)呈現(xiàn)出簡(jiǎn)諧規(guī)律性的變化。在該隨進(jìn)式起草皮機(jī)動(dòng)力源激振頻率為33.3 Hz的激勵(lì)下，振動(dòng)軸的位移響應(yīng)達(dá)到最大值0.278 3 mm，在其它激勵(lì)頻率下振動(dòng)軸的位移響應(yīng)較小。在現(xiàn)有動(dòng)力源激勵(lì)下，隨進(jìn)式起草皮機(jī)不會(huì)發(fā)生共振，與諧響應(yīng)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，誤差率為11.38%。滿足傳動(dòng)軸形變?cè)O(shè)計(jì)要求。

5.2 整機(jī)改進(jìn)前與改進(jìn)后工作性能對(duì)比

同型號(hào)隨進(jìn)式起草皮機(jī)改進(jìn)前與改進(jìn)后在相同工作參數(shù)下在某草坪基地進(jìn)行試驗(yàn)，其工作效率對(duì)比如表3所示。由表3可知，隨進(jìn)式起草皮機(jī)改進(jìn)前平均工作效率為784 m2/h，改進(jìn)后平均工作效率為837 m2/h，平均工作效率提高6.8%。

將起草皮機(jī)改進(jìn)前與改進(jìn)后起掉的草皮各選取三塊，目測(cè)發(fā)現(xiàn)采用改進(jìn)后的起草皮機(jī)切割的草皮根部相對(duì)較規(guī)整。經(jīng)過(guò)多天晾置，獲得的草皮移植存活率數(shù)據(jù)如表4所示。由表4可知，采用改進(jìn)前的起草皮機(jī)所起的草皮，晾置5天平均移植存活率為84.1%，晾置7天平均移植存活率為77.9%，采用改進(jìn)后的起草皮機(jī)所起的草皮，晾置5天平均移植存活率為86.6%，晾置7天平均移植存活率為82.1%。所以，采用改進(jìn)后的起草皮機(jī)所起的草皮晾置不同天數(shù)，草皮移植存活率均有所提高。

綜上，基于振動(dòng)機(jī)理的隨進(jìn)式起草皮機(jī)的起草皮裝置滿足設(shè)計(jì)要求。整機(jī)工作時(shí)，草皮根部切割規(guī)整，工作效率高。

6 結(jié)論

1）" 本文為解決隨進(jìn)式起草皮機(jī)工作時(shí)草皮根部切割不規(guī)整導(dǎo)致的草皮移植存活率低、起草皮工作效率低的突出問(wèn)題，研發(fā)設(shè)計(jì)出一種基于振動(dòng)機(jī)理的隨進(jìn)式起草皮機(jī)。分析基于振動(dòng)機(jī)理的隨進(jìn)式起草皮機(jī)工作時(shí)草皮根部切割機(jī)理。

2）" 運(yùn)用Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件，對(duì)由振動(dòng)部件、起皮刀具和起皮刀具升降機(jī)構(gòu)等核心部件組成的起草皮裝置進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，并確定出各部件結(jié)構(gòu)參數(shù)。運(yùn)用Ansys Workbench有限元分析軟件，建立隨進(jìn)式起草皮機(jī)整機(jī)環(huán)境下起草皮裝置的有限元分析模型，分析該裝置的模態(tài)和諧響應(yīng)，獲得工作狀態(tài)下該起草皮裝置各階模態(tài)下的振型、固有頻率和振動(dòng)部件中受力最大的關(guān)鍵零部件—傳動(dòng)軸的形變位移和應(yīng)力分布，為整機(jī)后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。

3）" 利用加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集儀等測(cè)試儀器，開展整機(jī)關(guān)鍵零部件性能試驗(yàn)。當(dāng)隨進(jìn)式起草皮機(jī)在動(dòng)力源常用工作頻率33.3 Hz激勵(lì)下，振動(dòng)部件最大諧響應(yīng)試驗(yàn)位移為0.278 3 mm，與最大諧響應(yīng)仿真位移0.246 63 mm相比，誤差率為11.38%。同型號(hào)起草皮機(jī)在相同工況下，改進(jìn)前與改進(jìn)后相比，工作效率由784 m2/h提高到837 m2/h，提高6.8%。根據(jù)目測(cè)可知，采用改進(jìn)后的起草皮機(jī)切割的草皮根部相對(duì)較規(guī)整。根據(jù)草皮移植存活率對(duì)比試驗(yàn)可知，晾置5天草皮移植存活率由改進(jìn)前的84.1%提高到86.6%，晾置7天存活率由改進(jìn)前的77.9%提高到82.1%，改進(jìn)后的起草皮機(jī)作業(yè)成效更優(yōu)。

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