樊宏鹏

（兰州资源环境职业技术学院信息工程学院，甘肃 兰州 730021）

为推动农业供给侧结构改革，2015年中央一号文件明确提出，要加快发展草牧业，“支持青贮玉米”和苜蓿等饲草料种植，开展粮改饲和种养结合模式试点，促进粮食、经济作物、饲草料三元种植结构协调发展[1]。近年来，随着经济的发展及国家精准扶贫政策的实施，西北地区的牧草业发展进入了快车道，农户从传统的单一农业经营模式转变为耕养结合的经营模式，牧草种植已成为农民增收的一种途径。西北农村存在由于人口老龄化而导致劳动力不足的问题，使得牧草种植在西北地区难以推广，影响当地农民增收。缺乏小型的适用于西北地区小块草地的牧草收割机，成为有待解决的难题[2]。为解决这一难题，针对西北地区的牧草种植模式，利用SolidWorks三维绘图软件设计了一款小巧、造价低、实用的微型双圆盘割草机。

1 整机结构及工作原理

该微型双圆盘割草机主要由切割器刀盘、机架、万向轮、挡板及传动系统等组成，通过双圆盘实现对牧草的收割，通过万向轮实现机具的山地运动。设计的整机结构如图1所示。

图1 微型双圆盘割草机简图

将微型双圆盘割草机设计为手扶自引式，主要是为了方便在西北狭小地块及坡地使用；配置了一台小型的汽油发动机，为牧草收割提供动力；作业时，利用前置的圆弧形挡板将牧草收拢，利用双圆盘割刀完成收割作业，并使收割后的牧草沿着割刀旋转的方向整齐摆放到一侧；万向轮能起到调整方向及适应坡地运动的作用；通过万向轮及四轮将机架固定；将发动机安装在机架上。

2 切割器的研究与设计

在设计切割器的过程中，对切刀的运动过程进行了分析。微型双圆盘割草机的运动是依靠人力推动；汽油机主要为切割牧草提供动力。汽油机输出的动力，可通过一系列传动件驱动刀片运动。割刀的运动轨迹不是简单的圆弧，而是一条余摆线。设计时，重点研究了刀片的运动轨迹，即割刀切割运动的范围[3]，如图2所示。

图2 刀片运动轨迹

为确保整个系统的稳定性和切割的效果，更好地实现对牧草的切割，对刀片的切割速度进行了计算与试验验证。通过查阅文献及田间试验，确定了切割器刀片的线速度约为70m/s。有关计算公式如下。

式（1）为刀片上一点的速度的计算公式。

当式（2）成立时，Vm最小，即：

式中：n为刀盘转速；Vd为刀片应用的切割速度；Vm机器前进速度；r为刀片内端半径。

通过计算，确定刀片数量为3片。根据GB699—88，查阅已有机型中刀片的加工处理等有关资料，对刀片进行了热处理，以增加刀片的硬度和耐用度。

3 传动系统的设计

由于该割草机的刀盘前置，与发动机的距离较远，因此发动机到刀盘的动力传动距离较长。通过对各类传动机构对比，选择长轴输出，利用斜齿轮和花键轴实现动力的传输。传动系共有7根轴、9对斜齿轮，斜齿轮的传动比为1。在传动过程中，由于传动轴的速度为3600r/min，并且斜齿轮的传动比为1，因此斜齿轮的转速也为3600r/min，转速不会发生变化。

3.1 轴的设计

设计的传动系共有7根轴，分别为1根输出轴、1根输入轴、3根传动轴、2根连接双圆盘切割器的输出轴。其中，与发动机连接的输出轴与输入轴通过联轴器连接；输出轴通过1对斜齿轮把动力传给1根传动轴；传动轴通过3对斜齿轮把动力传给另2根传动轴；这2根传动轴分别通过2对斜齿轮把动力传给2根连接双圆盘切割器的输出轴。

选用45号碳钢制造该轴，可以很好地应对应力集中。该轴是一个较为重要的轴，轴上有两个轴承，轴的一端连接斜齿轮,轴的另一端设有一个外花键。由于要通过轴和齿轮把动力分别传到两个圆盘切割器上[4]，且花键联接具有受力较均匀、齿根处应力集中较小、可承受较大的载荷、导向性好等优点，因此选择采用花键联接，以提高传动效率并使传动更加稳定。

若轴径的取值为10mm，则工作轴所受扭矩为：

若将轴的扭转变形角用φ来表示，则轴的扭转角计算公式为：

将数据代入式（8），得到工作轴的扭转角为：

为使轴的刚度符合条件，轴的扭转角应满足条件φ≤[φ]；[φ]的值应根据设计机具的使用情况而定，与轴在使用过程中所受的载荷和扭矩有关。由于对精度的要求不高，因此设计的扭转角[φ]=0.5～1（°）/m。如果轴的传动对精度要求较高，那么[φ]可以小一点；如果轴的传动对精度要求较低，那么[φ]可以大一些。根据计算结果可知，扭转角在合理范围内，满足设计要求。

3.2 联轴器的选择

在本设计中，与发动机相连的输出轴与输入轴之间靠联轴器连接，用于传递运动和转矩。由于微型双圆盘割草机的工作环境温度不高，因此可以选用非金属元件制造的联轴器；由于轴的转速较高，且挠性联轴器可以用于补偿两个传动轴之间的相对位移,而刚性联轴器主要用于传递转矩较大的轴之间[5]，因此应选用非金属弹性元件的挠性联轴器。在设计微型双圆盘割草机时，选用了十字滑块联轴器。

4 机架的设计

由于设计的割草机主要用于西北地区的坡地和田间，工作地面主要为软土地，因此应根据机具的整体尺寸和整体结构来设计万向轮的大小。将万向轮的直径取值为18cm，并根据万向轮的直径大小选择了万向轮支架的标准件。根据公式计算，万向轮的外轮转速为150r/min。

根据割草机的工作要求及工作环境，设计的机架如图3所示。机架的材料为低合金结构钢Q345；机架由上机架和下机架组成，具有结构简单、拆卸和更换方便等优点。

图3 机架

5 结语

设计了一款手推式微型双圆盘割草机，由汽油发动机提供切割牧草的动力；采用圆盘式切割器，不易产生堵塞，容易检修，对牧草的适应性强；整机设计结构简单，实用性强；手扶式设计可控性强，操作使用灵活方便。设计的微型双圆盘割草机，能够适应西北地区坡地牧草的收割作业，有效降低了农民的劳动强度，大幅提高了牧草收割的作业效率。