广西农业职业技术大学 刘震

前言

新时期发展背景下，人们对于生态绿化的要求越来越高，草坪割草机逐渐成为绿化管理中使用的主要器械，且市场需求逐年提升。为进一步提高草坪割草机的运行效果与质量，需要结合实际需求对草坪割草机进行优化设计，而高度调节机构是草坪割草机中十分关键的部件结构，能够对草坪割草机的运行质量产生直接的影响效果。因此，需要对高度调节机构进行科学的研究，对内部参数进行调整变动，这样才能保证草坪割草机符合人们的使用需求。

1 草坪割草机概述

草坪割草机是城市园林绿化中常使用的器械之一，其结构形式一般为旋刀式，刀片在高速旋转的状态下切断草茎，以此实现对草坪高度和形状的有效管理控制。割草机的内部结构以罩壳为基础，并在此基础上安装有高度调节机构、行走装置、扶手结构以及动力系统等。基于不同划分标准可将草坪割草机分成多种不同形式，如以发动机划分，可分成电动发电机式和汽油发动机式[1]；以形状划分可分，成转盘式和滚筒式；以割草方式划分，可分成旋转式和往复式等，部分小型草坪割草机还可以分成侧挂式和悬挂式。草坪割草机在使用期间需要满足不同高度草坪的切割需求，在对高度进行调节变动的过程中，割刀的旋转面应与地面之间保持平行状态，这样才能保证草坪割草机的作业质量。

2 草坪割草机高度调节机构分析

对现阶段比较常见的草坪割草机进行分析，其高度调节机构主要分成两个种类，第一种是前轮和后轮同时联合驱动的四连杆式高度调节机构，在实际应用中具有调节操作简单便捷、整体结构比较简单、调节效率较快等特点，是现阶段应用最为广泛的种类。但是需要注意，其在应用过程中同样存在一定的问题与缺陷，如四连杆参数的选择以及设计优化相对比较复杂，需要对各项参数进行科学设定，在保证参数合理性的基础上才能够保证草坪割草机的作业质量。第二种是前轮和后轮独立运行与高度调节的机构，其在应用中能够保证割刀的旋转面与地面之间具有较高水平的平行效果，但是单个机器中的高度调节装置的数量相对较多，调节操作流程较为复杂。

3 草坪割草机高度调节机构对作业质量影响分析

对现阶段市场中常见的草坪割草机进行分析能够发现，大多数割草机都是四连杆式。因此，本研究主要对四连杆式的草坪割草机中的高度调节机构进行研究，具体构造如图1 所示。

图1 四连杆式草坪割草机高度调节机构构造图

其中，1 代表前轮；2 代表前轮摆臂；3 代表连杆；4代表传动轴及割刀；5 代表发动机装置；6 代表后轮摆臂；7 代表机器罩壳；8 代表后轮。高度调节机构的固定铰接支撑点在机器罩壳上固定，能够围绕轴心进行转动运行，即图1 中的O1和O2两个点。将调节手柄搬动时，会导致后轮摆臂以O2点为轴心进行转动，并在连杆和活动铰接点的作用下驱使前轮摆臂以O1为轴心进行转动，以此保证草坪割草机的前后轮与地面之间的高度保持相同状态。机器罩壳上的O1和O2点的高度会随着调节变动，进而实现对高度的有效调节。图中的O1、O2、S、K1、K2共同构成四连杆调节系统。

在研究过程中对地面约束的影响效果进行忽略设计，需要保证P1和P2提升和降落高度相同。如果在调节的过程中未能选择最为合适的参数，则会导致两点之间的变化高度具有较大的差异性，使得割草机割刀的旋转面与地面之间无法保持平行状态，以此对草坪割草机的作业质量和效率造成一定的负面影响[2]。割刀的旋转面与地面之间的不平行情况有两种，分别为前倾和后倾。

当草坪割草机割刀的旋转面处于前倾状态时，对应的割草效果的横截面如图2（a）所示，整体呈现出比较明显的凹陷波浪状；草坪割草机割刀的旋转面处于后倾状态时，对应的割草效果的横截面如图2（b）所示，其整体呈现出比较明显的凸起波浪状。

图2 草坪割草机前倾与后倾割草效果截面图

对割刀前倾与后倾产生的局部高度差进行计算分析，具体公式如下：△h=rsinθ

其中，△h 代表了最大高度差；r 代表割刀旋转面的半径；θ 代表割刀的旋转面与地面之间的倾斜角。

通过公式能够发现，倾斜角的数值越大，对应的最大高度差值越大，草坪割草机的作业质量越低。与此同时，对割刀的旋转面处于后倾状态进行分析能够发现，在割草机运行期间会导致重复切割以及压实等现象发生，进而导致草坪割草机运行的前进阻力以及割刀作业阻力大幅度增加，提高了能源消耗量[3]。倾斜角数值越大，对应的压实效果越明显。

因此，对草坪割草机的高度调节机构进行设计时，应当确保各项参数均处于合理范围内，使其能够基于草坪割草机使用需求对参数进行有效调节控制，将割刀的旋转面与地面之间的倾斜角控制在规定标准内，即在高度调节的过程中将前轮与后轮的中心变化高度差科学设计，这样才能够保证草坪割草机最终的作业质量与效果。

4 草坪割草机高度调节机构的优化设计分析

在对草坪割草机的高度调节机构进行优化设计时，可通过建立坐标系与函数的方法对其进行系统分析，以图1 中的O1和O2两点作为原点建立坐标系，通过函数转换与计算能够得到草坪割草机的前轮和后轮的高度变化情况。经过函数计算分析后能够得知，在规定范围区间对高度调节机构进行调节时，草坪割草机的后轮中心高度的差值与高度调节机构中的各项几何尺寸之间具有多元高次函数的关系，此时的高度调节范围会依据草坪割草机的具体情况处于一个规定范围之间，而草坪割草机的割刀旋转面与地面之间始终处于不平行的状态[4]。

基于上述研究内容能够得知，在对草坪割草机的高度调节机构进行优化设计时，始终无法彻底消除不平行状态对草坪割草机运行质量的负面影响，因此只能对相关参数进行优化设计，对草坪割草机的割刀旋转面的倾斜角进行科学设计，以此降低其对于草坪割草机运行作业质量的影响干扰效果。

通过本研究能够发现，四连杆式的草坪割草机的高度调节机构设计具有多维度的约束条件，可将其视为一种给定函数。在优化设计过程中可利用计算机编程方法进行，其与传统的作图法或者人工试算方法相比具有比较明显的优势，在设计时间和效率等方面具有良好效果[5]。具体优化设计流程可以依据以下步骤开展：

第一步，确定约束条件以及约束变量的初始数值，明确计算步长与函数。第二步，利用多维度约束优化算法，在专门的计算机软件系统中对相关参数之间的具体关系进行计算分析。第三步，对计算分析的结果数据进行判断分析，将其与标准值进行对比。依据不同计算结果能够得到不同的设计流程，如果计算结果小于或等于标准值，则代表高度调节机构的优化设计满足约束条件，能够将其应用到草坪割草机高度调节机构的实际优化设计工作中，此时结束计算。如果计算结果大于标准值，则继续计算并改变函数值，并转回到第二步流程进行充分计算分析，直至满足计算结果小于或等于标准值的条件后停止计算。

5 草坪割草机高度调节机构的优化设计实例分析

在对草坪割草机的高度调节机构进行优化设计时，应遵循以下思想原则：（1）安全性，优化设计时应该始终把安全性放在首位，确保设计的割草机既能够满足使用者的需求，又不会对使用者造成伤害。（2）可靠性，优化设计时应该注重割草机的可靠性，确保割草机能够长时间地稳定运行，并且不会出现故障或者安全隐患。（3）效率性，优化设计时应该注重割草机的效率性，确保割草机能够以最少的时间完成最多的工作，从而提高工作效率。

在综合研究后，本文对一种新型草坪割草机的高度调节机构进行分析，其在实际应用中有效解决了草坪割草机高度调节装置难以实现完全水平同步提升以及工作过程晃动的问题，具有调节精度较高、同步性能良好、装置结构简单以及调节操作方便快捷等优点[6]。通过割草高度同步调节装置能够实现无级移动，具有良好的应用效果。具体结构示意图如图3 所示。

图3 一种新型草坪割草机结构示意图

其中，1 代表割草机底盘；2 代表割草刀盘；3 代表割草电机；4 代表压缩左自锁型气弹簧；5 代表压缩右自锁型气弹簧；6 代表自锁头；7 代表横梁结构；8 代表压杆装置；9 代表割草机的旋转刀片。

该草坪割草机具有自动式的割草运行系统，其高度调节机构主要包括左右自锁型的气弹簧、起到固定作用的割草电机横梁以及进行高度调节的压杆结构[7]。其中左右自锁型的气弹簧固定在割草机的底盘，横梁设置在左右自锁型的气弹簧的活塞杆的端部位置，左右自锁型的气弹簧的自锁锁头向上伸出横梁，在横梁的上方位置设置有压杆机构，左右方设置有导向柱，压杆与导向柱之间具有通孔设置，导向柱通过通孔能够控制压杆与横梁连接，压杆的地面会压在左右自锁型的气弹簧的自锁头，压杆在导向柱上进行自由的活动。

6 结语

通过本次研究能够得出以下结论：草坪割草机中的高度调节机构对于整个机器的运行效果与质量具有显著的影响作用，因此需要对其重点关注与研究。高度调节机构中的参数设计的合理性，还会导致草坪割草机的作业成本受到一定的影响。现阶段比较常见的草坪割草机为四连杆式，此种类型的草坪割草机的高度调节机构中的结构参数和高度变化之间具有一定的关联性，经过分析后能够发现两者之间属于高次多元函数关系，在对高度调节机构进行优化设计时可以此为基础，对目标函数进行优化设计，并利用计算机系统进行机械系统的优化设计处理，从而得到更加精准的结构参数，实现整个草坪割草机高度调节机构设计效率的提升。