自行式電動割草機的試驗研究

劉興燕

（山東黃河梁山機械廠，山東 梁山 272600）

2002年，水利部黃河水利委員會提出黃河下游標準化堤防建設，構筑防洪保障線、搶險交通線、生態景觀線“三位一體”的標準化堤防體系，通過放淤固堤、堤防幫寬、堤頂硬化、防浪林以及險工控導加固改建等項目建設，構造維持黃河健康生命的基礎設施，達到人與自然環境和諧，謀求黃河長治久安。

隨著黃河下游標準化堤防建設的進行，對工程養護的要求標準也大大提高，既要保證工程強度，又要注重美化。如對堤坡上的防護草皮，在保證其護坡能力的同時，由過去的任其自然生長，變為要求整齊美觀，規范劃一。為保持工程面貌，在夏季植物生長旺盛季節，需要對堤坡草皮經常進行修剪。堤坡除草作業以往多采用勞動密集型鐮割工作方式或人工拔草，不但人力投入多，勞動強度大，而且作業條件艱苦，工作效率低，往往經過多次修剪，也達不到整齊規范的品質目標。

近幾年來，隨著機械化、自動化的日益普及，在黃河堤防養護工作中，割草作業逐步向機械化邁進，當前多采用背負式內燃割草機，但設備整機總質量較大，振動強烈，對人的健康危害較大，長期作業無疑會嚴重影響操作人員的身體健康。

為服務于黃河防洪工程的標準化管理，改善堤坡除草人員的勞動條件，我們立足于黃河下游標準化堤防的實際養護工作，考慮在堤防養護中，割草作業的經常性、安全性等實際要求，在深入調查的基礎上，博采眾長，本著采用新材料、新技術、新工藝的原則，于2009年8月研制出一種低噪音、機動靈活、能在堤坡上自動行走且操作簡單、機械化效率高的新型割草設備。在2010年6月通過山東省科技廳組織的產品鑒定。該設備主要由電動割草裝置、自動行走裝置、機架底座、發電機組及電纜盤、操作控制系統、動力系統等組成，是一種可在坡度小于1∶2.5的堤坡上自動行走的履帶式割草設備，運行機動靈活，效率高，割草效率可達1400m2/h，專家一致認為，整體上達到國內領先水平。

1 自行式電動割草機的結構組成

ZG-1230型自行式電動割草機的結構，主要由電動割草裝置、自動行走裝置、機架底座、發電機組及電纜盤、操作控制系統、動力系統等部分組成。其基本外形結構如圖1所示。

圖1 ZG—1230型自行式電動割草機

2 技術參數及各部分的設計計算

2.1 主要技術參數

整機總質量（kg）：520；

輪距（mm）：970；

軸距（mm）：970；

鏈輪直徑（mm）：470；

行走速度（m/min）：18；

割草電機功率（kW）：1×3；

行走電機功率（kW）：1.1；

最大割幅（mm）：1234；

最大爬坡能力：≤1∶2.5；

割刀高度調節范圍（mm）：離地60～160；

作業效率（m2/h）：1200～1400。

2.2 割草面積的計算

根據工作環境狀況及市場調研，決定選用3臺RT 8020型大功率割草電動機。如圖2所示。

圖2 割草面積示意圖

每臺割草電動機的割除草面積為

其中，

所有陰影部分的面積即為割草面積，即所有圓減去重疊部分的面積Sc，如圖3所示。

圓（x-210）2+y2與直線x=13所圍成圖形面積，即為重疊部分的面積Sc。

圖3 重疊面積

2.3 行走電動機功率校核計算

已知參數：

ZG-1230型自行式電動割草機的自身總質量為G=520 kg；

行走電動機的轉速為n2=910 r/min；

減速器傳動比為i1=1∶25；

差速器傳動比為i2=1∶3；

鏈輪直徑為R1=470 mm=0.47 m；

則鏈輪的轉速為n3=n2i1i2

=910×1/25×1/3

=12.2 r/min，

則割草機行走速度為ν行=π R1ω2

=π×0.47×12.2

≈18 m/min；

鋼對地面的摩擦系數為μ=0.20～0.35，取

μ=0.25，

鏈輪傳動效率為90%；

ZG-1230型自行式電動割草機爬坡工作時，受力如圖4所示。

圖4 電動割草機行走受力圖

從圖可知，

把已知數代入，得

計算得

則

所需電機功率計算得

所選電動機為1.1 kW。

故所選電動機能夠滿足設計需要。

2.4 鏈輪的選擇

鏈速度ν=18 m/min

電動機功率P=1.1 kW

由鏈輪速度ν=18 m/min

希望結構緊湊，初步確定鏈輪齒數Z1=45

考慮工作平穩,電動機拖動,選工況系數KA=1.0，則計算功率Pc=PKA=1.1×1.0=1.1 kW

考慮自行式電動割草機的行走特點，選雙排鏈，查得多排鏈系數Kp=1.0，

齒輪系數Kz=1.1，

鏈長系數Kl查參考文獻[1]確定為Kl=1.06，

所需傳遞功率

查圖5選滿足要求的20 A鏈，p=31.75 mm

圖5 滾子鏈的額定功率曲線

初步設計中心距為a=970 mm，

鏈輪齒數Z1=45。

則鏈節數

因鏈速為ν=18 m/min，小于0.6 m/s，其失效形式是過載拉斷，應進行靜強度計算，鏈的靜強度安全系數n應滿足如下要求

式中，

Q為單排鏈的極限拉伸載荷；

m 為鏈板寬（mm），m=520；

KA為工況系數；

F1為鏈的緊邊工作拉力；

F為工作拉力；

F=3974 N

Fc為鏈兩邊所受的離心拉力

Fc=qν2

Ff為鏈條下垂而產生的懸垂力

Ff=Kfqga

其中，

ν為鏈速；

q為每米長度鏈的凈質量；

Kf為垂度系數；

a為中心距；

g為下垂度，取0.02。

[1]確定

Q=86.7 N；

KA=1.0；

q=3.8 kg/m；

Kf=7。

把已知數據代入得

故滿足設計要求。

3 創新點及推廣前景

通過與國內外同類產品的比較，總結該割草機具有以下創新點：

（1）將履帶式鏈輪行走機構有機地與割草設備組合在一起，實現了該設備在堤坡上工作運行靈活行走的目的；

（2）巧妙地將后橋差速傳動裝置和液壓鼓式剎車系統有機結合，利用兩側輪轂單獨制動，解決了整機行走轉向的難題；

（3）設計了割草高度調整裝置，便于調整割草高度，以適應不同的地形；增設兩道漏電保護罩裝置，增加了操作人員的安全系數；采用了電氣控制方式集中控制，自動化程度高，操作容易，快速靈活；增設兩道漏電保護裝置，提升整機安全性；

（4）電動割草機頭部結構布置呈品字形，前一后二，且前一切割圓與后兩切割圓相外切，保證3個電動割草機頭在工作時互不干擾，保證割草品質。

（5）其利用高速旋轉的尼龍繩割斷草莖，由于尼龍繩具有柔韌性，使其遇到硬性障礙物時會退讓，不損傷人和機器，安全性能高。

該設備適用于堤坡割草養護作業，其性能優良、結構緊湊、操作方便、工作可靠，具有經濟性、實用性和靈活性等優勢，能達到投資少、見效快的效果。

近年來，隨著黃河防洪工程管理標準化的開展，臨背河堤坡坡比已經逐步調整為1∶3的比例,坡面的平順度也有了較大的提高,這給機械化修剪草皮提供了便利條件,機械化割草不僅可以節約大量開支及節省勞動力，還可以提高工程維護品質。

ZG-1230型割草機是針對堤防養護工作的實際需要，為提高割草作業工作效率、降低操作工人的勞動強度、減少高強度作業給一線工人帶來損害而研制的一種新型履帶式自行電動割草設備。每小時割草是背負式割草機工效的15倍，可見其不但具有良好的社會效益，還具有較高的經濟效益，在當前標準化堤防建設和管理日益加強的情況下，將有十分廣泛的推廣前景。

4 結束語

社會進步要求以機械取代人工作業，堤防管理要盡可能改善管理養護人員的工作條件，降低勞動強度。管理養護機械化是提高養護作業品質與進度的重要手段，是實現由傳統養護方式向現代養護方式轉變的物質基礎。因此，投入各種專用機械用于維修養護，提高維修養護的機械化程度，減輕勞動強度非常必要。

參考文獻：

[1]吳宗澤.機械設計手冊（上冊）[K].北京：燃料化學工業出版社，1970.