割草机

割草机（Lawn mower）又称草坪修剪机、剪草机、除草机等，是一种用于修剪草坪、植被等的机械工具。^[1][2]面对修剪工作量大，工作环境差的草坪，割草机可以很方便的对草坪及植被进行保养、修整、美化，并以减少草坪及植被遭到病虫害的概率。^[13]

1805年，英国工程师马斯·普拉克内特获得了第一个转刀式割草机的发明专利，是世界上最早的机械割草装置。^[5]1830年，英国纺织工人爱德温·巴丁（Edwin Budding）发明了第一台以内燃机为动力的机械割草机。^[14][15][16]自此后的170年里陆续出现了轮式轻型割草机、^[17]燃油割草机、^[16]小型动力割草机、^[17]自走式割草机和乘骑式割草机等类型的割草机。^[16]中国起步较晚，1958年才开始研制割草机，60年代初，设计出了第一代旋转式割草机。^[18]21世纪以来，中国在政策转变的环境下，加快了割草机械的研制速度，^[18][11]向着高效节能，自动控制、新型驱动能源发展。^[13]

割草机主要由发动机、工作装置、行走装置、手推操纵装置和传感器件等部分组成。^{[1][9][3][10]}割草机被广泛应用于高质量草坪、绿化景观草坪，豆科牧草和禾本科牧草的修剪作业中。^[3][4]同时，割草机有很多类别，可根据动力源分为以汽油为燃料的发动机式、以电为动力的电动式和无动力静音式；可根据切割器工作原理分为往复式和旋转式；可根据刀片类型分为滚刀式和旋刀式等。滚刀式剪草机其剪草质量是几种剪草机中最佳的。目前常用的滚刀式剪草机主要有手推式和坐骑式两种。^[3]未来割草机将进一步向着自动化、智能化、多功能化、无线化等方面发展，^[19]使得割草作业高效、快速发展。^[20]

19世纪以前，高昂的草坪维护费用，导致像样的草坪只有豪宅和机构的主人才拥有。其他想拥有草坪的人只有两种选择：第一种是养羊，纽约的中央公园一直到十九世纪末，一直都是200只羊的家园。另一种是专门雇人在青草生长的季节，花费大量时间来割草、堆草，再用手推车运走，这两种方式成本都很大，且草坪不美观。^[15]

1805年，英国工程师托马斯·普拉克内特获得了第一个转刀式割草机的发明专利，是一台装有环形刀身的机器，用于收割玉米和牧草，是世界上最早的机械割草装置，^[5]但其机身笨重机器，而且运转效果不理想。^[21]

1830年，英国纺织工人爱德温·巴丁（Edwin Budding）发明了第一台以内燃机为动力的机械割草机。他开发的机器是基于他的纺织机器改装的，其首要用途不是用于割草，而是用来剪新布上的绒毛。^[14][15][16]巴丁的圆柱形除草机安装在一个后滚轮上，后滚轮用链条驱动割草机前进，使用安装在圆筒上的弯曲刀片割草。^[14]

1839年，兰塞姆斯（Ransomes）公司开始制造巴丁发明的割草机。同年，在第一届英国皇家农业协会（RASE）展会上，该公司的割草机被授予金牌。^[22]但巴丁的机器很重，需要用马拉，很难操作并割出平整的草坪，而且价格昂贵，因此销售量不大。^[15]在1851年的英国国际博览会上，仅有两家割草机制造商参展。^[14]

1870年，美国发明家艾尔伍德·麦圭尔设计出了轮式轻型割草机。1885年前美国制造商每年生产5万台这样的割草机。^[17]

1893年，蒸汽动力的割草机首次申请了专利，此后的一二十年内汽油割草机开始投放市场。^[17]

1897年，德国奔驰公司和纽约科德威尔（Coldwell）割草机公司联合设计出了最早的燃油割草机。^[16]

20世纪20年代之后，小型动力割草机的广告开始大力宣传新机械的高效性。^[17]

20世纪50年代后，草坪割草机进入快速发展时期，小型草坪割草机大规模进入欧美家庭，成为必备机具。^[16]

20世纪80年代，用于庭院草坪修剪的割草机以步行操纵推行式割草机为主导产品。^[16]

20世纪90年代后，开始出现自走式割草机和乘骑式割草机，得到了广大用户的欢迎。^[16]

21世纪初，国外老牌园林公司胡斯华纳（husqvarna）率先在全球研究开发出自动割草机，市场上陆续出现各大品牌自动割草机，并呈现出良好的市场前景。截至2023年，面向家庭的各种类型小型割草机在欧美等发达国家蓬勃发展。^[16]

1958年中国才开始研制割草机，形式主要是马拉式往复割草机，其机型陈旧、指标落后、质量低、成本高。^[18][23]

20世纪60年代初，设计出了第一代旋转式割草机——紫云英收割机。^[11]

1965年，内蒙古自治区研究出了双动刀高速割草机，接近当时国际同类产品先进水平。^[11]

20世纪70年代，旋转式割草机在结构上出现了单园盘、双圆盘、4圆盘等多种形式，在高密度草场获得推广。并于80年代形成大规模生产。^[11]

21世纪以来，中国在大力支持发展畜牧业“粮改饲”等政策环境下，割草机械的研制速度加快。^[18][11]中国割草机研究发展突出表现在高效节能方面，向着自动控制、新型驱动能源发展。^[13]

割草机的基本工作原理是刀盘装在行走轮上，刀盘上装有发动机，发动机通过一根转轴跟割草刀片相连，刀片随着发动机高速旋转，从而将草割断。^[6][8]

在整体布局上将高速旋转割草弯盖、双带啮合筒、对称收拢草结构和搅碎拨叉布置于各个部位，当割草机的工作部分遇到杂草时，前面的割草弯盖快速旋转，将前面的草修剪整齐。两侧的收拢草结构将割草机旁边的杂草拨到中央，杂草段进入双管啮合筒，将杂草内多余的水分挤压出来，后面的搅碎拨叉将前半部分的杂草碎拨齐并收集。^[24][25]

1-发动机，2-离心式离合器，3-刀轴，4-车轮轴，5-减速箱，8-刀片，9-轴套，11-刀轴套，15-第一从动轮，16-第一传动皮带，17-第一离合器，21-第一把手，22-第二从动轮，23-第二传动皮带，24-第二离合器，28-第二把手

割草机的一般工作流程如下：^[27][28]

发动机启动，由于割草机中的传动系统已经连接，传动轴开始旋转；传动轴的旋转带动离合器的摩擦片开始工作，利用离合器好质量材料之间的摩擦以传达马力；传动轴将机械马力传递到变速器，根据作业需要调整变速器，改变传动轴的旋转速度；变速器输出传动轴的旋转速度，驱动差速器工作。差速器会把传动轴的转动分别挂重负荷给两个轮子，使得机器在草地上行走时，左右轮子的转速可以调整以保持机器的直行；当传动轴经过传递力与速度等作用后，驱动割草刀片旋转，且始终保持刀片与地面垂直；割草机的行走和刀片旋转不断协调运作着，切割草地。

割草机由动力来源、工作装置、行走装置、操作系统、安全装置和辅助系统等部分组成。^{[1][9][3][10]}

割草机的动力来源主要是汽油机或柴油机，其功能是提供机器行走和割草的全部动力，其主要部件有：油箱、油路管、水箱、燃烧缸等，油箱中的燃油通过油路管将燃油送到发动机燃烧缸。除汽油机和柴油机以外，动力来源还有电动机、人力推动等。^[29]

行走装置主要由行走轮和割草高度调节装置组成。行走轮通过相对草坪修剪机的护罩进行调节，将轮子升高，割草机下降，割草高度降低，反之割草高度则上升。有些草坪修剪机的行走轮是可以自行行走的，其动力是由发动机通过减速装置，离合器传到行走轮上，这样操作者在割草作业时只掌握其方向而不必用力推割草机。^[3]

工作装置为刀盘上装有数把割草刀或一长条形割草刀，直接装在发动机的输出轴上，作业时高速旋转切割草茎。在工作装置上装有风机叶片，或将割草刀的非刃口做成风机叶片。割草作业时对地面形成一定真空将草茎吹成直立状态，便于切割外可与罩壳相结合形成涡流，将割下的碎草落于草坪上。^[3]

手推操纵装置主要由手推杆、行走轮离合器操纵装置、发动机油门操作装置组成。各种操作装置都安装在手推杆上，手推杆与护罩固定的铁链连接在一起，其高度要适合于大多数人身高操作时最省力的位置，以减少操作者工作强度。^[3]

工作过程中，割草机如遇障碍物，则可能损伤刀盘，如遇人，高速旋转的刀片可能对人产生极强的危害。割草机在行进过程中，需要选用测量距离、位置的传感器不断采集周围信息，规划自身运动路径，来达到绕开障碍物的目的；采用保障人身安全的颜色传感器，根据颜色传感器反馈给控制系统的信号，来判断是否需要转向。^[10]

割草机仿形装置的作用是保证割草机作业的同时保持割茬高度均匀，防止割刀碰触地面杂物出现损坏，保证割草机高效作业。中国割草机仿形装置的设计研究起步较晚，同时果园多分布于丘陵山地，地况较复杂，需要可靠的仿形装置来保障割草机的安全作业。^[30]

以汽油为燃料的汽油机割草机，其输出动力是通过主动轮、三角带、从动轮(由两部分组成，两者在外力的作用下可以沿轴向移动)传至减速器，经过减速器内蜗轮、蜗杆的变速，动力再由小链轮、链条、大链轮传至草坪割草机后轴，驱使草坪割草机行走。^[31]

电动式割草机有一个甲板，可以保护使用者不受裸露旋转刀片的伤害，还可以将割下的草料放入收集袋、从侧卸料槽排出，或者作为覆盖物放回草坪上。后置手柄用于推动和引导割草机，也可以作为割草机控制部件的安装位置。自行行走的后置割草机由连接在电机驱动轴上的链条或皮带驱动，使得推动割草机的工作更加容易。电动式割草机比同类的燃油割草机更安静、更容易维护、重量更轻。^[14]

例如蓄电池割草机（多功能小型割草机），经相应的调压电路，分别给割草机械本体部分和控制系统供电。割草机以单片机为核心控制系统，通过传感器，感知系统采集外部环境参数信号，将采集的信号发送给控制系统，控制系统据此控制割草机机械部分采取相应行动。^[13][10]

早期的步进式割草机是手推的，使用俩端带有几个刀片的水平卷轴或滚筒。其特点简单、安静、环保、不需要太多维护，使用的同时还能锻炼身体。尽管电动卷轴割草机问世，也没有被取而代之。^[14]

往复式割草机应用剪切原理切割饲草，与理发推剪原理相似，属于有支撑切割。^[32][3]由切割器、机架（或悬挂架）、传动机构、起落机构等部件组成，可直接贴近地面进行割草，另有调节杆可调节高低及规避障碍物。^[32][33]往复式割草机具有动力消耗较小、割茬低而整齐、重割率低、饲草损失较少等特点，但其振动不易平衡、作业速度相对较低，当饲料稠密或呈缠连状时，容易出现堵刀等故障。^[32]往复式割草机主要用于杂草和细灌木丛的割草工作，多用于公路两侧、河堤绿地改造作业。往复式割草机多为自行式，发动机发动后动刀就开始运动，由手柄上的控制装置控制机器前进或后退，操作者压下或增高手柄来改变切割器的割草高度。^[3]

旋转式割草机采用高速旋转的切割器，利用刀片的线速度以无支承切割原理切割植株，其马达驱动刀片每分钟旋转3000转，刀锋尖端（切割杂草的工作部位）的线速度大约为5800米/分钟。^[14]工作部分一般由一个或几个圆盘用螺栓连接在刀盘上的几把刀片组成。^[32][34]旋转式割草机有生产率高、不易堵塞、容易更换刀片、保养方便等优点，并且，设计简单容易制造。但其功率消耗较大、重割区大、割茬不齐、碎草多，且对地面的平整度要求高。^[32][33]旋转式割草机切割速度快，可实现高速作业，适于高产饲料和高硬杆牧草收获。在湿度、密度大，倒伏严重等恶劣条件下也能工作。^[32][35]

滚刀式割草机主要适用于地面平坦、质量较高的草坪。其切割装置主要由滚刀（动刀）和底刀（定刀）组成。滚刀的形状像一个圆柱形鼠笼，切割刀呈螺旋形安装在圆柱表面上，滚刀旋转带动草茎，相对于底刀产生一个逐渐切割的滑动，剪切面将草茎剪断。滚刀式割草机割草的质量决定于滚刀上的刀片数和滚刀的转速。滚刀的刀片数（一般为3-12个不等）越多，单位长度内切割的次数就越多，切下的草也越细。同时，滚刀的转速越快，切下的草也越细。^[3]

旋刀式割草机割草时以高速旋转的刀刃与草茎碰撞而将其割断，为无支撑切割。这种割草机作业时对草坪的质量要求不高，普通人工栽植的草坪都可以使用，但割草的质量比滚刀式草坪修剪机稍差些。^[3][14]

通常利用表面强化技术增强农机零件性能，来达到延长使用寿命的目的，表面强化技术主要包括热喷涂技术、激光熔覆技术、等离子熔覆技术和等离子堆焊技术等。^[38]

可控制切割深度的割草机，包括防护罩，防护罩的顶部中心位置设有连接轴，连接轴穿透防护罩的顶部延伸至内部，连接轴的内部设有转轴，转轴的底部设有安装板，连接轴的顶部设有电动推杆，电动推杆的顶部固定设置有活动座，活动座的顶部一侧设有铝制管件，铝制管件的底端设有电动伸缩杆。通过在铝制管件的底端安装电动伸缩杆，在使用时，通过控制电动伸缩杆的延伸和收缩，来控制防护罩与铝制管件之间的角度，从而达到调节切割角度的目的，降低切割难度，提高切割效率，通过在活动座的底部设置电动推杆，来达到调节与地面间距的目的，从而实现对设备的切割深度进行调节，能够降低割草的难度，从而提高工作效率。^[39]

（1）防护罩、（2）连接轴、（3）电动推杆、（4）活动座、（5）铝制管件、（6）固定套、（7）安装座、（8）调节旋钮、（9）握杆、（10）握把套、（11）控制键、（12）无刷电机、（13）蓄电池、（14）充电接口、（15）夹座、（16）电动伸缩杆、（17）转轴、（18）安装板、（19）固定螺丝、（20）刀盘、（21）刀片。^[40]

自动割草机采用3D打印复合材料结构件，化后刀盘模态频率有所增加，抗振性能增强。在保证结构强度的前提下，大大减轻了割草机的重量，重量降低为金属构件重量的五分之一。^[41][42]

修剪高质量草坪首选滚刀式剪草机。例如高尔夫球场的果岭、发球台、球道，高水准的庭院草坪，运动场草坪以及草皮卷的生产。某些滚刀式剪草机在某些特定区域（例如果岭）即使将修剪高度降至2.5mm仍能展现出高质量的草坪。^[3]

一般绿化景观的低养护草坪（如广场、公园、学校、工厂绿化草坪），修剪高度控制在4～15cm，常选用旋刀剪草机。旋刀式剪草机与滚刀式剪草机相比，机器保养简单，通用性强，尤其可用于修剪生长高度较高或粗质穗部的草坪草和杂草，例如，较易形成粗质穗部的草坪草种（美洲雀稗bài、假俭草、钝叶草）。^[3]

主要指豆科牧草紫花首蓓，首选双圆盘割草机。紫花首蓓最佳收割时间为孕蕾期一初花期，时间很短，仅靠人工难以完成整个收获工作，因此，收获作业则必须借助牧草收获机械完成。^[4]

中国的割草机仍以步行操作推行式为主，技术含量较低，低价竞争激烈。未来将进一步朝着自动化程度更高、操作更舒适的方向发展。^[19]智能化指割草机能自主的完成修剪整理草坪工作，无需人为控制和操作，具有自动防止碰撞、自动电池电量检测、自动返回充电等功能。^[43]

多功能化，即一机多用，通过功能模块切换或更换不同的机具附件即可完成不同的作业，用尽可能少的机械品种完成尽可能多的作业，提高机器利用率。多功能化研究是割草机制造企业研究的重点内容之一。^[19]

随着世界环保意识的提高和各国环保法则的日益严格，对于相关产品在环保方面的要求也越来越高。例如，曾一度用作割草机动力的二冲程发动机被噪声低、排放污染相对低的四冲程发动机代替。随着环保要求的进一步提高，未来对汽油类割草机的排放要求也会更高，以电机为动力的割草机在未来将进一步占据市场空间。^[19]

随着蓄电池技术的发展和推广应用，以及高性能环保电池制造成本的大幅降低，研制摆脱电线的无线割草机成为可能。市场上的一些以蓄电池为储能器的割草机，因其电池容量大，成本高，并未广泛普及。若能将储能电池与太阳能电池板结合，有利于打开无线割草机市场。^[43]

在设计初期合理匹配割草机作业速度与割刀工作速度。牵引式割草机应充分考虑配套拖拉机的输出转速，结合自身传动系统匹配合适的动力以实现高效作业。自走式割草机在整机设计中，应保证传动比合理，确保发动机驱动割草机前进的同时保持一定的割刀转速。^[44]