第三節(jié) 切割器及理論分析

1、第三節(jié) 切割器及理論分析 一.谷物莖稈的切割理論二.切割器的類型與構(gòu)造 三.往復(fù)式切割器的傳動機構(gòu)四.切割器的工作原理及運動分析 五.切割器的功率消耗 六.割刀慣性力的平衡理論第三節(jié) 切割器 一.谷物莖稈的切割理論 切割器是收割機上的重要工作部件，他主要完成對谷物莖稈的切割任務(wù)，為了有一個良好的工作質(zhì)量，一般對切割器有如下的技術(shù)要求：割茬整齊、不漏割、不堵刀、功率消耗小。 實驗結(jié)果表明：谷物莖稈的切割過程與割刀的特性、莖稈的物理機械性質(zhì)、切割方式、切割速度、割刀與莖稈的相對位置等有關(guān)。1.切割方式對切割性能的影響 所謂切割方式主要是指割刀進入材料的方向，歸納起來主要有正切和滑切兩種基本方式。

2、正切割刀的絕對運動方向垂直與割刀刃口的切割方式。VP割刀刃口觀察幾種典型的切割方式P橫切P斜切P削切 實驗結(jié)果表明：正切中的三種切割方式因其切入莖稈的方向與莖稈本身的纖維方向存在較大的差異，切割阻力和切割功率消耗也不同。其中，橫切阻力最大，斜切比橫切下降30%40%，削切比橫切下降60%。 結(jié)論：橫切、斜切、削切三種切割方式均應(yīng)屬正切。結(jié)論：橫切、斜切、削切三種切割方式均應(yīng)屬正切。 滑切割刀的絕對運動方向與割刀刃口既不垂直又不平行的切割方式。 設(shè)：Vn割刀運動的法向速度； Vt割刀運動的切向速度； 割刀運動的絕對速度 方向與法向速度方向的夾 角，此處定義為滑切角。 VnPVtV 切割理論的力學(xué)

3、試驗結(jié)果和割刀運動幾何分析結(jié)果表明，滑切比正切省力。 滑切比正切省力的機理？高略契金力學(xué)試驗：高略契金力學(xué)試驗步驟是，在割刀上一面施加法向力P，一面使割刀刃口沿切向方向產(chǎn)生滑移，滑移量為S，在切割條件相同的情況下（材料、深度），產(chǎn)生如下一組對比數(shù)據(jù)： 割刀切向滑移值S（mm） 規(guī)定試驗切割深度所需法向力P （g）6001.55002.0400520040 高略契金力學(xué)試驗結(jié)果表明，割刀在切割同一種材料、同一深度的物料時，切向滑移量越大，所需切割力就越小，即切割越省力。試驗過程表明，當(dāng)割刀切向滑移量為零時即為正切，只要存在滑移就會產(chǎn)生滑切，因此，滑切比正切省力。3P SC由此而得：高略契金常數(shù)定

4、理割刀運動幾何分析：對比分析割刀刃口上某質(zhì)點進入材料時正切刃口角和滑切刃口角的大小，刃口角越小越省力。 /D滑切EACB正切 , , , cosBCDEACtgtgDEBCAEACAEcos , cos1 , , tgtgtgtg2.莖稈的物理機械性質(zhì)的影響 莖稈的物理機械性質(zhì)主要是指莖稈本身所固有的一些特性，他包括切割阻力、彎曲阻力、彈性摸量、抗彎強度等。而這些因素隨莖稈的品種、成熟度和濕度等的變化而變化。只要割刀克服了橫切面內(nèi)的切割阻力，莖稈就會被切斷。 但是，在切割象小麥、水稻這樣的剛度較小的作物時，只要受到較小的外力就會發(fā)生彎斜，給順利切割造成一定的困難。因此，要實現(xiàn)對莖稈的完全切割，

5、一般可采取二種措施： 低速有支承切割和高速無支承切割有支承切割在動刀片運動的反向施加一支承力的切割稱為有支承切割。 單支承切割用動刀片配合定刀片的切割。定刀片動刀片P雙支承切割用動刀片配合帶有護刃器的 定刀片的切割 。動刀片P定刀片護刃器 有支承切割可使莖稈獲得一定的抗彎能力，可在低速狀態(tài)下進行切割，切割速度為： Vp = 12 m / s研究結(jié)果表明：在同樣切割速度的情況下，雙支承切割比單支承切割能獲得較好的使用參數(shù)。 在進行單支承切割時，切割速度為Vp = 12 m / s，要保證正常的切割，動、定刀片之間的切割間隙必須在= 00.5mm范圍內(nèi)，否則，莖稈的切割阻力增大，有可能發(fā)生撕裂現(xiàn)象

6、。這給切割器的設(shè)計與安裝帶來很大的困難 。 而在進行雙支承切割時，切割速度為Vp = 12 m / s，相對于割刀的上下抗彎能力有較大幅度的增強，動、定刀片之間的切割間隙可允許在= 11.5mm范圍內(nèi)，這就給切割器的設(shè)計、使用、安裝提供了比較寬松的條件，所以目前收獲機械普遍采用雙支承切割方式。 00.5單支承11.5雙支承無支承切割只有動刀片而無定刀片直接切割莖稈的切割稱為無支承切割。 PPw 由于莖稈是在沒有任何扶持的狀態(tài)下進行切割的，僅靠莖稈自身的抗彎能力Pw是很難與動刀片的切割力相平衡的，此時，PPw。切割速度較低時，莖稈將被推倒或折斷。 PPw 但當(dāng)動刀片以較高的速度進入材料時，原來靜

7、止的莖稈在瞬間獲得動刀片所傳遞的速度并立即產(chǎn)生很大的加速度以及與其方向相反的慣性力Pg。速度越大則慣性力就越大，因而莖稈的抗彎能力也就越大，有利于莖稈的順利切割。 Pg 當(dāng)P = Pg + Pw 時，可使得莖稈在直立狀態(tài)下實現(xiàn)切割，因此，無支承切割所需的切割速度要比有支承切割大的多。 例如，切割小麥時，使用帶有護刃器的往復(fù)式切割器，其切割速度僅為12m / s，而無支承的回轉(zhuǎn)式切割器的刀片速度則需1020m/s，如果切割牧草，則需4050m/s，這使得機構(gòu)功率消耗增大、振動增加，傳動裝置也將比較復(fù)雜。3.切割速度與切割阻力的關(guān)系 試驗結(jié)果表明，隨著切割速度的增加，切割阻力有所下降。速度阻力關(guān)系

8、圖如下： 切割速度切割阻力0二.切割器的類型與構(gòu)造 從目前收割機和聯(lián)合收獲機應(yīng)用情況看，切割器主要有回轉(zhuǎn)式切割器和往復(fù)式切割器二種基本類型。 回轉(zhuǎn)式切割器一般為一高速旋轉(zhuǎn)的水平刀盤，工作幅寬小、功率消耗大，大多用于園藝管理、茶樹修剪等作業(yè)，很少在谷物收獲系統(tǒng)中使用。 一種裝有回轉(zhuǎn)式切割器的微型聯(lián)合收獲機大型回轉(zhuǎn)切割器式聯(lián)合收獲機 往復(fù)式切割器一般由動刀片、定刀片、護刃器、壓刃器、摩擦片、刀桿等組成。 往復(fù)式切割器構(gòu)造1.護刃器架 2.螺栓 3.摩擦片 4.壓刃板 5.刀桿 6.護板 7.定刀片 8.動刀片 9.護刃器護刃器刀桿定刀片動刀片摩擦片壓刃器往復(fù)式切割器結(jié)構(gòu)關(guān)系簡圖往復(fù)式切割器的構(gòu)成護

9、刃器與定刀片動刀片與刀桿壓刃器摩擦片 動刀片與定刀片相對做直線往復(fù)運動，平均切割速度為12m/s，特點是：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、適應(yīng)能力強、作業(yè)幅寬大，縱向尺寸小，目前絕大多數(shù)的收割機和聯(lián)合收獲機上采用這種形式的切割器。本節(jié)的重點也將針對往復(fù)式切割器的類型、結(jié)構(gòu)、工作原理、參數(shù)分析等進行介紹。 根據(jù)動刀片直線運動行程S、相鄰動刀片和相鄰定刀片之間的安裝間距 t 和 t0 三者的組合關(guān)系，往復(fù)式切割器可分為三種基本類型。 1.標(biāo)準(zhǔn)型切割器S = tt0動刀片定刀片結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系為 ：S = t = t0 =76.2 mm ；工作特點是：割刀的切割速度較高，切割性能好，對粗細莖稈有較強的適應(yīng)性，廣泛用

10、于稻麥作物的收割機械上。2.雙刀距型切割器t0tS=2t=2to結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系為S =2 t =2 t0 =152.4 mm；工作特點特點：割刀往復(fù)運動頻率低，慣性力小、適合于抗振性較差的小型收割機。 3.低割型切割器S = tto結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系為：S = t =2 t0 =76.2 mm；在標(biāo)準(zhǔn)型切割器的基礎(chǔ)上，在兩定刀片之間又增加了一個定刀片，使得定刀片之間的間距縮小1倍，切割谷物時，莖稈的橫向歪斜量小，割茬較低，對收割低夾大豆和牧草較為有利。但有堵刀現(xiàn)象。 三.往復(fù)式切割器的傳動機構(gòu) 往復(fù)式切割器的工作特點是動刀片做直線往復(fù)運動，要實現(xiàn)將動力輸出的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)楦畹兜闹本€運動，方法很多，目前在

11、收割機械上應(yīng)用較多的有三種類型：曲柄連桿機構(gòu)、擺環(huán)機構(gòu)、行星齒輪機構(gòu)，其中曲柄連桿機構(gòu)應(yīng)用最廣。 1.曲柄連桿機構(gòu) oABtxxy特點：機構(gòu)簡單、成本低廉，但占據(jù)空間大。 FLAISHFLAISHFLAISH2.擺環(huán)機構(gòu) 特點：結(jié)構(gòu)緊湊、鉸鏈較少、工作可靠、制造成本高。 3.行星齒輪機構(gòu) o1oxyA 行星齒輪的節(jié)圓直徑是齒圈節(jié)圓直徑的一半，銷軸置于割刀的運動直線上，曲柄回轉(zhuǎn)時，銷軸在割刀運動方向線上作往復(fù)運動，其行程等于齒圈節(jié)圓直徑。特點：結(jié)構(gòu)緊湊、振動小，便于機構(gòu)配置，但成本高，機構(gòu)復(fù)雜 。FLAISHFLAISH四.往復(fù)式切割器的工作原理及運動分析 1.刀片的幾何形狀 無論使用什么樣的切

12、割器，都必須滿足滑切的要求，而能否保證割刀直線運動下的滑切，割刀的幾何形狀非常關(guān)鍵。目前，比較理想的幾何形狀是梯形和三角形，而梯形更具合理性，因為三角形一旦出現(xiàn)磨損，將影響割刀刃口的長度，近而最終影響割刀的切割質(zhì)量。 梯形刀片結(jié)構(gòu)三角形動刀片梯形動刀片hh1結(jié)論：梯形動刀片比三角形動刀片使用壽命長，工作質(zhì)量高，是目前最常用的結(jié)構(gòu)形式。（還有另外一個原因，后面介紹）。磨損后磨損后梯形刀片的結(jié)構(gòu)參數(shù)bhadVnVAb前橋?qū)挘琣底部寬h刃部高 滑切角 一般情況下，越大，滑切能力越強，切割也就越省力，當(dāng)由150增至450時，切割阻力將減少一半。滑切角與切割阻力P之間的關(guān)系曲線如下： oPa=76b=1

13、7h=55d=24 但要特別注意的是，的變化范圍一定要首先滿足莖稈被動定刀片鉗住的條件：切割瞬時，兩刃口作用于莖稈的合力R1、R2 必須在同一直線上。CF1F2R1R212AN1BN2o1 、2 分別表示動定刀片與谷物莖稈的摩擦角， 1+245520，在三角形OAB中：21在四邊形OACB中：2OBCOAC將以上兩式聯(lián)立，可得鉗住莖稈的條件為：12 試驗結(jié)果表明：當(dāng)=290，=6015/ 時，割刀的切割效果最好。 2.割刀的運動分析 割刀的運動特性對切割器性能有直接的影響，由于往復(fù)式切割器的動刀片工作時在曲柄連桿機構(gòu)的驅(qū)動下做橫向的往復(fù)直線運動，其運動是間歇的。我們通過對該機構(gòu)的運動分析找出割

14、刀位移與速度之間的關(guān)系，為合理的確定割刀速度與機組前進速度配合關(guān)系提供理論依據(jù)。 建立動刀片的運動方程cosxrt 2222222sin sin 1 cos cos xVrtrtrtrrtrx122222rVrxxoABtxxyr 可以看出，割刀速度與割刀位移之間的關(guān)系為一橢圓方程式，長半軸為r，短半軸為r，他反映了割刀在其運動過程中，任意一點的速度是不相同的，有時，為了研究的方便，將圖中的長半軸r縮小倍，這樣割刀速度與位移之間的關(guān)系圖就可用一標(biāo)準(zhǔn)圓來表達，后面我們將會用到這個結(jié)果。 orroxVxrrAB 由于割刀的橫向直線運動速度是變化的，應(yīng)用起來很不方便，因此我們引進割刀的平均速度Vp

15、的概念。 設(shè)： t割刀運動一個行程S=2r內(nèi)所用時間； n曲柄轉(zhuǎn)速（r/min）；如果60妙轉(zhuǎn)動n圈，則曲柄轉(zhuǎn)動半圈所用時間為t=30/n。 3015pSnSnrVt 在這里有一個問題需要說明，往復(fù)式切割器割刀的運動是水平橫向運動和直線前進運動的合成，割刀橫向運動的平均速度Vp與機器前進運動的速度Vm的 配合關(guān)系，決定了割刀絕對運動軌跡，這一配合關(guān)系我們習(xí)慣上用割刀進距（切割進距）H來表示。 割刀進距割刀完成一個行程 S的時間t內(nèi)機組所前進的距離。 30mmVHV tn設(shè)：割刀速度Vp與機組前進速度Vm的比值。3030pmnSVSnHVH 試驗結(jié)果表明，的大小對割刀的切割質(zhì)量影響很大，我們必須

16、進行必要的量化處理，即給出值的大小，確定Vp 與Vm的配合關(guān)系。通常我們用作圖的方法切割圖，來確定值的大小。 切割圖利用作圖法，畫出動刀片的絕對運動軌跡，分析割刀的切割過程。 HHSboAHHSboA 由圖可知，在定刀片運動軌跡線內(nèi)的谷物莖稈將被動刀片切割，切割區(qū)內(nèi)的莖稈在動刀片的左右推動下被推向定刀片實施剪切，由于值的不同，切割區(qū)內(nèi)莖稈 被處理的程度也有些不同，有可能出現(xiàn)三種情況。=1區(qū)（一次切割區(qū)）：在此區(qū)內(nèi)的莖稈首先被動刀片推至定刀片刃口線上，并在定刀片和護刃器的雙支承下被切割，由于動刀片只有一次通過該區(qū)，故稱為一次切割區(qū)。區(qū)內(nèi)的莖稈由于所處的位置不同，多數(shù)莖稈是在橫向歪斜狀態(tài)下被切割的

17、，歪斜狀態(tài)下被切割的莖稈割茬高度有所增加。 =1.4區(qū)（重割區(qū)）：動刀片刃口線兩次通過該區(qū)，有可能發(fā)生對莖稈的二次切割但并非一定。當(dāng)區(qū)面積較小時，且位于切割區(qū)的中部，盡管動刀片兩次通過該區(qū)，但由于莖稈左右歪斜量大致相同，不可能發(fā)生重割。反之，當(dāng)由于割刀進距H較小時，區(qū)面積增大，在第二次行程時，離動刀片較遠而離定刀片較近的莖稈就有可能被重割一次。重割將無謂地增加功率的消耗。 =0.7區(qū)（空白區(qū)）：動刀片的刃口線沒有經(jīng)過該區(qū)，如果該區(qū)面積較小時，且位于動刀片前橋?qū)挾萣的掃描范圍之內(nèi)，莖稈將被動刀片的前橋推向割刀下次行程的一次切割區(qū)內(nèi)被切割，但歪斜量較大，割茬較高，且為集束切割，切割阻力大，功率消耗

18、增加。如果割刀進距H過大，空白區(qū)增大，動刀片前橋?qū)挾萣的掃描面積沒有全部掠過該區(qū)域，就有可能造成漏割。 經(jīng)以上分析我們不難看出，值的大小或H值的正確選取對割刀的切割質(zhì)量影響很大，通過繪制切割圖，就可以確定最佳的速度比值，一般為= 0.81.2 。 五.切割器的功率消耗 切割器工作時的功率消耗主要有切割功率消耗Ng 和空轉(zhuǎn)功率消耗Nk兩部分組成。 0 1000mgV BLNkW 式中：Vm機組前進速度，（m/s）； B 機組作業(yè)幅寬，（m）； L0割刀切割每平方米面積的作物莖稈所需功值 （N.m / m2），據(jù)測試，收割小麥時，L0=100200。 0.6 1.1 kNBkW六.割刀慣性力的平衡

19、 往復(fù)式切割器在工作時做高速往復(fù)直線運動，由于其速度是變化的，將在機器上產(chǎn)生較大的慣性力，速度越高慣性力就越大，機器的振動也就越嚴(yán)重。據(jù)測試，每米割刀所產(chǎn)生的慣性力高達600800N，嚴(yán)重地影響了機器的使用壽命和工作質(zhì)量，因此，必須對割刀的慣性力予以平衡。以曲柄連桿機構(gòu)為研究對象，建立割刀慣性力的平衡關(guān)系式。 常用的措施：在曲柄銷對面增加平衡配重設(shè)：Md割刀質(zhì)量; Me連桿質(zhì)量; r曲柄半徑; 曲柄回轉(zhuǎn)角速度; Mp配重質(zhì)量; rp配重塊回轉(zhuǎn)半徑; a割刀加速度，a=r2cost 。MeMd22cos3ddePMMrtoABtxxyr213qePM rrpMp2pp pPM r 為了研究方便，設(shè)連桿質(zhì)量 Me的 2/3 隨割刀做直線往復(fù)運動，1/3 隨曲柄銷做圓的運動。 當(dāng)t=0900時，加速度a為正值，此時，Pd與Pq