三节切割器及理论分析

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1、第三节 切割器及理论分析 一.谷物茎秆的切割理论二.切割器的类型与构造 三.往复式切割器的传动机构四.切割器的工作原理及运动分析 五.切割器的功率消耗 六.割刀惯性力的平衡理论第三节 切割器 一.谷物茎秆的切割理论 切割器是收割机上的重要工作部件，他主要完成对谷物茎秆的切割任务，为了有一个良好的工作质量，一般对切割器有如下的技术要求：割茬整齐、不漏割、不堵刀、功率消耗小。实验结果表明：谷物茎秆的切割过程与割刀的特性、茎秆的物理机械性质、切割方式、切割速度、割刀与茎秆的相对位置等有关。1.切割方式对切割性能的影响 所谓切割方式主要是指割刀进入材料的方向，归纳起来主要有正切和滑切两种基本方式。正切

2、割刀的绝对运动方向垂直与割刀刃口的切割方式。VP割刀刃口观察几种典型的切割方式P横切P斜切P削切 实验结果表明：正切中的三种切割方式因其切入茎秆的方向与茎秆本身的纤维方向存在较大的差异，切割阻力和切割功率消耗也不同。其中，横切阻力最大，斜切比横切下降30%40%，削切比横切下降60%。结论：横切、斜切、削切三种切割方式均应属正切。结论：横切、斜切、削切三种切割方式均应属正切。滑切割刀的绝对运动方向与割刀刃口既不垂直又不平行的切割方式。设：Vn割刀运动的法向速度；Vt割刀运动的切向速度；割刀运动的绝对速度 方向与法向速度方向的夹 角，此处定义为滑切角。VnPVtV 切割理论的力学试验结果和割刀运

3、动几何分析结果表明，滑切比正切省力。滑切比正切省力的机理？高略契金力学试验：高略契金力学试验步骤是，在割刀上一面施加法向力P，一面使割刀刃口沿切向方向产生滑移，滑移量为S，在切割条件相同的情况下（材料、深度），产生如下一组对比数据：割刀切向滑移值S（mm）规定试验切割深度所需法向力P（g）6001.55002.0400520040 高略契金力学试验结果表明，割刀在切割同一种材料、同一深度的物料时，切向滑移量越大，所需切割力就越小，即切割越省力。试验过程表明，当割刀切向滑移量为零时即为正切，只要存在滑移就会产生滑切，因此，滑切比正切省力。3P SC由此而得：高略契金常数定理割刀运动几何分析：对比

4、分析割刀刃口上某质点进入材料时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.茎秆的物理机械性质的影响 茎秆的物理机械性质主要是指茎秆本身所固有的一些特性，他包括切割阻力、弯曲阻力、弹性摸量、抗弯强度等。而这些因素随茎秆的品种、成熟度和湿度等的变化而变化。只要割刀克服了横切面内的切割阻力，茎秆就会被切断。但是，在切割象小麦、水稻这样的刚度较小的作物时，只要受到较小的外力就会发生弯斜，给顺利切割造成一定的困难。因此，要实现对茎秆的完全切割，一般可采取二种措施：低速有支承切割和高速无支承切割有

5、支承切割在动刀片运动的反向施加一支承力的切割称为有支承切割。单支承切割用动刀片配合定刀片的切割。定刀片动刀片P双支承切割用动刀片配合带有护刃器的 定刀片的切割。动刀片P定刀片护刃器 有支承切割可使茎秆获得一定的抗弯能力，可在低速状态下进行切割，切割速度为：Vp=12 m/s研究结果表明：在同样切割速度的情况下，双支承切割比单支承切割能获得较好的使用参数。在进行单支承切割时，切割速度为Vp=12 m/s，要保证正常的切割，动、定刀片之间的切割间隙必须在=00.5mm范围内，否则，茎秆的切割阻力增大，有可能发生撕裂现象。这给切割器的设计与安装带来很大的困难。而在进行双支承切割时，切割速度为Vp=1

6、2 m/s，相对于割刀的上下抗弯能力有较大幅度的增强，动、定刀片之间的切割间隙可允许在=11.5mm范围内，这就给切割器的设计、使用、安装提供了比较宽松的条件，所以目前收获机械普遍采用双支承切割方式。00.5单支承11.5双支承无支承切割只有动刀片而无定刀片直接切割茎秆的切割称为无支承切割。PPw 由于茎秆是在没有任何扶持的状态下进行切割的，仅靠茎秆自身的抗弯能力Pw是很难与动刀片的切割力相平衡的，此时，PPw。切割速度较低时，茎秆将被推倒或折断。PPw 但当动刀片以较高的速度进入材料时，原来静止的茎秆在瞬间获得动刀片所传递的速度并立即产生很大的加速度以及与其方向相反的惯性力Pg。速度越大则惯

7、性力就越大，因而茎秆的抗弯能力也就越大，有利于茎秆的顺利切割。Pg 当P=Pg+Pw 时，可使得茎秆在直立状态下实现切割，因此，无支承切割所需的切割速度要比有支承切割大的多。例如，切割小麦时，使用带有护刃器的往复式切割器，其切割速度仅为12m/s，而无支承的回转式切割器的刀片速度则需1020m/s，如果切割牧草，则需4050m/s，这使得机构功率消耗增大、振动增加，传动装置也将比较复杂。3.切割速度与切割阻力的关系 试验结果表明，随着切割速度的增加，切割阻力有所下降。速度阻力关系图如下：切割速度切割阻力0二.切割器的类型与构造 从目前收割机和联合收获机应用情况看，切割器主要有回转式切割器和往复

8、式切割器二种基本类型。回转式切割器一般为一高速旋转的水平刀盘，工作幅宽小、功率消耗大，大多用于园艺管理、茶树修剪等作业，很少在谷物收获系统中使用。一种装有回转式切割器的微型联合收获机大型回转切割器式联合收获机 往复式切割器一般由动刀片、定刀片、护刃器、压刃器、摩擦片、刀杆等组成。往复式切割器构造1.护刃器架 2.螺栓 3.摩擦片 4.压刃板 5.刀杆 6.护板 7.定刀片 8.动刀片 9.护刃器护刃器刀杆定刀片动刀片摩擦片压刃器往复式切割器结构关系简图往复式切割器的构成护刃器与定刀片动刀片与刀杆压刃器摩擦片 动刀片与定刀片相对做直线往复运动，平均切割速度为12m/s，特点是：结构简单、工作可靠

9、、适应能力强、作业幅宽大，纵向尺寸小，目前绝大多数的收割机和联合收获机上采用这种形式的切割器。本节的重点也将针对往复式切割器的类型、结构、工作原理、参数分析等进行介绍。根据动刀片直线运动行程S、相邻动刀片和相邻定刀片之间的安装间距 t 和 t0 三者的组合关系，往复式切割器可分为三种基本类型。1.标准型切割器S=tt0动刀片定刀片结构尺寸关系为：S=t=t0=76.2 mm；工作特点是：割刀的切割速度较高，切割性能好，对粗细茎秆有较强的适应性，广泛用于稻麦作物的收割机械上。2.双刀距型切割器t0tS=2t=2to结构尺寸关系为S=2 t=2 t0=152.4 mm；工作特点特点：割刀往复运动频

10、率低，惯性力小、适合于抗振性较差的小型收割机。3.低割型切割器S=tto结构尺寸关系为：S=t=2 t0=76.2 mm；在标准型切割器的基础上，在两定刀片之间又增加了一个定刀片，使得定刀片之间的间距缩小1倍，切割谷物时，茎秆的横向歪斜量小，割茬较低，对收割低夹大豆和牧草较为有利。但有堵刀现象。三.往复式切割器的传动机构 往复式切割器的工作特点是动刀片做直线往复运动，要实现将动力输出的旋转运动变为割刀的直线运动，方法很多，目前在收割机械上应用较多的有三种类型：曲柄连杆机构、摆环机构、行星齿轮机构，其中曲柄连杆机构应用最广。1.曲柄连杆机构 oABtxxy特点：机构简单、成本低廉，但占据空间大。

11、FLAISHFLAISHFLAISH2.摆环机构 特点：结构紧凑、铰链较少、工作可靠、制造成本高。3.行星齿轮机构 o1oxyA 行星齿轮的节圆直径是齿圈节圆直径的一半，销轴置于割刀的运动直线上，曲柄回转时，销轴在割刀运动方向线上作往复运动，其行程等于齿圈节圆直径。特点：结构紧凑、振动小，便于机构配置，但成本高，机构复杂。FLAISHFLAISH四.往复式切割器的工作原理及运动分析 1.刀片的几何形状 无论使用什么样的切割器，都必须满足滑切的要求，而能否保证割刀直线运动下的滑切，割刀的几何形状非常关键。目前，比较理想的几何形状是梯形和三角形，而梯形更具合理性，因为三角形一旦出现磨损，将影响割刀

12、刃口的长度，近而最终影响割刀的切割质量。梯形刀片结构三角形动刀片梯形动刀片hh1结论：梯形动刀片比三角形动刀片使用寿命长，工作质量高，是目前最常用的结构形式。（还有另外一个原因，后面介绍）。磨损后磨损后梯形刀片的结构参数bhadVnVAb前桥宽，a底部宽h刃部高 滑切角 一般情况下，越大，滑切能力越强，切割也就越省力，当由150增至450时，切割阻力将减少一半。滑切角与切割阻力P之间的关系曲线如下：oPa=76b=17h=55d=24 但要特别注意的是，的变化范围一定要首先满足茎秆被动定刀片钳住的条件：切割瞬时，两刃口作用于茎秆的合力R1、R2 必须在同一直线上。CF1F2R1R212AN1B

13、N2o1、2 分别表示动定刀片与谷物茎秆的摩擦角，1+245520，在三角形OAB中：21在四边形OACB中：2OBCOAC将以上两式联立，可得钳住茎秆的条件为：12 试验结果表明：当=290，=6015/时，割刀的切割效果最好。2.割刀的运动分析 割刀的运动特性对切割器性能有直接的影响，由于往复式切割器的动刀片工作时在曲柄连杆机构的驱动下做横向的往复直线运动，其运动是间歇的。我们通过对该机构的运动分析找出割刀位移与速度之间的关系，为合理的确定割刀速度与机组前进速度配合关系提供理论依据。建立动刀片的运动方程cosxrt 2222222sin sin 1 cos cos xVrtrtrtrrtr

14、x122222rVrxxoABtxxyr 可以看出，割刀速度与割刀位移之间的关系为一椭圆方程式，长半轴为r，短半轴为r，他反映了割刀在其运动过程中，任意一点的速度是不相同的，有时，为了研究的方便，将图中的长半轴r缩小倍，这样割刀速度与位移之间的关系图就可用一标准圆来表达，后面我们将会用到这个结果。orroxVxrrAB 由于割刀的横向直线运动速度是变化的，应用起来很不方便，因此我们引进割刀的平均速度Vp 的概念。设：t割刀运动一个行程S=2r内所用时间；n曲柄转速（r/min）；如果60妙转动n圈，则曲柄转动半圈所用时间为t=30/n。3015pSnSnrVt 在这里有一个问题需要说明，往复式

15、切割器割刀的运动是水平横向运动和直线前进运动的合成，割刀横向运动的平均速度Vp与机器前进运动的速度Vm的 配合关系，决定了割刀绝对运动轨迹，这一配合关系我们习惯上用割刀进距（切割进距）H来表示。割刀进距割刀完成一个行程 S的时间t内机组所前进的距离。30mmVHV tn设：割刀速度Vp与机组前进速度Vm的比值。3030pmnSVSnHVH 试验结果表明，的大小对割刀的切割质量影响很大，我们必须进行必要的量化处理，即给出值的大小，确定Vp 与Vm的配合关系。通常我们用作图的方法切割图，来确定值的大小。切割图利用作图法，画出动刀片的绝对运动轨迹，分析割刀的切割过程。HHSboAHHSboA 由图可

16、知，在定刀片运动轨迹线内的谷物茎秆将被动刀片切割，切割区内的茎秆在动刀片的左右推动下被推向定刀片实施剪切，由于值的不同，切割区内茎秆 被处理的程度也有些不同，有可能出现三种情况。=1区（一次切割区）：在此区内的茎秆首先被动刀片推至定刀片刃口线上，并在定刀片和护刃器的双支承下被切割，由于动刀片只有一次通过该区，故称为一次切割区。区内的茎秆由于所处的位置不同，多数茎秆是在横向歪斜状态下被切割的，歪斜状态下被切割的茎秆割茬高度有所增加。=1.4区（重割区）：动刀片刃口线两次通过该区，有可能发生对茎秆的二次切割但并非一定。当区面积较小时，且位于切割区的中部，尽管动刀片两次通过该区，但由于茎秆左右歪斜量

17、大致相同，不可能发生重割。反之，当由于割刀进距H较小时，区面积增大，在第二次行程时，离动刀片较远而离定刀片较近的茎秆就有可能被重割一次。重割将无谓地增加功率的消耗。=0.7区（空白区）：动刀片的刃口线没有经过该区，如果该区面积较小时，且位于动刀片前桥宽度b的扫描范围之内，茎秆将被动刀片的前桥推向割刀下次行程的一次切割区内被切割，但歪斜量较大，割茬较高，且为集束切割，切割阻力大，功率消耗增加。如果割刀进距H过大，空白区增大，动刀片前桥宽度b的扫描面积没有全部掠过该区域，就有可能造成漏割。经以上分析我们不难看出，值的大小或H值的正确选取对割刀的切割质量影响很大，通过绘制切割图，就可以确定最佳的速度

18、比值，一般为=0.81.2。五.切割器的功率消耗 切割器工作时的功率消耗主要有切割功率消耗Ng 和空转功率消耗Nk两部分组成。0 1000mgV BLNkW 式中：Vm机组前进速度，（m/s）；B 机组作业幅宽，（m）；L0割刀切割每平方米面积的作物茎秆所需功值 （N.m/m2），据测试，收割小麦时，L0=100200。0.6 1.1 kNBkW六.割刀惯性力的平衡 往复式切割器在工作时做高速往复直线运动，由于其速度是变化的，将在机器上产生较大的惯性力，速度越高惯性力就越大，机器的振动也就越严重。据测试，每米割刀所产生的惯性力高达600800N，严重地影响了机器的使用寿命和工作质量，因此，必须

19、对割刀的惯性力予以平衡。以曲柄连杆机构为研究对象，建立割刀惯性力的平衡关系式。常用的措施：在曲柄销对面增加平衡配重设：Md割刀质量;Me连杆质量;r曲柄半径;曲柄回转角速度;Mp配重质量;rp配重块回转半径;a割刀加速度，a=r2cost。MeMd22cos3ddePMMrtoABtxxyr213qePM rrpMp2pp pPM r 为了研究方便，设连杆质量 Me的 2/3 随割刀做直线往复运动，1/3 随曲柄销做圆的运动。当t=0900时，加速度a为正值，此时，Pd与Pq同向，方向为x的反向。当t=900时，割刀在x轴上所受到的力最小，只有Pd，此时，Pq和Pp在x轴上的投影为零。MeMd

20、22cos3ddePMMrtoABtxxyr213qePM rrpMp2pp pPM rMeMd22cos3ddePMMrtoABtxxyr213qePM rrpMp2pp pPM r机构受力平衡式如下：22221coscoscos33deep pMMrtM rtM rt22221coscoscos33deep pMMrtM rtM rt整理得：ppeedrMrMrMM3132 这是割刀在水平方向上的全平衡方程式，他不是永恒的，而是变化的。Pq和Pp的方向随着的变化而变化。当割刀转至水平方向时，可满足全平衡的要求。但当曲柄销转至垂直位置时，在y方向上将会出现新的最大不平衡，因为此时，Pd在y轴上的投影为零，Pp远大于Pq，从而引起机构在上下或前后的剧烈振动。为了解决这一矛盾，目前采用较多的是部分平衡法，意在既能够平衡掉一部分水平方向上的割刀惯性力，又不致割刀在垂直方向上出现较大的振动。ppeedrMrMrMM3132为平衡程度系数，一般取值为=0.25 0.5。思考题1.谷物茎杆的切割过程与那些因素有关？2.正切与滑切的概念？滑切比正切省力的原因？3.高速无支承切割的机理是什么？4.为什么大多采用梯形刀片结构？5.何谓切割进距？如何利用切割图评价割刀速度 与机组速度配合程度对切割质量的影响？6.往复式切割器惯性力平衡为何采用部分平衡法？