第三节 切割器及理论分析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 割刀的绝对运动方向垂直与割刀 刃口的切割方式。 V P 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。 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。 Vn P Vt V 切割理论的力学试验结果和割刀运动几何 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 ） 600 1.5 500 2.0 400 5 200 40 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。 由此而得： 高略契金常数定理 割刀运动几何分析：对比分析割刀刃口上某 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 E A C B 正切 2.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 = 12 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。 P Pw 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， P Pw。 切割速度较 低时，茎秆将被推倒或折断。 P Pw 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、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 = t t0 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 t0 t S=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 = t to 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 o A B t x x y 特点：机构简单、成本低廉，但占据空间大。 FLAISH FLAISHFLAISH 2.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 o1 o x y A 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 。 FLAISH FLAISH 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 h h1 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 b h a d Vn VA b 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： o P a=76 b=17 h=55 d=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。 C F1 F2 R1 R2 1 2 A N1 B N 2 o 1 、 2 分别表示动定刀 片与谷物茎秆的摩擦角 ， 1+ 2 45520， 在 三角形 OAB中： 在 四边形 OACB中： 将以上两式联立，可得 钳住 茎秆的条件为： 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 o A B t x x y r 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。 o r r o x Vx r r A B 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。 在这里有一个问题需要说明，往复式切割 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。 设： 割刀速度 Vp与 机组前进速度 Vm的比值。 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。 H H S b o A H H S b o A 由图可知，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。 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。 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