三节切割器及理论分析 课件

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

2、,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,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,V,n,割刀运动的法向速度,V,t,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,V,n,P,V,t,V,切割理

3、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

4、力,3,P,S,C,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,c,o,s,B,C,D,E,A,C,t,g,t,g,D,E,B,C,A,E,A,C,A,E,c,o,s,c,o,s,1,t,g,t,g,t,g,t,g,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

5、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,V,p,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,V,p,12 m /

6、 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,V,p,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,0,0,5,单支承,1,1,5,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,P,w,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

7、抗弯能力,P,w,是很难,与动刀片的切割力相平衡的,此时,P,P,w,切割速度较,低时，茎秆将被推倒或折断,P,P,w,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,P,g,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,P,g,当,P = P,g,P,w,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,

8、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

9、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,

10、t,和,t,0,三者的,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,t,0,动刀片,定刀片,结构尺寸关系为,S = t = t,0,76.2 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,t,0,t,S=2t=2t,o,结构尺寸关系为,S =2 t =2 t,0,152.4 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,t,o,结构尺寸关系为,S = t =2 t,0,76.2 mm,在,标准型切割器的基础上，在两,定刀

11、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,FLAISH,FLAISH,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

12、机构,o,1,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,

13、h,1,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,V,n,V,A,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,15,0,增至,45,0,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,R,1,R,2,必须在同一直线上,C,F,1,F,2,R,1

14、,R,2,1,2,A,N,1,B,N,2,o,1,2,分别表示动定刀,片与谷物茎秆的摩擦角,1,2,4552,0,在三角形,OAB,中,2,1,在四边形,OACB,中,2,OBC,OAC,将以上两式联立，可得,钳住茎秆的条件为,1,2,试验结果表明：当,29,0,6,0,15,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,c,

15、o,s,x,r,t,2,2,2,2,2,2,2,s,i,n,s,i,n,1,c,o,s,c,o,s,x,V,r,t,r,t,r,t,r,r,t,r,x,1,2,2,2,2,2,r,V,r,x,x,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,V,x,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

16、此我们引进割刀的平均速度,V,p,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,3,0,1,5,p,S,n,S,n,r,V,t,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,V,p,与机器前,进运动的速度,V,m,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,3,0,m,m,V,H,V,t,n,设,割刀速度,V,

17、p,与机组前进速度,Vm,的比值,30,30,p,m,nS,V,S,nH,V,H,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,V,p,与,V,m,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,

18、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

19、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

20、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,N,g,和空转功率消耗,N,k,两部分组成,0,1,0,0,0,m,g,VB,L,N,k,W,式中,V,m,机组前进速度,m/s,B,机组作业幅宽,m,L,0,割刀切割每平方米面积的作物茎秆所需功值,N.m / m,2,据测试，收割小麦时,L,0,100200,0,6,1,1,k,N,Bk,W,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

21、,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,M,d,割刀质量,M,e,连杆质量,r,曲柄半径,曲柄回转角速度,M,p,配重质量,r,p,配重块回转半径,a,割刀加速度,a=r,2,cos,t,M,e,M,d,2,2,c,o,s,3,d,d,e,P,M,M,r,t,o,A,B,t,x,x,y,r,2,1,3,q,e,P,M,r,r,p,M,p,2,p,p,p,P,M,r,为了研究方便，设连杆质量,M,e,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,090,0,时，加速度,a,为正值，此时,P,d,与,P,q,同向,方向为,x,的反向。当,t,90,0,时，割刀在,x,轴上所受到的力最,小，只有,P,d,此时,P,q,和,P,p,在,x,轴上的投影为零,M,e,M,d,2,2,c,o,s,3,d,d,e,P,M,M,r,t,o,A,B,t,x,x,y,r,2,1,