三節(jié)切割器及理論分析 課件

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(dòng)機(jī)構(gòu),四,切割器的工作原理及運(yùn)動(dòng)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(jī)上的重要工作部件，他主要,完成對(duì)谷物莖稈的切割任務(wù)，為了有一個(gè)良好的,工作質(zhì)量，一般對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：谷物莖稈的切割過(guò)程與割刀的,特性、莖稈的物理機(jī)械性質(zhì)、切割方式、切割,速度、割刀與莖稈的相對(duì)位置等有關(guān),1,切割方式對(duì)切割性能的影響,所謂切割方式主要是指割刀進(jìn)入材料,的方向，歸納起來(lái)主要有,正切,和

2、,滑切,兩種,基本方式,正切割刀的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)方向垂直與割刀,刃口的切割方式,V,P,割刀刃口,觀察幾種典型的切割方式,P,橫切,P,斜切,削切,實(shí)驗(yàn)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,滑切割刀的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)方向與割刀刃,口既不垂直又不平行的切割方式,設(shè),V,n,割刀運(yùn)動(dòng)的法向速度,V,t,割刀運(yùn)動(dòng)的切向速度,割刀運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)速度,方向與法向速度方向的夾,角，此處定義為滑切角,V,n,P,V,t,V,切割理

3、論的力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果和割刀運(yùn)動(dòng)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(jī)理,高略契金力學(xué)試驗(yàn)：高略契金力學(xué)試驗(yàn)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(duì)比數(shù)據(jù),割刀切向滑移值,S,mm,規(guī)定試驗(yàn)切割深度所需法向力,P,g,600,1.5,500,2.0,400,5,200,40,高略契金力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，割刀在切割,同一種材料、同一深度的物料時(shí)，切向滑移量,越大，所需切割力就越小，即切割越省力。試,驗(yàn)過(guò)程表明，當(dāng)割刀切向滑移量為零時(shí)即為正,切，只要存在滑移就會(huì)產(chǎn)生滑切，因此，滑切,比正切省

4、力,3,P,S,C,由此而得,高略契金常數(shù)定理,割刀運(yùn)動(dòng)幾何分析：對(duì)比分析割刀刃口上某,質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入材料時(shí)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,莖稈的物理機(jī)械性質(zhì)的影響,莖稈的物理機(jī)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(qiáng)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(huì)被切斷,但是，在切割象小麥、水稻這

5、樣的剛度較小,的作物時(shí)，只要受到較小的外力就會(huì)發(fā)生彎斜,給順利切割造成一定的困難。因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)莖,稈的完全切割，一般可采取二種措施,低速有支承切割和高速無(wú)支承切割,有支承切割在動(dòng)刀片運(yùn)動(dòng)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(dòng)刀片配合定刀片的切割,定刀片,動(dòng)刀片,P,雙支承切割用動(dòng)刀片配合帶有護(hù)刃器的,定刀片的切割,動(dòng)刀片,P,定刀片,護(hù)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(jìn)行切割，切割速度為,V,p,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(jìn)行單支承切割時(shí)，切割速度為,V,p,12 m /

6、 s,要,保證正常的切割，動(dòng)、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。這給切割器的設(shè)計(jì)與安裝帶來(lái)很大的困難,而在進(jìn)行雙支承切割時(shí)，切割速度為,V,p,12 m / s,相對(duì)于割刀的上下抗彎能力有較大幅度的增強(qiáng)，動(dòng)、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(jì)、使用、安裝提供了比較寬松的條件,所以目前收獲機(jī)械普遍采用雙支承切割方式,0,0,5,單支承,1,1,5,雙支承,無(wú)支承切割只有動(dòng)刀片而無(wú)定刀片,直接切割莖稈的切割稱為無(wú)支承切割,P,P,w,由于莖稈是在沒(méi)有任何扶,持的狀態(tài)下進(jìn)行切割的，僅靠,莖稈自身的

7、抗彎能力,P,w,是很難,與動(dòng)刀片的切割力相平衡的,此時(shí),P,P,w,切割速度較,低時(shí)，莖稈將被推倒或折斷,P,P,w,但當(dāng)動(dòng)刀片以較高的速度進(jìn)入材料時(shí)，原來(lái)靜止,的莖稈在瞬間獲得動(dòng)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,P,g,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,P,g,當(dāng),P = P,g,P,w,時(shí)，可,使得莖稈在直立狀態(tài)下實(shí),現(xiàn)切割，因此，無(wú)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(shí)，使用帶有護(hù)刃器的往復(fù)式切割器，其,切割速度僅為,12m,s,而無(wú)支承的回轉(zhuǎn)式切割器的刀片速度,則需,1020m/s,

8、如果切割牧草，則需,4050m/s,這使得機(jī)構(gòu)功,率消耗增大、振動(dòng)增加，傳動(dòng)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(yàn)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(jī)和聯(lián)合收獲機(jī)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(shù)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(jī),大型回轉(zhuǎn)切割器式聯(lián)合收獲機(jī),往復(fù)式切割器一般由動(dòng)刀片、定刀片,護(hù)刃器、壓刃器、摩擦片、刀桿等

9、組成,往復(fù)式切割器構(gòu)造,1,護(hù)刃器架,2,螺栓,3,摩擦片,4,壓刃板,5,刀桿,6,護(hù)板,7,定刀片,8,動(dòng)刀片,9,護(hù)刃器,護(hù)刃器,刀桿,定刀片,動(dòng)刀片,摩擦片,壓刃器,往復(fù)式切割器結(jié)構(gòu)關(guān)系簡(jiǎn)圖,往復(fù)式切割器的構(gòu)成,護(hù)刃器與定刀片,動(dòng)刀片與刀桿,壓刃器,摩擦片,動(dòng)刀片與定刀片相對(duì)做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，平均切割,速度為,12m/s,特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、適應(yīng),能力強(qiáng)、作業(yè)幅寬大，縱向尺寸小，目前絕大多數(shù)的,收割機(jī)和聯(lián)合收獲機(jī)上采用這種形式的切割器。本節(jié),的重點(diǎn)也將針對(duì)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(jìn)行介紹,根據(jù)動(dòng)刀片直線運(yùn)動(dòng)行程,S,相鄰動(dòng)刀片,和相鄰定刀片之間的安裝間距,

10、t,和,t,0,三者的,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 = t,t,0,動(dòng)刀片,定刀片,結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系為,S = t = t,0,76.2 mm,工作特點(diǎn)是,割刀的切割速度較高，切割性能好，對(duì)粗細(xì)莖稈有較,強(qiáng)的適應(yīng)性，廣泛用于稻麥作物的收割機(jī)械上,2,雙刀距型切割器,t,0,t,S=2t=2t,o,結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系為,S =2 t =2 t,0,152.4 mm,工作特點(diǎn)特點(diǎn),割刀往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率低，慣性力小、適合于抗振性較差的,小型收割機(jī),3,低割型切割器,S = t,t,o,結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系為,S = t =2 t,0,76.2 mm,在,標(biāo)準(zhǔn)型切割器的基礎(chǔ)上，在兩,定刀

11、片之間又增加了一個(gè)定刀片，使得定刀片之間的間距縮小,1,倍，切割,谷物時(shí)，莖稈的橫向歪斜量小，割茬較低，對(duì)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(dòng)機(jī)構(gòu),往復(fù)式切割器的工作特,點(diǎn)是動(dòng)刀片做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),要實(shí)現(xiàn)將動(dòng)力輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn),動(dòng)變?yōu)楦畹兜闹本€運(yùn)動(dòng)，方,法很多，目前在收割機(jī)械上,應(yīng)用較多的有三種類型：曲,柄連桿機(jī)構(gòu)、擺環(huán)機(jī)構(gòu)、行,星齒輪機(jī)構(gòu)，其中曲柄連桿,機(jī)構(gòu)應(yīng)用最廣,1,曲柄連桿機(jī)構(gòu),o,A,B,t,x,x,y,特點(diǎn)：機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，但占據(jù)空間大,FLAISH,FLAISH,FLAISH,2,擺環(huán)機(jī)構(gòu),特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、鉸鏈較少、工作可靠、制,造成本高,3,行星齒輪

12、機(jī)構(gòu),o,1,o,x,y,A,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(yùn)動(dòng)直線上，曲柄回轉(zhuǎn)時(shí)，銷軸在割刀運(yùn)動(dòng)方向,線上作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其行程等于齒圈節(jié)圓直徑。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu),緊湊、振動(dòng)小，便于機(jī)構(gòu)配置，但成本高，機(jī)構(gòu)復(fù)雜,FLAISH,FLAISH,四,往復(fù)式切割器的工作原理及運(yùn)動(dòng)分析,1,刀片的幾何形狀,無(wú)論使用什么樣的切割器，都必須滿足滑,切的要求，而能否保證割刀直線運(yùn)動(dòng)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?yàn)槿切我坏┏霈F(xiàn)磨損，將影響割刀刃口的,長(zhǎng)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(dòng)刀片,梯形動(dòng)刀片,h,

13、h,1,結(jié)論：梯形動(dòng)刀片比三角形動(dòng)刀片使用壽命長(zhǎng),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(gè)原因，后面介紹,磨損后,磨損后,梯形刀片的結(jié)構(gòu)參數(shù),b,h,a,d,V,n,V,A,b,前橋?qū)?a,底部寬,h,刃部高,滑切角,一般情況下,越大，滑切能力越強(qiáng)，切,割也就越省力，當(dāng),由,15,0,增至,45,0,時(shí)，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,o,P,a=76,b=17,h=55,d=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(dòng)定刀片鉗住的條件：切割瞬時(shí)，兩刃口作用于莖稈,的合力,R,1,R,2,必須在同一直線上,C,F,1,F,2,R,1

14、,R,2,1,2,A,N,1,B,N,2,o,1,2,分別表示動(dòng)定刀,片與谷物莖稈的摩擦角,1,2,4552,0,在三角形,OAB,中,2,1,在四邊形,OACB,中,2,OBC,OAC,將以上兩式聯(lián)立，可得,鉗住莖稈的條件為,1,2,試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng),29,0,6,0,15,時(shí)，割刀的切割效果最好,2,割刀的運(yùn)動(dòng)分析,割刀的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)切割器性能有直接的,影響，由于往復(fù)式切割器的動(dòng)刀片工作時(shí)在,曲柄連桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下做橫向的往復(fù)直線運(yùn),動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)是間歇的。我們通過(guò)對(duì)該機(jī)構(gòu)的,運(yùn)動(dòng)分析找出割刀位移與速度之間的關(guān)系,為合理的確定割刀速度與機(jī)組前進(jìn)速度配合,關(guān)系提供理論依據(jù),建立動(dòng)刀片的運(yùn)動(dòng)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，割刀速度與割刀位移之間的關(guān)系為一橢圓方程式,長(zhǎng)半軸為,r,短半軸為,r,他反映了割刀在其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，任意一,點(diǎn)的速度是不相同的，有時(shí)，為了研究的方便，將圖中的長(zhǎng)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(lái),表達(dá)，后面我們將會(huì)用到這個(gè)結(jié)果,o,r,r,o,x,V,x,r,r,A,B,由于割刀的橫向直線運(yùn)動(dòng)速度是變化的，應(yīng)用起來(lái),很不方便，因

16、此我們引進(jìn)割刀的平均速度,V,p,的概念,設(shè),t,割刀運(yùn)動(dòng)一個(gè)行程,S=2r,內(nèi)所用時(shí)間,n,曲柄轉(zhuǎn)速,r/min,如果,60,妙轉(zhuǎn)動(dòng),n,圈，則曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)半圈所用時(shí)間為,t=30/n,3,0,1,5,p,S,n,S,n,r,V,t,在這里有一個(gè)問(wèn)題需要說(shuō)明，往復(fù)式切割,器割刀的運(yùn)動(dòng)是水平橫向運(yùn)動(dòng)和直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng),的合成，割刀橫向運(yùn)動(dòng)的平均速度,V,p,與機(jī)器前,進(jìn)運(yùn)動(dòng)的速度,V,m,的,配合關(guān)系，決定了割刀絕,對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，這一配合關(guān)系我們習(xí)慣上用割刀,進(jìn)距（切割進(jìn)距,H,來(lái)表示,割刀進(jìn)距割刀完成一個(gè)行程,S,的時(shí)間,t,內(nèi)機(jī),組所前進(jìn)的距離,3,0,m,m,V,H,V,t,n,設(shè),割刀速度,V,

17、p,與機(jī)組前進(jìn)速度,Vm,的比值,30,30,p,m,nS,V,S,nH,V,H,試驗(yàn)結(jié)果表明,的大小對(duì)割刀的切割質(zhì)量影響很,大，我們必須進(jìn)行必要的量化處理，即給出,值的大小,確定,V,p,與,V,m,的配合關(guān)系。通常我們用作圖的方法,切割圖，來(lái)確定,值的大小,切割圖利用作圖法，畫出動(dòng)刀片的絕對(duì)運(yùn),動(dòng)軌跡，分析割刀的切割過(guò)程,H,H,S,b,o,A,H,H,S,b,o,A,由,圖,可,知,在,定,刀,片,運(yùn),動(dòng),軌,跡,線,內(nèi),的,谷,物,莖,稈,將,被,動(dòng),刀,片,切,割,切,割,區(qū),內(nèi),的,莖,稈,在,動(dòng),刀,片,的,左,右,推,動(dòng),下,被,推,向,定,刀,片,實(shí),施,剪,切,由,于,值,

18、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(dòng)刀片推至定刀片,刃口線上，并在定刀,片和護(hù)刃器的雙支承,下被切割，由于動(dòng)刀,片只有一次通過(guò)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，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(dòng)刀片,刃口線兩次通過(guò)該區(qū)，有,可能發(fā)生對(duì)莖稈的二次切,割但并非一定。當(dāng)區(qū)面,積較小時(shí)，且位于切割區(qū),的中部，盡管動(dòng)刀片兩次,通過(guò)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

19、之，當(dāng)由,于割刀進(jìn)距,H,較小時(shí),區(qū)面積增大，在第二次行,程時(shí)，離動(dòng)刀片較遠(yuǎn)而離,定刀片較近的莖稈就有可,能被重割一次。重割將無(wú),謂地增加功率的消耗,0.7,區(qū)（空白區(qū)）：動(dòng)刀片,的刃口線沒(méi)有經(jīng)過(guò)該區(qū),如果該區(qū)面積較小時(shí)，且,位于動(dòng)刀片前橋?qū)挾?b,的,掃描范圍之內(nèi)，莖稈將被,動(dòng)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，功率消耗增,加。如果割刀進(jìn)距,H,過(guò)大,空白區(qū)增大，動(dòng)刀片前橋,寬度,b,的掃描面積沒(méi)有全,部掠過(guò)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(duì)割刀的切割質(zhì)量影響很大,通過(guò)繪制切割

20、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(shí)的功率消耗主要有切割功率,消耗,N,g,和空轉(zhuǎn)功率消耗,N,k,兩部分組成,0,1,0,0,0,m,g,VB,L,N,k,W,式中,V,m,機(jī)組前進(jìn)速度,m/s,B,機(jī)組作業(yè)幅寬,m,L,0,割刀切割每平方米面積的作物莖稈所需功值,N.m / m,2,據(jù)測(cè)試，收割小麥時(shí),L,0,100200,0,6,1,1,k,N,Bk,W,六,割刀慣性力的平衡,往復(fù)式切割器在工作時(shí)做高速往復(fù)直線運(yùn),動(dòng)，由于其速度是變化的，將在機(jī)器上產(chǎn)生較,大的慣性力，速度越高慣性力就越大，機(jī)器的,振動(dòng)也就越嚴(yán)重。據(jù)測(cè)試，每米割刀所產(chǎn)生的

21、,慣性力高達(dá),600800N,嚴(yán)重地影響了機(jī)器的使,用壽命和工作質(zhì)量，因此，必須對(duì)割刀的慣性,力予以平衡。以曲柄連桿機(jī)構(gòu)為研究對(duì)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(duì)面增加平衡配重,設(shè),M,d,割刀質(zhì)量,M,e,連桿質(zhì)量,r,曲柄半徑,曲柄回轉(zhuǎn)角速度,M,p,配重質(zhì)量,r,p,配重塊回轉(zhuǎn)半徑,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,為了研究方便，設(shè)連桿質(zhì)量,M,e,的,2/3,隨割,刀做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),1/3,隨曲柄銷做圓的運(yùn)動(dòng),當(dāng),t,090,0,時(shí)，加速度,a,為正值，此時(shí),P,d,與,P,q,同向,方向?yàn)?x,的反向。當(dāng),t,90,0,時(shí)，割刀在,x,軸上所受到的力最,小，只有,P,d,此時(shí),P,q,和,P,p,在,x,軸上的投影為零,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,