第二节 旋耕机及其理论计算

Vmt
ωt
m M
x
x R cos t Vmt M点的运动方程： y R s旋耕机工作质量的影响
Vd Vm
由于速比λ的不同，其运动轨迹形状也不 同，有三种情况：
＜1
1
＞ 1
我们考察一下这 3 种情况分别对旋耕机正 常工作有那些影响，从而定性地决定旋耕机正 常工作的基本条件。
λ＜1，短摆线
λ＝1，滚摆线
λ ＞1，余摆线
前进方向
通过做图分析发现，只有λ ＞ 1 余摆线时刀片才能满 足向后抛土的条件，并且只是轨迹最大玄长以下部分才 能满足，设计和应用时要特别注意，刀片的工作深度不 能超过这个范围。影响最大玄长高度的因素主要是刀片 的尺寸、机组的前进速度和刀片的回转速度，既λ值。
三. 旋耕机的作业特点
旋耕机的作业特点具有碎土能力强、平整 度高、对土壤的适应性好、纵向尺寸短、耕深 小、功耗大、幅宽小、效率低。
四. 旋耕机的主要类型
1.按与动力连接方式分：牵引式、悬挂式、直连式。
2、按刀轴安置方向分：横轴式、立轴式、斜轴式。
1.主梁 2.悬挂架 3.齿轮箱 4. 侧边传动箱 5.平土拖板 6.挡土 罩 7.支撑杆 8.刀轴 9.旋耕刀
根据旋耕机工作的特点我们了解到，旋耕机刀片先是切土， 然后向后抛土，这一基本动作就需要旋耕机刀片从入土开始到抛 土结束并抬离地面，其绝对运动轨迹上的任意一点的绝对速度的 水平分速 Vx指向后方，既 Vx＜ 0。 三种速比下的刀片绝对运动轨 迹是否都能满足上述要求呢？我们做一下对比分析：
1.平土拖板 2.拉链 3.挡土罩 4.传动箱 5.齿轮箱 6.悬挂架 7.上拉杆 8.万向节 9.下拉杆 10.旋耕刀
在结构参数不变的情况下， λ 值越大，轨迹最大玄长 的值越大，其位置就越靠上，当λ=∞时，刀片端点的绝对 运动轨迹为一数学圆，最大玄长在横轴处，耕深可达最大 值，但这是不可能的，因为此时机组不能前进，而是原地 扒窝。因此，λ＞1是旋耕机正常工作的定性条件。
在余摆线条件下，速比不同其刀片运动轨迹形状也不同
m
由上式可以看出，改变Z、ω、Vm 均可使S发生变化。一般 来说，S越小越好，若使S小，可通过增加Z、n或减少Vm的方法 获得，但是，Z的过分增加易造成土壤杂草的堵塞，n的增加也 将造成功率的消耗，Vm的减少使生产效率下降，所以，在确定 各个参数时要通盘考虑，一般情况下，通过适当的改变n和Vm来 达到不同整地要求的作业。
Vm
ω
o o/
Vmt
ωt
m M
x
y
设：M点为刀片入土点，从开始入土到抛土结束并抬离 地面均满足旋耕机正常工作的条件，则有：
x R cos t Vmt
y R sin t R h
h
x R cos t Vmt y R sin t R h
要满足向后抛土的条件，刀片绝对运动轨 迹上任意一点的绝对速度的水平分速 Vx＜0， 根据上述方程，令：
凿形刀、直角刀、弯形刀
凿形刀：只有正面刃口，工作时凿尖首先从外 部刺入土让壤，然后在刀身的作用下使土壤破 碎。入土能力强，松碎效果好，但容易缠草。
S
直角刀：直角刀刀刃口由正切刃和侧切刃组成，两 刃口相交成 90o 左右，工作时先由正切刃从横向切开土 壤，再由侧切刃由外向里逐渐切出土垡的侧面。刀身宽， 刚性好，有一定的工作宽度，容易加工制造，但易缠草。
2.机组速度Vm与刀片旋转速度ω的配合 （定量分析）
上述分析只是定性的确定了刀片满足旋 耕机正常工作的基本条件—λ＞1。实际上，λ 的数值不同其形状差别很大，对工作质量和 工作性能也有较大的影响，主要影响因素是 机组速度Vm与刀片旋转速度ω的大小和配合程 度，必须找出他们之间的函数关系，然后加 以量化处理。
1、刀片的绝对运动轨迹（定性分析）
设：R—旋耕机刀片端点的最大回转半径
Vm—机组前进速度 ω—刀片回转角速度 t —时间函数
令：Vd—刀片端点的切向速度；
Vd=Rω ，令速比为：λ = Vd / Vm 。
根据已知条件作图的方式确定刀片的绝对运动轨迹 Vm
ω o o/
Vmt
ωt
m
x
M
y h
Vm
ω o o/
旋耕机——他是一种工作部件主动旋转，以 铣切原理加工土壤的耕耘机械。
一. 旋耕机的基本构成
组成：机架、传动装置、刀辊、挡土罩、平地拖板等。
1.主梁 2.悬挂架 3.齿轮箱 4.侧边传动箱 5.平土拖板 6.挡土罩 7.支撑杆 8.刀轴 9.旋耕刀
二. 旋耕机的工作原理
旋耕机刀片在动力的驱动下一边旋转，一边随机组直线前 进，在旋转中切入土壤，并将切下的土块向后抛掷，与挡土板 撞击后进一步破碎并落向地表，然后被拖板拖平。
3.按动力传递路线分：侧边传动、中间传动。
侧边传动
中间传动
五. 旋耕机刀片的运动分析
旋耕机工作时，刀片一边绕轴正向旋转，一边随机组作直线 运动，因此，刀片的绝对运动轨迹是一条由旋转运动与直线运动 合成的数学摆线，但是，由于二者之间的数值组合不同，其合成 后的摆线形状存在较大的差异，并且对旋耕机最终的工作结果产 生不同的影响，我们研究并分析旋耕机刀片的运动轨迹的目的就 在于确定适用于旋耕机正常工作的条件及其量化指标。
dx Vx Vm R sin t＜0 dt R sin t 代入上式，得：
Vm＜ R h
Rh
（定量）
结论：旋耕机正常工作必须同时满足 定性和定量二个条件，既： ①定性条件： λ＞1 （余摆线） ②定量条件： 或：
Vm＜ R h 1 h＜R 1
回转平面
Vm
A
B
A
S
B
S △x
S = Vm· t
随着第一把刀在 A 点入土，刀片一面旋转，一 面随机组直线前进，t时刻后，安装在同一个回转平 面内的第二把刀开始在 B点入土，那么，AB=S，定 义为旋耕机刀片的切土节距。△x—一把刀在纵垂面 内所能切土的厚度。
旋耕机切土节距——安装在同一回 转平面内的刀片在转过相应安装角时间 内机组所前进的距离。
上述公式主要反映了结构参数与运动参数对耕深的影响。如： R的变化对耕深的影响，我们很容易理解，但ω、Vm对h的影响就有 些抽象了。实际上，前面我们已经做过解释：ω和Vm决定了λ值的大 小，决定了刀片运动轨迹的形状。
问题：速比λ值为什么对耕深产生影响？
因为 λ 越大，其形状的最大玄长值也就越 大，位置也越靠上，能满足耕深的轨迹高度越 大。当λ→∞时，Vm→0，（λ=Rω / Vm），能满 足向后抛土的轨迹高度为半径R。既h = R，反 之，耕深就小，当 λ→0 时， Vm→∞ ， ω=0 ，绝 对运动轨迹为一条直线，没有环扣，也就无法 向后抛土。
N N q N p Nt N f N n
式中：Nq—切土功耗 Np—抛土功耗 Nt—旋耕机前进功耗 Nf—传动及摩擦功耗
Nn—克服土壤水平反力功耗
说明：旋耕机刀片正转时有推进机组前进的作 用， Nn为负值；反之取正值。
旋耕机的功率消耗主要包括刀片的土壤切 削、土块抛掷、传动等，其中，切土和抛土所 消耗的功率占总功率消耗的80%以上，，其它可 忽略不计。功率消耗表达式如下： 设：kr—旋耕土壤比阻（kg/cm2），1.2~1.6， 与耕深有关，耕深大选大值； B—工作幅宽，m ； h—工作深度，cm； Vm—机组速度，m/s 。
第二节 旋耕机及其理论计算
一. 旋耕机的基本构成
二. 旋耕机的工作原理 三. 旋耕机的作业特点
四. 旋耕机的主要类型
五. 旋耕机刀片的运动分析
六. 旋耕机作业质量控制
七. 旋耕机的刀片形状 八. 旋耕机的功率消耗
旋耕机应用的历史较短，用途不一，有些国家和地区作为耕地机 械使用，有的用作整地机械。在我国应用量逐年增加，尤其是北方干 旱地区。
ω
侧切刃 S
正切刃
弯形刀：弯形刀刃口由正切刃和侧切刃组成，但 刃口不是直线而是曲线，其中，侧切刃口曲线为阿基 米德螺线。工作时先由侧切刃沿纵向切开土壤，并先 由刀片根部向外滑切，然后再由正切刃从横向切开土 垡。切削阻力小，不易缠草，生产成本高。
ω
侧切忍
正切刃
S
刀片在刀轴上的安装：螺旋线排列
八. 旋耕机的功率消耗
设：θ—同一安装平面内相邻刀片的安装角；
Z—同一安装平面内均匀安装的刀片数；
Vm—机组前进速度，m/s ； ω—刀片回转角速度，r/s；
Z 2 , = t
∴同一安装平面内相邻二刀片相继入土的时 间间隔为 ：
2 60Vm S Vmt Vm , Z Zn
2 t z
目前，国产旋耕机的结构参数和运动参数 均有一定的确定范围，以免在使用过程中出现 不必要的失误。具体如下：
Z=2~4
S=10~12 cm 旱地作业
S=4~6 cm S=8~9 cm 粘重土壤和杂草地 水田地
七.旋耕机的刀片形状
旋耕刀是旋耕机的主要工作部件，刀片的形 状和参数对旋耕机的工作质量、功率消耗影响很 大。为适应不同土壤旋耕作业的需要，人们对旋 耕刀的形状和结构进行了大量的研究。目前，卧 式旋耕机上使用的旋耕刀主要有三大类：
旋耕机运动参数的一般取值范围
Vm = 0.5~1.5 m/s
n = 190~280 r/min h=8~16 cm
由于国外多采用大功率拖拉机，刀片材料 好，旋耕机的工作深度可达 20~25cm，完全可 以取代犁耙作业，减少拖拉机的进地次数，保 护土壤不受更大的破坏。
六. 旋耕机作业质量控制
由于旋耕机工作时是以铣切原理加工土壤的， 这就使得刀轴上同一个回转平面内的刀片在相继 入土和切削土壤的过程是间歇的。设：安装在刀 轴上的同一个回转平面内的刀片数量为Z。