往复式割刀曲柄连杆机构的运动特性仿真

往复式割刀曲柄连杆机构的运动特性仿真设计说明书1 绪论大力发展农业机械化是我国现代农业发展的必要条件，只有实现农业机械化，才能真正提高农 民收入，人民的生活水平才能得以改善。

切割器是各种收割机械的重要工作部件。

目前，各种收割 机械普遍采用的切割器有往复式和回转式两种。

往复式割刀副较宽，并且工作效率高，可获得较好 的采摘质量，割茬平齐，且不会产生割碎作物的现象。

其缺点是工作惯性力大，割台震动和噪音都 很大，广泛应用于谷物收获。

回转式切割器用于收获牧草、青饲料、粗秆作物等，少数谷物也使用 这种切割器。

回转式切割器的切割速度高，惯性力容易平衡，震动较小，割刀的结构比较简单。

但 受回转直径的限制，不能用于宽幅切割，割刀的寿命较短，维修费很高。

当前，收获机上使用的切割器以往复式最多，而且制造技术趋于完善，只是在局部有所改进， 但其惯性力不平衡仍是主要问题。

.国内收割机起步较晚，早期以模仿及从苏联，美国及加拿大等国家进口为主。

很多连接或支撑 部件没有经过详细的计算，二十根据发达国家已造好的收割机的尺寸设计制造的，使得收割机体积 庞大，质量偏大。

大型收割机是非常复杂的机械装备，大型收割机的使用对土地的平整和规模有更 高的要求，华北平原，三江平原等重要的小麦，水稻产区很早就使用联合收割机进行生产。

相对大 型收割机，小型收割机的设计更随意，现在国内很多院校都开始尝试针对设计制造小型收割机。

这 些院校设计适合本地土地环境和生产力的小型收割机，这种收割机价格低，维修简单，使用方便， 适合各种地形，保养要求低，适合小农户规模的生产。

往复式割刀驱动机构，其作用是将源动力的旋转转换为割刀所需的直线往复式运动。

目前，国 内的收割机采用的往复式机构种类众多。

大致上可以归纳为曲柄连杆机构和摆环机构两类。

传统的往复式手工费器大都采用单边驱动，惯性力很难平衡，日本久保田麦稻联合收割机将刀 杆分成两段， 采用两个曲柄连杆机构双边驱动， 两段刃杆的运动方向总是相反， 可部分抵消惯性力。

由于南方水田深泥脚，水稻收获是切割器易被泥土卡住，因此久保田收割机将刀杆加宽，在其底部 挖了排泥孔，割刀在运动时可将进入切割器间隙的泥土及时排出。

此外，这种机型还加装了割刀自 动润滑系统， 可将润滑油自动滴到刀杆上， 随动刀的运动而进入摩擦间隙， 以免手工加油发生危险。

1.1 切割器的要求切割器是收获机械的重要部件之一， 它的功用是将田间的作物切断， 切割器应该满足一下要求： 1）切割质量好：割茬整齐，不漏割，不重割，不堵刀，切割损失小；2）切割省力，功率消耗少，振动小；3）通用性好，结构简单，调整方便。

切割器按照其运动方式可分为往复式和回转式两种，经过多年的研究，其技术已较为成熟，基 本可以满足上述需要，但也存在许多问题。

1.2 影响切割质量的因素切割质量与切割器的特性、茎秆的物理性能、切割器与茎秆的相对位置以及切割的速度和方向 都有密切的关系。

1）切割器的机构刀片的断面一般呈楔形，楔角的顶部就是刃口，刃口越薄切割阻力就越小，但如果刃口过于单 薄，强度不够，很快磨损或折断，影响其使用寿命。

往复式切割器使用梯形刀片，其形状参数对夹 持茎秆并轻快切割具有决定性作用。

2）作物茎秆有纤维素构成，从结构上讲是非均匀体，不同方向上机械性能并不相同，有关专 家对横切、斜切和削切做了对比，证明割刀偏斜 ° 45 或削切较横切切割阻力和功耗都降低很多。

茎 秆的刚度对切割也有重要影响， 刚度小的茎秆受很小外力就会弯斜， 割刀必须具有一定的切割速度， 或给予茎秆一定的支撑，才能保证顺利切割。

3）切割速度一般来讲，随切割速度的增加，切割阻力会有所降低，但二者并非线性关系，而且切割速度增 加时空转功率也会上升，割台震动加剧，所以稻麦往复式切割器割刀平均速度一般不超过 2m/s 。

往复式切割器的特点往复式切割器的割刀作直线运动，割刀的平均切割速度较低，切割性能好，结构简单，工作可 靠，广泛应用在谷物收割机上。

它的缺点是工作时惯性力大，割台振动和噪声都很大，一次切割存 在重割和漏割区域，故割茬不够整齐。

传统的往复式切割器大都采用单边驱动，惯性力很难平衡，日本久保田麦稻联合收割机将刀杆 分成两段，采用两个曲柄连杆机构双边驱动，两段刀杆的运动方向总是相反，可部分抵消惯性力。

2 切割器的参数选取和计算2.1 切割器的种类根据割刀行程，动刀片间距和定刀片间距三者的不同组合关系，分成下列三种类型的切割器。

2.1.1 单刀距行程型割刀器其尺寸关系 mm t t s 2 . 760 = = = 如图 2­1 a ） 这种形式也叫标准型切割器。

其特点是：割刀的切割速度较高，切割性能较好，对粗细茎秆的 适应性较好。

但切割茎秆时倾斜度大，割茬变化较大。

2.1.2 低割型切割器其尺寸关系为： mm t t s 4 . 1522 0 = = = 如图 2­1 b ） 切割器割刀行程和动刀片间距相等，是护刃齿间距的两倍。

切割谷物时，茎秆横向倾斜量小，割茬较低，对收割大豆和收割牧草较为有利，但对粗秆作物 的适应性较差。

低割型切割器由于切割时割刀速度利用段较低，在茎秆青涩和杂草较多时，切割质量较差，割 茬不齐并有堵刀现象。

2.1.3 双刀距行程型切割器其尺寸关系 0 2 2 t t s = = 如图 2­1 c ）双刀距行程特点为：割刀往复式运动的频率低，曲柄转速较慢，因而工作时惯性力力较小。

对 抗振性较差的小型收割机具有特殊意义，适用于小型收割机。

综上所述，通过三种割刀器的对比看出，就收获牧草量来说，以低割型较好。

a) b)c)图 2­1 割刀示意图2.2 动刀片的结构参数动刀是切割器的主要工作零件，对刀片的要求为材料硬度高，耐磨，具有一定的弹性。

因此动 刀采用光刃结构，光刃切割省力，割茬整齐，但易磨钝，工作中需要经常磨刀。

动刀片是一种易损 零件，为了保证具有较好的耐磨性和一定的冲击韧性，刀片一般有 T9 碳素工具钢制成，刃部需淬 火和回火。

动刀片的结构参数有：切割角 α（即刃线的倾角）、刃部高度 h 、刀片的宽度 c 和 d 。

切割角 ɑ 是动刀片的主要参数，它的大小对切割性能有着重要的影响。

既影响切割阻力的大小，又决定能否 钳住茎秆保证可靠地切割。

试验表明，切割角增大，切割阻力减小：当 ɑ 由 ° 15 增至 ° 45 时，切割 阻力减小一半。

阻力减小的原因在于切割角增加时刀片相对于牧草茎秆的滑切速度 1 V 增大。

asin 1 V V = （２－１）式中，V 为刀片的运动速度，如图所示。

注：c 为刀片后宽；d 为刀片前宽；h 为刀片刃部高度；A 为刀刃的起始点；a 为切割角；V 为刀 片的运动速度图 2­2 刀片参数但切割角a 过大时将引起茎秆切割时沿刃线向外滑动。

甚至钳不住茎秆， 不能保证可靠切割。

为此， 必须以钳住牧草茎秆为前提，尽量选择较大的切割角a 。

切割瞬时，钳住牧草茎秆的条件为：两刃作用于茎秆的合力 1 R 、 2 R 必须在同一条直线上。

因为11 1 tan j N F £ 22 2 tan j N F £ 2 1 F F = ， 21 j j = 式中，2 1 j j = 是动刀片对牧草茎秆的摩擦角，如图 2­3 所示。

图 2­3 切割原理示意图得钳住牧草茎秆的条件为： 2 1 2 j j a + £ 。

经测定，光刀动刀片配合时，对牧草茎秆的摩擦角之和为 ° = + 52 2 1 j j ~ ° 54 。

则取动刀片的 切割角a 的参数关系为 atan 2 d c h - = ，因此动刀宽度 mm c 35 = ， mm d 6 = ，动刀刃部高度 mm h 30 = 。

2.3 曲柄转速的确定在切割过程中， 曲柄连杆机构通过中间零件拨叉拨动切割器动刀组相对顶到组做往复式运动对 牧草进行切割。

由于曲柄每转一圈割刀完成 2个割刀行程（s ）所以30 60 2 ns s n v p = × =（２－２） 式中：n ——曲柄的转速 min / r s ——割刀行程 mm mms 4 . 152 = 对于切割平均速度是选用值，谷物干、脆取 1~2 s m / ，牧草青、湿、取大一些，但速度又不宜过大，这里取2.5 s m / 。

可得：min/ 492r n » 为了方便计算 min/ 500r n = 2.4 收割机的进距计算进距：割刀运动一个行程时，机器前进的距离进距也是影响切割器切割性能的重要因素，进距太小重割区太大，浪费功率；进距太大漏割区 增大。

n v n v t v H m mm 30 2 60 = = = （２－３）式中： m v ——机器前进的速度 s m / n ——曲柄的转速 min/ r 2.5 切割器功率计算根据能量守恒定律可知，往复式切割器消耗的功率等于曲柄输入的功率。

往复式切割器的切割 功率包括切割牧草的功率和空转时的摩擦功率两部分。

2.5.1 切割功率的计算切割功率和机器前进的速度、收割器的割副以及收割牧草单位面积所消耗的功率有密切关系。

根据经验公式 有1000 0L B v N m p ´ ´ = （２－４）式中 ： m v ——收割机的前进速度 s m v m / 6 . 1= ； B ——收割机的割副 m B 2 . 4 = ；0 L ——切割牧草单位面积所消耗的功率 ;对于牧草 20 0 = L ~ 2 / 30 m kw ，这里取 2 0/ 30 m kw L = 所以可得kwN p 2016 . 0 = 2.5.2 摩擦空转功率的确定摩擦空转功率 m N 目前还没有确定的计算公式，摩擦空转功率与割刀的安装状态有很大关系， 经大量试验确定，每米割副的空转功率随曲柄的转速不同在 0.59~1.1 m kw / 之间变化，为更好的保 证此次设计的质量取1.0 m kw / 。

则有kwN m 2 . 4 0 . 1 2 . 4 = ´ = 2.5.3 切割器消耗的总功率综合以上分析可得切割器消耗的总功率：kwN N N m p 4016 . 4 2 . 4 2016 . 0 = + = + = 2.6 驱动曲柄所需的转矩驱动曲柄所需的转矩：w N n N T = =9550（２－４）式中：w 为曲柄的转角速度 s rad n / 52 60500 2 60 2 » ´ = =p p w 所以 Nm T 85 526 . 4401 » = 3 切割图的绘制与分析切割图是根据刀片结构参数以及割刀行程， 还有收割机进距确定的一个可以直接反映切割器切 割性能的图表。