齿刀安装方式对棉秆收获性能影响与试验研究

齿刀安装方式对棉秆收获性能影响与试验研究王振伟，耿端阳，孟鹏祥，蒋春燕，颜丙新（山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博255049）摘要：横辊式不对行拔棉秆机影响拔净率的关键部件是拔茎辊。

为进一步提高拔茎辊的棉秆拔净率，对V型齿刀在刀轴上的不同安装方式拔棉秆做了力学对比分析和田间试验对比分析。

结果表明，V型齿刀在刀轴上采用切向安装的方式拔棉秆拔净率高于采用径向安装的方式。

关键词：V型齿刀；安装方式；不对行；棉秆收获机中图分类号：S225．91文献标识码：A文章编号：1003－188X（2015）01－0022－05 0引言随着化石能源的日益紧张，棉秆作为棉花生产的副产品，其综合利用效益越来越高，从而使得棉秆的收获技术越来越受到人们的关注。

目前，主要有铲切式、滚切式和提拔式等措施来实现棉秆的收获［1］，在一定程度上解决了棉秆的机械化收获问题；但在作业过程还存在对行收获、漏拔、拔断棉秆等问题，导致棉秆收获机的收获效率普遍偏低，制约了棉秆收获机性能的提高。

为此，山东理工大学和滨州农机具科学研究所联合开发了基于V型齿刀拔棉秆的不对行棉秆打捆收获机。

为提高棉秆收获机的拔净率，着重对棉秆收获机的拔茎辊［2］进行了研究，并对比不同齿刀安装方式对棉秆收获机性能影响做了研究与试验。

1不对行棉秆收获装置研究针对当前棉秆收获技术存在的对行收获适应性差的问题，山东理工大学和滨州农机具科学研究所开发的不对行棉秆机的收获台主要由拨禾轮、横向拔茎辊、清理辊、螺旋输送器、机架及传动系统等组成，如图1所示。

作业时，拨禾轮先将棉秆顶端向后拨送，拔茎辊上的V型齿刀夹住棉秆根部；当棉秆被V型齿刀夹住后，随着拉茎辊的转动，克服棉秆与田地的抓地力，棉秆被拔下，并随V型齿刀一起向后运动［2］；拔取的棉秆被清理辊清出并向后甩至螺旋输送器，从而完成棉秆的拨动、入齿、拔取、清理和输送工作。

收稿日期：2014－01－11基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目（2013BAD20B00）作者简介：王振伟（1986－），男，山东潍坊人，硕士研究生，（E－mail）wangzhenwei0802@126．com。

通讯作者：耿端阳（1969－），男，陕西澄城人，教授，硕士生导师，（E－mail）dygxt@163．com 。

1．拨禾轮2．拔茎辊3．清理辊4．螺旋输送器5．传动系统6．机架图1收获台结构示意图2棉秆收获力学模型研究对比V型齿刀不同安装方式对棉秆收获机性能的影响，首先需要对棉秆拔取过程建立力学模型。

棉秆拔取过程可以简化为以下两个过程：V型齿刀夹持棉秆过程和V型齿刀向上提拔棉秆的收获过程。

2．1V型齿刀夹持棉秆力学模型作业时，高速旋转的V型齿刀首先与棉秆发生弹性碰撞，棉秆发生弹性形变，随后形变恢复。

在对该问题进行研究时，做以下假定：①在碰撞过程中省略常规力（重力、弹力）等作用，仅考虑碰撞力的作用，且只考虑碰撞力在碰撞延续时间内的积累效果。

②碰撞过程，各物体的位移忽略不计。

由于碰撞力是一个很大的力，仍需考虑该力所做功，其值应由物体的动能改变而得到。

按此假定，根据碰撞的冲量定理有m1v1－m1v=S=∫t0F d t（1）式中m1—棉秆的质量；v—棉秆的初始速度，其值为0；v1—碰撞后棉秆质心的运动速度；F—碰撞过程V型齿刀对棉秆的碰撞力。

DOI:10.13427/ki.njyi.2015.01.005根据冲量定理可知，碰撞前后两个物体动能的改变量即动能损失为ΔT=（1－k2）m1·m22（m1+m2）（v1－v）2（2）式中ΔT—动能损失量；m2—拔茎辊质量；k—弹性体的恢复因数。

对式（2）进行分析，因为恢复因数k等于碰撞前后质点相对刚性壁的法向速度的绝对值之比，其值0＜k＜1，所以ΔT值始终大于0。

这表明在碰撞时，将部分动能转化成其它形式的能量，而在转化成的其他能量中，变形能占主导地位。

碰撞的过程又分为两个阶段：变形阶段和恢复阶段。

在变形阶段，棉秆主要将动能转化成变形能，在恢复阶段棉秆将变形能转化成动能。

V型齿刀跟棉秆的碰撞是齿槽两侧与棉秆的碰撞，在碰撞变形阶段棉秆变形，棉秆挤入齿槽之间。

在恢复阶段，棉秆对齿槽两侧产生作用力F h1、F h2，该作用力使棉秆与齿槽两侧产加持棉秆的生摩擦力F1、F2如图2所示。

图2齿刀碰撞棉秆变形示意图2．2棉秆提拔的力学模型在提拔棉秆时，棉秆在其轴线方向主要受到两个作用力来克服棉秆的抓地力，一是V型齿刀面对棉秆向上的作用力，二是齿槽两侧对棉秆向上的摩擦力。

2．2．1V型齿刀面板对棉秆的作用力V型齿刀与棉秆接触碰撞并夹持住棉秆时棉秆发生如图3（a）所示的变形，随后V型齿刀向上提拔棉秆，V型齿刀相对棉秆向上运动，在挤压力作用下面板上侧膨胀区A会进一步被挤压、变形形成如图3（b）所示的变形，此时齿刀面板对棉秆产生向上的作用力F s。

2．2．2齿槽两侧对棉秆向上的摩擦力在拨禾轮、拔茎辊、地面等对棉秆的综合作用力下棉秆发生弯曲，此时可将棉秆抽象成简支梁。

假定棉秆与地面的接触点为A，拨禾轮与棉秆的接触点为B，V型齿刀与棉秆的接触点为C，则V型齿刀对棉秆的作用力为P。

假定棉秆受力变形挠度为Δy，受力如图4所示。

（a）（b）图3齿刀面板对棉秆的挤压受力图图4棉秆受力图根据材料力学中简支梁的计算公式可得出Δy=Pab6lEJ（a2－b2+l2）（3）对式（3）进行变形，则V型齿刀对棉秆的作用力P为P=6ΔylEJab（a2－b2+l2）a＜b（4）式中Δy—挠度变形；E—弹性模量；J—转动惯量。

由力的平行四边形法则可推出作用合力P对V 型齿刀侧边的作用力F1为F1=P sin（π2－θ2）sinθsinθ=P cosθ22sinθ2cosθ2=P2sinθ2（5）式中θ—V型齿刀两侧边夹角。

在作用力P的作用下，V型齿刀提拔棉秆的最大静摩擦力F t（F t为沿棉秆轴向的作用力）为Ft=2F1f cosα=Psinθ2f cosα（6）式中f —V 型齿刀与棉秆之间的摩擦因数；α—V 型齿刀相对棉秆的运动方向与棉秆轴向方向夹角。

棉秆的受力图如图5所示。

图5拔棉秆受力图假设棉秆在提拔过程中，棉秆受到V 型齿刀对其的作用力保持不变（瞬时），同时棉秆与齿刀之间的摩擦力近似认为沿着棉秆的轴线方向（作用力始终存在于棉秆与齿刀的接触位置并与齿刀运动方向相同），所以棉秆受到V 型齿刀对其的摩擦力为fF h1，两个齿刀刃口方向由摩擦力产生向上提拔棉秆的最大静摩擦力的合力大小为|F c |=|2F h 1|f（7）在提拔棉秆的过程中，棉秆受到向上提拔的最大合力为F =F c +F 's+F t =F s sin β+2F h 1f cos α+P sinθ2f cos α（8）式中β—V 型齿刀与棉秆的夹角；F 's —棉秆起提拔作用的效果力；F c —V 型齿刀夹住棉秆时，在棉秆弹性恢复力下产生的摩擦力的提拔力；F t —棉秆发生挠性变形时，在挠性变形力P 下产生的摩擦力。

3在刀轴上不同安装方式对拔棉秆性能影响的力学对比为方便说明，我们定义F 径=F c 径+F's 径+F t径=F s 径sin β+2F h 1径f cos α+P 径sinθ2f cos α（9）F 切=F c 切+F 's 切+F t切=F s 切sin β+2F h 1切f cos α+P 切sinθ2f cos α（10）3．1安装方式V 型齿刀在刀轴上的安装方式有两种，径向安装和切向安装，图6（a ）为径向安装，图6（b ）为切向安装。

（a ）（b ）图6齿刀安装方式示意图3．2齿刀与棉秆碰撞时的对比分析棉秆的初始速度为0，假定碰撞条件即拔辊的转速，棉秆的高度、粗细、质量等相同，则采用切向安装和径向安装碰撞后棉秆的质点的速度也相同。

根据碰撞动能损失公式（2）可知：在理想条件下，m 1、m 2的值不变，v 0、v 1的值相等，则碰撞后的动能损失相同。

因此，齿刀采取径向安装和切向安装碰撞后两个物体动能的改变量基本相同。

在碰撞恢复阶段，又由于其恢复系数不变，V 型齿刀采用径向安装和切向安装时棉秆对齿槽两侧的作用力也相等。

故在此阶段，采用径向安装和切向安装的V 型齿刀对棉秆产生的提拔力F c 切=F c 径。

3．3齿刀面板对棉秆向上的作用力F s 的对比分析V 型齿刀面板对棉秆向上的作用力F s 垂直于齿刀面板，而作用力F s 对棉秆起提拔作用的效果力F 's 是沿着棉秆轴线方向上的力。

假设提拔棉秆时，齿刀面板与棉秆轴线方向形成的角度为β，则实际作用效果力F 's =F s sin β。

如图7（a ）所示，假定径向安装时，工作过程中齿刀与棉秆的夹角为β1，则实际作用效果力为F 's 径=F s 径ˑsin β10＜β1＜π2（11）如图7（b ）所示，假定切向安装时，工作过程中齿刀与棉秆的夹角为β2，设齿刀与棉秆接触点为A ，齿刀与刀轴的切点处为B ，则OA 的连线与棉秆的夹角等于齿刀径向安装时齿刀与棉秆的夹角为β1，因此β2=∠BOA+β10＜β2＜π2其实际作用效果为F's切=Fs切sinβ2=Fs切sin（∠BOA+β1）（12）所以F's切＞F's径。

故在此阶段采用V型齿刀切向安装提拔作用效果优于采用V型齿刀径向安装对棉秆提拔作用效果。

3．4齿刀对棉秆作用力P的对比分析假设齿刀高度为l1，刀轴直径D，则采用径向安装时，刀尖划过圆的直径为D径=D+2l1=（D+2l1）槡2=D2+4l12+4l1槡D（13）采用切向安装时，如图7（修改图）所示刀尖划过圆的直径为D切=2ˑ（D2）2+l1槡2=D2+4l1槡2（14）显然D切＜D径。

所以，在保持刀尖距离地面距离不变时，切向安装可以有效降低刀轴中心距离地面的距离，亦降低了齿刀与棉秆接触点与地面的距离a，带入公式得P=6ΔylEJab（a2－b2+l2）a＜b（15）假定l不变，a减小，b增大，则ab（a2－b2+l2）减小，6ΔylEJ不变，所以P增大。

带入式（6）知，在此阶段采用V型齿刀切向安装提拔作用F t切大于采用V 型齿刀径向安装对棉秆提拔作用力F t径。

综上所述，F c切=F c径，F’s切＞F's径，F t切＞F t径，带入式（9）、式（10），推出F切＞F径。

（a）（b）图7齿刀与棉秆夹角示意图4田间试验4．1试验条件为了对前述分析结果进行验证，2013年4月，在山东省沾化县进行两种不同结构形式棉秆收获台收获性能试验。

试验机器及试验场地如图8所示。

图8不同安装结构的性能试验试验条件为：棉秆含水率22% 31%低；试验田棉花的行距为760mm，株距为160mm，棉秆直径8 25mm，棉秆高度800 1200mm；机器作业速度3．6km/ h；横向拔茎辊转速360r/min，清理辊转速360r/min，刀轴直径73mm，齿刀高度45mm，齿刀宽31mm，齿形角32．5ʎ，清理辊直径300mm，拨禾轮直径500mm、转速150rmin、安装高度1000mm。