第三节 切割器及理论分析

定刀片 刀杆
摩擦片
往复式切割器的构成
动刀片与刀杆
护刃器与定刀片 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1~2m/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。
Vx
rω
or
x
A
B
r or
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，因此我们引进割刀的平均速度Vp 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。
Vp

S t

nS 30

nr 15
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Vp与机器前 进运动的速度Vm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。
P P
横切
斜切
削切
结论：横切、斜切、削切三种切割方式均应属正切。
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%。
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。
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
B
y A
ω
ωt
o
x
x
特点：机构简单、成本低廉，但占据空间大。
α 滑切
正切
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：
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
一.谷物茎第秆三的节切割切理割论器
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。
y A
rω
B
ωt
o
x
建立动刀片的运来自百度文库方程
x r cost
Vx r sin t r sin2 t r 1 cos2 t r2 r2 cos2 t r2 x2
x
x2 r2

Vx2
r 2 2
1
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rω，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 rω缩小ω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。
R2 1 2
在四边形OACB中：
OAC OBC
2

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α=290，β=6015/ 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。
h h1
磨损后
磨损后
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）。
梯形刀片的结构参数
b
d
Vn
A
V
h
α
β
a
b—前桥宽，a—底部宽 h—刃部高 α—滑切角
一般情况下，α越大，滑切能力越强，切 割也就越省力，当α由150增至450时，切割阻力 将减少一半。滑切角α与切割阻力P之间的关系
而在进行双支承切割时，切割速度为Vp = 1~2 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δ= 1~1.5mm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 1~1.5
单支承
双支承
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。
b
H
H
S
o
A
b
度 由动物
也 于刀茎
λ
H
有 些 不 同 ， 有 可 能 出 现 三 种
值 的 不 同 ， 切 割 区 内 茎 秆
片 的 左 右 推 动 下 被 推 向 定 刀
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
往复式切割器结构关系简图
护刃器
压刃器 动刀片
低速有支承切割和高速无支承切割
⑴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。 双支承切割——用动刀片配合带有护刃器的
定刀片的切割 。
定刀片
P
护刃器
动刀片 定刀片
P 动刀片
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：
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 比正切省力。
设：Vn—割刀运动的法向速度； Vt—割刀运动的切向速度； α—割刀运动的绝对速度 Vt 方向与法向速度方向的夹 V 角，此处定义为滑切角。
P α Vn
切割理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？
⑴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：
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 t 和 t0 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
t0
定刀片 动刀片
S=t
结构尺寸关系为 ：S = t = t0 =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.摆环机构
×
特点：结构紧凑、铰链较少、工作可靠、制 造成本高。
3.行星齿轮机构
y
A
x
o1
o
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 。
四.往复式切割器的工作原理及运动分析
当P = Pg + Pw 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。
Pg Pw
P
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1~2m / s，而无支承的回转式切割器的刀片速度 则需10~20m/s，如果切割牧草，则需40~50m/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。
2.双刀距型切割器
t0
t S=2t=2to
结构尺寸关系为S =2 t =2 t0 =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
to
S=t
结构尺寸关系为：S = t =2 t0 =76.2 mm；在标准型切割器的基础上，在两 定刀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。
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。
H
Vmt

30Vm n
设：λ—割刀速度Vp与机组前进速度Vm的比值。
nS
Vp 30 S
Vm nH H 30
试验结果表明，λ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λ值的大小， 确定Vp 与Vm的配合关系。通常我们用作图的方法—— 切割图，来确定λ值的大小。
曲线如下：
P
a=76
b=17
h=55
o
α
d=24
但要特别注意的是，α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R1、R2 必须在同一直线上。
在三角形OAB中：
α
R1 φ 1
o
F1 θ
A
F2
φ
B
2
N2
N1
β
C
φ1 、φ2 —分别表示动定刀 片与谷物茎秆的摩擦角， φ1+φ2≤45~520，
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。
P
割刀刃口 V
观察几种典型的切割方式
P S C 由此而得：
3
————高略契金常数定理
⑵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
B
E
C
γ
γ/
γ
A
Q tg BC , tg DE , DE BC , AE AC
AC
AE
cos
tg tg cos , Q cos 1 , tg ＜tg , ＜
⑵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 Pw
由于茎秆是在没有任何扶
持的状态下进行切割的，仅靠 茎秆自身的抗弯能力Pw是很难 与动刀片的切割力相平衡的，
此 时 ， P ＞ ＞ Pw 。 切 割 速 度 较
低时，茎秆将被推倒或折断。
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Pg。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。
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 阻 力
切割速度 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。
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
Vp = 1~2 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Vp = 1~2 m / s，要 保证正常的切割，动、定刀片之间的切割间隙必须在δ= 0~0.5mm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 。