旋耕机及其理论计算

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。
回转平面
Vm AB
AB
S 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。
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。
思考题
1.何谓旋耕机？工作原理？作业特点？
2.旋耕机的主要组成？
3.旋耕机正常工作的二个条件？
4.为什么旋耕机刀片的运动参数能影响耕深的大小？
5.旋耕机切土节距的定义？
6.已知一旋耕机欲对某田块进行整地作业，旋耕机刀辊的转速 为250r/min，同一回转平面内安装2把刀，农艺要求的切土厚度 不得大于10cm，试确定机组的前进速度？（km/h）
侧切刃
ω
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
Vm
ω ωt
o o/
m
x
Vmt
M
h
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：
xRcostVmt yRsintRh
xRcostVmt
yRsintRh
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：
Vxd dxt VmRsint＜ 0
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。
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
sint R 代入上式，得：
Rh
Vm＜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： Vm＜Rh
或：
h＜
R
1
1
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
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
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。
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；
Q 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 ： t 2 z
SV m tV mZ 2 6Z 0 V nm, 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。
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。
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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
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，山东省及周边地区大多用于耕后松碎土 壤和整平地表。在我国应用量逐年增加，尤其是北方干旱地区。
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。
N N qN pN tN 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：
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：
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
ωt
o o/
m
x
Vmt
M
h
y
Vm
ω
ωt
o o/
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
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
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。
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。
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 。
NFVmkrBhVm
N 1 0 0 krB h V mk g m /s
N100krBhVm 马 力
75
N100krBhVm kW
102
NkrB hV m kW
m
x
Vmt
M
h
y
M点的运动方程： xRcostVmt
yRsint
不同速比λ对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。
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