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檸條聯(lián)合收割機(jī)切割及撥禾裝置的設(shè)計
1 引言
1.1 課題的提出和意義
檸條是豆科錦雞兒屬的一個種,多年生長灌木植物，檸條抗旱、抗寒、耐瘠薄、耐風(fēng)沙、具有極強(qiáng)的生命力和抗逆性。由于對沙地干旱自然環(huán)境條件的適應(yīng)結(jié)果，葉退化為刺。株高1～3m，冠幅1m以上。軸根系，根長4～5m。自然生長狀態(tài)下，壽命10年左右，如果平茬，壽命20年以上。檸條莖稈灰白色，直徑多10～20mm，木質(zhì)堅硬緊實[1]。
鑒于檸條獨特的生物特性，多年來它一直是內(nèi)蒙古西部及山西西北部和陜西、甘肅等防風(fēng)固沙、防止水土流失的重要選用植物。全國檸條種植面積已達(dá)到666.66萬hm2 ，僅山西大同市檸條種植面積達(dá)到2萬hm2 [2]。檸條含有豐富的蛋白質(zhì)，開花期鮮檸條干物質(zhì)含粗蛋白14%，粗脂肪3.5%，粗纖維39.3%，無氮浸出物31.3%，粗灰分5.4%。由此可見，檸條還是優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)飼料。未實施禁牧前，種植檸條的經(jīng)濟(jì)效益主要以牲畜的自然采食來體現(xiàn)，采食率一般在20%～30%之間。然而由于種植檸條的地區(qū)都是生態(tài)狀況較差的地區(qū)，這類地區(qū)實行了嚴(yán)格的禁牧舍飼圈養(yǎng)后，使檸條的經(jīng)濟(jì)價值很難體現(xiàn)。其中最關(guān)鍵的問題就是檸條的機(jī)械化平茬收獲技術(shù)沒有得到根本解決。一方面，因為大部分地區(qū)圈養(yǎng)牲畜的主要飼草青貯或壓縮后的玉米秸稈，牲畜采食種類單一，營養(yǎng)成分不全，導(dǎo)致肉奶品質(zhì)部高，抗病能力下降，不少牲畜都處于亞健康狀態(tài)；另一方面，含有多種營養(yǎng)成分的檸條得不到利用。另外，根據(jù)檸條生長特性，最好3～4年平茬一次，否則它的生長速度就會減慢甚至消失[3]。為解決這些問題，給生態(tài)建設(shè)和舍飼圈養(yǎng)創(chuàng)造可持續(xù)發(fā)展的空間，當(dāng)務(wù)之急是研制一種可實現(xiàn)對檸條進(jìn)行聯(lián)合收割的機(jī)械。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
現(xiàn)在國內(nèi)外暫時還沒有出現(xiàn)對檸條聯(lián)合收割機(jī)成型機(jī)械的報道，現(xiàn)有的對檸條進(jìn)行收割的裝置只有普通的割草機(jī)，還有適用于檸條的平茬機(jī)。普通的圓盤鋸齒式和甩刀式機(jī)具切割后，切口表面形成不光滑的所謂“毛口”，不利于次年發(fā)芽生長[3]。這些機(jī)械只能把檸條切割，并沒有處理和收集裝置，切割完以后直接散落到地里，還需要人工進(jìn)行收集。這些機(jī)械的適應(yīng)性差，很多地方還是需要人工砍切收割。由于檸條莖稈木質(zhì)化較高，而且莖稈上多硬刺，人工砍割和收集都非常不容易，收割效率極低而且效果非常差。
1.3 本文的研究內(nèi)容及方法
根據(jù)國內(nèi)外檸條聯(lián)合收割機(jī)研究的發(fā)展現(xiàn)狀，以及國內(nèi)對檸條聯(lián)合收割機(jī)的需求，本文對檸條聯(lián)合收割機(jī)的整體設(shè)計進(jìn)行了研究，首先設(shè)計有效的撥禾裝置把檸條撥入收割臺，采用了往復(fù)式切割器對檸條進(jìn)行切割，隨后送入立式壓扁輸送輥系統(tǒng)進(jìn)行壓扁及輸送，然后送入立式滾筒切割系統(tǒng)對檸條進(jìn)行切碎，最后切碎的檸條掉入集料箱實現(xiàn)莖稈的收集。本文著重對切割以后的工作部分進(jìn)行了研究。整機(jī)工作流程圖見圖1。立式割臺的立式壓扁輸送輥配置立式滾刀屬獨特設(shè)計，其特點是立式壓扁輥兼作滾刀的喂入輥，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，問題是秸稈喂入方向與滾刀軸線的垂直性如何，需要進(jìn)行試驗驗證；優(yōu)點是秸稈在切碎后輸送相對容易[4] 。
撥禾鏈
往復(fù)式切割器
立式切割滾筒
收集料斗
夾持輸送鏈
立式壓扁輸送輥
圖1 工作流程圖
綜上所述，我國檸條收割機(jī)的研制勢在必行，尤其是既能對檸條進(jìn)行收獲，又能對檸條進(jìn)行切斷和收集的聯(lián)合收割機(jī)械的研制更有發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。在分析了國內(nèi)外有關(guān)研究現(xiàn)狀之后，發(fā)現(xiàn)本文針對檸條所設(shè)計的立輥式壓扁切割系統(tǒng)還沒有相關(guān)研究，所以有必要進(jìn)行研究分析。設(shè)計中確定了立式滾刀切碎裝置，與立輥式壓扁方式相配套，結(jié)構(gòu)緊湊、切碎質(zhì)量好，大大減輕了整個割臺部分的前伸量和重量[5]，為檸條收割后的莖稈切碎問題提供了解決方案。
2 技術(shù)任務(wù)書
檸條是一種很難回收的一種作物，現(xiàn)在的狀況是能及時平茬， 以往平茬完以后，工作人員在回收的時候經(jīng)常弄傷自己。本設(shè)計主要目的是既平茬又收獲，在切割完成以后經(jīng)過簡單的碾壓，導(dǎo)進(jìn)切碎裝置中，進(jìn)行切碎，最后掉入收料箱。
因為現(xiàn)如今對檸條的了解還很少，本設(shè)計中有部分參數(shù)和計算公式需要套用玉米聯(lián)合收獲中的一些。本設(shè)計的關(guān)鍵問題是切割與前進(jìn)的關(guān)系，檸條是豆科錦雞兒屬的一個種，很難被切割，若前進(jìn)過快，容易把檸條弄斷，前進(jìn)過慢，消耗太大。根據(jù)經(jīng)驗值我得出了前進(jìn)速度必須小于切割速度。
3 設(shè)計計算說明書
3.1 傳動方案的確定
傳動方案的設(shè)計是本次設(shè)計的難點和重點，只有傳動方案設(shè)計合理，才能保證整體機(jī)構(gòu)的運作，各個環(huán)節(jié)才能有效配合，高效率、高質(zhì)量的實現(xiàn)檸條的聯(lián)合收割。
本次設(shè)計的檸條聯(lián)合收割機(jī)傳動部分的難點在于各部分所需轉(zhuǎn)速不相同，壓扁輸送輥對的轉(zhuǎn)向相反，要實現(xiàn)相對運動，撥禾鏈組也要實現(xiàn)相對運動。
本文所設(shè)計的傳動方案簡圖如圖2所示：
此檸條聯(lián)合收割選取65馬力柴油發(fā)動機(jī)，輸出轉(zhuǎn)速2400r/min,經(jīng)過一級減速器減速，傳入各個機(jī)構(gòu)。兩個壓扁輸送輥安裝在同一平面內(nèi)，形成一個壓扁輸送輥對，為了方便表示，把后面的壓扁輸送輥-2畫到了側(cè)面。柴油機(jī)輸入的轉(zhuǎn)速傳入一級減速器后，首先不經(jīng)過減速，轉(zhuǎn)速通過減速器主動軸直接傳出，再通過一組皮帶輪和錐齒傳入滾筒切碎器；從滾筒切碎器傳出的轉(zhuǎn)速通過一組二級皮帶輪減速，傳入壓扁輸送輥-1；主動軸傳出的轉(zhuǎn)速通過一組直齒輪改變方向，經(jīng)由一個錐齒輪組和一個二級皮帶輪減速傳入壓扁輸送輥-2，這樣就實現(xiàn)了壓扁輸送輥對的相對運動。同理，由減速器從動軸傳出的轉(zhuǎn)速經(jīng)過一系列的齒輪和皮帶輪傳動，可以實現(xiàn)撥禾鏈的相對運動，往復(fù)式切割器則再通過一組曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)往復(fù)運動。
1.往復(fù)式切割器 2.壓扁輸送輥-1 3.滾筒切碎器 4.壓扁輸送輥-2 5.撥禾鏈
圖2 檸條聯(lián)合收割機(jī)傳動簡圖
3.2 傳動皮帶輪的設(shè)計計算
3.2.1 減速箱主動軸傳出的皮帶輪組
小帶輪轉(zhuǎn)速2400r/min，大帶輪轉(zhuǎn)速2100r/min,。
（1）V帶型號的選擇：V帶星號應(yīng)根據(jù)計算功率和小帶輪轉(zhuǎn)速來選取，。計算功率是根據(jù)傳遞的功率，并考慮載荷的性質(zhì)以及每天運轉(zhuǎn)時間的長短等因素來確定的。
（1）
式中：——計算功率，；
——傳遞的額定功率，；
——工作情況系數(shù)。
其中：=，=1.3，則計算出=。
（2）確定帶輪的基準(zhǔn)直徑、：初選主動帶輪的基準(zhǔn)直徑。根據(jù)V帶型號，選取為B型140mm，則根據(jù)傳動比算出=160mm。
（3）確定中心距和帶的基準(zhǔn)長度：根據(jù)傳動結(jié)構(gòu)需要初定中心距。
（2）
則最小=210mm。
確定后，由帶傳動幾何關(guān)系，按下式計算所需帶的基準(zhǔn)帶長：
（3）
得出=891.48。根據(jù)選取和最相近的V帶的基準(zhǔn)長度，則=900mm。再根據(jù)來計算實際中心距。由于V帶傳動的中心距是可以調(diào)整的，故可采用下式做近似計算：
（4）
計算得最小中心距=214mm
（4）驗算主動輪上的包角：
（5）
計算得=，符合要求。
（5）確定帶的根數(shù)
（6）
式中：——包角系數(shù)，考慮包角不同時的影響系數(shù)；
——長度系數(shù)，考慮帶的長度不同時的影響系數(shù)；
——單根V帶所能傳遞的功率，；
——單根V帶時的功率增量，。
計算得=4.75根。
3.2.2 滾筒到減速軸的皮帶輪組
小帶輪轉(zhuǎn)速2100r/min，傳動比3.76，則大帶輪轉(zhuǎn)速為558.5r/min。
（1）=2，根據(jù)公式（1）可得 =2.6。
（2）確定帶輪的基準(zhǔn)直徑、：初選主動帶輪的基準(zhǔn)直徑。根據(jù)V帶型號，選取為A型100mm，則根據(jù)傳動比算出=376mm，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)帶輪直徑，選擇=375mm。
（3）確定中心距和帶的基準(zhǔn)長度：根據(jù)傳動結(jié)構(gòu)需要初定中心距。
根據(jù)式（2）計算可得=332.5mm。
確定后，由帶傳動幾何關(guān)系，按下式計算所需帶的基準(zhǔn)帶長：
根據(jù)式（3）得=1467.6mm，根據(jù)選取和最相近的V帶的基準(zhǔn)長度，則=1600mm。再根據(jù)來計算實際中心距。由于V帶傳動的中心距是可以調(diào)整的，根據(jù)式（4）得最小中心距=399mm。
（4）驗算主動輪上的包角：根據(jù)式（5）得：，符合要求。
（5）確定帶的根數(shù)：根據(jù)式（6）計算得：=根。
3.2.3 減速軸到壓扁輸送輥的皮帶輪組
小帶輪轉(zhuǎn)速558.5r/min，傳動比2.5，則大帶輪轉(zhuǎn)速為233r/min。
（1）=2，根據(jù)公式（1）可得 =2.6。
（2）確定帶輪的基準(zhǔn)直徑、：初選主動帶輪的基準(zhǔn)直徑。根據(jù)V帶型號，選取為A型112mm，則根據(jù)傳動比算出=280mm。
（3）確定中心距和帶的基準(zhǔn)長度：根據(jù)傳動結(jié)構(gòu)需要初定中心距。
據(jù)式（2）計算可得=275mm。
確定后，由帶傳動幾何關(guān)系，按下式計算所需帶的基準(zhǔn)帶長：
根據(jù)式（3）得=1191mm，根據(jù)選取和最相近的V帶的基準(zhǔn)長度，則=1250mm。再根據(jù)來計算實際中心距。由于V帶傳動的中心距是可以調(diào)整的，根據(jù)式（4）得最小中心距=305mm。
（4）驗算主動輪上的包角：根據(jù)式（5）得：，符合要求。
（5）確定帶的根數(shù)：根據(jù)式（6）計算得：=根。
3.2.4 減速器從動軸到撥禾鏈齒輪箱的帶輪組
小帶輪轉(zhuǎn)速533r/min，則大帶輪轉(zhuǎn)速為192r/min，則傳動比為2.5。
（1）=1.6，根據(jù)公式（1）可得 =2.08。
（2）確定帶輪的基準(zhǔn)直徑、：初選主動帶輪的基準(zhǔn)直徑。根據(jù)V帶型號，選取為A型100mm，則根據(jù)傳動比算出=278mm，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)帶輪直徑，選擇=280mm。
（3）確定中心距和帶的基準(zhǔn)長度：根據(jù)傳動結(jié)構(gòu)需要初定中心距。
根據(jù)式（2）計算可得=266mm。
確定后，由帶傳動幾何關(guān)系，按下式計算所需帶的基準(zhǔn)帶長：
根據(jù)式（3）得=1159mm，根據(jù)選取和最相近的V帶的基準(zhǔn)長度，則=1250mm。再根據(jù)來計算實際中心距。由于V帶傳動的中心距是可以調(diào)整的，根據(jù)式（4）得最小中心距=312mm。
（4）驗算主動輪上的包角：根據(jù)式（5）得：，符合要求。
（5）確定帶的根數(shù)：根據(jù)式（6）計算得：=根。
3.3 立式收割臺設(shè)計
割臺是檸條聯(lián)合收割機(jī)的重要組成部分，是機(jī)器的核心部件之一。本割臺采用立式，具有以下功能：將檸條植株切斷、夾持輸送，并將植株向切碎機(jī)構(gòu)強(qiáng)制喂送；給輸送裝置輸入動力，給輸送裝置、切碎裝置和拋送裝置提供安裝平臺。
立式割臺主要部件包括切割器、分禾撥禾器、夾持輸送裝置和滾筒切碎裝置。
3.3.1 切割器的選擇
切割器是收獲機(jī)械的重要部件之一，它的功用是將田間的作物切斷。目前，
已廣泛使用和報道的切割器有:往復(fù)式、回轉(zhuǎn)式、甩刀式、帶式等?；厩闆r是:
1往復(fù)式切割器。往復(fù)式切割器由動刀片和定刀片組成，動刀片多數(shù)在刀刃上面刻有齒紋，少數(shù)在下面刻有齒紋，防止禾株在從剪切口滑出，并有自磨刃作用。在機(jī)器前進(jìn)的同時，動刀片與定刀片組成割幅，定刀片與護(hù)刃器成為切割時的兩個固定支撐點，動刀片以一定的速度在兩支撐點之間做往復(fù)切割。往復(fù)式切割是目前國內(nèi)外稻麥?zhǔn)崭顧C(jī)上應(yīng)用最廣的一種切割器，現(xiàn)基本標(biāo)準(zhǔn)化。其切割速度一般為1.5 -2 m/s，作業(yè)速度低，一般不超過9k m / h（2.5m/s）。它由往復(fù)運動的割刀和固定不動的支承部分組成。割刀由刀桿、動刀片和刀桿頭等鉚合而成。刀桿頭與傳動機(jī)構(gòu)相連接，用以傳遞割刀的動力。工作時，割刀作直線往復(fù)運動，其護(hù)刃器前尖將谷物分成小束引向割刀，割刀在運動中將禾桿推向定刀進(jìn)行切割。這種切割器平均切割速度較低，切割性能好，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠， 廣泛用于谷物收割機(jī)上。它的缺點是往復(fù)憤性力大，割臺振動和噪聲大，存在重割和漏割，割茬不整齊。
為解決往復(fù)式切割器往復(fù)慣性力較大的問題，日本久保田稻麥?zhǔn)崭顧C(jī)將刀桿分成兩段，采用兩個曲柄連桿機(jī)構(gòu)雙邊驅(qū)動，兩段刀桿的運動方向相反，可抵消部分慣性力。為防止泥土卡刀，久保田收割機(jī)將刀桿加寬，在其底部挖了排土孔，割刀在運動時可將進(jìn)入切割間隙的泥土及時排出。 此外，這種機(jī)型還加裝了割刀自動潤滑系統(tǒng)，可將潤滑油自動滴到刀桿上，隨動刀的運動而進(jìn)入摩擦間隙，以免手工加油發(fā)生危險。
2 回轉(zhuǎn)式切割器。 回轉(zhuǎn)式切割器主要用于收獲牧草、 青飼料等粗莖稈作物，少數(shù)谷物收獲機(jī)上也使用這種切割器?；剞D(zhuǎn)式切割器切割速度高，一般為 25-50 m / s，可適應(yīng)10-25km/h的高速作業(yè)，慣性力易平衡，震動較小，結(jié)構(gòu)簡單，但回轉(zhuǎn)半徑小，不宜寬幅切割，割刀的壽命較短，維修費用高。
3 甩刀式切割器。甩刀式切割器多用于玉米青貯飼料收割機(jī)上， 目前國內(nèi)外收割機(jī)上多采用甩刀式切割器。它由 水平橫軸、刀盤體、刀片和護(hù)罩等組成。刀片鉸接在水平橫軸的刀盤上，在垂直平面 (與前進(jìn)方向平行)內(nèi)回轉(zhuǎn)。
4 回轉(zhuǎn)帶式切割器。這種切割器將薄鋼帶加工成角鋼狀，一邊為帶體，連接兩端構(gòu)成傳動帶，一邊為刀體，刀體間有一定距離，刀體端開有刀齒，刀齒為梯形。工炸時，在驅(qū)動帶輪的帶動下，帶體在水平面內(nèi)繞兩帶輪作回轉(zhuǎn)運動刀齒切割作物。
5齒形鏈?zhǔn)角懈钇鳌拥队疑喜繛榍懈疃危?呈梯形，根部為傳動齒，同齒形鏈節(jié)板，將其與標(biāo)準(zhǔn)齒形鏈節(jié)板鉸接成一封閉的刀鏈，刀鏈在主動鏈輪的驅(qū)動下，在上下水平導(dǎo)軌的引導(dǎo)下，在水平面內(nèi)作高速回轉(zhuǎn)運動，其緊邊與護(hù)刃器構(gòu)成切割幅，對作物莖稈切割。
本設(shè)計選擇：往復(fù)式切割器。
3.3.2 往復(fù)式切割器的設(shè)計
往復(fù)式切割器是聯(lián)合收割機(jī)使用最廣泛的切割部件，其切割圖是評價切割器工作性 能的重要工具，本章就往復(fù)式切割器的構(gòu)造、類型及其結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化以及傳統(tǒng)繪制切割 圖的方法— 描點法作以簡單介紹，并分析影響往復(fù)式切割器工作性能的主要因素。另 外，推導(dǎo)切割器的縱向位移與橫向位移間的關(guān)系式，并指出利用傳統(tǒng)高等數(shù)學(xué)知識解決 面積的計算問題時，會因解不出原函數(shù)而無法實現(xiàn)。
3.3.3 往復(fù)式切割器的構(gòu)造
往復(fù)式切割器由往復(fù)運動的割刀和固定不動的支承部分組成[6]（圖2）割刀由刀桿、動少J片和刀桿頭等鉚合而成。刀桿頭與傳動機(jī)構(gòu)相連接，用以傳遞割刀的動力。固定部分包括護(hù)刃器梁、護(hù)刃器、鉚合在護(hù)刃器上的定刀片、壓刃器和摩擦片等。工作時割刀作往復(fù)運動，其護(hù)刃器前尖將谷物分成小束并引向割刀，割刀在運動中將禾稈推向定刀片進(jìn)行剪切。
圖3 往復(fù)式切割器 圖 4 動刀片
（1）動刀片:它是主要切割件，為對稱六邊形（圖4）,兩側(cè)為刀刃。刀刃的形狀有光刃和齒紋刃兩種。光刃切割較省力，割茬較整齊，但使用壽命較短，工作中需經(jīng)常磨刀。齒紋刃刀片則不需磨刀，雖切割阻力較大，但使用較方便。在谷物收割機(jī)和聯(lián)合收獲機(jī)上多采用齒紋刃。而牧草收割機(jī)由于牧草密、濕，切割阻力較大，多采用光刃刀片。刀刃的刃角i對切割阻力和使用壽命影響較大，當(dāng)刃角i由增至?xí)r，切割阻力增加15%。刃角太小時，刀刃磨損快，而且容易崩裂，工作不可靠。一般取刃角為。齒紋刃刀片的刃角i=。光刃刀片為使其磨刀后刃部高度不變，刀片前端頂寬b，一般b=14-16mm，齒紋刃刀片其b值較小些。刀片一般用工具鋼 (T8.T9)制成，刃部經(jīng)熱處理，熱處理寬度為10-15mm,淬火帶硬度為HRC50-60，非淬火區(qū)不得超過HRC35。刀片厚度為2-3mm。每厘米刀刃長度上有6-7個齒，刀刃厚度不超過0.15mm。
(2)定刀片:定刀片為支承件，一般為光刃，但當(dāng)動刀片采用光刃時，為防止莖稈向前滑出也可采用齒刃。國外部分機(jī)器護(hù)刃器上沒有定刀片，由鍛鋼護(hù)刃器支持面起支承切割的作用。
(3)護(hù)刃器:護(hù)刃器的作用是保持定刀片的正確位置、保護(hù)割刀、對禾稈進(jìn)行分束和利用護(hù)刃器上舌與定刀片構(gòu)成兩點支承的切割條件等。其前端呈流線形并少許向上或向下彎曲，后部有刀桿滑動的導(dǎo)槽。護(hù)刃器一般為可鍛鑄鐵或鍛鋼、鑄鋼等制成，可鑄成單齒一體，或雙齒一體或三齒一體。單齒一體損壞后易于更換，但安裝和調(diào)節(jié)較麻煩，現(xiàn)多采雙齒護(hù)刃器。
(4)壓刃器:為了防止割刀在運動中向上抬起和保持動刀片與定刀片正確的剪切間隙(前端不超過0-0.5mm，后端不大于1一1.5mm)，在護(hù)刃器梁上每隔30-50厘米裝有壓刃器(在割草機(jī)上每間隔20-30厘米)。它為一沖壓鋼板或韌鐵件，能彎曲變形以調(diào)節(jié)它與割刀的間隙。
(5)摩擦片:部分切割器在壓刃器下方裝有摩擦片，用以支承割刀的后部使之具有垂直和水平方向的兩個支承面，以代替護(hù)刃器導(dǎo)槽對刀桿的支承作用。當(dāng)摩擦片磨損時，可增加熱片使摩擦片抬高或?qū)⑵湎蚯耙苿?。裝有摩擦片的切割器，其割刀間隙調(diào)節(jié)較方便。
（6）護(hù)刃器間距：護(hù)刃器起著保護(hù)刀片和引力莖稈的作用，往復(fù)式切割器切割莖稈分兩個過程，首先是被動力刀片推至護(hù)刃器間隔中間產(chǎn)生橫向彎曲；其次是隨機(jī)器前進(jìn)產(chǎn)生縱向彎曲，這都會使切割力增加，而莖稈切割最大彎曲取決于護(hù)刃器間隔，間隔以大于68.3mm為宜，故取72mm。
（7）動刀片間隔 動刀片間隔取決于刀片尺寸和切割速度。英雌優(yōu)化設(shè)計了刀片結(jié)構(gòu)尺寸。達(dá)到了增加切割速度以減少切割阻力的目的。
（8）切割速度 往復(fù)式七個七的工作質(zhì)量跟切割速度與機(jī)組前進(jìn)速度的速比有密切關(guān)系。往復(fù)切割速度是指平均速度，平均速度越高，切割性能越好。但過高的切割速度是不可取的，因為會使整個機(jī)組產(chǎn)生較大的振動，不但增加了機(jī)組功率的消耗，而且會加速零件的磨損與破壞。經(jīng)過理論計算和試驗，速比在0.8到2.2范圍內(nèi)時，工作質(zhì)量比較理想，因此確定切割速度為2m/s。
（9）切割器功率消耗 切割器切割莖稈所需功率由三部分組成，即切割莖稈所消耗率，割刀摩擦消耗功率，慣性消耗功率。經(jīng)過計算，切割器消耗功率為
（7）
其中：——玉米切割阻力；——摩擦阻力；——往復(fù)慣性力；——切割速度，取2m/s;——切割速度。 結(jié)果=3Kw
3.3.4 往復(fù)式切割器的類型
往復(fù)式切割器割刀作往復(fù)運動，結(jié)構(gòu)較簡單.，適應(yīng)性較廣。目前在谷物收割機(jī)、牧草收割機(jī)、谷物聯(lián)合收獲機(jī)和玉米收獲機(jī)上采用較多[6]。
a b c
圖5 各種尺寸類型切割器a. 普通I型 b.普通II型 c.低割型
往復(fù)式切割器按結(jié)構(gòu)尺寸與行程關(guān)系分有以下三種:
(1) 普通I型 (見圖5-a)
其尺寸關(guān)系為
（8）
式中:S-割刀行程;t-動刀片間距;-護(hù)刃齒間距
普通I型切割器的特點是：割刀的切割速度較高，切割性能較強(qiáng)，對粗、細(xì)莖稈的適應(yīng)性能較大，但切割時莖稈傾斜度較大、割茬較高。這種切割器在國際上應(yīng)用較為廣泛，多用于麥類作物和牧草收獲機(jī)械上。
在水稻收割機(jī)上有采用較標(biāo)準(zhǔn)尺寸小的切割器，其尺寸關(guān)系為
50，60或70mm （9）
其特點是:動刀片較窄長(切割角較小)，護(hù)刃器為鋼板制成，無護(hù)舌，對立式割臺的橫向輸送較為有利。其切割能力較強(qiáng)，割茬較低。
在粗莖稈作物收割機(jī)上，有采用較標(biāo)準(zhǔn)尺寸為大的切割器，其尺寸關(guān)系為
90或100mm （10）
其護(hù)刃齒的間距較大，專用于收割粗莖稈作物。青飼玉米收割機(jī)、高粱收割機(jī)和對行收割的玉米收獲機(jī)采用。
(2) 普通II型 (見圖5-b)
其尺寸關(guān)系為
（11）
該切割器的動刀片間距t及護(hù)刃器間距與普通I型相同，但其割刀行程為普通I型的2倍。其割刀往復(fù)運動的頻率較低，因而往復(fù)慣性力較小。此點對抗振性較差的小型機(jī)器具有特殊意義，適于在小型收割機(jī)和聯(lián)合收獲機(jī)上采用。
(3)低割型 (見圖5-c)
其尺寸關(guān)系為
、 （12）
切割器的割刀行程S和動刀片間距t均較大，但護(hù)刃齒的間距較小。切割時，莖科傾斜量和搖動較小，因而割茬較低，對收割大豆和牧草較為有利，但對粗莖稈作物的適應(yīng)性較差。
低割型切割器由于切割時割刀速度較低，在莖稈青濕和雜草較多時切割質(zhì)量較差，割茬不整齊并有堵刀現(xiàn)象。目前在稻麥?zhǔn)崭顧C(jī)上采用較少。
3.3.5 往復(fù)式切割器的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化
為了便于組織專業(yè)化生產(chǎn)和零配件供應(yīng)，國家機(jī)械工業(yè)部1975年公布了切割器的國家標(biāo)準(zhǔn) (GB1209一1213-75)。切割器分為三種型式:
(1)Ⅰ型切割器:其，動刀片為光刃，刀片水平傾角為，護(hù)刃器為單齒，設(shè)有摩擦片。用于割草機(jī)。
(2)Ⅱ型切割器:其，動刀片為紋齒刃，護(hù)刃器為雙齒，設(shè)有摩擦片。用于谷物收割機(jī)和聯(lián)合收獲機(jī)。
(3)Ⅲ型切割器:其，動刀片為齒紋刃，護(hù)刃器為雙齒，無摩擦片。用在谷物收割機(jī)和谷物聯(lián)合收獲機(jī)上。
3.3.6 割刀進(jìn)距
割刀進(jìn)距對切割圖有重要的影響，割刀進(jìn)距指割刀走過一個行程(S)時，機(jī)器前進(jìn)的距離。割刀進(jìn)距用下式計算：
（13）
或 （14）
式中——機(jī)器前進(jìn)速度;n——割刀曲柄轉(zhuǎn)速;——割刀曲柄角速度。
3.3.7 影響往復(fù)式切割器工作性能的因素
影響往復(fù)式切割器工作性能的主要因素是割刀進(jìn)距及動刀片刃部高度。
割刀進(jìn)距會影響切割圖中重割區(qū)及漏割區(qū)的面積，當(dāng)進(jìn)距增大時，切割圖變長，漏割區(qū)增加，而重割區(qū)減少;反之，則相反。此外，動刀片的刃部高度也影響到切割圖的形狀。刃部高度增大時，漏割區(qū)減小，而重割區(qū)增加;反之，則相反。由于現(xiàn)在使用于聯(lián)合收割機(jī)上的切割器都己標(biāo)準(zhǔn)化，所以本文主要討論割刀進(jìn)距 (即機(jī)器前進(jìn)速度和割刀曲柄轉(zhuǎn)速)對往復(fù)式切割器的工作性能影響。
3.4 檸條聯(lián)合收割機(jī)割刀傳動機(jī)構(gòu)的組成
檸條聯(lián)合收割機(jī)割刀傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示，該機(jī)構(gòu)屬于曲柄搖桿一搖桿滑塊機(jī)構(gòu)，ABC是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，DEF為搖桿滑塊機(jī)構(gòu)。當(dāng)曲柄均勻回轉(zhuǎn)時，割刀動刀片作往復(fù)運動，完成切割任務(wù)。在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計中已獲應(yīng)用[7～11]擺塊軸承座連接為球頭鉸鏈或球面軸承。
曲柄應(yīng)順時針轉(zhuǎn)動，正常工作轉(zhuǎn)速是500。該傳動機(jī)構(gòu)在搖桿擺動的兩極限位置的連線應(yīng)通過曲柄的回轉(zhuǎn)中心，這樣的傳動布置能使割刀在往返行程的平均速度相等，對割刀傳動有利。搖桿擺動角度的大小，對割刀的加速度顯然有較大的影響，當(dāng)其他的參數(shù)一定時，搖桿擺角越大，割刀加速度越大，會引起割臺較大的振動，應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)[12]。
圖6 割刀傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3.4.1 曲柄搖桿ABC的運動方程
曲柄搖桿ABC的結(jié)構(gòu)簡化圖形如圖7所示。建立空間三維直角坐標(biāo)系XAYZ，ACC 在軸上，z軸為檸條割臺主傳動軸的軸線的方向。
圖7 曲柄搖桿結(jié)構(gòu)簡化圖
設(shè)曲柄以勻角速度從第二象限開始順時針轉(zhuǎn)動，所以，B點的運動方程為：
；；； （15）
；；； （16）
；； （17）
C點在X軸方向上的運動方程為：
； （18）
因為r遠(yuǎn)小于l，因此可以認(rèn)為角接近于，則
；；； （19）
3.4.2 曲柄搖桿ABC的旋轉(zhuǎn)慣性力問題
應(yīng)用節(jié)點等效質(zhì)量代換法，推桿BC的質(zhì)量代換到B點，另外質(zhì)量代換到C點．平衡配重鐵質(zhì)量為 ，安置在割臺主傳動軸的右側(cè)，如圖7所示．其旋轉(zhuǎn)慣性力主要由以下幾個質(zhì)量元件產(chǎn)生：曲柄銷(質(zhì)量為)，曲柄不平衡部分(質(zhì)量為)，推桿在B點的等效質(zhì)量()，曲柄銷對面所加的平衡配重鐵(質(zhì)量為)；因此，旋轉(zhuǎn)慣性力的靜平衡方程式可以表示為：
（20）
式中：,分別為平衡配重鐵和曲柄不平衡部分質(zhì)心距主傳動軸心的半徑。
在確定平衡參數(shù)時，應(yīng)首先由實踐經(jīng)驗確定的大小，即配重的安置位置，然后根據(jù)上述公式確定配重質(zhì)量的大小。
3.4.3 割刀的動力學(xué)問題
割刀切割陰力主要包括下列3個力：禾桿的平均切割阻力；割刀的慣性力；由于割刀及其附件重量所產(chǎn)生的磨擦力；設(shè)割刀動刀片及其附件每米質(zhì)量為，割刀動刀片長度為L，則割刀運動部件的總質(zhì)量為qL[13]。
檸條聯(lián)合收割機(jī)的三角擺塊的3個頂點分別與割刀梁、軸承座、推桿相鉸接，三角擺塊繞軸承座擺動，CDE3點可以近似看做平面運動，其受力圖如圖8所示。E點y方向的平動運動規(guī)律可以近似看做為割刀動刀片與C點的運動規(guī)律，由前面的推導(dǎo)可知：
；； （21）
（22）
時，表示曲柄銷在左止點位置，割刀切割速度為零，加速度為達(dá)最大值；隨著時間的增加，角逐漸增大，割刀相對位移也越來越大，割刀速度按其位移的二次方增加，而割刀加速度按其位移的直線規(guī)律減??；當(dāng)時，割刀相對速度達(dá)最大，而此時加速度為零。當(dāng)角繼續(xù)增大時，加速度繼續(xù)按其位移的直線規(guī)律增大，而速度按其位移逐漸減小為零[14]。
由達(dá)朗伯原理知： ； （23）
于是可得到割刀往復(fù)慣性力F隨著割刀相對位移的變化規(guī)律，如圖8所示．該力F是引起割臺振動的主要原因之一．在三角擺塊軸承座上，割刀梁對面加一平衡配重(質(zhì)量為m )，來平衡這個力。
圖8 割刀位移變化規(guī)律 圖9 三角擺塊平面受力分析
3.4.4 三角擺塊的動力學(xué)方程
三角擺塊在XAZ平面的受力分析如圖8所示。
三角擺塊繞擺動中心以角加速度運動，其轉(zhuǎn)動慣量為J，由圖8可以看出，割刀平衡配重三角擺塊的平衡配重、推桿等效節(jié)點質(zhì)量、三角擺塊質(zhì)量對轉(zhuǎn)動中心的離心力是平面匯交力系，可以部分相互削減，而上述質(zhì)量單元繞D點轉(zhuǎn)動的切向慣性力矩與割刀的阻力矩、三角擺塊的轉(zhuǎn)動慣性力矩方向均相同，他們由驅(qū)動力對轉(zhuǎn)動中心D的矩來平衡。由達(dá)朗伯原理，可以列出圖8的靜平衡方程。對圖8應(yīng)用質(zhì)點系動量矩定理可得：
； （24）
首先根據(jù)結(jié)構(gòu)要求估算各配重的位置，上式結(jié)合靜平衡方程來確定各個配重質(zhì)量。也可以利用計算機(jī)
3.4.5 總 結(jié)
上述分析方法可以部分求解，也可以聯(lián)立方程求解，如果利用計算機(jī)輔助分析，動態(tài)仿真效果會更好。為確保結(jié)論的實用性，應(yīng)利用測量技術(shù)對各種方案進(jìn)行評述、比較，從而得出最優(yōu)組合方案。
3.5 撥禾器的設(shè)計
衡量作物收獲質(zhì)量好壞的一個最主要指標(biāo)是損失率。由于收獲流程的前后順序所致，割臺損失率首當(dāng)其沖。撥禾裝置位于收割機(jī)的最前端，收獲作物時，它扶起并歸攏作物，撥向切割器；在切割器切割作物時，前方扶持莖稈以防止向前傾倒；最后把切斷的作物及時推向壓扁輥。
分禾是重要的一個環(huán)節(jié)，分禾器如果太長、太寬，就會推倒檸條植株，同時，其結(jié)構(gòu)尺寸與整機(jī)匹配若不合理，將嚴(yán)重影響整機(jī)作業(yè)性能[15～16]。
撥禾輪的結(jié)構(gòu)簡單、可靠，多用于大中型收割機(jī)上的聯(lián)合收獲機(jī)上。但是由于檸條莖稈硬度高切有比較高的柔性，采用撥禾輪的效果不好，且撥禾輪一般應(yīng)用于臥式收割臺的結(jié)構(gòu)中，不適用于本設(shè)計的立式收割臺。本設(shè)計最終采用鏈?zhǔn)綋芎唐鳎捎行У陌褭帡l撥入切割裝置。這種撥禾器的好處是，在切割過程中不會讓檸條亂動，強(qiáng)行切割。
3.5.1 鏈傳動的設(shè)計計算
（1）選擇鏈輪齒數(shù)、
傳動比
假設(shè)鏈速
（3）確定鏈節(jié)數(shù)
（25）
取
（4）傳動功率
查表得工作情況系數(shù)、小鏈輪齒數(shù)系數(shù)、由表查得多排鏈排數(shù)系數(shù)
（26）
（5）確定鏈節(jié)距
根據(jù)，選用鏈號為16A的單排滾子鏈。查表得鏈節(jié)距
（6）實際中心距
（27）
取
（7）驗算鏈速
（28）
與原假設(shè)相符。
（8）計算有效圓周力
（29）
（9）計算軸上載荷
（30）
（10）確定潤滑方式
根據(jù)鏈速、節(jié)距由表查得采用油浴或飛濺潤滑。
3.6 立輥式檸條壓扁輸送裝置的設(shè)計
壓扁輸送裝置是檸條前割臺的核心，直接影響到整機(jī)的各項指標(biāo)，如損失率、切割達(dá)標(biāo)率等。該裝置能在壓扁檸條莖稈的同時將莖稈強(qiáng)制喂入滾刀切碎，使壓扁輥與滾刀間莖稈輸送通暢，不堵塞。其次，莖稈及莖節(jié)被碾壓后對切碎和提高飼料的品質(zhì)起很好的作用[5]。
立輥式壓扁輸送裝置的壓扁輥兩軸線所在平面與垂直面成前傾25°～35°夾角，檸條植株由往復(fù)式割刀割斷后經(jīng)夾持鏈輸送至壓扁輥，通過立式壓扁輥壓扁。植株在弧形擋禾板和加持的作用下與壓扁輥軸線成50°～70°角。由于螺旋線的提升作用，壓扁后的植株基本與壓扁輥成垂直角度向后輸送進(jìn)切碎滾筒切碎。
3.7 莖稈切碎裝置的設(shè)計
立式莖稈切碎裝置是本次設(shè)計的重點，立式莖稈切碎裝置與立輥式壓扁輸送裝置配套實現(xiàn)檸條的收割和粗加，結(jié)構(gòu)簡單，莖稈切碎效果好、功耗低，能和割臺配置緊湊。
現(xiàn)有的設(shè)備技術(shù)是立式輥配套盤刀或臥式滾刀切碎裝置，它不但結(jié)構(gòu)龐大，甩刀則為無支撐切割，動力消耗也大。立式莖稈切碎裝置安裝在檸條壓扁輸送輥的后方，并與機(jī)架相連，其驅(qū)動部件與收獲動力系統(tǒng)相連，且與壓扁輸送輥有速比約束。滾筒式切碎刀最初設(shè)計為螺旋刃刀片，螺旋刃刀片功率消耗小、切碎平穩(wěn)，但制造工藝復(fù)雜，成本高。到20世紀(jì)70年代末，直刃斜裝滾刀在我國得到迅速推廣[17]。
3.8 收集料斗的設(shè)計
集料箱安裝在滾筒切碎刀下方，可活動拆卸，能從機(jī)器后部人工取出，方便物料的卸出。
由于本設(shè)計滾筒切碎裝置為傾斜豎直面安裝，所以首先需要在滾筒外延安裝適當(dāng)?shù)膿醢?，使物料下落方向改變，便于收集。設(shè)計集料箱時，可根據(jù)整機(jī)內(nèi)部空間確定各項數(shù)據(jù)。集料箱材料為普通鐵皮，形狀設(shè)計上選擇性大，在作業(yè)過程中，盡可能的提高集料箱的容積，可提高作業(yè)效率。
4 使用說明書
（1）使用前應(yīng)檢查減速器中冷卻系統(tǒng)是否能正常工作。
（2）注意每個齒輪箱中軸承的潤滑，沒潤滑油時及時添加。
（3）檢查每個傳動皮帶輪的松緊，太松容易脫離，太緊容易斷裂。
（4）檢查往復(fù)式割刀是否在軌道，如果不在，立馬停止運行。
（5）在使用中經(jīng)常檢查傳動系統(tǒng)的工作狀態(tài)，注意各緊固機(jī)件是否松動，如果松動立刻停止運行。
（6）當(dāng)工作一定時間后，應(yīng)當(dāng)檢查撥禾鏈上是否有割下來的雜物，及時清理，否則影響切割。
（7）收料箱滿后及時處理，以免影響正常工作。
（8）在收割作業(yè)時，機(jī)器應(yīng)盡量走直線，保持勻速作業(yè)，根據(jù)負(fù)荷的狀況調(diào)節(jié)好油門，避免因負(fù)荷大小變化突然增、減速，更不能突然拐彎，以免影響作業(yè)質(zhì)量。
（9）聯(lián)合收割機(jī)在日常工作中，要定期進(jìn)行潤滑保養(yǎng)，檢查各部件的技術(shù)狀態(tài)。對工作負(fù)荷大、轉(zhuǎn)速高、振動大的部件要重點檢查保養(yǎng)。當(dāng)某一部件出現(xiàn)損壞時應(yīng)及時更換，切不可將就使用，這樣做不僅可延長機(jī)器的使用壽命，還可減少事故發(fā)生，降低作業(yè)成本和提高工作效率。
（10）聯(lián)合收割機(jī)在投入正常作業(yè)之前，應(yīng)根據(jù)作物的狀況，對機(jī)器割茬高度、作業(yè)速度等作業(yè)性能進(jìn)行調(diào)整。
（11）聯(lián)合收割機(jī)的使用具有季節(jié)性，一般存放時間較長，所以出車前應(yīng)注意檢查機(jī)器的各部件是否完好；離合器、制動踏板自由行程是否適當(dāng)；螺栓、螺母是否松動等，以確保機(jī)器的技術(shù)狀態(tài)良好。還要檢查隨車備件，如刀片、皮帶等易損配件是否配備；常用工具及相關(guān)證件是否齊全等。
5 標(biāo)注化審核報告（BS）
5.1 產(chǎn)品圖樣的審查
檸條聯(lián)合收割機(jī)的傳動裝置和刀具設(shè)計已經(jīng)基本完成，現(xiàn)以具備全套圖紙和一線基本數(shù)據(jù)，根據(jù)有關(guān)規(guī)定，對其進(jìn)行標(biāo)注化審查，結(jié)果如下：
（1） 產(chǎn)品的圖樣完整、統(tǒng)一、表達(dá)準(zhǔn)確清楚、圖樣清楚。符合GB4440-84、GB-83《機(jī)械制圖》的規(guī)定。
（2） 產(chǎn)品圖樣公差與配合的選擇與標(biāo)準(zhǔn)符合GB/T1800、3-1998的規(guī)定。
（3） 產(chǎn)品圖樣的編號符合JB/T5054.5-2000《中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》產(chǎn)品圖樣及設(shè)計的完整性。
（4） 圖紙的標(biāo)題欄與明細(xì)欄符合GB/T10609. 1-1989GB/T10690. 2-1989的規(guī)定。
（5） 產(chǎn)品圖樣粗糙度的標(biāo)注符合GB131-83《表面特征代號及注法》的規(guī)定。
（6） 產(chǎn)品圖樣焊縫的代號符合GB324-80《焊縫代號》的規(guī)定。
5.2 產(chǎn)品技術(shù)文件的審查
（1） 產(chǎn)品的技術(shù)文件名稱、術(shù)語符合ZB/TJ01和0351-90《產(chǎn)品圖樣及設(shè)計文件術(shù)語》及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
（2） 量和單位符合GB3100—GB3102-93的規(guī)定。
（3）技術(shù)文件所用的編碼符合JB/T8823-1998《機(jī)械工業(yè)企業(yè)計算機(jī)輔助管理信息分類編碼導(dǎo)則》的規(guī)定。
（4）技術(shù)文件的完整性符合JB/T5054.5-2000《產(chǎn)品圖樣及技術(shù)文件完整性》的規(guī)定及農(nóng)機(jī)部門的有關(guān)具體要求。
5.3 標(biāo)注件的使用情況
本設(shè)計所用的緊固件均采用標(biāo)準(zhǔn)的螺栓，材料及材料代號也符合國家標(biāo)準(zhǔn)和部頒標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定。
5.4 審查結(jié)論
經(jīng)過對剪草機(jī)裝置和傳動設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化審查，認(rèn)為該設(shè)計基本貫徹了國家最新頒發(fā)的各種標(biāo)準(zhǔn)，圖紙和設(shè)計文件完整齊全，符合標(biāo)準(zhǔn)化得要求。
6 結(jié)論
設(shè)計這款檸條聯(lián)合收割機(jī)，可以對檸條進(jìn)行收割，并且完成檸條莖稈的粗加工和收集，可以滿足廣大檸條種植地區(qū)對檸條收割的要求，便于后續(xù)的加工處理。但是設(shè)計中的經(jīng)驗數(shù)據(jù)采用類似機(jī)械的數(shù)值，對于檸條這種特殊的固沙植物來說，必然有不適合之處，比如輸送壓扁輥與滾筒切碎裝置間的距離、植株的喂入角度、滾筒切碎筒轉(zhuǎn)速與喂入速度的關(guān)系等，這些數(shù)據(jù)的確定都需要大量的針對檸條的試驗數(shù)據(jù)，才能進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，從而使得本設(shè)計成為進(jìn)行后續(xù)試驗研究的基礎(chǔ)和方向。相信此款檸條聯(lián)合收割機(jī)經(jīng)過完善后，會成為檸條聯(lián)合收割的優(yōu)秀機(jī)械。
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