手扶牧草收割機往復式切割器主要參數(shù)試驗分析

王振強，趙春花，劉 偉

（甘肅農業(yè)大學工學院，甘肅蘭州730070）

我國擁有草地資源4.14×108hm2，占國土面積的42.12%，遠多于林地和耕地的總和，居世界第二，主要包括北方草原、農區(qū)天然草地和南方草山草坡。自西部大開發(fā)以來，開展大規(guī)模生態(tài)建設和“三化”草原生態(tài)治理，人工種植草場面積不斷擴大。提高牧草收獲機械的生產率，及時足額收獲牧草，是牧草豐產豐收的重要保證。提高收割機的生產率，關鍵是要提高收割機單位割幅的生產率。單位割幅的生產率取決于收割機的作業(yè)速度，而作業(yè)速度又取決于切割速度，只有當切割速度高時，作業(yè)速度才可高，否則，將漏割。由此可見，要提高收割機的生產率，首先需要有一種能夠高速切割的切割器。

切割器是各種收割機和割草機上最主要的工作部件，其工作效率和作業(yè)質量直接影響整機性能，本研究的目的在于研制一種能適用于山地牧草收獲、高速高效、適應性廣、收割稠密多汁、匍匐纏結牧草的切割器。該切割器，傳動要簡單，工作平穩(wěn)，既可寬幅收獲，又可高速作業(yè)。經過實地試驗認為，選用改進的往復式切割器較好。

1 手扶牧草收割機往復式切割器的結構和工作原理

往復式割草機具有悠久的歷史。它適于收割天然牧草和種植牧草，具有割茬低而整齊、牧草損失少、便于調整使用等優(yōu)點。往復式切割器由往復運動的割刀和固定不動的支撐部分組成（圖1）。割刀由刀桿、動刀片和刀桿頭等鉚合而成。刀桿頭與傳動機構相連接，用以傳遞割刀的動力。固定部分包括護刃器梁、護刃器、鉚合在護刃器上的定刀片、壓刃器和摩擦片等。工作時割刀往復運動，其護刃器前尖將牧草分成小束并引向割刀，割刀在運動中將禾稈推向定刀片進行剪切。（1）動刀片。它是主要切割件，為對稱六邊形（圖2），兩側為刀刃。刀刃形狀有光刃和齒紋刃2種[1]。光刃切割較省力，割茬較整齊，但使用壽命較短，工作中需經常磨刀。齒紋刃刀片則不需磨刀，雖切割阻力較大，但使用較方便。在谷物收割機和聯(lián)合收獲機上多采用齒紋刃。而牧草收割機由于牧草密、濕，切割阻力較大，多采用光刃刀片。刀刃的刃角對切割阻力和使用壽命影響較大，當刃角由15°增至21°時，切割阻力增加16%。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18°。齒紋刃刀片的刃角為22～25°。光刃刀片為使其磨刀后刃部高度不變，刀片前端的頂寬（b）一般為13～16mm，齒紋刃刀片b值較小些。刀片一般用工具鋼（T8，T9）制成，刃部經熱處理，熱處理寬度為11～16mm，淬火帶硬度為HRC 50～60，非淬火區(qū)不得超過HRC 35。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0.16mm[2]。（2）定刀片。定刀片為支撐件，一般為光刃，但當動刀片采用光刃時，為防止莖稈向前滑出也可采用齒刃。國外部分機器護刃器上沒有定刀片，由鍛鋼護刃器支持面起支撐切割的作用。（3）護刃器。護刃器的作用是保持定刀片的正確位置、保護割刀、對禾稈進行分束和利用護刃器上舌與定刀片構成兩點支撐的切割條件等。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槽。（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0～0.6mm，后端不大于1.0～1.6mm），在護刃器梁上每隔30～50 cm裝有壓刃器（在割草機上每間隔為20～30 cm）。它為一沖壓鋼板或韌鐵件，能彎曲變形以調節(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，用以支撐割刀后部使之具有垂直和水平方向的2個支撐面，以代替護刃器導槽對刀桿的支撐作用[3]。

往復式切割器割刀往復運動，結構較簡單，適應性較廣。目前在谷物收割機、牧草收割機、谷物聯(lián)合收獲機和玉米收獲機上采用較多。往復式切割器按結構尺寸與行程關系可分為3種：普通Ⅰ型、普通Ⅱ型、低割型（圖3）。

切割器是各種收割機最主要的部件，其工作效率和作業(yè)質量直接影響整機性能。目前割草機上普遍采用往復式和回轉式切割器。因為回轉式切割器切割功率消耗大，對地面平坦程度要求高，不適應于山地、丘陵、梯田等地段工作[4]。因此，手扶收割機切割器采用GB1209—86Ⅰ型往復式切割器，普通Ⅰ型切割器割刀速度利用較好，切割性能較強，對粗、細莖稈適應性較好（圖4）。動刀片上部為齒刃切割段，呈梯形，根部鉚在刀桿上，刀桿滑動于壓刃器和割臺之間。在工作時，柴油機輸出回轉動力，經過輸入主軸，經曲柄滑塊（軸承）、滑槽等變?yōu)橥鶑褪竭\動[5]。通過刀桿往復運動帶動動刀片，作物莖稈夾持在動刀片和定刀片之間進行剪切。動刀片的幾何形狀，對切割器的工作可靠性和功率消耗有較大影響。

2 往復式切割器影響切割質量的因素分析

切割速度（Vp）與前進速度（Vm）之間的關系，用切割速度比來描述，切割器的工作過程如圖5所示。

通過切割速度比可定性分析往復切割器影響切割性能的主要因素。由圖5分析得出，空白區(qū)（3）和重切區(qū)（2）都對切割性能不利，如空白區(qū)太長有的莖稈被推倒而造成漏割；重切區(qū)太多，割刀的刃線在此區(qū)通過2次，有可能會將割過的殘茬重割一次，浪費功率[6]。在動刀片高度（h）一定時，重割區(qū)和空白區(qū)的大小與機器前進速度（Vm）和曲柄轉速有密切關系，其關系用切割進程（H）表示（割刀運動一個行程時間內機器前進的距離），進程增大，切割圖形變長，空白區(qū)增強，重切區(qū)減?。环粗嗳?。其數(shù)學式為：

式中，Vm為機器前進速度（m/s），t為割刀運動1個行程的時間。因為往復切割器割刀運動1個行程，曲柄轉動180°，其時間為t。

將公式（2）代入公式（1）得H＝30Vm/n

式中，n為曲柄轉速（r/min）。

因牧草稠密多汁，切割阻力大，往復式割草機切割速度應大于2.15m/s。但切割速度太大，慣性力增加，引起機器振動，因此，選擇適宜的切割速度是關鍵，曲柄主軸轉速738 r/min。曲柄旋轉1周，割刀完成2個行程，則割刀的平均速度（Vp）為：

式中，r為曲柄半徑（m）。

其中，h為動刀刃高度（mm），標準Ⅰ型切割器動刃高度h為54mm，代入公式（5）得：

λ＝2×38/（（1.1～1.5）×54）＝0.94～1.28

為保證切割質量，實際切割速比應大于理論切割速比，理論前進速度（Vm）取機器穩(wěn)定行駛所允許的最高速度[7]。

3 技術參數(shù)的分析和評價

4 手扶牧草收割機慣性力平衡

往復式切割器的割刀有往復慣性力，切割速度越高慣性力越小。但速度太高，慣性力將加劇，影響整機壽命和工作質量，則必須設法對往復慣性力予以平衡。為防止平衡重產生的離心慣性力在收割機前進方向過大，對工作造成不利影響，故采用部分平衡法[8]（圖6）。

根據部分平衡法公式：

一般只要求往復慣性力平衡λ＝0.25～0.5，求λ的公式為：

本研究為改進后的標準Ⅰ型切割器，割刀質量 Md＝0.6 kg，曲柄連桿質量 Me＝0.3 kg，曲柄盤質量Mp＝0.8 kg，曲柄盤重心的回轉半徑rp＝0.02 m，曲柄半徑 r＝0.038 m，曲柄轉速 n＝738 r/min，代入公式（7），得 λ＝0.4。

即往復式切割器的往復慣性力平衡程度為0.4。平衡后在收割機前進方向引起最大不平衡慣性力為 Pp－Pq。

5 田間試驗

5.1 試驗目的、方案及材料

試驗目的主要是研究往復式切割器的工作性能，即考查其切割速度（V）、機器作業(yè)速度（U）、刀齒高度（h）、刀齒間距（t）、刀齒切割角（α）對牧草切割效果、堵刀、振動及切割阻力各項指標的影響程度。試驗采用正交設計，為了減少試驗次數(shù)，選取L18（2×37）正交表安排試驗。其因素水平如表1所示[9]。

表1 因素水平

試驗在標準牧草試驗田進行。切割對象為甘農三號紫花苜蓿，其莖稈基部平均粗度3mm，平均株高85 cm，平均株數(shù)840株/m2，微倒伏，初花期莖稈含水率79.22%。經多次試驗[10]，選用標準Ⅱ型齒刃割刀，刀體寬b＝76 mm、高（含刀齒）50 mm，刀體間距76.2mm，刀齒參數(shù)經反復試驗后選取了3種（表1中C，D，E的3個水平）。

5.2 試驗結果分析

經綜合加權評分可知，組合A3B2C3D2E2的切割性能最好，即 A3（切割速度 3m/s)、B2（機器作業(yè)速度 1.1m/s）、C3（刀齒高度 50mm）、D2（刀齒間距 76mm）、E2（刀齒切割角-28°）[11]，其為較優(yōu)組合。根據以上分析，選A3B2C3D2E2組合進行了3次重復試驗，其收獲質量比較滿意，達到了性能試驗之目的，但該機在蘭州畜牧獸藥研究所大洼山上試驗田進行大面積可靠性試驗中，連續(xù)作業(yè)5 h收割紫花苜蓿時，出現(xiàn)刀桿和滑塊連接處斷裂現(xiàn)象[12]。

6 結論

試驗研究表明，往復式切割器可實現(xiàn)寬幅作業(yè)；割茬整齊，無撕裂、漏割、重割和堵刀現(xiàn)象；適于收割牧草、小麥等細莖稈作物。往復式切割器工作平穩(wěn)，割臺振動小，可靠性高，設計簡單，結構緊湊，切割效率高，操縱性強，實現(xiàn)了切割器曲柄主軸與輸送主軸有機結合，切割動力從中間傳遞減輕了往復切割器的慣性力，工作可靠性高。切割系統(tǒng)全部采用機械傳動，各主要零件加工精度要求較低，且質量符合國家標準，機具成本低、經濟實用、推廣前景廣闊。

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