范永鋒 房燦松 崔新德
摘 要:小型水田耕耙平地機(jī)旋耕刀系統(tǒng)是作業(yè)時(shí)的主要部件,為了更好的完成小型水田耕耙平地機(jī)的工作情況任務(wù),有必要對(duì)其工作原理做進(jìn)一步詳盡的分析。
關(guān)鍵詞:旋耕刀;工作原理
一、 旋耕刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
小型水田耕耙平地機(jī)是耕粑平地為一體的農(nóng)業(yè)機(jī)械,是與15馬力拖拉機(jī)配套工作的設(shè)備,作業(yè)一次就可達(dá)到土碎地平的效果,在水田中旋耕后即可直接插秧。
1.1 旋耕刀軸結(jié)構(gòu)原理
刀軸有整體式和組合式兩種,整體式的刀軸為一段完整的軸而組合式刀軸由多節(jié)管軸通過接盤連接而成,組合式特點(diǎn)是通用性好,可以根據(jù)不同的幅寬要求進(jìn)行組合??紤]到本課題設(shè)計(jì)的特點(diǎn),耕幅為1.2m,且和固定型號(hào)的手扶拖拉機(jī)配套使用,因此用整體式刀軸更為經(jīng)濟(jì)合理。組合式刀軸,其適用于大中型機(jī)型[1]。
1.2 旋耕刀結(jié)構(gòu)原理
旋耕刀是旋耕刀系統(tǒng)的主要工作零件,目前的旋耕刀主要有鑿型刀、直刀、彎刀。
鑿型刀正面有鑿型刃口,有較好的入土性能。工作時(shí)鑿尖首先刺入土壤,然后在刀身作用下使土壤破碎;直角刀刃口由正切刃和側(cè)切刃組成,兩刃口相交成 左右,工作時(shí)先由正切刃從橫向切開土壤,再由側(cè)切刃逐漸切土。鑿型刀和直刀對(duì)土壤均有較大的松碎作用,但草莖易纏于刀軸,其中鑿型刀尤為嚴(yán)重。彎刀可有效解決纏草問題,所以應(yīng)用最為廣泛(本設(shè)計(jì)也將采用彎刀)。旋耕刀是按螺旋線安裝在水平刀軸上,刀軸與拖拉機(jī)輪軸平行,由拖拉機(jī)輸出軸經(jīng)萬向節(jié)、兩級(jí)鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)完成耕耙作業(yè)[2]。
1.3 刀褲原理結(jié)構(gòu)
旋耕刀在刀軸上的安裝有刀褲和刀盤兩種形式,刀褲又有直線型和曲線型兩種,直線型容易纏草而曲線型刀褲滑草性能好但制造工藝復(fù)雜。
二、旋耕刀運(yùn)動(dòng)原理
旋耕刀隨刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)自地面從上向下切削土壤,由于拖拉機(jī)的前進(jìn),旋耕刀不斷進(jìn)入未耕土壤,切下的土塊被拋向后方,與罩殼、托板相撞擊,進(jìn)一步破碎再落到地面,最后由拖板拉平因而碎土充分,地面平整。
旋耕刀的絕對(duì)速度時(shí)刀軸旋轉(zhuǎn)和旋耕機(jī)前進(jìn)二運(yùn)動(dòng)的合成,以刀軸旋轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系,x軸正向和旋耕機(jī)前進(jìn)方向一致,y軸正向垂直向下。
設(shè)旋耕刀刀的線速度為V,旋耕機(jī)前進(jìn)速度為 ,V=Rω, ω為刀軸旋轉(zhuǎn)角速度,R為旋耕刀的旋轉(zhuǎn)半徑。開始運(yùn)動(dòng)時(shí)刀片端點(diǎn)位于前方水平位置與x軸正向重合,則旋耕刀端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程為[3]:
(t為時(shí)間)(1.1)
式1.1對(duì)時(shí)間求導(dǎo),可求得刀片端點(diǎn)在x軸和y軸方向的分速度:
(1.2)
刀片端點(diǎn)絕對(duì)速度大小為:
(1.3)
為了分析問題的需要,用速比系數(shù)λ來表示旋耕刀轉(zhuǎn)速與拖拉機(jī)前進(jìn)速度的關(guān)系,定義速比系數(shù) :
(1.4)
λ的大小對(duì)旋耕刀運(yùn)動(dòng)軌跡及旋耕機(jī)工作狀況有重要影響。將λ代入速度式中得:
(1.5)
由式1.5分析,當(dāng) λ=1時(shí), ,則不論旋耕刀運(yùn)動(dòng)到什么位置,均有Vx>0,即刀片端點(diǎn)的水平速度始終與旋耕機(jī)前進(jìn)方向相同,這時(shí)旋耕刀不能向后拋土而出現(xiàn)向前推土的現(xiàn)象,是旋耕機(jī)不能正常工作。如果 λ >1,則當(dāng)旋耕刀運(yùn)動(dòng)到一定位置時(shí),就會(huì)出現(xiàn)Vx<0的情況,即刀端點(diǎn)水平速度與旋耕機(jī)前進(jìn)方向相反,從而使旋耕刀能夠向后切削土壤,所以旋耕刀正常工作的條件是λ >1,而且不同的 值對(duì)切土形狀有重要影響。據(jù)資料介紹,當(dāng)λ=3時(shí),刀片切出的土塊很大,不能滿足農(nóng)業(yè)對(duì)耕地的要求;當(dāng) λ=6時(shí)土塊形狀已經(jīng)成月牙形了,土塊也小了很多,基本能滿足農(nóng)耕要求,由此分析可見λ值越大切土越細(xì),碎土效果越好。我所設(shè)計(jì)的水田耕耙平地機(jī)旋耕刀系統(tǒng)除了具有耕耙功能外,還需要具有除茬功能,因此要求旋耕刀軸轉(zhuǎn)速比一般旋耕機(jī)要高,所以我的設(shè)計(jì)將λ進(jìn)一步提高,可達(dá)到極好的碎土、除茬效果。
為初步確定刀軸的轉(zhuǎn)速范圍現(xiàn)將λ暫定為12(具體數(shù)值需待傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比定下后再確定,保證大于6即可)。上面分析的λ與所切土塊形狀關(guān)系及旋耕刀如圖1.5,其中S表示土塊厚度,R表示刀半徑,刀半徑是刀軸回轉(zhuǎn)中心到刀片端點(diǎn)的距離,刀半徑的確定主要考慮旋耕的最大深度,在滿足耕深的前提下刀半徑要盡可能小,使刀的線速度不致過大,避免增加旋耕功率的消耗,同時(shí)也可使整個(gè)機(jī)構(gòu)重量減輕,我所設(shè)計(jì)的小型水田耕耙機(jī)工作環(huán)境在有水的田地里,耕深要求達(dá)到10m以上,再結(jié)合小型機(jī)功率小的特點(diǎn)所以初定旋耕刀半徑為245mm。
由以上分析,旋耕刀切下的土塊是由旋耕刀與拖拉機(jī)共同運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,旋耕刀轉(zhuǎn)速和拖拉機(jī)前進(jìn)速度的快慢就決定了土塊形狀。耕刀轉(zhuǎn)速大而拖拉機(jī)前進(jìn)速度小時(shí),土塊細(xì)??;旋耕刀轉(zhuǎn)速小而拖拉機(jī)前進(jìn)速度大時(shí),土塊粗大。圖1.6為所切土形狀圖,其中S表示土塊厚度,a表示耕深,b表示耕幅旋。
下面確定刀軸轉(zhuǎn)速范圍,小型水田耕耙平地機(jī)作業(yè)幅寬1.2m,生產(chǎn)率0.18~0.3公頃/小時(shí),據(jù)此可算出拖拉機(jī)前進(jìn)速度為0.417~0.694m/s,再由速比系數(shù)λ (λ=12),可計(jì)算出旋耕刀線速度為5.04~8.33 m/s,由公式2.6可確定刀軸轉(zhuǎn)速范圍為194~324 r/min。
(r=245mm)(1.6)
三、旋耕刀的排列原理
旋耕刀在刀軸上的排列是影響耕作質(zhì)量及功率消耗的重要因素之一。旋耕刀在刀軸上是按螺旋線排列的,小型水田耕耙平地機(jī)采用的是側(cè)面?zhèn)鲃?dòng),因此旋耕刀的排列是連續(xù)的,只要旋耕刀的設(shè)計(jì)保證有一定寬度,漏耕問題便可以解決。
旋耕刀的排列應(yīng)使旋耕機(jī)作業(yè)時(shí)受到的阻力小、耕作質(zhì)量好、刀軸受力均勻,避免堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi), 需要配置兩把以上的刀片, 并且要求每切割小區(qū)內(nèi)幾把彎刀的切土量相近,以保證碎土質(zhì)量好,耕后溝底平整。在刀軸回轉(zhuǎn)一周過程中,刀軸每轉(zhuǎn)過一個(gè)相等的角度時(shí),在同一相位角,必須是只有一把彎刀入土,這樣可以使扭矩較為均衡,減少扭矩波動(dòng)幅度,保證工作穩(wěn)定性和刀軸負(fù)荷均勻,刀需具有一定的寬度加上合理的排列以保證不發(fā)生漏耕現(xiàn)象 [4]。
左右彎刀的安裝方法有內(nèi)裝法、外裝法和混合裝法。內(nèi)裝時(shí)所用彎刀都朝向刀軸中央,耕作后地面中央凸起;外裝時(shí),除最外面的刀內(nèi)裝外其余刀片全部向外裝,耕作后地面中部凹下;混合裝法,刀片內(nèi)外交錯(cuò)排列,耕作后地面平整。由此分析安裝方法選混合裝法較好[5]。
四、結(jié)論
本章對(duì)小型水田耕耙平地機(jī)旋耕刀系統(tǒng)的原理進(jìn)行了分析,初步確定了設(shè)計(jì)方案。首先對(duì)旋耕刀及刀褲、刀軸的結(jié)構(gòu)原理的分析確定了旋耕刀和刀褲的類型,然后通過對(duì)旋耕刀運(yùn)動(dòng)原理的分析,確定了旋耕刀軸的轉(zhuǎn)速,最后分析了旋耕刀排列原理。
參考文獻(xiàn):
[1] 葛云.微型旋耕機(jī)主要工作部件的應(yīng)力仿真[D].石河子大學(xué),2005.
[2] 楊玉棟,徐浩.旋耕機(jī)的旋耕刀怎樣排列和安裝[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù),2008,5:32-35.