割草压扁机的设计

PAGE27-割草压扁机的设计摘要：为了能及时对收割的牧草进行压扁。确立研制一种既可高速收获，又能即时压扁，且配套动力普遍，经济实用的中型割草压扁机，以满足中小规模苜蓿生产的需要。其主要特点是：割草压扁机采用牵引式置于中型轮式拖拉机的后方；采用了偏心式拨禾轮，将牧草拨入割台，并及时推向压扁辊；采用了往复式切割器，结构简单，适应性较强，多用于牧草收获机上；采用了‘人字形’橡胶压扁辊既可将牧草压扁又具有将牧草钳入的功能，提高压扁效果。本文主要是应用机械设计方法和机械原理对割草压扁机的进行研究设计，用AutoCAD设计软件进行绘图，初步完成了整机的设计并整理出图纸。关键词：苜蓿；割草压扁机；往复式切割器；偏心拨禾轮；人字形压扁辊Abstract：Atimelymannerinordertoharvestthegrassforsquash.Baseonthis,aresearchprogramwasestablishedwhichamediumhaybinewhichcannotonlycutgrassinhigh-speed,withwidespreadkitmotivebutalsoflattenintimeandadaptthedemandformediumsmallscalecloverproduce.It’smaincharacteristicsare:thehaybinewasplacedrightonthemediumtractor;theeccentricreelstirtheclovertothestandandpushtothecompressionrollerintime;Reciprocatingcutterwasadoptedwhichhasmanystrongpoints,suchasconfigurationcompact,motivatetransmissionsimple;itadoptedthecheveroncompressionrollerwhichcanflattencloverandhavethefunctionofthegrabwhichcanraisethecompressionresult.Thispaperistheapplicationofmechanicaldesignandmechanicalprincipleofthemowingmachinesquashresearchdesign,useAutoCADdesignsoftwareformapping,completedthepreliminarydesignofmachineandcomeupwithdrawings.Keywords:Medicago；Haybine；Toothedchain-cutter；Eccentricwinder；Cheveroncompressionroller摘要 IAbstract II1绪论 -1-1.1本课题研究的背景、目的和意义 -1-1.1.1研究背景 -1-1.1.2研究目的 -1-1.1.3研究意义 -2-1.2牧草机械的研究现状和发展趋势 -3-1.1.2国外牧草机械的发展现状 -4-1.1.3我国牧草机械发展趋势 -4-2割草压扁机整体方案的确定 -6-2.1收获对象的特点及其对收获机械性能的要求 -6-2.1.1收获对象的特点 -6-2.1.2收获对象对收获机械性能的要求 -6-2.2方案的确定 -7-3割草压扁机拨禾轮装置的设计研究 -8-3.1拨禾轮的结构 -8-3.2拨禾轮的工作原理和参数确定 -8-3.2.1拨禾板的运动分析 -8-3.2.2拨禾轮对牧草的作用 -9-3.2.3拨禾轮直径的确定 -11-4割草压扁机切割系统的分析研究 -12-4.1切割器的选择 -12-4.2往复式切割器参数的分析 -14-4.2.1I型切割器的切割速度图 -14-4.2.2切割平均速度 -14-4.3往复式切割器普通I型的结构尺寸和行程的关系 -15-4.4往复式切割器的构造及其动刀片的结构参数 -16-4.4.1.往复式切割器的构造 -16-4.4.2切割器动刀片结构参数 -17-5割草压扁机压扁系统的设计研究 -18-5.1压扁机构的设计 -18-5.1.1压扁机构参数的确定 -18-5.1.2压扁辊技术性能分析 -18-5.2束草装置的设计 -19-6传动系统的分析研究割草压扁机 -20-6.1传动系统方案设计及主轴转速确定 -20-6.1.1传动系统的方案设计 -20-6.1.2切割主轴转速确定 -21-6.2传动比及参数确定 -21-6.2.1切割系统传动比分析和参数确定 -21-6.2.2压扁系统传动比分析和参数确定 -21-6.2.3拨禾轮系统传动比分析和参数确定 -22-6.3功率需求和传动效率 -22-6.3.1切割系统功耗和传动效率 -22-6.3.2压扁系统功耗及传动效率 -23-6.3.3拨禾轮系统功耗及传动效率 -23-6.3.4割草压扁机所需的总功率 -24-4、结论 -25-参考文献： -26-致谢 -27-1绪论1.1本课题研究的背景、目的和意义1.1.1研究背景随着西部大开发政策的实施，草原建设，草原改良，退耕还草，生态恢复建设已大规模展开。我国农业发展已进入“高产，高效，优质，安全”新阶段，畜牧业在农业中所占比例和所处地位不断上升，从而引发了对畜牧机械的强烈要求。黑龙江省的牧区面积也有所增加，但是牧草生产发展相对落后，大多是进口机器，偷人成本十分昂贵，维修费用也十分昂贵，因此牧草收获机具的缺少，已成为我省草产业发展的“瓶颈”。目前，国外现有的割草压扁机，按切割器形式分主要分为往复切割器式割草压扁机和旋转切割器式割草压扁机两种。工作幅宽2～6米，配套动力30～150KW。这些机具主要为大型牧场所使用，配套条件要求较高，与我国国情不符。我国的牧草收获机械化事业还处于发展阶段，市场上现有的割草机都不带压扁设备，对于像紫花苜蓿、红三叶等豆科作物收获一般都是使用国外进口机械。近年来，仅有新疆机械研究院和呼和浩特畜牧机械研究所开始研制割草压扁机。但与中型拖拉机配套的割草压扁机具仍是我国牧草机械发展的一项空白。为此，我们确立牧草收获机械研究项目，考虑非产业化牧草生产的需求，拟设计一种与中型拖拉机配套的割草压扁机。1.1.2研究目的苜蓿是豆科牧草，含有较多的胶体物质和较少的碳水化合物而不易青贮，刈割的苜蓿必须及时干燥，否则就会发霉变质甚至腐烂，致使动物无法食用。青干草是草产品流通的主要形式，同时也是发展绿色畜牧业的重要的蛋白质资源。目前，已开发的牧草产品有草粉、草颗粒、草块、草饼、草捆、叶块、叶粒和浓缩叶蛋白等。牧草产品在国际、国内均具有非常广阔的市场，亚洲已成为世界上最大的苜蓿产品进口市场，年总需求量240-255万吨，其中，紫花苜蓿是生产量和销售量最大的牧草产品，在美国已成为仅次于小麦、玉米和水稻的第四大农作物，成为美国农业的支柱产业。由于苜蓿草产品品质高低的决定因素之一是适宜收获期——始花期，而这个时期只有15天。据恩斯明格（1980）报道，无论禾本科、豆科或是混播牧草，在始花期以后，每推迟一天，牧草的消化率和采食量均降低0.5%以上，总营养价值下降1%以上。因此必须根据不同牧草及饲料作物的产量及营养物质含量，适时刈割。使之既不影响牧草的生长发育，又能获得高产优质的青干草。苜蓿草产品品质高低的决定因素之二是干草的调制。处于收割期的苜蓿不仅有80%的含水量，同时也含有占物质质量20%～25%处于活性状态的蛋白质和维生素，营养非常丰富。但苜蓿在被刈割后，当干燥72h时，蛋白质保存率只有70%左右。随着干燥时间的加长，蛋白质的保存率逐渐降低，不能保证苜蓿产品的质量，尤其在阴雨天损失更大。此外，苜蓿叶片与茎的干燥速度不同，当叶片已经脱水达到安全水分（14%～15%）时，茎的含水量还很高，在此后的进一步脱水过程中，叶与茎的连接力很小，只要轻微的抖动或搬运都可能造成严重的落叶损失，使苜蓿的蛋白质含量急剧减少，从而失去应有的商品价值和饲喂价值。图1.1不同方式下牧草的干燥过程1.是用割草机割下未压扁的2.是经过压扁的牧草的干燥过程图1.1不同方式下牧草的干燥过程1.是用割草机割下未压扁的2.是经过压扁的牧草的干燥过程1.1.3研究意义割草压扁机是专门用于收获优质饲草的一种机具。目前，牧草收获机械特别是苜蓿收获机械主要是由外国进口，国产机械处于起步阶段。它的最大优点是促进饲草快进干燥，有效保存饲草养分。近年来由于国家西部大开发，开展大规模生态建设和“三化”草原生态治理，人工种植草场面积不断扩大，尤其是近年来城市郊区兴起的大面积种植苜蓿热，对切割压扁机的需求呼声高叫。该机主要用于苜蓿类饲草的收获作业，可一次性完成收割、调质压扁和铺条作业。中央要求到2010年完成8300万hm2人工草地和“三化”草地的治理。若其中五分之一采用机具收获，按33hm2草场配置一台割草压扁机计算，则需要五万台以上，因此，割草压扁机前景广阔。目前国内已有企业生产割草压扁机，由于结构和材料方面的原因，易将枝条压折、枝条压掉。国外较具有代表性的机型是美国约翰迪尔的往复式割草压扁机，其独特的设计不仅能够成分保持牧草的营养成分，减少对土壤的压实，加快下一茬作物的生长，而且具有效率高，可靠性好，割茬高度、切割角度调整方便等一系列特点，值得我们去参考借鉴。21世纪要实现农牧业经济的腾飞，根本出路在于农林牧综合发展，而突破口在于种草，种草是发展畜牧业的物质基础。牧草生产的特点是规模大，劳动强度大，生产条件变化多。我国平均每5500hm2才有一套割搂草机，配套机具严重缺少，而在美国每60hm2就有一套较完备的配套机械收获设备。由于机具缺少，不配套，每年收割的干草仅占可割草量的9.8％，因此，必须发展与之相适应的机械的支撑。1.2牧草机械的研究现状和发展趋势国内外牧草收获机械按其切割部件的结构分为往复式和圆盘式；按其行走动力分为牵引式、半悬挂式、悬挂式、自走式割草机；按照割草幅宽可为窄幅和宽幅式割草机。割草压扁机作为牧草机具的一种，其主要功能是对牧草进行切割与压扁，并在地面上形成一定形状和厚度的草铺。按照切割部件的结构分类，可分为往复式割草压扁机和圆盘式割草压扁机；按照行走动力驱动方式分类，可分为自走式与牵引式，而对于牵引式又有侧牵引架式与中枢轴牵引架式之分；按照压扁方式进行分类，有橡胶辊、钢辊和捶片式之分。各种不同的割草压扁机有不同的作业使用条件。(1)往复式切割器牧草机具的研究发展概况往复式切割器牧草机具历史悠久，适于收割天然牧草和种植牧草，具有割茬低而整齐，牧草损失少，所需拖拉机配套动力相对较小，机械造价相对较低，投资较小，运行成本比圆盘式高，便于调整使用等优点。其发展过程是从畜力到机引；从牵引到悬挂。其发展趋势是提高生产效率：一是提高前进速度，二是增加割幅。加大割幅将增加金属消耗量，因此以提高前进速度更为有利。但为保证切割质量，必须同时提高切割器切割速度。但随着切割速度的提高，割刀往复惯性力增加，从而加剧了机器振动和机件损坏，导致切割高产或湿润牧草时堵刀。这种割草压扁机虽有这些缺点，但目前仍作为一种标准机型被国内外广泛使用和大量生产，并且在不断完善和改进。(2)旋转式切割器牧草机具的研究发展概况近年来，西欧由于种植牧草面积大量增加，并使用大量含氮肥料使牧草高大茂密而趋于倒伏。由于圆盘式割草机比往复式割草机更适合于切割较高而较粗的作物，因此，旋转式割草机得到迅速发展，它属无支承切割。切割器刀片安装在刀盘上，并随刀盘一起旋转进行割草，其前进速度高（可达14~15km/h），有较高的生产率，不产生堵塞现象，更换刀片简易，工作平稳性好，保养方便。但旋转式割草机功率消耗较大，工作幅重割区大，割茬不齐，碎草多，机械造价相对较高，投资较高，且对地面的平坦程度要求较高。在牧草刚度小时易使割茬高度增加，因此较适于高产硬杆牧草，在西欧比较盛行。1.1.2国外牧草机械的发展现状国外牧草机械已有100多年的发展历史，经历了从使用畜力到拖拉机动力配套、从单项作业机具到联合作业机具等发展过程。20世纪60年代是欧美各国牧草机械发展的高峰时期，这一期间完成了由畜力机械、割、搂草机具、各种联合作业机具及成型机具相继研制成功并迅速推广。机具的保有量迅速上升的美国，牧草捡拾压捆机保有量达70万台。20世纪70年代以来，部分服役机具趋于饱和，产量和保有量保持稳定或略有下降，各公司致力于开发新产品，改进原有产品的性能，以保持竞争能力。美国、德国、法国、意大利、日本等发达国家在该领域处于领先地位。如德国斯通公司的割晒设备，法国库恩公司的旋转割草压扁机以及美国的凯斯和纽荷兰割草压扁机等。20世纪90年代，这些国家的割、搂、捆装、运等牧草收获机械陆续地进入我国牧草种植基地，国外先进的牧草收获机械技术比较完善，机具品种多，性能可靠，但价格昂贵。目前，欧美各国几乎所有的农机公司都生产牧草机械，产品品种齐全，系列完整，能满足各种收获；主要结构、技术性能指标至今没有大的变化；只是在操作舒适和电子计算机应用方面有所改进。1.1.3我国牧草机械发展趋势我国畜牧机械工业是农业工业中起步较晚、发展缓慢的行业之一。牧草收获机械是我国生产及使用最早的畜牧机械之一，其发展分两个阶段:第一阶段为50～70年代中期，只生产一些仿苏40～50年代畜力及机引的往复割草机、横向楼草机和畜力捆草机，这些机具机型陈旧、指标落后、质量低、成本高。第二阶段为70年代后期至90年代末，开始仿制一些国外先进的具有70～80年代水平的牧草收获机械，填补了许多空白，使我国改变了过去只沿用唯一的割、搂、集、垛、运的收获工艺，初步形成了散草、方捆、圆捆等多种收获工艺系统。尽管如此，我国直到1979年白城牧机厂才试制成9GS-4.0型自走式割草压扁机，同年呼和浩特畜牧研究所和佳木斯联合收割机厂研制成9GSQ-4.0型牵引式割草压扁机，1982年由呼和浩特牧机所和大同农牧机械厂共同研制了电摆环驱动的9GY-3.0型牵引式切割压扁机，才达到了国际70年代末的水平，填补了牧草收获机械的一项空白。虽然近年来牧草收获机械发展迅速，但机械化水平还是很低。尤其是在小型的农场，主要还是手工收获为主，刀具磨损非常厉害，农民劳动强度非常大。根据农村种植业结构调整和当前经济体制的情况，畜牧机械的研制，在机型上应以中小型为主；在研究内容上，要重点解决劳动强度大、用工多的牧业生产环节；在研究方向上，应本着先易后难的原则进行。当前应首先研制一些机型小、质量好、价格低的牧草收获机械；以适应专业户发展的需要。我国的草场面积与美国大体相同，但是牧草机械的保有量却很少。如割、搂草机保有量仅为美国的1%；20世纪80年代，日本方捆机的保有量为2.3万台，而我国20世纪90年代初的保有量仅为美国的0.07%、日本的0.2%.20世纪70年代中期，美国圆捆机保有量为10万台，而我国目前的保有量仅为美国的0.1%.我国牧草机械化水平与国外发达国家相比还有相当大的差距。除了我国整体国民经济落后于发达国家外，还有以下原因:(1)由于在相当长的一段时期内，我国农业生产的主要任务是解决温饱问题，重点放在粮食作物的种植与生产上，忽视了畜牧业生产，在一定程度上影响了牧草机械的发展，机械的科技含量低，创新力度不够。(2)20世纪80年代中期以来，国家对草地畜牧业投入不足，相对支持力度减缓甚至下降，使得许多牧草机械制造企业纷纷转产，有的甚至破产关闭，牧草收获机械生产遇到前所未有的长期休眠期。使得我国与国外同类产品的制造能力和水平进一步拉大距离。(3)现有牧草机械生产制造企业的产品质量低，使用故障多，可靠性差。往复式割草机工作半天即需磨刃，使用可靠性不到80%；国外搂草弹齿工作6000亩，断齿率为4%～5%；我国的产品同样作业量断齿率为20%～30%。在相同作业条件下，我国的牧草捡拾压垛机完成的工作量与国外同类机型相差一半。(4)牧草机械产品品种不全，成套性差，美国的约翰迪尔公司牧草机械有13个品种44个机型；纽荷兰公司有12个品种25个机型；牧草拣拾装载车多达21个机型，可供各种经营规模的用户选择。我国牧草收获机械初步形成了散草、方捆、圆捆、压垛作业工艺系统，但每种作业机械多为单一机型。各种作业工序间机具与动力配套性差，用户不能根据自己的经营规模选择合适的机具，因此机具的使用效率不高。(5)牧草机械产品技术水平低。牧草机械产品水平的高低是衡量该行业整体科学技术水平的重要标志之一。我国已定型的牧草机械大部分属国外20世纪80年代以前的技术水平，30多年来基本没什么改进。其原因是多方面的，但生产制造工艺水平低是关键因素。现在牧草机械企业工艺技术装备落后、老化，生产设备大多是20世纪80年代以前的设备；科研投入不足，开发能力差，使得产品更新换代缓慢，也是造成牧草机械技术水平低的重要因素。20世纪90年代，我国牧草机械市场出现转机，1999年销售2.56万台，比上年增长17.3%。牧草机械产品出现畅销势头的主要原因:一是国内草原生态建设和退耕还草发展加快；二是国家和地方大力发展草业畜牧业和节粮型畜牧业投资加大。2割草压扁机整体方案的确定2.1收获对象的特点及其对收获机械性能的要求2.1.1收获对象的特点收获对象为豆科牧草、禾本科牧草，以豆科牧草（紫花苜蓿）为主。苜蓿是世界上栽培最早、面积最广、最重要的饲草原料之一，不仅产草量高，草质优良，而且富含蛋白质、多种维生素和矿物质，其干物质中粗蛋白质含量为15%～25%,相当于豆饼的一半，比玉米高1～1.5倍，有“牧草之王”的美称。紫花苜蓿是多年生豆科牧草，每年可多次收割且适口性好、收获量大、具有很好饲用价值，可做精饲料代用品。但是其品质随生长量的增加而下降，收割的越晚，造成的损失越大。紫花苜蓿最佳收割时间为孕蕾期——初花期，过了这个时间，蛋白质含量会降低，影响产品质量。而这个时间一般只有10～15天，仅靠人工难以完成整个收获工作。传统的苜蓿收获是采用不带压扁装置的圆盘式或往复式割草机，虽然能够完成收获作业，但在收获时期牧草含水量在70%～85%之间，而安全贮存标准需将其水分降到14%以下，其自然脱水干燥时间过长，蛋白质的损失很大，因此，苜蓿的收获应该采用割草压扁机完成。2.1.2收获对象对收获机械性能的要求为满足紫花苜蓿的收获要求，所设计的割草压扁机应满足以下技术要求：(1)适时收获。由于紫花苜蓿的最佳收割时间为孕蕾期，这个时间只有10～15天，收获过早会降低牧草的产量，收获过迟，苜蓿中的蛋白质和胡萝卜素大量流失而降低苜蓿的营养成分，降低适口性，降低产品质量，同时还会影响苜蓿的次年生长。(2)为提高牧草收获量，割茬高度适当。在不影响下茬或次年生长的情况下，要求尽量降低割茬高度，因此，切割器应接近地面，并能很好适应地形。(3)由于牧草稠密多汁需要低割，因此，切割速度比收割谷物要快。往复式割草机的割刀平均速度为1.6～2.0m/s，牧草最低切割速度应大于2.15m/s。回转式割草机的切割速度为60～90m/s。(4)压辊压力适中。对苜蓿来说，最佳情况是90％的茎杆被轻微压扁，而叶片不破损。压辊压力过大，除增大功率消耗和加快零件的磨损外还会导致叶子干燥过快，当茎杆晾干时叶子会从杆上脱落，从而造成苜蓿营养损失。(5)牧草收获机械工作条件恶劣，刃口应具有自磨性能（采用齿纹刃），刀具应具有保护装置（护刃器）。同时，还应具有灵活的起落机构，以便遇到障碍物时，能在1～2秒内将切割器升起。(6)割下来的牧草能均匀铺放于地面，且厚度应适当，易于干燥。尽可能减少机器对牧草的打击和揉搓，尽量减少泥土和脏物混入牧草内，以降低牧草的收获损失和质量。(7)结构简单，使用维修方便，技术经济指标先进。2.2方案的确定根据上述牧草的生长特点及其对牧草收获机械的性能的要求，吸收国内外对牧草收获机械的研究成果，我所设计的牵引式的收割机的工作原理是：当割草压扁机结合动力时，通过传动机构，驱动拨禾轮、切割器以及压扁辊转动。随着拖拉机的前进，分禾器先将收割与不割的牧草分开，然后拨禾轮将要割的牧草拨入割台，同时将切割器割下的牧草通过导草板推入压辊，被压扁的牧草在束草装置的束缚下形成一定形状的草条铺放于已割完牧草的割茬上，完成收获的全过程。研究目标为割茬低，能将牧草90%压扁，铺放质量好，消耗功率低，结构简单，体积小，工作平稳，操作简便，灵活、作业速度快，易于调整维修；能适用于中小型牧草场，能即时收获，经济、实用，整机生产效率高。3割草压扁机拨禾轮装置的设计研究衡量牧草收获质量好坏的一个最主要指标是损失率。由于收获流程的前后顺序所致，割台损失率首当其冲。拨禾轮位于割草压扁机最前端，收获牧草时，它扶待或扶起(倒伏)牧草，拨向切割器；在切割器切割作物时，由前方扶持禾杆以防向前倾倒；最后把切断的牧草及时推向压扁辊；同时清理切割器，以利于割刀继续切割。3.1拨禾轮的结构拨禾轮的结构简单、可靠，多用于大中型收割机上和联合收获机上。按结构的不同，有普通式和偏心式。试验证明：采用偏心拨禾轮收获作物较普通拨禾轮可提高生产率20~30%，减少损失40~50%。割草压扁机采用偏心式拨禾轮。偏心拨禾轮结构如上图所示，由拨禾轮轴、辐盘、拨齿轴（4根）、拨板（4根）、拨齿等组成。3.2拨禾轮的工作原理和参数确定3.2.1拨禾板的运动分析图3.1偏心拨禾轮拨齿运动轨迹图3.2拨齿的运动分析拨禾板是拨禾轮的主要工作部件，拨禾轮工作时，拨板随机器前进直线运动，同时又绕拨禾轴作回转运动，因此拨禾轮拨板相对地面生长的作物是这两种运动的合成。为了使拨板进入禾丛后对谷物有向后拨送作用，运动绝对速度应向后，即拨禾轮拨齿的圆周线速度大于机器的前进速度，其运动轨迹为余摆线。拨禾轮回转的圆周速度与机器前进速度之比为拨禾速比，用λ表示。其线环宽度因λ值大小而改变：λ值越大，拨板引导和扶持作物的功能越强，割台切割作物量越大，其线环越宽，但λ值太大，则拨齿和拨板拨禾时打击作物力量过大；反之，入值越小则线环越小，拨禾能力越弱，增加了收割台的损失。若λ=1时，则线环宽度为零，这时拨禾板不能起拨禾作用。拨禾板轨迹可用方程表示（图3.3），设以拨禾轮轴心O1对地面的投影点为坐标原点O，以地面线沿前进方向为X轴，以过原点向上垂线为Y轴建立直角坐标系。并令拨板由水平位置开始逆时针方向旋转，则压板端点的坐标方程为{（1）式中R——拨禾轮半径，400mm；——机器的前进速度，0.7—1.5m/s——拨禾轮的角速度，3.75rad/st——拨板由水平转过的时间H——拨禾轮安装高度，827mmh——割茬高度，100mm故，带入（1）式得压板端点随的运动方程如下：{3.2.2拨禾轮对牧草的作用（1）拨齿的入禾角和拨禾轮高度分析为了减少拨齿对牧草的碰击，以减少击落损失，要求拨禾轮拨齿开始接触作物时，其绝对速度垂直向下，也就是说拨齿进入禾丛时其水平分速度应为零（），即图3.3禾轮高度分析移项得满足此条件的拨禾轮安装高度可由下式导出而为牧草的自然高度L，则上式可写成式中R—拨禾轮半径，400mmL—作物高度（500-740mm）h——割茬高度，100mm则拨禾轮的安装高度为727—827mm，可通过改变调节机构位置来进行调节。拨禾轮高度除满足上述条件（拨齿入禾丛时水平分速度为零）外，还应使拨板转竖直状态时拨齿作用在被割取禾杆的重心稍上方，以利于拨齿推禾和防止挑起禾杆。但在实际工作中，由于作物条件多变，往往上述两项要求难以同时都得到满足，则需要根据当时作物状况确定主、次要求进行调整。（2）拨齿作用范围和拨禾轮水平位置分析拨齿的工作过程如图3.4。拨齿由vx=0之点进入禾丛，随后将禾杆拨入切割器，当拨齿转至竖直状态，切割器将禾杆割断后，拨齿沿圆弧轨迹（因禾杆已上台，拨齿对禾杆的运动为圆弧轨迹）将禾杆推向割台。由此分析可知，拨齿的作用范围X是线环宽度的一半，即=b/2(b为线环宽度)拨禾轮前后位置对收获倒伏作物和向割台推送已切割作物有较大影响，若将拨禾轮轴心前移，则可增加拨齿的作用范围，但对倒伏作物的扶起作用较大，但对已切割作物的推送作用较小，反之则扶起作用较小而推送作用较大。因此调整时要根据情况灵活掌握。一般来说.收获直立作物时，拨禾轮轴应位于割刀正上方附近，收获顺向倒伏作物时，应将拨禾轮前移并适当降低高度，收获逆向倒伏作物时，应将拨禾轮稍许后移，防止拨禾板将倒物推压到割台图3.4拨禾轮高度分析下面。拨禾轮的前后位置调整，可通过移动拨禾轮在支架上的安装位置来实现。3.2.3拨禾轮直径的确定拨禾轮直径，是根据拨板进入禾丛时其水平分速度为零及支持切割时拨板作用在禾杆重心稍上方的两个条件而确定。从图3.5以看出下列关系式式中R—拨禾轮半径L—作物高度（500—740mm）h—割茬高度（100mm）因此式中D——拨禾轮直径——速度比1.5/0.7=2.14图3.5禾轮直径的确定将L的最大值740mm带入上式得拨禾轮的最大直径D=850mm因偏心拨禾轮的拨齿较长(一般为200mm)，起到了加大拨禾轮直径的作用。因此在直径选择上，一般较计算值为小，故取拨禾轮直径为800mm。4割草压扁机切割系统的分析研究4.1切割器的选择切割器是收获机械的重要部件之一，它的功用是将田间的作物切断。目前，已广泛使用和报道的切割器有：往复式、回转式、甩刀式、带式等。这方面的研究国内外均有报道。基本情况是：(1)回转式切割器。回转式切割器主要用于收获牧草、青饲料等粗茎秆作物，少数谷物收获机上也使用这种切割器。回转式切割器切割速度高，一般为25～50m/s,可适应10～25km/h的高速作业，惯性力易平衡，震动较小，结构简单，但回转半径小，不宜宽幅切割，割刀的寿命较短，维修费用高。在牧草收割机上多采用双盘或多组双盘式，每个刀盘由刀盘架、刀片、锥形送草盘和拨草鼓等组成。在甘蔗收割机上多采用具有梯形或矩形固定刀片的单盘和双盘式。在小型水稻收割机上，常采用单盘和多盘集束式。针对缺口或大波纹式双圆盘切割器工作时冲击性大,在收获含水率低的茎秆时,割茬不齐，易撕皮,生产率低等问题,范国昌、马大敏等借鉴德国门格勒公司的Mengle—30型青饲机,设计了适宜我国北方地区青饲料收获机使用的锯齿式双圆盘切割器。这种切割器,结构简单,钳住茎秆能力强,割质量好、效率高，减少了冲击力及因扭矩交替变化而导致机架振动，无重切、漏割及撕皮现象,既可实现含水率高的玉米带穗青贮作业,也可以实现摘穗后玉米秸秆含水率低、秸秆疲软情况下的青黄贮作业。孙永海、常振臣等以试验设计、计算机模拟和神经网络优化技术为手段,对圆盘式切割器进行了试验研究,探讨了切割速度、切削角和刀齿高度3个因素对切割损失和切割阻力的影响,得到了切割速度、切削角和刀齿高度的最佳参数组合。杨家军、刘锋等应用结构动态设计原理和随机激励下的动态设计方法，研究了切割器在随即激励下的响应,得到了切割器结构的动态设计的结果：随着设计参数的改进,随机响应幅值的均方值相应减小、结构可靠性相对增大；在保证使用性能的前提下,应尽量减小刀杆长度参数,可增大结构的抗振动能力；刀杆轴与切割刀盘的联接刚度对刀盘单元的固有特性最为敏感,应增大其结合部的刚度。(2)甩刀式切割器。甩刀式切割器多用于玉米青贮饲料收割机上，目前国内外收割机上多采用甩刀式切割器。它由水平横轴、刀盘体、刀片和护罩等组成。刀片铰接在水平横轴的刀盘上，在垂直平面（与前进方向平行）内回转。这种切割器转速高，圆周速度达50—70m/s，但割幅较窄，一般为0.8—2m。在割幅较大的机器上，多采用多组并联结构，目前国内外最大的割幅为6m。孟海波、于文星等设计了玉米茎秆甩刀式切抛器，该甩刀式切抛器由壳体、甩刀、刀轴及定刀等部分组成。甩刀的结构及工作原理与常规的甩刀形式不同,采用了“直角直刃”组合式铲形甩刀。甩刀刀片双向有刃口,用防松螺栓垂直紧固于抛送叶片上,刀片磨损后只更换刃部即可,甩刀即是切碎器,又可抛送叶片。由于刀片在回转轴向有一定的长度,所以刀片与定刀的间隙对秸秆有一定的揉搓和撕裂作用,实现了对玉米秸秆的切断、撕裂和揉碎的工作原理。用这种新的切碎玉米秸秆的方式,切出的饲料既能满足各种喂养的饲料长度,又能将茎秆撕裂,揉碎成细纤维状,尤其将玉米茎节破碎成适合于牲畜食用的柔软饲料,极大的提高了玉米秸秆的饲养利用率。可见这种甩刀式切抛器具有完成对秸秆的切断、揉碎和输送的三种功能。(3)回转带式切割器。这种切割器将薄钢带加工成角钢状,一边为带体,连接两端构成传动带,一边为刀体,刀体间有一定距离,刀体端开有刀齿,刀齿为梯形。工作时,在驱动带轮的带动下,带体在水平面内绕两带轮作回转运动,刀齿切割作物。在田间试验条件下,可实现高速作业、高速切割及无支承切割,切割速度可高于17m/s，作业速度可高于15km/h，无往复惯性力,割刀工作平稳,割台振动小,工作平稳,割茬整齐,无撕裂、漏割和堵刀现象，适于收割小麦、水稻等细茎秆作物和牧草。刀齿参数对作业效率和作业质量影响较大。刀齿高不宜超过5mm；以刀齿高度(单齿进给量)、切割速度、作业速度确定的刀齿间距,应适当减小,以防堵刀,一般不超过17mm为宜；切割角取值以无支承切割为原则,高速时取正值,以28°为宜；中低速时取负值,以-25°为宜。根据收割机所配套拖拉机适宜的作业速度，选择回转带式切割器结构参数和性能参数的最优组合,达到了高效、优质、低耗。但这种切割器对钢带的材质要求较高，加工难度较大，其寿命和可靠性还有待进一步研究。(4)往复式切割器。往复式切割是目前在谷物收获机、牧草收获机、谷物联合收获机和玉米收获机上采用较多。也是国内收割机上应用最广的一种切割器，现基本标准化。它能适应一般或较高作业速度（6—10km/h）的要求。它由往复运动的割刀和固定不动的支承部分组成。割刀由刀杆、动刀片和刀杆头等铆合而成。刀杆头与传动机构相连接，用以传递割刀的动力。工作时，割刀作直线往复运动，其护刃器前尖将谷物分成小束引向割刀，割刀在运动中将禾杆推向定刀进行切割。这种切割器平均切割速度较低，切割性能好，结构简单，工作可靠，广泛用于谷物收割机上。它的缺点是往复惯性力大，割台振动和噪声大，存在重割和漏割，割茬不整齐。为解决往复式切割器往复惯性力较大的问题，日本久保田稻麦收割机将刀杆分成两段，采用两个曲柄连杆机构双边驱动，两段刀杆的运动方向相反，可抵消部分惯性力。为防止泥土卡刀，久保田收割机将刀杆加宽，在其底部挖了排土孔，割刀在运动时可将进入切割间隙的泥土及时排出。此外，这种机型还加装了割刀自动润滑系统，可将润滑油自动滴到刀杆上，随动刀的运动而进入摩擦间隙，以免手工加油发生危险。另外，张晓辉李其才等应用理论力学平面力系及重心理论,分析并指出现有割刀惯性力平衡计算公式所存在的问题,推导出往复式切割器割刀惯性力平衡的实用计算公式。4.2往复式切割器参数的分析试验指出：在割刀锋利、割刀间隙正常（动、定刀片间的间隙0—0.5mm）的条件下，切割速度在0.6—0.8m/s以上时能顺利地切割茎杆；若低于此限，则割茬不整齐并有堵刀现象。为了讨论切割器在切割茎杆过程中的速度大小，需绘制切割器的切割速度图。现以I型切割器为例，绘制其切割速度图并进行分析：4.2.1I型切割器的切割速度图先绘出动刀片在左止点位置图，并注出刃线符号ab.绘出在右止点位置的定刀片图形。以刀刃的下端点a为基标，画出割刀速度图。4）刃线a点向右移动到与定刀片相遇的点（开始切割）时的切割速度5）与定刀片相遇的（切割完了）时的速度。圆弧——是割刀在切割茎杆过程中的切割速度范围（一般不大于1.2m/s）.从图（4-1）中看出：普通I型切割器的割刀速度利用较好，因而切割性能较好图4-1普通I型切割器切割速度图4.2.2切割平均速度割刀的速度为一变量，为了便于表示割刀速度的大小，常以平均值即平均速度：表示n

——割刀曲轴速度S——割刀行程由上述的可知在割刀锋利、割刀间隙正常（动、定刀片间的间隙0—0.5mm）的条件下，切割速度在0.6—0.8m/s以上时能顺利地切割茎杆；若低于此限，则割茬不整齐并有堵刀现象。目前在各种收割机械上普遍采用的切割器有往复式和旋转式两种，以往复式应用最为广泛，且已标准化。往复式切割器虽具有通用性广、适应性强、工作可靠之优点，但震动较大导致割台振动及噪音大，影响割台寿命。切割速度（一般平均切割速度为1.67s～2.76），宽幅收割；有利于大面积收获。圆盘式割刀作等速圆周运动，虽工作平稳，切割速度高（一般为10m/s～20m/s），切割能力强，但不适于在宽幅、多行的收割机械上采用。若采用多刀盘结构，传动机构复杂化，造价提高。往复式切割器的切割速度完全适应于紫花苜蓿等牧草的收割，中型拖拉机作为动力其切割速比=/=2.0—2.3>1.02，故采用往复式切割器普通I型作为所要设计的牧草收割机的收割器是非常好的。4.3往复式切割器普通I型的结构尺寸和行程的关系图4-2普通I型切割器尺寸关系为S=t==76.2mm式中S——割刀行程t——动刀片间距——护刃齿间距普通I型切割器的特点是：割刀的切割速度较高，切割性能较强，对粗、细茎杆的适应性能较大，但切割时茎杆倾斜度较大、割茬较高。这种切割器在国际应用较为广泛，多用于麦类作物和牧草收获机械上。在水稻收割机上有采用较标准尺寸为小的切割器，其尺寸关系为S=t==50、60、或70mm其特点是;动刀片较窄长，护刃器为钢板制成，无护舌，对立式割台的横向输送较为有利。其切割能力较强，个茬低。4.4往复式切割器的构造及其动刀片的结构参数4.4.1.往复式切割器的构造往复式切割器由往复运动的割刀和固定不动的支承部分组成（图4-3）割刀由刀杆、动刀片和刀杆头等铆合而成。刀杆头与传动部分包括护刃器梁、护刃器、铆合在护刃器上的定刀片、压刃器和磨合片等。工作时割刀作往复运动，其护刃器前尖将谷物分成小束并引向割刀，割刀在运动中将禾杆推向定刀片进行剪切。图4-3往复式切割器表1往复式割刀的基本参数序号零件名称标准1护刃器I型GB1210—752定刀片I型GB1211—753动刀片I型GB1211—754定刀片铆钉5XLGB865—675压刃器I型GB1212—756动刀片铆钉5XLGB865—677刀杆I型GB1211—758摩擦片I型GB1213—759螺栓M12XLGB10—6610螺母M12XLGB10—6611护刃器梁4.4.2切割器动刀片结构参数动刀片：它主要切割件，为对称六边形（图4-4），两侧为刀刃。到人的形状有光刃和齿纹刃两种。光刃切割较省力，割茬较整齐，但使用寿命较短，工作中需要经常磨刀。齿纹刃刀片则不需要磨刀，但使用较方便。在谷物收获机和联合收获机上多采用它。而牧草收获机由于牧草密、湿、切割阻力较大，多采用光刃刀片。动刀片结构参数如下:1.刃角i=2.顶宽b=14-16mm3.低宽t=76.2mm图4-4动刀片参数示意图5割草压扁机压扁系统的设计研究5.1压扁机构的设计苜蓿叶子小、劲杆粗，叶子与劲杆的水分蒸发不一致时，会出现叶子风干现象，使叶子从劲杆上脱落，造成草质量损失。为了解决这一问题，我们设计了压扁系统，把割下的苜蓿的茎杆及时压扁或压裂，使充满汁液的植物细胞暴露出，加速了水分的蒸发过程，从而加速了苜蓿的干燥，大大减少相应的作业费用、能量消耗以及缩短青贮饲料所需的时间。5.1.1压扁机构参数的确定压扁输送机构装在收割台的中下方，压辊的结构如图5.1所示。其工作部件是由两个水平的、彼此作相对方向转动的人字型橡胶挤压辊及支承轴承组成。压扁辊两端分别用轴承支承并固定，上压辊直径为260mm，下压辊直径为280mm。上压辊采用可调滑块机构，使滑块在导轨内上、下滑动，根据进草量自动调节压扁输送辊的间隙。上、下压草辊之间的间隙为1—1.5mm，当牧草通过此处时，草杆被碾压而向后顺利输送。图5-1压辊结构5.1.2压扁辊技术性能分析紫花苜蓿茎秆长（500mm～740mm），又易倒伏，有些倒伏的苜蓿，从地面还没有被割断，草秆就被送入压扁输送辊，叶子将会被捋掉或缠绕。针对这种状况，分析了切割器与压扁输送辊的斜线距离，确定了要割的牧草前端伸过压扁输送辊的长度不大于辊周长的1/2，故切割器与压扁输送辊的斜线距离不小于400mm，而牧草缠绕压草辊与压扁输送辊的摩擦系数、线速度有关。所以，牧草长度小于压扁输送辊周长不易发生缠绕。5.2束草装置的设计经过压扁输送辊压扁的牧草即将铺放于机具的后面，铺放宽度如不规范，拖拉机的轮胎将会碾压在草上，造成部分牧草粘土，由此会影响牧草质量，也不便于牧草收集和打捆。因此，在压辊的后方设计束草装置如图5.2所示。束草装置由束草架和束草板两部分构成，并安装于割草压扁机机架上。为达到束草效果，束草板倾斜一定角度焊接在束草架上，使得两侧的束草装置形成倒喇叭口状。经由压扁输送辊输出的牧草被抛送至倒喇叭口状束草装置，向机具后方流出，形成条带状的草条，均匀铺放于已割完的牧草割茬上,草条宽度(1000mm)，以便利牧草的收集。图5-2束草装置6传动系统的分析研究割草压扁机6.1传动系统方案设计及主轴转速确定6.1.1传动系统的方案设计由于牧草压扁收获要完成拨禾、切割、压扁、束草等复式作业，传动系统设计较复杂，要求设计结构紧凑，功率消耗少，主机与机具平衡等。为此，根据割草压扁机拨禾系统、切割系统和压扁系统的工作原理及结构特点，并运用技术经济学原理和功能分析理论选定如图1所示传动系统。由图6.1可知，动力由拖拉机发动机输出，经传动轴将其传给轴I，轴I上的皮带轮2将动力传给往复式割刀的皮带轮7进而带动往复式割刀运动、轴I上的齿轮4将动力传给上压辊的齿轮5带动上压辊工作、同理齿轮3带动下压辊的齿轮运动。轴II上的齿轮12带动齿轮14，再由轴III上的皮带轮13将动力传给拨禾轮的皮带轮，中间的传动过程起到减速作用。以上动作可以满足收获的全过程。图6-1割草压边机传动结构简图1.动力输入部分I.传动轴2.出入轴皮带轮3.输入轴链轮4.输入轴链轮5.输出轴链轮6.输出轴链轮7.输出轴皮带轮8.割刀输出轴9.输出轴的皮带轮10.下压辊11.上压辊12.输出轴链轮13.输出轴皮带轮II.中间轴III.中间轴6.1.2切割主轴转速确定牧草因稠密多汁，含胶体物质多，输送负荷大且需低割，其特点要求切割机构速度要高，割茬要低，采用往复式切割器，切割速度可达1.67m/s～2.78m/s,切割器主轴转速为n=816r/min。6.2传动比及参数确定机具在作业状态下，要一次性完成拨禾、切割、压扁和输送铺放一整套工作过程，为满足割草压扁机的技术指标和适宜的拨禾速度、切割速度和压扁速度，首先要确定合理的传动比。6.2.1切割系统传动比分析和参数确定40马力拖拉机柴油机输出皮带轮的转速=540r/min，功率是p=29.4KW，带动割草压扁机上的传动轴转动其传动比为：动力经传动轴传递给切割器主动轴，达到设计转速n=816r/min,由此得总传动比i为：式中：——由拖拉机输入的转速——轴I的转速——割刀轴的转速由输入功率和传动比可以推算出输出轴的皮带轮的直径为：、，故切割器主轴转速n=816r/min达到设计要求。6.2.2压扁系统传动比分析和参数确定为了解决牧草茎、叶干燥速度不一样，设计压扁输送机构。由于往复式切割器切割速度较高，为避免切割的牧草堆积，压辊速度应较高一些。一般情况下，压扁辊主轴的转速应是机器前进速度的三倍以上。式中：——输入轴上的链轮齿数——上压辊的链轮齿数——上压辊转速即取=46=23链节距p=15.875由上式可求得上压辊转速为270r/min。由于上、下压辊的圆周速度相同，即V上压辊=V下压辊=3.67m/s由公式得下压辊链轮的转速为：。下压辊链轮的传动比：式中：——下压辊链轮齿数——下压辊的转速D——下压辊的直径通过上式可得下压辊链轮齿数=49.6.2.3拨禾轮系统传动比分析和参数确定拨禾轮系统的传动由链传动传递到轴III上，再由皮带传动传递给与拨禾轮相连的皮带轮9上，这个过程起到了减速的作用。由输出速=135r/min和传动比i=2可以求出两个链轮的齿数分别为：=21=42链节距=15.875由输入转速和皮带轮的传动比可以确定拨禾轮主轴的转速=67.5r/min。6.3功率需求和传动效率前置式齿型链割草机的功率包括齿型链式切割器的切割功率P1、拨禾功率P2和压扁系统的压扁功率P3。6.3.1切割系统功耗和传动效率切割器功率，包括:切割功率和空转功率两部分。即：其中式中：——机器的前进速度，米/秒B——机器割幅，米——切割每平方米面积的茎杆所需功率，经测定：割牧草=20-30大小与切割器的安装及时状态有关，一般每米割幅所需空转功率为0.8—1.5马力。将数据带入以上公式，可得到N=3.4KW。切割系统是由传动轴输出动力（=0.95）再经过皮带轮（=0.95），最后通过偏心轴将动力传给往复式切割器（=0.9）所以传递给割草机的总效率为：=0.81故切割系统的功率6.3.2压扁系统功耗及传动效率由于牧草茎、叶干燥速度不一样，所以设计人字型压扁辊将切割的牧草及时均匀压扁。压辊的压力根据经验为0.39N/mm。其功率计算如下：式中：L——压辊长度（2600mm）f——压辊的压力（0.39N/mm）v—上下压辊接触点速度(3.67m/s)压扁系统是输入轴由链轮传给上下压辊的，其总传递效取传动轴输出动力（=0.95）链轮的传递效率(),故压扁系统的传递总效率为：=0.89则压扁系统的功率为6.3.3拨禾轮系统功耗及传动效率拨禾系统所需的功率较小，其计算公式是：式中：