谷物联合收获机往复式切割器切割过程的研究—基于切割图分析

分析

陈振玉;周小青

【摘 要】为了获得谷物联合收获机的理想工作状态,通过切割图分析,对联合收割机往复式切割器切割过程的一次切割区、重割区以及漏割区面积在不同切割情况下的变化特性进行了理论分析,得出了相应的速度匹配参数.在割刀切割速度与机器前进速度配比等方面为谷物联合收获机往复式切割器工作性能和作业效果的改善提供了理论依据和工作参数设计参考. 【期刊名称】《农机化研究》 【年(卷),期】2012(034)007 【总页数】5页(P73-77)

【关键词】谷物;联合收获机;往复式切割器;切割图;速度匹配 【作 者】陈振玉;周小青

【作者单位】南通职业大学,江苏南通226007;南通职业大学,江苏南通226007 【正文语种】中 文 【中图分类】S225.3 0 引言

当前，谷物联合收获机已经成为最重要的收获机械，在我国已经得到了广泛的使用。

但是国内谷物联合收获机往复式切割器的切割速度与机器前进速度在不同工作条件下的合理搭配问题一直处于参考国外样机参数或半理论半经验选择状态，很多场合如高速收获状态下还难以达到理想工作状态。因此，对谷物联合收获机往复式切割器切割过程进行理论研究和分析很有必要。 1 切割器及工作参数的选定 1.1 切割器

标Ⅱ型切割器简图如图1所示。 图1 标II型切割器 1.2 工作参数选择范围

割刀曲柄转速n/r·min-1：300～1 500 机器工作速度V/km·h-1：4～8 割刀进距H/mm：41.67～111.11 2 切割过程分析

往复式切割器工作时，其动刀片往复运动的方程式为 X=r(1-coswt)

标Ⅱ型切割器切割图如图2 所示。根据运动方程式可作出割刀相对地面运动的轨迹，即切割图。切割图是对于实际切割过程的简化表示，通过切割图的分析可以看到切割过程影响要素及其变化规律。 图2 标II型切割器切割图

在图2中，在定刀片轨迹线内(IV区)的作物被护刃器及定刀片推向两侧。在相邻两定刀片间的作物，由于所处位置的不同，有3 种不同的情况： ① 一次切割区(I区) 中的作物，在刀刃第1次在该区域运动时即被切割； ② 重割区 (II 区) 中的作物，在割断后其割茬被另一刃口重复触；③ 漏割区(III 区) 中的作物，在刀刃向右运动时未曾触及，在割刀回程运动中被切断。

在某一条件下，重割区和漏割区希望达到最小，这样就要平衡重割区和漏割区的面积，不能只顾其一。在实际生产中，漏割区影响谷物的切割效果，如谷物的损失情况、割茬的高度差等，重割区则主要影响割刀的切割功率。即是，随漏割区的增大，谷物的损失会增大，割茬的不平整度增大，严重时禾秆会出现撕裂；随重割区的增大，谷物的损失情况会降低，割茬不平整度会减小，但是功率损耗却在增大。 3 由切割图分析速度配比

3.1 机具前进速度不变、改变割刀曲柄转速

图3所示为机具前进速度不变，改变割刀曲柄转速时的切割图组。其中，切割图下标为机具前进速度和割刀曲柄转速，如“8 700”，即是前进速度8km/h、转速700r/min时的切割图(本文中类似图示均如此，不另加说明)。 图3 前进速度不变、改变割刀曲柄转速的切割图

按照实际生产要求，现在的谷物联合收获机一般前进速度为4～8km/h。由图3可以很清楚地看到，当机具前进速度不变时，随着割刀曲柄转速的增大，切割图中的重割区在不断增大，同时漏割区在减小，一次切割区的面积也在不断减小。这种情况下，对于一个行程，切割区面积减小，其中包含的谷物株数减少，割刀的功耗、震动均在减小，切割效果渐佳；而对于整个区域，株数一定，则需增加行程次数，整体功耗增大，不利于节能。

将切割图中的各区域的面积做出一系列各区域面积变化趋势图，如图4所示。

图4 一定前进速度下，切割图各区域面积随割刀曲柄转速的变化趋势

为使漏割区及重割区面积最小，漏割区要尽量小，且使一次切割区的面积偏小，则由图4可得：当前进速度为8km/h时，割刀曲柄转速为1 200～1 300r/min比较符合条件，此时漏割区和重割区均比较小，而且漏割区小于重割区保证切割质量；同样可知，7km/h时取1 070～1 150r/min，6km/h时取900～1 000r/min，

5km/h时取750～850r/min，4km/h时取600～650r/min，这些数据均符合要求。由于实际联合收获机的切割器有唯一的割刀曲柄转速，应兼顾各种速度下的切割状况，实际中一般要求高效快速。由此可知：当机具前进速度为4～6km/h时，800～850r/min比较符合切割要求；6～8km/h时，1 100～1 200r/min比较符合条件。

3.2 割刀曲柄转速不变、机具前进速度改变

割刀曲柄转速不变，机具前进速度改变的切刀图如图5所示。由图5可知，当割刀曲柄转速不变时、机具前进速度增大，切割进距变大，重割区减小，漏割区增大，一次切割区增大。对于单个行程，切割区面积增大，即是一次切割的株数增多，切割负荷增大，同时割茬的高度差异增大；对于整个区域，行程减少，有利于节能。现今我国的收获机械都是割刀曲柄转速一定，因此这种情况的分析有很重要的现实意义。为了清晰直观，我们做出切割图各区域面积变化图，如图6所示。 图5 割刀曲柄转速不变、机具前进速度改变的切割图

由图6可以清晰地看出，随着前进速度的增大，切割图中各区域面积的变化趋势以及变化幅度：600r/min时，符合切割要求的速度低于5km/h；700r/min时，在4～6km/h的切割效果较好；800r/min时，也是4～6km/h的效果好些；900r/min时，5～7km/h内的切割效果较好；1 000r/min时，6～8km/h的切割效果好。鉴于以上分析，由图6得出，900～1 000r/min时，对于机器前进速度变化时(在4～8km/h之间)，适应性较好，各个区域的面积也比较符合切割要求。同时应该看到，图像的变化较大，难以找到一个合适的转速值，使得机具前进速度在4～8km/h一直保持良好的切割效果，因此对于实际情况应分为不同时间段：当机具前进速度为4～6km/h时，割刀曲柄转速700～800r/min可基本满足要求；6～8km/h时，割刀曲柄为1 000～1 100r/min时，基本满足要求。对于割刀曲柄转速一定的机器，这些值可以基本满足收获要求。

图6 割刀转速一定、切割图各区域面积随前进速度变化趋势 3.3 模拟实际切割分析切割过程

在实际切割过程中，刀片不止一个，以下以相邻两个刀片为例，模拟实际切割过程。以割刀曲柄转速500r/min为例分析，如图7所示。第2个刀片会在行程末扫过临刀的切割区域。假设当割刀扫过谷物是可以完成谷物的切割，则可以看出，切割图中出现了很大面积的重割区(相邻两刀重割区)，而且此类重割区刚好扫过临刀第1行程的漏割区，即使得漏割区大幅减少。此时，相当于一个刀的分析，在满足切割要求的前提下，割刀进距增大。通过分析和试验，在前进速度4km/h、转速500r/min、 H=66.67mm时最为符合要求，此时漏割区及重割区面积都比较小。 图7 相邻两刀切割过程

图8中的各个不同区域表示切割过程中不同切割状态(假设切割区域的谷物行距10mm，株距10mm，切割器离地面高度为150mm)。在此切割图中，相邻两刀片的切割会出现重叠区域，从而使切割图发生改变。切割开始后，切割器经过区域如图8中网格所示，在单个刀片的切割区域有左右两个漏割区。在推动禾秆的区域，将左部漏割区内的禾秆推至下一行程的切割区。在一次切割区中的禾秆由动刀扫过切割，在第2行程动刀又扫过一片区域。其中，会出现重割区，在一个刀片时也会出现漏割区，而相邻动刀片会扫过定刀下的禾秆、右部漏割区以及一部分切割区的禾秆。如果假设动刀扫过禾秆即能切割，按照以上分析，这种情况下禾秆割茬会很平整。但是，实际情况中割茬均有一定的不平整，也就是说，动刀扫过时，并不一定就切割，但是当禾秆推到定刀处时，由于定刀片的支撑，完成切割。在此情况下，以图9中的黑框区域分析计算割茬高度，画出割茬高度分布图。如图9所示，由于切割器离地高度为150mm，实际割茬应该在150～250mm。由图9可以看出割茬分布在150～175mm之间，符合实际要求。 图8 H=66.67mm的相邻两刀切割图

图9 割茬高度分布图 4 结论

通过对谷物联合收割机往复式收割器切割图对切割过程的分析，详细研究了切割过程中的具体情况，可知当机具前进速度为4～6km/h时，在800r/min时比较符合切割要求；6～8km/h时，1 100r/min比较符合条件。本课题为往复式切割器工作性能和作业效果的改善提供了理论依据和工作参数设计参考。但是，随着工作环境的不同，切割效果会有所不同，相关的研究还需进一步深入。

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