切割器

一、茎杆物理机械性质及其与切割的关系

切割器的切割质量不仅与切割器的结构和参数有关，也取决于茎秆的物理机械性质。 1．茎秆刚度对切割的影响

现有切割器按切割原理不同可分为有支承切割和无支承切割两种。在有支承切割中又有一点支承切割和两点支承切割之分，其切割过程如图8－10所示。

对直径细、刚度小的茎秆，取两点支承切割较为有利（图8－10a）切割时茎秆弯曲较小（接近剪切状态），切割较省力。对直径粗、刚度大的茎秆，则可取一点支承切割。由试验观察：有支承切割的割刀速度，在0.3—0.6m/s时，小麦茎秆有被压扁和撕破现象，且阻力由大逐渐减小；当速

图8-10 有支承切割 度超过0.6m/s时，茎秆被压扁和撕破的现象消

a.两点支承切割 b.一点支承切失，且阻力减少缓慢，故一般对切割谷物取割刀

割 速度为0.8m/s以上。

无支承切割的过程如图8－11所示。切割时有切割力Pd、茎秆的惯性力PAB和PBC及茎秆的反弹力Pr等。为使切割可靠，应使茎秆惯性力与茎秆反弹力之和大于或等于切割力。即

Pd≤PAB＋PBC＋Pr

若将茎秆视为一端固定的悬臂梁，根据材料力学分析可知：为增大惯性力和茎秆的反弹力，除需尽可能降低割茬外，还应提高切割速度。据试验资料，对细茎秆作物（如牧草）切割速度应为30－40m/s；对粗茎秆作物如玉米，由于茎秆刚度较大，切割速度可较低，为6－10m/s。

2．茎秆的纤维方向性与切割的关系

作物茎秆由纤维素所构成。其纤维方向与茎秆轴线平行，因此割刀切入茎秆的方向与其切割阻力和功率消耗有着密切关系。据试验，按图8－12的三种切割方向，其切割阻力和功率消耗有较大的差异。

图8-11 无支承切割 1）横断切：切割面积和切割方向与茎秆轴线垂直（图8－

12a）。

2）斜切：切割面与茎秆轴线偏斜，但切割方向与茎秆轴线垂直（图8－12b）。 3）削切：切割面和切割方向都与茎秆轴线偏斜（图8－12c）。

试验指出：横断切的切割阻力和功率消耗最大；斜切较横断切的切割阻力和功率消耗降低30－40％；削切较横断切的切割阻力降低60％，功率消耗降低30％。

图8-12 三种切割方向 a.横断切 b.斜切 c.削切 图8-13 滑切与砍切 a.砍切 b.滑切 3．滑切与切割阻力的关系

切割茎秆时，刀刃的运动方向对切割阻力影响较大。如刀刃沿垂直于刃线方向切入茎秆时（为砍切），则切割阻力较大；若刀刃没刃线的垂线偏一α角方向切入茎秆时（为滑切），则切割阻力较小（图8－13）。

据试验结果，归纳有下列经验公式 P3S＝常数 式中 P－切割阻力

S－滑切长度（刀刃沿刃线方向移动的距离，与切割角α有关） 试验测得的数据如表8－1。

表8-1 刀刃滑切长度与切割阻力 滑切长度S（mm） 切割阻力P（N） 1.5 2.5 5.0 10.0

二、切割器的农业技术要求

切割器是收割机上重要的通用部件之一。其性能的好坏对于收获作业的顺利进行，降低收获损失等都具有很大的作用。因此，它必须满足一些特定的要求。

1．不漏割、不堵刀

这是确保收获作业顺利进行的重要条件。这不仅要求切割器在结构和形状上能够很好地满足作业要求，而且在加工材料上要具有坚韧、耐磨并长期保持锋利的特点。同时，在使用中也应该经常校正，刃磨及调整并保持合理的切割间隙（往复式）。

2．结构简单、适应性强

切割器是易损部件，在作业过程中由于经常接触到地表的一些坚硬物而遭到破坏，而需随时将损坏件进行更换。因此，要求结构简单、制造方便，并要求其通用性强，适应性广，目前使用的往复式切割器，除特殊用途外，均采用国家标准型。

3．功率消耗少，振动小

功率消耗少是收割机上一切工作部件的设计原则之一，这是减少整机功率消耗，减小配套动力的前题。振动小，运动平稳对于降低收获作业中的落粒损失意义重大，尤其是作物在完熟后期，振动大小对落粒多少影响更大。

4．割茬低而整齐

对于低荚类作物，如大豆，以及整个植株都要收获的牧草等，要求进行低割，以减少损失，增加收获量。此外，对于任何作物的收获也应做到割茬整齐化一。

三、切割器的种类及其应用

根据切割器结构及工作原理的不同可分为：往复式、圆盘式和甩刀回转式三种。 （一）往复式切割器

其割刀作往复运动，结构较简单，适应性较广。目前在谷物收割机、牧草收割机、谷物联合收获机和玉米收获机上采用较多。它能适应一般或较高作业速度（6－10km/h）的要求，工作质量较好，但其往复惯性力较大，振动较大。切割时，茎秆有倾斜和晃动，因而对茎秆坚硬、易于落粒的作物易产生落粒损失（如大豆收获）。对粗茎秆作物，由于切割时间长和茎秆有多次切割现象，则割茬不够整齐。

往复式切割器按结构尺寸与行程关系分有以下几种： 1．普通Ⅰ型

6 5 4 2 其尺寸关系为

S＝t＝t0＝76.2mm（3in） 式中 S－割刀行程 t－动刀片间距 t0－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，割性能较强，对粗、细茎秆的适应性能较大，但切割茎秆倾斜度较大、割茬较高。这种切割器在国际上应较为广泛，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其尺寸关系为

S＝t＝t0＝50、60或70mm 其特点是：动刀片较窄长（切割角较小），护刃器钢板制成，无护舌，对立式割台的横向输送较为有利。切割能力较强，割茬较低。

在粗茎秆作物收割机上，有采用较标准尺寸为大切割器，其尺寸关系为

S＝t＝t0＝90或100mm 其护刃齿的间距较大，专用于收割粗茎秆作物。饲玉米收割机、高粱收割机和对行收割的玉米收获机用。

2．普通Ⅱ型 其尺寸关系为

S＝2t＝2t0＝152.4mm（6in）

该切割器的动刀片间距t及护刃器间距t0与普通Ⅰ型相同，但其割刀行程为普通Ⅰ型的2倍。其割刀往复运动的频率较低，因而往复惯性力较小。此点对抗振性较差的小型机器具有特殊意义，适于在小型收割机和联合收获机上采用。

3．低割型 其尺寸关系为

S＝t＝2t0＝76.2、101.6mm(3in、4in)

切割器的割刀行程S和动刀片间距t均较大，但护刃齿的间距t0较小。切割时，茎秆倾斜量和摇动较小，因而割茬较低，对收割大豆和牧草较为有利，但对粗茎秆作物的适应性较差。

低割型切割器由于切割时割刀速度较低，在茎秆青湿和杂草较多时切割质量较差，割茬不整齐并有堵刀现象。目前在稻麦收割机上采用较少。

（二）圆盘式切割器

图8-14 各种尺寸类型切割器 a.普通Ⅰ型 b.普通Ⅱ型 c.低割型 切时用器，

为其的

青采

圆盘式切割器的割刀在水平面（或有少许倾斜）内作回转运动，因而运转较平稳，振动较小。该切割器按有无支承部件来分，有无支承切割式和有支承切割式两种。

1．无支承圆盘式切割器

该切割器的割刀圆周速度较大，为25－50m/s，其切割能力较强。切割时靠茎秆本身的刚度和惯性支承。目前在牧草收割机和甘蔗收割机上采用较多，在小型水稻收割机上也采用。

在牧草收割机上多采用双盘或多组圆盘式切割器（8－15c、e），每个刀盘由刀盘架、刀片、锥形送草盘和拨草鼓等组成。刀片和刀盘体的连接有铰链式和固定式两种。在牧草收割机上，为适应高速作业和提高对地面的适应性，多采用铰链式刀片。其刀片的形状如图8－15d所示。其刃部少许向下弯曲，切割时对茎秆有向上抬起的作用。工作中每对圆盘刀相对向内侧回转。当刀片将牧草割断并沿送草盘滑向拨草鼓时，拨草鼓以较高的速度将茎秆抛向后方，使其形成条铺。在多组双盘式切割器上，为了简化机构常在送草盘的锥面上安装小叶片，以代替拨草鼓的作用。刀盘的传动有上传动式和下传动式两种：上传动式用皮带传动，其结构简单，但不紧凑；下传动式用齿轮传动，其下方设有封闭盒，结构较紧凑，是今

图8-15 圆盘式切割器 后的发展方向。

a. 单盘式 b.三盘集束式 c.双盘式 d.圆盘式切割器可适应10－25km/h的高速作

铰链式刀盘 e.多组圆盘式 业。最低割茬可达3－5cm，工作可靠性较强，但其

功率消耗较大。近年来国外回转式割草机的机型发展较多，并有扩大生产的趋势。

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切割器。一般刀盘前端向下倾斜7°－9°，以利于减少茎秆重切和破头率。

在小型水稻收割机上，有采用单盘和多盘集束式回转式切割器者。多盘集束式切割器能将割后的茎秆成小束地输出，以利于打捆和成束脱粒。它由顺时针回转的三个圆盘刀及挡禾装置组成（图8－15b）。圆盘刀除随刀架回转外自身作逆时针回转，在其外侧的刀架上有拦禾装置。圆盘刀（刃部为锯齿状）将禾秆切断后推向拦禾装置。该装置间断地把集成小束的禾秆传递给侧面的输送机构。这种切割器因结构较复杂应用较少。

2．有支承圆盘式切割器

该切割器（图8－16）除具有回转刀盘外，还设有支承刀片。收割时该刀片支承茎秆由回转刀进行切割。其回转速度较低，一般为6－10m/s。刀盘由5－6个刀片和刀盘体铆合而成。其刀片刃线较径向线向后倾斜α角（切割角），

0

该角不大于30。支承刀多置于圆盘刀的上方，两者保有约0.5mm的垂直间隙（可调）。

（三）甩刀回转式切割器

图8-16 有支承圆盘式切割器 a. 单盘式 b.双盘式 该切割器的刀片铰链在水平横轴的刀盘上，在垂直平面（与前进方向平行）内回转。其圆周速度为50－75m/s，为无支承切割式，切割能力较强，适于高速作业，割茬也较低。目前多用于牧草收割机和高秆作物茎秆切碎机上（如国产4YW－2的茎秆切碎器）。

甩刀回转式切割器由水平横轴、刀盘体、刀片和护罩等组成（图8－17）。刀片铰链在刀盘体上分3－4行交错排列。刀片宽为50－150mm，配置上有少许重叠。刀片有正置式和侧置式两种。正置式多用在牧草收割机上，切割时对茎秆有向上提起的作用，刀片前端有一倾角。侧置式多用在粗茎秆切碎机上。

收割时，割刀逆滚动方向回转，将茎秆切断并拾起抛向后方。在牧草收割机上为了有利于茎秆铺放，其护罩较长较低；在粗茎秆切碎机上为有利于向地面抛撒茎秆，其护罩较短。

甩刀回转式切割器由于转速较高，一图8-17 甩刀回转式切割器 般割幅较小为0.8—2m。在割幅较大的机a.玉米茎杆切碎器 b.牧草切割器 c.刀片 器上可采用多组并联的结构。

用甩刀回转式切割器收割直立的牧草，因草屑损失较多，总收获量较往复式切割器减少5－10％。但在收获倒伏严重的牧草时，总收获量较往复式为多。

四、往复式切割器的构造和传动机构 （一）往复式切割器的构造和标准化 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8-18）。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。固定部分包括护刃器梁、护刃器、铆合在护刃器上的定刀片、压刃器和摩擦片等。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，割刀在运动中将禾秆推向定刀片进行剪切。

1）动刀片：它是主要切割件，为对称六边形（图8－19），两侧为刀刃。刀刃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，工作中需经常磨刀。齿纹刃刀片则不需磨刀，虽切割阻力较大，但使用较方便。在谷物收图8-18 往复式切割器 割机和联合收获机上多采用它。而牧草收割机由于1. 护刃器梁 2.摩擦片 3.压刃器 4.刀杆 牧草密、湿，切割阻力较大，多采用光刃刀片。刀刃5.动刀片6.定刀片7.护刃器a.护刃器上舌 的刃角i对切割阻力和使用寿命影响较大，当刃角i由14°增至20°时，切割阻力增加15％。刃角太小时，刀刃磨损快，而且容易崩裂，工作不可靠。一般取刃角为19°。齿纹刃刀片的刃角i＝23°－25°。光刃刀片为使其磨刀后刃部高度不变，刀片前端顶宽b，一般b＝14－16毫

图8-19 动刀片 米，齿纹刃刀片其b值较小些。刀片一般用工具钢（T8、T9）制成，刃部经热处理，热处理宽度为10－15毫米，淬火带硬度为HRC50－60，非淬火区不得超过HRC35。刀片厚度为2－3毫米。每厘米刀刃长度上有6－7个齿，刀刃厚度不超过0.15毫米。

2）定刀片：定刀片为支承件，一般为光刃，但当动刀片采用光刃时，为防止茎秆向前滑出也可采用齿刃。国外有的机器护刃器上没有定刀片，由锻钢护刃器支持面起支承切割的作用。

3）护刃器：护刃器的作用是保持定刀片的正确位置、保护割刀、对禾秆进行分束和利用护刃器上舌与定刀片构成两点支承的切割条件等。其前端呈流线形并少许向上或向下弯曲，后部有刀杆滑动的导槽。护刃器一般为可煅铸铁或煅钢、铸钢等制成，可铸成单齿一体，或双齿一体或三齿一体。单齿一体损坏后易于更换，但安装和调节较麻烦，现多采双齿护刃器。

4）压刃器：为了防止割刀在运动中向上抬起和保持动刀片与定刀片正确的剪切间隙（前端不超过0－0.5毫米，后端不大于1－1.5毫米），在护刃器梁上每隔30－50厘米装有压刃器（在割草机上每间隔20－30厘米）。它为一冲压钢板或韧铁件，能弯曲变形以调节它与割刀的间隙。

5）摩擦片：有的切割器在压刃器下方装有摩擦片，用以支承割刀的后部使之具有垂直和水平方向的两个支承面，以代替护刃器导槽对刀杆的支承作用。当摩擦片磨损时，可增加垫片使摩擦片抬高或将其向前移动。装有摩擦片的切割器，其割刀间隙调节较方便。

2．结构标准化

为了便于组织专业化生产和零配件供应，1975年公布了切割器的国家标准（GB1209－1213-75）。切割器分为三种型式（图8－20）。

1）Ⅰ型切割器：其t＝t0＝76.2毫米，动刀片为光刃，刀片水平倾角为6°30′，护刃器为单齿，设有摩擦片。用于割草机。

2）Ⅱ型切割器：其t＝t0

＝76.2毫米，动刀片为纹齿刃，护刃器为双齿，设有摩擦片。用于谷物收割机和联合收获机。

3）Ⅲ型切割器：其t＝t0

＝76.2毫米，动刀片为齿纹刃，护刃器为双齿，无摩擦片。用在谷物收割机和谷物联合收获机上。

（二）往复式切割器的传动机构

其特点是把回转运动变为往复运动。由于各种机器的总体配置和传动路线不同，因此传动机构的种类较多。按结构原理的不同可分为曲柄连杆机构、摆环机构和行星齿轮机构等三种。

1．曲柄连杆机构 曲柄连杆（或滑块）机构由曲柄、连杆（或滑块与滑道）及导

向器等组成。为适应不同配置的割台型式和传动路线，该机构又有如图8－21所示的几种传动形式。

1）一线式曲柄连杆机构：其曲柄、连杆及割刀在一个垂直平面内运动（图8－21a）。其机构虽较简单，但横向占据空间较大，只适于侧置式收割机（如GT－4.9联合收获机）采用。

0

若将该机构旋转90，使曲柄连杆在水平面内运动（8－21b），则该机构可用在前置式收割机上（如珠江－2.5联合收获机）。

2）转向式曲柄连杆机构：在前置式收割机上，常将曲柄连杆机构置于割台的后方，并

图8-20 标准型切割在侧方增设摆叉（或摇杆）及导杆（图8－21c、d），通过导杆驱动割刀运动。该机构在自走式联合收获机上采用较多。

上述各机构的连杆长度均可调节，以便进行割刀“对中”（连杆处于止点时，动刀片与护刃器中心线重合，允许偏差不大于±5毫米）的调整。

3）曲柄滑块机构：它由曲柄、滑块（或轴承）、滑道和导向器等组成（图8－21e）。曲柄回转时，套在曲柄上的滑块（或轴承）带动割刀作往复运动。其机构较简单，占据空间较

小。但滑道磨损较快。可用在中小割幅的前置式收割机上（如KS－3.8收割机）。

2．摆环机构

它是由一个斜装在主轴上的摆环并通过摆动轴把回转运动转变为往复运动的一种机构。摆环机构由主轴、摆环、摆叉、摆轴、摆杆和导杆等组成（图8－22）。摆环的销轴与摆叉上的销孔相连接，摆环摆动时通过摆叉、摆轴及摆杆带动导杆并驱动割刀运动。

摆环的结构如图8－23所示，在主轴mm的一端折转一个α角（或安装一个斜孔套），称其为斜轴。在斜轴上装有轴承，在轴承外部套有带双销轴的摆环。摆叉与双销轴铰接。主轴轴线、摆环轴线和摆叉轴线三者必须交于一点O。当主轴mm旋转时，摆环不转，而绕其中心O点作球面摆动。假设图示位置为起始位置，此时摆环Q与图面垂直，摆环销轴的轴线AA与垂线倾斜α角（称为摆角α；当主轴mm旋转90°时，摆环Q与图面成（90°－α）倾角，

图8-21 曲柄连杆机构 其轴线AA变为垂直位置；主轴mm转至

a.线式 b.立式-线式 c.转向式 d.转向式 e.曲柄滑块式 180°时，摆环Q又与图面垂直，轴线AA

摆至垂线的另一侧成一α角；主轴mm转至

270°时，轴线AA又变为垂直位置，摆环Q与图面成(90°+α）倾角；主轴旋转一周时，摆环恢复到图中所示的原始位置。这样，把回转运动变成了往复摆动，其摆动范围为2α角。

E516联合收获机采用了带附加摆杆的摆环机构（图8－24a），其优点是刀杆头垂直分力

较小，改变摆杆上支点m的水平位置，可进行割刀“对中”的调节。

美

图8-22 摆环机构 国JD－

1.主轴 2.摆轴 3.摆叉 4.摆环 5.摆杆 6.导杆 7700联

图8-23 摆环的结构原理 合收获

Q.摆环 P.斜孔套 机和国

外某些

牧草收割机采用了垂直摆轴式摆环箱体（图8－24b），其结构较紧凑，便于浮动刀床（或可移动式刀床）上安装。

3．行星齿轮式传动机构 最近国外有的联合机采用了行星齿轮式割动机构。它由直立式曲柄套在曲柄上的行星齿轮、在行星齿轮节圆上销轴动割刀用）和固定齿圈等（图8－25）。当曲柄绕O回转时，行星齿轮在齿滚动。由于行星齿轮的节径是齿圈节圆直径的一且销轴置于割刀的运动线上，则曲柄回转时销轴

图8-24 两种摆环机构 a.附加摆杆式 b.垂直摆轴式 收

刀轴固（组轴圈圆半方在获传、定驱成心上直，向割

刀运动方向线上作往复运动。其行程等于齿圈节圆直径，其割刀运动规律与曲柄连杆机构相同。

该机构的主要特点是结构紧凑，刀杆头不受垂直方向的分力。适于在各种配置的收割台上采用。

五、往复式切割器的工作原理 （一）刀片几何形状分析

往复式切割器是将作物茎秆夹持在动、定刀片之间进行剪切的。动刀片的几何形状对切割器的工图8-25 行星齿轮式传动机构 作可靠性和功率消耗有1.曲柄轴 2.行星齿轮 3.销轴 4.固定齿圈 较大的影响。

动刀片的参数有切割角、刃线的倾角α、刃部的高度h、刀片宽度a和刀片顶宽b等（图8－26）。

当刀片宽度a一定图8-27 切割10株小麦时，切割角α是决定刀片图8-26 动刀片尺寸 的阻力变化曲线 刃部高度的主要参数，也是影响切割阻力的重要因素。试验表明（图8－27）切割角α增大，则切割阻力减小。当

00

α由15增至45时，切割阻力将减小一半。减小阻力的原因主要有两方面：一是由于切割角α增加时，使刀片对茎秆的滑动速度V1亦增大（V1＝Vsinα）；二是因为α增加时，刀刃沿运动方向切入茎秆的切入角ir变小（ir但α角过大时，将引起茎秆在动、定刀片的夹持中的不稳定（从剪口向前滑出），切割不可靠。为此，以茎秆被刀片夹住为前提对角α的确定进行如下分析：

由图8－29可看出，茎秆在动刀片及定刀片的夹持中，在两刀刃的接触点A、B处对茎秆有正压力N1、N2和摩擦力F1、F2（F1＝N1tgφ1，F2 ＝N2tgφ2）。如用R1表示N1与F1的合力，用R2表示N2与F2的合力，则茎秆被夹住的条件为：两刃口作用于茎秆的合力R1与R2必在同

图8-28 α角增大,切割阻力减少的原因 a.v1增大 b.ir减少 图8-29 夹持茎杆的受力分析 一直线上。

从图8－29中的三角形OAB可看出 θ＋φ1＋φ2＝π

式中 φ1——动刀片对茎秆的摩擦角 φ2——定刀片对茎秆的摩擦角 从四边形OACB中看出

∠OAC＝∠OBC＝π／2 ∴θ＋α＋β＝π

将以上两式联立，可得出茎秆被夹住的起码条件

α＋β≤φ1＋φ2 式中 α——动刀片的切割角 β——定刀片的切割角

经测定，带齿的动刀片与光刃的定刀片配合对小麦茎秆的摩擦角之和为φ1＋φ2＝45－52°。现有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型切割器的动刀片的α角为29°，定刀片β角为6°15ˊ，其α＋β＝35°15ˊ，均符合夹持切割的条件。

从几何关系可看出动刀片的刃部高度与α角等参数的关系

h=(a—b)/tgα

现有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型动刀片的刃部高度为54毫米，动刀片的刃部高度，对切割器性能有直接影响。

（二）割刀运动分析 割刀的运动特性对切割器性能有直接影响，现就几种主要传动形式的切割运动分析如下：

1．曲柄连杆（滑块）机构的割刀运动：为简化分析，设曲柄轴心偏距为零，连杆长度为无穷大，则割

图8-30 割刀运动分析 a.曲柄偏距h=0 b.割刀运动分析 c、X、vX、aX随曲柄转角ωt的变化曲线 d、vX、aX随位移X的变化曲线 刀运动可视为曲柄销A（图8－30b）在割刀运动线上的投影，为一简谐运动。

若以曲柄轴心为座标原点O，水平向右为X轴，向上为Y轴，并令曲柄由第二象限的水平位置顺时针转动。则割刀位移方程为

X=-rcosωt

vxdXrsintdt速度方程式为 加速度方程式为

式中 r——曲柄半径 ω——曲柄角速度

axdvxr2costdt割刀位移、速度、加速度与曲柄转角的关系如表8－2所示。

表8－2 割刀位移、速度、加速度与曲柄转角的关系 ωt X vx ax 0°0 +rω2 90° 0 +rω 0 180° +r 0 -rω

2270° 0 -rω 0 360° -r 0 +rω 2-r vxrsintr(sint)2r1(cost)2r2r2(cost)2r2X2为了便于分析，下面研究割刀速度与位移的关系及加速度与位移的关系 两边平方，简化后得 即：

2vXX22212rr2vX2r2X2可见速度Vx与位移X的关系为一椭圆方程式（图8－30d）。椭圆的长轴半径为rω，短轴半径为r。由图可得出任意位移点的割刀速度。

如将纵座标的比便尺缩小，即绘图比例λ＝1／ω，则割刀速度即成为半圆弧曲线。这时圆弧上任意点对水平线的高度与绘图比例尺λ的倒数ω的乘积，即为该位移点的割刀速度。用此法绘制割刀速度图颇为方便。

割刀加速度αx与割刀位移X的关系为

ax=rωcosωt=－ω(－rcosωt)=－ωX

即加速度与位移为一直线关系（图8－30d）。 2．摆环机构的割刀运动

摆环机构的割刀位移、速度和加速度的方程式（推导从略）为

X=－σrcosωt vx=μrωsinωt

2

2

2

ax=γrω2cosωt

与曲柄连杆机构驱动的割刀位移、速度和加速度相比，仅差σ、μ、γ三个系数。而σ、μ、γ皆为摆环偏角α和rω的函数。

在摆环偏角α≤15°时，与曲柄连杆机构的割刀运动规律类似（图8－31）。如α角过大达25°上时，则αx较曲柄连杆机构有明显的差异，即αx在一个周期内出现两个高峰，使机器振动加剧。故一般取摆角α＝15°－18°。

图8-31 摆环机构割刀运动规律 1.曲柄连杆机构 2.摆环机构(α=15°) 3.摆环机构(α=25°) 摆环机构的割刀行程（图8－32） S＝2Klsinα 式中 l——摆杆长度 α——摆环偏角

K——考虑尺寸误差和间隙对行程影响的修正系数， K＝1.02－1 图8-32 割刀行程 3．行星齿轮机构的割刀运动

行星齿轮机构具有如下尺寸特征：行星齿轮的节圆直径为固定齿圈的节圆直径的1/2；驱动割刀的销轴中心在行星轮面上的投影点A为行星轮节圆的一点，并位于齿圈直径线上。

根据上述尺寸关系，对销轴投影点A的运动分析如下：

1）关于销轴投影点A在齿圈直线上的运动：设曲柄（图8－33）由第二象限的水平位置顺时针转过ωt转角时，行星轮必绕其轮心逆时针转ωrt角。则行星轮上的销轴投影点A的绝对转角为

ωAt＝ωt＋ωrt

式中 ωA——销轴投影点A的绝对角 速度 ω——曲柄的角速度（牵连角速度） ωr——销轴投影点A对曲柄的相对角速度，ωr＝-2ω ωAt＝-ωt

由上可知，销轴投影点A的转角与曲柄转角相等，但方向相反。从图8－33看出，满足此条件的几何关系是：销轴投影点A在运动中不偏离齿圈直径线。

2）割刀运动方程式：由图8－33看出，曲柄转过ωt转角时，A点的位移方程式为

-X＝2rcosωt

或 X＝-Rωt （∵R＝2r） 式中 R——齿圈半径，相当于曲柄连杆机构

图8-33 行星齿轮机构的割刀运动分析 的曲柄半径

vXdXRsintdtA点的速度方程式为 加速度方程式为

从上述公式看出，行星齿轮机构的割刀运动与曲柄连杆机构相同。

从上述分析可知：曲柄连杆（滑块）机构、摆环机构（在偏角α＝15°－18°时）和行

aXdvXr2costdt星齿轮机构的割刀运动规律基本相同。故本节仅以曲柄连杆机构的割刀运动为例，叙述其运动特性与切割器性能的关系。

六、往复式切割器的切割性能参数分析 （一）切割速度分析

试验指出：在割刀锋利、割刀间隙正常（动、定刀片间的间隙为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秆；若低于此限，则割茬不整齐并有堵刀现象。

为了探讨切割器在切割茎秆过程中的速度大小，需绘制切割器的切割速度图。现以几种典型切割器为例，绘制其切割速度图并进行分析：

1．普通Ⅰ型切割器的切割速度图（图8－34）

1）先绘出动刀片在左止点位置图，并注出刃线符号ab。 2）绘出在右止点位置的定刀片图形。

3）以刀刃的下端点a为基标，画出割刀速度图（以曲柄为半径作半圆线）。 4）绘出刃线a点向右移动到与定刀片相遇的a1

点（开始切割）时的切割速度va(由a1向圆弧线作垂线)。

5）绘出刃线b点移到与定刀片相遇的b1点（切割完了）时的切割速度vb(由a2向圆弧线作垂线)。

圆弧va－vb是割刀在切割茎秆过程中的切割速度范围（一般都大于1.2米／秒）。从图（8－34）图8-34 普通Ⅰ型切割中看出：普通Ⅰ型切割器的割刀速度利用较好，因器切割速度图 而切割性能较强。

2．普通Ⅱ型及低割型切割器的切割速度图

普通Ⅱ型及低割型切割器的切割速度图可用与上述类似的方法绘出（图8－35）。 普通Ⅱ型切割器的切割速度图的特点是：割刀在一个行程中与两个定刀片相遇，因而有两个切割速度范围，分别为va1－vb1及va2－vb2。从两个范围的速度看，虽没有包括最大割刀

图8-35 普通Ⅱ型及低割型切割器的切割速度图 速度，但仍属于较高速度区段，因而切割性能尚好。

低割型切割器的切割速度图，割刀在一个行程中与三个定刀片相遇，因而有三个切割速度范围：va1－vb1、va2－vb2及va3－vb3，其中va1=0，vb3＝0，因而切割性能较差，工作中常有部分茎秆被撕裂和撕断，并有时出现塞刀。现国家标准无此切割器。

在某些机器（高速作业的割草机和谷物联合收获机如E－516等）上，为了提高切割器的切割性能，将割刀行程加大，即S＝90－104毫米，而t＝t0＝76.2毫米。使该切割器的切割速度提高，称此切割器为超行程类型。

某些牧草收割机，为了适应低茬和高速作业（8－10公里／小时）的要求，将定刀片宽度加大并减小行程，同时提高曲柄转速。这样既保持了较小的割刀“进程”，又提高了切割速度。称此切割器为短行程类型（t＝t0＝76.2毫米，S＝63.5－70.5毫米）。

3．切割平均速度

割刀的速度为一变量，为便于表示割刀速度的大小，常以平均值即割刀平均速度vp表

vpnsnr3015示。

式中 n——割刀曲柄速度 r——割刀曲柄半径 S——割刀行程

割刀平均速度vp，也是用来确定割刀曲柄转速的重要参数之一，其选取应根据机器作业性质而定。如割草机及收割机，因切割对象较青、湿，而且负荷较重，应取较大值；谷物联合收获机，因切割对象较干、脆，负荷较轻，可取较小值。其一般范围为vp＝1－2米／秒。

（二）割刀进距对切割器性能的影响

割刀走过一个行程（St）时，机器前进的距离称为割刀进距。 即

Hvm 或

6030vm2nnHvm式中 vm——机器前进度 n——割刀曲柄转速 ω——割刀曲柄角速度

割刀进距的大小，直接影响到动刀(刃部)对地面的扫描面积——切割图，因而对切割器性能影响较大。它也是确定切割器曲柄转速的另一重要参数。

现以普通Ⅰ型切割器为例，绘制其切割图并研究割刀进距对其图形的影响。 切割图的绘制步骤为:

1）先在图上画出两个相邻定刀片的中心线和刃线的轨迹（即纵向平行线）。

2）按给定的参数（vm及n）计算割刀进距H，并画出动刀片原始和走过两个行程后的位置。

3）以动刀片原始位置的刃部A点为基准，用作图法画出该点的轨迹线。

①以A点为始点，以曲柄r为半径作半圆，在圆弧上分成n等分：1，2，3，„„n，并作出标记。

②在动刀片的进距线上分成同等的n等分：1，2，„„n，并作出标记。

③在圆弧的各等分点，画纵向平行线；在进距线的等分点，画横向平行线。找出同样标记的纵、横线的交点并连成曲线。即为动刀片的轨迹线。

4）按A点的轨迹图型，在AB及CD两刃线的端点画出其轨迹线，即得动刀片刃部在两个行程中对地面的扫描图形——切割图。

由图8－36可见，在定刀片轨迹线内的作物被护刃器及定刀片推向两侧，在相邻两定刀片之间的面积为切割区。在切割区中有三种面积：

1）一次切割区（Ⅰ）：在此区内的作物被动刀片推至定刀片刃线上，并在定刀片支持下切割。其中大多数茎秆沿割刀运动方向倾斜，但倾斜量较小，割茬较低。

2）重切区（Ⅱ）：割刀的刃线在此区通过两次，有可能将割过的残茬重割一次。因而浪费功率。

3）空白区（Ⅲ）：割刀刃线没有在此区通过。该区的谷物被割刀推向前方的下一次的一次切割区内，在下一次切割中被切断。因而茎秆的纵向倾斜量较大，割茬较高，且由于切割较集中，切割阻力较大。如空白区太长，有的茎秆被推倒造成漏割。

由上述分析可知：空白区和重切区都对切割性能有不良的影响，因此，应力争减少该两区的面积。而空白区和重切区又与影响切割图图形的割刀进距有直接关系。当进距增大时，切割图图形变长，空白区增加，而重切区减少；反之，则相反。此外，动刀片的刃部高度h也影响到切割图的形状。H增大时，空白区减小，而重切区增加；反之，则相反。因此，正确选择割刀进距及进距与刀刃部高度之间的比例颇为重要。现有谷物收割机其H＝（1.2－2）h；谷物联合收获机，H＝（1.5－3）h；割草机H＝图8-36 普通Ⅱ型切割器的切割图 （1.1－1.5）h。

前已述及，割刀平均速度vp和割刀进距H都是确定割刀曲柄转速n的重要参数。因此在设计中，要兼顾两者要求确定曲柄转速。

在粗茎秆作物（甘蔗、玉米和高梁等）收割机上，刀片刃部高度还应满足割刀在一个行程中能割断全株茎秆的要求。

一般取h≥(1—2)d

式中 d——粗茎秆直径 （三）切割器功率计算

切割器功率，包括：切割功率Ng和空转功率Nh两部分。即

N＝Ng＋Nh

其图8-37 刀刃高度有粗茎杆直径的关系 vmBL0中

Ng75(PS) 式中 vm——机器前进速度，米／秒

B——机器割幅，米

LO——切割每平方米面积的茎秆所需功率，公斤²米／米，经测定：割小麦LO＝10－20；割牧草LO＝20－30

Nh大小与切割器的安装技术状态有关，一般每米割幅所需空转功率为0.8－1.5马力。 （四）割刀惯性力的平衡

往复式切割器的割刀有往复惯性力，特别对高速作业的机器（如割草机）由于曲柄转速高，惯性力颇大（每米割刀惯性力达60－80公斤）,使机器产生剧烈振动而影响零部件的使用寿命和工作质量。为此需对割刀的惯性力进行平衡。其平衡方法有部分平衡法及全平衡法两种。前者多用于一般割草机和小型谷物收割机，后者用于高速作业的割草机。

1）惯性力部分平衡法：如图8－38所示，在曲柄的对面增设配重，利用配重的离心惯性力来平衡割刀的一部分往复惯性力。该平衡的理论计算是一种近似计算法，其理论基础是假设连杆的1/3部分同曲柄销作圆周运动、2/3部分同割刀作往复运动。

在水平方向上惯性力平衡方程式为 Pd+Pqcosφ=Ppcosφ 图8-38 割刀部分平衡分析 式中 Pd——割刀与2/3连杆部分的

2

往复惯性力，Pd＝（Md+2/3Me）rωcosφ，Md为为割刀质量，Me为连杆质量，r为曲柄半径，ω为曲柄角速度，φ为曲柄转角

2

Pq——连杆1/3部分的离心惯性力，Pq＝1/3Merω

2

Pp——加配重后曲柄盘所产生的离心惯性力，PP＝MPrPω，MP为曲柄盘的质量， rP为曲柄圆盘重心的旋转半径

(Md21Me)r2cosMcr2cosMprp2cos332

代入上式得

这种方法只能进行往复惯性力的部分平衡，而不能进行全平衡。因为全平衡时，将导致离心惯性力在垂直方向的更大不平衡，从而使机器上、下振动，对工作更为不利。因此一般只要求往复惯性力的平衡程度λ＝0.25－0.50，故上式可写成

212(MM)rcosMer2cosMprp2cosde

33简化后得

(MdMe)rMerMPrp或

MPrP(Md1Mer32Me)r32313计算实例：

如马拉割草机，为标Ⅰ型切割器。其割刀重量为3.38公斤，割刀质量为Md＝0.344公22

斤²秒／米，连杆重3公斤，连杆质量Me＝0.306公斤²秒／米，曲柄盘总重为3.77公

2

斤，其质量MP＝0.385公斤²秒／米，曲柄盘重心的回转半径rP＝0.02米，曲柄半径r＝0.038米，曲柄转速n＝0转／分，角速度ω＝67 1／秒。

1MprpMcr0.3850.020.1020.03830.182(0.3440.204)0.038(MdMc)r3代入式得

即往复惯性力的平衡程度为0.18。

平衡后在垂直方向引起的最大平衡惯性力为PP

即

2

2

2

－Pq，

Pp-Pq=Mprpω-1/3×Merω=0.385×0.02×67－

2

0.102×0.038×67=17 公斤

2）惯性力全平衡法：为了适应高速作业的要求，有的割草机采用了往复惯性力全平衡机构。现介绍两种典型的结构。

①曲柄连杆摆锤机构：在相差180°的曲轴颈上，通过两个连杆带动处于不同平面上的两个摆杆（图8－39a），从而使割刀和平衡锤W按相反方向运动，使摆锤和割刀的惯性力相互平衡。

②摆环摆锤机构：在立轴式摆环机构的摆杆对面增

图8-39 全平衡机构 设摆锤W（图8－39b），从而使摆锤和割刀的惯性力互相

平衡，但惯性力矩增加了一倍。

上述全平衡式机构只适于在割幅不大的牧草收割机上采用，否则由于重锤过大，将使机器结构庞大，重量增加。