旋耕机及其理论计算

第 二 节 旋 耕 机 及 其 理 论 计 算一 . 旋 耕 机 的 基 本 构 成 二 . 旋 耕 机 的 工 作 原 理三 . 旋 耕 机 的 作 业 特 点 四 . 旋 耕 机 的 主 要 类 型五 . 旋 耕 机 刀 片 的 运 动 分 析 六 . 旋 耕 机 作 业 质 量 控 制七 . 旋 耕 机 的 刀 片 形 状八 . 旋 耕 机 的 功 率 消 耗 旋 耕 机 应 用 的 历 史 较 短 ， 用 途 不 一 ， 有 些 国 家 和 地 区 作 为 耕 地 机械 使 用 ， 有 的 用 作 整 地 机 械 ， 山 东 省 及 周 边 地 区 大 多 用 于 耕 后 松 碎 土壤 和 整 平 地 表 。 在 我 国 应 用 量 逐 年 增 加 ， 尤 其 是 北 方 干 旱 地 区 。 旋 耕 机 他 是 一 种 工 作 部 件 主 动 旋 转 ， 以铣 切 原 理 加 工 土 壤 的 耕 耘 机 械 。 一 . 旋 耕 机 的 基 本 构 成组 成 ： 机 架 、 传 动 装 置 、 刀 辊 、 挡 土 罩 、 平 地 拖 板 等 。 1.主 梁 2.悬 挂 架 3.齿 轮 箱 4.侧 边 传 动 箱 5.平 土 拖 板 6.挡 土 罩 7.支 撑 杆 8.刀 轴 9.旋 耕 刀 二 . 旋 耕 机 的 工 作 原 理 旋 耕 机 刀 片 在 动 力 的 驱 动 下 一 边 旋 转 ， 一 边 随 机 组 直 线 前 进 ， 在 旋 转 中 切 入 土 壤 ， 并 将 切 下 的 土 块 向 后 抛 掷 ， 与 挡 土 板撞 击 后 进 一 步 破 碎 并 落 向 地 表 ， 然 后 被 拖 板 拖 平 。 三 . 旋 耕 机 的 作 业 特 点 旋 耕 机 的 作 业 特 点 具 有 碎 土 能 力 强 、 平 整度 高 、 对 土 壤 的 适 应 性 好 、 纵 向 尺 寸 短 、 耕 深小 、 功 耗 大 、 幅 宽 小 、 效 率 低 。 四 . 旋 耕 机 的 主 要 类 型1.按 与 动 力 连 接 方 式 分 ： 牵 引 式 、 悬 挂 式 、 直 连 式 。 2、 按 刀 轴 安 置 方 向 分 ： 横 轴 式 、 立 轴 式 、 斜 轴 式 。1.主 梁 2.悬 挂 架 3.齿 轮 箱 4.侧 边 传 动 箱 5.平 土 拖 板 6.挡 土罩 7.支 撑 杆 8.刀 轴 9.旋 耕 刀 3.按 动 力 传 递 路 线 分 ： 侧 边 传 动 、 中 间 传 动 。侧 边 传 动 中 间 传 动 五 . 旋 耕 机 刀 片 的 运 动 分 析 旋 耕 机 工 作 时 ， 刀 片 一 边 绕 轴 正 向 旋 转 ， 一 边 随 机 组 作 直 线运 动 ， 因 此 ， 刀 片 的 绝 对 运 动 轨 迹 是 一 条 由 旋 转 运 动 与 直 线 运 动合 成 的 数 学 摆 线 ， 但 是 ， 由 于 二 者 之 间 的 数 值 组 合 不 同 ， 其 合 成后 的 摆 线 形 状 存 在 较 大 的 差 异 ， 并 且 对 旋 耕 机 最 终 的 工 作 结 果 产生 不 同 的 影 响 ， 我 们 研 究 并 分 析 旋 耕 机 刀 片 的 运 动 轨 迹 的 目 的 就 在 于 确 定 适 用 于 旋 耕 机 正 常 工 作 的 条 件 及 其 量 化 指 标 。 1、 刀 片 的 绝 对 运 动 轨 迹 （ 定 性 分 析 ）设 ： R旋 耕 机 刀 片 端 点 的 最 大 回 转 半 径 Vm机 组 前 进 速 度 刀 片 回 转 角 速 度 t 时 间 函 数令 ： Vd刀 片 端 点 的 切 向 速 度 ； V d=R ， 令 速 比 为 ： = Vd / Vm 。 根 据 已 知 条 件 作 图 的 方 式 确 定 刀 片 的 绝 对 运 动 轨 迹 xy2R Vmt t Vmo mo/ hM xy2R Vmt t Vmo mo/ hMM点 的 运 动 方 程 ： cos mx R t V t siny R t 不 同 速 比 对 旋 耕 机 工 作 质 量 的 影 响dmVV 由 于 速 比 的 不 同 ， 其 运 动 轨 迹 形 状 也 不同 ， 有 三 种 情 况 ： 我 们 考 察 一 下 这 3种 情 况 分 别 对 旋 耕 机 正常 工 作 有 那 些 影 响 ， 从 而 定 性 地 决 定 旋 耕 机 正常 工 作 的 基 本 条 件 。 1 1 1 根 据 旋 耕 机 工 作 的 特 点 我 们 了 解 到 ， 旋 耕 机 刀 片 先 是 切 土 ，然 后 向 后 抛 土 ， 这 一 基 本 动 作 就 需 要 旋 耕 机 刀 片 从 入 土 开 始 到 抛土 结 束 并 抬 离 地 面 ， 其 绝 对 运 动 轨 迹 上 的 任 意 一 点 的 绝 对 速 度 的水 平 分 速 Vx指 向 后 方 ， 既 Vx 0。 三 种 速 比 下 的 刀 片 绝 对 运 动 轨迹 是 否 都 能 满 足 上 述 要 求 呢 ？ 我 们 做 一 下 对 比 分 析 ： 1.平 土 拖 板 2.拉 链 3.挡 土 罩 4.传 动 箱 5.齿 轮 箱 6.悬 挂 架 7.上 拉 杆 8.万 向 节 9.下 拉 杆 10.旋 耕 刀 通 过 做 图 分 析 发 现 ， 只 有 1余 摆 线 时 刀 片 才 能 满足 向 后 抛 土 的 条 件 ， 并 且 只 是 轨 迹 最 大 玄 长 以 下 部 分 才能 满 足 ， 设 计 和 应 用 时 要 特 别 注 意 ， 刀 片 的 工 作 深 度 不能 超 过 这 个 范 围 。 影 响 最 大 玄 长 高 度 的 因 素 主 要 是 刀 片的 尺 寸 、 机 组 的 前 进 速 度 和 刀 片 的 回 转 速 度 ， 既 值 。 1， 短 摆 线 1， 滚 摆 线 1， 余 摆 线前 进 方 向 在 结 构 参 数 不 变 的 情 况 下 ， 值 越 大 ， 轨 迹 最 大 玄 长的 值 越 大 ， 其 位 置 就 越 靠 上 ， 当 =时 ， 刀 片 端 点 的 绝 对运 动 轨 迹 为 一 数 学 圆 ， 最 大 玄 长 在 横 轴 处 ， 耕 深 可 达 最 大值 ， 但 这 是 不 可 能 的 ， 因 为 此 时 机 组 不 能 前 进 ， 而 是 原 地扒 窝 。 因 此 ， 1是 旋 耕 机 正 常 工 作 的 定 性 条 件 。 在 余 摆 线 条 件 下 ， 速 比 不 同 其 刀 片 运 动 轨 迹 形 状 也 不 同 2.机 组 速 度 Vm与 刀 片 旋 转 速 度 的 配 合（ 定 量 分 析 ） 上 述 分 析 只 是 定 性 的 确 定 了 刀 片 满 足 旋耕 机 正 常 工 作 的 基 本 条 件 1。 实 际 上 ， 的 数 值 不 同 其 形 状 差 别 很 大 ， 对 工 作 质 量 和工 作 性 能 也 有 较 大 的 影 响 ， 主 要 影 响 因 素 是机 组 速 度 Vm与 刀 片 旋 转 速 度 的 大 小 和 配 合 程度 ， 必 须 找 出 他 们 之 间 的 函 数 关 系 ， 然 后 加以 量 化 处 理 。 Vmt xy2R t Vmo mo/ hM设 ： M点 为 刀 片 入 土 点 ， 从 开 始 入 土 到 抛 土 结 束 并 抬 离地 面 均 满 足 旋 耕 机 正 常 工 作 的 条 件 ， 则 有 ：cos mx R t V t siny R t R h 要 满 足 向 后 抛 土 的 条 件 ， 刀 片 绝 对 运 动 轨迹 上 任 意 一 点 的 绝 对 速 度 的 水 平 分 速 Vx 0，根 据 上 述 方 程 ， 令 ：cos mx R t V t siny R t R h sin 0 x mdxV V R tdt sin Rt R h 代 入 上 式 ， 得 ： mV R h （ 定 量 ） 结 论 ： 旋 耕 机 正 常 工 作 必 须 同 时 满 足定 性 和 定 量 二 个 条 件 ， 既 ： 定 性 条 件 ： 1 （ 余 摆 线 ） mV R h 定 量 条 件 ： 11h R 或 ： 上 述 公 式 主 要 反 映 了 结 构 参 数 与 运 动 参 数 对 耕 深 的 影 响 。 如 ：R的 变 化 对 耕 深 的 影 响 ， 我 们 很 容 易 理 解 ， 但 、 V m对 h的 影 响 就 有些 抽 象 了 。 实 际 上 ， 前 面 我 们 已 经 做 过 解 释 ： 和 Vm决 定 了 值 的 大小 ， 决 定 了 刀 片 运 动 轨 迹 的 形 状 。 问 题 ： 速 比 值 为 什 么 对 耕 深 产 生 影 响 ？ 因 为 越 大 ， 其 形 状 的 最 大 玄 长 值 也 就 越大 ， 位 置 也 越 靠 上 ， 能 满 足 耕 深 的 轨 迹 高 度 越大 。 当 时 ， Vm0， （ =R / Vm） ， 能 满足 向 后 抛 土 的 轨 迹 高 度 为 半 径 R。 既 h = R， 反之 ， 耕 深 就 小 ， 当 0时 ， Vm， =0， 绝对 运 动 轨 迹 为 一 条 直 线 ， 没 有 环 扣 ， 也 就 无 法向 后 抛 土 。 旋 耕 机 运 动 参 数 的 一 般 取 值 范 围Vm = 0.51.5 m/sn = 190280 r/minh=816 cm 由 于 国 外 多 采 用 大 功 率 拖 拉 机 ， 刀 片 材 料好 ， 旋 耕 机 的 工 作 深 度 可 达 2025cm， 完 全 可以 取 代 犁 耙 作 业 ， 减 少 拖 拉 机 的 进 地 次 数 ， 保护 土 壤 不 受 更 大 的 破 坏 。 六 . 旋 耕 机 作 业 质 量 控 制 由 于 旋 耕 机 工 作 时 是 以 铣 切 原 理 加 工 土 壤 的 ，这 就 使 得 刀 轴 上 同 一 个 回 转 平 面 内 的 刀 片 在 相 继入 土 和 切 削 土 壤 的 过 程 是 间 歇 的 。 设 ： 安 装 在 刀轴 上 的 同 一 个 回 转 平 面 内 的 刀 片 数 量 为 Z。回 转 平 面 hS xA BVm 随 着 第 一 把 刀 在 A点 入 土 ， 刀 片 一 面 旋 转 ， 一面 随 机 组 直 线 前 进 ， t时 刻 后 ， 安 装 在 同 一 个 回 转 平面 内 的 第 二 把 刀 开 始 在 B点 入 土 ， 那 么 ， AB=S， 定义 为 旋 耕 机 刀 片 的 切 土 节 距 。 x一 把 刀 在 纵 垂 面内 所 能 切 土 的 厚 度 。 A BSS = Vmt 旋 耕 机 切 土 节 距 安 装 在 同 一 回转 平 面 内 的 刀 片 在 转 过 相 应 安 装 角 时 间内 机 组 所 前 进 的 距 离 。设 ： 同 一 安 装 平 面 内 相 邻 刀 片 的 安 装 角 ； Z同 一 安 装 平 面 内 均 匀 安 装 的 刀 片 数 ； Vm机 组 前 进 速 度 ， m/s ； 刀 片 回 转 角 速 度 ， r/s； 2 , = tZ 同 一 安 装 平 面 内 相 邻 二 刀 片 相 继 入 土 的 时间 间 隔 为 ： 2t z 602 , mmm m VS V t V Z Zn 由 上 式 可 以 看 出 ， 改 变 Z、 、 V m 均 可 使 S发 生 变 化 。 一 般来 说 ， S越 小 越 好 ， 若 使 S小 ， 可 通 过 增 加 Z、 n或 减 少 Vm的 方 法获 得 ， 但 是 ， Z的 过 分 增 加 易 造 成 土 壤 杂 草 的 堵 塞 ， n的 增 加 也将 造 成 功 率 的 消 耗 ， Vm的 减 少 使 生 产 效 率 下 降 ， 所 以 ， 在 确 定各 个 参 数 时 要 通 盘 考 虑 ， 一 般 情 况 下 ， 通 过 适 当 的 改 变 n和 Vm来达 到 不 同 整 地 要 求 的 作 业 。 目 前 ， 国 产 旋 耕 机 的 结 构 参 数 和 运 动 参 数均 有 一 定 的 确 定 范 围 ， 以 免 在 使 用 过 程 中 出 现不 必 要 的 失 误 。 具 体 如 下 ： Z=24 S=1012 cm 旱 地 作 业 S=46 cm 粘 重 土 壤 和 杂 草 地 S=89 cm 水 田 地 七 .旋 耕 机 的 刀 片 形 状 旋 耕 刀 是 旋 耕 机 的 主 要 工 作 部 件 ， 刀 片 的 形状 和 参 数 对 旋 耕 机 的 工 作 质 量 、 功 率 消 耗 影 响 很大 。 为 适 应 不 同 土 壤 旋 耕 作 业 的 需 要 ， 人 们 对 旋耕 刀 的 形 状 和 结 构 进 行 了 大 量 的 研 究 。 目 前 ， 卧式 旋 耕 机 上 使 用 的 旋 耕 刀 主 要 有 三 大 类 ：凿 形 刀 、 直 角 刀 、 弯 形 刀 凿 形 刀 ： 只 有 正 面 刃 口 ， 工 作 时 凿 尖 首 先 从 外部 刺 入 土 让 壤 ， 然 后 在 刀 身 的 作 用 下 使 土 壤 破碎 。 入 土 能 力 强 ， 松 碎 效 果 好 ， 但 容 易 缠 草 。S 直 角 刀 ： 直 角 刀 刀 刃 口 由 正 切 刃 和 侧 切 刃 组 成 ， 两刃 口 相 交 成 90o 左 右 ， 工 作 时 先 由 正 切 刃 从 横 向 切 开 土壤 ， 再 由 侧 切 刃 由 外 向 里 逐 渐 切 出 土 垡 的 侧 面 。 刀 身 宽 ，刚 性 好 ， 有 一 定 的 工 作 宽 度 ， 容 易 加 工 制 造 ， 但 易 缠 草 。侧 切 刃 正 切 刃 S 弯 形 刀 ： 弯 形 刀 刃 口 由 正 切 刃 和 侧 切 刃 组 成 ， 但刃 口 不 是 直 线 而 是 曲 线 ， 其 中 ， 侧 切 刃 口 曲 线 为 阿 基米 德 螺 线 。 工 作 时 先 由 侧 切 刃 沿 纵 向 切 开 土 壤 ， 并 先由 刀 片 根 部 向 外 滑 切 ， 然 后 再 由 正 切 刃 从 横 向 切 开 土垡 。 切 削 阻 力 小 ， 不 易 缠 草 ， 生 产 成 本 高 。 S侧 切 忍 正 切 刃刀 片 在 刀 轴 上 的 安 装 ： 螺 旋 线 排 列 八 . 旋 耕 机 的 功 率 消 耗 nftpq NNNNNN 式 中 ： Nq切 土 功 耗 Np抛 土 功 耗 Nt旋 耕 机 前 进 功 耗 Nf传 动 及 摩 擦 功 耗 Nn克 服 土 壤 水 平 反 力 功 耗说 明 ： 旋 耕 机 刀 片 正 转 时 有 推 进 机 组 前 进 的 作用 ， N n为 负 值 ； 反 之 取 正 值 。 旋 耕 机 的 功 率 消 耗 主 要 包 括 刀 片 的 土 壤 切削 、 土 块 抛 掷 、 传 动 等 ， 其 中 ， 切 土 和 抛 土 所消 耗 的 功 率 占 总 功 率 消 耗 的 80%以 上 ， ， 其 它 可忽 略 不 计 。 功 率 消 耗 表 达 式 如 下 ： 设 ： kr旋 耕 土 壤 比 阻 （ kg/cm2） ， 1.21.6，与 耕 深 有 关 ， 耕 深 大 选 大 值 ； B工 作 幅 宽 ， m ；h工 作 深 度 ， cm； V m机 组 速 度 ， m/s 。 m r mN FV k BhV 100 kgm/sr mN k BhV 100 75r mk BhVN 马 力 100 kW102 r mk BhVN kWr mN k BhV 思 考 题1.何 谓 旋 耕 机 ？ 工 作 原 理 ？ 作 业 特 点 ？2.旋 耕 机 的 主 要 组 成 ？3.旋 耕 机 正 常 工 作 的 二 个 条 件 ？4.为 什 么 旋 耕 机 刀 片 的 运 动 参 数 能 影 响 耕 深 的 大 小 ？5.旋 耕 机 切 土 节 距 的 定 义 ？6.已 知 一 旋 耕 机 欲 对 某 田 块 进 行 整 地 作 业 ， 旋 耕 机 刀 辊 的 转 速为 250r/min， 同 一 回 转 平 面 内 安 装 2把 刀 ， 农 艺 要 求 的 切 土 厚 度不 得 大 于 10cm， 试 确 定 机 组 的 前 进 速 度 ？ （ km/h）