手扶牧草收割机往复式切割器主要参数试验分析

王振强，赵春花，刘 伟

（甘肃农业大学工学院，甘肃兰州730070）

我国拥有草地资源4.14×108hm2，占国土面积的42.12%，远多于林地和耕地的总和，居世界第二，主要包括北方草原、农区天然草地和南方草山草坡。自西部大开发以来，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。提高牧草收获机械的生产率，及时足额收获牧草，是牧草丰产丰收的重要保证。提高收割机的生产率，关键是要提高收割机单位割幅的生产率。单位割幅的生产率取决于收割机的作业速度，而作业速度又取决于切割速度，只有当切割速度高时，作业速度才可高，否则，将漏割。由此可见，要提高收割机的生产率，首先需要有一种能够高速切割的切割器。

切割器是各种收割机和割草机上最主要的工作部件，其工作效率和作业质量直接影响整机性能，本研究的目的在于研制一种能适用于山地牧草收获、高速高效、适应性广、收割稠密多汁、匍匐缠结牧草的切割器。该切割器，传动要简单，工作平稳，既可宽幅收获，又可高速作业。经过实地试验认为，选用改进的往复式切割器较好。

1 手扶牧草收割机往复式切割器的结构和工作原理

往复式割草机具有悠久的历史。它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、便于调整使用等优点。往复式切割器由往复运动的割刀和固定不动的支撑部分组成（图1）。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。工作时割刀往复运动，其护刃器前尖将牧草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2），两侧为刀刃。刀刃形状有光刃和齿纹刃2种[1]。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。在谷物收割机和联合收获机上多采用齿纹刃。而牧草收割机由于牧草密、湿，切割阻力较大，多采用光刃刀片。刀刃的刃角对切割阻力和使用寿命影响较大，当刃角由15°增至21°时，切割阻力增加16%。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18°。齿纹刃刀片的刃角为22～25°。光刃刀片为使其磨刀后刃部高度不变，刀片前端的顶宽（b）一般为13～16mm，齿纹刃刀片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11～16mm，淬火带硬度为HRC 50～60，非淬火区不得超过HRC 35。刀片厚度为2～3mm。每厘米刀刃长度上有6～7个齿，刀刃厚度不超过0.16mm[2]。（2）定刀片。定刀片为支撑件，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。国外部分机器护刃器上没有定刀片，由锻钢护刃器支持面起支撑切割的作用。（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撑的切割条件等。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。（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0～0.6mm，后端不大于1.0～1.6mm），在护刃器梁上每隔30～50 cm装有压刃器（在割草机上每间隔为20～30 cm）。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。部分切割器在压刃器下方装有摩擦片，用以支撑割刀后部使之具有垂直和水平方向的2个支撑面，以代替护刃器导槽对刀杆的支撑作用[3]。

往复式切割器割刀往复运动，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。往复式切割器按结构尺寸与行程关系可分为3种：普通Ⅰ型、普通Ⅱ型、低割型（图3）。

切割器是各种收割机最主要的部件，其工作效率和作业质量直接影响整机性能。目前割草机上普遍采用往复式和回转式切割器。因为回转式切割器切割功率消耗大，对地面平坦程度要求高，不适应于山地、丘陵、梯田等地段工作[4]。因此，手扶收割机切割器采用GB1209—86Ⅰ型往复式切割器，普通Ⅰ型切割器割刀速度利用较好，切割性能较强，对粗、细茎秆适应性较好（图4）。动刀片上部为齿刃切割段，呈梯形，根部铆在刀杆上，刀杆滑动于压刃器和割台之间。在工作时，柴油机输出回转动力，经过输入主轴，经曲柄滑块（轴承）、滑槽等变为往复式运动[5]。通过刀杆往复运动带动动刀片，作物茎秆夹持在动刀片和定刀片之间进行剪切。动刀片的几何形状，对切割器的工作可靠性和功率消耗有较大影响。

2 往复式切割器影响切割质量的因素分析

切割速度（Vp）与前进速度（Vm）之间的关系，用切割速度比来描述，切割器的工作过程如图5所示。

通过切割速度比可定性分析往复切割器影响切割性能的主要因素。由图5分析得出，空白区（3）和重切区（2）都对切割性能不利，如空白区太长有的茎秆被推倒而造成漏割；重切区太多，割刀的刃线在此区通过2次，有可能会将割过的残茬重割一次，浪费功率[6]。在动刀片高度（h）一定时，重割区和空白区的大小与机器前进速度（Vm）和曲柄转速有密切关系，其关系用切割进程（H）表示（割刀运动一个行程时间内机器前进的距离），进程增大，切割图形变长，空白区增强，重切区减小；反之亦然。其数学式为：

式中，Vm为机器前进速度（m/s），t为割刀运动1个行程的时间。因为往复切割器割刀运动1个行程，曲柄转动180°，其时间为t。

将公式（2）代入公式（1）得H＝30Vm/n

式中，n为曲柄转速（r/min）。

因牧草稠密多汁，切割阻力大，往复式割草机切割速度应大于2.15m/s。但切割速度太大，惯性力增加，引起机器振动，因此，选择适宜的切割速度是关键，曲柄主轴转速738 r/min。曲柄旋转1周，割刀完成2个行程，则割刀的平均速度（Vp）为：

式中，r为曲柄半径（m）。

其中，h为动刀刃高度（mm），标准Ⅰ型切割器动刃高度h为54mm，代入公式（5）得：

λ＝2×38/（（1.1～1.5）×54）＝0.94～1.28

为保证切割质量，实际切割速比应大于理论切割速比，理论前进速度（Vm）取机器稳定行驶所允许的最高速度[7]。

3 技术参数的分析和评价

4 手扶牧草收割机惯性力平衡

往复式切割器的割刀有往复惯性力，切割速度越高惯性力越小。但速度太高，惯性力将加剧，影响整机寿命和工作质量，则必须设法对往复惯性力予以平衡。为防止平衡重产生的离心惯性力在收割机前进方向过大，对工作造成不利影响，故采用部分平衡法[8]（图6）。

根据部分平衡法公式：

一般只要求往复惯性力平衡λ＝0.25～0.5，求λ的公式为：

本研究为改进后的标准Ⅰ型切割器，割刀质量 Md＝0.6 kg，曲柄连杆质量 Me＝0.3 kg，曲柄盘质量Mp＝0.8 kg，曲柄盘重心的回转半径rp＝0.02 m，曲柄半径 r＝0.038 m，曲柄转速 n＝738 r/min，代入公式（7），得 λ＝0.4。

即往复式切割器的往复惯性力平衡程度为0.4。平衡后在收割机前进方向引起最大不平衡惯性力为 Pp－Pq。

5 田间试验

5.1 试验目的、方案及材料

试验目的主要是研究往复式切割器的工作性能，即考查其切割速度（V）、机器作业速度（U）、刀齿高度（h）、刀齿间距（t）、刀齿切割角（α）对牧草切割效果、堵刀、振动及切割阻力各项指标的影响程度。试验采用正交设计，为了减少试验次数，选取L18（2×37）正交表安排试验。其因素水平如表1所示[9]。

表1 因素水平

试验在标准牧草试验田进行。切割对象为甘农三号紫花苜蓿，其茎秆基部平均粗度3mm，平均株高85 cm，平均株数840株/m2，微倒伏，初花期茎秆含水率79.22%。经多次试验[10]，选用标准Ⅱ型齿刃割刀，刀体宽b＝76 mm、高（含刀齿）50 mm，刀体间距76.2mm，刀齿参数经反复试验后选取了3种（表1中C，D，E的3个水平）。

5.2 试验结果分析

经综合加权评分可知，组合A3B2C3D2E2的切割性能最好，即 A3（切割速度 3m/s)、B2（机器作业速度 1.1m/s）、C3（刀齿高度 50mm）、D2（刀齿间距 76mm）、E2（刀齿切割角-28°）[11]，其为较优组合。根据以上分析，选A3B2C3D2E2组合进行了3次重复试验，其收获质量比较满意，达到了性能试验之目的，但该机在兰州畜牧兽药研究所大洼山上试验田进行大面积可靠性试验中，连续作业5 h收割紫花苜蓿时，出现刀杆和滑块连接处断裂现象[12]。

6 结论

试验研究表明，往复式切割器可实现宽幅作业；割茬整齐，无撕裂、漏割、重割和堵刀现象；适于收割牧草、小麦等细茎秆作物。往复式切割器工作平稳，割台振动小，可靠性高，设计简单，结构紧凑，切割效率高，操纵性强，实现了切割器曲柄主轴与输送主轴有机结合，切割动力从中间传递减轻了往复切割器的惯性力，工作可靠性高。切割系统全部采用机械传动，各主要零件加工精度要求较低，且质量符合国家标准，机具成本低、经济实用、推广前景广阔。

［1］赵春花，汪玺.手扶式山地牧草收割机传动系统的试验研究[J].甘肃农业大学学报，2004（3）：348-351.

［2］Gao Xiao-yang.The study and development of a reaperatttachable to smallwalking tractor[J].农业工程学报，1994（10）：55-57.

［3］赵春花.手扶式山地牧草收割机研制[D].兰州：甘肃农业大学，2004.

［4］杨树川.标准往复式切割器的工作性能研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2005.

［5］赵春花，曹致中.手扶牧草收割机输送系统的试验研究[J].草原与草坪，2007（4）：80-82.

［6］殷晓飞.往复式切割器切割图的计算机辅助分析[J].机械研究与应用，2011（1）：92-93.

［7］杨树川，何东健，杨术明.往复式切割器割刀磨损对切割图中区域面积的影响[J].农机化研究，2006（1）：107-108.

［8］张晓辉，李其才，李法德，等.往复式切割器割刀惯性力平衡实用计算公式[J].农机化研究，1997（2）：30-31.

［9］史宗雄.风信子不同品种生育期对比试验 [J].山西农业科学，2010，38（11）：32-34.

［10］王收良，王效瑜，呼芸芸，等.宁夏南部山区苦荞引种比较试验[J].内蒙古农业科技，2010（3）：35-36.

［11］亢青选，王解丑，孟晓民，等.高麦茬覆盖复播效应及技术研究[J].华北农学报，1999，14（2）：1-5.

［12］周广录，张学艳，田春雨，等.大蒜应用免深耕土壤调理剂试验初报[J].天津农业科学，2010，16（4）：109-110.