旋耕機及其理論計算

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1、第 二 節(jié) 旋 耕 機 及 其 理 論 計 算一 . 旋 耕 機 的 基 本 構 成 二 . 旋 耕 機 的 工 作 原 理三 . 旋 耕 機 的 作 業(yè) 特 點 四 . 旋 耕 機 的 主 要 類 型五 . 旋 耕 機 刀 片 的 運 動 分 析 六 . 旋 耕 機 作 業(yè) 質(zhì) 量 控 制七 . 旋 耕 機 的 刀 片 形 狀八 . 旋 耕 機 的 功 率 消 耗 旋 耕 機 應 用 的 歷 史 較 短 ， 用 途 不 一 ， 有 些 國 家 和 地 區(qū) 作 為 耕 地 機械 使 用 ， 有 的 用 作 整 地 機 械 ， 山 東 省 及 周 邊 地 區(qū) 大 多 用 于 耕 后 松 碎 土壤

2、 和 整 平 地 表 。 在 我 國 應 用 量 逐 年 增 加 ， 尤 其 是 北 方 干 旱 地 區(qū) 。 旋 耕 機 他 是 一 種 工 作 部 件 主 動 旋 轉(zhuǎn) ， 以銑 切 原 理 加 工 土 壤 的 耕 耘 機 械 。 一 . 旋 耕 機 的 基 本 構 成組 成 ： 機 架 、 傳 動 裝 置 、 刀 輥 、 擋 土 罩 、 平 地 拖 板 等 。 1.主 梁 2.懸 掛 架 3.齒 輪 箱 4.側(cè) 邊 傳 動 箱 5.平 土 拖 板 6.擋 土 罩 7.支 撐 桿 8.刀 軸 9.旋 耕 刀 二 . 旋 耕 機 的 工 作 原 理 旋 耕 機 刀 片 在 動 力 的 驅(qū) 動 下

3、 一 邊 旋 轉(zhuǎn) ， 一 邊 隨 機 組 直 線 前 進 ， 在 旋 轉(zhuǎn) 中 切 入 土 壤 ， 并 將 切 下 的 土 塊 向 后 拋 擲 ， 與 擋 土 板撞 擊 后 進 一 步 破 碎 并 落 向 地 表 ， 然 后 被 拖 板 拖 平 。 三 . 旋 耕 機 的 作 業(yè) 特 點 旋 耕 機 的 作 業(yè) 特 點 具 有 碎 土 能 力 強 、 平 整度 高 、 對 土 壤 的 適 應 性 好 、 縱 向 尺 寸 短 、 耕 深小 、 功 耗 大 、 幅 寬 小 、 效 率 低 。 四 . 旋 耕 機 的 主 要 類 型1.按 與 動 力 連 接 方 式 分 ： 牽 引 式 、 懸 掛 式

4、 、 直 連 式 。 2、 按 刀 軸 安 置 方 向 分 ： 橫 軸 式 、 立 軸 式 、 斜 軸 式 。1.主 梁 2.懸 掛 架 3.齒 輪 箱 4.側(cè) 邊 傳 動 箱 5.平 土 拖 板 6.擋 土罩 7.支 撐 桿 8.刀 軸 9.旋 耕 刀 3.按 動 力 傳 遞 路 線 分 ： 側(cè) 邊 傳 動 、 中 間 傳 動 。側(cè) 邊 傳 動 中 間 傳 動 五 . 旋 耕 機 刀 片 的 運 動 分 析 旋 耕 機 工 作 時 ， 刀 片 一 邊 繞 軸 正 向 旋 轉(zhuǎn) ， 一 邊 隨 機 組 作 直 線運 動 ， 因 此 ， 刀 片 的 絕 對 運 動 軌 跡 是 一 條 由 旋 轉(zhuǎn)

5、運 動 與 直 線 運 動合 成 的 數(shù) 學 擺 線 ， 但 是 ， 由 于 二 者 之 間 的 數(shù) 值 組 合 不 同 ， 其 合 成后 的 擺 線 形 狀 存 在 較 大 的 差 異 ， 并 且 對 旋 耕 機 最 終 的 工 作 結 果 產(chǎn)生 不 同 的 影 響 ， 我 們 研 究 并 分 析 旋 耕 機 刀 片 的 運 動 軌 跡 的 目 的 就 在 于 確 定 適 用 于 旋 耕 機 正 常 工 作 的 條 件 及 其 量 化 指 標 。 1、 刀 片 的 絕 對 運 動 軌 跡 （ 定 性 分 析 ）設 ： R旋 耕 機 刀 片 端 點 的 最 大 回 轉(zhuǎn) 半 徑 Vm機 組 前

6、進 速 度 刀 片 回 轉(zhuǎn) 角 速 度 t 時 間 函 數(shù)令 ： Vd刀 片 端 點 的 切 向 速 度 ； V d=R ， 令 速 比 為 ： = Vd / Vm 。 根 據(jù) 已 知 條 件 作 圖 的 方 式 確 定 刀 片 的 絕 對 運 動 軌 跡 xy2R Vmt t Vmo mo/ hM xy2R Vmt t Vmo mo/ hMM點 的 運 動 方 程 ： cos mx R t V t siny R t 不 同 速 比 對 旋 耕 機 工 作 質(zhì) 量 的 影 響dmVV 由 于 速 比 的 不 同 ， 其 運 動 軌 跡 形 狀 也 不同 ， 有 三 種 情 況 ： 我 們 考

7、察 一 下 這 3種 情 況 分 別 對 旋 耕 機 正常 工 作 有 那 些 影 響 ， 從 而 定 性 地 決 定 旋 耕 機 正常 工 作 的 基 本 條 件 。 1 1 1 根 據(jù) 旋 耕 機 工 作 的 特 點 我 們 了 解 到 ， 旋 耕 機 刀 片 先 是 切 土 ，然 后 向 后 拋 土 ， 這 一 基 本 動 作 就 需 要 旋 耕 機 刀 片 從 入 土 開 始 到 拋土 結 束 并 抬 離 地 面 ， 其 絕 對 運 動 軌 跡 上 的 任 意 一 點 的 絕 對 速 度 的水 平 分 速 Vx指 向 后 方 ， 既 Vx 0。 三 種 速 比 下 的 刀 片 絕 對

8、運 動 軌跡 是 否 都 能 滿 足 上 述 要 求 呢 ？ 我 們 做 一 下 對 比 分 析 ： 1.平 土 拖 板 2.拉 鏈 3.擋 土 罩 4.傳 動 箱 5.齒 輪 箱 6.懸 掛 架 7.上 拉 桿 8.萬 向 節(jié) 9.下 拉 桿 10.旋 耕 刀 通 過 做 圖 分 析 發(fā) 現(xiàn) ， 只 有 1余 擺 線 時 刀 片 才 能 滿足 向 后 拋 土 的 條 件 ， 并 且 只 是 軌 跡 最 大 玄 長 以 下 部 分 才能 滿 足 ， 設 計 和 應 用 時 要 特 別 注 意 ， 刀 片 的 工 作 深 度 不能 超 過 這 個 范 圍 。 影 響 最 大 玄 長 高 度 的

9、因 素 主 要 是 刀 片的 尺 寸 、 機 組 的 前 進 速 度 和 刀 片 的 回 轉(zhuǎn) 速 度 ， 既 值 。 1， 短 擺 線 1， 滾 擺 線 1， 余 擺 線前 進 方 向 在 結 構 參 數(shù) 不 變 的 情 況 下 ， 值 越 大 ， 軌 跡 最 大 玄 長的 值 越 大 ， 其 位 置 就 越 靠 上 ， 當 =時 ， 刀 片 端 點 的 絕 對運 動 軌 跡 為 一 數(shù) 學 圓 ， 最 大 玄 長 在 橫 軸 處 ， 耕 深 可 達 最 大值 ， 但 這 是 不 可 能 的 ， 因 為 此 時 機 組 不 能 前 進 ， 而 是 原 地扒 窩 。 因 此 ， 1是 旋 耕 機

10、 正 常 工 作 的 定 性 條 件 。 在 余 擺 線 條 件 下 ， 速 比 不 同 其 刀 片 運 動 軌 跡 形 狀 也 不 同 2.機 組 速 度 Vm與 刀 片 旋 轉(zhuǎn) 速 度 的 配 合（ 定 量 分 析 ） 上 述 分 析 只 是 定 性 的 確 定 了 刀 片 滿 足 旋耕 機 正 常 工 作 的 基 本 條 件 1。 實 際 上 ， 的 數(shù) 值 不 同 其 形 狀 差 別 很 大 ， 對 工 作 質(zhì) 量 和工 作 性 能 也 有 較 大 的 影 響 ， 主 要 影 響 因 素 是機 組 速 度 Vm與 刀 片 旋 轉(zhuǎn) 速 度 的 大 小 和 配 合 程度 ， 必 須 找 出

11、 他 們 之 間 的 函 數(shù) 關 系 ， 然 后 加以 量 化 處 理 。 Vmt xy2R t Vmo mo/ hM設 ： M點 為 刀 片 入 土 點 ， 從 開 始 入 土 到 拋 土 結 束 并 抬 離地 面 均 滿 足 旋 耕 機 正 常 工 作 的 條 件 ， 則 有 ：cos mx R t V t siny R t R h 要 滿 足 向 后 拋 土 的 條 件 ， 刀 片 絕 對 運 動 軌跡 上 任 意 一 點 的 絕 對 速 度 的 水 平 分 速 Vx 0，根 據(jù) 上 述 方 程 ， 令 ：cos mx R t V t siny R t R h sin 0 x mdxV

12、V R tdt sin Rt R h 代 入 上 式 ， 得 ： mV R h （ 定 量 ） 結 論 ： 旋 耕 機 正 常 工 作 必 須 同 時 滿 足定 性 和 定 量 二 個 條 件 ， 既 ： 定 性 條 件 ： 1 （ 余 擺 線 ） mV R h 定 量 條 件 ： 11h R 或 ： 上 述 公 式 主 要 反 映 了 結 構 參 數(shù) 與 運 動 參 數(shù) 對 耕 深 的 影 響 。 如 ：R的 變 化 對 耕 深 的 影 響 ， 我 們 很 容 易 理 解 ， 但 、 V m對 h的 影 響 就 有些 抽 象 了 。 實 際 上 ， 前 面 我 們 已 經(jīng) 做 過 解 釋 ：

13、 和 Vm決 定 了 值 的 大小 ， 決 定 了 刀 片 運 動 軌 跡 的 形 狀 。 問 題 ： 速 比 值 為 什 么 對 耕 深 產(chǎn) 生 影 響 ？ 因 為 越 大 ， 其 形 狀 的 最 大 玄 長 值 也 就 越大 ， 位 置 也 越 靠 上 ， 能 滿 足 耕 深 的 軌 跡 高 度 越大 。 當 時 ， Vm0， （ =R / Vm） ， 能 滿足 向 后 拋 土 的 軌 跡 高 度 為 半 徑 R。 既 h = R， 反之 ， 耕 深 就 小 ， 當 0時 ， Vm， =0， 絕對 運 動 軌 跡 為 一 條 直 線 ， 沒 有 環(huán) 扣 ， 也 就 無 法向 后 拋 土 。

14、 旋 耕 機 運 動 參 數(shù) 的 一 般 取 值 范 圍Vm = 0.51.5 m/sn = 190280 r/minh=816 cm 由 于 國 外 多 采 用 大 功 率 拖 拉 機 ， 刀 片 材 料好 ， 旋 耕 機 的 工 作 深 度 可 達 2025cm， 完 全 可以 取 代 犁 耙 作 業(yè) ， 減 少 拖 拉 機 的 進 地 次 數(shù) ， 保護 土 壤 不 受 更 大 的 破 壞 。 六 . 旋 耕 機 作 業(yè) 質(zhì) 量 控 制 由 于 旋 耕 機 工 作 時 是 以 銑 切 原 理 加 工 土 壤 的 ，這 就 使 得 刀 軸 上 同 一 個 回 轉(zhuǎn) 平 面 內(nèi) 的 刀 片 在

15、相 繼入 土 和 切 削 土 壤 的 過 程 是 間 歇 的 。 設 ： 安 裝 在 刀軸 上 的 同 一 個 回 轉(zhuǎn) 平 面 內(nèi) 的 刀 片 數(shù) 量 為 Z。回 轉(zhuǎn) 平 面 hS xA BVm 隨 著 第 一 把 刀 在 A點 入 土 ， 刀 片 一 面 旋 轉(zhuǎn) ， 一面 隨 機 組 直 線 前 進 ， t時 刻 后 ， 安 裝 在 同 一 個 回 轉(zhuǎn) 平面 內(nèi) 的 第 二 把 刀 開 始 在 B點 入 土 ， 那 么 ， AB=S， 定義 為 旋 耕 機 刀 片 的 切 土 節(jié) 距 。 x一 把 刀 在 縱 垂 面內(nèi) 所 能 切 土 的 厚 度 。 A BSS = Vmt 旋 耕 機 切

16、土 節(jié) 距 安 裝 在 同 一 回轉(zhuǎn) 平 面 內(nèi) 的 刀 片 在 轉(zhuǎn) 過 相 應 安 裝 角 時 間內(nèi) 機 組 所 前 進 的 距 離 。設 ： 同 一 安 裝 平 面 內(nèi) 相 鄰 刀 片 的 安 裝 角 ； Z同 一 安 裝 平 面 內(nèi) 均 勻 安 裝 的 刀 片 數(shù) ； Vm機 組 前 進 速 度 ， m/s ； 刀 片 回 轉(zhuǎn) 角 速 度 ， r/s； 2 , = tZ 同 一 安 裝 平 面 內(nèi) 相 鄰 二 刀 片 相 繼 入 土 的 時間 間 隔 為 ： 2t z 602 , mmm m VS V t V Z Zn 由 上 式 可 以 看 出 ， 改 變 Z、 、 V m 均 可 使

17、 S發(fā) 生 變 化 。 一 般來 說 ， S越 小 越 好 ， 若 使 S小 ， 可 通 過 增 加 Z、 n或 減 少 Vm的 方 法獲 得 ， 但 是 ， Z的 過 分 增 加 易 造 成 土 壤 雜 草 的 堵 塞 ， n的 增 加 也將 造 成 功 率 的 消 耗 ， Vm的 減 少 使 生 產(chǎn) 效 率 下 降 ， 所 以 ， 在 確 定各 個 參 數(shù) 時 要 通 盤 考 慮 ， 一 般 情 況 下 ， 通 過 適 當 的 改 變 n和 Vm來達 到 不 同 整 地 要 求 的 作 業(yè) 。 目 前 ， 國 產(chǎn) 旋 耕 機 的 結 構 參 數(shù) 和 運 動 參 數(shù)均 有 一 定 的 確 定

18、 范 圍 ， 以 免 在 使 用 過 程 中 出 現(xiàn)不 必 要 的 失 誤 。 具 體 如 下 ： Z=24 S=1012 cm 旱 地 作 業(yè) S=46 cm 粘 重 土 壤 和 雜 草 地 S=89 cm 水 田 地 七 .旋 耕 機 的 刀 片 形 狀 旋 耕 刀 是 旋 耕 機 的 主 要 工 作 部 件 ， 刀 片 的 形狀 和 參 數(shù) 對 旋 耕 機 的 工 作 質(zhì) 量 、 功 率 消 耗 影 響 很大 。 為 適 應 不 同 土 壤 旋 耕 作 業(yè) 的 需 要 ， 人 們 對 旋耕 刀 的 形 狀 和 結 構 進 行 了 大 量 的 研 究 。 目 前 ， 臥式 旋 耕 機 上

19、使 用 的 旋 耕 刀 主 要 有 三 大 類 ：鑿 形 刀 、 直 角 刀 、 彎 形 刀 鑿 形 刀 ： 只 有 正 面 刃 口 ， 工 作 時 鑿 尖 首 先 從 外部 刺 入 土 讓 壤 ， 然 后 在 刀 身 的 作 用 下 使 土 壤 破碎 。 入 土 能 力 強 ， 松 碎 效 果 好 ， 但 容 易 纏 草 。S 直 角 刀 ： 直 角 刀 刀 刃 口 由 正 切 刃 和 側(cè) 切 刃 組 成 ， 兩刃 口 相 交 成 90o 左 右 ， 工 作 時 先 由 正 切 刃 從 橫 向 切 開 土壤 ， 再 由 側(cè) 切 刃 由 外 向 里 逐 漸 切 出 土 垡 的 側(cè) 面 。 刀

20、身 寬 ，剛 性 好 ， 有 一 定 的 工 作 寬 度 ， 容 易 加 工 制 造 ， 但 易 纏 草 。側(cè) 切 刃 正 切 刃 S 彎 形 刀 ： 彎 形 刀 刃 口 由 正 切 刃 和 側(cè) 切 刃 組 成 ， 但刃 口 不 是 直 線 而 是 曲 線 ， 其 中 ， 側(cè) 切 刃 口 曲 線 為 阿 基米 德 螺 線 。 工 作 時 先 由 側(cè) 切 刃 沿 縱 向 切 開 土 壤 ， 并 先由 刀 片 根 部 向 外 滑 切 ， 然 后 再 由 正 切 刃 從 橫 向 切 開 土垡 。 切 削 阻 力 小 ， 不 易 纏 草 ， 生 產(chǎn) 成 本 高 。 S側(cè) 切 忍 正 切 刃刀 片 在

21、刀 軸 上 的 安 裝 ： 螺 旋 線 排 列 八 . 旋 耕 機 的 功 率 消 耗 nftpq NNNNNN 式 中 ： Nq切 土 功 耗 Np拋 土 功 耗 Nt旋 耕 機 前 進 功 耗 Nf傳 動 及 摩 擦 功 耗 Nn克 服 土 壤 水 平 反 力 功 耗說 明 ： 旋 耕 機 刀 片 正 轉(zhuǎn) 時 有 推 進 機 組 前 進 的 作用 ， N n為 負 值 ； 反 之 取 正 值 。 旋 耕 機 的 功 率 消 耗 主 要 包 括 刀 片 的 土 壤 切削 、 土 塊 拋 擲 、 傳 動 等 ， 其 中 ， 切 土 和 拋 土 所消 耗 的 功 率 占 總 功 率 消 耗 的

22、80%以 上 ， ， 其 它 可忽 略 不 計 。 功 率 消 耗 表 達 式 如 下 ： 設 ： kr旋 耕 土 壤 比 阻 （ kg/cm2） ， 1.21.6，與 耕 深 有 關 ， 耕 深 大 選 大 值 ； B工 作 幅 寬 ， m ；h工 作 深 度 ， cm； V m機 組 速 度 ， m/s 。 m r mN FV k BhV 100 kgm/sr mN k BhV 100 75r mk BhVN 馬 力 100 kW102 r mk BhVN kWr mN k BhV 思 考 題1.何 謂 旋 耕 機 ？ 工 作 原 理 ？ 作 業(yè) 特 點 ？2.旋 耕 機 的 主 要 組 成 ？3.旋 耕 機 正 常 工 作 的 二 個 條 件 ？4.為 什 么 旋 耕 機 刀 片 的 運 動 參 數(shù) 能 影 響 耕 深 的 大 小 ？5.旋 耕 機 切 土 節(jié) 距 的 定 義 ？6.已 知 一 旋 耕 機 欲 對 某 田 塊 進 行 整 地 作 業(yè) ， 旋 耕 機 刀 輥 的 轉(zhuǎn) 速為 250r/min， 同 一 回 轉(zhuǎn) 平 面 內(nèi) 安 裝 2把 刀 ， 農(nóng) 藝 要 求 的 切 土 厚 度不 得 大 于 10cm， 試 確 定 機 組 的 前 進 速 度 ？ （ km/h）