谷物收获机械概论.doc

1、1第九章 谷物收获机械概论一、研究的对象和目的1、研究对象作业机具，包括；（1）谷物收获机械如 稻麦收获机、玉米收获机等。（2）牧草收获机械（牧区饲草生产用机械）如 收割、集草、打捆、运输、青贮等。（3）经济作物收获机械 如：根块作物（马铃薯、红薯等）收获机；花生收获机；棉花收获机；特种作物（水果、蔬菜、茶叶等）收获机。作业对象包括：干、湿作物,籽粒,稿草等,主要涉及它们的物理机械特性，空气动力特性，弹性，韧性，尺寸和重量等。2、研究目的：弄清收获机械的结构及工作机理，掌握其设计理论和方法、步骤及使用技术，以正确研究设计和指导生产。3、谷物收获的特点和对收获机械的一般要求(1) 特点：1、季节

2、性强2、受气候影响大3、三夏大忙，农活集中，劳力紧张，劳动强度大(2) 一般要求：1、保证收获质量2、适应性好3、适时完成收获作业（高生产率，工作可靠）第一节 谷物收获机械发展概论中国，解放前，仅有镰刀和工效稍高的工具推镰，但是推镰也没有受到重视和推广。解放后，开始引进国际（前苏联，捷克等国）收获机械。伴随东北大型国营农场的建立，较先进的大型收获机械开始使用。50 年代，开始仿制、改进，生产厂家有：四平、佳木斯、开封等，生产出：东风5（四平） 、TF1100 复式脱谷机（佳木斯） 、GT4.9（开封）等。到 58 年，开始有了自行设计、制造的收获机，如：定型的太谷5 号畜力收割机等。到 60

3、年代，我国自行设计和制造的谷物收割机开始大量出现，尤其是脱谷机和收割机如 北京 2.5 等，并广泛应用于生产。目前，大、中、小型各种的收获机械正迅速地发展，尤其是联合收获机，越来越被农民所重视，并得到广泛应用。80 年代初（1982 年） ，我国引进美国约翰迪；尔联合收获机 JL1000 系列技术和生产线。在开封和佳木斯两厂同时上马，相继生产出自动化程度高，效率高的：余马 1065（开封）和佳联 1065、1075（佳木斯）联合收获机。四平引进（东）德国技术和机件，组装和配装 E512、E514、E516 等联合收获机。近年来，除这些高效先进的大联合收获机重要供应农场外，我国几家大联合收获机厂

4、都在大批量生产 大、中型联合收获机投入农村市场。如：东风4.5、新疆3.25、丰收23、北京2.5 等另外，90 年代以来，几种披挂式（悬挂或背负）联收机很受农民欢迎，（投资少，动力能充分利用） 。如：上海、上海（南通） 、桂林，以及山西万革，山东龙口生产的该类型的联收机，都批量很大（几千台/年） 。销往全国很多地区。河北收割机厂（藁城）也生产了披挂式联收机，但可靠性较差，竞争力还不太强，有待于改进（藁城联收机厂与新疆联合生产新 2 自走、装袋）旨在满足联产承包体制下，小块地收获的小联合收获机更是蜂拥而上，我省就不下十几家，但性能和可靠性大都不佳。收获机械发展之快、之多，可见这正是我国收获机械

5、化发展兴旺之时，但总的收获机械化程度不高，地区发展不平衡，且机器类型繁杂、型式各异（稻麦类） ，而玉米、果蔬等收获机水平很低，所以在机器设计、改进、合理选型和技术推广等方面，不仅有大量的工作要做，而且更加需要和迫切。在我省农机化工作规划中，收获机械化是重点发展项目。并坚持发展大、中型为主，大、中、小型相结合。我们要看准方向，明确目标。第二节 谷物的生物学特性我们所研究的收获机械的工作对象，主要是谷物，所以必须对其生物学特性有所了解。机械化是保证增产、增收，解放劳动力，提高生产率，所以机械化要适应和满足农技要求；所以对工作对象的有关特性必须了解和弄清。1、成熟期依据子粒的饱满程度，湿度（含水率）

6、和粒与穗轴间的连结强度的不同，将谷物的成熟期分为如下几个阶段：乳熟期：（湿度较高，含水 50%70%，乳浆状态腊熟期：完熟期：湿度 1620%过熟期处于光熟的子粒比重最大，发芽率高，过熟后，易造成落粒损失。所以应选择合适的收获时期和适当的收获方法。收获时期从品种特性上要求成熟期应一致或不同品种成熟期错开，或使成熟期尽量避开雨期。如早熟品种 8326 受到常遭受雨害的农民的欢迎。2、谷物的后熟作用割断后的麦杆，茎叶中的养分会继续向子粒输送称为后熟作用（植物生理研究） 。此作用可使麦类提前收割，增长收获期，缓解劳动几种情况且在腊熟中期开割，可增产 26%，子粒的品质也好谷物的湿度（含水率）成熟度提

7、高，湿度下降；湿度上升，作业质量下降（割、脱、清）且功耗上升。但有些地区，收期雨多，且联收机本来就是在田间直接脱粒，因此，所用的收获机需要有较好的湿脱、湿分性能。一是要把握适时收获，二是要求机具适于湿作物的工作。麦子的安全贮存湿度为 1415%3、作物的倒伏造成减产，且机收困难，效率低，损失大（尤其是漏割）为更好地实行机收，除在机具上作文章外，还要从品种和管理等方面下工夫。34、作物的高度和谷草比 非 谷 粒 重 （ 割 下 部 分 ）谷 粒 重谷 草 比 谷草比的大小，直接影响脱、清、功耗等性能。禾杆高度与谷草比有关。第三节 谷物收获方法及机械种类(一)收获方法目前，多采用的机械化收获方法有

8、：1.分段（分别）收获法用不同种类的机械分别进行割、运、脱粒、清选等作业。此法所用机具结构简单，造价低，但工效低，总损失较大。2.联合收获法在田间一次完成割、脱粒、分离和清粮等全部作业。工效高，利用率低，损失少，大幅度减轻劳动强度。机具结构复杂，造价高，利用率低，适于农场和大块田区。3 两阶段联合收获法首先，用割晒机将作物割下，并成条铺放于割茬上，晾晒 35 天（完成后熟作用） ，而后，用装有捡拾器的联收机进行捡拾、脱粒、分离和清粮等作业。由于后熟作用，产量和粮食品质提高。经晾晒湿度减小，作业效率提高，故障少，且可提前开割，增长收获期。缺点；功耗增大（两次作业） ，地表压实较重，雨天时，子粒易

9、发芽，甚至霉烂。几种方法各有利弊，采用哪种方法，设计或推广什么类型的机具，要视本地区的自然条件，土地规模和经营方式，以及经济和技术水平而定。发展趋势：联合和两阶段联合收获（二）谷物收获机械的种类按用途主要分为三大类1 收割机械（reaping machinery）包括：收割机（reaper）割晒机（swather ，windrower ）割捆机（reaper-binders）2 脱粒机械（threshing machinery）3 联合收获机（combine harvester）第十章 切割装置切割器是收获机械和联收机上必不可少的主要工作部件作用：切割作物茎杆类型：回转式和往复式切割器，也包括

10、镰刀、快速切割器收获机械上采用的切割器应具有如下的技术要求：1.切割质量好（茬齐、不撕裂、不连根拔）2.省力、可靠、 （功耗小，不堵刀，振动小等）3.适应倒伏作物的切割（漏割损失小等）切割器的工作质量好、坏，直接影响到整机的性能，例如：割茬不整齐，造成重割增多，短小的茎杆给清粮增大负荷，粮食清洁度降低，功耗增大，刀具磨损加快等等。一影响切割性能的因素41、切刀的特性（形状、刃口厚度、材质、耐磨度等）2、茎杆的物理机械性质：指切割阻力、折短阻力、弯曲阻力、弹性模数、摩擦系数等。这些性质决定于作物的种类、品种、成熟度等（水分大，即青绿时易切断）3、切刀与茎杆的相对位置4、切割方向与速度下边对各影响

11、因素作具体分析正切：刀刃的运动方向沿刀刃的法线方向切入茎杆的切割方式。滑切：刀刃的运动方向沿刀刃的法线偏 角的方向切入茎杆的切割方式(一) 茎杆的刚度的影响割刀必须克服茎杆的切割阻力才能切断茎杆，但一般作物（稻、麦）茎杆本身的刚度较小，很小的外力就会使之弯斜。所以，要保证正常切割，割刀应具有足够的切割速度（以获得茎杆较大的惯性力）或是给茎杆以适当的支撑，以增大抗弯反力。切割茎杆时的支撑方式：无支撑：只用动刀切茎杆有支撑：单支撑：由定刀构成单点支撑 双支撑：由定刀和护刃舌构成两点支撑（1）无支撑切割：靠茎杆的惯力和刚性，配合动刀切割其割断条件关系式： 阻惯弯割 RppP 割 与 P 弯 作用与反

12、作用力 am惯：茎杆的切割阻力阻R要求动刀有高的速度（以获得较大的惯性力）（2）单支撑切割： 阻惯弯割 RP较 P 弯 增大（因有定刀支撑）弯相应 可减小，即割刀速度可减低。 t 一定；惯 aVa 减小，则 v 减小。如往复式割刀的平均速度：Vp=12m/s，但动定刀间隙 要求严格，以保证切割质量和正常工作。（3）双支撑切割抗弯阻力 更大，相应所需 可更小，即动弯P惯P刀速度可小，同时，对动定刀间隙 的要求可放宽，动、5定刀磨损小，空转功率小(二)茎杆纤维方向性的影响不同的切割方向即沿茎杆的不同纤维方向进行切割阻力的大小是不同的一般常讲的三种切割方向：1.横断切：切割面和切割方向都与被切物的轴

13、线垂直。2.斜切：切割面与被切物轴线偏斜，但切割方向与轴线垂直。3.削切：切割面与切割方向都与被切物轴线偏斜。经实验得知：纤维方向性对切割阻力和功率消耗的影响情况切割方向 阻力和功率消耗（定性的比较）横断切斜切最大较小（斜 45 度时较横断切降低 3040%）削切 最小（尤其切割阻力可显著下降）原因：因茎杆（主要被切物）是由纤维组成，各方向的强度不同。(三)刃厚及刃角的影响正切时切刀的受力图刃口切入茎杆的阻力（合力）方向垂直于刃口茎杆。相同时 的大小决定0p 0p于刃口厚度厚度上升，则 上升。0p茎杆对楔面（A）的正压力。 （与杆的物理机械和性1N质有关）刃角（刀刃楔角）P刀刃所需的切割力摩擦

14、角摩擦力21,F正压力和摩擦力作用在实际刀刃楔面 A、B 上的合力分别为： 和 ，依据力的cosN1平衡条件，X，Y 方向上的平衡方程式为：)cos(1N)sin(cosic10 p整理：将代入并调整A 横断切 b 斜切 c 削切620cos)in(Np20 220s)i(co)sin(cocsns iiopNNp将代入并整理得 由式知：刃口厚度上升则 上升，0/2 内正弦函数为增函数。0由上式可知，正切时，所需得切割刀与刃口厚度和刃角 成正比。当然，刃厚和刃角太小，刀得强度会下降，影响可靠性且磨损快，所磨周期短，影响捡拾。(四)滑切（sliding cutting ）与切割阻力得关系（即采用

15、滑切对切割力大小得影响）实验和理论分析都可证明，滑切比正切切割阻力较小（即滑切省力） 分析：如图所示：动刀与被切物料成倾斜得位置配置，V动刀运动方向分解出： 正切速度， 滑切速度， 滑切nvtv角（刀刃运动方向与刀刃法线的夹角。 称为滑切ntvtg系数。滑切省力的原因：同一刃口在滑切时，刃角小， 证：如图： ACBtgAEDtg1而 DE=BCAEAC(根据垂线定理:从线外一点刀这条直线的所有线段中垂直线段最短)故: (因在 0/2 内，正切为增函数) 所以，tg 虽然，滑切角 （0/2）越大，刀刃切入材料的实际刃角 越小，因此切入材料所需的力越小（即越省力）滑切有锯切作用刀刃上有很多微观齿，

16、其端部很锋利（0.51um ） （即相当于刃口厚度很小）而微齿根端钝（610um） 同样刃口长切割、滑切时，真正参加切割的刃口长度变短，则省力。7（五）切割速度对切割阻力的影响一般，切割速度上升，则切割阻力下降。 右图为：牧草切割实验的结果。切割稻、麦茎杆时阻力也是随速度增加而减小，但并非明显的直线关系。速度上升，而阻力下降的现象，是由于切割的有效系数增加的原故（切割总功由预压功 Ay 和切割的有效功 Aq 合成，速度较大时，预压功 Ay 较小，因此切割总功也有所降低）功小了，有效切割茎杆的距离大了。注意：当割刀速度增大时，切割总功有所下降，但空转功率有所增加，并振动增大，所以，稻，麦收割机的

17、往复式割刀平均速度一般不大于 2m/s，一般 Vp=12二.切割的类型与特点(结构课讲 )三.往复式切割器构造及参数分析(一)往复式切割器构造与标准化(结构课讲)(二)传动机构（drive mechanism）功能：将回转运动变为往复运动1、 曲柄连杆机构（crank pitman mechanism）：结构简单（1） 一线式（平面型偏置曲柄连杆机构）用于割台侧置式的收割机和割草机。（2） 立式一线式：用于立式割台收割机（3） 转向式：多用于割副大，割台前置的联收机上（如东风5）（4） 空间型偏置曲柄连杆几够，割刀可在一定范围内改变位置，用于割草机。2、 曲柄滑槽机构（slider-cramk

18、 mechanism）特点：结构较为紧凑，3、 摆环机构（wobbler）：结构紧凑，但造价较高，谷物联收机上已广泛应用4、 行星齿轮机构（planetary gear）a：刀杆 b：刀头销c：行星齿轮d：固定内齿圈e：曲柄f：转臂齿数：Zd=2Zcf 的长度 e 的长度=c 的半径（r）=1/2d 的半径（R）即 f=e=r=1/2R，这样，同一时间内 f 的转角恒为 e 转角的一半，刀头销 b 的轨迹为一直线（在割刀的运动方向上）因此，割刀往复运动时，无侧向力，故磨损小，震动小，可提高割刀速度。(三)往复式切割器的工作原理和参数分析1.刀片几何形状的分析（刀片销往茎杆的条件）*钳住茎杆的条

19、件、 茎杆被钳住时所受作用力 P1、P212与刀刃法线的夹角（P1、P2 的作用方向角） 、 动定刀片刃口的滑切角（刃口倾角）12 a 刀杆 b 刀头销 c 行星齿轮d 固定内齿圈 e 曲柄 f 转臂夹持茎杆的受力分析8和 增大，切割阻力下降，但大到某个限度茎杆会滑脱。所以正常切割，必须先12将茎杆钳住。在三角形 OAB 和四边形 OACB 中。= = = 即 + = +1280AOB211212和 上升， 和 也将上升,但合力 P1、P2 的作用方向角 不能大于茎杆与刀121 12片的摩擦角 2即 所以 1故钳住条件应是 + +1212因为： + = +12所以：保证钳住茎杆的极限条件是：

20、+ +12122.割刀的运动特性(1)运动方程假设：没偏距连杆长 L 远远大于 r（曲柄半径）这样，割刀的运动为简谐运动，即用曲柄销 K 在水平直径上的投影点 A 的运动来代表割刀的运动如图所示的坐标系，建立割刀运动方程式：（位移） trxcos（速度）vin（加速度）ta2t 00 900 1800 270 360x 0 -0 v 0 -0 0a 2r0 2r0 2r位移 X、速度 V 和加速度 a 都是时间 t 的函数，其变化规律是正弦或余弦曲线。割刀运动分析9(2)割刀速度 V 和加速度 a 与位移 X 的关系 *V 与 X 的关系： 22cos1insxttv整理： 22xv两边同时除

21、以222xv 2得： （为椭圆方程）122若求 A 点的速度 V变化椭圆方程：（为容易作速度图，将 V 缩小 倍）（为圆的方程）12X图象曲线如图中虚线所示。A 点的速度可表示为 （将曲线上的速度坐标放大 倍） 。AV加速度与 X 的关系： xtrtra222coscos可见，加速度与 X 成直线关系。(3)割刀的行程和平均速度 行程 （无偏距时）rs2有偏距时： （ ）rs2S=AB=AC-BC= 2eleRL整理： 241slsr一般 2le所以： rs故有偏距的与无偏距的相比，行程 S 略有增加，但影响不大，可是，往复行程的速度不一10致。 割刀的平均速度割刀的速度是变化的，实用中常以平

22、均速度来说明其速度的大小。 3026snVp时 间行 程当 时，rs15rp曲柄半径（m） 曲柄转速（r/min ）n（有支撑切割，需 Vp 一般范围为 12m/s，实验证明，切割速度在 0.60.8m/s 以上能顺利切茎杆）摆环机构的运动分析过程抽象，复杂，次种机构的运动特性已通过实验和实用所验证，该种机构已成为一种成功的典型机构，各参数的选取也已优化出合理的数值范围，所以我们这里无需再对抽象的分析过程进行烦琐的推导，仅对理论性问题给以提示和说明。(3)摆环机构驱动时割刀的运动分析方程： travtxcosin2割刀产生的最大位移（摆距的一半）主动轴角速度、 、 ：系数从方程来看，与曲轴连杆机构驱动的割刀的运动方程式基本相同（即运动基本相同似简谐运动）只是各相差一个系数。摆环的倾角 =1518 度时较好，割刀的运动特性相近于曲柄连杆机构传动的特性。割刀行程： sin2klrs摆割刀行程：角最大位移il考虑尺寸误差和间隙对 S 的影响的修正系数（K=10.21.2）k3.切割速度分析（割刀实际切割茎杆的速度） 122rxrvx22rxx前边我们也已经讨论了割刀的速度 V 与位移 X 的关系为一椭圆关系，即122rxv 割刀位移 割刀位移与速度图解