傅美貞，田軍偉，陳德俊，何 勇

(1.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 金華 321007；2.浙江四方集團(tuán)公司，浙江 永康 322000；3.浙江大學(xué)，杭州 310058)

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)不斷推進(jìn)，周圍環(huán)境也不斷改善，草坪綠化已日益受到人們的重視，近幾年大中城市的草坪面積翻了幾番?，F(xiàn)有的一些小型割草機(jī)，因其生產(chǎn)率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等原因，已滿足不了草坪面積發(fā)展的需要；而一些大型圓盤旋轉(zhuǎn)牧草收割機(jī)，適用于高密度的人工種植和天然草場(chǎng)收割[1-2]，不宜在小塊田地上使用及用來修剪草坪。雖然我國(guó)割草機(jī)械的發(fā)展已形成了一定的規(guī)模，但在南方各省市，綠化草坪用的割草機(jī)大都是手持式或手扶式的電動(dòng)或汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)的小型割草機(jī)，市售的中小型割草機(jī)功能單一；收割牧草的機(jī)械不適宜草坪的修剪，修剪草坪的割草機(jī)不適宜牧草的收割，即使可以收割，生產(chǎn)率也相當(dāng)?shù)?，勞?dòng)強(qiáng)度大[3]。手扶拖拉機(jī)在我國(guó)南方各地的使用已相當(dāng)普及，一般只有犁耕機(jī)和旋耕機(jī)等配套農(nóng)具[4]，未見有與手扶拖拉機(jī)配套的割草機(jī)。因此，進(jìn)行了與手扶拖拉機(jī)配套的小型旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)的設(shè)計(jì)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 總體方案

要求所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、掛接方便；割茬低、消耗功率低；整機(jī)生產(chǎn)效率高，能適用于平原、丘陵、坡地窄小地塊和套種田等地塊的雜草清除及草坪修整。借鑒國(guó)內(nèi)外割草機(jī)械的研究成果，并參考手扶拖拉機(jī)旋耕機(jī)等現(xiàn)有配套機(jī)具的設(shè)計(jì)方案，割草機(jī)采用乘坐式，整機(jī)由左右驅(qū)動(dòng)輪和尾輪支承。所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)主要由傳動(dòng)裝置、提升裝置和切割裝置組成。動(dòng)力傳遞采用上傳式(由頂部傳入)，現(xiàn)有割草機(jī)的切割裝置有前懸掛式或后懸掛式，為避免因手扶拖拉機(jī)重心偏前引起整機(jī)平衡問題，本割草機(jī)采用后懸掛，操作人員的視線好，且割草機(jī)的掛接和動(dòng)力輸出方便。

1.2 工作原理

工作時(shí)，拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力由飛輪皮帶輪輸出到離合器，經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一邊將動(dòng)力經(jīng)變速器傳送到行走輪上，一邊將動(dòng)力經(jīng)皮帶輪和錐齒輪傳遞給切割器，帶動(dòng)割刀轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行切割作業(yè)。在拖拉機(jī)行進(jìn)過程中，割刀把雜草、秸稈等切斷、打碎，并鋪在地面上。由于地面的凸凹不平，為了旋轉(zhuǎn)割刀能緊急避障，一組由平行四連桿機(jī)構(gòu)和杠桿機(jī)構(gòu)組成的提升機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)刀架的快速提升(降)，提升機(jī)構(gòu)能使割刀做上下平移運(yùn)動(dòng)[3]。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

利用GN121手扶拖拉機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)系，采用單級(jí)一側(cè)傳動(dòng)方案，傳動(dòng)示意圖如圖1所示。工作時(shí)，動(dòng)力由柴油機(jī)經(jīng)飛輪輸出后，傳遞到離合器皮帶輪(行走)，并由其傳給驅(qū)動(dòng)割刀的輸入軸皮帶輪，經(jīng)錐齒輪后，改變傳動(dòng)方向直接傳遞給割刀，從而完成機(jī)器邊行走、邊切割的工作過程。

1.輸入軸皮帶輪 2.離合器皮帶輪 3.飛輪 4.柴油機(jī) 5.行走系輸入軸 6.割刀傳動(dòng)輸入軸 7、8.錐齒輪 9.割刀驅(qū)動(dòng)軸 10.割刀罩殼 11.割刀

2.2 掛接提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

割草機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)機(jī)架組合件離地高度和切割組件升降時(shí)的活動(dòng)范圍，設(shè)計(jì)了平行四連桿提升機(jī)構(gòu)。提升機(jī)構(gòu)中手柄、齒板及連接桿座采用原機(jī)結(jié)構(gòu)；平行四連桿機(jī)構(gòu)的上連桿(掛接架)為固定桿，為保證切割裝置在提升和下降時(shí)前后位移盡可能小，將其設(shè)計(jì)成傾斜，與水平夾角為30°；在提升和下降過程中，割刀罩不能觸及車輪和后面的尾輪，割刀上下極限位置可通過定位銷在齒板中的位置來調(diào)整，并確保有160mm的升降空間(即定位銷插入齒板最上方齒槽和最下方齒槽時(shí)切割器的高度差)。

提升機(jī)構(gòu)由操縱杠桿、手柄、齒板、連接桿座及平行四連桿機(jī)構(gòu)等組成。掛接架通過兩只插銷與手扶拖拉機(jī)的牽引框相連接(固定不動(dòng))，齒輪箱體通過連接桿與一組平行桿相連接(左右對(duì)稱)，齒輪箱體又通過連接桿座和拉桿與操縱杠桿相連。整個(gè)提升操縱機(jī)構(gòu)安裝在座架組合件的位置上，當(dāng)握住操縱杠桿同時(shí)捏住手把，使定位銷離開齒板的齒槽，可操縱割草機(jī)構(gòu)的起落。切割裝置的升降由操縱杠桿操縱，割茬高度由定位銷在齒板齒槽的位置來調(diào)節(jié)。當(dāng)手把的定位銷插入齒板最上方齒槽時(shí)，割草機(jī)處于下限位置；當(dāng)定位銷插入齒板最下方齒槽時(shí)，割草機(jī)處于上限位置。

1.齒輪箱 2.張緊輪 3.平行桿 4.掛接架 5.齒板 6.手柄 7.連接桿座 8.張緊輪拉線座 9.拉桿 10.連接桿 11.割刀罩 12.割刀

2.3 切割器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手扶拖拉機(jī)的兩驅(qū)動(dòng)輪最大間距只有810 mm[4]，間距小、空間有限，故采用單圓盤旋轉(zhuǎn)式切割器，割幅定為800mm。

本機(jī)采用無支撐旋轉(zhuǎn)切割方式，靠刀片高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行無支撐切割，根據(jù)無支承切割，最低極限速度不能低于30 m/s，一般取50～90 m/s[5]，線速度選定為50 m/s。割刀選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、雙刃式的直刀，刀口尺寸較小，刀片質(zhì)量輕；割刀上方安裝的割刀罩為圓盤結(jié)構(gòu)，前部切去，以滿足割幅；根據(jù)割刀旋轉(zhuǎn)方向，割刀罩沿切線開有甩草口[6-9]，有利于草的排出以減少再次切割。

3 理論分析及主要參數(shù)確定

3.1 旋轉(zhuǎn)刀片運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

刀片上任一點(diǎn)是刀片回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和機(jī)器前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的合成，對(duì)地面的軌跡為余擺線[10]，刀片刃口線對(duì)地面所掃過的面積為余擺帶，其帶寬與刀片高度相近。當(dāng)旋轉(zhuǎn)割刀最遠(yuǎn)點(diǎn)b、d的線速度vg=50m/s、機(jī)器前進(jìn)速度vj=1.43m/s時(shí)，其切割圖如圖3所示。

刀刃上a、b兩點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(1)

(2)

式中R—直刀外端點(diǎn)b、d半徑(m)，R=0.4m，其刃口長(zhǎng)h′=0.045m；

r—刀片內(nèi)端點(diǎn)(a、c)半徑(m)，r=0.355；

ω—刀盤角速度(l/s)，ω=(vgb+vj)/R；

vgb—割刀b點(diǎn)線速度(m/s)，vgb=50；

t—刀盤轉(zhuǎn)過的時(shí)間(s)；

γ、δ—刀片刃口內(nèi)外端點(diǎn)與圓心連線的水平夾角(°)，γ=6°，δ=5°；

vj—機(jī)器前進(jìn)速度,選用GN121型手拖Ⅳ擋工作，vj=1.43m/s。

3.2 切割器轉(zhuǎn)速n計(jì)算

切割器轉(zhuǎn)速n為

(3)

取n=1 250r/min。

圖3 直刀式旋轉(zhuǎn)切割器刀刃運(yùn)動(dòng)軌跡圖

3.3 刀片切割速度

如圖3所示：刀片工作時(shí)，刃口a和c點(diǎn)的速度最低，其值為

(4)

當(dāng)ωt+γ=π+2kπ(k=0，1，2，…，n)時(shí)，其最小值為

vamin=rω-vj=45.16m/s

(5)

因vamin大于無支撐切割最低速度30m/s，可滿足切割要求。

3.4 刀片數(shù)量m計(jì)算

(6)

3.5 配套功率

旋轉(zhuǎn)切割器消耗的功率隨切割速度vg、機(jī)器前進(jìn)速度vj及作物條件而變化。研究表明：旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)一般每米割幅所需拖拉機(jī)功率為11～15kW，切割器功耗占60%～65%。本機(jī)配套于手扶拖拉機(jī)，行走消耗功率小，故參考手拖配套旋耕機(jī)時(shí)的功耗，選用S195或S1100柴油機(jī)作為動(dòng)力，其功率為9kW或11kW。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了考核割草機(jī)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，按JB/T 9700-2013《牧草收獲機(jī)械 試驗(yàn)方法通則》[12]的規(guī)定和GB/T10938-2008《旋轉(zhuǎn)割草機(jī)》[13]的要求，在2009-2010年進(jìn)行了草坪修剪、小麥秸稈切割及雜草清除的性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在手扶拖拉機(jī)Ⅳ擋工作時(shí)超茬損失率都為0，平均漏割損失率和割茬高度也都在技術(shù)要求范圍內(nèi)，但在低速檔工作時(shí)重割率偏高。

表1 田間作業(yè)性能檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

1)手扶拖拉機(jī)配套旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)增加了手扶拖拉機(jī)配套機(jī)具，提高了主機(jī)利用率，割草機(jī)安裝方便、配套性好。

2)割草機(jī)作業(yè)性能良好，切割穩(wěn)定，割茬整齊，在進(jìn)行修整草坪時(shí)，最低割茬可達(dá)到20mm，一般在30～50mm。

3)整機(jī)通過性能好，適應(yīng)性強(qiáng)，能在丘陵、梯田套種田等中小地塊上使用。因配套割草機(jī)是采用單圓盤，收割后牧草沒有鋪放成條狀，在機(jī)具前進(jìn)速度慢時(shí)重割率偏高。所以，不太適宜牧草收割，較適宜聯(lián)合收獲機(jī)收獲后續(xù)的切割秸稈還田作業(yè)、雜草的清除和草坪的修剪作業(yè)。

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