小型旋轉式割草機研究設計

傅美貞，田軍偉，陳德俊，何 勇

(1.金華職業技術學院，浙江 金華 321007；2.浙江四方集團公司，浙江 永康 322000；3.浙江大學，杭州 310058)

0 引言

隨著我國城鎮化建設不斷推進，周圍環境也不斷改善，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。現有的一些小型割草機，因其生產率低、勞動強度大等原因，已滿足不了草坪面積發展的需要；而一些大型圓盤旋轉牧草收割機，適用于高密度的人工種植和天然草場收割[1-2]，不宜在小塊田地上使用及用來修剪草坪。雖然我國割草機械的發展已形成了一定的規模，但在南方各省市，綠化草坪用的割草機大都是手持式或手扶式的電動或汽油機驅動的小型割草機，市售的中小型割草機功能單一；收割牧草的機械不適宜草坪的修剪，修剪草坪的割草機不適宜牧草的收割，即使可以收割，生產率也相當低，勞動強度大[3]。手扶拖拉機在我國南方各地的使用已相當普及，一般只有犁耕機和旋耕機等配套農具[4]，未見有與手扶拖拉機配套的割草機。因此，進行了與手扶拖拉機配套的小型旋轉式割草機的設計。

1 整機結構和工作原理

1.1 總體方案

要求所設計的旋轉式割草機結構簡單、體積小、掛接方便；割茬低、消耗功率低；整機生產效率高，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。借鑒國內外割草機械的研究成果，并參考手扶拖拉機旋耕機等現有配套機具的設計方案，割草機采用乘坐式，整機由左右驅動輪和尾輪支承。所設計的旋轉式割草機主要由傳動裝置、提升裝置和切割裝置組成。動力傳遞采用上傳式(由頂部傳入)，現有割草機的切割裝置有前懸掛式或后懸掛式，為避免因手扶拖拉機重心偏前引起整機平衡問題，本割草機采用后懸掛，操作人員的視線好，且割草機的掛接和動力輸出方便。

1.2 工作原理

工作時，拖拉機發動機的動力由飛輪皮帶輪輸出到離合器，經傳動機構一邊將動力經變速器傳送到行走輪上，一邊將動力經皮帶輪和錐齒輪傳遞給切割器，帶動割刀轉動進行切割作業。在拖拉機行進過程中，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，為了旋轉割刀能緊急避障，一組由平行四連桿機構和杠桿機構組成的提升機構可實現刀架的快速提升(降)，提升機構能使割刀做上下平移運動[3]。

2 主要結構設計

2.1 傳動系統的設計

利用GN121手扶拖拉機的動力傳動系，采用單級一側傳動方案，傳動示意圖如圖1所示。工作時，動力由柴油機經飛輪輸出后，傳遞到離合器皮帶輪(行走)，并由其傳給驅動割刀的輸入軸皮帶輪，經錐齒輪后，改變傳動方向直接傳遞給割刀，從而完成機器邊行走、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 5.行走系輸入軸 6.割刀傳動輸入軸 7、8.錐齒輪 9.割刀驅動軸 10.割刀罩殼 11.割刀

2.2 掛接提升機構設計

割草機結構如圖2所示。根據機架組合件離地高度和切割組件升降時的活動范圍，設計了平行四連桿提升機構。提升機構中手柄、齒板及連接桿座采用原機結構；平行四連桿機構的上連桿(掛接架)為固定桿，為保證切割裝置在提升和下降時前后位移盡可能小，將其設計成傾斜，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切割器的高度差)。

提升機構由操縱杠桿、手柄、齒板、連接桿座及平行四連桿機構等組成。掛接架通過兩只插銷與手扶拖拉機的牽引框相連接(固定不動)，齒輪箱體通過連接桿與一組平行桿相連接(左右對稱)，齒輪箱體又通過連接桿座和拉桿與操縱杠桿相連。整個提升操縱機構安裝在座架組合件的位置上，當握住操縱杠桿同時捏住手把，使定位銷離開齒板的齒槽，可操縱割草機構的起落。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節。當手把的定位銷插入齒板最上方齒槽時，割草機處于下限位置；當定位銷插入齒板最下方齒槽時，割草機處于上限位置。

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 切割器結構設計

手扶拖拉機的兩驅動輪最大間距只有810 mm[4]，間距小、空間有限，故采用單圓盤旋轉式切割器，割幅定為800mm。

本機采用無支撐旋轉切割方式，靠刀片高速旋轉進行無支撐切割，根據無支承切割，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。割刀選用結構簡單、雙刃式的直刀，刀口尺寸較小，刀片質量輕；割刀上方安裝的割刀罩為圓盤結構，前部切去，以滿足割幅；根據割刀旋轉方向，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確定

3.1 旋轉刀片運動學分析

刀片上任一點是刀片回轉運動和機器前進運動的合成，對地面的軌跡為余擺線[10]，刀片刃口線對地面所掃過的面積為余擺帶，其帶寬與刀片高度相近。當旋轉割刀最遠點b、d的線速度vg=50m/s、機器前進速度vj=1.43m/s時，其切割圖如圖3所示。

刀刃上a、b兩點的運動軌跡方程為

(1)

(2)

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

r—刀片內端點(a、c)半徑(m)，r=0.355；

ω—刀盤角速度(l/s)，ω=(vgb+vj)/R；

vgb—割刀b點線速度(m/s)，vgb=50；

t—刀盤轉過的時間(s)；

γ、δ—刀片刃口內外端點與圓心連線的水平夾角(°)，γ=6°，δ=5°；

vj—機器前進速度,選用GN121型手拖Ⅳ擋工作，vj=1.43m/s。

3.2 切割器轉速n計算

切割器轉速n為

(3)

取n=1 250r/min。

圖3 直刀式旋轉切割器刀刃運動軌跡圖

3.3 刀片切割速度

如圖3所示：刀片工作時，刃口a和c點的速度最低，其值為

(4)

當ωt+γ=π+2kπ(k=0，1，2，…，n)時，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 刀片數量m計算

(6)

3.5 配套功率

旋轉切割器消耗的功率隨切割速度vg、機器前進速度vj及作物條件而變化。研究表明：旋轉式割草機一般每米割幅所需拖拉機功率為11～15kW，切割器功耗占60%～65%。本機配套于手扶拖拉機，行走消耗功率小，故參考手拖配套旋耕機時的功耗，選用S195或S1100柴油機作為動力，其功率為9kW或11kW。

4 試驗結果分析

為了考核割草機是否達到設計要求，按JB/T 9700-2013《牧草收獲機械 試驗方法通則》[12]的規定和GB/T10938-2008《旋轉割草機》[13]的要求，在2009-2010年進行了草坪修剪、小麥秸稈切割及雜草清除的性能試驗。試驗結果如表1所示。

試驗結果表明：在手扶拖拉機Ⅳ擋工作時超茬損失率都為0，平均漏割損失率和割茬高度也都在技術要求范圍內，但在低速檔工作時重割率偏高。

表1 田間作業性能檢測結果

5 結論

1)手扶拖拉機配套旋轉式割草機增加了手扶拖拉機配套機具，提高了主機利用率，割草機安裝方便、配套性好。

2)割草機作業性能良好，切割穩定，割茬整齊，在進行修整草坪時，最低割茬可達到20mm，一般在30～50mm。

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

參考文獻：

[1] 馬曉春,于建國.我國牧草收割機的發展趨勢[J].林業機械與木工設備, 2005, 33(6):11-12.

[2] 徐秀英,張維強.對我國牧草生產機械化現狀及發展機遇的思考[J].中國農機化,2004(3):14-16.

[3] 傅美貞. GN121型手扶拖拉機配套旋轉式割草機的研究[D].南京:南京農業大學, 2010.

[4] 浙江四方集團公司.四方牌GN12型手扶拖拉機使用說明書[Z].浙江四方集團公司, 2000.

[5] 中國農業機械化科學研究院.農業機械設計手冊:下冊[K]. 北京:中國農業科學技術出版社，2007.

[6] 趙春花.手扶式山地牧草收割機研制[D].蘭州:甘肅農業大學,2004.

[7] 單春賢, 邵霞, 劉濤,等.小型電動割草機刀盤變形試驗分析與仿真[J].農業機械學報,2010,41(12):80-83.

[8] 汪德眾,王敦軍,齊紹文,等.9GYS-0.85型盤式甩刀割草機的設計[J].農機化研究,2003(1):90-91.

[9] 董曉英.小型果園割草機的研制[J].農機化研究,2001(4):57-58.

[10] 馬曉春.割草機的設計與動態特性研究[D].哈爾濱:東北林業大學,2005.

[11] 中華人民共和國工業和信息化部.JB/T 9700-2013牧草收獲機械 試驗方法通則[S].北京:機械工業出版社,2013.

[12] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會. GB/T10938-2008 旋轉割草機[S].北京:中國標準出版社,2008.