农用新型刀具的设计.docx

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农用新型刀具的设计

农用新型刀具的设计

设计的刀具为微耕机耕作农田所用的刀具。

所以首先对微耕机做出介绍，其通常的结构形式、发展的历史过程以及发展趋势，还有其性能评价体系以及各种微型耕耘机械在不同地形状况以及不同土壤状况时的应用情况。

然后对微型耕耘机工作原理进行介绍，充分了解微型耕耘机工作原理之后才能对微耕机刀具结构形式以及刀具的布置有个清楚的了解。

微耕机传动方式也是其重要的组成部分，对其研究也有重要意义。

一、微耕机及其性能

微耕机，全称为微型耕耘机。

不同于大型的和中型的耕耘机械，其结构尺寸相对更小，同时其驱动功率通常较小，不大于7.5KW，不管在水湿地带还是旱地进行耕作，应用效果都比较良好。

可以对土壤进行旋耕翻土，也可以进行碎草增加耕地有机肥料，在开沟起垅上的功能也很强大，因其成本较低、应用价值较高而广受推崇。

微耕机的旋转耕作部分是微耕机的关键所在，动力装置通常采用柴油机，经济性能比较良好，然后经过中间减速装置的减速与传动，继而带动刀具旋转轴其旋转。

旋转耕作部分水平布置，与耕作行进方向垂直展开。

中间刀轴上按一定规律布置旋耕所用的刀具，刀轴不断的旋转，从而带动旋耕刀具不断对土壤以及杂草等进行切割和翻覆。

整体微耕机械也在刀具对土壤进行切割时的反作用力下不断前进，从而省却了微耕机行走的动力设置，简化了耕耘机械的结构。

微耕机通常体积较小、重量较轻机动性能比较强大，可以进入包括丘陵地带、山区耕地以及大棚等各种耕地状况的需要。

对土壤的适应性也比较强大，不管是沙地作业、一般性土壤还是硬质土壤作业都能表现良好。

操作比较方便，代替了传统作业的繁重和复杂。

1、微耕机类别

就目前来说，我们国家生产的微耕机分为自动行走式和驱动行走式两种。

自动行走式的行走驱动轮轴和刀具工作回转刀轴集于一体。

需要微耕机行进时，装上行走机轮，撤下旋转轴刀；需要微耕机进行工作时，卸下行走机轮，装上旋转轴刀开始工作。

这种自动行走式结构比较简单，微耕机机型比较小，价格也相对比较低廉，而且能耗相对也比较低，操作起来也比较渐变，因而这种形式的微耕机应用较为广泛。

驱动式的微型耕耘机行走轮和轴刀不共用同一轮轴，通常情况下行走机轮在微耕机前面，耕作部分位于其后方靠近操作杆一端，扬起扶手，微耕机轴刀远离地面，实现浅耕或者悬空状态；压下扶手实现正常耕耘或者深耕。

一般行走轮轴和旋转刀轴之间采用带传动或者链传动这类传动距离较大的传动形式，不容易操控，转弯过程也比较难以掌握等缺点，使得其应用不是很广泛。

2、微耕机适用范围

微耕机机型较小，使用灵巧方便，因而适用范围广泛。

丘陵地带自不必说，在山区行走比较困难的地方也能利用微耕机强大的行走和驱动能力行动自如，地块比较小、大型耕作机械无法进入的地方也能采用微耕机进行翻覆土壤和开沟起垅等操作，在没有耕作机械行走通道的地方也能很好地利用微耕机行走轮或是驱动刀具来进行行走，因此适用范围极为广泛。

根据其功能分类，又可以分为单一型和多功能型。

有的微耕机性能比较单一，在特定方面性能良好，但是在其他方面表现明显存在很大不足。

如有的微耕机只适合开沟起垅，刀具的安装位置比较固定，沟和垅随着刀具的铲土扬土规律而产生；有的微耕机只适合在砂石较多的地带工作，刀具柔韧性较好，在比较松软的地带作业反而不能发挥其功能；有的刀具刚度较高，刀身较为宽厚，很适合硬质土壤层的工作环境，但是在植被和杂草较多的场合容易缠草，因而只适用于杂草和植被不多的场合。

多功能型的微耕机刀具可调整更换，根据多种地形和耕作环境，满足各种耕作环境要求，适用范围广泛，功能强大而且多样。

现在多功能型微耕机应用相比单一功能型微耕机更为广泛。

3、微耕机工作原理

微耕机的主要执行部件是其切割土壤所用到的旋耕刀具，发动机一般为柴油机，经济性能和动力效果较好；经过中间传动装置的减速、传动、换向之后将动力传递给旋转刀轴部分。

旋转刀轴与水平方向平行，且垂直于微耕机行进方向。

沿刀轴圆周按一定规律布置，刀轴不断旋转带动轴刀切向土壤，并将土壤有规律地进行翻覆。

微耕机也在刀具和土壤相互之间力的作用下不断前进。

微耕机工作过程中，可以通过转动扶手改变微耕机行进方向，调节档位改变微耕机刀具旋转速度，简单易操作。

二、旋耕刀具研究现状分析

旋耕刀具是微耕机的执行机构、关键的工作部位，其在柴油机的带动作用下，经过皮带和减速机构的减速，不断旋转，同时对土壤进行切割。

通常能够进行翻土、对杂草进行切割转化成有机肥料以及起垅等。

十九世纪开始，自旋耕机被发明和使用之后，旋耕刀具的研究就逐渐展开并深入发展，研究的方向主要在于节省微耕机的功率、提高微耕机的工作效率以及功能性逐渐拓展等几个方面。

旋耕刀的结构形式对其节能降耗影响比较大。

国外的研究学者吉尔和亨·杰克等人设计新型结构的刀具，其正切刃回转半径较小，使其不与未经侧切刃耕耘的土壤接触，从而大大节省了耕作所需要的功率消耗。

旋耕刀功率消耗主要由两个方面组成，即刀具对土壤进行切割过程中受到的阻力造成的功率损耗，还有刀具对土壤进行翻覆过程中扬起土壤对土壤的做功损耗的功率。

这两者很大程度上取决于刀具的结构形式，因而对刀具结构形式进行研究和设计很有必要。

刀具材料的研究也是对微耕机刀具研究的一个重要方面，微耕机刀具持续对土壤进行切割，其耐磨性显得尤为重要，不然会增大刀具更换的频率，增加经济成本；刀具的强度自不必说，在切割和翻覆土壤过程中，尤其遇到旱地硬质土壤或砂石较多的土壤时，刀具强度不够很容易造成刀具的折断；同时刀具的刚度也比较重要，刀具刚度过小，过于柔软，会使刀具变形严重，起不到均匀翻覆土壤的作用。

国外的克朗·布朗等人通过在刀具表面喷涂耐磨材料的方法提高刀具表面耐磨性，效果良好。

旋耕刀的刃口曲线和其运动轨迹相关研究也比较丰富，吉尔和亨·杰克等通过研究刀刃上任一点处的运动速度和方向来对刀刃形式进行研究。

这能够判别刀具对土壤作用力的位置和方向以及对土壤的切割规律，能对刀刃曲线的设计起到很好的指导作用。

丁为民等对刀具刀刃的滑切角进行研究，得到动、静态滑切角之间的相互关系，进一步指导刀刃曲线的设计。

日本通过研究刀刃曲面来对耕作效果进行对比分析。

刀刃刃倾角的变化也是影响刀具受力的重要参数，因而对刀具曲面的研究也有重要意义。

孔令德等在刀刃曲面塑造上采用连续弯曲面的办法，提高了旋耕刀具对土壤的切割作用，有利于节省功耗同时获得很好的切土效果。

也有通过先建立刀具模型，然后再对其进行CAE有限元分析的办法，简单直接地从模拟计算数据上分析不同结构刀具在切土性能和刀具可用性上的差异，从而对刀具结构进行优化。

三、微耕机结构组成

微耕机动力部分主要为柴油机，其传动部分的组成比较多样，包括带传动和链传动组合传动的方案、带传动和蜗轮蜗杆传动配合的方案以及全齿轮传动的方案、全部为链传动的方案等。

还有行走机构，由上面分析可知不同类型的微耕机的行走机构存在差异，一般都是通过机轮带动整个微耕机的行进，工作过程中则分为仍然依靠机轮行进的方式和只依靠刀轴整体推进的方式。

切土刀具是微耕机的执行机构，刀具结构形式的差异会对刀具切土效果、切割功率和刀具的使用寿命，因而显得尤为重要。

深度调节装置也比较重要，在土壤硬实难以切割时要适当浅耕，以保护刀具和降低土壤切割的难度；在比较松软的土壤中工作时可以增大耕作深度以提高耕作效率。

柴油机通常装在微耕机前端的支架之上，远离土壤层，防止与地面以及植被的接触，并对整机提供动力。

1、传动系统类别

微型耕耘机械的传动系统是微型耕耘机的重要组成部分。

根据传动形式的差异主要分为带传动和链传动组合传动的方案、带传动和蜗轮蜗杆传动配合的方案以及全齿轮传动的方案、全部为链传动的方案等。

1.1带传动和链传动组合传动

这种组合方式经济性能较好，价格比较低廉，而且能降低微耕机整体的重量。

具体传动过程是柴油机输出轴高速转动，然后通过带传动将动力传递给变速箱，变速箱变速采用链传动方式，调整传动比以适应刀轴的转速的需要。

通常来说，其工作速度比较固定，不能够通过调整传动比的方式来调节刀轴速度。

离合采用张紧轮的方式来实现，压张紧轮，使带传动不打滑，松张紧轮，使传动断开，从而实现离合作用。

1.2带传动和蜗轮蜗杆传动组合

此种传动方式比较新颖，应用也起步较晚。

柴油机通过皮带的传动将动力传递给变速箱，变速箱由蜗轮蜗杆传动组成，变速箱输出轴连接刀轴，带动刀轴的旋转，实现刀具对土壤的切割作用。

带传动可以利用其打滑来对机体进行过载保护，蜗轮蜗杆大的传动比利于简化传动装置，减轻机体重量。

此种传动方式通常通过皮带来进行旋转方向的变化。

如下图一组皮带实现输出轴的正转，另一组皮带实现输出轴的反转，从而实现刀轴的正转和反转。

正反转的实现通过张紧轮的张紧和松弛来进行调节。

同时蜗轮蜗杆还可以改变运动传递的方向，使输出轴与电机输入轴垂直，从而改变整机布置形式。

1.3全部采用齿轮的传动形式

目前，这种全部采用齿轮的传动形式应用较为广泛，柴油机通过离合器连接变速机构的输入轴，变速箱内通过齿轮的配合来改变传动比以及动力传递的方向。

最后输出轴通过直齿锥齿轮的配合将动力传递给刀轴使其旋转从而对土壤进行切割。

1.4全部采用链条的传动形式

全部采用链传动的耕种机械通常属于中耕机械，变速箱内传动主要通过链传动的方式，其也可以分为两个档位，类似自行车的换挡方式，对链条进行拨动来实现。

链传动的传动距离比较长，适用于中耕机械这类要求动力装置和执行刀具之间过渡距离较长的情形。

2、各传动方式对比

机械传动主要有通过带轮进行传递动力的带传动、通过齿轮及其不同的配合方式进行传递动力的齿轮传动方式、涡轮和蜗杆相互配合传递不同方向动力的传动方式以及适用于长距离动力传递的链条传动方式。

各种传动方式都有其优点和不足之处，具体如下：

根据微耕机的用途常常将微耕机分为单一型微耕机和多功能型微耕机。

对应的传动装置也对应采取不同的传动方式。

具体如下：

由上可以看出，各种传动都有其自身的优点和存在的不足，应根据对应微耕机的不同需要而选取不同的动力传动装置。

3、旋耕采用的刀具

除传动装置外，微耕机最重要的一个部位就是其执行部件也即旋耕所采用的刀具。

其结构形式和安装方式极大影响着旋耕的效率和土壤翻覆方式。

3.1旋耕刀结构

根据刀具结构形式的不同，旋耕刀具主要分为类似凿子形状的凿形旋耕刀、正切刃和侧切刃相互垂直的直角刀以及刀刃呈圆弧形状的弯刀三种形式。

3.1.1凿形刀

凿形刀因形似凿子而命名，刀头部较尖。

工作过程中刀尖部分扎入土壤内部，然后刀身整体对土壤进行切割，由于刀尖入土截面积较小，因而入土能力和碎土能力都较强，但是缺少对韧性植物的切割作用，容易使得杂草和植被残骸等缠绕在凿形刀具上面，影响微耕机耕作效率。

同时由于凿形刀具的刀身比较窄小，不能很好地对土壤进行翻覆，因而通常只能在叫稀疏的田园中使用，而且田园中杂草和其他无用植被等不宜过多，不然就不宜选用凿形刀具对其进行耕耘。

3.1.2直角刀

不同于凿形刀具，依靠凿形刀的刀尖部分对土壤进行破碎，直角刀的主要工作部位是直角刀的两刀刃部分。

通常由相互垂直的正切刀刃和侧面刀刃组成。

正切刃首先和土壤接触并对土壤进行切割，之后侧切刃再进一步对土壤进行切割。

其相比于凿形刀具，能够更好地用于首次垦荒，并且能够开垦比较硬实的土壤，切土效果比凿形刀具略好，但也是存在容易缠草的缺陷。

3.1.3弧形刃口弯刀

如图所示刃口呈弧形，而不是通常见到的直线刃口。

弯刀工作刃口也分为正切刃口部分和侧切刃口部分。

在一定程度上与直角刀类似，也是侧切刃先沿微耕机行进方向对土壤进行切割，然后正切刃沿垂直于微耕机行进的方向对土壤进行切割、翻土。

不同于直角刀之处在于其正切刃和侧切刃曲线都呈圆弧形而不是直线形式，这能够使弯刀在切割时都先从刀根部位置开始切土切草，然后靠近刀尖部位逐渐对土壤和植被进行切割，这能将不易切割的植被沿弯刀圆弧切刃逐渐压向未切割硬实土壤，有利于对植被的切割从而防止植被对微耕刀具的缠绕，而且切土过程中刀具受力更为均匀一致