4N—3型柠条平茬机设计分析

赵浮萍

【摘 要】 分析论述了4N-3型柠条平茬机的切割机构、动力配置、安全装置、提升机构、配重机构，柠条的排送装置及其传动系统参数的确定。

【关键词】 柠条 锯齿刀盘 排枝罩

4N-3型柠条平茬机（前置式）与小型轮式拖拉机配套，由发动机主轴输出动力，经由发动机动力输出，皮带轮经二级传动带动两变速箱变向变速，带动水平排列的等腰三角形锯齿盘高速旋转，在机车前行时，实现对柠条枝条的切割，并在V型排枝罩的作用下，切割后的柠条向两侧后边连续排送，完成柠条平茬作业。

1 主要结构组成

4N-3型柠条平茬机结构组成见图1。

2 主要技术参数

4N-3型柠条平茬机外形尺寸（长×宽×高）为400mm×1150mm×1220mm，整机质量（加配重）为460kg，与拖拉机挂接形式为前置全悬挂，配套动力为23.53kW，割台提升速度大于0.05m/s，割台静沉降性能不大于10mm，锯齿盘配置数量为3个，锯齿盘安装形式为水平等腰三角形排列，割幅为1200mm，最低离地间隙为300mm，发动机额定转速为2200r/min，大/小锯齿刀盘转速为1936r/min，作业速度为0～5km/h。

3 切割机构的设计

3.1 切割形式的确定

柠条茎秆纤维韧性较强，多年生长的柠条，木质化较为严重，必须采取锯切的方式，可实施柠条的切割。

3.2 锯齿盘直径的确定

根据行播柠条的行距与幅宽所确定。实际测量，行播柠条的行距一般为500～600mm，每行幅宽一般为200mm左右，因此确定大刀盘直径为600mm，两后刀盘之间的轴中心距为620mm，两后刀盘留有20mm的间距，两刀盘外延之间的宽度（即有效切割幅宽）为1220mm，既保证同时切割两行柠条，又保证小四轮拖拉机后轮顺利通过。前锯齿盘位于两大锯齿盘前方，确定齿盘直径为500mm。

3.3 锯齿盘位置排列形式的确定

针对种植密度大、长势粗而高大的柠条，决定将锯齿盘排列为水平等腰三角形结构，效果较好。与V型曲线排枝罩组合，不易发生堵塞。采用三锯齿刀盘结构形式，形成等腰三角形结构，具有结构接凑、操作灵活的特点。两后锯齿刀盘平行水平排列，两后锯齿盘两轴之间中心距为620mm，前锯齿盘直径为500mm，位于两锯齿盘前方的中心线上，小锯齿盘的中心线与两后锯齿盘两轴之间的中心线重合，形成三点等腰结构形式。

3.4 锯齿刀盘单齿切削量的确定

刀盘的齿数、转速和机组的前进速度这三者之间是一个配合关系，即单齿切削量由h△=确定，其中h△为单齿切削量（mm），N为锯齿盘齿数，n为锯齿盘转速 r/min。已知机组作业最大前进速度v为5km/h，后锯齿盘齿数N为157齿，前锯齿盘齿数N为117齿，前后锯齿盘转速n均为1936r/min（32r/s），则单齿最大切削量h△大为0.27，单齿最小切削量h△小为0.37。经试验，h△完全能够满足切削量要求。

刀齿线速度应为V′=D×π×n ，式中V′为齿盘线速度，D为锯齿盘的直径（大盘600mm，小盘500mm），n为齿盘转速32r/s。则大锯齿盘线速度为60.3，小锯齿盘线速度为50.3。经试验，、完全能够满足切削要求。

3.5 锯齿刀盘齿形的确定

前锯齿刀盘与两后锯齿刀盘的刀盘锯齿形状根据实际试验进行选择确定，前锯齿刀盘和两后锯齿刀盘锯齿参数主要为背角A和切割前角B，见图2。经试验，确定三锯齿盘背角A为40°，切割前角B为20°时，可保证三锯齿刀盘能达到最佳耐磨性能。

4 传动系统参数的确定

4.1 传动参数的确定

第1级传动比i1由i1=确定，其中D1为柴油机动力输出皮带轮直径120mm，D2为离合器皮带轮直径136mm，则i1为0.88。

第2级传动比i2由i2=确定，其中D3为中间传动输出皮带直径136mm，D4为锥齿箱外侧的皮带轮直径136mm，则i2为1。

锥齿轮传动比i由i锥=确定，其中N1为主动齿轮的齿数 30齿，N2为从动齿轮的齿数30齿，则i锥为1。

那么，总传动比为i总=i1×i2×i锥=0.88。

锯齿刀盘转速n刀=n额×i总，其中n额为柴油机额定转速 2200r/min，则n刀为1936r/min。

4.2 传动零件参数的确定

（1）锥齿轮参数的确定 采用类比法，参照与小四轮拖拉机配套的双圆盘割草机中的齿轮参数。即模数为4mm，齿数为30齿，材料为45#钢，表面淬火硬度为45～50HRC。（2）轴直径的确定各传动轴直径以直径较小的离合器轴进行扭曲强度计算确定所需的安全轴径。离合器轴选取45#钢，按扭曲强度公式计算，其中材料系数A值查表为11，代入d=A，其中d为扭曲强度计算后的轴径（mm），N为传递功率23.53kW，n为工作转速1936r/min，则d为25mm。实际轴径为28mm，大于许用直径。

经计算，全机其他轴件直径均比离合器传动轴径大，传动功率相同，因此，全部传动轴承受扭曲强度较大，弯曲强度较小，可忽略不计，所有轴径无需考虑计算弯曲强度所选轴径要求。

5 动力配置

考虑到切割枝杆直径小于35mm、割幅1.1m的柠条，便于操作，三圆盘切割的平茬收割机动力能耗在14.71～23.53kW，所以选择具有机身窄、座位底、操作者身体侧向活动空间大特点的小型轮式拖拉机。

6 安全装置的确定

选用梯形牙嵌离合器。由于离合器结合时，有一定的冲击性，设计材料用45#钢，牙嵌部位淬火处理，硬度为40～46HRC。

7 提升机构的确定

选择缸筒直径为20 cm、最大工作行程长度为50cm的液压油缸。

两上拉杆连接板、两上拉杆、下拉杆连接轴和两下拉杆组成四连杆提升机构（见图3）。该机构最低位置可放至地面，提升后离地最大高度为35cm。

8 前伸式弹性扶枝器的设置

前伸式弹性扶枝器由弹性圆钢焊合而成，焊接或联接在排枝罩前面中线下端部，扶枝器底部与排枝器底部为同一水平面内，排枝器伸出长度为320mm，上部为圆孤形，下部为直线形。扶枝器下端紧贴地面，伸到倒伏柠条丛的下边枝丛，在拖拉机前行的作用下，由弹性圆孤杆将倒伏的枝条扶起完成平茬作业。设计的前伸式弹性扶枝器割净率由原来的95%提高到98%～100%。

9 配重机构的设置

考虑到柠条大多被种植在地形复杂的地块，并且为了提高拖拉机轮胎的附着力、机组的操向性能，使机组重心位置稳定、三锯盘切割柠条性能可靠，所以必须设置配重装置，而且所设的配重重量可随机组作业要求，能进行调整。配重分为4块，为钢筋水泥结构的矩形块，外表用薄钢板焊合，每块配重为45kg。

10 柠条的排送装置

由于平茬收割机配置在拖拉机前方，故要保证切割后的柠条及时、通畅、连续地从两侧排送，就必须设计安全有效的排送装置。

该机专门设计的排送装置形状为V型，两侧面为曲线型排枝板，选取合适的排送角度，以及选择与刀盘合适的相互位置。

参考文献

[1]刘志刚，王德成.自走式灌木平茬机设计与试验[J].农业机械学报，2010，41（97）.

[2]陈志.农业机械设计手册[M].北京：中国农业科技出版社，2007，1063-1064.