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[摘要]对4W2.0型芦苇收割机割刀驱动机构进行受力分析，阐述该机构对整机作业效果所起的决定作用，证明双曲柄滑块机构驱动的双动刀新型切割器的惯性力得到近似的完全平衡。
[关键词]双曲柄滑块 惯性力 芦苇收割机
中图分类号：O369 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1220132－01
一、前言
目前我国农业收获机械切割器的割刀驱动机构主要有：曲柄连杆结构、凸轮机构和摆环机构三大类。无论采用哪一类机构驱动的切割器，由于割刀的往复运动均产生一定的惯性力和冲击载荷，对切割器本身部件及收割机整机的寿命都有一定的影响。因此，设计时均需进行相应的惯性力平衡。如常用的曲柄连杆机构的平衡方法是：在曲柄上增设配重，利用配重的离心惯性力来平衡割刀的往复惯性力。这种方法往往只是往复惯性力得到部分的平衡，而不能达到完全的平衡；盘锦市芦苇科学研究所研制的4W-2.0型芦苇收割机采用了双曲柄滑块机构驱动双动刀的设计，由于上、下刀片往复互动的特殊性，其往复惯性力近似地得到了完全平衡，因此提高了整机的可靠性、延长了机具的使用寿命，从而拓宽了该机的推广空间。
二、双曲柄滑块割刀驱动机构的工作原理
该机构主要是由一对曲柄和一对滑套构成。工作时，随着主动轴的回转，动力通过一对直齿轮1:1传递至两曲柄，使之作相同转速、相反方向的回转，从而驱动两滑套运动并带动上、下两刀片组同时作左、右两个方向的往复运动（两滑套杆分别与上、下两刀杆连接），从而实现对芦苇的切割。
三、受力分析
双曲柄滑块机构工作时，曲柄直接将力作用于滑套，由于切割器的上、下刀杆与滑套杆直接相连，因此，滑套的运动规律即代表了上、下刀片组的运动规律，机构的受力见图1所示。
从图1可以看出，一对曲柄同时沿着左、右滑套接触点´的法线方向作用给滑套的总力为P1和P2，分解成水平分力P1＇和P2＇及垂直分力P1" 和P2" 。
（一）x轴方向（平行于地面）的受力情况
机构在x轴方向的受力∑FX包括：割刀的驱动力和刀片往复运动所受的阻力。
由图1经分析知道，P1和P2的水平分力P1＇和P2＇即为上、下割刀的驱动力，方向分别指向左和右。由于具有相同的结构、相同的运动规律，所以，两曲柄作用于两滑套的力P1=P2，因此，P1＇=P2＇。另外，上、下割刀工作时沿x轴方向运动须克服的阻力有：禾杆的平均切割阻力fq(fq＇)；下刀杆与拖脚产生的滑动摩擦力fm及上刀片与压刃器的滑动摩擦力fm＇；上、下两刀片组之间的摩擦力fd。因此，上、下割刀工作时在x轴方向上的合力分别为：
∑F上=P1＇－（fq+fd+fm＇） ①
∑F下=P2＇－（fq＇+fd+fm） ②
因为上、下刀片组规格一致，刀片总数相同，刀刃同时进入切割，所以切割阻力相等，但方向相反，即：fq=－fq＇； ③
由于拖脚与压刃器数量相同，并且它们分别与下刀杆和上刀片接触面积相近似，因此，fm≌fm＇所以有：
（fq+fd+fm＇）≌（fq＇+fd+fm） ④
因此，由①～④得：∑F上－∑F下即：
∑FX=∑F上＋∑F下=0 ⑤
这也就是说割刀工作时，机构在x轴方向（平行于地面）的合力近似为零。
（二）Y轴方向（垂直于地面）的受力情况
由图1知道，曲柄作用给滑套的总力P1和P2分解的垂直分力P1"和P2"相互叠加，即PY=2P1"(2P2")。也就是机构在工作中存在着垂直于地面向上的一个合力。因此，设计上通过将割台及悬挂架与升降地轮外套固定连接，且将驱动箱体布置在割台左侧，基本处于整机的重心位置，因此PY由整机垂直于地面向下的重力通过驱动箱壳体相抵消。即：∑FY=0。也就是机构工作时，在Y轴方向上的合力也为零。
（三）产生惯性力的分析
由于上、下刀片组的整体质量近似相等，所以，上、下刀片组运动中产生的惯性力相等、方向相反，相互抵消；另外，由于两曲柄结构相同，且在同一转速下相向运动，其瞬时角速度变化一致，因此，左、右曲柄运动中产生的惯性力大小相等、方向相反。所以，机构工作时，由于曲柄的高速转动和上、下刀片组的高频率往复运动而产生的惯性力均得到了抵消。
（四）受力后产生力矩的分析
由图1结合上、下刀片组结构知道，机构工作时上、下驱动板带动上、下刀片组对禾杆进行切割时，上、下驱动板分别承受一个水平方向的随时变化的推力P1＇和P2＇。当上、下刀片剪切禾杆受到的平均切割阻力fq逐渐增大时，P1＇和P2＇也随之增大，而增大至大于fq的过程也就是禾杆被剪断的过程。在此过程中，在刀片与驱动板构成的水平平面内交替产生着一对大小相等且方向相反的力矩。它们是：M上=P1＇(fq)a和M下=P2＇(fq)a(a为上、下驱动板的受力点距割刀刃口中心的距离)，并且它们是随着P1＇和P2＇变化而变化的。由前述分析计算得：
∑M=M上+M下=0
综上所述，双曲柄滑块机构驱动的新型切割器工作时上、下刀片组产生的力和力矩相互抵消，基本上不产生多余、有害的力和力矩，同时惯性力也得到了近似的完全平衡。
四、新型切割器的使用效果
4W-2.0型芦苇收割机自2004年研制成功以来，已在盘锦地区各大苇场得到了广泛的推广和应用。由于该机收割台等装置的独特设计，特别是双曲柄滑块割刀机构运动平稳、震动小，因此整机可靠性好。并于2006年01月，在黑龙江兴凯湖北大荒纸业进行了芦苇收割作业，尽管当地的芦苇是生长在湖水里、冬季湖面结冰并积雪达20～30厘米，该机仍然能够可靠地连续收割作业，得到了北大荒纸业的认可。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
[关键词]双曲柄滑块 惯性力 芦苇收割机
中图分类号：O369 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1220132－01
一、前言
目前我国农业收获机械切割器的割刀驱动机构主要有：曲柄连杆结构、凸轮机构和摆环机构三大类。无论采用哪一类机构驱动的切割器，由于割刀的往复运动均产生一定的惯性力和冲击载荷，对切割器本身部件及收割机整机的寿命都有一定的影响。因此，设计时均需进行相应的惯性力平衡。如常用的曲柄连杆机构的平衡方法是：在曲柄上增设配重，利用配重的离心惯性力来平衡割刀的往复惯性力。这种方法往往只是往复惯性力得到部分的平衡，而不能达到完全的平衡；盘锦市芦苇科学研究所研制的4W-2.0型芦苇收割机采用了双曲柄滑块机构驱动双动刀的设计，由于上、下刀片往复互动的特殊性，其往复惯性力近似地得到了完全平衡，因此提高了整机的可靠性、延长了机具的使用寿命，从而拓宽了该机的推广空间。
二、双曲柄滑块割刀驱动机构的工作原理
该机构主要是由一对曲柄和一对滑套构成。工作时，随着主动轴的回转，动力通过一对直齿轮1:1传递至两曲柄，使之作相同转速、相反方向的回转，从而驱动两滑套运动并带动上、下两刀片组同时作左、右两个方向的往复运动（两滑套杆分别与上、下两刀杆连接），从而实现对芦苇的切割。
三、受力分析
双曲柄滑块机构工作时，曲柄直接将力作用于滑套，由于切割器的上、下刀杆与滑套杆直接相连，因此，滑套的运动规律即代表了上、下刀片组的运动规律，机构的受力见图1所示。
从图1可以看出，一对曲柄同时沿着左、右滑套接触点´的法线方向作用给滑套的总力为P1和P2，分解成水平分力P1＇和P2＇及垂直分力P1" 和P2" 。
（一）x轴方向（平行于地面）的受力情况
机构在x轴方向的受力∑FX包括：割刀的驱动力和刀片往复运动所受的阻力。
由图1经分析知道，P1和P2的水平分力P1＇和P2＇即为上、下割刀的驱动力，方向分别指向左和右。由于具有相同的结构、相同的运动规律，所以，两曲柄作用于两滑套的力P1=P2，因此，P1＇=P2＇。另外，上、下割刀工作时沿x轴方向运动须克服的阻力有：禾杆的平均切割阻力fq(fq＇)；下刀杆与拖脚产生的滑动摩擦力fm及上刀片与压刃器的滑动摩擦力fm＇；上、下两刀片组之间的摩擦力fd。因此，上、下割刀工作时在x轴方向上的合力分别为：
∑F上=P1＇－（fq+fd+fm＇） ①
∑F下=P2＇－（fq＇+fd+fm） ②
因为上、下刀片组规格一致，刀片总数相同，刀刃同时进入切割，所以切割阻力相等，但方向相反，即：fq=－fq＇； ③
由于拖脚与压刃器数量相同，并且它们分别与下刀杆和上刀片接触面积相近似，因此，fm≌fm＇所以有：
（fq+fd+fm＇）≌（fq＇+fd+fm） ④
因此，由①～④得：∑F上－∑F下即：
∑FX=∑F上＋∑F下=0 ⑤
这也就是说割刀工作时，机构在x轴方向（平行于地面）的合力近似为零。
（二）Y轴方向（垂直于地面）的受力情况
由图1知道，曲柄作用给滑套的总力P1和P2分解的垂直分力P1"和P2"相互叠加，即PY=2P1"(2P2")。也就是机构在工作中存在着垂直于地面向上的一个合力。因此，设计上通过将割台及悬挂架与升降地轮外套固定连接，且将驱动箱体布置在割台左侧，基本处于整机的重心位置，因此PY由整机垂直于地面向下的重力通过驱动箱壳体相抵消。即：∑FY=0。也就是机构工作时，在Y轴方向上的合力也为零。
（三）产生惯性力的分析
由于上、下刀片组的整体质量近似相等，所以，上、下刀片组运动中产生的惯性力相等、方向相反，相互抵消；另外，由于两曲柄结构相同，且在同一转速下相向运动，其瞬时角速度变化一致，因此，左、右曲柄运动中产生的惯性力大小相等、方向相反。所以，机构工作时，由于曲柄的高速转动和上、下刀片组的高频率往复运动而产生的惯性力均得到了抵消。
（四）受力后产生力矩的分析
由图1结合上、下刀片组结构知道，机构工作时上、下驱动板带动上、下刀片组对禾杆进行切割时，上、下驱动板分别承受一个水平方向的随时变化的推力P1＇和P2＇。当上、下刀片剪切禾杆受到的平均切割阻力fq逐渐增大时，P1＇和P2＇也随之增大，而增大至大于fq的过程也就是禾杆被剪断的过程。在此过程中，在刀片与驱动板构成的水平平面内交替产生着一对大小相等且方向相反的力矩。它们是：M上=P1＇(fq)a和M下=P2＇(fq)a(a为上、下驱动板的受力点距割刀刃口中心的距离)，并且它们是随着P1＇和P2＇变化而变化的。由前述分析计算得：
∑M=M上+M下=0
综上所述，双曲柄滑块机构驱动的新型切割器工作时上、下刀片组产生的力和力矩相互抵消，基本上不产生多余、有害的力和力矩，同时惯性力也得到了近似的完全平衡。
四、新型切割器的使用效果
4W-2.0型芦苇收割机自2004年研制成功以来，已在盘锦地区各大苇场得到了广泛的推广和应用。由于该机收割台等装置的独特设计，特别是双曲柄滑块割刀机构运动平稳、震动小，因此整机可靠性好。并于2006年01月，在黑龙江兴凯湖北大荒纸业进行了芦苇收割作业，尽管当地的芦苇是生长在湖水里、冬季湖面结冰并积雪达20～30厘米，该机仍然能够可靠地连续收割作业，得到了北大荒纸业的认可。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”