割草機旋刀裝置的降噪措施

撰文/曹良志

■317500 利歐集團股份有限公司 浙江 溫嶺

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割草機旋刀裝置的降噪措施

撰文/曹良志

■317500 利歐集團股份有限公司 浙江 溫嶺

割草機的設計應當符合其工作狀況的要求，通過分析割草機的作用工況及其工作原理，從實際出發并有針對性的進行仿形設計，得出最為理想的設計思路，并針對于旋刀式割草機的噪聲大問題采取相應的減噪措施，從而降低外部環境對其內部振動的影響，達到降低噪音的目標。割草機；旋刀式；減噪措施

目前，草坪割草機的切割裝置主要有旋刀式和滾刀式兩種型式。旋刀式草坪割草機結構比較簡單，價格便宜，使用維修簡單，因而在國內和國際上得到了廣泛的應用，但是它存在的主要問題是噪聲太大。為此，本文主要對旋刀式割草機的工作狀況、工作原理、以及降噪措施進行闡述。

割草機的工作情況和原理分析

割草機的作業工況

割草機的技術狀態要求設備完整、運行平穩、噪音適度；連接件牢固、緊固件沒有松動，沒有漏油；工作中切割器可以適應地面起伏，升降范圍滿足牧草要求。割草機的運轉部件和外露的動力傳輸部件應進行防護；割草機應用裝置有過載保護系統和安全起落機構；作業之前應保證地塊的相對整潔，即沒有大石塊等雜物從而影響割刀的運行，避免割刀損壞；作業中如遇故障應停車后進行檢查排除；在作業前應細致檢查割刀、連接、等是否鎖死，并保證各個部件完好沒有磨損和損壞。

割草機（旋刀式）的基本原理

割草機的原理都是利用割刀的旋轉對牧草進行收割作業，下面就以旋刀式割草機為例進行說明。此類割草機是利用高速旋轉的割刀對植物進行無支撐的切割。其工作部位有一個或者幾個圓盤和螺栓連接在刀盤上的割刀組成切割器。垂直軸由動力機械輸出動力軸經由增速齒輪帶動，使得切刀以數倍于動力機械行駛速度做圓周運動。在慣性的作用下，割刀可以很容易的將數厘米高的牧草切斷，至此就完成了牧草切割的工作。其他的割草機的工作方式基本相似，只是其驅動形式有所不同。旋刀式割草機通常是利用獨立懸掛裝置，懸掛在拖拉機后面進行工作。割草機上通常轉載有調節高度的之間，工作是可以利用液壓裝置進行調控，收割機的牽引連接則可以在拖拉機的前方或者后方。

割草機的設計思路分析

旋刀式割草機主要三種設計思路：托盤形式設計，支撐輪設計，彈簧減震仿形。下面就對其三種設計進行分析：

托盤形式設計：實際上就是在旋轉刀盤下設計一個固定托盤，此種設計是為了避免刀盤在遇到較高地面時出現刀片被卡住的現象，而無法繼續進行切割以至于損壞刀盤。但是這種設計的仿形效果并不是很理想，下方的托盤如果遇到阻礙物就會被卡住從而導致割草機出現傾斜，影響割草的質量，控制度也不會很精確，此種設計顯然是不可取的。

支撐輪設計：此種設計就是在割草機的后面設置一個車輪，其目的是為了支撐割草機并起到仿形的功效，以保證與地面起伏一致并易于控制高度。此種結構在切割中比較靈活，仿形作用良好，但是支撐不夠穩定，容易產生傾倒，基本沒有防震作用，顯然也不可取。

彈簧減震仿形：此種設計就是將割草機放置在一個懸掛的系統上，在節點位置設計一彈簧裝置，使其達到減震和仿形的雙重作用，此時割茬高度是利用懸掛系統的懸臂進行控制的，高度易于固定，此種設計在實踐工作中得到了較好的效果，基本可滿足其作業需求。由此可見此種設計是這三種設計中最為理想的一種。

對割草機的動態分析

設計完成后需要對割草機整體情況及其運行進行模擬分析，然后利用計算機對割草機圓盤做動態分析，并以此作為依據對該設計的基本參數進行改進。下面就對割草機的動態分析做簡要的介紹。

割草機的動態研究

在對割草設備進行動態化研究時，動力和機械運動是不可分割的，所有運動都是由動力引發的，割草機的設計首先應該從運動學出發，對設備的運動方式進行分析，并獲得其運動規律，然后才能從動力學方面研究其具體構件的受力情況，即解析受力和運動之間的關系。這一研究為結構設計提供了必要依據。由于割草機的運行工況是在不確定的因素下進行的，地面的起伏不受人為控制，因此設備必須適應運行工況，使之得到平衡，保證設備的穩定性。當然研究割草機的刀片的運行情況和噪音的形成也離不開此種研究模式。其研究并不是針對刀片本身而是從整體進行研究，確定割草機的運行和產生振動的模式，這樣才能達到消除噪音根源的目的。

割草機的矢量分析

割草機實際上是一個物理層面上的運動質點，其運動的方向和規律都與其周圍的限制因素有關，此時刀片的運動和噪音就會受到周圍機構性能的影響。此種運動是十分復雜的，為了簡化研究和分析的內容，可以利用矢量來表示其運行規律，將連桿的兩端作為運動的起點和終點，從而將某個部件作為一個質點沿著某種規律進行運動，這對研究割草機的運動和受力情況起到一定的幫助。

割草機的振動分析

割草機的動態化振動實際上取決于割草機的總體結構布置、激振力性質、懸掛裝置的結構特性等等。從整體看割草機是由機架、切割器、傳動等一系列的獨立系統組合而成的，是一個復雜的振動系統，在工作中受到各種載荷的影響而產生振動。其主要的載荷來自旋轉系統、傳動系統的周期性變化，而地面和牧草的阻力則是一種隨機載荷，雖然割草機的振動來自多種因素但是其主要的振動源就是地面不平所導致的整體的振動，以此在對其振動進行調整的過程中主要考慮的是割草機機械系統對地面的適應性能，在此基礎上對其振動情況機械能調整。

旋刀式割草機的降噪措施

帶翼片的刀片在刀殼內旋轉相當于軸流風機，旋刀裝置的噪聲主要是帶翼片的刀片在刀殼內旋轉，從而引起震動產生的。旋刀噪聲主要為空氣動力噪聲，主要是因為氣體的不穩定流動，也就是氣體的干擾；氣體與物質間相互作用所產生的噪聲。空氣動力噪聲主要由渦旋噪聲和旋轉噪聲組成。渦流噪聲是因為刀片旋轉時翼片周圍產生一系列的渦流，這些渦流的分裂和移動使周圍的空氣發生擾動，從而產生噪聲。旋轉噪聲是因為刀片旋轉時翼片切割空氣，引起周圍空氣壓力脈動而產生噪聲。

降低旋刀刀尖的線速度

在風機的空氣動力噪聲中，旋轉噪聲和風機葉輪周轉速度的10次方成正比；渦流噪聲和風機葉輪周轉速度的6次方成正比.草坪割草機旋刀刀尖的周轉速度越高，產生的空氣動力噪聲就越大。在不影響切割技術的條件下，盡量降低旋刀的刀尖線速度，從而降低噪聲。目前，國際上的旋轉式草坪割草機的刀尖速度一般控制在70～100m/s之間。為了降低噪聲，同時提高工作的安全性。近年來，美國研制了低速旋刀草坪割草機，此機的刀尖速度在26m/s左右也可以正常割草。

采用低噪聲的旋刀裝置

在傳統旋刀裝置的基礎上改進刀片的翹曲度，降低旋刀裝置的噪聲。傳統裝置的旋刀裝置的翼片與旋轉綜軸線的角度（形成角）是零，將改進裝置的形成角設計在25-35°之間。當旋刀裝置在刀殼內繞其回轉軸旋轉時，翼片上的空氣質點一方面以角速度繞旋刀的回轉軸旋轉；另一方面繞翼片圓柱面的軸心線轉動。與其同時還沿著翼片母線以一定的速度移動。改進裝置因為形成角大于0，所以移動的方向背向刀殼裙部，而傳統裝置的形成角等于0，并且由于離心慣性力的影響，使得移動方向指向刀殼裙部。如果將這兩種旋刀裝置安裝在同一刀殼內，且刀軸以相同的轉速旋轉，但是氣流的流動性質是不同的。改進裝置的翼片形成的氣流是向前、向上、向內，而傳統裝置的翼片則形成向前、向上、向外的氣流。因此，傳統裝置在翼片的前方的刀殼裙部附近就會形成密度相對較大的氣流。由于氣流的密度越大，產生的噪聲也就越大。當翼片連續不斷的切割密度較大的氣流，就會產生很大的噪聲，同時，由于阻力的增加，刀殼的磨蝕程度也會增加。所以，改進刀片的翹曲度還是相當必要的，不僅降低噪聲，也能延長旋刀的裝置的壽命。

割草機上安裝消聲器

在割草機上安裝消聲器，可以在一定程度上減低噪聲。通過調查和研究，對旋刀裝置的結構進行了多方面的研究，對割草機配套的內燃機的減噪裝置進行了研究和改進，例如，美國的JOHN DEERE48和德國的SOLO的割草機將大容積的消聲器安裝在旋轉式刀殼內，在很大程度上降低了噪聲污染，均達到好的消聲效果。

結語

在割草機的設計中，其主要的出發點就是為了適應工況的需求，達到牧草生產的標準。彈簧減震仿形可以達到減震作用，而且易于固定，達到割草機的作業需求。另外通過降低旋刀刀尖的線速度和采用低噪聲的旋刀裝置，降低旋轉割草機內部裝置的振動，達到降低噪聲的目的。

參考：

［1］王振東，涂洪森.草坪割草機高度調節機構對作業質量影響分析及其優化設計［J］.林業機械與木工設備.2004，（01）

［2］周忠旺.草坪割草機的設計與割草質量［J］.林業機械與木工設備.2002，（10）

［3］張軍.FXG-1型手扶自行式割草機的研制和應用［J］.治黃科技信息.2006，（02）