割草机旋刀装置的降噪措施

撰文/曹良志

■317500 利欧集团股份有限公司 浙江 温岭



割草机旋刀装置的降噪措施

撰文/曹良志

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割草机的设计应当符合其工作状况的要求，通过分析割草机的作用工况及其工作原理，从实际出发并有针对性的进行仿形设计，得出最为理想的设计思路，并针对于旋刀式割草机的噪声大问题采取相应的减噪措施，从而降低外部环境对其内部振动的影响，达到降低噪音的目标。割草机；旋刀式；减噪措施

目前，草坪割草机的切割装置主要有旋刀式和滚刀式两种型式。旋刀式草坪割草机结构比较简单，价格便宜，使用维修简单，因而在国内和国际上得到了广泛的应用，但是它存在的主要问题是噪声太大。为此，本文主要对旋刀式割草机的工作状况、工作原理、以及降噪措施进行阐述。

割草机的工作情况和原理分析

割草机的作业工况

割草机的技术状态要求设备完整、运行平稳、噪音适度；连接件牢固、紧固件没有松动，没有漏油；工作中切割器可以适应地面起伏，升降范围满足牧草要求。割草机的运转部件和外露的动力传输部件应进行防护；割草机应用装置有过载保护系统和安全起落机构；作业之前应保证地块的相对整洁，即没有大石块等杂物从而影响割刀的运行，避免割刀损坏；作业中如遇故障应停车后进行检查排除；在作业前应细致检查割刀、连接、等是否锁死，并保证各个部件完好没有磨损和损坏。

割草机（旋刀式）的基本原理

割草机的原理都是利用割刀的旋转对牧草进行收割作业，下面就以旋刀式割草机为例进行说明。此类割草机是利用高速旋转的割刀对植物进行无支撑的切割。其工作部位有一个或者几个圆盘和螺栓连接在刀盘上的割刀组成切割器。垂直轴由动力机械输出动力轴经由增速齿轮带动，使得切刀以数倍于动力机械行驶速度做圆周运动。在惯性的作用下，割刀可以很容易的将数厘米高的牧草切断，至此就完成了牧草切割的工作。其他的割草机的工作方式基本相似，只是其驱动形式有所不同。旋刀式割草机通常是利用独立悬挂装置，悬挂在拖拉机后面进行工作。割草机上通常转载有调节高度的之间，工作是可以利用液压装置进行调控，收割机的牵引连接则可以在拖拉机的前方或者后方。

割草机的设计思路分析

旋刀式割草机主要三种设计思路：托盘形式设计，支撑轮设计，弹簧减震仿形。下面就对其三种设计进行分析：

托盘形式设计：实际上就是在旋转刀盘下设计一个固定托盘，此种设计是为了避免刀盘在遇到较高地面时出现刀片被卡住的现象，而无法继续进行切割以至于损坏刀盘。但是这种设计的仿形效果并不是很理想，下方的托盘如果遇到阻碍物就会被卡住从而导致割草机出现倾斜，影响割草的质量，控制度也不会很精确，此种设计显然是不可取的。

支撑轮设计：此种设计就是在割草机的后面设置一个车轮，其目的是为了支撑割草机并起到仿形的功效，以保证与地面起伏一致并易于控制高度。此种结构在切割中比较灵活，仿形作用良好，但是支撑不够稳定，容易产生倾倒，基本没有防震作用，显然也不可取。

弹簧减震仿形：此种设计就是将割草机放置在一个悬挂的系统上，在节点位置设计一弹簧装置，使其达到减震和仿形的双重作用，此时割茬高度是利用悬挂系统的悬臂进行控制的，高度易于固定，此种设计在实践工作中得到了较好的效果，基本可满足其作业需求。由此可见此种设计是这三种设计中最为理想的一种。

对割草机的动态分析

设计完成后需要对割草机整体情况及其运行进行模拟分析，然后利用计算机对割草机圆盘做动态分析，并以此作为依据对该设计的基本参数进行改进。下面就对割草机的动态分析做简要的介绍。

割草机的动态研究

在对割草设备进行动态化研究时，动力和机械运动是不可分割的，所有运动都是由动力引发的，割草机的设计首先应该从运动学出发，对设备的运动方式进行分析，并获得其运动规律，然后才能从动力学方面研究其具体构件的受力情况，即解析受力和运动之间的关系。这一研究为结构设计提供了必要依据。由于割草机的运行工况是在不确定的因素下进行的，地面的起伏不受人为控制，因此设备必须适应运行工况，使之得到平衡，保证设备的稳定性。当然研究割草机的刀片的运行情况和噪音的形成也离不开此种研究模式。其研究并不是针对刀片本身而是从整体进行研究，确定割草机的运行和产生振动的模式，这样才能达到消除噪音根源的目的。

割草机的矢量分析

割草机实际上是一个物理层面上的运动质点，其运动的方向和规律都与其周围的限制因素有关，此时刀片的运动和噪音就会受到周围机构性能的影响。此种运动是十分复杂的，为了简化研究和分析的内容，可以利用矢量来表示其运行规律，将连杆的两端作为运动的起点和终点，从而将某个部件作为一个质点沿着某种规律进行运动，这对研究割草机的运动和受力情况起到一定的帮助。

割草机的振动分析

割草机的动态化振动实际上取决于割草机的总体结构布置、激振力性质、悬挂装置的结构特性等等。从整体看割草机是由机架、切割器、传动等一系列的独立系统组合而成的，是一个复杂的振动系统，在工作中受到各种载荷的影响而产生振动。其主要的载荷来自旋转系统、传动系统的周期性变化，而地面和牧草的阻力则是一种随机载荷，虽然割草机的振动来自多种因素但是其主要的振动源就是地面不平所导致的整体的振动，以此在对其振动进行调整的过程中主要考虑的是割草机机械系统对地面的适应性能，在此基础上对其振动情况机械能调整。

旋刀式割草机的降噪措施

带翼片的刀片在刀壳内旋转相当于轴流风机，旋刀装置的噪声主要是带翼片的刀片在刀壳内旋转，从而引起震动产生的。旋刀噪声主要为空气动力噪声，主要是因为气体的不稳定流动，也就是气体的干扰；气体与物质间相互作用所产生的噪声。空气动力噪声主要由涡旋噪声和旋转噪声组成。涡流噪声是因为刀片旋转时翼片周围产生一系列的涡流，这些涡流的分裂和移动使周围的空气发生扰动，从而产生噪声。旋转噪声是因为刀片旋转时翼片切割空气，引起周围空气压力脉动而产生噪声。

降低旋刀刀尖的线速度

在风机的空气动力噪声中，旋转噪声和风机叶轮周转速度的10次方成正比；涡流噪声和风机叶轮周转速度的6次方成正比.草坪割草机旋刀刀尖的周转速度越高，产生的空气动力噪声就越大。在不影响切割技术的条件下，尽量降低旋刀的刀尖线速度，从而降低噪声。目前，国际上的旋转式草坪割草机的刀尖速度一般控制在70～100m/s之间。为了降低噪声，同时提高工作的安全性。近年来，美国研制了低速旋刀草坪割草机，此机的刀尖速度在26m/s左右也可以正常割草。

采用低噪声的旋刀装置

在传统旋刀装置的基础上改进刀片的翘曲度，降低旋刀装置的噪声。传统装置的旋刀装置的翼片与旋转综轴线的角度（形成角）是零，将改进装置的形成角设计在25-35°之间。当旋刀装置在刀壳内绕其回转轴旋转时，翼片上的空气质点一方面以角速度绕旋刀的回转轴旋转；另一方面绕翼片圆柱面的轴心线转动。与其同时还沿着翼片母线以一定的速度移动。改进装置因为形成角大于0，所以移动的方向背向刀壳裙部，而传统装置的形成角等于0，并且由于离心惯性力的影响，使得移动方向指向刀壳裙部。如果将这两种旋刀装置安装在同一刀壳内，且刀轴以相同的转速旋转，但是气流的流动性质是不同的。改进装置的翼片形成的气流是向前、向上、向内，而传统装置的翼片则形成向前、向上、向外的气流。因此，传统装置在翼片的前方的刀壳裙部附近就会形成密度相对较大的气流。由于气流的密度越大，产生的噪声也就越大。当翼片连续不断的切割密度较大的气流，就会产生很大的噪声，同时，由于阻力的增加，刀壳的磨蚀程度也会增加。所以，改进刀片的翘曲度还是相当必要的，不仅降低噪声，也能延长旋刀的装置的寿命。

割草机上安装消声器

在割草机上安装消声器，可以在一定程度上减低噪声。通过调查和研究，对旋刀装置的结构进行了多方面的研究，对割草机配套的内燃机的减噪装置进行了研究和改进，例如，美国的JOHN DEERE48和德国的SOLO的割草机将大容积的消声器安装在旋转式刀壳内，在很大程度上降低了噪声污染，均达到好的消声效果。

结语

在割草机的设计中，其主要的出发点就是为了适应工况的需求，达到牧草生产的标准。弹簧减震仿形可以达到减震作用，而且易于固定，达到割草机的作业需求。另外通过降低旋刀刀尖的线速度和采用低噪声的旋刀装置，降低旋转割草机内部装置的振动，达到降低噪声的目的。

参考：

［1］王振东，涂洪森.草坪割草机高度调节机构对作业质量影响分析及其优化设计［J］.林业机械与木工设备.2004，（01）

［2］周忠旺.草坪割草机的设计与割草质量［J］.林业机械与木工设备.2002，（10）

［3］张军.FXG-1型手扶自行式割草机的研制和应用［J］.治黄科技信息.2006，（02）