全 文 ：往复式葡萄藤切割器优化设计与试验
龙 魁1，刘进宝1，张 静1，杨宛章1，郭 辉1，2
(1 ． 新疆农业大学 机械交通学院，乌鲁木齐 830052;2 ． 新疆农业工程装备创新设计重点实验室，乌鲁木齐 830052)
摘 要: 研究了往复式葡萄藤修剪机械切割器的结构原理，分析计算了往复式葡萄藤切割器工作行程的阻耗和
功耗。以往复式葡萄藤切割器工作行程的阻耗和功耗最小为目标函数，建立优化设计的数学模型，优化计算结
果为:割刀曲柄转速 n = 320 r / min，割刀曲柄半径 r = 50mm，切割器行程 s = 100mm，机器前进速度 vm = 0 ． 9m / s，机
器割幅 B = 1 ． 1m。试验表明，优化设计结果合理，优化数据可靠，能替代试验数据作为参考依据，为低功耗葡萄
藤修剪机的研发提供了一种设计参考。
关键词:切割器;葡萄藤;往复式;优化设计
中图分类号:S225． 5 文献标识码:A 文章编号:1003－188X(2014)10－0124－03
0 引言
修剪机械根据切割器的类型不同，可分为往复割
刀式修剪机、转刀式修剪机和圆盘锯式修剪机 3 种。
其中，往复式切割器由于结构简单、可靠性高，且为有
支承切割，切割质量好，被国内外修剪机械普遍采
用［1］。但是，切割器受到的切割阻力和功耗影响着修
剪机的工作效率，还决定着葡萄园动力机械的选择。
为了提高修剪机的工作效率和降低消耗，以往复式葡
萄藤切割器工作行程的阻耗和功耗最小为目标函数，
以该机构的结构尺寸和工作速度等为约束条件，建立
优化设计的数学模型，进行优化计算，从而得出最优
的参数，并通过试验验证优化数据的合理性［2］。
1 结构原理与分析计算方法
1． 1 结构和工作原理
往复式切割器中，驱动割刀运动的机构有曲柄连
杆机构和摆环机构 2 种［3］。其中，曲柄连杆机构由于
结构简单而得到广泛应用。在收获机上，因曲柄轴心
通常不能配置在割刀运动直线上［3］，所以采用偏置式
曲柄连杆机构作为切割器割刀的驱动机构，设计了往
复式葡萄藤切割器，主要由机架、轴承座、偏心曲柄
盘、拉杆、辅助加强杆及割刀等组成，结构如图 1 所
示。其中，曲柄圆盘通过圆锥销和往复式切割器连接
收稿日期:2013－11－04
基金项目:新疆维吾尔自治区农牧机械管理局科研项目(201104B)
作者简介:龙 魁(1986 －) ，男，河南鹿邑人，硕士研究生，(E－mail)
lk2010418@ 163． com。
通讯作者:郭 辉(1979 －) ，男，乌鲁木齐人，副教授，(E － mail)
gh97026@ 126． com。
上，可以通过更换曲柄圆盘来改变曲柄回转半径，以
适应不同切割行程的割刀［4］。
1．三点悬挂架机架 2．带轮 3． 轴承座 4．机架
5．曲柄圆盘 6．拉杆 7．割刀 8．辅助加强杆
图 1 往复式葡萄藤修剪机结构图
为了简化分析，设曲柄轴心偏距为 0，连杆长度为
无穷大，则割刀运动可看作曲柄销在割刀运动线上的
投影，是一种简谐运动。其工作原理如图 2 所示。
1． 2 功耗与阻力分析计算方法
往复式葡萄藤切割器的能耗为
J0 = N + P f (1)
式中 N—往复式葡萄藤切割器的功耗;
P f—往复式葡萄藤切割器的阻耗。
往复式葡萄藤切割器定刀片与动刀片之间的摩擦
阻力和阻耗分别为
Vp =
ns
500 =
nr
250 (2)
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DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2014.10.030
F f = K × Vp (3)
P f =
Wf
1 000t =
F f × s
1 000t (4)
式中 K—切割速度对动刀与定刀之间摩擦力的影响
系数(N /m·s－1) ;
Vp—切割的平均速度(m/s) ;
n—割刀曲柄转速(r /min) ;
r—割刀曲柄半径(mm) ;
s—切割器行程(m) ;
t—单位时间(s)。
往复式葡萄藤切割器的功耗为
N = Ng + Nk (5)
Ng =
vmBLo
102 (6)
式中 vm —机器的前进速度(m/s) ;
B—机器的割幅(m) ;
Lo—切割每平方米面积的茎秆所需的功，割小
麦 Lo = 100 ～ 200N·m/m
2，割牧草 Lo = 200
～ 300N·m/m2;
Nk—机器空转消耗的功率，一般每米割幅所需
空转功率为 0． 6 ～ 1． 1kW。
图 2 往复式葡萄藤修剪机割刀工作原理图［5］
2 优化设计模型
以往复式葡萄藤切割器工作行程的功耗和阻耗最
小为目标函数，建立优化设计的数学模型。
2． 1 选取设计变量
选取割刀曲柄转速 n 、割刀曲柄半径 r、切割器行
程 s、机器的前进速度 vm、机器的割幅 B为设计变量，设
X =［x1，x2，x3，x4，x5］
T =［n，r，s，vm，B］
T (7)
2． 2 建立目标函数
目标函数为
minF( )X =
x4x5Lo
102 + Nk + k
x1x2
25 x3 × 10
－[ ]4 (8)
2． 3 确定约束函数
根据需要满足的约束条件建立约束函数为
g1 ( )X = nmax － x1 ≥ 0
g2 ( )X = x1 － nmin ≥ 0
g3 ( )X = rmax － x2 ≥ 0
g4 ( )X = x2 － rmin ≥ 0
g5 ( )X = smax － x3 ≥ 0
g6 ( )X = x3 － smin ≥ 0
g7 ( )X = vmax － x4 ≥ 0
g8 ( )X = x4 － vmin ≥ 0
g9 ( )X = Bmax － x5 ≥ 0
g10 ( )X = x5 － Bmin ≥




 0
(9)
其中，g1 ( )X 、g2 ( )X 保证割刀曲柄转速在设计的
要求范围内;g3 ( )X 、g4 ( )X 表示割刀曲柄半径在最大
和最小值之间;g5 ( )X 、g6 ( )X 保证切割器行程在许用
范围之内;g7 ( )X 、g8 ( )X 表示机器前进速度的取值范
围;g9 ( )X 、g10 ( )X 保证机器割幅在设计要求范围内。
3 优化设计计算及结果
设计变量赋初值为:X =［x1，x2，x3，x4，x5］
T =［n，
r，s，vm，B］
T =［500，1 400，76，1，1． 4］T;已知条件为:Lo
= 250N·m/m2，Nk = 0． 8kW，K = 120N /m·s
－1，nmax =
1 000r /min，nmin = 320r /min，rmax = 200mm，rmin = 100mm，
smax = 152． 4mm，smin = 50mm，vm max = 6km /h = 1． 667m /s，
vm min = 3． 5 km /h =0． 972m /s，Bmax = 1． 8m，Bmin = 1． 1m。
优化计算并取整得出最优设计结果为:割刀曲柄
转速 n=320r /min、割刀曲柄半径 r=50mm、切割器行程
s = 100mm、机器前进速度 vm = 0 ． 9m /s、机器割幅 B =
1． 1m。
4 试验分析
设计制造葡萄藤修剪机样机进行田间试验，动力
输出拖拉机 14． 6kW，后轴输出，采用后三点悬挂。连
杆越长，整体机架越大，为了使机架简单紧凑，连杆选
取 320mm。
试验结果表明，动力机械的前进速度对修剪的效
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果至关重要。设动力机械的前进速度为 x，修剪效果
不良率为 y。修剪效果不良分为割茬不平齐、破碎、撕
裂，修剪效果不良率 y 等于修剪不良的面积除以总体
的修剪面积。在不同的动力机械前进速度下，修剪效
果不良率如图 3 所示。
图 3 动力机械前进速度与修剪效果不良率的关系曲线
结果表明，修剪效果不良率随着动力机械前进速
度的增大而增大。当前进速度小于 0． 9m / s 时，修剪
效果不良率增加幅度不太明显;当前进速度大于
0． 9m / s时，修剪效果不良率急剧增加。这表明，前进
速度 0． 9m / s是动力机械前进速度对修剪效果不良率
影响的分界点。动力机械前进速度越小，修剪效果不
良率越低，修剪的作业效率也随之越低。因此，综合考
虑，选择动力机械前进速度为 0． 9m /s。
5 结语
以往复式葡萄藤切割器工作行程的阻耗和功耗
最小为目标函数，对葡萄藤修剪机修剪关键部件进行
优化设计。试验表明，优化设计结果合理，在一定的
作业条件下，能够满足设计和工作要求。
通过优化关键部件的参数，可以补充设计中的不
足，还可以替代试验数据作为参考依据，为低功耗葡
萄藤修剪机的研发提供了一种设计参考，减少研发机
械的周期。
参考文献:
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76，135．
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［3］ 中国农业机械化科学研究院． 农业机械设计手册(下册)
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［4］ 宋占华，田富洋，张世福，等．空载状态下往复式棉秆切割
器动力学仿真与试验［J］．农业工程学报，2012，28(16) :
16－22．
［5］ 北京农业工程大学． 农业机械学(下册) ［M］． 北京:中国
农业出版社，2010．
Design and Experiment on the Ｒeciprocating Cutter for Vines
Long Kui1，Liu Jinbao1，Zhang Jing1，Yang Wanzhang1，Guo Hui1，2
(1． College of Mechanical and Traffic，Xinjiang Agriculture University，U
··
r u··mqi 830052，China;2． The key Lab of Xin-
jiang Agricultural Engineering Equipment Innovation Design，U
··
r u··mqi 830052，China)
Abstract:The structural principle of the reciprocating cutter for vines was studied． Meanwhile ，the resistance ，the en-
ergy consumption and power were analyzed ． An optimization mathematical model was established for the pursuit of mini-
mal energy consumption． The optimization results including the cutter crank speed n = 320r /min ，the crank radius of the
Cutter r = 50mm ，the cutter trip s = 100mm ，the speed of the machine vm = 0． 9m / s and the length of machine cutting B
=1． 1m． Finally ，the experiment showd the results are validated and the datas are reliabled． Which can replace the ex-
perimental data as the reference，provides areference for the development of low power design of vine pruning machine．
Key words:cutter;vines;reciprocating;optimization design
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