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2002-08-16收穫機械→1生物產業機械收割刀具之探討-形成&原理1.收割刀具的形成2.切割原理3.切割機構型式4.揮動鐮刀之動力化5.典型的牧草收穫6.雙圓盤同步反向附三角鋸齒刃的切割機構Back2002-08-16收穫機械→2生物產業機械1.收割刀具的形成凡傳統農具，大都是經嚴格淘汰而留下到現在的，雖不怎麼樣，但非常配合人體之勞動條件，所謂“人體之勞動條件”，其理由是¨人身體易疲倦，可生之力量時時刻刻在改變¨若因工作對象可生之阻力比自己之力量大而不能在瞬時之內完成者，則肌肉之緊張時間延長，使“緊張疲勞量”突然增加，此種疲勞並非為了做功所產生，換言之，人當在做工時，適合人體出力條件的吃力範圍極小，超過時，勞動率遞減。因傳統歷經淘汰，其效率沒有餘地再提高，所謂改進，乃在動力源方向與工作方式配合加以現代化者。2002-08-16收穫機械→3生物產業機械1.收割刀具的形成在傳統的人力收穫機具上，以鐮刀(Sicker)最具代表性。鐮刀：有揮動式(刃鐮刀)用於“衝擊式割草作業”有鋸鐮刀，用於割禾[註]。[註]:稻麥與狼尾草、青割玉米及蘇丹草等青割玉米及蘇丹草等都屬禾本科(Silicate)，表皮含矽份，同時纖維強韌，體形細而長，無論何種刀，碰上矽質就易磨鈍而無法擔任切斷工作，不過鋸鐮刀可看做無數個小鉤相連而成的刀形物。2002-08-16收穫機械→4生物產業機械1.1.鐮刀作用力分析一般切斷物件的動作：切線運動；壓下運動。兩種運動合併才能完成切斷作業，但二者間運動百分比端看對象物如何而變化。例如不含纖維而有些流動性對象物，切斷時其切線運動幾乎等於零，壓下運動則佔全部工作，但壓下運動又不能單獨為之，故須有木台(承台)，以防止被切物亂動，如剪刀屬壓迫力方式。90°α肘關節刃緣運動軌跡手腕草莖R3R1R22002-08-16收穫機械→5生物產業機械刃鐮刀屬於重視切線運動之形式，並以求心運動(拉)做補充，因為瞬時揮動鐮刀做切線運動同時人手無力做求心運動(拉)。90°α肘關節刃緣運動軌跡手腕草莖R3R1R2木柄與刃絃所成之角度為90度，(鋸鐮刀150度)，刃緣運動軌跡與刃緣線成交角α，此交角是克服切線運動與求心運動(拉)兩者不能同時並存之難處。α角愈小，切線運動之百分比愈強，刃緣運動軌跡係以肘關節O做大運動，刃緣線半徑R卻自R1漸漸縮短到R4，可之切線運動多與求心運動少。2002-08-16收穫機械→6生物產業機械1.2.刃鐮刀切斷效果決定於切線速度但揮動式割草作業時，多少有殘株置留，此時作第二次工作不必以肘為中心做大運動，僅以手腕O`為中心揮動，求心運動(拉)自然增加，是故交角α必然存在，揮動時切線運動軌跡不完全沿刃緣運動，求心運動(拉)僅屬補充性，即切斷之補助作業而已。可知刃鐮刀切斷作用，主要在於切線運動，其效果如何?決定於切線速度90°α肘關節刃緣運動軌跡手腕草莖R3R1R22002-08-16收穫機械→7生物產業機械1.3.刃鐮刀無交角表示求心運動(拉)趨近於零90°α肘關節刃緣運動軌跡手腕草莖R3R1R2若無交角α，刃緣線與切線運動軌跡相重合，則表示求心運動(拉)趨近於零如割草時人手不握草葉，將草葉自然情況下，利用草本身具有之慣性以極快之揮動運動於禾草倒下前完成切斷工作，即以O為圓心的大動作。2002-08-16收穫機械→8生物產業機械1.4.鋸鐮刀用於割禾，不能以砍斷方式為之，唯一方式乃利用手臂產生拉力並靠微小鋸齒之作用，來達到目的。鋸鐮刀木柄中心線與刃絃角度為150度。abcda.在平板上刻成無數的三角溝ab'cd硬鋼軟鋼αPRQb.用刀具削除背面一部分材料如PQR部分，形成ab'c鋸齒鋸齒之形成及作用在平板上刻成無數的三角溝如圖a所示，用刀具削除背面一部分材料，如PQR部分，形成ab'c鋸齒，如圖b所示圖a圖b2002-08-16收穫機械→9生物產業機械鋸齒之有效齒緣鋸齒之刃緣有，一為ab‘為有效齒緣，大略垂直於運動方向。二為bc’無效齒緣，如圖c所示，齒與齒間距離為2mm左右由於ab‘刃部方向關係性能約為90度理由乃是符合於把纖維掛住而拉斷，即【捉而不放】的條件，其決定因素有：三角溝之底角(立體角)；三角溝底線；Y-Y與刃緣X-X間的斜度。背面削除角α之大小，如果θ90，就抓不住纖維了。90°ab'cXXYYc.鋸齒的刃緣有二:.ab'為有效齒緣大略垂直於運動方向.b'c無效齒緣齒與齒間距離為2mm運動方向圖c2002-08-16收穫機械→10生物產業機械鋸齒磨損通則以均質材料所製造之物品磨損時，凸出處比凹入處磨損較快，圖ab‘線磨損後，a’b“無法保持ab‘方向於一定。欲使ab'能磨而不鈍，永保鉤形(Hook)之性能，則其通則a點與b'點不應該在同一平面上。a點應該以耐磨特強之硬鋼形成之，而b‘點則應當較軟。[註：Why？]。ab'αb2002-08-16收穫機械→11生物產業機械鋸齒磨損通則永保鉤形性能理由ab'磨損部分磨損後新生齒形鋸鐮刀未使用前的齒面為工具磨成之磨工面，當在田地上作割草作業時，因下面材料較軟，磨損的較快，結果磨損後之斜面大略保持平行於磨工面之方向，因ab'保持一定方向，永保鉤形性能，如圖所示2002-08-16收穫機械→12生物產業機械2.2.切割原理為達成切割的動作，須施以一連串的力量於對象物，才足以剪切而折斷。此種剪切而折斷，多少還附帶由於彎曲與壓縮而起的變形使剪切作業負擔增加。就剪切力量的普通方式，係以兩個相對運動的剪切面，使之相遇並互相通過，而在該兩相對運動剪切面間，留少許甚而毫無間隙。兩個剪切面之中的任一面可以移動者，或兩個面均可移動者，其動作可為均勻的直線運動、往復運動與旋轉運動。2002-08-16收穫機械→13生物產業機械2.切割原理假定某切割操作情形有一面為固定者，如土地為剪切的另一面，對機械而言，則僅需一個移動的或固定的切割機件已足，如中耕器上所安裝的除草刀。如果對象物有適當的支撐，並有相當的彎曲強度，則該材料本身即具所需力量以對抗單獨的切割面。一具衝擊切刀，具有單獨而高速的切割機件，主要係靠著被切材料之慣性以供應剪切所需的反作用力，旋轉切刀即為良好的例子。2002-08-16收穫機械→14生物產業機械2.切割原理關旋轉式或衝擊式，其切刀周緣速度，對多年生牧草約大於50m/sec，即足另切割面整齊，如係空曠地雜草則約以40m/sec為適宜。如果切割轉速較切割整齊所需速度為高，不僅浪費動力，對切割能力無補反而引起機件的震動而降低使用時間。往復式切割機構，因受材料限制，切刀橫向水平速度無法增加，切割速度維持在1.9～4.2m/sec間，收割速度受影響。但此型式切口整齊，再生能力強，消耗馬力小。2002-08-16收穫機械→15生物產業機械3.切割機構型式鋸齒刀切斷刀連枷型附三角鋸齒刃之雙圓盤割刀割寬自由切斷式2002-08-16收穫機械→16生物產業機械4.揮動鐮刀之動力化垂直轉軸上所固定的圓板上再附幾片刀片兩支長形刀條相連形成十字形迴轉刀或僅一支刀條動力迴轉割草機(RotaryMower)屬之動力迴轉割草機廣用於家庭草地之整理，農業方面甚少使用，其主要原因是快速迴轉刀一碰到禾本科植物，刀之磨損過快，不合實用2002-08-16收穫機械→17生物產業機械轉動式牧草收割作業機揮動鐮刀之動力化：自由切斷式有圓形、三角形、橢圓形轉盤型或鼓輪型將材質型式、刀尖角、刀速度改進而現代化。有用來收割盤固草(Pangola-Grass)的轉動式牧草收割作業機承載於曳引機後方作業2002-08-16收穫機械→18生物產業機械連枷型式牧草收割作業機揮動鐮刀之動力化：自由切斷式將連枷型式刀具用固定銷排列裝配在水平軸上，當轉動時，因離心力而開向半徑方向，由下向上割取。其切斷長度，細斷狀態因軸之轉速及作業速度而變化，如圖所示。構造簡單，操作容易，但細斷不均，有落葉土砂堆肥混入，影響供飼2002-08-16收穫機械→19生物產業機械鋸鐮刀之動力化鋸齒刀自由切斷式背負式動力割草機(RotaryMower)屬之鋸圓盤片(CircularSaw)被廣汎利用，係自然且直接之方式在收穫方面，對禾本科作物，高速圓鋸方式也不甚理想2002-08-16收穫機械→20生物產業機械鋸鐮刀之動力化自由切斷式動力割草機(RotaryMower)屬之簡單的牧草收割機為垂軸迴轉型﹐可旋轉裝有刀片或鋸齒之圓盤﹐切斷牧草。此類型機械有各種尺寸，其尖端速率每秒約為80公尺﹐亦可以多組圓盤裝載於曳引機後，以每小時l0-16公里的速率前進操作。但為操作安全計﹐這些圓盤四週必須加裝堅固護片﹐以免操作者受刀片或飛石傷害。2002-08-16收穫機械→21生物產業機械5.典型的牧草收穫機剪草機應具備之條件：1.不論牧草之性狀軟硬粗細或其株叢之厚薄，均需能割取。2.必須能調節收割之高度，並能避免觸及地面之石礫或殘株等物。3.所收割之草料在事後容易整理，或整齊留置於地面上。長型往復剪刀式﹐可直接貼近地面進行割草。其主要構造分車輪､傳動機構､剪草刃桿及分草器等部份﹐另有調節桿可調節高低及規避障礙物。有些機具可加裝集草耙﹐將草料收集成行。2002-08-16收穫機械→22生物產業機械5.1.往復式切割機構(Reciprocatingmechanism)俗謂巴里堪機構(BarikanTypeMechanism)，1860年，美國人麥高梅(McCormick)研製成在切斷原理上類似剪刀(圓運動)，有固定刀(LedgePlate，又謂承刀)，及滑動刀(Knifesection，又謂切刀)，兩者形成。上下刀均能各自作往復運動謂雙刀式2002-08-16收穫機械→23生物產業機械5.1.往復式切割機構(Reciprocatingmechanism)一般切割部寬度5～7ft(1.53～2.14m)，5ft之割寬有20片切刀，每個刀片標準寬76mm(3“)，由刀夾(壓板)壓持在切刀固定桿(Knife-bar)上，左右往復運動略大於3”(約80mm)，護刀分開並梳起草莖也推開石子而將草莖引入護刀內部空隙。1護指2指板3割刀架4刀片5抗磨片6刀背7墊片8刀夾2002-08-16收穫機械→24生物產業機械5.2.巴里堪往復式切割各部構造因切刀與護刀上之承刀做相對運動，被割之草莖受到剪力而折斷，墊片可調整切刀與承刀之間隙，過大(Over0.3mm)時，草莖易被拖入其間而堵塞。間隙增加到接近於擬切割材料厚度時，由於材料發生彎曲之變形，造成楔劈效應。增加動力(阻力)無法切斷稈莖。1護指2指板3割刀架4刀片5抗磨片6刀背7墊片8刀夾2002-08-16收穫機械→25生物產業機械5.3.往復式切割機構刀緣軌跡分析巴里堪(BarikanType)機構作用原理上等於剪刀但構造與作用卻不同於剪刀剪刀作圓運動，巴里堪作往復運動切斷對象物不同剪刀工作對象大都為板狀，很少發生被切斷物充滿[刀間空間]之現象，剪刀挾角很小可一步步至遠完成工作2002-08-16收穫機械→26生物產業機械θ夾角由大逐漸變小圓運動θθ固定固定刀活動刀α:對象物與固定刀摩擦角β:對象物與活動刀摩擦角θ:固定夾角對象物才不會滑開α)22(βαθ+≤β又如挾角太大，產生滑動，巴里堪歸於無用，其克服方式，如鋸鐮刀，以三角溝去形成鋸齒狀，圖為剪刀與巴里堪之挾角。剪刀作圓運動，巴里堪作往復運動巴里堪工作對象物為細而長之作物莖，刀挾角如剪刀小雖可防止切斷物之滑動，可是無法一下子剪斷許多作物桿莖，造成切斷阻力的增加而生衝擊性應力影響機械。2002-08-16收穫機械→27生物產業機械活動刀對地面之絕對運動屬於sin波狀運動，如圖所示，一面對固定刀做調合往復運動(SimpleHarmonic-motion)；一面與機械做向前的等速直線運動。活動刀緣之掃地面，其全面積不一定是有效面積割快進慢割慢進快V1V2a1b2b1a2x1x1x2x2x3x3b'切斷範圍a1b1b'由圖中△a1b1b'面積大略就是切斷範圍。而△a1b