硬質(zhì)莖稈切割裝置研究現(xiàn)狀*

王濤，閆小麗，米國(guó)鵬，劉溯源，張振國(guó)，劉正道

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院,陜西楊凌,712100;2. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,烏魯木齊市,830052)

0 引言

收獲是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié),收割機(jī)的作業(yè)性能是影響收獲損失的主要因素之一,對(duì)保障國(guó)家糧食安全具有重要意義[1]。莖稈切割裝置是收割機(jī)的關(guān)鍵部分,其切割性能和效率對(duì)收割機(jī)整體作業(yè)性能起到至關(guān)重要的作用。

硬質(zhì)莖稈一般指甘蔗、木薯、油菜、棉花、巨菌草等作物的莖稈,具有木質(zhì)化程度高、硬度大等特點(diǎn),造成切割難度大,具體表現(xiàn)為功耗大、效率低、切斷率低。2019年我國(guó)甘蔗產(chǎn)量為110 000 kt,木薯淀粉產(chǎn)量為170.1 kt。2021年,全國(guó)油菜籽產(chǎn)量為14 450 kt,新疆棉花產(chǎn)量為5 129 kt。我國(guó)硬質(zhì)莖稈作物產(chǎn)量大,但收獲損失也比較大。硬質(zhì)莖稈切割裝置是影響甘蔗、木薯、油菜、棉花等作物收割機(jī)作業(yè)性能的關(guān)鍵,制約其機(jī)械化收獲水平的提升。目前相關(guān)學(xué)者圍繞硬質(zhì)莖稈切割裝置開(kāi)展了大量研究,并取得了一些成果。本文結(jié)合現(xiàn)有的硬質(zhì)莖稈切割裝置,分析了其在關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化、提高切割性能、切割減阻降耗、減小割刀磨損等方面的研究現(xiàn)狀,指出了硬質(zhì)莖稈切割裝置存在問(wèn)題并展望硬質(zhì)莖稈切割裝置未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),為我國(guó)硬質(zhì)莖稈作物收獲機(jī)械化的研究提供參考。

1 硬質(zhì)莖稈切割研究現(xiàn)狀

1.1 甘蔗莖稈切割裝置

甘蔗屬多年宿根糖類(lèi)作物[2],是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)類(lèi)作物,每年收獲一次,留根兩到三次。甘蔗根狀莖粗壯發(fā)達(dá),莖稈高3～5 m,直徑達(dá)2～4 cm。近年來(lái),雖然甘蔗機(jī)械化收獲不斷發(fā)展,但機(jī)收后的甘蔗宿根損傷問(wèn)題較為突出[3],國(guó)內(nèi)應(yīng)用的各種機(jī)型宿根破頭率一般高達(dá)20%以上,導(dǎo)致機(jī)械化作業(yè)質(zhì)量不佳。相關(guān)研究學(xué)者為了降低甘蔗破頭率、解決甘蔗切割堵塞、提高甘蔗切割質(zhì)量,從切割方法、動(dòng)態(tài)特性、刀片參數(shù)、物理力學(xué)性能方面入手進(jìn)行了大量研究[4]。

在切割方式方面,相關(guān)學(xué)者主要進(jìn)行了圓盤(pán)式甘蔗切割器與往復(fù)式切割器方面的研究,如表1所示。

表1 不同切割方式的甘蔗切割器Tab. 1 Sugarcane cutters with different cutting methods

在關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化方面,Manh?es等[7]研究了收獲過(guò)程中不同切割速度對(duì)甘蔗的有形損失;許欣等[8]為了比較直觀地反映甘蔗的切割過(guò)程,在Hypermesh中創(chuàng)建了甘蔗切割系統(tǒng)的有限元模型,然后以K文件的格式導(dǎo)入LS-DYNA求解器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)求解分析,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性;陳棕[9]為解決甘蔗破頭率過(guò)高的問(wèn)題,從影響破頭率的因素、切割器的振動(dòng)入手,進(jìn)行了大量的分析與試驗(yàn)研究,并針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),最終達(dá)到了降低切割甘蔗破頭率的目的;袁潔等[10-11]為了解決小型甘蔗切割器單動(dòng)刀工作時(shí)平衡能力差、切割速度低、容易卡滯堵塞等問(wèn)題,對(duì)割刀位移、速度、加速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析,確定了最佳切割速比K=1.8。

此外,簡(jiǎn)真[12]為解決進(jìn)行甘蔗收獲作業(yè)時(shí),由于地形變化需要人工手動(dòng)升降刀盤(pán)而導(dǎo)致收割效果不好的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了刀盤(pán)高度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng),為甘蔗收獲機(jī)的改進(jìn)具有重要意義。

1.2 木薯莖稈切割裝置

木薯作為世界三大薯類(lèi)之一,根塊大,莖稈粗壯,木質(zhì)化程度高,是硬質(zhì)莖稈作物的代表之一[13-14]。目前木薯莖稈收獲基本靠人工完成,效率低,木薯機(jī)械化收割是其發(fā)展的必然趨勢(shì)。但是現(xiàn)有的木薯切割裝置切割粗硬的木薯莖稈時(shí),存在切割動(dòng)能不足、阻力大、工作不平穩(wěn)、漏割、功耗大等問(wèn)題,嚴(yán)重制約著機(jī)械化收獲木薯的發(fā)展[15-16]。

在莖稈力學(xué)特性方面,閆梅等[17]為提高木薯莖稈力學(xué)特性測(cè)量的準(zhǔn)確性,設(shè)計(jì)了針對(duì)木薯莖稈的力學(xué)特性測(cè)試儀,與萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)作對(duì)比,結(jié)果發(fā)現(xiàn)該測(cè)試儀的測(cè)量精度為1.57%,可滿足一定的科研要求,對(duì)以后設(shè)計(jì)木薯莖稈切割裝置測(cè)量其力學(xué)特性有借鑒意義。

在切割性能方面,Odigboh[18]研制了電動(dòng)式木薯單圓盤(pán)鋸切式切割裝置,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,切割效果良好;王名煒等[19]為解決木薯莖稈切割時(shí)產(chǎn)生劇烈運(yùn)動(dòng)而造成工作可靠性降低的問(wèn)題,利用有限元軟件ANSYS對(duì)切割器進(jìn)行模態(tài)分析,找到了切割器中最容易被破壞的區(qū)域,為切割器的優(yōu)化提供了依據(jù);張留鋒等[20]針對(duì)木薯莖稈漏割、刀盤(pán)與莖稈相撞等問(wèn)題,推導(dǎo)出了切割器刀片上的單點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程,以及不漏割與不相撞的方程式,并且最后用仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)果的正確性,為圓盤(pán)式木薯莖稈切割器的研發(fā)提供了理論依據(jù)。

在切割減阻方面,王名煒[21]為減小木薯莖稈切割阻力,降低切割功耗,利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)木薯莖稈切割過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬仿真研究,結(jié)果表明當(dāng)?shù)镀薪菫?5°和15°時(shí),為切割合力的最大值和最小值,且能量消耗隨刀盤(pán)傾角、切割轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度的增大而增大,為后面木薯莖稈切割裝置的研究提供了參考。

1.3 油菜莖稈切割裝置

油菜植株高大,莖稈粗壯堅(jiān)韌,分支相互交叉,是典型的硬質(zhì)莖稈[22]。制約我國(guó)油菜機(jī)械化發(fā)展的一個(gè)主要原因是機(jī)收損失率偏高,其總損失率在10%以上,而其中油菜割臺(tái)損失約占總損失的一半。切割裝置是油菜割臺(tái)的重要組成部分,相關(guān)研究對(duì)于降低切割損失率、解決堵刀、漏割等問(wèn)題具有重要意義[23-24]。目前油菜切割裝置的研究主要分為往復(fù)式和圓盤(pán)式兩種。

往復(fù)式切割器具有運(yùn)行平衡性能好、振動(dòng)小、割茬低等特點(diǎn),而且切割功耗低、效率高,適合高粗莖稈的切割作業(yè)[25-27]。但由于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的刀桿對(duì)刀架產(chǎn)生側(cè)向力,使刀桿對(duì)刀架產(chǎn)生高頻率沖擊,振動(dòng)大,刀桿常發(fā)生折斷現(xiàn)象[28],且曲柄連桿機(jī)構(gòu)還存在結(jié)構(gòu)不緊湊、傳動(dòng)效率低等問(wèn)題。

針對(duì)往復(fù)式切割器特點(diǎn),張貝貝等[29]針對(duì)傳統(tǒng)的油菜往復(fù)式切割器切割割臺(tái)震動(dòng)大導(dǎo)致切割質(zhì)量不佳等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種油菜循環(huán)鏈?zhǔn)角懈钇?采用漸開(kāi)線設(shè)計(jì)動(dòng)彎刀刃口曲線,中間動(dòng)彎刀配合上、下定刀實(shí)現(xiàn)單向循環(huán)雙支撐切割,如圖1所示,田間試驗(yàn)表明油菜莖稈的切割質(zhì)量較好,沒(méi)有漏割和堵刀現(xiàn)象發(fā)生,為油菜切割器的設(shè)計(jì)提供了循環(huán)鏈?zhǔn)叫滤悸?柴曉玉等[30]為了降低割臺(tái)切割和豎割刀分禾造成的油菜損失,設(shè)計(jì)了左右兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)的油菜雙豎切割隨動(dòng)調(diào)節(jié)裝置,獲得了前進(jìn)速度與豎切割頻率的理想配合曲線,最終達(dá)到割臺(tái)損失率下降36.15%～41.16%,分禾損失率下降40.84%～48.20%,其對(duì)降低油菜機(jī)收損失有一定現(xiàn)實(shí)意義;冉軍輝[31]針對(duì)油菜機(jī)械化收獲損失率高、功耗大等問(wèn)題,在已有切割機(jī)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種往復(fù)式雙動(dòng)刀切割器及行星齒輪驅(qū)動(dòng)器,該切割器運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、振動(dòng)小,對(duì)油菜聯(lián)合收割機(jī)提高效率、降低損失具有參考作用。

圖1 油菜循環(huán)鏈?zhǔn)角懈钇?/p>

圓盤(pán)式切割器即在圓形刀盤(pán)上安裝有切割刀刃進(jìn)行切割作業(yè),工作平穩(wěn)、振動(dòng)較小,為尋找一種切割平穩(wěn)、振動(dòng)損失小又適合油菜收獲的切割器提供了思路。

在圓盤(pán)式切割器方面,李仲愷等[32-33]為了減少油菜的割臺(tái)損失,設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)油菜收獲的圓盤(pán)式切割器,如圖2所示,最終得到了最佳組合參數(shù),切割轉(zhuǎn)速750 r/min,切割高度250 mm,刀盤(pán)切割傾角10°,裝置前進(jìn)速度0.4 m/s,刀片6片。

圖2 圓盤(pán)式油菜切割器

山東某公司生產(chǎn)的一款比較成熟的油菜割曬機(jī),不僅僅可以用來(lái)切割油菜莖稈,還適用于株高在0.5～1.2 m的農(nóng)作物,割幅0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m。傳動(dòng)裝置采用鏈條、鏈輪,具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕便靈活、使用可靠、操作簡(jiǎn)單、作業(yè)性能強(qiáng),維護(hù)保養(yǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)。

1.4 棉稈切割裝置

棉稈屬于一年生禾本科植物,其中木質(zhì)部占整個(gè)莖稈的65%左右,木質(zhì)含量較大,是典型的硬質(zhì)莖稈[34]。切割刀片易磨損、功耗大是棉稈切割裝置現(xiàn)在面臨的主要難題[35-36]。

在減少割刀磨損方面,宋占華等[37]進(jìn)行了棉稈切割器動(dòng)刀片優(yōu)化設(shè)計(jì),得到棉花秸稈往復(fù)式切割器動(dòng)刀片的結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)組合是為動(dòng)刀片寬度為90 mm、刀刃高度為52 mm、前橋?qū)挾葹?5 mm,可有效降低刀片磨損。

在切割性能提升方面,溫寶琴等[38]為提高棉稈的切割質(zhì)量,進(jìn)行了齒形鏈?zhǔn)角懈钇髑懈蠲薅挼脑囼?yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果表明轉(zhuǎn)速在800～1 000 r/min時(shí),切割性能最佳且功耗最小;宋占華等[37]為解決棉花秸稈被動(dòng)刀片前橋向前推倒、劈裂等問(wèn)題,優(yōu)化設(shè)計(jì)了前橋形狀為圓弧形的棉稈往復(fù)式切割器動(dòng)刀片,如圖3所示。

(a) 直線型

丁龍朋[39]為了提高棉稈割斷率,對(duì)棉稈切割臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)并進(jìn)行試驗(yàn)研究,尋找到滿足試驗(yàn)性能指標(biāo)因子的最佳組合,棉稈割斷率可達(dá)94.8%。

在切割減阻降耗方面,李景彬等[40]為了降低棉稈切割時(shí)的功耗,通過(guò)對(duì)直刃刀、錘片型刀片、鋸片型刀片進(jìn)行研究,最終發(fā)現(xiàn)錘片刀最適合切割棉稈,在切刀轉(zhuǎn)速為1 000～1 300 r/min時(shí),切割功耗最小;高于1 000 r/min時(shí),功耗較大,但切割效果更好;李玉道[41]為探究影響棉稈切割功耗的因素,設(shè)計(jì)了一整套切割試驗(yàn)臺(tái),結(jié)果表明圓盤(pán)刀片切割時(shí),影響切割功的順序?yàn)榈镀瑪?shù)量、輸送速度、切割速度、刀片角度、切割傾角。

1.5 巨菌草切割裝置

巨菌草屬于菌草的一種,其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性廣,具有極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值,屬于硬質(zhì)莖稈作物[42]。菌草產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將會(huì)對(duì)水土流失、土地資源開(kāi)發(fā)、農(nóng)林業(yè)發(fā)展、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等有很大影響[43]。在國(guó)內(nèi),對(duì)巨菌草切割裝置的研究較少[48],主要集中在物理特性的測(cè)定以及結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)的優(yōu)化。

針對(duì)巨菌草物理特性方面,梁曉[43]進(jìn)行了成熟巨菌草底部莖稈的拉伸、壓縮和彎曲力學(xué)特性實(shí)驗(yàn),得到巨菌草莖稈力學(xué)模型相關(guān)力學(xué)特性參數(shù),建立了本構(gòu)關(guān)系方程;陳文滔[44]進(jìn)行了成熟期巨菌草莖稈不同節(jié)間的彎曲、壓縮、沖擊試驗(yàn),得到了巨菌草莖稈的彈性模量為205.42 MPa,巨菌草底部莖稈的彈性模量為593.8 MPa。

針對(duì)刀片優(yōu)化方面,陳文滔[44]研究發(fā)現(xiàn),相比其他刀具類(lèi)型,彎形刀片具有切割效率高,切割損耗小,工作穩(wěn)定性好等特點(diǎn),適用于菌草收獲。

針對(duì)其他提高切割性能方面,李鴻[42]建立了巨菌草切割器不漏割、莖稈不接觸刀盤(pán)的理論條件;確定了影響巨菌草切割器破頭率的兩個(gè)主要因素,即切割速度和刀盤(pán)傾角;進(jìn)行了多因素仿真分析,結(jié)果表明切割器轉(zhuǎn)速和切刀切割角因素對(duì)切割功耗和切割質(zhì)量影響較大,切刀刃角影響較小;陳文滔等[45]對(duì)刀片、刀軸進(jìn)行了靜力學(xué)分析,刀桿許用應(yīng)力最大值為1.15 Pa,刀片許用應(yīng)力的最大值為7.47 MPa,均未超過(guò)材料的最大需用應(yīng)力,因此設(shè)計(jì)的切割器符合安全工作要求。

2 硬質(zhì)莖稈切割裝置現(xiàn)存問(wèn)題

1) 切割裝置研究過(guò)程主要采用計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)際試驗(yàn)相結(jié)合的手段,但所采用的莖稈模型比較簡(jiǎn)單,與莖稈實(shí)際物理力學(xué)特性存在一定差異,仿真結(jié)果準(zhǔn)確性有待提高,莖稈建模精度有待提高。

2) 刀具磨損是硬質(zhì)莖稈切割面臨的主要問(wèn)題之一,現(xiàn)有切割刀具的研究主要集中在結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)的優(yōu)化,但硬質(zhì)莖稈切割過(guò)程刀具磨損嚴(yán)重,磨損后切割性能明顯下降,而刀具的材料是影響磨損的主要因素,目前尚缺乏刀具材料方面的研究。

3) 目前不同學(xué)者針對(duì)硬質(zhì)莖稈物理特性和切割刀具兩方面均開(kāi)展了大量研究,但多為單獨(dú)研究,兩者結(jié)合較少。

4) 切割裝置的設(shè)計(jì)均以傳統(tǒng)刀具和切割方式為基礎(chǔ)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化,新型刀具和切割方式較少,缺乏結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。

3 發(fā)展建議

莖稈切割裝置作為收割機(jī)的關(guān)鍵組成部分,硬質(zhì)莖稈切割技術(shù)及裝置的研究對(duì)該類(lèi)作物收獲機(jī)械化水平提升具有重要意義。針對(duì)目前我國(guó)硬質(zhì)莖稈切割裝置研究現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題,提出如下建議。

1) 加強(qiáng)基礎(chǔ)研究,分析莖稈物理切面結(jié)構(gòu),研究不同結(jié)構(gòu)物理性能,優(yōu)化莖稈仿真模型,降低計(jì)算機(jī)仿真與實(shí)際切割的差異,進(jìn)一步提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,為刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

2) 深入研究切割理論,利用仿真技術(shù)研究切割裝置結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)對(duì)切割性能的影響規(guī)律,優(yōu)化切割裝置,提高切割效率,減小切割能耗。

3) 刀具設(shè)計(jì)與仿生學(xué)相結(jié)合。一方面從結(jié)構(gòu)角度開(kāi)展仿生割刀研究,提高切割性能,降低切割阻力;另一方面刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化與材料優(yōu)化并行,從某些咀嚼式生物特有的切割部件出發(fā)進(jìn)行新型耐磨材料的研發(fā),增強(qiáng)割刀的切割和耐磨性能,提高硬質(zhì)莖稈的切割質(zhì)量。

4) 加強(qiáng)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合,在切割裝置研究過(guò)程中充分考慮作物品種、收獲期、種植密度等對(duì)切割過(guò)程的影響,提高裝置的適用性。同時(shí)要結(jié)合不同地區(qū)和農(nóng)作物特點(diǎn),合理選擇割臺(tái)規(guī)格及結(jié)構(gòu)形式,完善配套設(shè)施,確保高效作業(yè)。健全相關(guān)法律法規(guī)和政策規(guī)范,按照“政府引導(dǎo)、市場(chǎng)運(yùn)作”的原則,建立健全硬質(zhì)莖稈切割機(jī)械購(gòu)置補(bǔ)貼制度和機(jī)具更新補(bǔ)貼制度,促進(jìn)先進(jìn)適用技術(shù)推廣應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

甘蔗、木薯、油菜、棉花等作物莖稈粗硬、切割難度大,收獲時(shí)切割裝置的切割性能是影響收獲性能和效率的關(guān)鍵因素。本研究圍繞我國(guó)典型硬質(zhì)莖稈類(lèi)作物,總結(jié)了現(xiàn)有硬質(zhì)莖稈切割裝置的研究現(xiàn)狀,切割阻力大、功耗大、切斷率低、割刀磨損嚴(yán)重等,指出了國(guó)內(nèi)硬質(zhì)莖稈切割裝置現(xiàn)存問(wèn)題,研究過(guò)程中莖稈建模過(guò)于簡(jiǎn)單、刀具材料研究不足、莖稈與刀具研究相分離、缺乏結(jié)構(gòu)創(chuàng)新等,并對(duì)該領(lǐng)域未來(lái)的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向進(jìn)行展望,加強(qiáng)基礎(chǔ)研究、深入研究切割理論、開(kāi)展仿生割刀研究、加強(qiáng)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝相結(jié)合必不可少,對(duì)我國(guó)硬質(zhì)莖稈類(lèi)作物收獲機(jī)械化的研究具有一定的參考價(jià)值。