作物收獲機械往復式切割器切割性能測試方法與試驗設備研究進展

張悅湘，羅海峰，張?zhí)耢o

（1.湖南農業(yè)大學機電工程學院，湖南 長沙 410128；2.湖南省現代農業(yè)裝備工程技術研究中心，湖南 長沙 410128；3.湖南農業(yè)大學經濟學院，湖南 長沙 410128）

1 引言

切割器是作物收獲機械上的核心工作部件，其工作性直接影響田間收獲情況，切割平穩(wěn)、振動小的切割器可以提高收獲質量。其結構和作業(yè)效果應滿足不漏割、不堵刀、切割功耗小，結構簡單，可靠性高、適應性強，振動小，割茬低且整齊等要求。作物莖稈的物理特性、切割器運動方式以及切割刀片等因素都將對切割器的切割過程產生影響。目前在切割理論、切割器結構、切割刀片的形狀、切割器性能試驗等領域都獲得了顯著的研究進展。

切割器主要分為往復式切割器、圓盤式切割器、回轉式切割器三類，由于往復式切割器結構簡單，適應性強，因此在作物收獲機械上得到了廣泛的應用。往復式切割器動刀片因慣性產生的振動，會導致切割過程中作物莖稈晃動和傾斜。同時，切割時間較長、刀片多次切割等因素，會導致割茬整齊度不高，對于油菜等莖稈堅硬且易于脫粒的作物，還會導致較大的落粒損失。進而對往復式切割器進行切割性能測試與分析具有重要的研究意義，文章以往復式切割器切割性能測試方法和試驗設備為研究對象，從力學特性測試、虛擬樣機研究、試驗裝置等三個方面進行綜合調研與分析，并提出個人對該領域未來發(fā)展的建議。

2 往復式切割器結構與作業(yè)特點

目前，國內外聯(lián)合收割機所使用的切割器以往復式切割器為主。往復式切割器由動刀片、定刀片、護刃器、曲柄等工作部件組成（圖1），往復式切割器利用動刀片的往復運動切割作物莖稈。通過動刀平面的數量可以將切割器分為單動刀切割器和雙動刀切割器，單動刀往復式切割器往復慣性力較大，導致振動強烈，雙動刀切割器往復慣性力較小，振動小，可以達到更高的切割速度。對于大多數往復式切割器，動刀軸的旋轉運動一般通過偏心軸式曲柄連桿機構轉換成切割器動刀的往復運動。由于結構簡單和良好的經濟性，曲柄連桿機構目前仍然是往復式切割器上最常用的驅動方式，并且其結構一直未被大幅修改。除此之外，也有采用擺桿、行星齒輪、搖臂或者擺環(huán)等傳動方式，以實現往復運動。

圖1往復式切割器模型

由于往復式切割器本身的結構特點，動刀和驅動機構在運動期間會產生往復慣性力，并且由此而產生振動是往復式切割器的主要技術難關。在聯(lián)合收割機的工作中，往復式切割器的往復慣性力大，對聯(lián)合收割機的振動影響較大，也帶來噪音大的問題，且易產生落粒損失。并且由于切割速度被限制，使得聯(lián)合收割機的作業(yè)速度較低，只有通過增加收獲幅度來增加收獲效率。對于改善往復式切割器的振動，平衡往復慣性力，目前主要采用配重法。

3 切割力學特性測試與分析

3.1 切割力測試與分析

在電子萬能試驗機上對切割莖稈施加切割力，并通過測試系統(tǒng)獲取數據，測試系統(tǒng)包括力傳感器、數據采集儀等。

通過目前的研究數據得出，影響切割力最大的兩個因素是切割速度和切割位置。隨著切割速度的增加，在切割點傳遞變形的時間減短，導致切割力減小；切割位置離地面的高度增加也會降低切割力的大小。除此之外，通過研究發(fā)現，鋸齒形刀具的切割力相對光刀較小，滑切是最為省力的切割方式。隨著削切角的增加，切割力將先呈現降低趨勢，當削切角度增加至僅憑法向切削力來切割莖稈時，切割力又將呈上升趨勢（圖2）。

圖2削切角對玉米莖稈切割力的影響曲線圖

3.2 切割功率測試與分析

切割功率包括切割器空轉消耗的功率以及切割作物莖稈消耗的功率。測量切割功率的方法有直接測量法和間接測量法。通過電阻應變片傳感器、壓電晶體式傳感器等直接測量屬于直接測量法。間接測量是依據往復式切割器的轉速和扭矩的數值，通過計算得到切割功率。轉速通過安裝于主軸的轉速傳感器測量，扭矩通過扭矩傳感器測量。

綜合試驗數據顯示，切割速度和動刀組數是影響切割功率的主要因素，其次是切割刀片的長度，除此之外，莖稈喂入速度、刀刃類型等因素對切割功率的影響不大。

4 虛擬樣機的研究

AMAMS[1]一款機械動力學仿真軟件，可以進行往復式切割器進行動力學和運動學的仿真，在此基礎上對切割器的工作參數進行單因素和多因素交互試驗，以達到優(yōu)化實驗設計的目的。同時還可利用SIMULINK[2-3]模塊庫再結合系統(tǒng)本身的數學模型來構建仿真模型，該技術是時域仿真的一種，可以更加直觀地反映參數隨時間的變化。為獲取根切器切割軌跡、幾何參數對切割質量、切割損失的影響，劉慶庭[4-8]等在AutoCAD的ObjectARX[9-11]環(huán)境下構建了切割器的虛擬樣機。而基于labview虛擬儀器[12-13]實現了切割試驗裝置的速度連續(xù)調節(jié)、切割參數即時采集與顯示等功能。除此之外還可以利用Admas、Abaqus[14-16]軟件對往復式切割過程進行仿真分析，對樣機的設計、改進、優(yōu)化都具有重要作用。

為減少外界干擾對試驗結果的影響，宋占華[17-21]設計了一款抗干擾系統(tǒng)，采用帶有光耦隔離作用的數據采集卡，信號線均使用屏蔽線，運行測控系統(tǒng)的工控機通過隔離變壓器單純供電。軟件方面，為濾除干擾信號采用低通濾波技術。

為獲得更好的切割質量和保證刀片的使用壽命，林茂[22-23]利用proe軟件建立了各種刀片的三維模型，導入Ansys軟件后設置節(jié)點和劃分網絡，對其刀刃刃角、切割位移、節(jié)點位置三個試驗因素進行了刀片應力仿真，得到了各種刀片的應力圖和變形圖。為考核機械結構是否會因為固有振動頻率而破壞，需要對關鍵部分進行有限元分析。目前可以通過有限元軟件ANSYS對切割機架、切割主動軸、關鍵部位的刀片進行強度評估。

向陽[24]通過Visual Studio可視化應用程序開發(fā)了一款分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對往復式切割器的動刀片進行運動分析，并在此基礎上得出漏割區(qū)域、重割區(qū)域、一次切割區(qū)域（圖3）三類切割區(qū)域面積的計算方法。提出了一種基于步進運算的工作特性分析方法，可對三類切割區(qū)域面積進行連續(xù)運算分析。該分析系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的圖像擬合方法而言，使用更加便捷，計算結果更加精準，同時不需要依賴第三方軟件平臺。為往復式切割器結構性能的優(yōu)化提供了參考工具。

圖3往復式切割器典型切割圖

切割屬于高速運動，由于慣性而產生的振動較大，因此需要對切割器進行模態(tài)分析。馬攀宇[25]通過workbench軟件對切割器的關鍵部位進行模態(tài)分析，以防止因刀具運動產生的激勵造成切割器部件的變形，導致機具作業(yè)中斷、受損，甚至刀軸連接的刀盤刀片、軟軸等零件飛出傷人。

5 切割力學特性試驗裝置研究

近年來，為改善切割器工作性能，大量學者在設計切割器的同時，也在研究可獲得更好試驗數據的切割試驗裝置。切割試驗裝置是用來對各種作物莖稈進行切割試驗，研究其切割器切割性能。切割試驗裝置由固定裝置、切割裝置、動刀系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)組成，通過該裝置可以模擬田間實際工作環(huán)境，調節(jié)切割器工作參數。除此之外，為更加詳細的記錄切割過程，有些試驗臺還具備攝像功能。

田間切割需要適應株距、切割高度、切割角度、切割速度等作業(yè)參數變化。鄧玲黎[26-27]所研制的玉米切割試驗臺（圖4）能夠實現單株切割，成行切割，不同倒伏度、不同含水率等多種情況下的切割試驗，并借助于高速攝像設備對玉米莖稈切割過程進行記錄，為后續(xù)的研究分析提供依據。

圖4玉米切割仿真試驗機

為測定切割力和切割功耗之間的關系，江蘇大學李耀明[28-29]等研制了擺切式莖稈切割試驗臺（圖5）。根據試驗所得數據繪制莖稈切割力連續(xù)變化曲線圖，通過該曲線求出切割功耗，并分析削切角、莖稈外皮與節(jié)點、切割速度、切割位置等因素對切割功耗和切割力的影響。

圖5擺動式切割試驗臺

為獲得影響切割力的因素，吳明亮[30-31]在萬能試驗機上，對作物莖稈施加切割力，并通過力傳感器測得切割力，位移傳感器測得切割速度。依據往復式切割器的切割原理，為獲得更好的切割效果，將油菜莖稈的一端夾持固定，另一端利用球面支架支撐，設計了一款雙支撐切割試驗臺（圖6）。

圖6切割試驗臺

為測定不同含水率及不同高度的向日葵殘余莖稈的切割力學特性，InceA[32]對向日葵殘余莖稈進行了剪切試驗，所用的剪切試驗臺如（圖7）所示，通過分析剪切應力及剪應變比能與莖稈含水量之間的關系，可以為選擇合理的向日葵殘余莖稈切割時間和切割高度提供參考依據。

圖7向日葵莖稈切割試驗臺

目前還可以通過高速攝像系統(tǒng)[33-39]得到被研究作物莖稈在高速切割情況下所表現出來的切割力與切割速度的關系模型。同時孟海波在高速攝像的基礎上加上了加速系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，該裝置可以有效地記錄切割的全過程。

圖8高速攝像實拍圖

圖9高速攝像設備

6 問題與對策

（1）仿真技術的興起為作物莖稈切割提供了新的試驗方法，目前，國內仿真試驗裝置的幾何模型和材料模型所設定的參數主要是針對金屬和石材，作物莖稈的模型不夠完善，許多作物只能找相似模型修改參數代替。

（2）高速攝像技術是近年來興起的高科技測量技術，可以記錄物體在高速狀態(tài)下的運動狀態(tài)，將高速攝像技術與計算機圖像處理技術相結合，可以更加高效地記錄所需數據，節(jié)省了大量的人力物力。高速攝像機在各學科的應用十分廣泛，但莖稈切割實驗中對該技術的使用并不普遍。目前主要是使用單一攝像機，所得到的是二維坐標的平面，不能真實地反映三維空間的坐標情況。

（3）由于時間和季節(jié)限定，在許多試驗上只采取了該作物其中的少部分品種進行了試驗和對比分析，后續(xù)結果分析也是在該試驗的基礎上進行，數據十分有限，存在局限性。因為同類不同種的作物生長條件不同、存在特性差異，因此需要選取更多的樣本進行試驗。

（4）在智能化高速發(fā)展的時代，如何有效利用智能技術也是需要攻克的問題之一。后續(xù)發(fā)展可以充分考慮在割臺上實現智能化控制，利用視覺技術與自動控制技術進行結合，通過傳感器檢測試驗進展。

7 結 語

現有的往復式切割試驗包含往復式切割試驗臺、仿真模擬技術等方面，往復式切割試驗是通過試驗模擬田間作業(yè)所面臨的情況，以獲得試驗數據，并通過試驗數據改良切割裝置。一臺能調節(jié)各種工作參數從而達到最大限度的模擬實際情況的試驗臺是切割試驗的關鍵。基于現有的理論研究，近年來興起的仿真模擬技術為試驗者帶來了更大的便捷性，也消減了因天氣和氣候對試驗帶來的影響。

隨著智能化的到來，人工智能技術與切割試驗結合是必然的選擇和趨勢。人工智能帶來的是更高精度的調整，更加細微的記錄，使得試驗的數據更加精準和完善。加強人工智能技術與切割器的結合將是促進切割性能發(fā)展的重要支撐。