硬質莖稈切割裝置研究現狀*

王濤，閆小麗，米國鵬，劉溯源，張振國，劉正道

(1. 西北農林科技大學機械與電子工程學院,陜西楊凌,712100;2. 新疆農業大學機電工程學院,烏魯木齊市,830052)

0 引言

收獲是農業生產中的重要環節,收割機的作業性能是影響收獲損失的主要因素之一,對保障國家糧食安全具有重要意義[1]。莖稈切割裝置是收割機的關鍵部分,其切割性能和效率對收割機整體作業性能起到至關重要的作用。

硬質莖稈一般指甘蔗、木薯、油菜、棉花、巨菌草等作物的莖稈,具有木質化程度高、硬度大等特點,造成切割難度大,具體表現為功耗大、效率低、切斷率低。2019年我國甘蔗產量為110 000 kt,木薯淀粉產量為170.1 kt。2021年,全國油菜籽產量為14 450 kt,新疆棉花產量為5 129 kt。我國硬質莖稈作物產量大,但收獲損失也比較大。硬質莖稈切割裝置是影響甘蔗、木薯、油菜、棉花等作物收割機作業性能的關鍵,制約其機械化收獲水平的提升。目前相關學者圍繞硬質莖稈切割裝置開展了大量研究,并取得了一些成果。本文結合現有的硬質莖稈切割裝置,分析了其在關鍵參數優化、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狀,指出了硬質莖稈切割裝置存在問題并展望硬質莖稈切割裝置未來的發展趨勢,為我國硬質莖稈作物收獲機械化的研究提供參考。

1 硬質莖稈切割研究現狀

1.1 甘蔗莖稈切割裝置

甘蔗屬多年宿根糖類作物[2],是我國重要的經濟類作物,每年收獲一次,留根兩到三次。甘蔗根狀莖粗壯發達,莖稈高3～5 m,直徑達2～4 cm。近年來,雖然甘蔗機械化收獲不斷發展,但機收后的甘蔗宿根損傷問題較為突出[3],國內應用的各種機型宿根破頭率一般高達20%以上,導致機械化作業質量不佳。相關研究學者為了降低甘蔗破頭率、解決甘蔗切割堵塞、提高甘蔗切割質量,從切割方法、動態特性、刀片參數、物理力學性能方面入手進行了大量研究[4]。

在切割方式方面,相關學者主要進行了圓盤式甘蔗切割器與往復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

在關鍵參數優化方面,Manh?es等[7]研究了收獲過程中不同切割速度對甘蔗的有形損失;許欣等[8]為了比較直觀地反映甘蔗的切割過程,在Hypermesh中創建了甘蔗切割系統的有限元模型,然后以K文件的格式導入LS-DYNA求解器進行動力學求解分析,驗證了設計的合理性;陳棕[9]為解決甘蔗破頭率過高的問題,從影響破頭率的因素、切割器的振動入手,進行了大量的分析與試驗研究,并針對試驗結果進行了優化設計,最終達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刀工作時平衡能力差、切割速度低、容易卡滯堵塞等問題,對割刀位移、速度、加速度進行運動學仿真分析,確定了最佳切割速比K=1.8。

此外,簡真[12]為解決進行甘蔗收獲作業時,由于地形變化需要人工手動升降刀盤而導致收割效果不好的問題,設計了刀盤高度自動調節系統,為甘蔗收獲機的改進具有重要意義。

1.2 木薯莖稈切割裝置

木薯作為世界三大薯類之一,根塊大,莖稈粗壯,木質化程度高,是硬質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,木薯機械化收割是其發展的必然趨勢。但是現有的木薯切割裝置切割粗硬的木薯莖稈時,存在切割動能不足、阻力大、工作不平穩、漏割、功耗大等問題,嚴重制約著機械化收獲木薯的發展[15-16]。

在莖稈力學特性方面,閆梅等[17]為提高木薯莖稈力學特性測量的準確性,設計了針對木薯莖稈的力學特性測試儀,與萬能試驗機作對比,結果發現該測試儀的測量精度為1.57%,可滿足一定的科研要求,對以后設計木薯莖稈切割裝置測量其力學特性有借鑒意義。

在切割性能方面,Odigboh[18]研制了電動式木薯單圓盤鋸切式切割裝置,經過試驗驗證,切割效果良好;王名煒等[19]為解決木薯莖稈切割時產生劇烈運動而造成工作可靠性降低的問題,利用有限元軟件ANSYS對切割器進行模態分析,找到了切割器中最容易被破壞的區域,為切割器的優化提供了依據;張留鋒等[20]針對木薯莖稈漏割、刀盤與莖稈相撞等問題,推導出了切割器刀片上的單點運動方程,以及不漏割與不相撞的方程式,并且最后用仿真試驗驗證了結果的正確性,為圓盤式木薯莖稈切割器的研發提供了理論依據。

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對木薯莖稈切割過程進行數值模擬仿真研究,結果表明當刀片刃角為45°和15°時,為切割合力的最大值和最小值,且能量消耗隨刀盤傾角、切割轉速、前進速度的增大而增大,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,莖稈粗壯堅韌,分支相互交叉,是典型的硬質莖稈[22]。制約我國油菜機械化發展的一個主要原因是機收損失率偏高,其總損失率在10%以上,而其中油菜割臺損失約占總損失的一半。切割裝置是油菜割臺的重要組成部分,相關研究對于降低切割損失率、解決堵刀、漏割等問題具有重要意義[23-24]。目前油菜切割裝置的研究主要分為往復式和圓盤式兩種。

往復式切割器具有運行平衡性能好、振動小、割茬低等特點,而且切割功耗低、效率高,適合高粗莖稈的切割作業[25-27]。但由于往復運動的刀桿對刀架產生側向力,使刀桿對刀架產生高頻率沖擊,振動大,刀桿常發生折斷現象[28],且曲柄連桿機構還存在結構不緊湊、傳動效率低等問題。

針對往復式切割器特點,張貝貝等[29]針對傳統的油菜往復式切割器切割割臺震動大導致切割質量不佳等問題,設計了一種油菜循環鏈式切割器,采用漸開線設計動彎刀刃口曲線,中間動彎刀配合上、下定刀實現單向循環雙支撐切割,如圖1所示,田間試驗表明油菜莖稈的切割質量較好,沒有漏割和堵刀現象發生,為油菜切割器的設計提供了循環鏈式新思路;柴曉玉等[30]為了降低割臺切割和豎割刀分禾造成的油菜損失,設計了左右兩個步進電機分別驅動的油菜雙豎切割隨動調節裝置,獲得了前進速度與豎切割頻率的理想配合曲線,最終達到割臺損失率下降36.15%～41.16%,分禾損失率下降40.84%～48.20%,其對降低油菜機收損失有一定現實意義;冉軍輝[31]針對油菜機械化收獲損失率高、功耗大等問題,在已有切割機構研究的基礎上,設計了一種往復式雙動刀切割器及行星齒輪驅動器,該切割器運動平穩、振動小,對油菜聯合收割機提高效率、降低損失具有參考作用。

圖1 油菜循環鏈式切割器

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

在圓盤式切割器方面,李仲愷等[32-33]為了減少油菜的割臺損失,設計了一種適應油菜收獲的圓盤式切割器,如圖2所示,最終得到了最佳組合參數,切割轉速750 r/min,切割高度250 mm,刀盤切割傾角10°,裝置前進速度0.4 m/s,刀片6片。

圖2 圓盤式油菜切割器

山東某公司生產的一款比較成熟的油菜割曬機,不僅僅可以用來切割油菜莖稈,還適用于株高在0.5～1.2 m的農作物,割幅0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m。傳動裝置采用鏈條、鏈輪,具有結構緊湊、輕便靈活、使用可靠、操作簡單、作業性能強,維護保養方便等優點。

1.4 棉稈切割裝置

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

在減少割刀磨損方面,宋占華等[37]進行了棉稈切割器動刀片優化設計,得到棉花秸稈往復式切割器動刀片的結構參數最優組合是為動刀片寬度為90 mm、刀刃高度為52 mm、前橋寬度為15 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量,進行了齒形鏈式切割器切割棉稈的試驗研究,試驗結果表明轉速在800～1 000 r/min時,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刀片前橋向前推倒、劈裂等問題,優化設計了前橋形狀為圓弧形的棉稈往復式切割器動刀片,如圖3所示。

(a) 直線型

丁龍朋[39]為了提高棉稈割斷率,對棉稈切割臺進行了設計并進行試驗研究,尋找到滿足試驗性能指標因子的最佳組合,棉稈割斷率可達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的功耗,通過對直刃刀、錘片型刀片、鋸片型刀片進行研究,最終發現錘片刀最適合切割棉稈,在切刀轉速為1 000～1 300 r/min時,切割功耗最小;高于1 000 r/min時,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,設計了一整套切割試驗臺,結果表明圓盤刀片切割時,影響切割功的順序為刀片數量、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,其營養價值高、抗逆性強、適應性廣,具有極大的經濟價值和社會價值,屬于硬質莖稈作物[42]。菌草產業的發展將會對水土流失、土地資源開發、農林業發展、農業結構調整等有很大影響[43]。在國內,對巨菌草切割裝置的研究較少[48],主要集中在物理特性的測定以及結構參數與運動參數的優化。

針對巨菌草物理特性方面,梁曉[43]進行了成熟巨菌草底部莖稈的拉伸、壓縮和彎曲力學特性實驗,得到巨菌草莖稈力學模型相關力學特性參數,建立了本構關系方程;陳文滔[44]進行了成熟期巨菌草莖稈不同節間的彎曲、壓縮、沖擊試驗,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。

針對刀片優化方面,陳文滔[44]研究發現,相比其他刀具類型,彎形刀片具有切割效率高,切割損耗小,工作穩定性好等特點,適用于菌草收獲。

針對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、莖稈不接觸刀盤的理論條件;確定了影響巨菌草切割器破頭率的兩個主要因素,即切割速度和刀盤傾角;進行了多因素仿真分析,結果表明切割器轉速和切刀切割角因素對切割功耗和切割質量影響較大,切刀刃角影響較小;陳文滔等[45]對刀片、刀軸進行了靜力學分析,刀桿許用應力最大值為1.15 Pa,刀片許用應力的最大值為7.47 MPa,均未超過材料的最大需用應力,因此設計的切割器符合安全工作要求。

2 硬質莖稈切割裝置現存問題

1) 切割裝置研究過程主要采用計算機仿真和實際試驗相結合的手段,但所采用的莖稈模型比較簡單,與莖稈實際物理力學特性存在一定差異,仿真結果準確性有待提高,莖稈建模精度有待提高。

2) 刀具磨損是硬質莖稈切割面臨的主要問題之一,現有切割刀具的研究主要集中在結構和工作參數的優化,但硬質莖稈切割過程刀具磨損嚴重,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) 目前不同學者針對硬質莖稈物理特性和切割刀具兩方面均開展了大量研究,但多為單獨研究,兩者結合較少。

4) 切割裝置的設計均以傳統刀具和切割方式為基礎進行相關參數的優化,新型刀具和切割方式較少,缺乏結構創新。

3 發展建議

莖稈切割裝置作為收割機的關鍵組成部分,硬質莖稈切割技術及裝置的研究對該類作物收獲機械化水平提升具有重要意義。針對目前我國硬質莖稈切割裝置研究現狀和存在的問題,提出如下建議。

1) 加強基礎研究,分析莖稈物理切面結構,研究不同結構物理性能,優化莖稈仿真模型,降低計算機仿真與實際切割的差異,進一步提高仿真結果的準確性,為刀具結構優化提供基礎。

2) 深入研究切割理論,利用仿真技術研究切割裝置結構和工作參數對切割性能的影響規律,優化切割裝置,提高切割效率,減小切割能耗。

3) 刀具設計與仿生學相結合。一方面從結構角度開展仿生割刀研究,提高切割性能,降低切割阻力;另一方面刀具結構優化與材料優化并行,從某些咀嚼式生物特有的切割部件出發進行新型耐磨材料的研發,增強割刀的切割和耐磨性能,提高硬質莖稈的切割質量。

4) 加強農機農藝融合,在切割裝置研究過程中充分考慮作物品種、收獲期、種植密度等對切割過程的影響,提高裝置的適用性。同時要結合不同地區和農作物特點,合理選擇割臺規格及結構形式,完善配套設施,確保高效作業。健全相關法律法規和政策規范,按照“政府引導、市場運作”的原則,建立健全硬質莖稈切割機械購置補貼制度和機具更新補貼制度,促進先進適用技術推廣應用。

4 結語

甘蔗、木薯、油菜、棉花等作物莖稈粗硬、切割難度大,收獲時切割裝置的切割性能是影響收獲性能和效率的關鍵因素。本研究圍繞我國典型硬質莖稈類作物,總結了現有硬質莖稈切割裝置的研究現狀,切割阻力大、功耗大、切斷率低、割刀磨損嚴重等,指出了國內硬質莖稈切割裝置現存問題,研究過程中莖稈建模過于簡單、刀具材料研究不足、莖稈與刀具研究相分離、缺乏結構創新等,并對該領域未來的研究重點和發展方向進行展望,加強基礎研究、深入研究切割理論、開展仿生割刀研究、加強農機農藝相結合必不可少,對我國硬質莖稈類作物收獲機械化的研究具有一定的參考價值。