摘要：莖稈是農(nóng)作物的主要副產(chǎn)品，也是世界范圍內(nèi)豐富的生物質(zhì)資源。莖稈切割是剛性體與柔性體的直接互作過(guò)程，是莖稈處理的重要工序。莖稈切割與農(nóng)作物高效低損傷收獲及莖稈資源化利用密切相關(guān)，開(kāi)展割刀與莖稈切割互作過(guò)程的研究是農(nóng)藝農(nóng)機(jī)深度融合的重要方面，對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。為此，本文圍繞莖稈切割的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展的綜合評(píng)述與分析，具體為：圍繞莖稈力學(xué)參數(shù)與本構(gòu)模型，闡述了莖稈生物學(xué)特征與力學(xué)參數(shù)的關(guān)系、測(cè)試方法與設(shè)備、莖稈本構(gòu)模型的建立及應(yīng)用;結(jié)合割刀結(jié)構(gòu)參數(shù)與型式、耐磨性能、自磨銳性能，介紹了割刀的結(jié)構(gòu)型式與材料特性;針對(duì)割刀與莖稈的切割互作過(guò)程，系統(tǒng)介紹了切割原理，以及高效率、低功耗、低損傷等切割技術(shù)研究目標(biāo);從試驗(yàn)研究的具體參數(shù)及目標(biāo)值到仿真研究的不同類型，梳理了兩種研究方法在莖稈切割中的應(yīng)用概況。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有問(wèn)題，著重探討了莖稈切割領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中莖稈切割問(wèn)題的深入研究提供了參考。

　　關(guān)鍵詞：農(nóng)藝農(nóng)機(jī)融合;莖稈切割;割刀;試驗(yàn)與仿真;綜述

　　引言

　　農(nóng)作物莖稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中豐富的生物質(zhì)和飼料資源，在發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的背景下，其潛在價(jià)值愈發(fā)得到重視[1]。隨著莖稈可用種類的豐富、可用途徑的增多，莖稈資源的綜合利用已經(jīng)成為引領(lǐng)農(nóng)業(yè)綠色循環(huán)發(fā)展，推動(dòng)生物質(zhì)精煉等新興產(chǎn)業(yè)進(jìn)步，促進(jìn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實(shí)施的重要方面。莖稈切割是剛性體(割刀)與柔性體(莖稈)的直接互作過(guò)程，割刀的切割性能、莖稈的生物特性、二者之間的耦合作用均會(huì)影響切割效果。

　　在機(jī)械或人工收獲中，莖稈切割始終是生產(chǎn)的必經(jīng)環(huán)節(jié);從粉碎還田到揉絲青貯，莖稈切割是有效利用作物莖稈的先決條件[2]。因此，無(wú)論是傳統(tǒng)的收獲作業(yè)還是莖稈的資源化利用，都與莖稈切割密切相關(guān)。針對(duì)莖稈切割，開(kāi)展基礎(chǔ)理論、核心技術(shù)、關(guān)鍵部件的研究，對(duì)于高效生產(chǎn)具有實(shí)用價(jià)值，對(duì)于農(nóng)業(yè)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。《中國(guó)制造2025》[3]戰(zhàn)略文件將先進(jìn)農(nóng)機(jī)裝備列為重點(diǎn)突破的十大領(lǐng)域之一，在農(nóng)機(jī)裝備中機(jī)械化收獲裝備占據(jù)著重要地位。收獲裝備終端操作是完成對(duì)農(nóng)作物莖稈的切割，而切割能耗、破碎效果均是評(píng)價(jià)收獲裝備性能的重要方面[4]。

　　因此，圍繞節(jié)約能源、優(yōu)化性能、提高效率[5]，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用實(shí)踐和快速發(fā)展對(duì)農(nóng)作物機(jī)械化收獲提出了更高的目標(biāo)，而其核心科學(xué)問(wèn)題涉及對(duì)莖稈切割的深入研究。西方發(fā)達(dá)國(guó)家農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化起步較早，集約化、機(jī)械化程度較高，針對(duì)莖稈切割的研究積累了大量成果;與農(nóng)業(yè)先進(jìn)國(guó)家相比，中國(guó)在耕作、收獲等基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性技術(shù)領(lǐng)域與國(guó)外仍有一定差距。切割技術(shù)理論的創(chuàng)新發(fā)展，有利于在莖稈切割領(lǐng)域搭建系統(tǒng)的理論知識(shí)體系，提升應(yīng)用基礎(chǔ)研究水平，優(yōu)化農(nóng)機(jī)裝備作業(yè)性能。

　　基于此，從生物技術(shù)、農(nóng)藝農(nóng)機(jī)等方面出發(fā)，從本質(zhì)上揭示莖稈切割機(jī)制一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)，但無(wú)論是在理論還是應(yīng)用層面，依然有諸多問(wèn)題亟待突破[6]。本文圍繞莖稈力學(xué)參數(shù)與本構(gòu)模型、割刀的結(jié)構(gòu)型式與材料特性、莖稈切割原理、莖稈切割技術(shù)研究目標(biāo)、莖稈切割研究方法等方面，總結(jié)歸納農(nóng)作物莖稈切割研究的進(jìn)展并進(jìn)行分析，討論未來(lái)研究發(fā)展方向。莖稈力學(xué)參數(shù)與本構(gòu)模型農(nóng)業(yè)物料力學(xué)是農(nóng)業(yè)工程的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域之一，并成為一門(mén)重要的分支學(xué)科，旨在采用工程力學(xué)的觀點(diǎn)和方法，解決農(nóng)業(yè)工程中眾多的生物力學(xué)問(wèn)題[7]，莖稈力學(xué)參數(shù)是該學(xué)科的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

　　國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注農(nóng)作物莖稈力學(xué)參數(shù)的最初目的是研究農(nóng)作物抗倒伏性能和機(jī)理[8]，以便為抗倒伏品種的選育、栽培措施的調(diào)控提供理論依據(jù)[912];另外，在機(jī)械部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，涉及到莖稈力學(xué)參數(shù)[1314]。莖稈切割是農(nóng)作物收獲、青貯加工環(huán)節(jié)的必備工序，但在切割過(guò)程的理論機(jī)理研究上，在割刀等核心零部件研制過(guò)程中，在機(jī)械性能的優(yōu)化提升上，以往較少考慮莖稈的生物學(xué)特征、力學(xué)參數(shù)，或者直接簡(jiǎn)化處理[6]。

　　1.1莖稈生物學(xué)特征與力學(xué)參數(shù)

　　農(nóng)作物莖稈是粘彈性與各向異性材料，在應(yīng)力和變形之間沒(méi)有明確的線性關(guān)系，其力學(xué)參數(shù)與莖稈生物學(xué)特征密切相關(guān)[15]，因此全面了解莖稈生物學(xué)特征是十分必要的。莖稈是植物的中軸，它對(duì)內(nèi)擔(dān)負(fù)著枝葉花果的全部重量，上下輸送營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)外還要抵御氣候變化所產(chǎn)生的外力。莖稈按照生物學(xué)特征可從多個(gè)角度進(jìn)行分類，例如按照截面形狀，可分為圓柱形莖、三棱形莖、方形莖、扁平莖;按照生發(fā)形態(tài)可分為直立莖、纏繞莖、攀援莖、斜升莖、斜倚莖、平臥莖、匍匐莖;按照木質(zhì)化程度可分為草本植物莖、藤本植物莖、木本植物莖，農(nóng)作物莖稈以草本類(水稻、小麥、棉花等)、藤本類(葡萄、番茄、茄子等)居多，莖內(nèi)木質(zhì)化組織相對(duì)較少。

　　其中，從結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，雙子葉植物(棉花、油菜等)與單子葉植物(小麥、水稻等)的莖稈結(jié)構(gòu)具有較大差異：雙子葉植物莖稈由表皮、皮層、維管柱(包括維管束、髓、髓射線等)組成，常具有次生結(jié)構(gòu);而單子葉植物莖稈由表皮、基本組織構(gòu)成，維管束分布其中[1617]。

　　另外，莖稈有實(shí)心與空心之分：以禾本科植物為例，玉米、甘蔗、高粱等實(shí)心莖稈內(nèi)充滿基本組織，維管束松散分布，而水稻、小麥等莖稈維管束呈內(nèi)外兩輪排列，中央為髓腔。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在力學(xué)測(cè)試中關(guān)注的莖稈主要力學(xué)參數(shù)為：抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、楊氏模量等[18]，且重點(diǎn)研究了莖稈主要方向的力學(xué)參數(shù)。表為常見(jiàn)農(nóng)作物莖稈的力學(xué)參數(shù)，由于力學(xué)參數(shù)受到莖稈成熟度、含水率、試驗(yàn)條件等因素的影響，即便同類莖稈所測(cè)數(shù)值也存在偏差，這在一定程度上影響了研究深度，表依據(jù)所檢索文獻(xiàn)給出了相關(guān)參數(shù)的范圍區(qū)間。

　　植物學(xué)中同類莖稈具有大致相同的生物學(xué)特征，而如何根據(jù)生物學(xué)特征推斷提煉出共性的力學(xué)特征，文獻(xiàn)[40]基于大量的力學(xué)參數(shù)與生理形態(tài)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果，采用SAS軟件對(duì)莖稈力學(xué)特征與生物學(xué)特征的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了回歸分析，并嘗試建立了小麥、高粱、大豆等莖稈抗拉、抗彎、抗剪強(qiáng)度與含水率、株高、外徑、壁厚等生理指標(biāo)的關(guān)系模型，具有生產(chǎn)指導(dǎo)價(jià)值。

　　同時(shí)研究認(rèn)為，莖稈力學(xué)與生物學(xué)特征均具有一定的變異性，且兩者之間的相關(guān)度隨作物類別、品種、生長(zhǎng)期的不同而有所變化。由此可見(jiàn)，莖稈的生物學(xué)特征在自然生長(zhǎng)中具有環(huán)境的適應(yīng)性與特殊性，不同莖稈間的力學(xué)特征基本沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)律，因此莖稈切割、抗倒伏等農(nóng)藝技術(shù)的研究及措施調(diào)控應(yīng)視不同作物而定[40]。

　　作為生物質(zhì)材料，莖稈力學(xué)性能主要取決于微觀組織結(jié)構(gòu)與理化組分：維管束由韌皮部和木質(zhì)部組成，屬于強(qiáng)韌機(jī)械組織，且維管束在表皮附近細(xì)密分布有較強(qiáng)的抵抗外部荷載的能力，因此草本類的玉米、藤本類的番茄其表皮的力學(xué)性能明顯優(yōu)于芯部[24,41];小麥、水稻中的厚壁組織，角質(zhì)層較厚，可增強(qiáng)對(duì)莖的支持，提高莖稈機(jī)械強(qiáng)度與抗倒伏能力[42];纖維素、半纖維素、木質(zhì)素通過(guò)增強(qiáng)細(xì)胞壁厚度提高莖稈剛度與強(qiáng)度，它們的差異化分布亦是莖稈在不同高度范圍力學(xué)參數(shù)顯著變化的主要原因[43];從外部形態(tài)看，莖稈具有節(jié)與節(jié)間，由于葉片、腋芽的存在，莖節(jié)常表面隆起而內(nèi)部充實(shí)，維管組織排列復(fù)雜且發(fā)達(dá)，相比之下部分莖稈節(jié)間常為中空腔，這就導(dǎo)致節(jié)與節(jié)間力學(xué)性質(zhì)差異明顯[26];此外，粘彈性體所具備的應(yīng)力松弛與蠕變特性，應(yīng)在莖稈機(jī)械壓實(shí)、有序收獲等環(huán)節(jié)予以考慮[4445]。

　　1.2測(cè)試方法與設(shè)備

　　目前，農(nóng)作物莖稈力學(xué)參數(shù)的測(cè)試依然借鑒材料力學(xué)方法，研究主要集中在力學(xué)參數(shù)與莖稈微觀組織、化學(xué)成分、物理特性的關(guān)系上[46]，所采用的試驗(yàn)設(shè)備基本是萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)[27]或質(zhì)構(gòu)儀[47]，二者的基本構(gòu)成包括：伺服控制系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。同時(shí)，應(yīng)根據(jù)莖稈特點(diǎn)及試驗(yàn)側(cè)重點(diǎn)(例如抗拉、抗剪試驗(yàn))，對(duì)設(shè)備加載或固定裝置進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)以防止莖稈的滑移脫落，從而確保力學(xué)測(cè)試的有效開(kāi)展[26,48];還可結(jié)合機(jī)器視覺(jué)等輔助設(shè)備，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)捕捉[49]。

　　1.3莖稈本構(gòu)模型的建立及應(yīng)用

　　基于莖稈物料應(yīng)力應(yīng)變的深入分析，探索建立準(zhǔn)確有效的本構(gòu)模型，是莖稈切割理論研究的關(guān)鍵步驟，也是開(kāi)展數(shù)值仿真與工程應(yīng)用的先決條件。

　　總體來(lái)看，鑒于農(nóng)作物莖稈生物體物料的復(fù)雜性，針對(duì)莖稈力學(xué)參數(shù)的研究，其分析理論與測(cè)試方法仍需進(jìn)一步完善。開(kāi)展莖稈力學(xué)特性微觀、宏觀的全面研究，有助于深入了解應(yīng)力是如何通過(guò)組織與結(jié)構(gòu)傳遞發(fā)展的，也為農(nóng)作物莖稈多尺度建模奠定了基礎(chǔ)。另外，應(yīng)基于國(guó)內(nèi)外學(xué)者所積累的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)歸納具有普適性并經(jīng)得起推敲的力學(xué)模型及研究規(guī)律，從而及時(shí)建立健全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，提升莖稈切割研究的基礎(chǔ)水平。

　　2割刀結(jié)構(gòu)型式與材料特性

　　割刀是現(xiàn)代聯(lián)合收獲機(jī)械的核心零部件，其結(jié)構(gòu)與性能直接影響整機(jī)工作可靠性、使用壽命、作業(yè)效率及功耗[70]。切割或粉碎作業(yè)的過(guò)程會(huì)引發(fā)刀具材料周期性的應(yīng)力變化，加劇了割刀的疲勞損耗。國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)農(nóng)機(jī)割刀大量依賴進(jìn)口，與國(guó)外相比，我國(guó)在割刀核心材料、制備工藝等方面存在較大技術(shù)瓶頸，成為高端收獲機(jī)械發(fā)展亟需解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

　　2.1割刀結(jié)構(gòu)參數(shù)與型式

　　割刀結(jié)構(gòu)參數(shù)與型式對(duì)耕作收獲性能與田間作業(yè)能耗有直接影響[71]，其優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)主要是圍繞如何實(shí)現(xiàn)高效率與低功耗切割。GB/T1209.32009《農(nóng)業(yè)機(jī)械切割器第部分：動(dòng)刀片、定刀片和刀桿》對(duì)割刀型式和技術(shù)要求做了統(tǒng)一說(shuō)明，

　　切割器是割刀作業(yè)的載體，往復(fù)式切割器常采用動(dòng)刀與定刀實(shí)現(xiàn)有支撐切割，割幅寬、適應(yīng)能力強(qiáng)，但振動(dòng)較大，適用于水稻、小麥等禾本科莖稈的切割。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圍繞寬度、厚度、角度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的組合搭配，將動(dòng)刀片分為種型式，將定刀片分為種型式，并規(guī)定了各自適用的切割器類型，對(duì)生產(chǎn)研究起到了有效的指導(dǎo)作用[72];在材料性能上，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)建議動(dòng)、定刀片淬火區(qū)硬度為48～60HRC，非淬火區(qū)硬度不大于35HRC。

　　為提高棉花秸稈的切割質(zhì)量與效率，降低割茬高度與裝備功耗，宋占華等[73]結(jié)合所關(guān)心的目標(biāo)值提出了切割有效率的概念，并據(jù)此確定了動(dòng)刀片寬度、刀刃高度、前橋?qū)挾鹊淖顑?yōu)參數(shù)組合，優(yōu)化改進(jìn)后的動(dòng)刀片性能得到明顯提升。而回轉(zhuǎn)式切割器常應(yīng)用甩刀在高速旋轉(zhuǎn)下完成無(wú)支撐切割，因甩刀與刀盤(pán)相互鉸接，可有效避免與障礙物發(fā)生剛性碰撞導(dǎo)致割刀損壞，但割幅受到一定限制，且功耗較高[74]，適用于牧草、甘蔗等莖稈的收獲，高稈作物莖稈粉碎以及園藝管理工作。

　　2.2割刀的耐磨性能

　　正常情況下磨損是農(nóng)機(jī)零件失效破壞的主要形式和材料消耗的第一位因素，其比例占80%以上[84]。切割過(guò)程中，割刀與農(nóng)作物、土壤尤其石屑間的沖擊應(yīng)力與摩擦磨損會(huì)導(dǎo)致刀刃鈍化、變形。刃口鈍化會(huì)降低切割性能，提高切割功耗，延長(zhǎng)停機(jī)時(shí)間[76]，還會(huì)增大對(duì)農(nóng)作物莖稈的撞擊拉拔作用，影響切口質(zhì)量，不利于農(nóng)作物正常再生[85];在農(nóng)產(chǎn)品原料粉碎過(guò)程中，刀具材料的磨損脫落，還會(huì)污染食品及飼料[86]。

　　磨損是割刀的主要失效形式，莖稈切割中主要有磨料磨損與粘著磨損兩種情況，而提高硬度是減少磨損的有效途徑，亦是割刀材料選擇與工藝優(yōu)化的主要依據(jù)。對(duì)于割刀基體材料，碳鋼(如T9鋼、45鋼等)、錳鋼(如65Mn鋼等)因硬度高、成本低、易加工，成為了國(guó)內(nèi)割刀制作的主要原料：例如T9鋼等溫淬火、45鋼滲硼等均能作為割刀材料，為降低成本可用65Mn鋼代替T9鋼;國(guó)外割刀基體材料與國(guó)內(nèi)基本相似，主要采用含碳0.5%～1.0%的碳素鋼和含碳0.3%～0.6%的中碳硅錳鋼：例如，采用中碳鋼經(jīng)高頻感應(yīng)等溫淬火后，得到馬氏體與下貝氏體各占50%的基體組織，其材料硬度與沖擊韌性均較高[70,87];可見(jiàn)，熱處理工藝在此類基體材料性能的優(yōu)化中發(fā)揮關(guān)鍵作用。另一方面，由高硬度難熔金屬碳化物及粘結(jié)金屬構(gòu)成的硬質(zhì)合金可通過(guò)調(diào)控成分比例制備成各種牌號(hào)，可滿足不同工作環(huán)境對(duì)割刀力學(xué)性能及耐磨性的要求[88]。

　　例如，通過(guò)解析高溫鐵溶體內(nèi)的多相運(yùn)動(dòng)學(xué)特征及致密化機(jī)制，借助鋁熱反應(yīng)在鐵基體中加入釩鐵、鉻鐵、鉬鐵、錳鐵等硬質(zhì)合金顆粒制成金屬陶瓷材料，可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定區(qū)域的硬度強(qiáng)化[89];提高材料硬度并保持其韌性是延長(zhǎng)割刀使用壽命的有效解決方式，可采用滲硼和滲釩工藝處理不銹鋼割刀，通過(guò)生成新的硼化物、碳化物提高割刀耐磨性能、機(jī)械性能[90]。

　　2.3割刀的自磨銳性能

　　為確保割刀刃口在作業(yè)過(guò)程中始終保持鋒利，自磨銳技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)的關(guān)鍵在于通過(guò)刀刃兩面不同的硬度調(diào)控磨損速率，使鋒利的刃口始終突出于前緣，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌性、耐磨性、鋒銳性的有機(jī)結(jié)合。在國(guó)內(nèi)，宋月鵬團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持材料、結(jié)構(gòu)、工作條件一體化設(shè)計(jì)理念，圍繞自磨銳技術(shù)開(kāi)展了系列研究，與市售割刀相比所研自磨銳割刀實(shí)現(xiàn)了優(yōu)良的耐磨性能及高效低損傷切割效果。

　　自磨銳割刀制備技術(shù)有：采用真空復(fù)合軋制工藝，將種鋼板(GCr15、Q420、IF)軋制成梯度復(fù)合材料，所制割刀后刀面及刃口材料硬度高、耐磨性好，前刀面硬度梯度變化，試驗(yàn)表明其耐磨性是市售割刀倍以上[85];采用稀土催滲碳氮硼共滲，對(duì)割刀后刀面及刀尖進(jìn)行局部化學(xué)熱處理，共滲割刀在厚度方向上實(shí)現(xiàn)了組織、成分、硬度的梯度均勻變化，從而在作業(yè)過(guò)程中形成自磨銳效果，實(shí)現(xiàn)了割刀長(zhǎng)壽命作業(yè)和對(duì)農(nóng)作物的低損傷收獲[93];采用Fe/Al鋁熱體系，在超重力場(chǎng)中熔鑄成硬度呈梯度分布的新型復(fù)合材料，而后制備出工作中均勻磨損、始終保持鋒利的自磨銳割刀，并通過(guò)田間試驗(yàn)驗(yàn)證了使用效果[9495]。

　　在國(guó)外，ROSTEK等[96]研究認(rèn)為割刀壽命與基體材料抗彎強(qiáng)度、延展性、耐磨性緊密相關(guān)，并通過(guò)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、磨損試驗(yàn)評(píng)價(jià)材料性能，采用局部硬度層狀分級(jí)鋼材進(jìn)行割刀的制備，使堅(jiān)硬的耐磨層始終分布于刃口位置，通過(guò)維持割刀穩(wěn)定的幾何形狀實(shí)現(xiàn)了良好的自磨銳效果。

　　3莖稈切割原理

　　莖稈切割雖是割刀與莖稈間的瞬時(shí)互作過(guò)程，仍可細(xì)化拆分為以下階段：切割作用發(fā)生初始，莖稈組織處于變形可恢復(fù)的彈性階段;隨著割刀的逐漸深入莖稈材料由塑性變形的累積隨即發(fā)展為局部動(dòng)力屈曲;最終莖稈截面材料達(dá)到失效應(yīng)變，發(fā)生斷裂失效，幾何形態(tài)發(fā)生深刻變化[102]。把握莖稈切斷的本質(zhì)，是優(yōu)化切割原理的基礎(chǔ)。切割是割刀與莖稈之間的動(dòng)力接觸，切割方式依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類。其中，根據(jù)切割作用的方向，主要分為正切與滑切兩種基本的切割方式。正切時(shí)割刀的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)方向與刃口相互垂直，而滑切時(shí)割刀的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)方向與刃口既不垂直也不平行，表現(xiàn)為鋸切效果。

　　4莖稈切割技術(shù)研究目標(biāo)

　　切割過(guò)程屬于高度非線性問(wèn)題，在割刀與莖稈的碰撞沖擊中存在著應(yīng)力與應(yīng)變的突變，并在不同的切割階段呈現(xiàn)相應(yīng)特征。在莖稈切割收獲的問(wèn)題上，提高效率、降低能耗、減少損傷是國(guó)內(nèi)外學(xué)者在機(jī)械設(shè)計(jì)及收獲策略的優(yōu)化中共同追求的目標(biāo)。高效率切割、低功耗切割、低損傷切割亦是新型切割技術(shù)與傳統(tǒng)切割技術(shù)的區(qū)別所在。

　　5展望

　　開(kāi)展農(nóng)作物莖稈切割的研究，提高莖稈生物質(zhì)資源利用率，是農(nóng)業(yè)機(jī)械化收獲的關(guān)鍵目標(biāo)，是農(nóng)藝農(nóng)機(jī)深度融合的重要方面，是促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。關(guān)于莖稈切割問(wèn)題的研究需要在以下方面加以深入：

　　(1)深入分析莖稈力學(xué)特性作為生物復(fù)合材料，莖稈力學(xué)參數(shù)的測(cè)試對(duì)于抗倒伏品種選育、生物質(zhì)資源開(kāi)發(fā)、農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)均具有實(shí)用價(jià)值，其自身特性的分析及對(duì)切割作業(yè)的影響，仍需全面深入開(kāi)展研究。首先，莖稈力學(xué)特性的分析要充分考慮生物學(xué)特征、農(nóng)藝調(diào)控措施、生長(zhǎng)發(fā)育環(huán)境等因素的影響，并借助數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法開(kāi)展力學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)的回歸分析，建立力學(xué)特性與影響因素間的相關(guān)關(guān)系，并依據(jù)莖稈類別總結(jié)出對(duì)農(nóng)藝技術(shù)具有指導(dǎo)意義的力學(xué)特性規(guī)律，乃至建立健全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范;其次，要突破傳統(tǒng)的工程材料研究模式，理清農(nóng)業(yè)物料微觀結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀性能的影響機(jī)理，搭建能夠反映農(nóng)作物莖稈材料力學(xué)特性的指標(biāo)體系，并以此指導(dǎo)建立可靠的莖稈本構(gòu)關(guān)系模型，最終為莖稈切割作業(yè)提供理論參考與技術(shù)指導(dǎo)。

　　(2)研制高端自磨銳割刀高端耐磨割刀在制造技術(shù)及理論創(chuàng)新上還很欠缺，這在一定程度上制約了收獲機(jī)械裝備整體水平的提升。在割刀與莖稈頻繁的沖擊摩擦下，刃面硬度分布對(duì)其磨損規(guī)律的影響，以及自磨銳形成機(jī)制，到目前為止國(guó)內(nèi)外缺乏系統(tǒng)的研究。基于割刀基本功能特點(diǎn)，兼顧切割作業(yè)影響特征，以材料硬度梯度變化調(diào)控刃面均勻磨損，是確保實(shí)現(xiàn)優(yōu)良自磨銳效果的關(guān)鍵。因此，開(kāi)展割刀材料結(jié)構(gòu)工作條件的一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自磨銳割刀的創(chuàng)制，可為提升我國(guó)高性能農(nóng)機(jī)裝備關(guān)鍵零部件制造水平提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)藝農(nóng)機(jī)深度融合的具體體現(xiàn)。

　　(3)完善莖稈切割的基礎(chǔ)理論與技術(shù)方法在研究方法上，莖稈切割過(guò)程涉及動(dòng)力接觸與碰撞，屬于非線性問(wèn)題，現(xiàn)有的方法手段難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)分析。數(shù)值仿真直觀高效，能較好的對(duì)比各個(gè)因素水平的影響，但依然需要輔助驗(yàn)證;圍繞切割試驗(yàn)搭建的各類試驗(yàn)平臺(tái)集約化、普適性水平較低，且高敏感、高精度檢測(cè)終端的匱乏制約了平臺(tái)的試驗(yàn)性能。

　　因此，莖稈切割的試驗(yàn)與仿真研究依然有待發(fā)展完善。在理論規(guī)律上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基本以單類莖稈開(kāi)展切割研究，且根據(jù)需要關(guān)注了不同的切割參數(shù)及目標(biāo)值，雖然對(duì)部分試驗(yàn)現(xiàn)象的理解還不夠深入，個(gè)別參數(shù)的作用效應(yīng)存在分歧，但已積累了豐富的切割試驗(yàn)數(shù)據(jù)。為提高莖稈切割的基礎(chǔ)研究水平，針對(duì)存量數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步的歸納研判，具有不同作物間普適性并經(jīng)得起推敲的莖稈切割理論規(guī)律有待總結(jié)。

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　　作者：吳昆1,2宋月鵬1,3