吳 昆 宋月鵬

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，泰安 271018；2.山東交通職業(yè)學(xué)院交通工程系，濰坊 261206；3.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，泰安 271018)

0 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)濟的背景下，其潛在價值愈發(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，推動生物質(zhì)精煉等新興產(chǎn)業(yè)進步，促進鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實施的重要方面。

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影響切割效果。在機械或人工收獲中，莖稈切割始終是生產(chǎn)的重要環(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)。針對莖稈切割，開展基礎(chǔ)理論、核心技術(shù)、關(guān)鍵部件的研究，對于高效生產(chǎn)具有實用價值，對于農(nóng)業(yè)發(fā)展具有現(xiàn)實意義。

《中國制造2025》[3]戰(zhàn)略文件將先進農(nóng)機裝備列為重點突破的十大領(lǐng)域之一，在農(nóng)機裝備中機械化收獲裝備占據(jù)著重要地位。收獲裝備終端操作是完成對農(nóng)作物莖稈的切割，而切割能耗、破碎效果均是評價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]，精準農(nóng)業(yè)的應(yīng)用實踐和快速發(fā)展對農(nóng)作物機械化收獲提出了更高的要求，而其核心科學(xué)問題涉及對莖稈切割的深入研究。

西方發(fā)達國家農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化起步較早，集約化、機械化程度較高，針對莖稈切割的研究積累了大量成果；與農(nóng)業(yè)先進國家相比，中國在耕作、收獲等基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性技術(shù)領(lǐng)域與國外仍有一定差距。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)的理論知識體系，提升應(yīng)用基礎(chǔ)研究水平，優(yōu)化農(nóng)機裝備作業(yè)性能。基于此，從生物技術(shù)、農(nóng)藝農(nóng)機等方面出發(fā)，從本質(zhì)上揭示莖稈切割機制一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點，但無論是在理論還是應(yīng)用層面，依然有諸多問題亟待突破[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、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展并進行分析，展望未來研究發(fā)展方向。

1 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，并成為一門重要的分支學(xué)科，旨在采用工程力學(xué)的觀點和方法，解決農(nóng)業(yè)工程中眾多的生物力學(xué)問題[7]，莖稈力學(xué)參數(shù)是該學(xué)科的重點研究內(nèi)容。國內(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)[9-12]；另外，在機械部件的優(yōu)化設(shè)計中，涉及到莖稈力學(xué)參數(shù)的應(yīng)用[13-14]。

莖稈切割是農(nóng)作物收獲、青貯加工環(huán)節(jié)的必有工序，但在切割過程的理論機理研究上，在割刀等核心零部件研制過程中，在機械性能的優(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，它對內(nèi)擔(dān)負著枝葉花果的全部重量，上下輸送營養(yǎng)物質(zhì)，對外還要抵御氣候變化所產(chǎn)生的外力。莖稈按照生物學(xué)特征可從多個角度進行分類，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)化組織相對較少。其中，從結(jié)構(gòu)特征進行分析，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[16-17]。另外，莖稈有實心與空心之分：以禾本科植物為例，玉米、甘蔗、高粱等實心莖稈內(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。

國內(nèi)外學(xué)者在力學(xué)測試中關(guān)注的莖稈主要力學(xué)參數(shù)為：抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度、楊氏模量等[18]，且重點研究了莖稈生長方向的力學(xué)參數(shù)。表1為常見農(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、試驗條件等因素的影響，即便同類莖稈所測數(shù)值也存在偏差，這在一定程度上影響了研究深度，依據(jù)所檢索文獻，表1給出了相關(guān)參數(shù)的區(qū)間范圍。

表1 常見農(nóng)作物莖稈的力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of common crop stalks

植物學(xué)中同類莖稈具有大致相同的生物學(xué)特征，對于根據(jù)生物學(xué)特征推斷提煉出共性的力學(xué)特征，文獻[40]基于大量的力學(xué)參數(shù)與生理形態(tài)指標測試結(jié)果，采用SAS軟件對莖稈力學(xué)特征與生物學(xué)特征的相關(guān)關(guān)系進行了回歸分析，并嘗試建立了小麥、高粱、大豆等莖稈抗拉、抗彎、抗剪強度與含水率、株高、外徑、壁厚等生理指標的關(guān)系模型，具有生產(chǎn)指導(dǎo)價值。同時研究認為，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、生長期的不同而有所變化。由此可見，莖稈的生物學(xué)特征在自然生長中具有環(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，屬于強韌機械組織，且維管束在表皮附近細密分布有較強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，可增強對莖的支持，提高莖稈機械強度與抗倒伏能力[42]；纖維素、半纖維素、木質(zhì)素通過增強細胞壁厚度提高莖稈剛度與強度，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，維管組織排列復(fù)雜且發(fā)達，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)在莖稈機械壓實、有序收獲等環(huán)節(jié)予以考慮[44-45]。

1.2 測試方法與設(shè)備

目前，農(nóng)作物莖稈力學(xué)參數(shù)的測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]，所采用的試驗設(shè)備基本是萬能材料試驗機[27]或質(zhì)構(gòu)儀[47](圖1)，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，應(yīng)根據(jù)莖稈特點及試驗側(cè)重點(例如抗拉、抗剪試驗)，對設(shè)備加載或固定裝置進行適當(dāng)改進以防止莖稈的滑移脫落，從而確保力學(xué)測試的有效開展[26,48]；還可結(jié)合機器視覺等輔助設(shè)備，實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的精準捕捉[49]。

圖1 莖稈力學(xué)特性試驗設(shè)備Fig.1 Test equipment for mechanical properties of stalks

此外，可嘗試把在工程材料學(xué)、生命科學(xué)等學(xué)科研究中發(fā)展起來的方法與設(shè)備，遷移至植物力學(xué)的研究中[50]：例如，納米壓痕測試系統(tǒng)可在納米尺度提供生物質(zhì)材料表面局部的定量信息，能從微觀細胞壁組織性能角度解釋莖稈宏觀力學(xué)特性的差異[37,51]；電子計算機斷層掃描技術(shù)(Computed tomography，CT)能準確推斷莖稈截面材料性質(zhì)的空間分布，有助于深入理解外部加載過程中莖稈內(nèi)部的應(yīng)力傳遞規(guī)律[52-53]；掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope，SEM)可開展針對維管束等莖稈微區(qū)形貌的高分辨率分析，能直觀展示微觀組織結(jié)構(gòu)特點[43,54]；X射線衍射法(X-ray diffraction，XRD)具備精確分析莖稈理化組分的能力，可為莖稈性狀調(diào)控及機理分析提供依據(jù)[17,55]。這些材料性能表征的新興技術(shù)手段，均為深入研究莖稈材料異質(zhì)性提供了可能，也為莖稈力學(xué)參數(shù)的測試提供了新的途徑。

在莖稈切割問題上，采用有效的方法設(shè)備準確獲取目標莖稈的力學(xué)參數(shù)及變化規(guī)律，無論是對于收獲機械的優(yōu)化、收割時間的選擇，還是割茬高度的確定、后處理加工，均具有較強的生產(chǎn)指導(dǎo)意義。但是，基于材料力學(xué)理論發(fā)展起來的測量方法與設(shè)備，并不完全適用于農(nóng)作物莖稈力學(xué)特性的研究，尤其在粘彈性和流變性等問題的解釋上顯得力不從心。因此，結(jié)合農(nóng)業(yè)物料特點專注于創(chuàng)造新的材料理論體系，進而推動配套檢測方法與設(shè)備的研發(fā)是十分必要的。此外，從動力學(xué)角度分析，莖稈切割塑性變形中的彈性力學(xué)、斷裂力學(xué)尚未發(fā)展成熟，其切割動力學(xué)特性尤為復(fù)雜，而萬能材料試驗機和質(zhì)構(gòu)儀開展的莖稈剪切特性測定，是低速的切割試驗，準確表征高速瞬時的切割工況依然具有難度。

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，也是開展數(shù)值仿真與工程應(yīng)用的先決條件。表2為國內(nèi)外學(xué)者針對莖稈理化特性，根據(jù)研究需要及工作適用性確定的本構(gòu)模型。

表2 莖稈本構(gòu)模型Tab.2 Stalk constitutive model

農(nóng)作物莖稈為各向異性復(fù)合材料，本構(gòu)模型的建立要充分考慮莖稈本身材料屬性的影響，其基本思路為：首先，通過力學(xué)公式推導(dǎo)初步建立適宜特定莖稈的理論模型；其次，基于莖稈力學(xué)特性的測試標定模型關(guān)鍵參數(shù)；最后，通過試驗驗證本構(gòu)模型的準確性。由此可見，試驗測試與模型分析兩者相輔相成、相互印證：試驗測試能準確評估莖稈力學(xué)特性，但大量開展試驗增加了研究成本；模型分析為切割技術(shù)的深化研究拓展了空間，但它對莖稈本構(gòu)的表征能力，依然有賴于試驗測試的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。沈成等[38,62]針對麻類作物莖稈開展了系列研究，運用復(fù)合材料力學(xué)理論推導(dǎo)建立了莖稈力學(xué)本構(gòu)模型，并通過力學(xué)試驗及分析計算標定了模型參數(shù)，為麻類作物切割、剝制過程研究及收獲機械的研發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

莖稈宏觀的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與物料組織結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，因此只有深入研究物料微觀結(jié)構(gòu)特征，才能對宏觀力學(xué)特性給出更為本質(zhì)的描述和解釋，才能建立更為精準可靠的力學(xué)模型[7]。WEN等[63]基于甘草莖稈宏觀力學(xué)測試與微觀結(jié)構(gòu)剖析，建立了橫截面積與剪切力、彎曲力的線性回歸模型；MYHAN等[64]建立了以彈性細胞壁和細胞中不可壓縮流體為特征的細胞固體非線性流變模型，并在部分作物根莖中驗證了模型的適用性。

在理清莖稈本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立合理的數(shù)學(xué)模型以表征切割系統(tǒng)的相互作用，是簡化切割過程研究的有效途徑。例如，將莖稈的柔性簡化模型與切割機構(gòu)剛性體模型相結(jié)合，開展剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)分析，對于深入理解切割過程具有現(xiàn)實意義。王俊團隊[65-66]針對甘蔗斷尾、破頭中的動力碰撞問題采用剛?cè)狁詈夏Ｐ烷_展了仿真研究，在沖擊函數(shù)中詳細確定了剛度系數(shù)、碰撞指數(shù)、最大阻尼系數(shù)、切入深度等模型參數(shù)，并進一步優(yōu)化模型以提高計算精度[67]。另外，還可以進一步考慮土壤的影響，構(gòu)建土壤-莖稈-切割機構(gòu)的動力學(xué)仿真模型，可全面了解切割互作過程，促進高效低損切割技術(shù)的發(fā)展[57]。

莖稈作為切割過程的施作對象，其本構(gòu)模型的建立為莖稈切割的深入研究奠定了理論基礎(chǔ)。為了凸顯主體變化規(guī)律，把握動態(tài)切割的本質(zhì)，會基于理想化假設(shè)開展莖稈本構(gòu)、切割動力學(xué)過程的理論建模，這勢必影響分析精度。因此，可進一步通過系統(tǒng)內(nèi)力公式推導(dǎo)、仿真試驗擬合、工程實踐驗證開展模型的優(yōu)化調(diào)整[68-69]。

總體來看，鑒于農(nóng)作物莖稈生物體物料的復(fù)雜性，針對莖稈力學(xué)參數(shù)的研究，其分析理論與測試方法仍需進一步完善。開展莖稈力學(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)基于國內(nèi)外學(xué)者所積累的試驗數(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，從而及時建立健全相關(guān)標準與規(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)合收獲機械的核心零部件，其結(jié)構(gòu)與性能直接影響整機工作可靠性、使用壽命、作業(yè)效率及功耗[70]。切割或粉碎作業(yè)的過程會引發(fā)刀具材料周期性的應(yīng)力變化，加劇了割刀的疲勞損耗。國內(nèi)優(yōu)質(zhì)農(nóng)機割刀大量依賴進口，與國外相比，我國在割刀核心材料、制備工藝等方面存在較大技術(shù)瓶頸，成為高端收獲機械發(fā)展亟需解決的現(xiàn)實問題。

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)計的目標主要是實現(xiàn)高效率與低功耗切割。GB/T 1209.3—2009《農(nóng)業(yè)機械切割器 第3部分：動刀片、定刀片和刀桿》對割刀型式和技術(shù)要求做了統(tǒng)一說明，割刀常見參數(shù)及類型如圖2所示。

圖2 割刀常見參數(shù)及類型Fig.2 Common parameters and types of blades

切割器是割刀作業(yè)的載體，往復(fù)式切割器常采用動刀與定刀實現(xiàn)有支撐切割，割幅寬、適應(yīng)能力強，但振動較大，適用于水稻、小麥等禾本科莖稈的切割。國家標準圍繞寬度、厚度、角度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的組合搭配，將動刀片分為6種型式，將定刀片分為3種型式，并規(guī)定了各自適用的切割器類型，對生產(chǎn)研究起到了有效的指導(dǎo)作用[72]；在材料性能上，國家標準建議動、定刀片淬火區(qū)硬度為48～60 HRC，非淬火區(qū)硬度不大于35 HRC。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)心的目標值提出了切割有效率的概念，并據(jù)此確定了動刀片寬度、刀刃高度、前橋?qū)挾鹊淖顑?yōu)參數(shù)組合，優(yōu)化改進后的動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)下完成無支撐切割，因甩刀與刀盤相互鉸接，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。

現(xiàn)有莖稈割刀的類別型式，主要依據(jù)機械生產(chǎn)企業(yè)的實際經(jīng)驗來設(shè)計確定，缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)[75]，批量生產(chǎn)、市面通用的割刀產(chǎn)品依然不足。直刀、光刃便于加工，但切割性能不佳且易崩刃，適于切割苜蓿、油菜等機械組織不發(fā)達的空心莖稈；而斜刀、齒刃雖加工成本較高，但可充分發(fā)揮滑切及夾持作用，實現(xiàn)對玉米、高粱等具有強韌機械組織實心莖稈的切割。在割刀結(jié)構(gòu)型式設(shè)計上，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量工作：以整機能耗、割頭能耗和牽引能耗為評價指標，在直刀光刃、斜刀片、鋸齒形刀片的性能對比中，鋸齒形刀片收獲性能最佳[76]，這與在芒草莖稈的切割研究中所得結(jié)論相同[77]；以莖稈切口體積、割刀壽命、切割效率為評價指標，在有限元分析中，梯形刀具的性能優(yōu)于矩形刀具和曲形刀具[78]。

割刀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計還應(yīng)兼顧莖稈特征與作業(yè)過程，這是莖稈切割領(lǐng)域農(nóng)機農(nóng)藝深度融合的有效體現(xiàn)。部分作物莖稈如棉花、番茄等具有較厚的表皮組織，其莖稈切斷的關(guān)鍵在于理清表皮強韌機械組織的失效破壞模式。在切割的初始階段，莖稈表皮承受割刀瞬時增大的壓力，此時鋸齒形刀片更容易穿透撕開莖稈表皮并將其分離成多個部分[77]；隨后，莖稈的其余組織在徑向剪切與軸向拉伸的共同作用下發(fā)生失效斷裂。因此，相對于直刀光刃，鋸齒形刀片所需的切割力與功耗均較少。而鋸齒形刀片齒深、齒距、齒紋角等參數(shù)的確定還需綜合考慮莖稈類型、莖稈粗細、切割速度等因素[70]。

仿生學(xué)原理對于割刀結(jié)構(gòu)型式設(shè)計具有較強的指導(dǎo)意義，在普通鋸齒形刀片的基礎(chǔ)上，可借鑒蚱蜢門齒輪廓[79]、天牛切割齒輪廓[80]、螳螂前肢脛節(jié)切割齒輪廓[81]優(yōu)化割刀鋸齒的齒形、齒距、齒深等參數(shù)；可模仿蚯蚓[82]、蛇、蜥蜴[83]等動物的體表形貌，加工出刀具表面的仿生微織構(gòu)，降低割刀的摩擦力與磨損量，避免崩刃情況的發(fā)生。

2.2 割刀耐磨性能

正常情況下磨損是農(nóng)機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)力與摩擦磨損會導(dǎo)致刀刃鈍化、變形。刃口鈍化會降低切割性能，提高切割功耗，延長停機時間[76]，還會增大對農(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)品原料粉碎過程中，刀具材料的磨損脫落，還會污染食品及飼料[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；國外割刀基體材料與國內(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，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)合金可通過調(diào)控成分比例制備成各種牌號，可滿足不同工作環(huán)境對割刀力學(xué)性能及耐磨性的要求[88]。例如，通過解析高溫鐵溶體內(nèi)的多相運動學(xué)特征及致密化機制，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，可實現(xiàn)對特定區(qū)域的硬度強化[89]；提高材料硬度并保持其韌性是延長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，通過生成新的硼化物、碳化物提高割刀耐磨性能、機械性能[90]。

表面工程技術(shù)(化學(xué)熱處理、堆焊、噴涂、熔覆等)能夠明顯改善材料表面硬度，成為制作耐磨割刀的常見手段[70,91]。國外知名農(nóng)業(yè)機械制造公司Busatis、CLAAS、New Holland、John Deer等采用以上技術(shù)研制了多款優(yōu)質(zhì)割刀并實現(xiàn)了良好的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，圖3為Busatis公司所研制割刀。NIRANATLUMPONG等[86]針對工業(yè)粉碎機刀片，通過刀片截面變化推算磨損體積與質(zhì)量，對比了普通淬火硬化刀片、鍍鉻刀片、等離子噴涂Al2O3-TiO2涂層刀片、超音速火焰噴涂(High-velocity oxygen-fuel，HVOF)WC-Co涂層刀片的耐磨性能，研究認為增加涂層厚度可延長割刀耐磨壽命，但會受到噴涂技術(shù)的限制；激光熔覆技術(shù)可使強化層與基體層達到冶金結(jié)合，孟亮等[92]通過熔覆Ni與WC使65Mn鋼表面出現(xiàn)磨粒磨損機制，提高了柑橘枝粉碎機錘片的摩擦性能。

圖3 Busatis公司割刀Fig.3 Blades of Busatis

耐磨性能是評價割刀品質(zhì)的重要方面，摩擦因數(shù)可在一定程度反映耐磨性能：國內(nèi)學(xué)者采用仿生微織構(gòu)[82]、激光熔覆[92]等技術(shù)可將耐磨配件的平均摩擦因數(shù)降至0.26～0.36，與國外同類技術(shù)差異不大。但是僅憑摩擦因數(shù)評價割刀性能是片面的，而割刀服役壽命則是對包括耐磨性能在內(nèi)的割刀綜合性能的直觀評判。整體來看，國內(nèi)關(guān)鍵耐磨零部件的壽命與國際先進水平存在一定差距：以小麥割刀為例，國內(nèi)割刀壽命約450 h，而美國割刀壽命在900～1 350 h。因國內(nèi)割刀耐磨性能不佳，維修及換刀耽誤農(nóng)時，導(dǎo)致聯(lián)合收獲機平均無故障作業(yè)時間也只及國外同類產(chǎn)品的1/3～1/2[87]。因此，在農(nóng)機收獲裝備的整體發(fā)展中，提升割刀耐磨性能是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。此外，耐磨性能的優(yōu)化提升依然需要堅持農(nóng)機農(nóng)藝相結(jié)合的原則，充分考慮切割對象與作業(yè)環(huán)境的影響因素，例如：莖稈中的非晶態(tài)硬質(zhì)硅酸體是造成農(nóng)機零件磨損的重要磨料之一；莖稈中常具有的草酸、鞣酸成分及飛濺的泥漿對金屬割刀具有腐蝕性；現(xiàn)場切割時，輔助設(shè)置的護刃器，可有效避免割刀的撞擊損耗，增強了割刀對田間惡劣作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)能力，延長了無故障作業(yè)時間。

2.3 割刀自磨銳性能

為確保割刀刃口在作業(yè)過程中始終保持鋒利，自磨銳技術(shù)應(yīng)運而生。該技術(shù)的關(guān)鍵在于通過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，實現(xiàn)強韌性、耐磨性、鋒銳性的有機結(jié)合。

在國內(nèi)，宋月鵬團隊堅持材料、結(jié)構(gòu)、工作條件一體化設(shè)計理念，圍繞自磨銳技術(shù)開展了系列研究，與市售割刀相比所研自磨銳割刀實現(xiàn)了優(yōu)良的耐磨性能及高效低損傷切割效果，具體如圖4所示。自磨銳割刀制備技術(shù)有：采用真空復(fù)合軋制工藝，將3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，試驗表明其耐磨性是市售割刀3倍以上[85]；采用稀土催滲碳氮硼共滲，對割刀后刀面及刀尖進行局部化學(xué)熱處理，共滲割刀在厚度方向上實現(xiàn)了組織、成分、硬度的梯度均勻變化，從而在作業(yè)過程中形成自磨銳效果，實現(xiàn)了割刀長壽命作業(yè)和對農(nóng)作物的低損傷收獲[93]；采用Fe3O4/Al鋁熱體系，在超重力場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，并通過田間試驗驗證了使用效果[94-95]。

圖4 采收66.7 hm2苜蓿后切割狀況對比Fig.4 Comparison of cutting conditions after harvesting 66.7 hm2 alfalfa

在國外，ROSTEK等[96]研究認為割刀壽命與基體材料抗彎強度、延展性、耐磨性緊密相關(guān)，并通過三點彎曲試驗、沖擊試驗、磨損試驗評價材料性能，采用局部硬度層狀分級鋼材進行割刀的制備，使堅硬的耐磨層始終分布于刃口位置，通過維持割刀穩(wěn)定的幾何形狀實現(xiàn)了良好的自磨銳效果。

在漫長的生存競爭和進化過程中，動物牙齒咀嚼切割食物所表現(xiàn)出的優(yōu)異幾何形體結(jié)構(gòu)與生物力學(xué)性能，為割刀自磨銳技術(shù)的研究提供了仿生學(xué)基礎(chǔ)：河貍牙齒外層是堅硬耐磨的釉質(zhì)結(jié)構(gòu)，內(nèi)層是較軟起支撐作用的牙本質(zhì)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)特點確保了河貍在咬切木材的過程中始終保持門齒鋒利，受此啟發(fā)研制的梯度復(fù)合材料，實現(xiàn)了自銳化的磨削工藝[97]；另外，還可模仿鯊魚、海膽牙齒結(jié)構(gòu)特征，從表面涂層、復(fù)合結(jié)構(gòu)、鋸齒形態(tài)等方面優(yōu)化割刀自磨銳性能[98]。

整體來看，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于自磨銳技術(shù)的研究，其核心問題在于硬度梯度材料的制作。目前，如何實現(xiàn)材料硬度的梯度均勻變化，依然有較大的可研空間。

割刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能優(yōu)化歸根結(jié)底是實現(xiàn)作物的高效收獲與低損傷切割。具備良好耐磨性能與合理結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)質(zhì)割刀，對內(nèi)能減少基體材料質(zhì)量損失，對外可提供高效低損傷切割性能。伊利諾伊大學(xué)MOMIN等[99]建立了根莖損傷程度、殘茬高度、刀片質(zhì)量變化等綜合評價指標，評估了不同結(jié)構(gòu)型式、不同表面處理工藝的割刀切割表現(xiàn)，研究認為割刀設(shè)計與作物再生產(chǎn)量具有相關(guān)性，優(yōu)質(zhì)割刀可增加再生作物產(chǎn)量，縮短自愈生長周期。同樣道理，醫(yī)學(xué)手術(shù)刀具的切割性能對于手術(shù)傷口的創(chuàng)傷及愈合也具有直接影響[100]。

掌握核心零部件制造技術(shù)及理論創(chuàng)新是實現(xiàn)我國農(nóng)機裝備重點突破的有效途徑[70]。割刀作為收獲作業(yè)核心部件，其鋒銳性、耐磨性、強韌性等性能的優(yōu)化，依然有賴于材料成分設(shè)計[101]、結(jié)構(gòu)型式設(shè)計[82]、工藝過程設(shè)計[90]等主要的技術(shù)手段。與此同時，在確保性能的前提下，應(yīng)根據(jù)作業(yè)環(huán)境與對象及時調(diào)整割刀設(shè)計，進一步提高材料利用率、降低加工成本，加快推動新型高端割刀的產(chǎn)業(yè)化進程。

3 莖稈切割原理

莖稈切割雖是割刀與莖稈間的瞬時互作過程，仍可細化拆分為以下階段：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)展為局部動力屈曲；最終莖稈截面材料達到失效應(yīng)變，發(fā)生斷裂失效，幾何形態(tài)發(fā)生明顯變化[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力接觸，切割方式依據(jù)不同的標準有不同的分類。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。正切時割刀的絕對運動方向與刃口相互垂直，而滑切時割刀的絕對運動方向與刃口既不垂直也不平行，表現(xiàn)為鋸切效果，如圖5所示。

圖5 切割方式Fig.5 Cutting ways

在正切與滑切的對比研究中，國內(nèi)外學(xué)者圍繞莖稈切割試驗及機具優(yōu)化設(shè)計得出了相同的結(jié)論：在一定速度、角度范圍內(nèi)，滑切所需的切割力與切割功耗明顯小于正切[103-105]?；械膬?yōu)異性能奠定了其在切割作業(yè)中的地位，即實際切割作業(yè)基本以滑切為主。

3.1 滑切原理

具體來說，滑切原理可以充分發(fā)揮刀刃的鋸斷作用，能有效降低物料張緊拉斷和剪切破壞的極限應(yīng)力，對于纖維化、異質(zhì)性的莖稈物料切割效果尤為顯著[106]。因此，無論是回轉(zhuǎn)式切割器還是往復(fù)式切割器都要確保實現(xiàn)合理的滑切效果。

3.1.1滑切角選取

割刀運動幾何特征與切割過程力學(xué)試驗進一步驗證了滑切方式的可靠性，因此它廣泛應(yīng)用于莖稈切割作業(yè)，而滑切角的選取問題值得深入探討。在理論分析上，國內(nèi)學(xué)者尋懷義[107]與龐聲海[108]較早引入了“滑切角”的概念，并通過力學(xué)公式推導(dǎo)揭示了滑切比正切省力的原因，且指出實現(xiàn)無滑移滑切是有益可行的；在試驗研究中，MAUGHAN團隊[104,109]聚焦滑切角對節(jié)約切割功耗的影響，圍繞芒草切割作業(yè)開展了系列研究，先后采用市用與自主設(shè)計的刀盤平臺開展了田間試驗，在其所研工況中分別選定了30°與40°的最優(yōu)滑切角，這為優(yōu)化芒草收獲機械提供了建議。

最優(yōu)滑切角可為莖稈收獲作業(yè)時切割角度的選擇提供參考，研究表明最優(yōu)滑切角受多重因素的影響：受莖稈生理階段的影響，油用牡丹莖稈在花期與果期對應(yīng)不同的最優(yōu)滑切角[110]；受莖稈含水率的影響，可建立最優(yōu)滑切角與含水率的關(guān)系模型，以分析二者對峰值切割力的交互作用[111]；受物料摩擦因數(shù)的影響，需揭示最優(yōu)滑切角與物料摩擦角的函數(shù)關(guān)系，并借助理論建模與試驗驗證改進割刀幾何形狀，優(yōu)化切割性能[106]；受切割速度的影響，合理實現(xiàn)滑切角與切割速度的最優(yōu)組合，可有效節(jié)約功耗并提高切割質(zhì)量[103]。

滑切角的選取過程通常如下：首先，要設(shè)定明確的評價目標(切割力、切割功耗等)作為優(yōu)選滑切角的判據(jù)，可建立滑切角與評價目標的函數(shù)關(guān)系；其次，通過理論建模方法初步確定滑切的臨界條件或刃口曲線角度，例如對數(shù)螺線方程的推導(dǎo)應(yīng)用；最后，基于理論最優(yōu)滑切角開展切割部件的設(shè)計加工，并在切割試驗中修正角度，驗證可靠性。研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)增大滑切角度能有效降低切割力[75,112-113]，但會導(dǎo)致切割路徑延長、摩擦能耗增大，反而影響作業(yè)效率與割刀壽命[114]，由此可見最優(yōu)滑切角的確定需要權(quán)衡多方面因素。

3.1.2切割部件優(yōu)化設(shè)計

滑切原理的合理應(yīng)用有助于高性能切割部件的優(yōu)化設(shè)計，針對不同切割部件的主要性能需求，國內(nèi)學(xué)者開展了較系統(tǒng)的研究工作。

由于傳統(tǒng)的切割粉碎裝置忽視了切割過程中滑切角的變化，致使切割阻力矩出現(xiàn)波動，進而引發(fā)割頭振顫，加劇了零部件的疲勞損耗，增加了切割功耗。為了提高切割穩(wěn)定性，適應(yīng)不同區(qū)段的切割工況，諸多研究采用等滑切角原理優(yōu)化割刀形狀，例如藤莖類秸稈鋸齒刀片[114]、玉米秸稈粉碎定刀[115]、鋸齒滑切支撐刀[116]均基于對數(shù)螺線方程建立了刃口曲線方程，以此設(shè)計制作了等滑切角型割刀，并在藤莖類莖稈切割、玉米莖稈粉碎的有限元分析與工程應(yīng)用中，驗證了等滑切角割刀的高效切割性能。

針對防纏繞性能，在香蕉秸稈還田機[117]、原茬地播種機[105]中應(yīng)用滑切原理設(shè)計了變滑切角刀片、優(yōu)化了側(cè)向清潔刀齒等關(guān)鍵零部件，可在切割的同時將莖稈輸送拋扔，為防止莖稈纖維纏繞刀軸提供了解決方案，降低了整機振動強度，提升了作業(yè)質(zhì)量；針對入土耕作性能，滑切原理在耕作部件的優(yōu)化設(shè)計中同樣具有重要應(yīng)用價值[118-120]，滑切效應(yīng)改善了耕作部件對土壤的切割作用，例如根切鏟的V形設(shè)計[121]、深松鏟頂部的凸圓刃[122]，均充分發(fā)揮了滑切作用，有效降低了耕作阻力。

切割方式對切割性能具有重要影響，滑切理論的發(fā)展完善，對于揭示高效切割機理，促進生產(chǎn)作業(yè)具有實用意義。但滑切機理復(fù)雜，在切割作業(yè)中圍繞不同切割參數(shù)及農(nóng)作物莖稈的影響，開展滑切角與部件的優(yōu)化研究，可為高效率、低功耗切割機械的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)保障[41,111]。

3.2 其它切割原理

莖稈的切斷依靠割刀進入并穿透莖稈纖維得以實現(xiàn)，而正切時割刀侵入莖稈材料的刀刃楔角大于滑切，由高略契金力學(xué)試驗可知，正切需要較大的切割力與功耗且茬口組織撕裂較多[123]。在正切方式中，按照莖稈軸線、切割面、切割方向三者的位置關(guān)系，還可細分為橫斷切(莖稈軸線與切割面、切割方向正交)、斜切(莖稈軸線與切割面斜交，與切割方向正交)與削切(莖稈軸線與切割面、切割方向斜交)[124]，具體如圖6所示。

圖6 正切類型Fig.6 Types of normal cutting

莖稈為各向異性的粘彈性材料，其極限切應(yīng)力與法向應(yīng)力、粘聚力有關(guān)。莖稈纖維之間因分子吸引產(chǎn)生粘聚力，在一定角度范圍內(nèi)，斜切與削切易使纖維組織撕裂減小粘聚力，進而降低切割力與功耗[26]。李法德團隊[125]、崔清亮團隊[72]均以單位直徑極限切割力和單位面積切割功為目標值，分別在棉花、谷子莖稈切割中選定了12.7°與7.2°的最優(yōu)斜切角。

此外，根據(jù)切割作用時莖稈支撐情況，還可細分為無支撐切割、單支撐切割、雙支撐切割。在農(nóng)作物莖稈自身抗彎剛度普遍較弱的前提下，無支撐切割(例如回轉(zhuǎn)式切割)需提高切割速度以獲得莖稈較大的反向慣性力，從而利于切割的順利完成。單、雙支撐切割(例如往復(fù)式切割)均是借助定刀或護刃器提供適當(dāng)支撐以增強莖稈抗彎能力，因此該切割方式能很好的保證莖稈的直立度，益于再生作物的生長發(fā)育，但需要控制動定刀之間的間隙，以保證切割質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，綜合發(fā)揮支撐切割和滑切原理的優(yōu)勢開展切割裝置的優(yōu)化設(shè)計，可進一步提高切割質(zhì)量、降低功耗，例如李洪文團隊[115]研發(fā)了動定刀支撐滑切式秸稈粉碎裝置，取得了良好效果。

4 莖稈切割技術(shù)研究目標

切割過程屬于高度非線性問題，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題上，提高效率、降低能耗、減少損傷是國內(nèi)外學(xué)者在機械設(shè)計及收獲策略的優(yōu)化中共同追求的目標。高效率切割、低功耗切割、低損傷切割是新型切割技術(shù)與傳統(tǒng)切割技術(shù)的區(qū)別所在。

4.1 高效率切割

在糧飼兼容循環(huán)發(fā)展的大農(nóng)業(yè)體系中，高效收獲是重要部分。以飼草料采收機械為例，其逐漸向高速寬幅、大喂入量、高可靠性及智能化操控等方向發(fā)展，最終目標即是提高切割效率。例如，2018年7月，CLAAS公司采用DISCO 1100 RC型割草壓扁機，打破了苜蓿收獲世界紀錄，8 h內(nèi)收割141.1 hm2的苜蓿，最快作業(yè)速度達30 km/h[126]；同年11月，CLAAS公司又采用LEXION 760型履帶式聯(lián)合收獲機創(chuàng)造了8 h內(nèi)收獲1 111 t玉米的世界紀錄[127]。

聯(lián)合收獲作業(yè)效率的提高，有賴于高性能切割裝置的研發(fā)，具體包括割臺、割刀等關(guān)鍵裝備及部件。以胡蘿卜的收獲為例，王金武等[81]優(yōu)化了割刀刃口形狀，設(shè)計了一種單圓盤對頂切割裝置，基于對切割機構(gòu)-莖葉力學(xué)模型的深入研究，該裝置可實現(xiàn)對胡蘿卜莖葉的精準拉齊與高效切斷；此外，針對往復(fù)式切割器[125]、切碎機[128]等工作參數(shù)的優(yōu)化研究，以及與切割裝置配套的輔助分析系統(tǒng)的開發(fā)[129]，均為高效率切割奠定了理論基礎(chǔ)。

4.2 低功耗切割

在農(nóng)作物生產(chǎn)周期中，機械收獲環(huán)節(jié)的功耗成本逐年攀升，以能源作物柳枝稷與芒草為例，其切割收獲成本占整個生產(chǎn)成本的比例高達61%與69%[130]。綠色農(nóng)業(yè)的本質(zhì)要求即是促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與社會、生態(tài)資源的協(xié)調(diào)發(fā)展。切割作為高耗能環(huán)節(jié)與化石能源的消耗、機械物料的折舊密切相關(guān)，在滿足切割質(zhì)量的前提下降低切割功耗符合綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)律。

聚焦于切割功耗的研究，JOHNSON等[131]專門開發(fā)了一款沖擊式作物莖稈切割裝置，以此研究了割刀滑切角和切割速度對芒草切割功耗的影響，當(dāng)滑切角為60°、切割速度為12.9 m/s時切割功耗最小；張西良團隊[114]設(shè)計了藤莖類秸稈專用切割刀片，對比發(fā)現(xiàn)，材料為Cr12MoV、角度為40°的等滑切角鋸齒型刀片，相對于普通刀片切割耗能少、切割效率高、切割效果好。切割的終極目標是要完成莖稈的分離，因此要細化研究在切割外力作用下莖稈各階段的形變過程，從而為探索低功耗的莖稈失效破壞模式奠定理論基礎(chǔ)[77]。

4.3 低損傷切割

對切割效率、功耗的優(yōu)化研究主要側(cè)重于切割的中間過程，但對于部分農(nóng)作物還應(yīng)關(guān)注切割后的生理生化狀態(tài)，即實現(xiàn)低損傷切割。例如，在蔬菜、再生作物(甘蔗、苜蓿、蘆筍、檸條等)的收獲作業(yè)中要盡量降低莖稈的損傷程度，在提高采收品質(zhì)的同時，確保割茬良好再生[132-133]；在果樹修剪中，切口品質(zhì)差、表皮撕裂多，會因感染病蟲害而影響果實品質(zhì)與產(chǎn)量[82]。苑進團隊[45]研發(fā)了一種菠菜夾持輸送裝置，并以塑性變形量作為衡量菠菜機械損傷程度的評價指標，該裝置重點實現(xiàn)了夾持輸送過程中的低損傷；實現(xiàn)低損傷切割，關(guān)鍵在于割刀的結(jié)構(gòu)及運動參數(shù)，宋月鵬團隊[134]采用自研自磨銳割刀，在切割過程中保持割刀最佳曲率半徑實現(xiàn)了低損傷切割。

粗放式的收割方式增加了莖稈損傷程度，降低了組織自愈特性，不利于再生作物的生長發(fā)育。以苜蓿為例，收割過程中的莖稈損傷降低了苜蓿再生能力、影響莖稈正常分支、延長了生長周期，致使我國苜蓿的可收獲茬數(shù)明顯少于國外[134]。針對采收品質(zhì)，我國80%～90%的果蔬屬于鮮食生產(chǎn)[135]，為便于銷售及貯存，果蔬行業(yè)對低損鮮切提出了更高的需求。因此低損傷切割應(yīng)在今后莖稈切割的研究中予以加強。

綜上可知，高效率、低功耗、低損傷切割是現(xiàn)代農(nóng)裝技術(shù)突破及產(chǎn)業(yè)化能力發(fā)展的重要趨勢。在具體研究中，國內(nèi)外學(xué)者重點關(guān)注切割力、切割功耗、莖稈損傷等目標值[132,136]；莖稈切割是農(nóng)機-作物-土壤之間的復(fù)雜互作過程，影響切割目標值的試驗參數(shù)較多，包括割刀結(jié)構(gòu)、運動參數(shù)、莖稈特性等[4,103]，部分參數(shù)及目標值如圖7所示。

圖7 切割參數(shù)及目標值Fig.7 Cutting parameters and target values

5 莖稈切割研究方法

切割技術(shù)的研究主要分為試驗研究與仿真研究兩種方法(圖8[137])。國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)各自研究的側(cè)重點，采用以上方法開展了大量工作，在一定程度上詮釋了莖稈切割碰撞的潛在機理[138-139]。

圖8 試驗與仿真研究Fig.8 Experiment and simulation research

5.1 試驗研究方法

在莖稈切割試驗研究中，探究切割參數(shù)對目標值的影響機制，可為研制技術(shù)先進、作業(yè)高效的聯(lián)合收獲系統(tǒng)提供重要參考。受制于不同的客觀條件，在切割參數(shù)影響目標值的試驗研究中，所得結(jié)論存在一定差異。

5.1.1切割參數(shù)對目標值的影響

針對切割功耗，部分研究認為切割功耗與切割速度、莖稈截面積成正比，且受切割角度的影響[131]，當(dāng)然也存在一定區(qū)間內(nèi)切割速度增大而功耗降低的現(xiàn)象[72]。莖稈切割是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的高耗能環(huán)節(jié)，著眼于降低功耗、提高效率，切割角度及速度的優(yōu)化勢在必行。切割速度是允許在沒有支撐刀具的情況下開展切割作業(yè)的重要因素，從切割機構(gòu)與莖稈互作關(guān)系來看，切割功耗與切割速度不應(yīng)僅是單調(diào)函數(shù)關(guān)系，還應(yīng)考慮莖稈纖維彈性變形和摩擦的綜合影響[140]。

針對切割力，在柑橘、蘋果莖稈切割的研究中得出了以下規(guī)律：峰值切割力隨莖稈直徑的增大而增大，隨含水率和切割速度的增大而減小[4,141]?？偨Y(jié)以上研究可以發(fā)現(xiàn)，提高切割速度可降低切割力，但卻升高了切割功耗。針對這一矛盾點，可應(yīng)用響應(yīng)面法開展切割參數(shù)的多目標優(yōu)化，找到同時降低切割力與切割功耗的最優(yōu)解，這對于解決實際切割問題具有現(xiàn)實意義[128,142]。

作為被切割對象，莖稈復(fù)合材料具有特殊性。莖稈不同部位、不同含水率水平影響相應(yīng)的物料屬性及應(yīng)力傳遞規(guī)律，進而成為切割作業(yè)不可忽視的重要參數(shù)。在有關(guān)棉花[31]、水稻[112]、玉米[102]莖稈的研究中發(fā)現(xiàn)，莖稈切割部位、含水率差異均影響切割力與功耗，因此應(yīng)在收獲機械割頭高度以及收割時間的選擇上充分考慮以上參數(shù)。當(dāng)然，對于特定種類的莖稈，可嘗試建立切割參數(shù)與目標值的函數(shù)關(guān)系，以有效增強實際指導(dǎo)能力。例如，在全面分析苜蓿莖稈含水率、切割部位與切割力、切割功耗耦合關(guān)系的基礎(chǔ)上，可運用響應(yīng)面法建立函數(shù)模型，能為快速測算不同工況下的切割力與功耗提供理論依據(jù)[143]。

圖9 莖稈切割試驗臺Fig.9 Stalk cutting test bench1.割臺 2.高速攝像系統(tǒng) 3.棉稈 4.棉稈輸送裝置 5.測控系統(tǒng)

切割試驗平臺在切割技術(shù)的研究中發(fā)揮了重要作用，在蘋果[141]、棉花[73]、苧麻[144]、谷子[72]莖稈的切割試驗中，不同團隊依托自行設(shè)計的切割試驗臺(圖9[73])模擬田間切割工況，開展了切割參數(shù)對目標值影響的系列研究，并嘗試建立了各工作參數(shù)與目標值的回歸模型。切割試驗臺大體包括喂入系統(tǒng)、切割系統(tǒng)、測控系統(tǒng)3部分，作為莖稈切割研究的重要輔助工具，切割試驗臺的功能模塊基本一致。但是，服務(wù)于不同的研究需求，各團隊設(shè)計的切割試驗臺技術(shù)各有特點，缺乏普適性。因此，切割試驗臺的設(shè)計與加工，有待于總結(jié)統(tǒng)一的標準與利于推廣的模式，以提高設(shè)備研發(fā)的規(guī)范化、集約化水平。

切割試驗平臺為莖稈切割多因素多水平試驗研究提供了便利，可操作性強、運行成本低，與田間試驗結(jié)果具有較好的吻合度，因此可為田間試驗提供技術(shù)指導(dǎo)與決策依據(jù)。但是，在室內(nèi)依托切割試驗臺開展的研究，無法全面模擬田間實際工況：例如，室內(nèi)測試用莖稈與田間試驗面對的群體莖稈在數(shù)量及生理狀態(tài)上存在區(qū)別；切割試驗臺無法體現(xiàn)地面狀況引發(fā)的機器振動激勵等外部因素對切割效果的影響。此外，田間試驗數(shù)據(jù)的有益反饋有助于切割試驗平臺的發(fā)展完善。因此，在理清切割參數(shù)對目標值影響規(guī)律的過程中，切割試驗臺與田間試驗是相輔相成的重要部分，兩者均可為高效率、低功耗、低損傷收獲裝備的研發(fā)提供參考。

5.1.2試驗設(shè)計方法

合理進行試驗設(shè)計，開展切割技術(shù)多因素多水平研究，是確定部件結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)最優(yōu)組合的重要保證。針對復(fù)雜的莖稈切割問題，正交試驗設(shè)計法與響應(yīng)面法即是探尋本質(zhì)、化繁為簡的實用方法。

在正交試驗中，結(jié)合切割問題的實際合理確定試驗因素與評價指標是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這也為恰當(dāng)選用正交表指明了方向；通過扎實的數(shù)據(jù)分析，確定因素主次，分清水平優(yōu)劣，篩選最佳方案，是有效解決切割技術(shù)問題的可行路徑。響應(yīng)面分析方法(Response surface methodology，RSM)主要采用二次多項式回歸擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，并優(yōu)化分析最優(yōu)參數(shù)。諸多學(xué)者采用以上方法分別確定了棉花秸稈雙支撐切割器工作參數(shù)[125]、蘋果枝條切割剪枝參數(shù)[141]、蓖麻割刀結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)[78]、甘蔗輸送破頭系統(tǒng)工作參數(shù)[65]，均為相應(yīng)收獲裝備的研發(fā)提供了數(shù)據(jù)支撐。另外，Design-Expert軟件是設(shè)計正交試驗、開展響應(yīng)面研究、分析交互關(guān)系的常用輔助工具。

隨著試驗技術(shù)的發(fā)展，切割參數(shù)對切割目標值的影響規(guī)律仍有待進一步探索總結(jié)。研究關(guān)鍵切割參數(shù)對切割主要目標值的影響，尋求最優(yōu)工作參數(shù)組合，可為莖稈類作物在適時收獲、髙效青貯、合理加工等環(huán)節(jié)機械設(shè)備的開發(fā)、切割機構(gòu)的優(yōu)化、功率能耗的降低提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐[143]。

5.2 仿真研究方法

在莖稈切割的研究中，數(shù)值仿真手段(圖10[43])能解決復(fù)雜的非線性動力分析問題，且具有效率高、成本低的突出優(yōu)勢，對試驗研究起到了有力的補充；同時在輔助切割裝備設(shè)計時，數(shù)值仿真可明顯縮短研發(fā)周期，提供直接的理論參考。此外，諸多學(xué)者通過開展物理試驗獲取了大量實測數(shù)據(jù)，亦為數(shù)值仿真的可靠性驗證及參數(shù)標定提供了依據(jù)。

圖10 切割過程的仿真Fig.10 Simulations of cutting process

5.2.1有限元仿真

有限元法(Finite element method，F(xiàn)EM)將無限個自由度的連續(xù)求解域分解為具有有限個自由度的諸多單元的組合體，并通過邊界結(jié)點的等效力取代實際單元的外力[145]。在莖稈切割的研究上，有限元法在時間與空間上動態(tài)模擬切割過程，通過數(shù)值計算及圖像顯示功能，可方便地提供全過程的詳細信息，為揭示復(fù)雜動力接觸提供了直觀有效的工具[146]。

顯式動力學(xué)有限元軟件ANSYS/LS-DYNA在莖稈切割的模擬中應(yīng)用廣泛，其有限元分析的具體操作包括：模型建立、網(wǎng)格劃分、添加約束、參數(shù)標定、添加接觸、仿真計算。例如，在使用LS-DYNA軟件對甘蔗切割過程進行有限元模擬時，其材料模型選擇了MAT_WOOD與MAT_ELASTIC模型，同時完善了相關(guān)參數(shù)，在割刀與莖稈互作區(qū)域細化了網(wǎng)格的劃分以提高仿真精度，定義了侵蝕類型的接觸并施加了特定約束，該仿真工作為微型甘蔗切割器的設(shè)計提供了依據(jù)[34]。有限元仿真的開展要聚焦于各自的研究需求，毛雷等[147]在振動式果樹根系斷切裝置切割根土復(fù)合體的模擬中，建立了切割裝置及根土復(fù)合體的有限元模型，動態(tài)研究了二者的相互作用，而郭茜等[41]則通過LS-DYNA的仿真分析，重點關(guān)注了番茄藤秸稈切割中應(yīng)力與能量的變化。

同時，其他學(xué)者也采用ANSYS/Explicit Dynamics[134,148]、ABAQUS[50,149]等平臺完成了切割作用的有限元分析，均為切割過程的深入研究奠定了基礎(chǔ)。此外，納米壓痕、CT掃描等技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，可在莖稈組織精細分析的基礎(chǔ)上為可靠有限元模型的建立提供保障[150]，減小了有限元分析的誤差。

5.2.2離散元仿真

離散元法(Distinct element method，DEM)最初由CUNDALL等[151]在土壤顆粒的模擬中使用，并經(jīng)過了完善與發(fā)展。針對非連續(xù)、離散的單元介質(zhì)，基于其塊間接觸的本構(gòu)關(guān)系建立物理力學(xué)模型，是離散元方法開展數(shù)值仿真的本質(zhì)[60]。離散元法一方面關(guān)注顆粒間接觸參數(shù)，能真實的表達莖稈物料特性；另一方面，它可以集成各離散單元的運動，適于模擬接觸碰撞頻繁、運動關(guān)系復(fù)雜、非線性變形較大的莖稈切割過程[152]。

作為粘彈性材料，莖稈纖維之間存在粘聚力，本質(zhì)上屬于分子間作用力，鑒于此，可發(fā)揮離散元的優(yōu)勢建立莖稈本構(gòu)模型。在果蔬采摘環(huán)節(jié)，莖稈本構(gòu)模型的建立可為收割機器人末端執(zhí)行器的優(yōu)化提供參考，可借助莖稈力學(xué)試驗(如三點彎曲試驗、剪切試驗等)標定離散元模型參數(shù)，而基于此類模型可進一步反推莖稈在外部荷載作用下的力學(xué)表現(xiàn)[137]。此外，LENAERTS等[60]建立了分段可彎曲的稻草離散元模型，在此基礎(chǔ)上LEBLICQ等[61]進行了完善優(yōu)化，進一步考慮了莖稈的塑性變形與屈曲，這均為離散元的準確模擬奠定了基礎(chǔ)。除了莖稈本構(gòu)模型，還可基于離散元方法建立切割動力學(xué)模型，如切割器-土壤-蘆筍模型的建立，有效模擬了蘆筍的生物力學(xué)特性與切割過程，優(yōu)選了合理的切割器并確定了驅(qū)動力參數(shù)，滿足了高效低損切割的要求[138]。

相對于形式多樣的有限元軟件，EDEM在切割問題的離散元仿真中占據(jù)主要地位，它能捕捉物料切碎過程中的時空尺度變化，在莖稈的切割破碎模擬中實現(xiàn)了良好應(yīng)用。在EDEM軟件操作中，模型的建立依然是首要任務(wù)，例如針對秸稈粉碎問題，需首先建立粉碎機模型、秸稈顆粒模型、接觸模型，在此基礎(chǔ)上全面開展離散元模擬，優(yōu)化粉碎工藝[153]。同時，為確保模擬的可靠性，離散元模型參數(shù)的準確標定是關(guān)鍵環(huán)節(jié)[154]，所涉及的參數(shù)主要包括基本接觸參數(shù)(碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)、滾動摩擦因數(shù))以及粘結(jié)參數(shù)(法向與切向接觸剛度、法向與切向應(yīng)力)等?？山柚鶨DEM軟件中的Hertz-Mindlin基本模型和Hertz-Mindlin with bonding接觸模型[155]開展相應(yīng)的仿真試驗，完成參數(shù)標定工作[47]。

5.2.3多體動力學(xué)仿真

多體系統(tǒng)動力學(xué)主要研究具有運動學(xué)約束、存在相對運動的多體系統(tǒng)的運動規(guī)律，具體分析部件的運動和相互作用力。多體動力學(xué)建模與仿真是研究機械動力學(xué)特性的重要方法，為農(nóng)機裝備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了便利。在切割機構(gòu)的運動分析上，廣泛采用機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件(Automatic dynamic analysis of mechanical systems，ADAMS)。例如，HOU等[78]針對蓖麻莖稈切割裝置，先后使用ANSYS/LS-DYNA和ADAMS軟件研究了割刀參數(shù)對切削性能的影響，其結(jié)果可為蓖麻收割機的研制提供理論依據(jù)。此外，Matlab的優(yōu)化設(shè)計功能在運動學(xué)分析中起到了重要的輔助作用，通過合理編寫目標函數(shù)及約束條件，可采用遺傳算法優(yōu)化運動軌跡與機構(gòu)參數(shù)，能為模型動力學(xué)仿真奠定基礎(chǔ)[156]。

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展以及莖稈本構(gòu)模型、切割動力學(xué)模型的日益完善，數(shù)值仿真方法逐步成為分析收獲機械切割器和莖稈相互作用規(guī)律的有效工具。數(shù)值仿真在切割技術(shù)中的應(yīng)用，其核心思想是將農(nóng)作物莖稈與切割設(shè)備視為一個相互作用的物理系統(tǒng)，基于莖稈力學(xué)特性構(gòu)建農(nóng)作物與切割設(shè)備之間的物理模型，進而選取相應(yīng)軟件模擬切割非線性時變過程。與試驗研究相比，數(shù)值仿真提高了研究效率，降低了研發(fā)成本，但需要實際試驗驗證數(shù)值仿真所用參數(shù)的準確可靠，所建模型的正確可行，所得結(jié)果的有效可信。

綜合來看，圍繞莖稈切割問題，已開展了具有一定體量的試驗與仿真工作，其共性規(guī)律的及時總結(jié)可有力指導(dǎo)田間收獲作業(yè)。然而，試驗與仿真工作依然具有局限性，例如在切割對象的選取上，國內(nèi)外學(xué)者主要圍繞單根莖稈開展了切割研究，但在實際收獲過程中，切割的對象由單根莖稈轉(zhuǎn)變?yōu)槿后w莖稈，切割作用由單次碰撞轉(zhuǎn)變?yōu)榉磸?fù)多次的復(fù)雜接觸。群體莖稈的切割并非單根莖稈切割效應(yīng)的簡單疊加，勢必改變土壤-莖稈-刀具間的耦合互作規(guī)律，呈現(xiàn)新的技術(shù)特征。當(dāng)然，群體莖稈的切割在實驗室中難以很好地復(fù)現(xiàn)，亦給仿真工作帶來計算難度。

6 展望

開展農(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)機械化收獲的關(guān)鍵目標，是農(nóng)藝農(nóng)機深度融合的重要方面，是促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。關(guān)于莖稈切割問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)的測試對于抗倒伏品種選育、生物質(zhì)資源開發(fā)、農(nóng)業(yè)機械設(shè)計均具有實用價值，其自身特性的分析及對切割作業(yè)的影響，仍需全面深入開展研究。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、生長發(fā)育環(huán)境等因素的影響，并借助數(shù)理統(tǒng)計方法開展力學(xué)測試數(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)標準與規(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)對宏觀性能的影響機理，搭建能夠反映農(nóng)作物莖稈材料力學(xué)特性的指標體系，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，刃面硬度分布對其磨損規(guī)律的影響，以及自磨銳形成機制，到目前為止國內(nèi)外缺乏系統(tǒng)的研究?；诟畹痘竟δ芴攸c，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，是確保實現(xiàn)優(yōu)良自磨銳效果的關(guān)鍵。因此，開展割刀材料-結(jié)構(gòu)-工作條件的一體化設(shè)計，實現(xiàn)自磨銳割刀的創(chuàng)制，可為提升我國高性能農(nóng)機裝備關(guān)鍵零部件制造水平提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐，是實現(xiàn)農(nóng)藝農(nóng)機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，莖稈切割過程涉及動力接觸與碰撞，屬于非線性問題，現(xiàn)有的方法手段難以實現(xiàn)精準分析。數(shù)值仿真直觀高效，能較好地對比各個因素水平的影響，但依然需要輔助驗證；圍繞切割試驗搭建的各類試驗平臺集約化、普適性水平較低，且高敏感、高精度檢測終端的匱乏制約了平臺的試驗性能。因此，莖稈切割的試驗與仿真研究依然有待發(fā)展完善。

在理論規(guī)律上，國內(nèi)外學(xué)者基本以單類莖稈開展切割研究，且根據(jù)需要關(guān)注了不同的切割參數(shù)及目標值，雖然對部分試驗現(xiàn)象的理解還不夠深入，個別參數(shù)的作用效應(yīng)存在分歧，但已積累了豐富的切割試驗數(shù)據(jù)。為提高莖稈切割的基礎(chǔ)研究水平，針對存量數(shù)據(jù)需要進一步的歸納研判，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)。

(4)加強莖稈切割多目標協(xié)同機制研究

莖稈切割涉及割刀與莖稈間的頻繁碰撞，既有的試驗與仿真研究主要圍繞單一目標開展切割過程的優(yōu)化，莖稈切割多目標協(xié)同機制的解析仍不清晰。工作參數(shù)對切割效率的優(yōu)化、收獲作業(yè)綜合成本、莖稈切口損傷程度均是評價切割效果的重要方面，因此綜合考慮效率、功耗、損傷情況開展切割機制的研究勢在必行。高效率、低功耗、低損傷切割等技術(shù)目標之間存在交叉耦合關(guān)系，并非彼此割裂。加強莖稈切割多目標協(xié)同機制的研究，需要完善土壤-莖稈-割刀耦合互作理論技術(shù)體系，具體包括土壤的支撐固定、莖稈本構(gòu)的表征應(yīng)用、高性能切割裝備的設(shè)計研發(fā)、切割參數(shù)的組合優(yōu)化、切割效果的綜合評價等。莖稈切割多目標協(xié)同機制的研究對于提高機械采收效率、降低田間作業(yè)功耗、保障作物收獲品質(zhì)具有直接影響，它既關(guān)注了切割的過程與結(jié)果，也兼顧了農(nóng)機與農(nóng)藝的融合，對于綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展具有現(xiàn)實意義。