王 帥，張 彬，李顯旺，沈 成，田昆鵬，黃繼承

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

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粗莖稈作物切割裝置研究現(xiàn)狀、存在問題及發(fā)展建議

王 帥，張 彬，李顯旺，沈 成，田昆鵬，黃繼承

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

秸稈作為一種重要的生物質(zhì)能源，與傳統(tǒng)礦物能源相比具有諸多優(yōu)勢(shì)。我國的秸稈資源相當(dāng)豐富，且隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高，許多作物秸稈已經(jīng)應(yīng)用在飼料生產(chǎn)等領(lǐng)域中。然而，我國粗莖稈作物的機(jī)械化收獲仍存在很多問題，其中切割技術(shù)是收獲過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為此，通過查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，簡述了國內(nèi)外粗莖稈作物切割裝置的研究概況及現(xiàn)狀，指出了目前我國秸稈收獲時(shí)切割技術(shù)中仍存在的問題，著重對(duì)回轉(zhuǎn)式切割裝置進(jìn)行了介紹，并提出了促進(jìn)我國秸稈收獲機(jī)械化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關(guān)建議。

粗莖稈作物； 回轉(zhuǎn)式切割裝置；機(jī)械化

0 引言

眾所周知，農(nóng)作物秸稈是一種可再生資源，具有重要的實(shí)用價(jià)值。作物秸稈是指將成熟作物籽粒收獲后所留下的作物莖稈，其含有很高的纖維成分，包括禾谷類、油料類、麻類、甘蔗等多種作物的秸稈。作物莖稈是農(nóng)作物的主要副產(chǎn)品，是自然界數(shù)量龐大且具有多種用途的可再生生物質(zhì)資源[1-2]。

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，每年的秸稈資源相當(dāng)豐富。據(jù)調(diào)查，每年世界的各類農(nóng)作物所提供的秸稈資源約20億t，而我國每年農(nóng)作物秸稈的產(chǎn)量大約為7億t，約占世界秸稈總量的30%[3]。我國農(nóng)作物秸稈資源量占生物質(zhì)資源量的50%左右，由此可見，對(duì)作物莖稈加以利用，可以為我國解決部分能源問題[4-5]。目前，大部分的農(nóng)民不再將秸稈作為生活燃料，從而導(dǎo)致大量秸稈在田間直接被燒毀，既污染環(huán)境又容易引發(fā)火災(zāi)，對(duì)人民的生活及生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[6]。作物秸稈作為一種重要的生物質(zhì)資源，經(jīng)過加工處理后，可以制成牲畜飼料、農(nóng)田肥料及造紙?jiān)希灰部梢酝ㄟ^榨取的方式將其有效的營養(yǎng)成分進(jìn)行提取，為人們所用[7]。

隨著秸稈畜牧業(yè)理論及實(shí)踐的快速發(fā)展，認(rèn)識(shí)到秸稈養(yǎng)畜對(duì)于我國畜牧業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義[8]。據(jù)調(diào)查，江蘇地區(qū)每公頃僅玉米秸稈的產(chǎn)量就在45t左右，鮮食玉米每公頃秸稈的產(chǎn)量可達(dá)75t以上，然而每公頃的秸稈還田量只需要4.5t左右，過多則會(huì)危害下茬小麥根系的生長，每年有1 350萬t以上的玉米秸稈成為廢棄物。秸稈問題迫在眉睫，如果不及時(shí)處理，將占用大量的空間資源，并帶來嚴(yán)的重環(huán)境污染。秸稈本身是一種多元化的能源，對(duì)其進(jìn)行多用途開發(fā)與綜合利用，可從根本上解決問題。

與此同時(shí)，現(xiàn)代畜牧業(yè)飛速發(fā)展，導(dǎo)致了飼料用糧每年需消耗全國糧食總產(chǎn)量的1/3，人畜爭糧已經(jīng)成為影響畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。在土地面積占40%、人口占60%的我國南方地區(qū)，這一矛盾尤其突出。發(fā)展節(jié)糧型畜牧業(yè)是大勢(shì)所趨，而秸稈飼料化則是節(jié)糧型畜牧生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。采用 “秸稈養(yǎng)畜，過腹還田”這種方式，可以更好地對(duì)農(nóng)區(qū)的秸稈資源加以利用，大大減少了飼料用糧，緩解了牲畜對(duì)糧食需求的壓力；可以提高土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，改善土壤結(jié)構(gòu)；可以減少對(duì)玉米秸稈的焚燒，從而達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的[9-10]。

粗莖稈作物主要是指莖稈直徑在15mm以上、高度在1.5m以上的作物。本文著重對(duì)麻類、玉米等兩類作物進(jìn)行了介紹，并進(jìn)一步研究其切割裝置，為今后的工作提供有力支持。

1)麻類。我國麻類植物多種多樣，包括大麻、亞麻、苧麻及劍麻等。麻類作物作為我國傳統(tǒng)的紡織原料，麻纖維是最具潛在功能的天然纖維[11]。

麻類作物渾身是寶。例如，大麻的麻稈可用來造紙，麻皮可用來作紡織品，麻花與麻葉可用來提取藥物，麻根可生產(chǎn)各類生物質(zhì)燃料。麻類在我國具有重要的地位，對(duì)麻類的收獲也因此至關(guān)重要。

目前，我國麻類收獲的機(jī)械化程度較低，勞動(dòng)強(qiáng)度比較大，工效也低，而且目前的收獲機(jī)械工作性能不可靠，麻類收獲并沒有得到大家的重視。通過查閱文獻(xiàn)了解到以下因素嚴(yán)重影響了麻類收獲機(jī)械化程度的進(jìn)程[12]。

(1)國家投入低。麻類作物雖然是重要的紡織品原料，但其并不能同三大糧食作物比較，因此國家在麻類收獲機(jī)械的研制上投入很少，沒有國家項(xiàng)目的資助，研究團(tuán)隊(duì)力量薄弱，難以對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行很好的研發(fā)。

(2)種植面積分散，沒有規(guī)模，收獲期較短，因此麻類機(jī)械的利用率比較低。研究大型麻類收獲機(jī)械，成本較高，經(jīng)濟(jì)效益不顯著，難以讓農(nóng)民接受。

(3)麻類本身莖稈粗細(xì)、長短不一，纖維和麻骨均容易折斷，因此給麻類收獲帶來很大的難度。

2)玉米。玉米為高光效C4類植物，具有植株高大、莖稈粗壯、喜暖濕氣候等特點(diǎn)，對(duì)土壤的適應(yīng)能力較強(qiáng)，具有悠久的栽培歷史[13]。目前，全世界每年的玉米種植面積約1.73億hm2。在國外，玉米主要用來生產(chǎn)飼料及工業(yè)原料[14]。玉米主要產(chǎn)地為美國、巴西、俄羅斯、墨西哥、阿根廷等。隨著全球經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)速發(fā)展，世界各國對(duì)能源的需求十分緊迫。據(jù)了解，近20年來，美國玉米的生產(chǎn)發(fā)展尤為迅速，其種植面積位居三大糧食作物之首，其產(chǎn)量及產(chǎn)值均超過其他谷物的總和，在飼用的谷物生產(chǎn)中比重達(dá)60.3%，出口量約占飼用谷物的75%[15]。

目前，我國玉米機(jī)械耕種收水平已經(jīng)有很大提高，然而對(duì)青貯玉米的收獲仍處于起步階段。裹包青貯是指將收割好的玉米秸稈用打捆機(jī)進(jìn)行高密度壓實(shí)打捆，再用專業(yè)的拉伸膜進(jìn)行裹包，從而形成一個(gè)最佳的發(fā)酵環(huán)境[16]。裹包青貯是玉米秸稈青貯的發(fā)展趨勢(shì)，而切割技術(shù)、揉絲技術(shù)及打捆技術(shù)是決定裹包青貯質(zhì)量的幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。大力研究和發(fā)展集摘穗、切割、揉絲、打捆聯(lián)合作業(yè)的玉米秸稈青貯聯(lián)合收獲機(jī)械，既節(jié)省動(dòng)力、勞力成本，提高青貯飼料的質(zhì)量，形成規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，又為開展以秸稈綜合利用為核心的循環(huán)型農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)打下基礎(chǔ)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)增效和農(nóng)民增收，實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的多贏。

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料了解到玉米青貯機(jī)的研發(fā)對(duì)我國具有重要的意義。然而，目前我國玉米青貯收獲機(jī)械仍存在以下幾個(gè)問題：

(1)現(xiàn)有收獲機(jī)械整機(jī)的可靠性比較低。據(jù)了解，目前我國玉米青貯收獲機(jī)尚處于技術(shù)發(fā)展的初始階段，現(xiàn)有機(jī)械在作業(yè)時(shí)，因?yàn)槭艿椒N植制度、作業(yè)環(huán)境等因素的影響，致使整機(jī)的負(fù)荷波動(dòng)比較大，收獲性能受到制約。

(2)青貯玉米種植面積少，且地塊分散，玉米青貯收獲機(jī)不能更好地進(jìn)行推廣發(fā)展。

(3)國產(chǎn)玉米青貯收獲機(jī)關(guān)鍵零部件性能不達(dá)標(biāo)。玉米青貯收獲機(jī)關(guān)鍵工作部件主要有切割刀、切碎動(dòng)定刀、刃磨器及切碎轉(zhuǎn)子等，目前存在使用壽命短、磨損嚴(yán)重等問題，制約了我國玉米青貯收獲機(jī)的發(fā)展。

(4)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝不能很好地融合。種植制度不統(tǒng)一、玉米品種多樣等因素都制約了我國玉米青貯收獲機(jī)的發(fā)展。

(5)自動(dòng)化水平低。因?yàn)槲覈噘A機(jī)械的研究起步比較晚，與國外先進(jìn)的青貯機(jī)械相比，在割臺(tái)設(shè)計(jì)、切碎器刀片自動(dòng)刃磨、電液自動(dòng)控制及系統(tǒng)安全保護(hù)等方面仍存在巨大差距。

綜上所述，目前我國對(duì)秸稈的收獲尚處于起步研發(fā)階段，因此研究出高效的秸稈收獲機(jī)對(duì)現(xiàn)階段的中國來說具有重要的意義，不僅可以提高我國秸稈的利用率，減少秸稈的污染，增加畜牧業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，又可以降低作業(yè)成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[17]。切割技術(shù)在粗莖稈作物的收獲過程中具有舉足輕重的地位?；剞D(zhuǎn)式切割器作為粗莖稈作物收獲機(jī)械中其中一個(gè)重要的組成部件，其性能對(duì)提高機(jī)械作業(yè)率、降低收獲損失都具有重要意義。在此背景下，本文著重對(duì)莖稈收獲機(jī)械的切割裝置中的回轉(zhuǎn)式切割器進(jìn)行了深入的研究及介紹。

1 國內(nèi)外粗莖稈作物機(jī)械化研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外粗莖稈收獲機(jī)的研究概述

國外對(duì)粗莖稈作物收獲的研究較早。19世紀(jì)初，國外已經(jīng)對(duì)苧麻剝制技術(shù)進(jìn)行研究，并先后研制出一系列的剝麻機(jī)，但其成果并不如人意。20世紀(jì)90年代，日本研制苧麻自動(dòng)收割機(jī)，希望采用傳感技術(shù)，但未能成功[7]。據(jù)了解，國外的青貯飼料技術(shù)比較成熟，尤其在青貯玉米莖稈方面。目前，國外的青貯飼料收獲機(jī)有懸掛式和自走式。其中，俄羅斯及東歐國家收獲青飼玉米的割臺(tái)大多為不對(duì)行往復(fù)式全幅結(jié)構(gòu)，并配有很大直徑的撥禾輪，在割臺(tái)兩側(cè)板上裝有往復(fù)式切割刀片，代表機(jī)型為原東德生產(chǎn)的E-281型青貯飼料收獲機(jī)等，而美國跟西歐等國家的青貯飼料全部采用機(jī)械化手段生產(chǎn)。除此之外，紐荷蘭公司的FR9000系列自走式青飼料收獲機(jī)及克拉斯生產(chǎn)的自走式JAGUAR系列青貯飼料收獲機(jī)(見圖1)也備受矚目[18]。

圖1 克拉斯JAGUAR800系列青貯飼料收獲機(jī)

自改革開放以來，美國、英國、德國等發(fā)達(dá)國家的青貯機(jī)械相繼進(jìn)入我國市場(chǎng)，占據(jù)了比較大的份額[19]。與此同時(shí)，我國粗莖稈作物收獲機(jī)也有所發(fā)展，由最初的仿制國外引進(jìn)機(jī)械到在借鑒吸收國外先進(jìn)機(jī)械的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國國情自行研究設(shè)計(jì)粗莖稈作物收獲機(jī)，其技術(shù)水平也隨著畜牧業(yè)的快速發(fā)展得到完善及提高。進(jìn)入21世紀(jì)以后，2004年農(nóng)機(jī)購置補(bǔ)貼政策的落實(shí)，使得農(nóng)民對(duì)莖稈收獲機(jī)的購買熱情迅速提升，市場(chǎng)需求量逐年增加[20]。

1.2 國內(nèi)外對(duì)回轉(zhuǎn)式切割器的研究概述

農(nóng)作物的切割形式主要包括往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式切割器。往復(fù)式切割器主要用于小麥，牧草等作物收獲；而回轉(zhuǎn)式切割器主要用于粗莖稈作物的切割，如青貯玉米、大豆、蘆葦、甘蔗及麻類等作物的收獲作業(yè)?；剞D(zhuǎn)式切割器也稱為圓盤式切割器及盤刀式切割器等。目前，對(duì)回轉(zhuǎn)式切割器的研究大多從滑切角理論、切割機(jī)理、切割器結(jié)構(gòu)和研究手段等方面展開?；剞D(zhuǎn)式切割器一般速度較高，適合高速作業(yè)，其慣性力較易平衡，振動(dòng)較小，但回轉(zhuǎn)半徑小，所以不適用于在寬幅的情況下切割農(nóng)作物；割刀的壽命也比較短，并且損耗維修費(fèi)用較高。

由于切割裝置對(duì)收獲機(jī)械來說至關(guān)重要，我國學(xué)者們對(duì)此做出了不同的研究。

鄧玲黎等研制了玉米秸稈的切割試驗(yàn)臺(tái)，并且對(duì)青貯玉米秸稈的切割過程進(jìn)行了模擬與分析[21]。

周勇、區(qū)穎剛等研發(fā)設(shè)計(jì)了斜置式甘蔗切割喂入裝置，并且進(jìn)行了裝置性能試驗(yàn)及對(duì)不同生長狀態(tài)的甘蔗的適應(yīng)性試驗(yàn)[22]。

陳振玉等對(duì)聯(lián)合收割機(jī)往復(fù)式切割器切割過程的一次切割區(qū)、重割區(qū)及漏割區(qū)面積在不同切割情況下變化特性進(jìn)行了理論分析[23]。

羅海峰等為解決現(xiàn)有往復(fù)式切割器收割龍須草時(shí)的問題，對(duì)龍須草莖稈切割間隙、切割速度、切割莖稈部位、切割刀片組合形式及切割莖稈數(shù)量等因素進(jìn)行了單因素試驗(yàn)[24]。

解福祥、于慶霞等針對(duì)粗莖稈作物切割器的重割、漏割等問題，設(shè)計(jì)了一種螺旋輥式雙刀盤切割器，并通過虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)切割器進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，為切割器的研制提供可靠數(shù)據(jù)[25]。

劉楓等對(duì)圓盤切割器進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及試驗(yàn)，并結(jié)合實(shí)際的收割要求，得出了雙圓盤缺口切割器適合立輥式玉米收獲機(jī)的配套部件這一結(jié)論[26]。

高愛云等通過正交回歸設(shè)計(jì)，對(duì)動(dòng)刀刀端線速度、動(dòng)刀組數(shù)、拖拉機(jī)擋位3個(gè)因素及動(dòng)刀刀端線速度單因素對(duì)切碎功耗的影響進(jìn)行了研究，建立了切碎功耗的回歸模型，得出了當(dāng)動(dòng)刀刀端線速度為30m/s、動(dòng)刀組數(shù)為6把、拖拉機(jī)擋位為Ⅰ擋時(shí)達(dá)到最優(yōu)組合這一結(jié)論[27]。

薛忠等對(duì)回轉(zhuǎn)式莖稈切割器進(jìn)行了研究，重點(diǎn)介紹了回轉(zhuǎn)式切割器在玉米秸稈收獲中理論與試驗(yàn)等方面的進(jìn)展，并且得出了切割器性能的好壞對(duì)收獲作業(yè)的順利進(jìn)行及降低收獲損失都有巨大的作用這一結(jié)論[28]。

Huang YanSan , Chang SooHo及Wan F.D.等人對(duì)常用的圓盤式玉米切割器的工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了研究[29-31]。

黃繼承等人設(shè)計(jì)出了適合我國生產(chǎn)現(xiàn)狀的苧麻收獲4LMZ-160型履帶式收割機(jī)[32]。

林茂等人模擬分析了甘蔗在不同含水率的土壤里的情況，對(duì)回轉(zhuǎn)刀甘蔗切割器切割甘蔗莖稈的影響因素在室內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)，并對(duì)影響因素進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果使甘蔗破頭率降至 8.18%以下[33]。

鄧本榮通過對(duì)刀片進(jìn)刀量和滑切角的變化分析后，指出圓盤切割主要以斜切的方式為主，可省力；其進(jìn)刀量呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢(shì)，即切割時(shí)的阻力會(huì)呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢(shì)，使得工作比較平穩(wěn)，所以選擇外圓弧刃口刀片比較合理[34]。

倪長安對(duì)玉米莖稈采取幾種不同形式的回轉(zhuǎn)式切割器切割的過程進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，討論了參數(shù)對(duì)切割裝置工作性能的影響效果，并提供了回轉(zhuǎn)式切割裝置主要參數(shù)的設(shè)計(jì)依據(jù)[35]。

1.3 回轉(zhuǎn)式切割裝置研究目標(biāo)

通過設(shè)計(jì)制作一種粗莖稈作物回轉(zhuǎn)式切割試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)影響切割性能的因素(包括刀片數(shù)量、刀片形式及刀盤轉(zhuǎn)速等)進(jìn)行模擬試驗(yàn)分析。統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以工作性能指標(biāo)為依據(jù)尋求切割器結(jié)構(gòu)參數(shù)及切割運(yùn)動(dòng)參數(shù)最優(yōu)組合，從而使切割功耗達(dá)到最低，為今后粗莖稈作物收獲機(jī)切割裝置的設(shè)計(jì)提供參考。

1.4 回轉(zhuǎn)式切割裝置的主要研究內(nèi)容

1)以粗莖稈作物為研究對(duì)象，構(gòu)建力學(xué)模型，對(duì)這些農(nóng)作物莖稈的機(jī)械物理特性參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定及分析，其試驗(yàn)內(nèi)容主要包括對(duì)木質(zhì)部、韌皮部及秸稈進(jìn)行剪切、拉伸、壓縮、彎曲等力學(xué)研究，獲得其楊氏彈性模量、剪切應(yīng)力、抗壓強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度等物理力學(xué)特性參數(shù)。對(duì)采樣時(shí)間、含水率、取樣部位等影響玉米秸稈力學(xué)特性的因素進(jìn)行綜合的分析，為切割裝置的研究設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)及技術(shù)參數(shù)指導(dǎo)。

2)設(shè)計(jì)切割試驗(yàn)臺(tái)架的切割部件的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)及喂入輸送機(jī)構(gòu)，并建立切割轉(zhuǎn)矩、喂入速度及切割速度的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，為進(jìn)一步的研究提供數(shù)據(jù)支持。

3)對(duì)刀盤進(jìn)行設(shè)計(jì)，包含刀片的形式、刀片的數(shù)量、刀片的滑切角與直徑、刀盤的厚度及其結(jié)構(gòu)的確定和設(shè)計(jì)。該內(nèi)容可通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析不同形式下，各參數(shù)不同時(shí)的割刀的切割效果及切割功耗，選擇出最優(yōu)的割刀形式、刀片數(shù)量及滑切角等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步的設(shè)計(jì)研究提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

4)對(duì)切割器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，包含不漏割分析、多刀切割分析、重復(fù)切割分析,從而尋找切割器各物理參數(shù)之間的約束關(guān)系。

1.5 擬解決的關(guān)鍵問題

1)結(jié)合理論力學(xué)及材料力學(xué)的理論知識(shí),研究和建立粗莖稈材料模型，從而獲得粗莖稈作物秸稈的力學(xué)特性參數(shù)。

2)以降低切割功耗、提高切割效率為目的，獲得粗莖稈作物收獲機(jī)切割器的最佳割刀形式及切割參數(shù)。

3)合理安排切割器、輸送裝置及強(qiáng)制推進(jìn)機(jī)構(gòu)的位置，減少或消除秸稈的堵塞問題，從而使得切割后的秸稈順利進(jìn)入切碎揉搓裝置進(jìn)行切碎揉絲。

1.6 主要研究方法

由于我國對(duì)該領(lǐng)域的研究尚處于起步階段，技術(shù)比較落后，而國外的相關(guān)技術(shù)比較發(fā)達(dá)，所以需要借鑒參考國外已經(jīng)成熟的技術(shù)。此外，可以借鑒其他作物已經(jīng)成熟的相關(guān)技術(shù)。

1)根據(jù)研究目的及所要解決的問題，查閱相關(guān)資料，收集粗壯莖稈作物的力學(xué)特性及收割機(jī)割刀運(yùn)動(dòng)方法的相關(guān)資料，為自己的研究提供參考。

2)利用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)粗莖稈作物的秸稈進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。建立粗莖稈的機(jī)械物理力學(xué)模型，其可以看作是由韌皮部、木質(zhì)部兩種異質(zhì)材料復(fù)合而成的復(fù)合材料，運(yùn)用材料力學(xué)的試驗(yàn)方法進(jìn)行剪切、拉伸、彎曲等試驗(yàn)。利用計(jì)算機(jī)采集相關(guān)數(shù)據(jù)及相關(guān)圖像，采用SAS等數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理。

3)搭建粗莖稈作物的秸稈回轉(zhuǎn)式切割裝置試驗(yàn)臺(tái)，設(shè)計(jì)合適的動(dòng)力機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等，并根據(jù)所需要測(cè)試的參數(shù)類型來選擇相應(yīng)的傳感器及測(cè)試部件。利用Creo建立粗莖稈作物的切割試驗(yàn)臺(tái)裝置的三維模型，利用CAD進(jìn)行二維圖紙的繪制，完成試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)然后進(jìn)行樣機(jī)的試制。

4)通過改變各影響因素進(jìn)行多因素正交試驗(yàn)的研究。分析割刀刀片數(shù)量、刀片形式、刀片滑切角、刀片長度、刀盤直徑、刀盤厚度及結(jié)構(gòu)等因素對(duì)切割器切割效率的影響，找出各個(gè)因素的最佳組合，為粗莖稈作物收獲機(jī)切割裝置的研制提供理論依據(jù)。

1.7 研究過程中可能遇到的問題和解決方法

1)目前國內(nèi)可借鑒的成熟技術(shù)比較有限，文獻(xiàn)資料也比較少，因此研究具有一定的局限性。因此，可以通過大量查詢其他莖稈收獲機(jī)械的相關(guān)文獻(xiàn)，借鑒其他作物切割器的研究成果，結(jié)合該類作物自身的特點(diǎn)來思考解決問題。

2)粗莖稈作物因其多樣性，不適合使用國標(biāo)對(duì)木材、竹材等機(jī)械物理試驗(yàn)方法的規(guī)定，因此沒有統(tǒng)一的測(cè)量力學(xué)特性的方法。應(yīng)根據(jù)該類作物的實(shí)際情況進(jìn)行分析，建立相應(yīng)的物理力學(xué)模型，然后運(yùn)用材料力學(xué)等理論方法進(jìn)行試驗(yàn)。

3)需要通過試驗(yàn)確定研制適用于粗莖稈作物收割的圓盤切割臺(tái)，并且切割因素及評(píng)價(jià)指標(biāo)較多。因此，可以通過安排正交試驗(yàn)及建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來解決試驗(yàn)方面的問題。

2 粗莖稈作物收獲機(jī)械化研究前景

粗莖稈作物收獲機(jī)械為我國農(nóng)作物機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其機(jī)具質(zhì)量的好壞及技術(shù)水平的高低直接影響到秸稈飼料生產(chǎn)的健康發(fā)展，是農(nóng)區(qū)畜牧業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的根本保障[20]。

針對(duì)目前我國粗莖稈作物收獲機(jī)械的研制及生產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的問題，提出如下建議：

1)研制符合我國國情的先進(jìn)粗莖稈作物收獲機(jī)，使主機(jī)通用化。在現(xiàn)有粗莖稈作物收獲機(jī)械基礎(chǔ)上，應(yīng)充分借鑒國外的先進(jìn)收獲技術(shù)，開發(fā)研制出適合我國國情的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)粗莖稈作物收獲機(jī)。此外，由于玉米、麻類等粗莖稈代表性作物具有收獲期較短、機(jī)器閑置的時(shí)間較長的特性，為了提高機(jī)器的利用率，可以采用一機(jī)多用，達(dá)到主機(jī)通用化的效果，也就是在一個(gè)通用主機(jī)上掛接上多種工作部件，來實(shí)現(xiàn)不同的功能。這樣既降低了農(nóng)戶的農(nóng)機(jī)購置成本風(fēng)險(xiǎn)，提高了設(shè)備的利用率，增加了經(jīng)濟(jì)效益，又可以使產(chǎn)品由單一化向系列化轉(zhuǎn)變，降低了企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)成本。

2)重點(diǎn)研發(fā)關(guān)鍵部件。和懸掛式及牽引式收獲機(jī)相比較，自走式收獲機(jī)在技術(shù)層面上相對(duì)復(fù)雜一些，在保證主要的性能達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，應(yīng)努力提高粗莖稈作物收獲機(jī)關(guān)鍵部件的可靠性。例如，對(duì)于故障頻發(fā)的割臺(tái)，應(yīng)優(yōu)化其喂入裝置零部件的工藝性，采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，找出其設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，并加強(qiáng)處理，提高整機(jī)工作的可靠性；對(duì)切碎器部分的動(dòng)刀、定刀從材料選取及零件熱處理等方面，著手來提高其可靠性。

3)做到農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝有機(jī)融合。將農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合，降低對(duì)粗莖稈作物收獲機(jī)械的要求，使其各性能易于實(shí)現(xiàn)。

4)農(nóng)機(jī)企業(yè)要不斷創(chuàng)新，跟上時(shí)代步伐。我國的收獲機(jī)械由原來的引進(jìn)到后來的吸收，再到目前完全具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，雖然國內(nèi)已具規(guī)模的粗莖稈作物收獲機(jī)設(shè)計(jì)制造企業(yè)有很多，但與國外知名企業(yè)相比，整體水平較差，從設(shè)計(jì)、制造到先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用方面差距明顯。在今后的設(shè)計(jì)中，企業(yè)除了要解決關(guān)鍵零部件的可靠性，提高整機(jī)的質(zhì)量外，還應(yīng)該向自動(dòng)化、智能化等方向進(jìn)行發(fā)展，在增加產(chǎn)品附加值的同時(shí)提升產(chǎn)品的競爭力。

5)政府應(yīng)增加對(duì)粗莖稈作物收獲機(jī)械的扶持力度，促進(jìn)其有效快速推廣應(yīng)用。目前，我國畜牧業(yè)發(fā)展迅速，對(duì)青飼料需求量大，推廣粗莖稈作物收獲機(jī)械有較好的前景。因此，建議政府做到加大對(duì)粗莖稈作物收獲機(jī)械化技術(shù)的宣傳推廣及加大對(duì)粗莖稈作物收獲機(jī)械化的投資力度，真正地落實(shí)農(nóng)機(jī)購置補(bǔ)貼的政策，使農(nóng)機(jī)用戶受益，使百姓受益，從而促進(jìn)粗莖稈作物收獲機(jī)械的健康、快速、穩(wěn)定發(fā)展。

3 結(jié)語

我國粗莖稈作物收獲機(jī)械的起步較晚，目前其機(jī)械化程度也比較低，因此對(duì)粗莖稈作物收獲機(jī)械的研制具有重要意義。該研究的成功進(jìn)行能真正地實(shí)現(xiàn)對(duì)粗莖稈作物秸稈的高效機(jī)械化收獲，大大降低動(dòng)力消耗及勞動(dòng)成本，既節(jié)約了時(shí)間，又增加了農(nóng)民收入，相對(duì)于現(xiàn)有的粗莖稈作物秸稈收獲設(shè)備來說，具有強(qiáng)大的競爭力及產(chǎn)業(yè)化前景。

粗莖稈作物收獲機(jī)械的收割技術(shù)的研究將為莖稈作物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。提高粗莖稈作物的機(jī)械化收獲水平，將促進(jìn)與粗莖稈作物相關(guān)的各個(gè)行業(yè)加快發(fā)展；粗莖稈作物收獲機(jī)械化的推廣也可以促進(jìn)青飼料生產(chǎn)向規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。

近年來，隨著制造技術(shù)的提高和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的不斷總結(jié)，學(xué)者們研制出了很多新型的切割器，在做該項(xiàng)研究時(shí)，可以借鑒他人的成果，結(jié)合粗莖稈作物自身的特點(diǎn)，選擇或設(shè)計(jì)優(yōu)化適合的切割器，從而提高收獲質(zhì)量與效率。

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Research Status on Thick Stalk Crop Cutting Device and Its Problems and Development Proposals

Wang Shuai, Zhang Bin, Li Xianwang, Shen Cheng, Tian Kunpeng, Huang Jicheng

(Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

As a kind of important biomass energy, straw has many advantages compared with traditional mineral energy. China's straw resources are very rich, and with the improvement of the level of agricultural mechanization, many crops straw has been applied in the field of feed production and so on. However, there are still many problems in China's crude stalk crop harvesting machinery, including cutting technology is a key link in the process of harvesting. In this paper, by reviewing the related literature at home and abroad, this paper introduces domestic and international thick stalk crops cutting device research and the current situation, pointed out that at present China's straw harvest cutting problems still existing in technology, mainly for the rotary cutting device are introduced, and put forward some suggestions to promote China's straw harvest mechanization of industry development.

thick stalk crop; rotary cutting device; mechanization

2016-06-24

國家農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位任務(wù)(CARS-19-E22)；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目(2016-2020)

王 帥(1991-)，女，河北衡水人，碩士研究生，(E-mail)964018878@qq.com。

張 彬(1974-)，女，浙江東陽人，副研究員，(E-mail)xtsset@hotmail.com。

S233.4

A

1003-188X(2017)08-0263-06