宋月鵬 王 征 吳 昆 李法德 宋占華 楊 瀟

(1.山東農業(yè)大學機械與電子工程學院； 2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室， 泰安 271018;3.中國科學院理化技術研究所， 北京 100190)

0 引言

苜蓿被譽為牧草之王，是畜牧業(yè)重要的飼喂原料，大力發(fā)展苜蓿等優(yōu)質飼草料生產，著力提升苜蓿收獲的機械化水平是我國“三農”工作的重要內容之一[1-3]。國外苜蓿采后再生時間為28～32 d，一年可收獲5～8茬，而我國一般一年只能收獲3～4茬?，F(xiàn)蕾期是苜蓿收獲的最佳時期，苜蓿開花后相對飼用價值下降[4]。因此，及時收獲至關重要，采收時間長及再生周期長是我國苜蓿產業(yè)目前亟需解決的突出問題[1,4]。

2018年8月，CLAAS公司8 h內在4塊地共收獲了141.1 hm2苜蓿，作業(yè)速度最快達30 km/h[5]。作為收獲機械的關鍵部件，切割刃具需具有優(yōu)良的強韌性、耐磨性及鋒銳性等力學性能[6-10]。國內外高端飼草料收獲機械普遍采用自磨銳刃具，并配以自動磨刀裝置。但這些刃具必須精準控制刃口耐磨層與基體母材磨損率，保持適當比例才能獲得優(yōu)良的自磨銳效果[6,11]，這在工藝上很難控制。研究發(fā)現(xiàn)，采用硬度呈梯度分布的新材料制備自磨刃可以長時間保證切割鋒銳性，ROSTEK等[12]及宋月鵬等[13-14]分別采用不同的梯度材料制備飼草料收獲機械割刀，申慶泰等[15]采用滲碳工藝制備飼料粉碎機自磨刃錘片，均取得了良好的使用效果。

金屬陶瓷梯度材料具有優(yōu)良的強韌性及耐磨性，目前已廣泛用于高鐵、航空航天及電力等作業(yè)條件極為苛刻的領域[16-17]，是一種性能優(yōu)良的低損傷切割自磨刃新型材料[13]。目前，金屬陶瓷自磨刃割刀切割過程的力學特性、梯度材料割刀自磨銳特性形成原理及其對苜蓿的低損傷切割機理尚未見系統(tǒng)報道。

廖宜濤等[18]采用ANSYS軟件對蘆竹切割過程進行了模擬仿真，取得較好效果，本文采用ANSYS Workbench對苜蓿切割過程進行數(shù)值模擬仿真，分析割刀刃口曲率半徑對切割力學特性的影響，采用超重力燃燒合成技術制備金屬陶瓷梯度材料，按照國家標準(GB/T 10938—2008)要求制備旋轉式割草機金屬陶瓷割刀，對割刀剖面的顯微組織及硬度分布進行檢測分析，探討切割苜蓿作業(yè)過程中金屬陶瓷自磨刃割刀的低損傷切割機理，并進行田間驗證試驗。

1 材料與方法

利用SolidWorks 2016建立旋轉式割草機割刀切割苜蓿的有限元分析模型，為了提高模擬效率，對切割模型進行簡化，只保留刀盤(45號鋼)、割刀(65Mn，刃口角為30°)和單株苜蓿，再用ANSYS Workbench支持的x_t文件格式導入，3種材料的物性參數(shù)如表1所示[19]。

表1 有限元分析模型材料屬性參數(shù)Tab.1 Physical property parameters of materials

網格劃分過程中，苜蓿設置為柔性材料，割刀與刀盤均設置為剛體材料，劃分方式為智能尺寸劃分，有限元個數(shù)為9 549個，利用Supports/Fixed與Loads/Force命令將苜蓿草莖稈6個自由度固定，其中Loads/Force沿Z軸方向，即F=1 000 N；通過Explicit Dynamic/Velocity與Explicit Dynamic/Angular Velocity定義切割器整體運動，其中進給速度為2 000 mm/s，刀盤旋轉速度為3 600 r/min，旋轉中心為刀片中心點。

割刀結構及有限元分析模型如圖1所示。

圖1 割刀結構及有限元分析模型Fig.1 Structure and FEM analysis model of blade

采用Fe3O4/Al/鐵基硬質合金顆粒的鋁熱體系，參照文獻[13,20-22]的制備原理及步驟：按比例配制Fe3O4/Al鋁熱劑體系，其中Fe3O4為工廠產生的氧化鐵皮，球磨粉碎粒度為150～300 μm的顆粒。添加鐵基硬質合金顆粒的粒度均為100～200 μm，燃燒合成體系各組分的質量分數(shù)分別為：Fe3O4/Al鋁熱劑85%，V-Fe 3%、Mo-Fe 3%、Mn-Fe 4%及Cr-Fe 5%。超重力系數(shù)為1 000，穩(wěn)定旋轉后點火，鋁熱劑發(fā)生劇烈反應，其化學反應為

Fe3O4+Al+(VC, Cr7C3, MoC)→Al2O3+
(FeCrVMo)C/Fe

高溫高熱金屬Fe熔體及硬質合金顆粒熔覆到預置底部10 mm厚的45號鋼板表面，形成金屬陶瓷梯度材料，按照國家標準(GB/T 10938—2008)結構要求制備飼草料收獲機械割刀，取樣部位如圖2a所示，圖2b、2c分別為金屬陶瓷割刀及剖面組織硬度測量試樣，該割刀頂面為45號鋼，后刀面為金屬陶瓷梯度材料。

圖2 金屬陶瓷自磨刃取樣位置及其刃口組織性能檢測試樣Fig.2 Sample position of metalloceramics blade and its microstructure and property measurement sample

圖3 不同刃口曲率半徑(ρ)前刀面等效應力分布云圖Fig.3 Equivalent stress distribution on rake surface for different edge curvature radii of blade

利用TH51型顯微硬度計對梯度材料層進行顯微組織硬度測量，利用Caikon-4XCE型金相顯微鏡進行組織觀察并照相，利用掃描電鏡(SEM，HITACHIS-4300型)結合能譜儀進行材料顯微組織觀察及微區(qū)成分分析(EDS)。

與國家標準市售刀片置于同一設備的刀軸上，在相同工作條件下，進行苜蓿現(xiàn)場切割作業(yè)的對比試驗，通過分析割刀剖面硬度分布、作業(yè)66.7 hm2苜蓿后不同割刀刃口的磨損狀況及切口形貌，探討金屬陶瓷割刀自磨銳特性的形成及其對苜蓿的低損傷切割機理。

2 結果與分析

2.1 刃口曲率半徑對割刀切割過程的仿真模擬

作物莖稈切割過程實際上是一個刃具/莖稈協(xié)同耦合作用下完成的復雜力學及摩擦過程，研究表明，割刀刃口曲率半徑是影響刃具鋒銳程度及切割力學特性的重要因素[6,11,23]。

對不同刃口曲率半徑(0.3、0.5、0.7 mm)的割刀切割苜蓿過程進行仿真模擬，圖3為不同刃口曲率半徑割刀切割苜蓿過程中前刀面等效應力分布云圖。由圖3可知，隨著割刀刃口曲率半徑增加，等效應力逐漸減小，對苜蓿的切割作用變弱，當曲率半徑為0.3 mm時，對苜蓿切割應力可達403.08 MPa，當曲率半徑增大到0.7 mm時，切割應力為223.67 MPa，下降了近44.4%。切割作用變差會導致作業(yè)效率降低，能耗增加[6,10]。據(jù)文獻[6]可知，當莖稈粉碎機刀片刃口磨鈍后，拖拉機速度由3擋降到2擋，工作效率降低20%，油耗反而上升20%，間接驗證了本文模擬結果的可靠性。

苜蓿在不同刃口曲率半徑的割刀切割斷裂過程中，苜蓿生長方向(Z方向)應力分布的仿真模擬結果如圖4所示。

圖4 不同刃口曲率半徑苜蓿Z軸方向的應力分布云圖Fig.4 Stress distribution in Z direction of alfalfa cut by different edge curvature radii of blade

由圖4可知，隨著刃口曲率半徑增加，苜蓿生長方向(Z軸方向)受力越來越大，即作業(yè)過程中，割刀對苜蓿的拉拔作用越來越大，當刃口曲率半徑達到0.7 mm時(圖4c)，割刀對苜蓿的拉應力達到104.08 MPa，幾乎是曲率半徑為0.3 mm(圖4a)時拉應力的3倍，作用在Z軸方向上的拉力會使苜蓿根部松動，甚至從土壤中直接拔出，因此，在苜蓿主產區(qū)，收獲后若澆水不及時可導致作物枯萎死亡[1]，我國水資源貧乏的西北牧草主產區(qū)，情況尤為嚴重[24]。

因此，由模擬分析結果可以看出，刃口曲率半徑是割刀鋒銳性的重要影響因素，曲率半徑越大，刃口鈍化越嚴重，對苜蓿莖稈的切割作用越弱，撞擊作用增強導致莖稈彎曲，O’DOGHERTY等[25]利用高速攝像也獲得了與圖4c極為相似的莖稈變形形狀，而苜蓿的生長方向(Z方向)拉應力增大形成撕裂拉拔作用，使得苜蓿切口粗糙及根部的松動，這對于苜蓿的再生過程極為不利。

2.2 割刀顯微組織及硬度分布

采用Fe3O4/Al/高硬合金顆粒體系， 經計算，該鋁熱劑的絕熱溫度為3 148.2 K(純鐵的沸點溫度)[13,26]，超重力燃燒合成金屬陶瓷材料過程中，產物Fe及Al2O3均呈高溫液相形態(tài)且密度差較大(Fe為7.138 g/cm3，Al2O3為3.008 g/cm3)，超重力場使多相快速分離，同時，多種金屬陶瓷硬質合金顆粒(V-Fe、Mo-Fe等)由于熔點、密度不同，在鐵熔體內運動學及顆粒分布特征存在較大差異，形成硬度呈梯度分布的金屬陶瓷材料。

金相顯微組織觀察及微區(qū)成分分析結果表明[13,20]，金屬陶瓷材料基體是產物Fe擇優(yōu)取向的柱狀晶組織，在基體上彌散分布著高硬的V-Fe和Cr-Fe合金顆粒，由于鋁熱反應形成的鐵熔體溫度極高，這些合金顆粒表面熔化，與基體呈冶金結合，顆粒尺寸變小為20～50 μm。由于V-Fe和Cr-Fe密度均小于鐵熔體(V-Fe為7.0 g/cm3，Cr-Fe為6.9 g/cm3)，因此，這兩種顆粒主要集中于金屬陶瓷材料的頂端，沿超重力方向逐漸減少并呈線性排列[13,20]。

自磨刃割刀后刀面為金屬陶瓷材料，V-Fe和Cr-Fe顆粒含量較高，硬度高(760～780 Hv)，耐磨性好。距離后刀面越遠，這兩種顆粒的含量逐漸變少，硬度緩慢降低，如距后刀面1 mm處，硬度約為650 Hv，而2 mm處硬度為600 Hv。割刀頂面為45號鋼，圖5為厚度方向上距割刀后刀面不同距離處的硬度分布。

圖5 割刀剖面沿厚度方向的硬度分布Fig.5 Profile hardness distribution following thickness direction of metalloceramics blade

材料成型過程中，高溫金屬陶瓷材料熔體在超重力場作用下，對45號鋼表面形成強烈的壓焊作用，使得金屬陶瓷材料/45號鋼界面處呈冶金焊合狀態(tài)。

多相運動學分析結果表明[20]，在金屬陶瓷/45號鋼界面處，富集大量Mo-Fe顆粒，而V-Fe和Cr-Fe顆粒極少，硬度為500 Hv左右，實現(xiàn)了自磨刃割刀前刀面硬度的平緩梯度分布。這對于割刀自磨銳特性的形成及其對苜蓿的低損傷切割極為有利。

圖6 不同割刀硬化層分布及刃口磨損模型示意圖 Fig.6 Edge abrasion model and hardness distribution for different blades

圖6為不同割刀硬化層分布及刃口磨損模型示意圖。圖6a為刃口處整體淬火示意圖，當割刀前刀面與后刀面硬度差別不大時，切割過程中，兩刃面的磨損速率接近，導致刃口處曲率半徑逐漸增大而變鈍[6]，對苜蓿莖稈的切割力學特性惡化，切割作用變弱而撞擊、撕裂、拉拔作用增強。圖6b為刃口硬化層/基體硬度、厚度匹配不合理，硬化層比基體磨損慢導致崩刃示意圖。圖6c為金屬陶瓷自磨刃割刀示意圖，由于硬度呈梯度平穩(wěn)變化，沒有界面結合層，不存在硬化層硬度、厚度的匹配問題以及結合界面強度問題；自磨刃割刀工作過程中，前刀面的磨損量呈漸次梯度變化，始終保持合理刃口角及刃口曲率半徑，這對于苜蓿的低損傷切割極為有利。

2.3 割刀切割田間試驗

采用9G-15型偏置式旋轉割草機進行現(xiàn)場試驗，該割草機共有4個刀盤，每個刀盤上又各有2個刀軸，每個刀軸上可安裝4片割刀，將兩組金屬陶瓷自磨刃割刀(16片)分別安裝在2個刀盤上。將另一組市售割刀(16片)安裝到另2個刀盤上，兩者進行相同條件下現(xiàn)場割草試驗。牧草為5年生紫花苜蓿，莖稈直徑約2 mm，現(xiàn)蕾期切割，每小時作業(yè)0.3～0.5 hm2，收獲約66.7 hm2后停機，對比兩種割刀刃口形貌及苜蓿切口形貌。

田間試驗結果表明，金屬陶瓷自磨刃割刀后刀面是金屬陶瓷材料，硬度高，耐磨性好，前刀面硬度呈平緩的梯度變化分布，作業(yè)過程中實現(xiàn)了均勻磨損，這樣保證了刃口角與刃口曲率半徑變化較小，可以始終保持較鋒利的自磨銳特性，如圖7a所示。從而實現(xiàn)了割刀刃口強韌性、耐磨性與鋒銳性的有機統(tǒng)一。

圖7 不同割刀作業(yè)66.7 hm2后刃口磨損情況對比 Fig.7 Wear compassion of different blade edge after working for 66.7 hm2

對于市售割刀，由于刃口處硬度分布不合理，后刀面磨損較快，前刀面磨損不均勻，導致刃口角及刃口曲率半徑逐漸增大而變鈍，切割性能惡化，如圖7b所示。對于多茬生牧草作物如苜蓿等，對采收時間及采后再生要求極其嚴格，結果表明，刃口鈍化的割刀(曲率半徑增大)作業(yè)時，切割力學特性惡化(剪切應力減小、對莖稈的撞擊拉拔作用增加)而大幅度降低收獲效率，苜蓿的切口撕裂、纖維組織及潛伏芽遭破壞，水分及營養(yǎng)物質散失較快，苜蓿根部松動，自愈過程受到嚴重阻礙而影響作物的再生過程，導致再生周期延長，如圖8所示。

圖8 刃口變鈍后切割苜蓿對再生芽點的損傷示意圖Fig.8 Damage diagrammatic sketches for regenerating points of alfalfa cut by blade’s blunted edge

對于金屬陶瓷自磨刃割刀，實現(xiàn)了硬度梯度的平緩變化而形成自磨銳切割效果，長時間收獲作業(yè)后，仍然保持較為鋒利的切割性能，苜蓿的切口平齊，組織損傷較輕，自愈過程正常，另外潛伏芽被完整保留，再生周期較短。

圖9為相同條件下2種割刀作業(yè)66.7 hm2后，苜蓿切口的對比情況。

圖9 不同割刀作業(yè)66.7 hm2后苜蓿切口形貌比較Fig.9 Stubble comparison of different blade cutting after working for 66.7 hm2

田間試驗結果表明，兩種割刀作業(yè)66.7 hm2后，與市售割刀相比，金屬陶瓷自磨刃割刀切割苜蓿后，再生周期可縮短5～10 d，每年可多收苜蓿1～2茬。同時還發(fā)現(xiàn)，金屬陶瓷割刀的作業(yè)效率提高10%～20%，油耗降低10%～20%[13]。

3 結論

(1)割刀刃口曲率半徑是影響切割鋒銳性的重要因素，曲率半徑越大，刃口鈍化越嚴重，對牧草的切割作用變弱，對莖稈的撞擊拉拔作用增強，莖稈生長方向(Z方向)的拉應力增大，導致苜蓿切口粗糙、根部松動，不利于切口自愈及再生生長，導致收獲周期延長。

(2)采用超重力燃燒合成技術制備的金屬陶瓷梯度材料的割刀，在厚度方向實現(xiàn)了組織硬度的梯度均勻分布，后刀面硬度高、耐磨性好，前刀面硬度呈梯度平緩變化，使得作業(yè)過程中磨損呈漸次變化，刃口曲率半徑變化較小，而始終保持鋒銳的切割性能，割刀從而形成了自磨銳特性，實現(xiàn)了對苜蓿的低損傷切割。

(3)與市售割刀相比，金屬陶瓷自磨刃割刀切割苜蓿66.7 hm2后，仍然保持較為鋒利的切割性能，苜蓿的切口平齊，組織損傷較輕，自愈過程正常，潛伏芽被完整保留，再生周期縮短。