中圖分類號：S225.92 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）08-0149-07

Abstract：Aimingtoaddress thechallenges inmechanizedalfalfa harvesting，suchasimprecisestalkcutting，significant plantdamage，extendedregenerationcycles，andreduced forageyield，thephysicalandmechanicalpropertiesof alfalfa stalks were testedand analyzed.Based on the findings，ontological equations representing the stalk characteristics were developed.Using computer-basednumerical simulation techniques，thecuting process of keycomponents in thealfalfa mowing machine was modeled，leading tothe structuralandoperational optimizationof thecuting parts.Theoptimized parameters for the cuting mechanism were as follows：a cutting edge angle of 20^° ，a radius of curvature of 0.1mm blade thickness of 4mm ，rotational speed of 2 045r/min ，forward operating speed of 3m/s ，and cutting angle of 40^° ： Theresultsoffield tests showed that key components of harvesting machine after optimization design significantlyreduced stalkdamage during harvesting.Thisresearch holds substantialpractical significance foradvancing the mechanized harvesting technologyandequipmentforalfalfainChina.Italsocontributestothehighqualitydevelopmentofthealfalfa industry by promoting greater efficiency and minimizing crop loss during the harvesting process.

Keywords：alfalfa；mower；dynamics simulation；response surface analysis；parameter optimization

0 引言

紫花苜蓿草對養(yǎng)殖業(yè)和農業(yè)生產起到關鍵支持作用[1]。目前我國紫花苜蓿需要大量進口，導致飼養(yǎng)牲畜的成本增加。目前苜蓿割草機對莖稈切割損傷過大，影響下一茬首蓿草產量的問題突出，制約我國畜牧業(yè)的發(fā)展，因此，為降低首蓿草莖稈損傷提高產量，割草機關鍵部件的參數(shù)優(yōu)化尤為重要[2]。

割刀與刀盤是苜蓿割草機的關鍵部件，對割草機關鍵部件切割首蓿草過程仿真是優(yōu)化關鍵部件工作參數(shù)的主要依據(jù)。目前對莖稈低損傷切割的研究有很多，例如張國良[3基于ANSYSWorkbench軟件對苜蓿的切割過程進行仿真模擬，研究了割刀扭轉角度、首蓿數(shù)量、切割位置分別對切割應力的影響規(guī)律；陳文滔4建立了有限元分析的模型用以研究莖稈切割過程中刀具轉速和莖稈直徑對切割效果的影響。

以上學者均從低損傷切割角度進行分析得出最適合的參數(shù)值，但是都僅是單獨分析某一因素對切割效果的影響，對于割刀結構參數(shù)與工作參數(shù)之間交互影響研究較少。基于此，本文通過Design—Expert軟件分別對割刀結構（刃口角、曲率半徑、刀片厚度）工作參數(shù)（刀盤轉速、前進速度、切入度）設計3因素3水平正交試驗，以最小徑向應變?yōu)榈蛽p傷指標。首先，優(yōu)化割刀結構參數(shù)，再以最優(yōu)結構參數(shù)為基礎優(yōu)化刀盤工作參數(shù)，得出最優(yōu)參數(shù)后，最后通過田間試驗驗證。為今后我國苜蓿草割草機裝備的發(fā)展提供強有力的支撐。

1力學特性試驗

1.1 試驗材料與試驗儀器

所采用的紫花苜蓿草樣本來源于山東農業(yè)大學牧草創(chuàng)新團隊技術示范基地，隨機選取成熟期的紫花首蓿草。留茬高度影響當茬的苜蓿草產量和下一茬的生長質量，因此，在其距地面 5～15cm 處進行剪取，并立即將其裝入密封的保鮮袋中保存。當天于山東農業(yè)大學機械與電子工程學院實驗室（環(huán)境溫度維持在26^°C ）進行試驗。試驗儀器包括：EZ一SX型質構儀，可用于精確測定樣本的力學特性；電子秤、量筒、鋁盒、SXQ-6-14A 高溫氣氛保護箱式爐、卷尺、剪刀、密封袋、游標卡尺等。

1.2 試驗方法

所測試的首蓿莖稈外觀及其截面形狀如圖1所示，其形狀近似為圓形，使用游標卡尺進行尺寸測量計算截面積。選擇代表性的莖稈樣本進行試驗，對莖稈手工清除葉片和側枝。

利用質構儀進行準靜態(tài)拉伸試驗分析應力應變。

為避免莖稈進行拉伸試驗時打滑，在拉伸夾頭與紫花苜蓿草接觸面處貼入橡膠片如圖2（a）所示。對莖稈剪切試驗如圖2（b）所示。

對莖稈的含水率進行測量，使用電子秤測量樣品的初始質量（干燥前的質量），固定初始質量值為20g。將樣品放人 的高溫爐中烘干 ，取出試樣放入干燥的鋁盒中冷卻至室溫，再次稱量其質量并計算其含水率，計算如式（1）所示。

式中： W —含水率， % ：m₁ 初始質量， g m₂ 最終質量， g

最后采用溢水法對其密度進行測量，為提高結果的準確性，進行多次試驗后計算平均密度。

1.3試驗結果與分析

紫花苜蓿在室溫和準靜態(tài)拉伸條件下的真實應力一應變曲線如圖3所示。

Johnson一Cook本構模型可以體現(xiàn)各種材料的應力和應變、應變速率、溫度之間的關系[5]，能夠滿足各種條件下的仿真材料需求，其在沖擊動力學中應用最為廣泛[6]，模型方程如式（2）所示。

式中： σ （20 塑性變形時的應力， MPa ε 等效塑性應變， % ： 試驗應變率， s^-1 ： 準靜態(tài)參考應變率， s^-1 ：T 試驗溫度， °C ：Troom 室溫， °C ：Tmelt 材料熔點， °C 5A 車 材料屈服強度， MPa B -材料應變硬化的硬化模量， MPa n 材料應變硬化的硬化指數(shù)；c 材料應變率系數(shù)；m 材料溫升軟化指數(shù)。

由于首蓿草莖稈在受力時不會產生大量熱量且不會使溫度迅速上升，因此， T≈T_room 方程簡化如式（3）所示。

莖稈材料就破壞形式而言，其破壞過程和金屬一樣涉及塑性變形直至最終斷裂，因此，J一C方程在這方面能夠滿足[7]。

通過應力一應變曲線線性擬合J一C方程各項參數(shù)，最終得出苜蓿草的材料參數(shù)，如表1所示。

表1苜蓿草莖稈材料參數(shù)Tab.1Alfalfa stalkmaterialparameters

2苜蓿割草機關鍵部件切割過程仿真分析

2.1切割系統(tǒng)模型構建

對首蓿割草機關鍵部件切割系統(tǒng)模型構建如圖4所示。仿真是模擬切割過程，觀察切割過程并取得莖稈應變，為了降低仿真過程的運算時間，將切割系統(tǒng)模型簡化為割刀與莖稈并采用ABAQUS動力顯示求解器進行動力學仿真分析。

2.2關鍵切割部件材料屬性選擇

普通割刀在持續(xù)工作過程下刀刃會出現(xiàn)鈍化，對苜蓿草莖稈造成不可逆的損傷[8]。因此，割刀材料選擇一種新型的能夠實現(xiàn)自磨銳材料：真空復合軋制材料[9.10]。為了在仿真中體現(xiàn)割刀梯度，將割刀模型分為上、中、下三層并賦予不同材料屬性，材料參數(shù)如表2所示。將苜蓿草莖稈和割刀屬性賦予各自模型。

表2割刀材料參數(shù)Tab.2 Cutter material parameters

2.3 切割系統(tǒng)網格劃分

縮減積分單元對網格扭曲不敏感可用于接觸計算在載荷的作用下彎曲不會發(fā)生剪切自鎖。劃分網格優(yōu)先選擇結構化網格，能夠提高計算精度、網格質量和降低資源消耗。

2.4載荷與邊界條件

考慮到苜蓿草在實際中扎根于土壤，模型底部可以看作是完全固定，施加載荷時將底部完全固定0 U₁=U₂=U₃=UR₁=UR₂=UR₃=0） 。設計一點與割刀距離等于實際刀盤中心與割刀的距離，將點與割刀綁定并完全約束自由度，通過對點施加轉速和位移使割刀旋轉和前進，進而模仿真實割草機中割刀的工作情況。為了防止割刀與苜蓿莖稈碰撞時出現(xiàn)不接觸以及苜蓿自身不接觸的情況，設置割刀表面與苜蓿表面接觸以及苜蓿自接觸。

2.5 仿真結果

在割刀轉速為 2400r/min 、前進速度為 2m/s. 切割角度為 0^° 、刃口角為 20^° 、曲率半徑為 0.1mm 、刀片厚度為 6mm 時，圖5和圖6分別為苜蓿草切割過程和苜蓿草徑向應變分析云圖。

圖5苜蓿草切割過程 Fig.5Alfalfa cutting process

3割草機關鍵部件結構參數(shù)與工作參數(shù)優(yōu)化

將影響莖稈損傷的關鍵部件參數(shù)分為割刀結構參數(shù)和刀盤工作參數(shù)。首先將刀盤工作參數(shù)設定為固定值，通過對不同割刀結構參數(shù)仿真得出不同徑向應變，以最小徑向應變?yōu)榈蛽p傷目標進行結構參數(shù)優(yōu)化；接著以優(yōu)化后結構參數(shù)為固定值，同理對刀盤工作參數(shù)進行優(yōu)化。

3.1 多因素試驗

利用Design—Expert12軟件進行多因素Box—Behnken設計，以最低徑向應變?yōu)槟繕酥?，首先?yōu)化割刀刃口角、曲率半徑和刀片厚度，再以其最優(yōu)割刀結構參數(shù)為基礎對刀盤轉速、前進速度和切入角度進行優(yōu)化，分別設計兩組3因素3水平試驗，如表3和表4所示。

表3割刀結構參數(shù)的因素和水平表Tab.3 Factor and level table of cutter structure parameters

表4刀盤工作參數(shù)的因素和水平表 Tab.4 Factor and level table of cutter working parameters

3.2多因素試驗結果與分析

試驗通過因素水平的設定，模擬完成仿真結果，多因素試驗方案及結果如表5和表6所示。

表5割刀結構參數(shù)試驗設計方案及結果Tab.5Experimental design scheme and resultsofcutter structure parameters

將多因素試驗結果采用Design—Expert軟件進行方差分析從而得出各因素水平的顯著結果，如表7和表8所示。表7為關鍵部件結構參數(shù)對苜蓿草莖稈徑向應變的方差分析結果， R² 為0.9271，說明回歸方程與整體試驗值符合程度較高。

表7關鍵部件結構參數(shù)對莖稈徑向應變的方差分析Tab.7Analysis of variance of structural parameters of cutter onstemstrain

表8關鍵部件工作參數(shù)對莖稈徑向應變的方差分析Tab.8 Analysis of variance of cutting tool working parameterson stem strain

從表7可以看出，苜蓿莖稈徑向應變回歸模型 P 值為 0.003 2lt;0.01 ，在不同組結構參數(shù)中表現(xiàn)出極顯著，說明其以苜蓿草莖稈徑向應變?yōu)橹笜说囊蜃兞颗c自變量之間呈現(xiàn)出極強的線性關系，即該回歸模型具有分析價值。失擬項 P 值為 0.798 8gt;0.05 ，說明苜蓿草莖稈徑向應變回歸模型與實際擬合較為理想，該回歸方程能夠正確反映各因素與苜蓿草莖稈徑向應變之間的關系[11]。

對試驗結果進行多元數(shù)據(jù)擬合，得到關于關鍵部件結構參數(shù)編碼值的回歸方程，其中含有一次項、交互項和二次項，如式（4）所示。

E₁=0.3661+0.0176H+0.0055I+ 0.0068J-0.0016HI+0.0021HJ- 0.0011IJ-0.0044H²-0.0077I²- 0. 0082J² （204號

在相同模型中， P 值的大小直接反映了因素對模型的影響程度， P 值越小則表明該 P 值所對應的因素對模型響應值的影響越大。在苜蓿莖稈徑向應變模型中，一次項 H 所對應的 P 值 lt;0.01 ，表明其對苜蓿莖稈徑向應變的影響極顯著； I，J 所對應的 P 值 lt;0.05 對切割力的影響顯著。二次項 I²，J² 所對應的 P 值 lt; 0.05，為顯著影響。剔除對模型影響不顯著的因素得出首蓿莖稈徑向應變與顯著因素編碼值的回歸方程如式（5）所示。

可以得出，關鍵部件結構參數(shù)影響苜蓿莖稈徑向應變的主次順序為： Hgt;Jgt;J²gt;I²gt;I

同理， R² 為0.9481，說明回歸方程與整體試驗值符合程度較高。苜蓿草莖稈徑向應變模型 P 值為0.001lt;0.01 ，說明模型顯著。失擬項 P 值為 0.632gt; 0.05，該回歸方程能夠正確反映各因素與苜蓿草莖稈徑向應變之間的關系。最終得到關于關鍵部件工作參數(shù)編碼值的回歸方程如式（6）所示。

E₂=0.3602-0.0124D-0.0094K- 0.0055G+0.0063DK+0.0064DG+ 0.0077KG-0.0187D²- 0.0214K²-0.0175G²

剔除對模型影響不顯著的因素，得出苜蓿莖稈徑向應變與各顯著因素編碼值的回歸方程如式（7）所示。

E₂=0.3602-0.0124D-0.0094K- 0.0055G+0.0063DK-0.0187D²- 0.0214K²-0.0175G²

可以得出，關鍵部件結構參數(shù)影響苜蓿莖稈徑向應變的主次順序為： K²gt;Dgt;D²gt;Ggt;G²gt;DKgt;K. 0

首蓿莖稈徑向應變的預測值與試驗實際值的對應關系見圖7，殘差與方程預測值間的對應關系見圖8。

圖7預測值與試驗實際值的對應關系 Fig.7 Correspondence between predicted values and actual experimental values

從圖7和圖8可以看出，在關鍵部件不同工作參數(shù)條件下，首蓿莖稈徑向應變的預測值與試驗實際值靠近同一條直線分布，殘差與方程預測值之間的分布分散并且無規(guī)律，進一步驗證該模型具有分析價值。各因素交互作用對苜蓿莖稈徑向應變的影響如圖9和圖10所示。

為得到苜蓿草莖稈最小徑向應變時最優(yōu)工作參數(shù)組合，限定苜蓿草徑向應變最小minimize，其他因素約束條件為水平值 -1～1 ，利用Design—Expert 12軟件對其進行優(yōu)化，得到試驗范圍內最優(yōu)關鍵部件工作參數(shù)組合：刃口角為 20^° 、曲率半徑為 0.1mm 、刀刃厚度為 4mm 、此時莖稈的徑向應變?yōu)?.329；旋轉速度為2 045r/min 、前進速度為 3m/s 切入角度為 40^° ，此時苜蓿莖稈徑向應變最低值為0.306。

3.3 驗證分析

首蓿草徑向應變的大小代表苜蓿草在切割過程的變形程度。徑向應變越小，說明苜蓿草在被割斷時所受的力就越小，其所受的損傷就越小，驗證其是否為最優(yōu)參數(shù)，可以通過對比不同工作參數(shù)以及首蓿草切割后生長高度與植株茂盛程度來判斷。將4種不同割刀（非最優(yōu)關鍵部件、僅優(yōu)化工作參數(shù)、僅優(yōu)化結構參數(shù)與優(yōu)化關鍵部件全部參數(shù)）分別安裝同一首蓿割草機上進行田間試驗應用對比分析，試驗地點為平家村首蓿種植地（ 35^°57^′50^′′N，117^°0^′58^′′E） ，時間2023年8月15日一9月15日。不同割刀對苜蓿收獲后，苜蓿再生一個月后的平均高度對比如表9所示。

表9割后30天割茬生長高度對比 Tab.9 Comparison of growth height for 3O days after mowing

由表9可以看出，苜蓿切割后再生情況與工作參數(shù)及結構參數(shù)影響密切相關，普通切割部件對莖稈切割后，株高僅增加了 3.5cm ，本文對工作參數(shù)及結構參數(shù)優(yōu)化后的切割部件對莖稈切割后，株高增加了9.6cm ，并且優(yōu)化后的切割部件區(qū)域植株生長力更加旺盛，這充分說明，優(yōu)化后的切割部件能夠對苜蓿莖稈形成低損傷切割，使得再生周期大幅縮短。

4結論

1）對成熟期的紫花苜蓿草（距地面 10cm 左右）莖稈進行力學特性試驗，獲得其密度為 256.35kg/m³ 含水率為 26.78% 、楊氏模量為 2.39GPa 。

2）采用Johnson—Cook方程作為苜蓿草莖稈的本構方程，通過拉伸試驗確定各項參數(shù)，并通過ABAQUS有限元軟件對莖稈切割過程進行數(shù)值模擬。

3）將影響苜蓿草莖稈損傷的苜蓿割草機關鍵部件參數(shù)分為割刀結構參數(shù)和刀盤工作參數(shù)，利用Design—Expert12軟件依次對2組參數(shù)開展分析。首先優(yōu)化割刀結構參數(shù)，以此為基礎開展刀盤工作參數(shù)的優(yōu)化，以最小首蓿徑向應變?yōu)榈蛽p傷目標，最終得出最優(yōu)割草機關鍵部件工作參數(shù)：刃口角為 20^° 、曲率半徑為 0.1mm 、刀刃厚度為 4mm 、旋轉速度為 2045r/min 、前進速度為 3m/s 切入角度為 40^° 。田間試驗表明，優(yōu)化后的關鍵部件能有效降低苜蓿草損傷。

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