金屬陶瓷自磨刃割刀對(duì)苜蓿低損傷切割機(jī)理分析

宋月鵬 王 征 吳 昆 李法德 宋占華 楊 瀟

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院； 2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 泰安 271018;3.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所， 北京 100190)

0 引言

苜蓿被譽(yù)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(zhì)飼草料生產(chǎn)，著力提升苜蓿收獲的機(jī)械化水平是我國“三農(nóng)”工作的重要內(nèi)容之一[1-3]。國外苜蓿采后再生時(shí)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。現(xiàn)蕾期是苜蓿收獲的最佳時(shí)期，苜蓿開花后相對(duì)飼用價(jià)值下降[4]。因此，及時(shí)收獲至關(guān)重要，采收時(shí)間長及再生周期長是我國苜蓿產(chǎn)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(nèi)在4塊地共收獲了141.1 hm2苜蓿，作業(yè)速度最快達(dá)30 km/h[5]。作為收獲機(jī)械的關(guān)鍵部件，切割刃具需具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性、耐磨性及鋒銳性等力學(xué)性能[6-10]。國內(nèi)外高端飼草料收獲機(jī)械普遍采用自磨銳刃具，并配以自動(dòng)磨刀裝置。但這些刃具必須精準(zhǔn)控制刃口耐磨層與基體母材磨損率，保持適當(dāng)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(shí)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(jī)械割刀，申慶泰等[15]采用滲碳工藝制備飼料粉碎機(jī)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(qiáng)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(lǐng)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(xué)特性、梯度材料割刀自磨銳特性形成原理及其對(duì)苜蓿的低損傷切割機(jī)理尚未見系統(tǒng)報(bào)道。

廖宜濤等[18]采用ANSYS軟件對(duì)蘆竹切割過程進(jìn)行了模擬仿真，取得較好效果，本文采用ANSYS Workbench對(duì)苜蓿切割過程進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，分析割刀刃口曲率半徑對(duì)切割力學(xué)特性的影響，采用超重力燃燒合成技術(shù)制備金屬陶瓷梯度材料，按照國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 10938—2008)要求制備旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)金屬陶瓷割刀，對(duì)割刀剖面的顯微組織及硬度分布進(jìn)行檢測(cè)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(jī)理，并進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)。

1 材料與方法

利用SolidWorks 2016建立旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)割刀切割苜蓿的有限元分析模型，為了提高模擬效率，對(duì)切割模型進(jìn)行簡化，只保留刀盤(45號(hào)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(dǎo)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(wǎng)格劃分過程中，苜蓿設(shè)置為柔性材料，割刀與刀盤均設(shè)置為剛體材料，劃分方式為智能尺寸劃分，有限元個(gè)數(shù)為9 549個(gè)，利用Supports/Fixed與Loads/Force命令將苜蓿草莖稈6個(gè)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(yùn)動(dòng)，其中進(jìn)給速度為2 000 mm/s，刀盤旋轉(zhuǎn)速度為3 600 r/min，旋轉(zhuǎn)中心為刀片中心點(diǎn)。

割刀結(jié)構(gòu)及有限元分析模型如圖1所示。

圖1 割刀結(jié)構(gòu)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(zhì)合金顆粒的鋁熱體系，參照文獻(xiàn)[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(chǎn)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(zhì)合金顆粒的粒度均為100～200 μm，燃燒合成體系各組分的質(zhì)量分?jǐn)?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(zhuǎn)后點(diǎn)火，鋁熱劑發(fā)生劇烈反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)為

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

高溫高熱金屬Fe熔體及硬質(zhì)合金顆粒熔覆到預(yù)置底部10 mm厚的45號(hào)鋼板表面，形成金屬陶瓷梯度材料，按照國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 10938—2008)結(jié)構(gòu)要求制備飼草料收獲機(jī)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(cè)量試樣，該割刀頂面為45號(hào)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(cè)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(yīng)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(jì)對(duì)梯度材料層進(jìn)行顯微組織硬度測(cè)量，利用Caikon-4XCE型金相顯微鏡進(jìn)行組織觀察并照相，利用掃描電鏡(SEM，HITACHIS-4300型)結(jié)合能譜儀進(jìn)行材料顯微組織觀察及微區(qū)成分分析(EDS)。

與國家標(biāo)準(zhǔn)市售刀片置于同一設(shè)備的刀軸上，在相同工作條件下，進(jìn)行苜?，F(xiàn)場切割作業(yè)的對(duì)比試驗(yàn)，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(duì)苜蓿的低損傷切割機(jī)理。

2 結(jié)果與分析

2.1 刃口曲率半徑對(duì)割刀切割過程的仿真模擬

作物莖稈切割過程實(shí)際上是一個(gè)刃具/莖稈協(xié)同耦合作用下完成的復(fù)雜力學(xué)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(xué)特性的重要因素[6,11,23]。

對(duì)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(jìn)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(yīng)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(yīng)力逐漸減小，對(duì)苜蓿的切割作用變?nèi)?，?dāng)曲率半徑為0.3 mm時(shí)，對(duì)苜蓿切割應(yīng)力可達(dá)403.08 MPa，當(dāng)曲率半徑增大到0.7 mm時(shí)，切割應(yīng)力為223.67 MPa，下降了近44.4%。切割作用變差會(huì)導(dǎo)致作業(yè)效率降低，能耗增加[6,10]。據(jù)文獻(xiàn)[6]可知，當(dāng)莖稈粉碎機(jī)刀片刃口磨鈍后，拖拉機(jī)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(yàn)證了本文模擬結(jié)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(yīng)力分布的仿真模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同刃口曲率半徑苜蓿Z軸方向的應(yīng)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(duì)苜蓿的拉拔作用越來越大，當(dāng)刃口曲率半徑達(dá)到0.7 mm時(shí)(圖4c)，割刀對(duì)苜蓿的拉應(yīng)力達(dá)到104.08 MPa，幾乎是曲率半徑為0.3 mm(圖4a)時(shí)拉應(yīng)力的3倍，作用在Z軸方向上的拉力會(huì)使苜蓿根部松動(dòng)，甚至從土壤中直接拔出，因此，在苜蓿主產(chǎn)區(qū)，收獲后若澆水不及時(shí)可導(dǎo)致作物枯萎死亡[1]，我國水資源貧乏的西北牧草主產(chǎn)區(qū)，情況尤為嚴(yán)重[24]。

因此，由模擬分析結(jié)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(yán)重，對(duì)苜蓿莖稈的切割作用越弱，撞擊作用增強(qiáng)導(dǎo)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(yīng)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(dòng)，這對(duì)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(jīng)計(jì)算，該鋁熱劑的絕熱溫度為3 148.2 K(純鐵的沸點(diǎn)溫度)[13,26]，超重力燃燒合成金屬陶瓷材料過程中，產(chǎn)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(shí)，多種金屬陶瓷硬質(zhì)合金顆粒(V-Fe、Mo-Fe等)由于熔點(diǎn)、密度不同，在鐵熔體內(nèi)運(yùn)動(dòng)學(xué)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(jié)果表明[13,20]，金屬陶瓷材料基體是產(chǎn)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(yīng)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(jié)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(yuǎn)，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(hào)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(duì)45號(hào)鋼表面形成強(qiáng)烈的壓焊作用，使得金屬陶瓷材料/45號(hào)鋼界面處呈冶金焊合狀態(tài)。

多相運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果表明[20]，在金屬陶瓷/45號(hào)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(shí)現(xiàn)了自磨刃割刀前刀面硬度的平緩梯度分布。這對(duì)于割刀自磨銳特性的形成及其對(duì)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(dāng)割刀前刀面與后刀面硬度差別不大時(shí)，切割過程中，兩刃面的磨損速率接近，導(dǎo)致刃口處曲率半徑逐漸增大而變鈍[6]，對(duì)苜蓿莖稈的切割力學(xué)特性惡化，切割作用變?nèi)醵矒?、撕裂、拉拔作用增?qiáng)。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(dǎo)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(jié)合層，不存在硬化層硬度、厚度的匹配問題以及結(jié)合界面強(qiáng)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(duì)于苜蓿的低損傷切割極為有利。

2.3 割刀切割田間試驗(yàn)

采用9G-15型偏置式旋轉(zhuǎn)割草機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，該割草機(jī)共有4個(gè)刀盤，每個(gè)刀盤上又各有2個(gè)刀軸，每個(gè)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(gè)刀盤上。將另一組市售割刀(16片)安裝到另2個(gè)刀盤上，兩者進(jìn)行相同條件下現(xiàn)場割草試驗(yàn)。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(shí)作業(yè)0.3～0.5 hm2，收獲約66.7 hm2后停機(jī)，對(duì)比兩種割刀刃口形貌及苜蓿切口形貌。

田間試驗(yàn)結(jié)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(shí)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(shí)現(xiàn)了割刀刃口強(qiáng)韌性、耐磨性與鋒銳性的有機(jī)統(tǒng)一。

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

對(duì)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(dǎo)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(duì)于多茬生牧草作物如苜蓿等，對(duì)采收時(shí)間及采后再生要求極其嚴(yán)格，結(jié)果表明，刃口鈍化的割刀(曲率半徑增大)作業(yè)時(shí)，切割力學(xué)特性惡化(剪切應(yīng)力減小、對(duì)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(zhì)散失較快，苜蓿根部松動(dòng)，自愈過程受到嚴(yán)重阻礙而影響作物的再生過程，導(dǎo)致再生周期延長，如圖8所示。

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

對(duì)于金屬陶瓷自磨刃割刀，實(shí)現(xiàn)了硬度梯度的平緩變化而形成自磨銳切割效果，長時(shí)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(duì)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(yàn)結(jié)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(shí)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(jié)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(yán)重，對(duì)牧草的切割作用變?nèi)?，?duì)莖稈的撞擊拉拔作用增強(qiáng)，莖稈生長方向(Z方向)的拉應(yīng)力增大，導(dǎo)致苜蓿切口粗糙、根部松動(dòng)，不利于切口自愈及再生生長，導(dǎo)致收獲周期延長。

(2)采用超重力燃燒合成技術(shù)制備的金屬陶瓷梯度材料的割刀，在厚度方向?qū)崿F(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(shí)現(xiàn)了對(duì)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。