秸稈切割問題研究綜述

賀智濤，丁慧玲，李 健，張永振，3

（1.武漢材料保護研究所，湖北武漢 430030；2.河南科技大學農(nóng)業(yè)裝備工程學院，河南洛陽 471003；3.高端軸承摩擦學技術(shù)與應用國家地方聯(lián)合工程實驗室，河南洛陽 471023）

1 引言

切割是將特定刀具作用于切割對象，使切割對象產(chǎn)生變形并斷裂的過程，也是刀具與切割對象相互作用的過程。廣義的切割是一個非常廣泛的概念，例如工業(yè)上用機床加工零件，軍事上用子彈等射穿阻礙物，醫(yī)學上用手術(shù)刀/針切入肌肉組織、食品加工行業(yè)加工果蔬面包，畜牧業(yè)的羊毛修剪，家具行業(yè)的木材加工，辦公室的裁紙切碎，生活中的剃須理發(fā)等，甚至動物牙齒咬碎和咀嚼食物也屬于切割的范疇[1]。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，切割更是非常重要且無法回避的環(huán)節(jié)。切割對象一般是植物的葉、莖稈或根，例如收獲類機械的莖稈切斷、根茬破碎、牧草加工等。切割的概念也可以延伸到土壤耕作，例如用犁鏵、旋耕刀、深松鏟和開溝器等切開土壤[1]。切割系統(tǒng)的性能直接影響到整機作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量[2]。

大多數(shù)植物體都具有纖維結(jié)構(gòu)，即在順纖維方向具有較大的拉應力，在纖維之間的結(jié)合力很弱，因此很多植物都是各向異性材料，這與金屬材料的切削加工不同。因此，即便使用最簡單的刀具，切割仍是一個極為復雜的過程[3]。

為此，這里重點對農(nóng)業(yè)機械領域的切割理論和試驗研究進行綜合評述。

2 切割理論

2.1 切割方式

切割方式是指刀具進入切割對象的方向，可以分為兩類：

（1）正切：刀具的絕對運動方向垂直于刀具刃口。正切的定義只對刀具本身的運動方向進行限制。農(nóng)業(yè)生物材料如秸稈等大部分為各向異性材料，故按照切割對象與刀具運動方向之間的關(guān)系，正切又可以延伸出橫切、斜切和削切三種型式。

（2）滑切：刀具的絕對運動方向與刃口既不垂直、又不平行。滑切比正切省力，可以由高略契金常數(shù)定理、滑切的等效刃口角度小于正切及刀片的微觀鋸齒作用來解釋。

綜合考慮滑切時的切割方式和構(gòu)造因素的影響，滑切公式可表達為[4]：

式中：Pck—滑切時的切割力；P0—砍切時的切割力；α—滑切角；

i—刀具的構(gòu)造刃角；f—刀具與切割對象的摩擦系數(shù)；F—被切對象的斷面積；α—切割比阻。

即滑切時的切割力大小與切斷面積、材料的切割比阻、滑切角、構(gòu)造刃角、刀具與切割對象的摩擦系數(shù)等因素有關(guān)。

滑切角的選擇也并非越大越好。當滑切角過大時，能量不僅用于切斷物料，物料對刀刃的摩擦也增長了，雖然切割阻力下降，但摩擦力增加更快，這在切割較厚的秸稈層和切割速度不太低時，摩擦功耗的影響更顯著。實際上隨切割器結(jié)構(gòu)形式的不同，所選取滑切角的數(shù)值或范圍差別很大。這種差異主要是由結(jié)構(gòu)設計的需要導致的。從節(jié)約功耗的角度來說，選取滑切角（20~55）°是比較有利的[5]。

加裝在聯(lián)合收割機上的莖稈切碎裝置，刀具在切割莖稈時候隨刀軸做高速回轉(zhuǎn)切割運動，保證切碎裝置作業(yè)流暢，應該避免莖稈纏刀現(xiàn)象發(fā)生，則應有：

式中：r—刀刃上各點的回轉(zhuǎn)半徑；c—直線刃偏移回轉(zhuǎn)中心的距離；μ—莖稈與切割刀之間的摩擦系數(shù)[6]。

進行切割系統(tǒng)的理論分析和仿真試驗時，應當針對具體的切割問題來建立恰當?shù)牧W模型。例如，假設莖稈直徑3mm，下端固定，切割位置在固定點之上50mm，切割速度20ms?1，應力波在莖稈中傳播的速度為400ms?1，那么切斷莖稈需要0.06ms，應力波到達殘茬底部需要0.125ms，即在固定端對莖稈的運動起約束作用之前切割就已經(jīng)完成。切割阻力完全取決于被切位置的局部慣性和彎曲力，因此不能將桿建模為懸臂梁[7]。

2.2 一般切割過程

按照切割速度和有無支撐，切割可分準靜態(tài)切割（切割速度不超過30mms?1）、支撐切割（切割速度小于5ms?1）和無支撐的沖擊切割[7]等三種類型，后兩種可以統(tǒng)一為動態(tài)切割。

2.2.1 準靜態(tài)切割

有定刀情況下切割植物材料時力—位移曲線的典型形狀，如圖1所示。

圖1 準靜態(tài)切割的一般過程Fig.1 The General Process of Cutting

在區(qū)域A中，由于刀刃對植物材料的作用力還不足以引起切割，因此僅發(fā)生壓縮。

區(qū)域B是刀具繼續(xù)壓縮植物材料并伴隨切割。在區(qū)域C，材料被完全壓縮，切割繼續(xù)進行，然后隨著刀刃越過定刀的邊緣，力迅速下降[8]。向日葵莖稈[9]表皮硬度較高，中部結(jié)構(gòu)是質(zhì)地很軟的髓質(zhì)部，其切割過程曲線，如圖2所示。

圖2 向日葵莖稈切割的一般過程Fig.2 The General Process of Cutting Sunflower Stalk

初始階段，切割力在近似成線性的增大，表現(xiàn)為莖稈逐漸被壓扁；在前半段最高點處，向日葵莖稈受擠壓發(fā)生破裂；前半段最高點至整段最低點曲線下降，這是由于該過程中莖稈被壓扁，向日葵莖稈受力減??；隨后曲線又上升，這是因為刃口開始擠壓向日葵莖稈，然后刃口開始切割向日葵莖稈，使得莖稈的髓質(zhì)被壓扁且上下層木質(zhì)部幾乎重合，從而剪切時所需的剪切力越來越大。

切割之前一般會有一個對切割對象的壓縮過程，當?shù)毒邔η懈顚ο蟮膲毫υ龃蟮侥硞€臨界值時，切割正式開始，刀刃的壓縮作用使切割對象產(chǎn)生塑性變形，繼續(xù)切入會導致局部屈曲[10]。

2.2.2 動態(tài)切割

采用光刃直刀以3.6ms?1的速度正切玉米秸稈的過程，如圖3所示。由于刀具的速度較快，動態(tài)切割的一般過程和準靜態(tài)切割區(qū)別在于切割對象的壓縮過程被大大縮減，峰值切割力一般也要比準靜態(tài)切割小得多。切割速度繼續(xù)提高，曲線會與脈沖波形相類似。

圖3 以3.6ms?1切割玉米莖稈Fig.3 The Process of Cutting Corn Stalk at 3.6ms?1

2.3 切割對象的特性

切割是導致植物莖稈或葉機械失效的過程，因此植物材料的結(jié)構(gòu)和強度受到關(guān)注。

學者們已經(jīng)對植物材料力學特性進行了較全面的研究，然而莖稈是各向異性的生物材料，目前對莖稈的力學性能的研究基本上還是參照工程材料的力學性能指標體系進行的，不能反映莖稈材料結(jié)構(gòu)特性，生物材料的復雜結(jié)構(gòu)、粘彈性以及各向異性沒有得到很好的反映。莖稈的力學模型、本構(gòu)關(guān)系和破壞準則應結(jié)合材料的結(jié)構(gòu)特點，建立在材料模型的基礎上[11]。

3 切割試驗方法

3.1 臺架試驗裝置

3.1.1 萬能試驗機

萬能試驗機本身具有完善的運動控制和測量系統(tǒng)，稍加改進即可用于切割試驗，數(shù)據(jù)的處理一般也較為規(guī)范。

利用萬能試驗機開展了較多的切割試驗，試驗對象包括小麥[12]、玉米[13]、水稻[14]、青稞[15]、油菜[16]、棉花[17]、向日葵[9]、葡萄藤[18]、香蕉果梗[19]、柑橘果柄[20]、龍眼樹枝[21]、煙稈[22]、麻類[23]、甘藍[24，25]及草類[26]等。試驗因素包括切割速度、切割角度、切割位置、刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)、切割對象的品種和含水率等。采用質(zhì)構(gòu)儀開展的切割試驗，其原理和萬能試驗機差別不大[27]。

試驗機記錄切割力和位移，通過對切割力在位移上積分計算切割功耗。受萬能試驗機原理限制，試驗中的切割速度通常不高，多數(shù)為100mm/min以下，即便有達到360mm/min的[15]，也遠小于農(nóng)業(yè)機械切割器的線速度。實際的切割過程是一個與速度相關(guān)的動態(tài)過程，而切割對象的機械特性及切割系統(tǒng)的某些特性，如摩擦系數(shù)等與切割速度具有較強的相關(guān)性[28]。故采用萬能試驗機開展的切割試驗只能在有限的切割速度范圍內(nèi)進行定性分析，對切割系統(tǒng)運動參數(shù)的設計參考價值較小。

3.1.2 擺錘式切割試驗設備

與萬能試驗機相比，擺錘式切割試驗設備的切割速度與實際農(nóng)業(yè)機械切割器的線速度更接近，可以方便地調(diào)節(jié)刀片組合形式、刀片間隙、莖稈削切角度、支撐方式和切割位置。

一般將動刀安裝在重力擺錘末端，定刀通過力傳感器固定在移動支架上[29]，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可選用數(shù)據(jù)采集卡，軟硬件可定制性較強。有兩種方法計算切割能耗。一是[30]切割前將擺臂角度提升至一定角度，切割后擺臂越過最低點，再次上升到角度θc，切割能耗E用式（3）計算：

式中：E—切割能耗；m—擺臂的質(zhì)量；R—擺臂重心與回轉(zhuǎn)中心的距離；θo—不切割莖稈，擺臂越過最低點后上升的角度。

二是[2]測量切割過程中的速度，采用式（4）計算切割功耗。

式中：W—切割功耗；F—切割力；v—切割速度s；tcut—切割時間。

3.1.3 自制試驗設備

萬能試驗機、質(zhì)構(gòu)儀和擺錘式試驗切割設備只能開展單次切割試驗。自制試驗設備的工作原理一般來源于工程實踐，采用原始機械上的切割器，結(jié)構(gòu)和運動參數(shù)也來源于實際的工程應用，有些試驗設備還配備了物料喂入裝置，較完整地模擬了工程上的切割系統(tǒng)。

文獻[31]研制了圓盤式莖稈切割試驗臺，主要由圓盤式莖稈切割測量裝置、行走臺車、切割高度調(diào)整電機、莖稈夾持裝置、高速攝像及土槽等組成。切割轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測量，莖稈在切割過程中的運動變化由高速攝像及圖像運動分析系統(tǒng)記錄。

文獻[32]為研究圓盤切割器性能，所設計的試驗裝置由切割器臺架與輸送車組成，切割器臺架使圓盤切在固定位置旋轉(zhuǎn)，輸送車完成玉米莖稈臥姿喂送。

文獻[33]研制的棉稈切割試驗臺采用曲柄連桿機構(gòu)驅(qū)動往復式切割器，試樣固定于喂入輸送裝置并連續(xù)喂入，切割速度為（0~2）ms?1。采用量程100N·m的扭矩傳感器和5000N的拉壓力傳感器測量切割力，PCI1710HG數(shù)據(jù)采集卡采集結(jié)合LabVIEW 虛擬儀器采集數(shù)據(jù)。

文獻[34]研制的小麥秸稈往復式切割試驗臺采用STM32103單片機作為主控，切割速度在（0~1.8）ms?1內(nèi)可調(diào)，采用量程250kg的電阻應變式拉壓力傳感器測量切割力。

對于回轉(zhuǎn)式切割試驗裝置，切割能量的計算通常采用式（5）[13]或測量扭矩來實現(xiàn)。

3.2 田間試驗

受農(nóng)時等因素影響，田間切割試驗開展的較少，所采用的試驗裝置主要有兩種型式。

（1）獨立的行走式試驗裝置，文獻[35]研制了田間玉米莖稈往復切割試驗臺，由切割臺、伺服電機、行走和轉(zhuǎn)向輪等組成，采用S型拉壓力傳感器測量切割力，控制系統(tǒng)由STM32F103等組成，AD轉(zhuǎn)換模塊選用ADS8344芯片，采用速率為100kHz，采集的數(shù)據(jù)存入SD卡。

文獻[36]研制的自走式切割試驗裝置由自走式切割臺、可調(diào)式夾持裝置、測控系統(tǒng)和動力系統(tǒng)等部分組成，切割高度可調(diào)范圍為（100~500）mm，切割傾角可調(diào)范圍（0~30）°，切割速度可調(diào)范圍（1.88~18.82）ms?1，前進速度（0.2~2）ms?1，切割刀片數(shù)量可變范圍（2~6）片。利用該裝置對影響切割功耗和落粒損失的切割速度、切割高度、刀盤傾角等進行了試驗。

（2）掛載于其他收獲機械上的切割試驗裝置，文獻[37]在玉米收獲機割臺上加裝玉米割臺性能檢測系統(tǒng)，通過改變割臺傳動軸轉(zhuǎn)速、摘穗板間隙等參數(shù)，進行了玉米收獲試驗。采用自制試驗裝置開展切割試驗，需要注意所選力傳感器的動態(tài)性能。注意到不少文獻采用了稱重傳感器，這在切割速度較低時問題不大，若切割速度較高，則應考慮使用壓電式等頻率特性更好的傳感器。

4 主要研究結(jié)論

4.1 切割速度的影響

切割速度對切割質(zhì)量、阻力及功耗的影響很大[38]。總結(jié)不同研究成果中切割速度對切割力的影響趨勢，如圖4所示。

圖4 切割速度對切割力的影響（趨勢）Fig.4 Effect of Blade Speed on Cutting Force（Tendency Only）

利用萬能試驗機開展的玉米莖稈切割試驗結(jié)果認為，（30~50）mm/min時，切割阻力隨著切割速度增加而降低[13]。這是因為莖稈的纖維組織屬于彈塑性體，在發(fā)生切割之前，通常有個預壓的階段，當切割速度增大時，刀刃與莖稈接觸所產(chǎn)生的應力在莖稈中的傳遞速度較慢，且切割點莖稈傳遞變形的時間減小，使預壓功減小，因此包括切割阻力也有所降低[13]。油菜莖稈在75mm/min、115mm/min 和150mm/min 三個切割速度下，切割功耗逐漸降低[16]，在600mm/min、800mm/min 和1000mm/min 三個切割速度時，最大切割力逐漸降低，但從800mm/min到1000mm/min，切割力下降的幅度變小。

在（200~100）mm/min切割速度區(qū)間內(nèi)，蓮藕切割阻力隨速度的增加而降低。在（200~600）mm/min時，切割速度的增加使切割阻力大幅減小，當速度達到600mm/min后，切割阻力的變化受速度的影響減小[39]。

莫斯科州仲裁法院馬爾哈特法律博士表示，人工智能涵蓋的科學問題復雜，俄羅斯理論家和實踐者圍繞人工智能的眾多問題討論激烈，怎樣規(guī)范人工智能的發(fā)展一直是公眾關(guān)心的話題。人工智能的出現(xiàn)提出了許多新的問題，而現(xiàn)在的法律和實踐尚無借鑒的案例，立法也沒有跟上這些新變化。比如，在俄羅斯現(xiàn)行法律里有“產(chǎn)品生產(chǎn)或銷售、操作或提供服務凡是不符合安全要求者將承擔法律責任”的規(guī)定（見俄聯(lián)邦《刑法》第238條），但是，對人工智能技術(shù)而言，此類規(guī)則遠遠不夠，亟需按國際標準制定俄羅斯的相關(guān)法規(guī)。

成熟期青稞莖稈切割試驗表明，當含水率一定時，隨著切割速度從200mm/min增大到360mm/min，切割力逐漸減小[15]。

劍麻葉片的切割應力隨著切割速度（20~250）mm/min的增大而增大，但并非呈明顯的線性關(guān)系[23]。分析認為，當切割速度增大時，單位時間內(nèi)被刀刃擠壓的纖維層厚度也增大，故所需的切割力增大。

煙稈在（200~300）mm/min切割速度范圍內(nèi)，其切割力均隨著切割速度的增大而減小[22]。而采用齒形圓盤切割器的試驗結(jié)果認為，在（2200~3000）r·min?1（約29~39ms?1）范圍內(nèi)，切割功率隨著齒形刀盤轉(zhuǎn)速的增加而增加[40]。

擺錘式單次切割試驗結(jié)果表明[29]，當切割速度增大時，玉米莖稈的峰值切割力與功耗都有所降低，但并非呈明顯的線性關(guān)系。在切割速度1.4ms?1和2.2ms?1時，莖稈外皮易產(chǎn)生爆裂現(xiàn)象；當速度為2.0ms?1時，切口不平，出現(xiàn)階梯狀；當速度為1.7ms?1時，切口無撕裂，端口齊平，切割質(zhì)量良好。

超級稻單莖稈的切割速度在（1~2）ms?1時，隨著切割速度的增加，切割力有所減小，但并非呈明顯的線性關(guān)系，當切割速度較小時，切割力減小速度較快；當切割速度較大時，切割力減小速度較為緩慢[2]。小麥秸稈[34]在（0.4~1.4）ms?1范圍內(nèi)、谷子莖稈[41]在（0.5~1.5）ms?1切割速度范圍內(nèi)切割力和切割功耗的也符合這種趨勢。這種現(xiàn)象一般解釋為：莖稈切割總功耗主要是由預壓功和切割有效功組成。刀刃與莖稈接觸所產(chǎn)生的應力在莖稈層中的傳遞速度較慢，當割刀的切割速度較大時，預壓層厚度及預壓功耗減小，因此切割力和功耗有所減小[2]，當切割速度超過某個數(shù)值繼續(xù)增加時，刀片對莖稈切割點傳遞變形的時間不再顯著變化，擠壓變形量變化不明顯，切割力和功耗趨于穩(wěn)定[41]。

燕麥切割速度由20ms?1升至60ms?1時，單位切割能耗減少25%[7]。對于蒿草、狗尾草和牛筋草等草類，也呈現(xiàn)出切割阻力隨切割速度提高而降低的趨勢[42]。

用同樣的裝置對巨芒草[10]和能源甘蔗[43]進行的切割試驗結(jié)果認為，這兩種作物莖稈的單位切割能量均隨速度的增大而增大。伊朗水稻研究所的研究結(jié)果中，單位切割能量隨著切割速度的增大而增大[44]。

女貞莖稈在（5~20）mm/min速度范圍內(nèi)，剪切強度和切割能耗隨速度的提高而增大[45]；在（1~4）ms?1速度范圍內(nèi)，剪切強度和切割能耗隨速度的提高而迅速降低。切割前的壓縮過程消耗的能量記為A1，有效切割能耗記為A2，如圖5所示。準靜態(tài)切割方式下，通過分析剪切力在刃口位移上的變化曲線，可知切割速度的提高會增加A1的值[61]。

圖5 女貞莖稈切割過程Fig.5 Shearing Force versus Displacement Curve

因此，女貞莖稈外層變形量的增大是導致總切割能耗增大的重要原因；動態(tài)切割方式下，隨著切割速度的提高，由于莖稈材料的慣性及塑性行為，莖稈外層變形量降低，A1降低，總的切割能耗也降低，有效切割能耗A2所占的比例增大。

切割能耗并不一定是速度的單調(diào)函數(shù)[28，46]，高粱莖稈根部的最優(yōu)切割速度是2.91ms?1，速度減小或增大都會引起切割能耗上升[30]。圓盤切割器配直線刀、星齒刀和鋸齒刀的玉米莖稈切割試驗結(jié)果顯示，（4~8）ms?1范圍內(nèi)，速度越高，能耗越高。不同類型圓盤切割器的圓周速度一般不應低于4ms?1，否則容易造成莖稈撕裂現(xiàn)象[32]。

對于往復式玉米莖稈切割器，在切割速度（1.1~2.5）ms?1范圍內(nèi)，隨著切割速度的增大，最大切割力和切割功耗都有所降低。當切割速度低時，莖稈呈現(xiàn)局部變形增大，莖稈往往被拉斷而不是被切斷，致使切割力及切割功耗增加，切割質(zhì)量下降[35]，當切割速度在（2.2~2.5）ms?1變化時，切割力和切割功耗減小量較少。

在現(xiàn)有往復式玉米莖稈切割器的速度范圍內(nèi)，切割速度與切割比阻成冪函數(shù)關(guān)系，阻力隨速度提高而下降，切割速度較低時，切割引起的莖稈局部變形增大，莖稈纖維往往被拉斷而不是被切斷，導致切割阻力及功耗增加，切割質(zhì)量下降，切割速度最好為（1.9~3）ms?1[38]。

黃瓜藤、番茄藤和茄子藤等秸稈微觀組織結(jié)構(gòu)大致相似，是一種中空、多孔且不均勻的復合材料。在（1.4~2.7）ms?1范圍內(nèi)，三種莖稈的切割力隨著切割速度的增大均逐步降低，這是由于切割速度的增加使得刀片和秸稈之間接觸摩擦系數(shù)降低；當切割速度增加達到一定的數(shù)值時，切割力降低幅度減少并逐漸接近穩(wěn)定[47]。

甘蔗莖稈是各向異性、非勻質(zhì)、非線性的彈塑性材料，甘蔗莖稈切割是一個復雜的力學過程[48]，一般認為最大切割力、單位切割力和切割能耗均隨速度的增加而升高[43，49]。破頭率（甘蔗破頭根數(shù)與切割總根數(shù)的百分比）是衡量甘蔗收割機切割器工作性能的一個重要指標[50]，隨著刀盤轉(zhuǎn)速的增加，破頭率減小，原因是由于刀盤轉(zhuǎn)速高時，甘蔗易被切斷，不易被拉裂而破頭[51]。也有研究認為，刀盤轉(zhuǎn)速在（550~800）r·min?1（16.4~23.8 ms?1）較為理想，超過800r·min?1后，破頭率有上升趨勢[52?53]。

利用自走式切割試驗裝置上開展的油菜切割試驗表明，在（500~900）r ?min?1范圍內(nèi)，隨著刀盤轉(zhuǎn)速的增大，功耗呈明顯上升的趨勢；往復式切割器作業(yè)時的振動造成割臺落粒損失較大，落粒損失在刀盤轉(zhuǎn)速700r ?min?1時最小，過高或者過低的轉(zhuǎn)速均導致落粒損失增大[36]。對油菜莖稈生物力學特性及本構(gòu)關(guān)系進行探討，掌握切割沖擊應力波的頻率、振幅及其在莖稈中的傳播速度等規(guī)律，可為切割器的設計提供理論依據(jù)[54]。

切割功耗主要由切割器本身的空轉(zhuǎn)功耗和物料切割的破壞功耗組成，在開展的連續(xù)切割試驗中分析功率消耗時，應關(guān)注設備的空轉(zhuǎn)功耗[37]。理論上切割器空轉(zhuǎn)功耗隨切割速度的上升而上升；試驗結(jié)果也反映了這一現(xiàn)象[32，55]。圓盤切割器模擬間工況收割玉米時，空轉(zhuǎn)功耗占據(jù)了切割器總功耗的主要部分[32]。

在切割對象尺寸較大時，應考慮摩擦因素引起的功率消耗。刀片與切割對象的摩擦系數(shù)是隨著速度變化的[28]。

4.2 切割角度的影響

采用田間往復式試驗設備切割玉米莖稈，當削切角為0°時，田間玉米莖稈最大切割力和切割功耗較大，隨著削切角的增加，切割力和切割功耗小幅下降。

當削切角為20°左右時，切割力和切割功耗達到最小值；削切角大于20°時，法線削切力急劇上升[35]。

臺架試驗也有類似結(jié)論。文獻[13]采用萬能試驗機切割玉米秸稈，當削切角為20°左右時，峰值切割力和切割功耗較小。擺錘式試驗設備切割玉米莖桿的削切角為0（橫斷切）時，切割力最大，隨著削切角增大，切割力微幅減小，削切角20°時切割力達到最小值，繼續(xù)增大削切角，切割力又逐漸上升。原因在于莖稈的等效直徑增大的影響超過了削切角增大的影響，而且當削切角為20°時，切割質(zhì)量更好[29]。

切割成熟期青稞莖稈時，滑切角為25°時切割力最小，當滑切角由25°逐漸增大到30°或逐漸減小至20°時切割力變大[15]。

4.3 切割位置的影響

植物莖稈一般下部成熟度高于上部，下部直徑大于上部，所以切割位置對玉米莖稈的峰值切割力的影響顯著。隨著切割位置的增高，峰值切割力及功耗明顯下降，當切割位置離地350mm時的峰值切割力及功耗比150mm平均降低20.38%[29]。

當切割速度為1.5ms?1，選用光刃定刀和齒刃動刀組合，在距離水稻根部（50~300）mm 位置對超級稻單莖稈樣品的切割力進行了測量，隨著切割位置的提高，峰值切割力略有減小[2]。對于成熟期青稞莖稈，隨著切割位置（距地表高度）從11cm 上升到21cm，切割力也逐漸減小[15]。

文獻[56]對兩個油菜品種的莖稈不同位置開展了切割試驗，認為在相同收獲期，油菜莖稈各段間破壞載荷差異不顯著，而各段間剪切強度差異顯著。

切割玉米莖節(jié)時其切割功耗一般要比非莖節(jié)切割功耗增大很多[32]。水稻切斷莖節(jié)和節(jié)間消耗的能量不同，切割能量和切割力在莖節(jié)處最高，在節(jié)間切斷所需要的切割力是在莖節(jié)處切斷所需切割力的1/3左右[14]。巨芒草莖節(jié)的切斷功耗也大于節(jié)間[10]。

4.4 含水率的影響

玉米莖稈含水率對峰值切割力有顯著影響（P<0.01），峰值切割力隨含水率（5.42%、31.62%和62.29%）的增加而降低，可能是因為干秸稈的單位面積材料比高于高含水率的秸稈，更為堅硬；含水率低時切割能耗也較低，但對切割能耗的影響并不顯著[57]。而采用直線網(wǎng)格刀具切割玉米莖稈，含水率（11.3%和78.8%）對切割能耗沒有顯著影響[58]。

使用擺錘式設備的玉米莖稈切割試驗[29]表明，隨著含水率的增加，峰值切割力和切割功耗均呈下降趨勢，因為莖稈含水率高時，莖稈表現(xiàn)出硬度大、剛度好、脆性大，刀片容易切割，而低含水率的莖稈柔韌性增強，切割過程中刀片難以切入表皮中，且容易產(chǎn)生撕扯現(xiàn)象，增大了切割阻力。含水率較低時，容易出現(xiàn)黏刀現(xiàn)象，含水率高時，斷口齊平，切割質(zhì)量良好，在收獲玉米莖稈時，可以選擇含水率較高時期。

含水率對棉花秸稈的力學性能影響較大。當含水率較大時，秸稈特性類似于塑性材料，其柔韌性較好，不易斷裂。而含水率減小時，其特性趨近脆性材料，柔韌性減弱，脆性增強，易斷裂。棉花秸稈的剪切強度在含水率為（30~50）%之間是較低的，而當含水率達到60%以后剪切強度會較高[17]。

小麥秸稈在（11~40）%含水率區(qū)間內(nèi)，隨著含水率增加，切割比功耗整體上呈現(xiàn)上升趨勢[12]。

大麥秸稈的剪切強度和剪切能都隨著水分含量（10%、15%和20%）的增加而增加，含水率的影響達到顯著水平（P<0.01），可能是因為低含水率的秸稈更脆。

蒿草和狗尾草的切割阻力隨著含水率在（33~71）%范圍內(nèi)的增大而減小，而牛筋草的切割阻力隨含水率在（34%~77）%范圍內(nèi)增大而增大[42]。

對于大麻，其莖稈含水率顯著影響最大切割力和切割功耗，由于大麻莖稈的水分及其他分泌物質(zhì)的粘滯阻尼作用，高含水率莖稈切割能耗比低含水率莖稈高一倍，切割力高51%，這與玉米秸稈相反[46]。

5 結(jié)論與建議

5.1 總結(jié)

針對切割相關(guān)的研究，研究目標一般為：

（1）切割機理。其重點是通過理論分析和計算，闡釋被切對象的破壞和失效機理。這類研究較為少見。

（2）切割系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運動參數(shù)的優(yōu)化。通過分析、試驗和仿真等技術(shù)，對切割型式、傳動系統(tǒng)、切割速度、切割位置、動定刀間隙和切割角度等參數(shù)進行優(yōu)化，以減小切割能耗、提高切割效率和刀具耐用性等目的。

（3）切割系統(tǒng)對相關(guān)指標的影響。研究切割系統(tǒng)對與切割緊密相關(guān)的某些指標的影響規(guī)律，如甘蔗莖稈的切割質(zhì)量、油菜等作物收獲機械的割臺落粒損失等。

關(guān)于農(nóng)業(yè)機械領域的切割問題，研究者們針對特定的切割對象已經(jīng)開展了許多卓有成效的研究，部分成果推廣應用后取得了良好的效果。

5.2 研究建議

（1）由于切割對象的多樣性，多數(shù)研究成果僅適用于特定的作物，雜糧作物、經(jīng)濟作物和果蔬類作物的研究較少。

（2）目前尚缺乏在切割機理方面的深入研究。多數(shù)研究傾向于通過探討各因素對力、功耗等具體指標的影響規(guī)律，進而優(yōu)化切割系統(tǒng)的參數(shù)，對刀具和切割對象的相互作用機制、切割對象的斷裂原理等闡釋不夠深入。在農(nóng)業(yè)機械領域，作為切割對象的植物體結(jié)構(gòu)和力學特性復雜。既能體現(xiàn)植物材料特征，又能定量描述其斷裂行為的切割理論，目前尚未出現(xiàn)。