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摘要：为获得具有优良切割性能的刀具刃口曲线，采用理论建模和铲切试验相结合的方法，研究了玉米根茬铲切的过程。通过建立玉米根茬切割过程的动力学模型及能耗模型，揭示了最优滑切角与物料摩擦角之间的函数关系;根据玉米根体的结构特征将其划分为5区段，并由各区段物料的摩擦系数获取相应理论最优滑切角;根据切割刃与根茬切割位置的对应关系，设计出具有多级滑切角的刃口形式，并与具有固定滑切角的刃口实施了对比铲切试验。试验表明：多级滑切刃刀具的铲切性能最佳，铲切功耗为14.2 J。

关键词：切割设备，设计，优化，玉米根茬，滑切角，切割刃口

0引言

随着石油、煤炭等不可再生资源的日益枯竭，生物质资源的开发和利用日益受到关注，据研究表明玉米根茬占玉米秸秆总量的12～15%，中国年玉米秸秆的产量近2.5亿t，以此推算每年将产生多达0.375亿t玉米根茬，这座巨大的可再生的生物矿藏埋藏于地下，经常被人们所忽视[2]，多采用灭茬还田等低效处理方式加以应用，若能有效采收玉米根茬，将有助于缓解环境破坏和资源浪费的双重问题。

一般来讲，铲切是收获土下作物的第一步，触土部件在土下推进铲挖，将承受着巨大的土壤阻力，是主要的功能消耗部件，因此铲具切割性能的优劣也将直接影响着机具的作业效率[3-8]。为减小耕作阻力，降低作业功耗，农业机械中诸多切割部件的优化设计，都运用了滑切原理[4-13](如铧式犁，星形耙片，旋耕刀等)，滑动切割可以促进在微观状态下呈锯齿状的刀刃的锯断作用,降低物料张紧拉断和剪切破坏的极限应力，对于纤维及质地不均匀物料的切割效果尤为显著[9]。材料的摩擦属性等多种因素影响着滑切过程的力学行为[10]，文中拟揭示二者之间的关系，并以此为依据，设计并优化出具有变滑切角的铲具刃口，用以应对根土复合体的不同区段，有望减小切割阻力，降低机具作业功耗。

1滑动铲切的理论模型

通过建立玉米根茬的切割动力学建模，确定发生滑切的理论临界条件，分析影响铲切性能的核心因素，并建立数学模型，为优化铲具刃口提供参考。

1.1滑动铲切临界条件的确定

玉米根茬侧根系发达粗壮而强韧，向四周生长，与土壤紧密结合，在土壤中形成了网状须根结构的根系土壤复合体。由于表层土壤干燥板结，内层土壤湿润粘附，外侧根系粗大，内侧根系细碎等诸多复杂因素，使得同一株根体的不同部位，也呈现出复杂各异的力学属性。

为不失一般性，取根体内一质点M为研究对象，置于xoy平面内，并与刀具斜刃AB相接处，该刀具固定安装于收获系统上，在动力机具的牵引下，随同机车沿y轴方向平行推移(如图1所示)，对根茬实施滑动铲切的过程中，质点M沿着τ方向(斜刃切线方向)及n(斜刃法线方向)方向的质点动力学微分方程可描述为cos cossin(sin)yN s eys s r eF F maF F τm a aθθθθ???=????=?(1)式中，m为根茬质点M的质量，kg;θ为斜刃的滑切角[9-11]，°;NF为质点受到斜刃的法向压力，N;sFτ为沿τ方向的摩擦力，N;ysF为沿y方向的摩擦力，N;ea为质点的牵连加速度，m/s2;ra为质点相对斜刃的加速度，m/s2。r质点M在斜刃AB的推动下具有沿y方向移动趋势，周围土壤颗粒会对其产生一个反向摩擦力ysF(图2)，若质点M相对于斜刃产生滑移时，则会受到沿着τ方向(图1)的滑动摩擦力tans NF τ=F?(2)式中，?为质点与刃口之间的摩擦角，°;将式(2)带入式(1)可得(tan tan)N rF θ??=ma(3)由式(3)易知，在0NF>的情况下，只有当θ>?时，才有0ra>，质点M与刀刃之间方可自静止发生相对移动，即产生滑切动作[9-11]。2.2滑动铲切功耗模型的建立理想铲切情况为“原地切割”，即斜刃对根茬实施切割过程中，根茬的位置固定不动，刃口相对于根茬沿τ方向发生滑移，并沿y方向切出一根茬厚度[9]。如图2所示，若以一圆形代表根茬的切割断面，m和n点分别代表滑切过程的初始接触点和终结分离点，m′表示滑切终结时初始接触点m的位置，则理想滑切所产生的各距离之间的几何关系可表示为cosDyθΔ=，brs =Dtgθ(4)式中，Δy为沿y方向的铲切距离，m;D为根须断面直径，m;brS为沿τ方向发生的相对滑移距离，m。考虑到机车在田间匀速行进，单个根茬与刀刃自接触至被切断，所消耗的平均时间可表示为ceytvΔ=(5)式中，ev为机车匀速行驶的速度(m/s)。另外，若假设根茬质点周围的物理环境均一，则在滑切过程中质点所受到的法向反力NF为定值，由式(3)易知ra也为定值，那么二者自相对静止至滑切结束，所发生的相对滑切距离为212cr r cs =a t(6)式中，crs为相对滑切距离，m;ct为相对滑切的耗时，s。

一般来讲，滑切角θ越大，切割阻力NF会随之减小，但在滑切过程中根茬相对于刃口滑过的路径也会随之增大，当滑切角过大时，能量不仅用于切断物料，物料与切割刀刃之间的摩擦力也会增大，虽然切，割阻力会下降，但总功耗仍可能增加[10]，因此需全面分析滑切过程中，滑切功耗同滑切角的函数关系，建立单株根茬的滑切的近似功耗方程yN s br sW =F D +F τs +F Δy(7)式中，W为滑切的近似功耗，J;若铲切过程被理想成为“原地切割”，则物料相对于斜刃的加速移动，将主要发生在τ方向，在n方向主要表现为机车的匀速行进，因此在该方向近似静止cosy NsFFθ≈(8)联立求解2～8式有2 2sin 2(1 tg tg sec)(tg tg)emv DWθθ?θθ?++=?(9)，随着滑切角θ的增大，参与切割的刃口长度也会随之变长，同时被切割的根茬数量也会增多，假设根茬均匀、等密度排列(图2)，则每次被切割的根根须的数量可表示为cosBnDθ=(10)式中，B为刀具的宽度，m。