农作物茎秆切割理论与方法研究进展分析

　　摘要：茎秆是农作物的主要副产品，也是世界范围内丰富的生物质资源。茎秆切割是刚性体与柔性体的直接互作过程，是茎秆处理的重要工序。茎秆切割与农作物高效低损伤收获及茎秆资源化利用密切相关，开展割刀与茎秆切割互作过程的研究是农艺农机深度融合的重要方面，对于农业生产与生态发展具有现实意义。为此，本文围绕茎秆切割的相关问题进行了国内外研究进展的综合评述与分析，具体为：围绕茎秆力学参数与本构模型，阐述了茎秆生物学特征与力学参数的关系、测试方法与设备、茎秆本构模型的建立及应用;结合割刀结构参数与型式、耐磨性能、自磨锐性能，介绍了割刀的结构型式与材料特性;针对割刀与茎秆的切割互作过程，系统介绍了切割原理，以及高效率、低功耗、低损伤等切割技术研究目标;从试验研究的具体参数及目标值到仿真研究的不同类型，梳理了两种研究方法在茎秆切割中的应用概况。在此基础上，结合现有问题，着重探讨了茎秆切割领域未来的发展方向，为农业生产中茎秆切割问题的深入研究提供了参考。

　　关键词：农艺农机融合;茎秆切割;割刀;试验与仿真;综述

　　引言

　　农作物茎秆是农业生产系统中丰富的生物质和饲料资源，在发展循环经济的背景下，其潜在价值愈发得到重视[1]。随着茎秆可用种类的丰富、可用途径的增多，茎秆资源的综合利用已经成为引领农业绿色循环发展，推动生物质精炼等新兴产业进步，促进乡村振兴战略实施的重要方面。茎秆切割是刚性体(割刀)与柔性体(茎秆)的直接互作过程，割刀的切割性能、茎秆的生物特性、二者之间的耦合作用均会影响切割效果。

　　在机械或人工收获中，茎秆切割始终是生产的必经环节;从粉碎还田到揉丝青贮，茎秆切割是有效利用作物茎秆的先决条件[2]。因此，无论是传统的收获作业还是茎秆的资源化利用，都与茎秆切割密切相关。针对茎秆切割，开展基础理论、核心技术、关键部件的研究，对于高效生产具有实用价值，对于农业发展具有现实意义。《中国制造2025》[3]战略文件将先进农机装备列为重点突破的十大领域之一，在农机装备中机械化收获装备占据着重要地位。收获装备终端操作是完成对农作物茎秆的切割，而切割能耗、破碎效果均是评价收获装备性能的重要方面[4]。

　　因此，围绕节约能源、优化性能、提高效率[5]，精准农业的应用实践和快速发展对农作物机械化收获提出了更高的目标，而其核心科学问题涉及对茎秆切割的深入研究。西方发达国家农业现代化起步较早，集约化、机械化程度较高，针对茎秆切割的研究积累了大量成果;与农业先进国家相比，中国在耕作、收获等基础性、关键性技术领域与国外仍有一定差距。切割技术理论的创新发展，有利于在茎秆切割领域搭建系统的理论知识体系，提升应用基础研究水平，优化农机装备作业性能。

　　基于此，从生物技术、农艺农机等方面出发，从本质上揭示茎秆切割机制一直是国内外学者关注的热点，但无论是在理论还是应用层面，依然有诸多问题亟待突破[6]。本文围绕茎秆力学参数与本构模型、割刀的结构型式与材料特性、茎秆切割原理、茎秆切割技术研究目标、茎秆切割研究方法等方面，总结归纳农作物茎秆切割研究的进展并进行分析，讨论未来研究发展方向。茎秆力学参数与本构模型农业物料力学是农业工程的基础研究领域之一，并成为一门重要的分支学科，旨在采用工程力学的观点和方法，解决农业工程中众多的生物力学问题[7]，茎秆力学参数是该学科的重点研究内容。

　　国内外学者关注农作物茎秆力学参数的最初目的是研究农作物抗倒伏性能和机理[8]，以便为抗倒伏品种的选育、栽培措施的调控提供理论依据[912];另外，在机械部件的优化设计中，涉及到茎秆力学参数[1314]。茎秆切割是农作物收获、青贮加工环节的必备工序，但在切割过程的理论机理研究上，在割刀等核心零部件研制过程中，在机械性能的优化提升上，以往较少考虑茎秆的生物学特征、力学参数，或者直接简化处理[6]。

　　1.1茎秆生物学特征与力学参数

　　农作物茎秆是粘弹性与各向异性材料，在应力和变形之间没有明确的线性关系，其力学参数与茎秆生物学特征密切相关[15]，因此全面了解茎秆生物学特征是十分必要的。茎秆是植物的中轴，它对内担负着枝叶花果的全部重量，上下输送营养物质，对外还要抵御气候变化所产生的外力。茎秆按照生物学特征可从多个角度进行分类，例如按照截面形状，可分为圆柱形茎、三棱形茎、方形茎、扁平茎;按照生发形态可分为直立茎、缠绕茎、攀援茎、斜升茎、斜倚茎、平卧茎、匍匐茎;按照木质化程度可分为草本植物茎、藤本植物茎、木本植物茎，农作物茎秆以草本类(水稻、小麦、棉花等)、藤本类(葡萄、番茄、茄子等)居多，茎内木质化组织相对较少。

　　其中，从结构特征进行分析，双子叶植物(棉花、油菜等)与单子叶植物(小麦、水稻等)的茎秆结构具有较大差异：双子叶植物茎秆由表皮、皮层、维管柱(包括维管束、髓、髓射线等)组成，常具有次生结构;而单子叶植物茎秆由表皮、基本组织构成，维管束分布其中[1617]。

　　另外，茎秆有实心与空心之分：以禾本科植物为例，玉米、甘蔗、高粱等实心茎秆内充满基本组织，维管束松散分布，而水稻、小麦等茎秆维管束呈内外两轮排列，中央为髓腔。国内外学者在力学测试中关注的茎秆主要力学参数为：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、杨氏模量等[18]，且重点研究了茎秆主要方向的力学参数。表为常见农作物茎秆的力学参数，由于力学参数受到茎秆成熟度、含水率、试验条件等因素的影响，即便同类茎秆所测数值也存在偏差，这在一定程度上影响了研究深度，表依据所检索文献给出了相关参数的范围区间。

　　植物学中同类茎秆具有大致相同的生物学特征，而如何根据生物学特征推断提炼出共性的力学特征，文献[40]基于大量的力学参数与生理形态指标测试结果，采用SAS软件对茎秆力学特征与生物学特征的相关关系进行了回归分析，并尝试建立了小麦、高粱、大豆等茎秆抗拉、抗弯、抗剪强度与含水率、株高、外径、壁厚等生理指标的关系模型，具有生产指导价值。

　　同时研究认为，茎秆力学与生物学特征均具有一定的变异性，且两者之间的相关度随作物类别、品种、生长期的不同而有所变化。由此可见，茎秆的生物学特征在自然生长中具有环境的适应性与特殊性，不同茎秆间的力学特征基本没有统一的规律，因此茎秆切割、抗倒伏等农艺技术的研究及措施调控应视不同作物而定[40]。

　　作为生物质材料，茎秆力学性能主要取决于微观组织结构与理化组分：维管束由韧皮部和木质部组成，属于强韧机械组织，且维管束在表皮附近细密分布有较强的抵抗外部荷载的能力，因此草本类的玉米、藤本类的番茄其表皮的力学性能明显优于芯部[24,41];小麦、水稻中的厚壁组织，角质层较厚，可增强对茎的支持，提高茎秆机械强度与抗倒伏能力[42];纤维素、半纤维素、木质素通过增强细胞壁厚度提高茎秆刚度与强度，它们的差异化分布亦是茎秆在不同高度范围力学参数显著变化的主要原因[43];从外部形态看，茎秆具有节与节间，由于叶片、腋芽的存在，茎节常表面隆起而内部充实，维管组织排列复杂且发达，相比之下部分茎秆节间常为中空腔，这就导致节与节间力学性质差异明显[26];此外，粘弹性体所具备的应力松弛与蠕变特性，应在茎秆机械压实、有序收获等环节予以考虑[4445]。

　　1.2测试方法与设备

　　目前，农作物茎秆力学参数的测试依然借鉴材料力学方法，研究主要集中在力学参数与茎秆微观组织、化学成分、物理特性的关系上[46]，所采用的试验设备基本是万能材料试验机[27]或质构仪[47]，二者的基本构成包括：伺服控制系统、加载系统、数据采集系统等。同时，应根据茎秆特点及试验侧重点(例如抗拉、抗剪试验)，对设备加载或固定装置进行适当改进以防止茎秆的滑移脱落，从而确保力学测试的有效开展[26,48];还可结合机器视觉等辅助设备，实现试验数据的精准捕捉[49]。

　　1.3茎秆本构模型的建立及应用

　　基于茎秆物料应力应变的深入分析，探索建立准确有效的本构模型，是茎秆切割理论研究的关键步骤，也是开展数值仿真与工程应用的先决条件。

　　总体来看，鉴于农作物茎秆生物体物料的复杂性，针对茎秆力学参数的研究，其分析理论与测试方法仍需进一步完善。开展茎秆力学特性微观、宏观的全面研究，有助于深入了解应力是如何通过组织与结构传递发展的，也为农作物茎秆多尺度建模奠定了基础。另外，应基于国内外学者所积累的试验数据，总结归纳具有普适性并经得起推敲的力学模型及研究规律，从而及时建立健全相关标准与规范，提升茎秆切割研究的基础水平。

　　2割刀结构型式与材料特性

　　割刀是现代联合收获机械的核心零部件，其结构与性能直接影响整机工作可靠性、使用寿命、作业效率及功耗[70]。切割或粉碎作业的过程会引发刀具材料周期性的应力变化，加剧了割刀的疲劳损耗。国内优质农机割刀大量依赖进口，与国外相比，我国在割刀核心材料、制备工艺等方面存在较大技术瓶颈，成为高端收获机械发展亟需解决的现实问题。

　　2.1割刀结构参数与型式

　　割刀结构参数与型式对耕作收获性能与田间作业能耗有直接影响[71]，其优化设计的依据主要是围绕如何实现高效率与低功耗切割。GB/T1209.32009《农业机械切割器第部分：动刀片、定刀片和刀杆》对割刀型式和技术要求做了统一说明，

　　切割器是割刀作业的载体，往复式切割器常采用动刀与定刀实现有支撑切割，割幅宽、适应能力强，但振动较大，适用于水稻、小麦等禾本科茎秆的切割。国家标准围绕宽度、厚度、角度等结构参数的组合搭配，将动刀片分为种型式，将定刀片分为种型式，并规定了各自适用的切割器类型，对生产研究起到了有效的指导作用[72];在材料性能上，国家标准建议动、定刀片淬火区硬度为48～60HRC，非淬火区硬度不大于35HRC。

　　为提高棉花秸秆的切割质量与效率，降低割茬高度与装备功耗，宋占华等[73]结合所关心的目标值提出了切割有效率的概念，并据此确定了动刀片宽度、刀刃高度、前桥宽度的最优参数组合，优化改进后的动刀片性能得到明显提升。而回转式切割器常应用甩刀在高速旋转下完成无支撑切割，因甩刀与刀盘相互铰接，可有效避免与障碍物发生刚性碰撞导致割刀损坏，但割幅受到一定限制，且功耗较高[74]，适用于牧草、甘蔗等茎秆的收获，高秆作物茎秆粉碎以及园艺管理工作。

　　2.2割刀的耐磨性能

　　正常情况下磨损是农机零件失效破坏的主要形式和材料消耗的第一位因素，其比例占80%以上[84]。切割过程中，割刀与农作物、土壤尤其石屑间的冲击应力与摩擦磨损会导致刀刃钝化、变形。刃口钝化会降低切割性能，提高切割功耗，延长停机时间[76]，还会增大对农作物茎秆的撞击拉拔作用，影响切口质量，不利于农作物正常再生[85];在农产品原料粉碎过程中，刀具材料的磨损脱落，还会污染食品及饲料[86]。

　　磨损是割刀的主要失效形式，茎秆切割中主要有磨料磨损与粘着磨损两种情况，而提高硬度是减少磨损的有效途径，亦是割刀材料选择与工艺优化的主要依据。对于割刀基体材料，碳钢(如T9钢、45钢等)、锰钢(如65Mn钢等)因硬度高、成本低、易加工，成为了国内割刀制作的主要原料：例如T9钢等温淬火、45钢渗硼等均能作为割刀材料，为降低成本可用65Mn钢代替T9钢;国外割刀基体材料与国内基本相似，主要采用含碳0.5%～1.0%的碳素钢和含碳0.3%～0.6%的中碳硅锰钢：例如，采用中碳钢经高频感应等温淬火后，得到马氏体与下贝氏体各占50%的基体组织，其材料硬度与冲击韧性均较高[70,87];可见，热处理工艺在此类基体材料性能的优化中发挥关键作用。另一方面，由高硬度难熔金属碳化物及粘结金属构成的硬质合金可通过调控成分比例制备成各种牌号，可满足不同工作环境对割刀力学性能及耐磨性的要求[88]。

　　例如，通过解析高温铁溶体内的多相运动学特征及致密化机制，借助铝热反应在铁基体中加入钒铁、铬铁、钼铁、锰铁等硬质合金颗粒制成金属陶瓷材料，可实现对特定区域的硬度强化[89];提高材料硬度并保持其韧性是延长割刀使用寿命的有效解决方式，可采用渗硼和渗钒工艺处理不锈钢割刀，通过生成新的硼化物、碳化物提高割刀耐磨性能、机械性能[90]。

　　2.3割刀的自磨锐性能

　　为确保割刀刃口在作业过程中始终保持锋利，自磨锐技术应运而生。该技术的关键在于通过刀刃两面不同的硬度调控磨损速率，使锋利的刃口始终突出于前缘，实现强韧性、耐磨性、锋锐性的有机结合。在国内，宋月鹏团队坚持材料、结构、工作条件一体化设计理念，围绕自磨锐技术开展了系列研究，与市售割刀相比所研自磨锐割刀实现了优良的耐磨性能及高效低损伤切割效果。

　　自磨锐割刀制备技术有：采用真空复合轧制工艺，将种钢板(GCr15、Q420、IF)轧制成梯度复合材料，所制割刀后刀面及刃口材料硬度高、耐磨性好，前刀面硬度梯度变化，试验表明其耐磨性是市售割刀倍以上[85];采用稀土催渗碳氮硼共渗，对割刀后刀面及刀尖进行局部化学热处理，共渗割刀在厚度方向上实现了组织、成分、硬度的梯度均匀变化，从而在作业过程中形成自磨锐效果，实现了割刀长寿命作业和对农作物的低损伤收获[93];采用Fe/Al铝热体系，在超重力场中熔铸成硬度呈梯度分布的新型复合材料，而后制备出工作中均匀磨损、始终保持锋利的自磨锐割刀，并通过田间试验验证了使用效果[9495]。

　　在国外，ROSTEK等[96]研究认为割刀寿命与基体材料抗弯强度、延展性、耐磨性紧密相关，并通过三点弯曲试验、冲击试验、磨损试验评价材料性能，采用局部硬度层状分级钢材进行割刀的制备，使坚硬的耐磨层始终分布于刃口位置，通过维持割刀稳定的几何形状实现了良好的自磨锐效果。

　　3茎秆切割原理

　　茎秆切割虽是割刀与茎秆间的瞬时互作过程，仍可细化拆分为以下阶段：切割作用发生初始，茎秆组织处于变形可恢复的弹性阶段;随着割刀的逐渐深入茎秆材料由塑性变形的累积随即发展为局部动力屈曲;最终茎秆截面材料达到失效应变，发生断裂失效，几何形态发生深刻变化[102]。把握茎秆切断的本质，是优化切割原理的基础。切割是割刀与茎秆之间的动力接触，切割方式依据不同的标准有不同的分类。其中，根据切割作用的方向，主要分为正切与滑切两种基本的切割方式。正切时割刀的绝对运动方向与刃口相互垂直，而滑切时割刀的绝对运动方向与刃口既不垂直也不平行，表现为锯切效果。

　　4茎秆切割技术研究目标

　　切割过程属于高度非线性问题，在割刀与茎秆的碰撞冲击中存在着应力与应变的突变，并在不同的切割阶段呈现相应特征。在茎秆切割收获的问题上，提高效率、降低能耗、减少损伤是国内外学者在机械设计及收获策略的优化中共同追求的目标。高效率切割、低功耗切割、低损伤切割亦是新型切割技术与传统切割技术的区别所在。

　　5展望

　　开展农作物茎秆切割的研究，提高茎秆生物质资源利用率，是农业机械化收获的关键目标，是农艺农机深度融合的重要方面，是促进农业可持续发展的有效途径。关于茎秆切割问题的研究需要在以下方面加以深入：

　　(1)深入分析茎秆力学特性作为生物复合材料，茎秆力学参数的测试对于抗倒伏品种选育、生物质资源开发、农业机械设计均具有实用价值，其自身特性的分析及对切割作业的影响，仍需全面深入开展研究。首先，茎秆力学特性的分析要充分考虑生物学特征、农艺调控措施、生长发育环境等因素的影响，并借助数理统计方法开展力学测试数据的回归分析，建立力学特性与影响因素间的相关关系，并依据茎秆类别总结出对农艺技术具有指导意义的力学特性规律，乃至建立健全行业标准与规范;其次，要突破传统的工程材料研究模式，理清农业物料微观结构对宏观性能的影响机理，搭建能够反映农作物茎秆材料力学特性的指标体系，并以此指导建立可靠的茎秆本构关系模型，最终为茎秆切割作业提供理论参考与技术指导。

　　(2)研制高端自磨锐割刀高端耐磨割刀在制造技术及理论创新上还很欠缺，这在一定程度上制约了收获机械装备整体水平的提升。在割刀与茎秆频繁的冲击摩擦下，刃面硬度分布对其磨损规律的影响，以及自磨锐形成机制，到目前为止国内外缺乏系统的研究。基于割刀基本功能特点，兼顾切割作业影响特征，以材料硬度梯度变化调控刃面均匀磨损，是确保实现优良自磨锐效果的关键。因此，开展割刀材料结构工作条件的一体化设计，实现自磨锐割刀的创制，可为提升我国高性能农机装备关键零部件制造水平提供理论依据与技术支撑，是实现农艺农机深度融合的具体体现。

　　(3)完善茎秆切割的基础理论与技术方法在研究方法上，茎秆切割过程涉及动力接触与碰撞，属于非线性问题，现有的方法手段难以实现精准分析。数值仿真直观高效，能较好的对比各个因素水平的影响，但依然需要辅助验证;围绕切割试验搭建的各类试验平台集约化、普适性水平较低，且高敏感、高精度检测终端的匮乏制约了平台的试验性能。

　　因此，茎秆切割的试验与仿真研究依然有待发展完善。在理论规律上，国内外学者基本以单类茎秆开展切割研究，且根据需要关注了不同的切割参数及目标值，虽然对部分试验现象的理解还不够深入，个别参数的作用效应存在分歧，但已积累了丰富的切割试验数据。为提高茎秆切割的基础研究水平，针对存量数据需要进一步的归纳研判，具有不同作物间普适性并经得起推敲的茎秆切割理论规律有待总结。

　　参考文献

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　　作者：吴昆1,2宋月鹏1,3