飼草料收獲加工機(jī)械關(guān)鍵切割部件研究現(xiàn)狀及趨勢

摘要：

飼草料收獲加工機(jī)械對畜牧業(yè)發(fā)展具有重要意義。通過分析國內(nèi)外飼草料收獲加工機(jī)械研究現(xiàn)狀與趨勢，分別總結(jié)國內(nèi)外飼草料收獲加工機(jī)械發(fā)展的優(yōu)勢與不足。結(jié)果表明，與國外相比，我國飼草料收獲加工機(jī)械存在較大差距，其主要原因在于國產(chǎn)機(jī)械的關(guān)鍵切割部件可靠性低、作業(yè)效果差、使用壽命短，成為我國飼草料收獲加工機(jī)械“卡脖子”技術(shù)難題。分別從關(guān)鍵切割部件材料研究與應(yīng)用、結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及切割過程仿真模擬等方面進(jìn)行綜述，分析當(dāng)前我國研究學(xué)者在關(guān)鍵切割部件材料研究與應(yīng)用、結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及切割過程仿真模擬等方面的研究成果，總結(jié)當(dāng)前關(guān)鍵切割部件研究的突破與局限，提出飼草料收獲加工機(jī)械關(guān)鍵切割部件對飼草料高效率切割、低功耗切割、低損傷切割的三方面研究趨勢，對提高國產(chǎn)飼草料收獲加工機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量，突破關(guān)鍵零部件“卡脖子”技術(shù)瓶頸，促進(jìn)我國畜牧業(yè)快速高效發(fā)展具有重要借鑒意義。

關(guān)鍵詞：飼草料收獲加工機(jī)械；關(guān)鍵切割部件；高效率切割；低功耗切割；低損傷切割

中圖分類號：S24

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-5553 （2025） 01-0112-08

Research status and trends of key cutting components for forage harvesting and

processing machinery

Liu Jifeng^{1， 2}， Song Yuepeng^{3， 4}， Gao Ang^{3， 4}

（1. School of Educational Science， Xinjiang Normal University， Urumqi， 830017， China;

2. "Shandong Maritime Vocational College， Weifang， 261108， China; 3. College of Mechanical and Electrical

Engineering， Shandong Agricultural University， Tai，an， 271018， China; 4. Shandong Key Laboratory of

Horticultural Machinery and Equipment， Tai，an， 271018， China）

Abstract：

Forage harvesting and processing machinery is of great significance to the development of animal husbandry. By analyzing the current research status and trends of forage harvesting and processing machinery at home and abroad， this paper summarizes the advantages and disadvantages of their development respectively. The results show that compared with foreign countries， China，s forage harvesting and processing machinery has a large gap， main reason lies in the low reliability， poor operational effect， and short service life of the key cutting components of domestic machinery， which has become a technical bottleneck restricting the development of China，s forage harvesting and processing machinery. This paper reviews the research on the materials， application， optimization design of structure and working parameters， and simulation of cutting process of key cutting components. It analyzes the current research achievements of Chinese scholars in these aspects， summarizes the breakthroughs and limitations of the current research on key cutting components， and proposes three research trends for the key cutting components of forage harvesting and processing machinery， namely， high-efficiency cutting， low-power consumption cutting， and low-damage cutting. This has important reference significance for improving the quality of domestic forage harvesting and processing machinery， breaking through the technical bottleneck of key components， and promoting the rapid and efficient development of China，s animal husbandry.

Keywords：

forage harvesting and processing machinery; key cutting components; high-efficiency cutting; low-power cutting; low-damage cutting

0"引言

飼草料是畜牧業(yè)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來，我國居民對牛羊肉和奶類的需求持續(xù)快速增長，對飼草料需求巨大^［1］，初步測算，要確?！丁笆奈濉比珖暡莓a(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中牛羊肉和奶源自給率的目標(biāo)，對優(yōu)質(zhì)飼草料的需求總量將超過1.2×10⁵kt，目前尚有5.0×10⁴kt的缺口，致使我國苜蓿、燕麥、大豆等飼草料進(jìn)口量在逐年增加，其中每年從國外進(jìn)口1 500kt優(yōu)質(zhì)苜蓿且呈不斷增長之勢，缺口巨大^［2］，這對我國畜牧業(yè)安全形成了巨大的潛在威脅。

飼草料收獲加工是畜牧業(yè)生產(chǎn)重要環(huán)節(jié)，與國外相比，我國飼草料收獲加工機(jī)械存在較大差距，目前國外飼草料收獲加工機(jī)械企業(yè)聚集在美國、德國、法國等傳統(tǒng)機(jī)械制造強(qiáng)國，生產(chǎn)的飼草料收獲加工機(jī)械具有可靠性高、高效低能耗等特點(diǎn)，美國CLASS飼草料收獲機(jī)械可在8h內(nèi)收獲苜蓿141.1hm²，最快作業(yè)速度可達(dá)30km/h^{［3， 4］}。反觀國內(nèi)，飼草料收獲加工機(jī)械企業(yè)規(guī)模小、實(shí)力弱，缺乏國際影響力，作業(yè)效果差、無故障作業(yè)時(shí)間短等，平均作業(yè)速度低于10km/h，其中最主要原因是國產(chǎn)機(jī)械的關(guān)鍵切割部件的可靠性及作業(yè)效果差、使用壽命短，成為我國飼草料收獲加工機(jī)械 “卡脖子”技術(shù)難題。據(jù)資料介紹，國產(chǎn)飼草料收獲加工機(jī)械關(guān)鍵切割部件的使用壽命僅為國外產(chǎn)品的1/3～1/2^［5］。開展飼草料收獲加工機(jī)械關(guān)鍵切割部件的研究，對提高飼草料收獲加工機(jī)械作業(yè)可靠性和效果具有重要意義。

近年來，國內(nèi)對飼草料收獲加工機(jī)械的發(fā)展也比較重視，2021年11月12日國務(wù)院印發(fā)的《“十四五”推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化規(guī)劃》中明確指出，開展農(nóng)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，攻關(guān)突破制約整機(jī)綜合性能提升的關(guān)鍵核心技術(shù)、關(guān)鍵材料和重要零部件。這為國內(nèi)飼草料收獲加工機(jī)械的發(fā)展研究注入了強(qiáng)大動(dòng)力。

基于此，本文對國內(nèi)外飼草料收獲加工機(jī)械及其關(guān)鍵切割部件的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行綜述分析，總結(jié)國內(nèi)外飼草料收獲加工機(jī)械及其關(guān)鍵切割部件發(fā)展的優(yōu)勢與不足，并提出未來我國飼草料收獲加工機(jī)械關(guān)鍵切割部件的發(fā)展趨勢。

1"國內(nèi)外飼草料收獲加工機(jī)械研究現(xiàn)狀

飼草料收獲加工機(jī)械在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)中發(fā)揮著重要作用，能夠大大提高工作效率和產(chǎn)量，降低勞動(dòng)成本，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、集約化生產(chǎn)。隨著科技的不斷發(fā)展，飼草料收獲加工機(jī)械也在不斷更新?lián)Q代，不斷滿足不同的生產(chǎn)需求^［6］。飼草料收獲加工機(jī)械大致可分為三類：（1）收獲機(jī)械。該種機(jī)械主要用于飼草料的收割，包括各種割草機(jī)、收割機(jī)和刈割壓扁機(jī)等。這些機(jī)械能從草地或田間高效地收割各種飼草料，如牧草、谷物和豆類等^［6］。（2）加工機(jī)械。此類機(jī)械主要用于飼草料的加工處理，包括揉切機(jī)、粉碎機(jī)、打捆機(jī)和青貯機(jī)等。這些機(jī)械能將收割的飼草料加工成各種形式，如草捆、草粉、顆粒飼料和青貯飼料等，以滿足不同飼養(yǎng)需求^［6］。（3）儲存和運(yùn)輸機(jī)械。這種機(jī)械主要用于飼草料的儲存和運(yùn)輸，包括各種草捆搬運(yùn)車、青貯取料機(jī)和飼料運(yùn)輸車等。這些機(jī)械能提高工作效率，降低勞動(dòng)成本，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、集約化生產(chǎn)^［6］。

隨著科技的不斷發(fā)展，飼草料收獲加工機(jī)械的性能也在不斷提高，為現(xiàn)代畜牧業(yè)的發(fā)展提供了有力保障。

1.1"國外研究現(xiàn)狀

近年來，國外大型飼草料收獲加工機(jī)械的生產(chǎn)企業(yè)，尤其是德國、法國、挪威等歐洲老牌農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)，積極開展各方面研究，研發(fā)各類型產(chǎn)品，使國內(nèi)研究學(xué)者對國外飼草料收獲加工機(jī)械的研發(fā)趨勢有一定的了解，為滿足不斷變化的畜牧業(yè)需求而研發(fā)高質(zhì)量飼草料收獲加工機(jī)械提供借鑒，例如德國企業(yè)研發(fā)的9GC-203S型飼草料收獲加工機(jī)械，普遍能夠高速作業(yè)和大喂入量以及收獲加工高、粗、密的飼草料，切割部件更換方便，切割部件配備有防護(hù)裝置。同時(shí)，該收獲加工機(jī)械采用三點(diǎn)與牽引動(dòng)力設(shè)備連接，高度可調(diào)、操作方便、靈活機(jī)動(dòng)、地塊適應(yīng)性好、占地面積小，但大寬幅的工作要求無法實(shí)現(xiàn)；EasyCut2800型飼草料收獲加工機(jī)械除具備掛接方便、安裝有防護(hù)裝置等優(yōu)點(diǎn)外，該類型機(jī)械地形仿形更好，作業(yè)更穩(wěn)定；BIGM420CRI自走式飼草料收獲加工機(jī)械，作業(yè)過程實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)作業(yè)參數(shù)、作業(yè)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，該類型機(jī)械最大特點(diǎn)是生產(chǎn)率高達(dá)233 000m²/h，切割作業(yè)總幅寬高達(dá)9m。法國企業(yè)綜合考慮研發(fā)了3組聯(lián)合作業(yè)飼草料收獲加工機(jī)械，作業(yè)幅寬為8.1m，作業(yè)質(zhì)量好、性能高、可靠性強(qiáng)、壽命長，優(yōu)勢明顯。挪威企業(yè)研發(fā)的飼草料收獲加工機(jī)械，各項(xiàng)作業(yè)參數(shù)不是很突出，但是配備一體式油浴潤滑齒輪箱，可靠性高、維護(hù)成本低，設(shè)計(jì)有超級浮動(dòng)保護(hù)裝置，作業(yè)效率高、飼草料收割效果好、飼草料葉片不易脫落，同時(shí)，仿形能力強(qiáng)^［7］。

其他國家的研究學(xué)者也開展了大量具體的研究工作，研究方向主要集中在提高飼草料收獲加工機(jī)械的效率、降低能源消耗、減少環(huán)境污染等方面，為滿足不斷變化的畜牧業(yè)需求而研發(fā)高質(zhì)量飼草料收獲加工機(jī)械提供參考。

Moise^［8］研究了牧草收獲加工機(jī)械的作業(yè)速度，以優(yōu)化工作能力和燃料消耗。采用U-650M拖拉機(jī)和ROTO 165型旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)、Zakaz型旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)在田間以不同速度收獲了7.8hm²的苜蓿，確定了田間作業(yè)中每個(gè)速度下的平均作業(yè)速度、有效作業(yè)能力、輪班作業(yè)能力、切割器寬度上的作業(yè)能力、單位土地面積耗油量和單位質(zhì)量單位面積耗油量。在形成收獲機(jī)械化系統(tǒng)時(shí)，拖拉機(jī)和割草機(jī)之間的功率匹配并不總是滿足要求。具有普通切割單元的經(jīng)典割草機(jī)無法充分裝載U-650M拖拉機(jī)，這導(dǎo)致拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)不佳，燃料消耗增加。

Borotov^［9］開展了圓盤刀具切割青秸稈飼料的切割長度研究，設(shè)計(jì)了一種簡單的切碎機(jī)用于綠色飼料切碎并進(jìn)行了試驗(yàn)，表明當(dāng)供給速度提高到原先2倍時(shí)，其飼料莖稈切碎長度是原先的1.66倍，確認(rèn)了最初飼料切碎的理論設(shè)想。

Lavrov等^［10］開展了專業(yè)化亞麻收獲機(jī)械技術(shù)水平發(fā)展趨勢研究，發(fā)現(xiàn)越南專用型亞麻收獲機(jī)械的生產(chǎn)在俄羅斯幾乎完全停止，現(xiàn)有收獲機(jī)的技術(shù)水平在許多指標(biāo)上明顯低于國外機(jī)型。通過對亞麻收獲機(jī)械的技術(shù)發(fā)展的主要方向和成果以及其相關(guān)領(lǐng)域的分析，預(yù)測了技術(shù)水平的主要指標(biāo)。應(yīng)用具有此技術(shù)水平的亞麻收獲機(jī)械，進(jìn)行亞麻收割工作，顯著提高了亞麻生產(chǎn)的能效。

研究表明，飼草料收獲加工機(jī)械工作速度等作業(yè)參數(shù)對飼草料收割、粉碎效果具有重要影響，這對我國相關(guān)機(jī)械的研究有較高的借鑒啟發(fā)作用。

1.2"國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近幾年，國內(nèi)對飼草料收獲加工技術(shù)的研究也正在蓬勃發(fā)展、方興未艾，各種新型技術(shù)和設(shè)備不斷涌現(xiàn)，使得該領(lǐng)域處于一個(gè)大發(fā)展時(shí)期。

李小龍等^［11］針對苜蓿刈割壓扁機(jī)在作業(yè)過程中出現(xiàn)的收獲質(zhì)量低、漏割率高、割茬高度不一致等問題，基于苜蓿收獲要求，設(shè)計(jì)了一種前驅(qū)苜蓿刈割壓扁機(jī)的切割裝置。對其核心作業(yè)部件完成理論設(shè)計(jì)并確定相關(guān)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，對割刀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，并基于ADAMS軟件對切割器在復(fù)雜路面的工作性能進(jìn)行仿真。研究結(jié)果表明，刀盤轉(zhuǎn)速為1800r/min和割刀數(shù)量為8片時(shí)，能夠確保刈割作業(yè)不發(fā)生漏割現(xiàn)象；切割扭矩主要取決于刀盤轉(zhuǎn)速和割刀刃長；所設(shè)計(jì)的切割器在復(fù)雜路面作業(yè)具備良好的通過性，可以保證割茬高度一致。研究成果可為首蓿刈割壓扁機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

王德成等^［12］開展了苜蓿生產(chǎn)全程機(jī)械化技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展分析，提出了適宜我國國情的苜蓿生產(chǎn)全程機(jī)械化技術(shù)模式，對國內(nèi)外苜蓿機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了概述、總結(jié)和分析。最后指出，實(shí)現(xiàn)苜蓿生產(chǎn)機(jī)械集成化、智能化，將是我國苜蓿機(jī)械化生成技術(shù)體系的發(fā)展方向。

以上研究對飼草料收獲加工機(jī)械設(shè)備整體進(jìn)行研究設(shè)計(jì)及其研究現(xiàn)狀與發(fā)展分析，取得了一定的成果，對飼草料收獲加工機(jī)械的未來研究有積極指導(dǎo)作用。

2"飼草料收獲加工機(jī)械關(guān)鍵切割部件研究現(xiàn)狀

關(guān)鍵切割部件是飼草料收獲加工機(jī)械的核心零部件，其材料、結(jié)構(gòu)、型式、性能直接影響整個(gè)機(jī)械工作的可靠性、使用壽命、作業(yè)效率和功耗^［13］。國內(nèi)優(yōu)質(zhì)飼草料收獲加工機(jī)械關(guān)鍵切割部件大量需要進(jìn)口，與國外產(chǎn)品相比，我國在關(guān)鍵切割部件核心材料、制備工藝、設(shè)計(jì)思路等方面存在較大的技術(shù)瓶頸，面臨“卡脖子”的技術(shù)險(xiǎn)境，成為當(dāng)前我國高端飼草料收獲加工機(jī)械發(fā)展亟需解決的現(xiàn)實(shí)問題^［14］。而掌握關(guān)鍵切割部件制造技術(shù)及理論創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)我國飼草料收獲加工機(jī)械重點(diǎn)突破的有效途徑^［13］。

在此背景下，國內(nèi)眾多研究機(jī)構(gòu)和團(tuán)隊(duì)以及個(gè)人紛紛加入到關(guān)鍵切割部件“卡脖子”技術(shù)難題的攻關(guān)中，開展了大量相關(guān)的研究工作，也取得了一定成果，對“卡脖子”技術(shù)難題的突破起到了巨大的推動(dòng)作用。

2.1"關(guān)鍵切割部件材料研究與應(yīng)用

正常工作狀態(tài)下，飼草料收獲加工機(jī)械關(guān)鍵切割部件失效破壞的主要形式和材料消耗是磨損，其比例占總失效形式的80%以上^［15］。飼草料收獲過程中，關(guān)鍵切割部件與飼草料莖稈、土壤及其中砂石碰撞沖擊與摩擦磨損都會導(dǎo)致部件刃部鈍化、變形，刃部鈍化降低了切割效果，提升了切割功耗，延長了飼草料收獲加工機(jī)械的維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間^［16］，飼草料再生周期變長^［17］。甚至導(dǎo)致出現(xiàn)切割部件表面材料脫落，污染飼草料^［18］。而降低磨損的有效途徑是提高關(guān)鍵切割部件的硬度，因此，提高硬度成為關(guān)鍵切割部件材料選擇與制備工藝優(yōu)化的依據(jù)^［16］。

目前，國內(nèi)關(guān)鍵切割部件的基體材料，主要是碳鋼（如T9、45鋼等）、錳鋼（如65錳鋼等），相對硬度高、成本低、容易加工，都可以成為關(guān)鍵切割部件的制備材料。在此基體材料之上，通過合理設(shè)計(jì)材料組分，制備出各種牌號的由高硬度難熔金屬碳化物與粘結(jié)金屬構(gòu)成的硬質(zhì)合金，以滿足不同工作環(huán)境下對關(guān)鍵切割部件力學(xué)性能及耐磨性的要求^［19］。例如，吳昆^［14］、宋月鵬^［20］等采用超重力熔鑄工藝，在超重力場中，建立Fe3O4/Al/鐵基硬質(zhì)合金的鋁熱體系，獲得了含有合金顆粒、Al2O3陶瓷相及氣體相等多項(xiàng)物質(zhì)、組分和硬度呈梯度分布的鐵基金屬陶瓷材料，制備出具有高耐磨性和自磨銳功能的割刀。

自磨刃切割部件在作業(yè)過程中能夠始終保持鋒利，該技術(shù)的核心是自磨刃口兩面不同的硬度產(chǎn)生不同的磨損速率，使刃口始終保持向前突出，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌性、高耐磨性、鋒銳性的有效結(jié)合。

通過數(shù)值模擬仿真分析，吳昆^［14］、宋月鵬^［20］等驗(yàn)證了金屬陶瓷割刀作業(yè)過程中的自磨刃形成原理，金屬陶瓷材料自磨刃割刀的后刀面硬度高、耐磨性好，前刀面硬度呈梯度平緩變化趨勢，在作業(yè)過程中磨損均勻，刃口曲率半徑變化較小而形成自磨銳特性，實(shí)現(xiàn)了對苜蓿的低損傷切割。

研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵切割部件的自磨刃功能途徑有多條，可以通過多種不同硬度的材料，以硬度梯度分布的形式組合，獲取梯度復(fù)合材料，制備出具備自磨銳特性的切割部件。宋月鵬等^［17］采用真空復(fù)合軋制工藝，將3種組分、硬度不同的鋼板（GCr15、Q420、IF）軋制成梯度復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了不同界面間較為平緩的硬度梯度變化，獲得了割刀自磨銳性和對再生作物的低損傷性。眾多研究結(jié)果表明，通過材料—結(jié)構(gòu)—工藝一體化設(shè)計(jì)，梯度材料割刀對自磨銳特性的形成有積極作用^{［13， 14］}。

除了采用調(diào)控材料組分比例、真空復(fù)合軋制工藝等方式，表面工程技術(shù)也是獲取自磨刃功能一種手段，如化學(xué)熱處理、堆焊、噴涂、熔覆、沉積（PCD、CVD）等^{［15， 21］}。借鑒國外知名品牌飼草料收獲加工機(jī)械切割器自磨刃的制備工藝^［14］，國內(nèi)的宋月鵬等^［22］對國內(nèi)外農(nóng)機(jī)割刀的制備、自磨刃形成機(jī)理進(jìn)行分析總結(jié)，開展了梯度材料自磨銳割刀研制工作，取得了較好效果。通過采用稀土催滲碳氮硼共滲工藝制備自磨銳割刀，對割刀后刀面及刀尖進(jìn)行局部化學(xué)熱處理，在后刀面及刀尖表面形成硼化物層和碳氮共滲層^{［15， 22］}。同時(shí)刀尖處外層硼化物共晶重熔硬度增加，在割刀厚度方向上實(shí)現(xiàn)了組織、成分和硬度的剃度均勻變化，刃口始終保持鋒銳的切割性能，形成了自磨銳特性，實(shí)現(xiàn)了對再生作物的低損傷性^［23］。

而許令峰等^［24］采用激光熔覆Ni基WC復(fù)合材料工藝，利用半導(dǎo)體激光器，采用同軸送粉方式在65Mn刀具刃口一側(cè)表面制備Ni基WC復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料層與基體之間形成冶金結(jié)合，組織均勻致密；熔覆過程中部分WC顆粒熔解并與Ni基合金粉作用，形成了大量WC、W2C、Ni31Si12、Fe3Ni3B、Cr7C3、Cr23C6及CrB等硬質(zhì)相，使得熔覆層硬度提高。熔覆層平均硬度在1 000（HV0.2）左右，提升了耐磨性能，滿足了關(guān)鍵切割部件形成自磨刃的性能要求。

表面工程技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)鍵切割部件的自磨刃功能，也能夠明顯提升材料表面硬度，是當(dāng)前制備耐磨切割部件的有效途徑^［14］。摩擦系數(shù)在一定程度上反映切割部件的耐磨性能，成為評價(jià)切割部件耐磨性能的重要指標(biāo)。當(dāng)前，國內(nèi)研究學(xué)者采用激光熔覆等表面工程技術(shù)^［25］，做到關(guān)鍵切割部件表面的平均摩擦系數(shù)降至0.26～0.36，與國外差距同類技術(shù)差距不大^［14］。孫偉等^［26］利用PVD多弧離子濺射在65Mn鋼試樣基體表面分別沉積TiN、TiAIN和AICrN涂層，分別采用UMT-2摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在不同載荷（SN、10N、I5N、20N）下對4種試樣進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，對比其表面硬度和膜－基結(jié)合強(qiáng)度。3種涂層中，TiAIN涂層的平均摩擦系數(shù)及磨損率最低，能夠有效地提高刀片的耐磨性以及使用壽命。

國內(nèi)研究學(xué)者在這方面的一系列研究對飼草料收獲加工機(jī)械關(guān)鍵切割部件自磨刃特性、耐磨性的深入研究有一定的借鑒意義。

2.2"關(guān)鍵切割部件結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

關(guān)鍵切割部件結(jié)構(gòu)參數(shù)與型式及其工作參數(shù)對飼草料收獲加工機(jī)械性能與作業(yè)效能有直接影響^［27］，其主要的優(yōu)化目標(biāo)就是切割的高效率和低功耗^［14］。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1209.3—2009《農(nóng)業(yè)機(jī)械切割器》中對切割部件型式和技術(shù)要求作了統(tǒng)一要求，圍繞寬度、厚度、角度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的搭配組合，并規(guī)定了適用的切割器類型，對國內(nèi)飼草料收獲加工機(jī)械生產(chǎn)研究起到了有效的指導(dǎo)作用^{［15， 28］}。

當(dāng)前，國內(nèi)現(xiàn)有切割部件的類別型式，主要是靠飼草料收獲加工機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)確定，系統(tǒng)性的理論指導(dǎo)比較匱乏，缺乏大批量生產(chǎn)、市場通用的切割部件產(chǎn)品^{［29， 30］}。在切割部件結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)方面，國內(nèi)外研究學(xué)者做了大量研究工作，以整機(jī)能耗、割頭能耗、牽引能耗作為評價(jià)指標(biāo)，將直刀光刃、斜刀片、鋸齒形刀片性能進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)收獲性能最佳的是鋸齒形刀片^{［15， 31］}。同時(shí)，切割部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧飼草料莖稈的特征與作業(yè)過程，以實(shí)現(xiàn)飼草料莖稈切割領(lǐng)域中農(nóng)機(jī)農(nóng)藝的深度融合。因此，設(shè)計(jì)確定鋸齒形刀片齒深、齒距、齒紋角等參數(shù)，要綜合考慮飼草料莖稈類型、莖稈粗細(xì)、切割速度等多種因素^{［32， 33］}。張涵^［34］進(jìn)行了不同含水率水平、不同木質(zhì)纖維組成含量和不同部位的多因素影響的苜蓿莖稈剪切試驗(yàn)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行了方差分析和響應(yīng)面分析，進(jìn)一步研究了苜蓿的剪切特性和基于切割機(jī)構(gòu)的工作參數(shù)以及含水率與加載速度耦合作用對剪切力等參數(shù)的影響，為苜蓿關(guān)鍵切割部件的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了理論依據(jù)。

在關(guān)鍵切割部件結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)中，采用仿生學(xué)原理，對其設(shè)計(jì)工作有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用和借鑒意義，以普通切割部件為基礎(chǔ)，可以借鑒螳螂前肢脛節(jié)切割輪廓等^{［14， 33］}，優(yōu)化改進(jìn)切割部件齒距等參數(shù)指標(biāo)，也可以模擬蚯蚓^［35］等動(dòng)物的體表形貌，設(shè)計(jì)加工出具有仿生微結(jié)構(gòu)的切割部件。設(shè)計(jì)生產(chǎn)的具有仿生結(jié)構(gòu)的切割部件，降低切割部件的摩擦力與磨損量，提升了切割效率^［14］。在這方面研究中，張黎驊等^［36］針對青貯玉米收獲機(jī)粉碎刀片鋒利度差、滑切性能弱等問題，以切葉蟻上顎為設(shè)計(jì)原型，采用逆向工程技術(shù)提取并擬合其上顎滑切曲線，并依據(jù)該曲線設(shè)計(jì)一種仿生刃口曲線。應(yīng)用EDEM構(gòu)建秸稈離散元模型進(jìn)行仿真切割試驗(yàn)，對比仿生刀片、斜刃刀片、直刃刀片在橫切角90°、切削角0°參數(shù)條件下對秸稈的切割力變化過程，并利用高速攝像機(jī)記錄臺架對比試驗(yàn)中秸稈切割變形過程，研究表明，秸稈切割變形過程可分為3個(gè)階段：擠壓階段、切割階段及貫穿階段。并采用仿真試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示，仿生刀片對秸稈的最大切割力相較斜刃刀片、直刃刀片分別降低4.05%、6.09%，臺架對比試驗(yàn)中仿生刀片對秸稈的最大切割力相較斜刃刀片、直刃刀片分別降低10.53%、12.82%，仿生刀片在提高秸稈切面平整度和降低秸稈最大切割力方面均具有明顯優(yōu)勢。

同時(shí)，張黎驊等^［36］以刀型、橫切角、切削角為試驗(yàn)因素，以秸稈的最大切割力為試驗(yàn)指標(biāo)開展秸稈切割臺架正交試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，刀型、橫切角對秸稈的最大切割力有極顯著影響（Plt;0.01），切削角對秸稈的最大切割力有顯著影響（Plt;0.05）。使用較優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果表明，橫切角90°、切削角20°、仿生刀片對秸稈的最大切割力為6233 N。研究結(jié)果可為進(jìn)一步地研究設(shè)計(jì)青貯玉米等飼草料收獲加工機(jī)械關(guān)鍵切割部件提供理論參考。

2.3"關(guān)鍵部件切割過程仿真模擬

在研究關(guān)鍵切割部件對飼草料莖稈切割的過程中，借助數(shù)值仿真軟件，包括有限元軟件和離散元軟件，能夠很好地解決切割過程中復(fù)雜的非線性動(dòng)力分析問題，并且時(shí)間短、計(jì)算效率高、成本低，優(yōu)勢明顯，是對試驗(yàn)研究的有效補(bǔ)充^{［14， 37］}。同時(shí)，在設(shè)計(jì)關(guān)鍵切割部件時(shí)，借助數(shù)值仿真軟件，便于設(shè)計(jì)關(guān)鍵切割部件的結(jié)構(gòu)和優(yōu)化工作參數(shù)，能夠顯著縮短飼草料收獲加工機(jī)械關(guān)鍵切割部件的生產(chǎn)周期，提高研發(fā)效率，并提供形象直觀的理論依據(jù)^{［14， 38］}。在飼草料切割研究方面，趙研科等^［39］通過數(shù)值仿真軟件，模擬圓盤式割草機(jī)割刀運(yùn)動(dòng)軌跡，發(fā)現(xiàn)割刀運(yùn)動(dòng)死區(qū)，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)并消除死區(qū)，確保在設(shè)計(jì)車速下不出現(xiàn)漏割草的情況。

而張涵^［34］借助現(xiàn)代圖像處理與數(shù)值模擬技術(shù)，采用工程力學(xué)方法與手段，沿用工程力學(xué)剪切參數(shù)及分析體系，進(jìn)行了剪切基礎(chǔ)理論研究，構(gòu)建了生物力學(xué)剪切理論分析與研究體系，精確描述了在剪切過程中響應(yīng)規(guī)律。該相關(guān)研究對飼草料—關(guān)鍵切割部件—裝備的一體化研究設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用。

就總體而言，關(guān)于切割部件與飼草料莖稈相互作用的研究問題，國內(nèi)許多研究學(xué)者已經(jīng)開展了大量的試驗(yàn)和數(shù)值仿真模擬工作，相關(guān)研究成果對飼草料收獲加工機(jī)械的研發(fā)以及田間作業(yè)具有指導(dǎo)作用，但是試驗(yàn)與仿真依然存在局限性^［14］，比如在飼草料莖稈切割上，國內(nèi)外一般是切割部件切割單根飼草料莖稈，但是實(shí)際飼草料收獲過程中，切割部件切割多個(gè)或者是群體飼草料莖稈，同時(shí)切割部件與飼草料莖稈是反復(fù)多次受力碰撞。也就是說實(shí)際飼草料收獲非常復(fù)雜，很難完全在實(shí)驗(yàn)室中模擬顯現(xiàn)，給數(shù)值仿真模擬工作帶來了挑戰(zhàn)^［40］。這也是未來要開展研究方向之一。

2.4"國內(nèi)飼草料收獲加工機(jī)械存在的問題

盡管國內(nèi)在飼草料收獲加工機(jī)械方面進(jìn)行了大量的研究，在實(shí)踐中也得到了廣泛的應(yīng)用，但是仍然存在一些問題需要研究解決。

1） 飼草料收獲加工機(jī)械品種不全、成套性差。我國牧草收獲加工機(jī)械主要有收割、摟草、打捆、壓垛、二次加壓打包作業(yè)工藝系統(tǒng)，但每種作業(yè)機(jī)械多數(shù)為單一機(jī)型，各作業(yè)工序間機(jī)具與動(dòng)力配套性差，聯(lián)合收獲作業(yè)機(jī)在我國還是空白。用戶不能根據(jù)自己的經(jīng)營規(guī)模選擇合適的機(jī)具，機(jī)具使用效益不高^［41］。

2） "飼草料收獲加工機(jī)械創(chuàng)新能力弱，開發(fā)新產(chǎn)品速度慢。國內(nèi)飼草料收獲加工機(jī)械行業(yè)新技術(shù)、新設(shè)備開發(fā)速度慢，不能滿足市場發(fā)展的需要。

3） "與國外相比，飼草料收獲加工機(jī)械技術(shù)水平低，可靠性、適應(yīng)性和配套性差的問題突出。一段時(shí)間以來，由于資金投入嚴(yán)重不足，技術(shù)創(chuàng)新的原動(dòng)力不足、研發(fā)能力不強(qiáng)、技術(shù)追趕步伐放緩甚至停頓^［42］，導(dǎo)致我國飼草料收獲加工機(jī)械技術(shù)水平低，可靠性、適應(yīng)性和配套性差，尤其是關(guān)鍵切割部件方面，可靠性低、使用壽命短，致使80%以上的高端農(nóng)機(jī)裝備依賴進(jìn)口^［5］，成為我國高端飼草料收獲加工機(jī)械高質(zhì)量發(fā)展的“卡脖子”的技術(shù)瓶頸。

3"飼草料收獲加工機(jī)械關(guān)鍵切割部件研究趨勢

突破關(guān)鍵切割部件“卡脖子”的技術(shù)難題，是促進(jìn)我國高端飼草料收獲加工機(jī)械高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。因此，提高切割效率、降低能量消耗、減少莖稈損傷是飼草料收獲加工機(jī)械關(guān)鍵切割部件的研究趨勢，成為國內(nèi)外研究學(xué)者在切割部件優(yōu)化中追求的目標(biāo)。

3.1"飼草料的高效率切割

目前飼草料收獲機(jī)正逐漸朝著高速寬幅、大喂入量、高可靠性及智能化等方向發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)高效率切割，而高效率切割決定于高性能切割部件。未來，高性能切割部件的研發(fā)成為飼草料高效率收獲的關(guān)鍵。

3.2"飼草料的低功耗切割

在農(nóng)作物生產(chǎn)周期中，機(jī)械收獲環(huán)節(jié)的功耗成本逐年攀升，其切割收獲成本占整個(gè)生產(chǎn)成本的比例高達(dá)61%～69%^［43］。而綠色農(nóng)業(yè)的本質(zhì)要求即促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與社會、生態(tài)資源的協(xié)調(diào)發(fā)展。研究切割部件切割力作用下，飼草料莖稈各受力階段的變形狀態(tài)，探索低功耗的莖稈失效的理論基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)很小的切割力完成飼草料莖稈的分離。因此，如何實(shí)現(xiàn)飼草料低功率切割成為未來高性能切割部件研究的重要方面。

3.3"飼草料的低損傷切割

飼草料的切割效率、功耗方面研究，主要著眼點(diǎn)在切割部件切割飼草料莖稈的過程中，而飼草料的低損傷切割聚焦在切割以后的生理生化效果。切割部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、制作工藝以及切割飼草料的工作參數(shù)和方式的科學(xué)合理性差，都會顯著增加飼草料損傷程度，降低飼草料組織的自愈和再生能力，影響莖稈正常分支生長，延長再生周期。當(dāng)前，國內(nèi)關(guān)鍵切割部件對飼草料損傷研究不足，致使我國飼草料的可收獲茬數(shù)明顯比國外少。因此，飼草料的低損傷切割研究應(yīng)在未來的關(guān)鍵切割部件研究設(shè)計(jì)時(shí)予以加強(qiáng)。

高效率切割、低功耗切割、低損傷切割是當(dāng)前高性能切割部件的關(guān)鍵標(biāo)志，也是與傳統(tǒng)切割部件的區(qū)別。未來，關(guān)鍵切割部件的技術(shù)研究內(nèi)容具體在以下3個(gè)方面。

1） "高性能關(guān)鍵切割部件的研制。研制高性能關(guān)鍵切割部件，核心重點(diǎn)是關(guān)鍵切割部件材料組合選擇、結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)及制作工藝優(yōu)化。借助物理試驗(yàn)和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，制備出具備自磨銳功能、仿生減阻效果、表面工程抗磨等綜合效果的高性能關(guān)鍵切割部件，以提高飼草料的切割效率，最終實(shí)現(xiàn)飼草料的低功耗、低損傷切割。

2） "深入研究飼草料莖稈的本構(gòu)關(guān)系。研究飼草料莖稈的物理特性和力學(xué)特性，構(gòu)建莖稈本構(gòu)關(guān)系模型，明確其硬度、韌性和水分含量等參數(shù)指標(biāo)，以更好地解釋飼草料莖稈與割刀之間的相互作用，為研制具備高效率、低功耗、低損傷性切割能力的高性能關(guān)鍵切割部件提供理論參考與技術(shù)指導(dǎo)。

首先，研究飼草料莖稈的組成、形態(tài)和結(jié)構(gòu)。飼草料莖稈由細(xì)胞、纖維素、木質(zhì)素等組成，具有復(fù)雜的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。這些組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對莖稈的本構(gòu)模型建立具有重要的影響。

其次，建立飼草料莖稈本構(gòu)模型時(shí)，需要考慮應(yīng)力場、材料本性和積分變換等相關(guān)技術(shù)方法概念。應(yīng)力場描述了莖稈內(nèi)部應(yīng)力的分布情況，材料本性則反映了莖稈的力學(xué)性質(zhì)，積分變換則將微觀分子水平的變化轉(zhuǎn)化為宏觀力學(xué)性質(zhì)。同時(shí)，采用有限元法、子午線旋轉(zhuǎn)法和扭轉(zhuǎn)屈曲法等多種方法。有限元法（ABAQUS等）用于分析莖稈的應(yīng)變能和變形，子午線旋轉(zhuǎn)法用于描述莖稈的旋轉(zhuǎn)行為，扭轉(zhuǎn)屈曲法用于分析莖稈的彎曲和屈曲。通過這些方法，建立起飼草料莖稈的本構(gòu)模型。

最后，模擬仿真與試驗(yàn)測試，驗(yàn)證本構(gòu)模型的準(zhǔn)確性和可行性。試驗(yàn)測試中，測量飼草料莖稈在不同條件下的應(yīng)力和應(yīng)變，同時(shí)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬仿真，并將試驗(yàn)結(jié)果、仿真結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。

3） "飼草料—關(guān)鍵切割部件—裝備的一體化研究優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化飼草料莖稈切割動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，確定飼草料切割速度、刀具切割角度和切割速度以及裝備前進(jìn)速度等作業(yè)參數(shù)，獲得飼草料收獲過程中各作業(yè)參數(shù)的最佳組合，從而提高切割效率、降低切割功耗、減少切割損傷，實(shí)現(xiàn)飼草料—關(guān)鍵切割部件—裝備的一體化研究設(shè)計(jì)。通過模擬仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化效果，并對比原始模型或優(yōu)化后模型的性能變化，為飼草料—關(guān)鍵切割部件—裝備的一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)的進(jìn)一步研究奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4"結(jié)語

1） 當(dāng)前，飼草料收獲加工機(jī)械關(guān)鍵切割部件的研究已經(jīng)取得一定的進(jìn)展，主要集中在如何提高飼草料收獲加工機(jī)械關(guān)鍵切割部件的可靠性和使用壽命上，涉及飼草料收獲加工機(jī)械關(guān)鍵切割部件的材料研究與應(yīng)用、結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、切割過程的仿真模擬等。部分研究仍存在方法單一、標(biāo)準(zhǔn)不完善等問題，這限制了研究的深入推進(jìn)和應(yīng)用效果。

2） 未來，綜合運(yùn)用機(jī)械工程、農(nóng)業(yè)工程、仿生學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和材料科學(xué)等學(xué)科的理論和技術(shù)，不斷優(yōu)化關(guān)鍵切割部件材料組成、結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)、加工工藝和技術(shù)，進(jìn)一步提高飼草料收獲加工機(jī)械關(guān)鍵切割部件的可靠性和使用壽命，進(jìn)而解決國產(chǎn)飼草料收獲加工機(jī)械普遍存在的可靠性差、無故障作業(yè)時(shí)間短等諸多問題，以促進(jìn)畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

參"考"文"獻(xiàn)

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加快建立現(xiàn)代飼草產(chǎn)業(yè)體系推動(dòng)飼草產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展——農(nóng)業(yè)農(nóng)村部畜牧獸醫(yī)局負(fù)責(zé)人就《“十四五”全國飼草產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》答記者問［J］. 北方牧業(yè)， 2022（6）： 14-15.

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加快建立現(xiàn)代飼草產(chǎn)業(yè)體系推動(dòng)飼草產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展——農(nóng)業(yè)農(nóng)村部畜牧獸醫(yī)局負(fù)責(zé)人就《“十四五”全國飼草產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》答記者問［J］. 北方牧業(yè)， 2022（6）： 14-15.

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