第 1 章緒論

1.1   研究概述
作為經濟發(fā)展和社會進步的基礎，能源有著不可替代的作用，和與日俱增的能源需求相矛盾的是化石燃料日漸枯竭的危機[1]。為了人類社會的持續(xù)發(fā)展，尋找新能源成為了世界范圍內亟待解決的問題[2-5]。 玉米秸稈作為一種極具開發(fā)潛力的生物質資源已得到了廣泛的應用。例如最早使用秸稈發(fā)電的國家—丹麥，其阿維多秸稈發(fā)電廠被譽為全球效率最高的熱電聯(lián)供電廠之一[6]，巴西則是最早使用秸稈燃料酒精的國家，而日本主要將秸稈作為未來的燃料使用[7]。我國的國能生物發(fā)電集團已經在全國范圍內建立了 35 家生物質發(fā)電廠，總計輸出綠色電力 79.4 億千瓦時，使得農民從秸稈銷售中獲利 32 億元[8]。使用玉米秸稈炭化粉加工制成的蜂窩炭替代液化氣及煤炭也得到了推廣應用[9,10]。隨著根茬收獲機械的推廣、生物質資源轉化技術的提高，玉米秸稈與根茬的潛在價值將會被發(fā)掘出來，并逐漸成為替代化石能源的重要生產資料。秸稈資源的合理利用將會給人類社會帶來巨大的經濟效益和社會效益。 作為一個農業(yè)大國，我國有著豐富的農作物根茬與秸稈來源。玉米更是廣泛被種植，從西部的新疆到東南沿海各省市，東北地區(qū)黑龍江省到南部海南省均可以種植，可以將其分為六個種植區(qū)，即南方的丘陵種植區(qū)、西北和青藏高原種植區(qū)、西南山地種植區(qū)、黃淮海玉米種植區(qū)、北方春播玉米種植區(qū)[11,12]。從時間上來說，玉米種植面積隨著時間推移是不斷擴大的。自 20 世紀 80 起，雖然中間個別年份有種植面積所減少，但總體種植面積在持續(xù)增長。進入新世紀以后，玉米種植面積連續(xù)增加，到 2012 年，玉米種植面積達到 3503 萬公頃，占糧食作物種植總面積的 21.44%，產量達到 20561.4萬噸[13]。 
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1.2   研究現(xiàn)狀 我國玉米種植區(qū)域廣泛，不同地區(qū)的耕作模式、種植結構差別較大，常用的玉米根茬處理方式如下：根茬留田腐爛是指收獲玉米之后對根茬不做任何處理，在自然條件下任其腐爛。這種原始處理方式對土壤有一定的益處，但也存在一些弊端。研究表明[19-21]，玉米根茬留田處理可以明顯增強土壤酶活性，酶活性的增強對提高土壤微生物活性有顯著效果，且在玉米生長旺盛時期（播種 60 天）出現(xiàn)最高峰。同時，根茬腐爛之后還可以促進團粒結構形成，改善土壤通透性，增加土壤孔隙度，提升土壤持水保肥能力[22-24]。 雖然根茬留田可以增強土壤酶活性的方式在一定程度上提高了土壤肥力，但是玉米根茬腐爛是一個漫長的過程，受溫度、濕度、光照等自然條件影響很大，存在較大的偶然性因素。尤其我國東北地區(qū)，玉米收獲之后天氣轉冷，寒冷干燥的天氣條件下很難在春播之前腐爛，而在玉米、小麥兩季套種的地區(qū)，根本沒有足夠的時間可以讓根茬自然腐爛。因此，根茬留田腐爛并不具有普遍的適應性和大范圍的推廣應用。 (2)根茬焚燒處理 焚燒根茬是指在玉米收獲之后將留在地表的莖稈點燃，這種處理方式可以迅速除去地表根茬，但是這種方式僅僅燒掉莖稈外圍玉米枯葉，莖稈并未充分燃燒，地表以下的根茬更不可能被燒掉，根茬焚燒不適合作為處理根茬的方法。此外，根茬焚燒弊端在于焚燒對大氣的污染[25-28]：燃燒產生大量白色粉末狀固體導致空氣中的顆粒物含量增加，同時降低空氣的能見度，粉末狀飄散的白色顆粒物直接影響城市、高速公路、機場等地的能見度。 
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第 2 章   根茬切挖裝置的參數(shù)研究

本章從玉米根茬及其生長的土壤環(huán)境入手，首先分析二者物理學特性，旨在獲得根茬、土壤的基本參數(shù)，同時考慮現(xiàn)有收獲機的參數(shù)以及使用要求，由此確立切挖裝置的設計依據(jù)。在此基礎上，建立切茬刀和土壤相互作用的數(shù)學模型，分析切茬刀切挖機理。其次根據(jù)玉米根茬的質量分布和尺寸范圍，確定切挖裝置的工作深度和寬度。最后分析切挖裝置和拖拉機的配置形式及其相關參數(shù)，從而確定切挖裝置的整體設計參數(shù)。 

2.1   切挖裝置的設計依據(jù)
玉米根茬與土壤都是根茬切挖裝置的作業(yè)對象，所以根茬切挖裝置的設計與土壤的物理學性質密切相關，研究耕層土壤和根茬的物理學特性對于根茬切挖裝置參數(shù)的確定至關重要。 耕層土壤包括固相、液相和氣相三部分，其中固相主要包括礦物質和有機質，礦物質中包含大小不同的礦物質顆粒，有機質來自于農作物根茬、秸稈殘留物、土壤中的微生物以及人工施用的有機肥等[72]。土壤的物理學性質與含水量、外界環(huán)境、黏粒數(shù)量、有機質含量密切相關，是多個影響因素綜合作用的結果，它是一個多相的、非均質的、分散的、顆�；囊约岸嗫椎膹碗s系統(tǒng)[73]。 玉米根茬收獲機作業(yè)時，根茬切挖裝置首先要將土壤破碎，破壞其團粒結構，其次將裹帶土壤的玉米根茬從土壤中切割分離出來。
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2.2   切茬裝置參數(shù)分析
玉米收獲后留在土壤中的根茬改變了土壤的原有結構，形成了根茬-土壤復合狀態(tài)。傳統(tǒng)的平面鏟工作時只能從土壤底部切割根土復合體，而不能將側面的根茬切斷，同時，由于根土復合體的材料特性發(fā)生了改變，不同于單純的土壤或根茬，對傳統(tǒng)平面鏟的強度提出新的要求�；趥鹘y(tǒng)平面鏟切割根土復合體方面的諸多限制，為了在根茬-土壤復合狀態(tài)下切割根茬，有必要對根茬-土壤復合體的切割機理進行探究。根茬的切挖方式關系到最終的切割效果和機組的功耗，也關系到后期撿拾器能否將根茬順利撿拾，如果切割后根茬仍然和土壤交織部分太多，勢必降低撿拾器作業(yè)效率甚至無法撿拾根茬[77,78]。單一從土壤底面切割的方式會給撿拾器帶來更大的撿拾阻力，為了便于撿拾以及控制根茬切割的范圍，可以采用環(huán)切的方式切割根茬，即沿著機組前進方向上，從根茬的兩個側面利用豎刀將根茬與土壤分離，同時底部用平面刀片切割，如圖 2.4 所示。但是兩把豎刀安裝在底面刀片上的切割方式會在一定程度上造成壅土，在實際作業(yè)過程中切茬與壅土是相互影響的，綜合考慮各因素影響，可以采取單個豎刀與底刀組合或兩把豎刀與底面刀結合的切割方式，最大程度上分割根茬與土壤，便于后期撿拾。 
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第 3 章   蟬若蟲前足挖掘曲線提取與優(yōu)化 ....... 31 
3.1   金蟬若蟲的生物學特征 ..... 31 
3.2   金蟬若蟲前足表觀形態(tài) ..... 32 
3.3   前足曲線提取 ....... 33 
3.4   本章總結 ........ 40 
第 4 章   切茬裝置模型建立與結構優(yōu)化 .... 43
4.1   基于 Solidworks 的設計與分析方法 ....... 43 
4.2   切茬裝置的模型設計 .......... 45 
4.2.1   牽引部件結構模型 ....... 45 
4.2.2   切茬部件結構模型 ....... 46 
4.3   基于整機模型的優(yōu)化設計 ......... 48 
4.4   關鍵部件的有限元分析 ...... 52 
4.4.1   切茬部件的有限元分析 ...... 52 
4.4.2   牽引部件的有限元分析 ...... 55 
4.5   本章總結 ........ 58 
第 5 章   切茬刀性能試驗 ....... 59 
5.1   試驗設備與方法 .......... 59 
5.1.1   試驗準備 ......... 59 
5.1.2   試驗因素設計 ........ 61 
5.2   實驗結果與分析 .......... 62 
5.3   本章總結 ........ 65 

第 5 章   切茬刀性能試驗 

5.1   試驗設備與方法 

試驗目的主要是測試不同刀片的切土性能，并分析切割速度、刃口傾角、仿生元素對切土阻力和功率消耗的影響。因此采用具有 2.5mm 切齒、5mm 切齒和不具有仿生元素的刀片制備樣本。試驗需要加工的刀片模型如圖 5.1 所示。 試驗主要考慮具有仿生元素刀片的切土性能，為了能夠良好的表達仿生元素，采用 3D 打印方法加工刀片，刀片材料采用 ABS 工程塑料，該材料強度高，韌性好，能夠滿足實驗要求。刀片加工設備采用 Makerbot Replicator  系列 3D 成型設備。 Makerbot Replicator 是美國 Makerbot 公司研發(fā)的桌上型 3D 打印機，實驗采用 2014年發(fā)布的 Replicator 第五代產品進行樣品加工，如圖 5.2（a）所示。第五代 Makerbot Replicator 可打印體積上比第四代大 11%，打印精度為 100 微米。刀片樣本如圖 5.2（b）所示，加工的刀片表面質量良好，仿生齒形表達準確，邊角無毛刺。 

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結論

根茬切挖是玉米根茬收獲的首要工作，對玉米根茬收獲機的收獲質量有著較大影響。本文設計了一種新型的玉米根茬切割裝置，并對切茬關鍵部件進行深入的理論分析和試驗研究，得到如下結論：
1、通過對玉米根茬的質量分析發(fā)現(xiàn)：玉米根茬的質量 90%分布在 0-150mm 根深范圍內，0-100mm 范圍根茬質量隨著根深的增加增幅較大，，100-150mm 質量增加不明顯，300mm 以下深度范圍內只分布著少量須根；玉米根幅半徑在 0-100mm 范圍時根茬質量隨根幅增加的較快，100mm 之后根茬質量逐漸趨于穩(wěn)定，根茬 90%的質量集中在根幅半徑 100mm 內，根幅半徑為 150mm 的范圍內約占據(jù)根茬總質量的 98%。 
2、根據(jù)玉米根茬的形態(tài)特征確定了豎刀與底部刀片結合的根茬切割方式，其中底部刀片有效刃口長度應大于 160mm，豎刀刃口長度大于 150mm。通過對刃口某一點受力分析得到：刃口與前進方向的夾角小于 62°時能夠保證滑切作用。根據(jù)現(xiàn)有的機型的和配套拖拉機的參數(shù)，設計根茬切挖裝置采取對行切挖的方式，切茬刀間距可以根據(jù)行距的不同進行調整。 
3、觀察金蟬若蟲生物形態(tài)發(fā)現(xiàn)其前爪擁有優(yōu)越的切土能力，可以為切茬刀片仿生學設計提供參考。通過矢量化軟件處理得到蟬若蟲前爪矢量圖，提取出切齒曲線，并利用 Origin 對得到的曲線進行擬合得到其參數(shù)方程，求出擬合參數(shù)方程的最小平方逼近函數(shù)，最終確定切齒的刃口斜率分別為 1.11 和-2.7。 
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參考文獻(略)

本文編號：44141