第 1 章緒論

1.1   研究概述
作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的基礎(chǔ)，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(jī)[1]。為了人類(lèi)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展，尋找新能源成為了世界范圍內(nèi)亟待解決的問(wèn)題[2-5]。 玉米秸稈作為一種極具開(kāi)發(fā)潛力的生物質(zhì)資源已得到了廣泛的應(yīng)用。例如最早使用秸稈發(fā)電的國(guó)家—丹麥，其阿維多秸稈發(fā)電廠(chǎng)被譽(yù)為全球效率最高的熱電聯(lián)供電廠(chǎng)之一[6]，巴西則是最早使用秸稈燃料酒精的國(guó)家，而日本主要將秸稈作為未來(lái)的燃料使用[7]。我國(guó)的國(guó)能生物發(fā)電集團(tuán)已經(jīng)在全國(guó)范圍內(nèi)建立了 35 家生物質(zhì)發(fā)電廠(chǎng)，總計(jì)輸出綠色電力 79.4 億千瓦時(shí)，使得農(nóng)民從秸稈銷(xiāo)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(yīng)用[9,10]。隨著根茬收獲機(jī)械的推廣、生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化技術(shù)的提高，玉米秸稈與根茬的潛在價(jià)值將會(huì)被發(fā)掘出來(lái)，并逐漸成為替代化石能源的重要生產(chǎn)資料。秸稈資源的合理利用將會(huì)給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)有著豐富的農(nóng)作物根茬與秸稈來(lái)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(gè)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(shí)間上來(lái)說(shuō)，玉米種植面積隨著時(shí)間推移是不斷擴(kuò)大的。自 20 世紀(jì) 80 起，雖然中間個(gè)別年份有種植面積所減少，但總體種植面積在持續(xù)增長(zhǎng)。進(jìn)入新世紀(jì)以后，玉米種植面積連續(xù)增加，到 2012 年，玉米種植面積達(dá)到 3503 萬(wàn)公頃，占糧食作物種植總面積的 21.44%，產(chǎn)量達(dá)到 20561.4萬(wàn)噸[13]。 
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1.2   研究現(xiàn)狀 我國(guó)玉米種植區(qū)域廣泛，不同地區(qū)的耕作模式、種植結(jié)構(gòu)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(duì)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(duì)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(qiáng)土壤酶活性，酶活性的增強(qiáng)對(duì)提高土壤微生物活性有顯著效果，且在玉米生長(zhǎng)旺盛時(shí)期（播種 60 天）出現(xiàn)最高峰。同時(shí)，根茬腐爛之后還可以促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)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(guó)東北地區(qū)，玉米收獲之后天氣轉(zhuǎn)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(méi)有足夠的時(shí)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(yīng)性和大范圍的推廣應(yīng)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(diǎn)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(duì)大氣的污染[25-28]：燃燒產(chǎn)生大量白色粉末狀固體導(dǎo)致空氣中的顆粒物含量增加，同時(shí)降低空氣的能見(jiàn)度，粉末狀飄散的白色顆粒物直接影響城市、高速公路、機(jī)場(chǎng)等地的能見(jiàn)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(zhǎng)的土壤環(huán)境入手，首先分析二者物理學(xué)特性，旨在獲得根茬、土壤的基本參數(shù)，同時(shí)考慮現(xiàn)有收獲機(jī)的參數(shù)以及使用要求，由此確立切挖裝置的設(shè)計(jì)依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，建立切茬刀和土壤相互作用的數(shù)學(xué)模型，分析切茬刀切挖機(jī)理。其次根據(jù)玉米根茬的質(zhì)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(jī)的配置形式及其相關(guān)參數(shù)，從而確定切挖裝置的整體設(shè)計(jì)參數(shù)。 

2.1   切挖裝置的設(shè)計(jì)依據(jù)
玉米根茬與土壤都是根茬切挖裝置的作業(yè)對(duì)象，所以根茬切挖裝置的設(shè)計(jì)與土壤的物理學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，研究耕層土壤和根茬的物理學(xué)特性對(duì)于根茬切挖裝置參數(shù)的確定至關(guān)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(zhì)和有機(jī)質(zhì)，礦物質(zhì)中包含大小不同的礦物質(zhì)顆粒，有機(jī)質(zhì)來(lái)自于農(nóng)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(jī)肥等[72]。土壤的物理學(xué)性質(zhì)與含水量、外界環(huán)境、黏粒數(shù)量、有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)，是多個(gè)影響因素綜合作用的結(jié)果，它是一個(gè)多相的、非均質(zhì)的、分散的、顆粒化的以及多孔的復(fù)雜系統(tǒng)[73]。 玉米根茬收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，根茬切挖裝置首先要將土壤破碎，破壞其團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，其次將裹帶土壤的玉米根茬從土壤中切割分離出來(lái)。
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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(jié)構(gòu)，形成了根茬-土壤復(fù)合狀態(tài)。傳統(tǒng)的平面鏟工作時(shí)只能從土壤底部切割根土復(fù)合體，而不能將側(cè)面的根茬切斷，同時(shí)，由于根土復(fù)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(duì)傳統(tǒng)平面鏟的強(qiáng)度提出新的要求�；趥鹘y(tǒng)平面鏟切割根土復(fù)合體方面的諸多限制，為了在根茬-土壤復(fù)合狀態(tài)下切割根茬，有必要對(duì)根茬-土壤復(fù)合體的切割機(jī)理進(jìn)行探究。根茬的切挖方式關(guān)系到最終的切割效果和機(jī)組的功耗，也關(guān)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(shì)必降低撿拾器作業(yè)效率甚至無(wú)法撿拾根茬[77,78]。單一從土壤底面切割的方式會(huì)給撿拾器帶來(lái)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(jī)組前進(jìn)方向上，從根茬的兩個(gè)側(cè)面利用豎刀將根茬與土壤分離，同時(shí)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(huì)在一定程度上造成壅土，在實(shí)際作業(yè)過(guò)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(gè)豎刀與底刀組合或兩把豎刀與底面刀結(jié)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(chóng)前足挖掘曲線(xiàn)提取與優(yōu)化 ....... 31 
3.1   金蟬若蟲(chóng)的生物學(xué)特征 ..... 31 
3.2   金蟬若蟲(chóng)前足表觀(guān)形態(tài) ..... 32 
3.3   前足曲線(xiàn)提取 ....... 33 
3.4   本章總結(jié) ........ 40 
第 4 章   切茬裝置模型建立與結(jié)構(gòu)優(yōu)化 .... 43
4.1   基于 Solidworks 的設(shè)計(jì)與分析方法 ....... 43 
4.2   切茬裝置的模型設(shè)計(jì) .......... 45 
4.2.1   牽引部件結(jié)構(gòu)模型 ....... 45 
4.2.2   切茬部件結(jié)構(gòu)模型 ....... 46 
4.3   基于整機(jī)模型的優(yōu)化設(shè)計(jì) ......... 48 
4.4   關(guān)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(jié) ........ 58 
第 5 章   切茬刀性能試驗(yàn) ....... 59 
5.1   試驗(yàn)設(shè)備與方法 .......... 59 
5.1.1   試驗(yàn)準(zhǔn)備 ......... 59 
5.1.2   試驗(yàn)因素設(shè)計(jì) ........ 61 
5.2   實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 .......... 62 
5.3   本章總結(jié) ........ 65 

第 5 章   切茬刀性能試驗(yàn) 

5.1   試驗(yàn)設(shè)備與方法 

試驗(yàn)?zāi)康闹饕菧y(cè)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(duì)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(yàn)需要加工的刀片模型如圖 5.1 所示。 試驗(yàn)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(dá)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(qiáng)度高，韌性好，能夠滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。刀片加工設(shè)備采用 Makerbot Replicator  系列 3D 成型設(shè)備。 Makerbot Replicator 是美國(guó) Makerbot 公司研發(fā)的桌上型 3D 打印機(jī)，實(shí)驗(yàn)采用 2014年發(fā)布的 Replicator 第五代產(chǎn)品進(jìn)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(zhì)量良好，仿生齒形表達(dá)準(zhǔn)確，邊角無(wú)毛刺。 

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結(jié)論

根茬切挖是玉米根茬收獲的首要工作，對(duì)玉米根茬收獲機(jī)的收獲質(zhì)量有著較大影響。本文設(shè)計(jì)了一種新型的玉米根茬切割裝置，并對(duì)切茬關(guān)鍵部件進(jìn)行深入的理論分析和試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：
1、通過(guò)對(duì)玉米根茬的質(zhì)量分析發(fā)現(xiàn)：玉米根茬的質(zhì)量 90%分布在 0-150mm 根深范圍內(nèi)，0-100mm 范圍根茬質(zhì)量隨著根深的增加增幅較大，，100-150mm 質(zhì)量增加不明顯，300mm 以下深度范圍內(nèi)只分布著少量須根；玉米根幅半徑在 0-100mm 范圍時(shí)根茬質(zhì)量隨根幅增加的較快，100mm 之后根茬質(zhì)量逐漸趨于穩(wěn)定，根茬 90%的質(zhì)量集中在根幅半徑 100mm 內(nèi)，根幅半徑為 150mm 的范圍內(nèi)約占據(jù)根茬總質(zhì)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(jié)合的根茬切割方式，其中底部刀片有效刃口長(zhǎng)度應(yīng)大于 160mm，豎刀刃口長(zhǎng)度大于 150mm。通過(guò)對(duì)刃口某一點(diǎn)受力分析得到：刃口與前進(jìn)方向的夾角小于 62°時(shí)能夠保證滑切作用。根據(jù)現(xiàn)有的機(jī)型的和配套拖拉機(jī)的參數(shù)，設(shè)計(jì)根茬切挖裝置采取對(duì)行切挖的方式，切茬刀間距可以根據(jù)行距的不同進(jìn)行調(diào)整。 
3、觀(guān)察金蟬若蟲(chóng)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(xué)設(shè)計(jì)提供參考。通過(guò)矢量化軟件處理得到蟬若蟲(chóng)前爪矢量圖，提取出切齒曲線(xiàn)，并利用 Origin 對(duì)得到的曲線(xiàn)進(jìn)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(xiàn)(略)

本文編號(hào)：44141