切割角对玉米茎秆切割力影响的试验研究

摘要：本文采用电子万能试验机，测量了成熟期玉米茎秆底部的切割力和能量损耗，并分析其与茎秆尺寸、切割角的关系，得出玉米茎秆的切割力、所需能量随玉米茎秆直径增大而增大，随切割角度增大而减小，为玉米茎秆收割装置提供依据。

关键词：玉米茎秆；剪切；切割力；切割角度

玉米是一种种植面积极广的经济作物，籽粒可加工为食物，秸秆则可加工为饲料。在奶牛等反刍牲畜饲养过程中，青贮玉米秸秆是主要的粗饲料资源。玉米秸秆的收割及加工设备

有玉米秸秆收割机[1-3]、破茬机[1]、切碎机[2，3]和联合收割机等，切割器主要为圆盘式[2，3]。玉米茎秆收割切碎过程即为割刀对茎秆的剪切作用，分析茎秆的剪切力学特性，以及切割力[4-7]和能量损耗[8]和切割角的关系，可为相关机械的设计和改进提供合理参数和依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验样本

试验样本选自甘肃省农科院试验田成熟期富农1号玉米秸秆鲜样，将秸秆去除根叶和泥土，取自根部向上10cm待用。

1.2 试验设备

试验采用SANS万能材料试验机[5]，主体部分包括试验台、传感器以及安装配套软件的计算机，加载速率50mm/min。

1.3 试验方法

因玉米收割机割茬一般在3-5cm，采用游标卡尺测量茎秆距离根部5cm处的直径。由于茎秆横截面不是规则的圆形，取同一高度不同方向的其平均值。

刀片固定在试验机上夹头，玉米茎秆放在试验台上，试验时通过改变玉米茎秆的摆放位置改变切割角。切割角指切割面与横截面所夹角度，横切指切割面、切割方向与茎秆轴线垂直，如图1（a）所示；斜切是指切割面与茎杆轴线偏斜，但切割方向与茎秆轴线垂直，如图1（b）所示。本文测试了横切、15°、30°、45°斜切时的切割力和能量损耗。剪切试验结束后将试验用茎秆用烘干法测定其含水率为53%。

切割力、能量损耗随秸秆直径增大而增大，增长趋势与切割角有关。因玉米茎秆的纵向抗拉强度远大于横向抗拉强度，横切时需要克服茎秆纵向的抗拉强度，切割力较大，且随直径的增长趋势较大，如图2所示。 2.2 切割力、能量损耗与切割角的关系

因取样的限制，玉米茎秆的尺寸各不相同，在分析切割角的影响时，可取相近的尺寸在不同切割角下的结果，本文选择的是直径16±1mm的试样结果进行分析。

如图3所示，随着切割角角度的增大，切割力和能量逐渐减小。试验中还发现，横切和切割角小于30°的斜切时断面整齐，切割效果好；而当切割角较大时，断面处茎秆表层撕裂，切割面积增大，切割时间增长，消耗的功率增大。故切割角为30-45°时，切割力、能量损耗较小，且切割效果较好，可作为设计的参考。

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作者简介：张雪坤 （1985-），女，安徽阜阳人，助教，硕士，研究方向：固体力学。