第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
芦苇是禾本科多年生草本植物，分布广泛、适应性强、生长快、产量高且不需要施肥。目前，我国现有 14 个芦苇主产区，面积达到了 130 万 hm2 以上（杨允菲 等，1998；蒋怡乐 等，2013）。近年来，随着国家调整产业结构，经济发展模式转变，芦苇更多的新用途被开发了出来，如纤维、半纤维作为重金属吸附材料（李姗姗 等，2015；张文明 等，2015），青储饲料（衣巴代提?衣米提 等，2015），生物质能源（Lu et al.，2013；Luigi et al.，2016）等。然而，我国的芦苇绝大部分生长在沼泽地以及湖区的芦苇荡中，这些地方水多、泥泞，同时还常常伴有风吹和虫害，导致芦苇茎秆倒伏或相互交错缠绕，都给收获作业带来困难（舒彩霞 等，2002）。
在现阶段，国内外对作物的收获装备具有着广泛深入的研究。其中，我国对于细矮茎秆作物例如小麦、水稻以及牧草等作物的收获技术已经趋于成熟，并进行了广泛的推广应用。以小麦为例，根据农业农村部 2019 年的数据显示，我国小麦机械收获率已高达 96%，创历史新高，在全国范围内小麦联合收割机已超过 40 万台。与此同时，对于例如甘蔗以及青储饲料等经济作物的茎秆切割技术研究也得到了相当的发展和进步。然而，对于高粗硬作物如工业大麻、苎麻特别是芦苇的切割技术的研究还尚在起步阶段。
目前，人们收获芦苇至今仍采用传统的人工收割，存在着劳动强度大、效率低下以及割茬高、损失严重等问题；特别是近些年以来，随着农村劳动力往城镇转移，农村劳动力成本迅速上升，收获成本与日俱增。而且，由于芦苇未能及时收获，导致大量的成熟芦苇损失在田间，造成一种丰产不丰收的局面。经过计算分析，实施芦苇的机械化收获，其收获效率是人工收获的 40~50 倍，而成本仅为人工收获的 20%~30%（廖庆喜 等，2005）。因此，对芦苇机械化收获的研究具有重大意义，对我国调整产业结构的布局具有支撑作用。
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1.2 国内外研究概述
1.2.1 国外研究现状
国外最早采用水草收割船收割芦苇，并取得了一定的研究成果。早在 20 世纪 50 年代，我国就采用专用液压机械在河道中进行除草作业。荷兰 IHC CO KONIJIN 机械厂于 1958 年研制出 H系列两栖挖泥船共 6 个型号，随后又研制出 M 系列、S 系列、FB 系列等多个系列的机器；荷兰HERDER 公司也开始研制各种 各种型号的河道除草机。最初的河道除草机是一种割地机。该机在液压挖掘机或农用拖拉机上装有切割装置。将河道、沟渠中的芦苇割断后打捞上岸。整机需要在岸上作业。范围受到很大的限制，离岸边太远的芦苇无法收割。因此，在水中工作的芦苇收获机械已进入研究阶段。国外芦苇收割机厂家最有影响的是美国 AQUAMARINE 公司开发的 H 系列产品；英国 ROBE 公司开发的 Oibeaux 系列水上割草机；英国 JOHNWILDER(工程)公司也开发了自己的系列产品；澳大利亚、日本、俄罗斯、德国都有类似产品。（杨诗鸿，1997）。
经过数十年的努力，芦苇的主要产地罗马尼亚和前苏联，基本都研制出了适合本国的芦苇收获机机型。由于这些机器的机械成本、动力选择和适应性等原因，这些产品无法直接引进中国使用。2001 年，意大利纽荷兰农业机械公司的工程师在中国考察了芦苇播种机。2001 年，意大利纽荷兰农业机械公司的工程师考察了湖北省的芦苇种植区和芦苇材料特性。他们得到的结论是，受芦苇生长状态、地表和作物特性等因素影响，收割难度很大。目前，这家公司已经在原有收草机的基础上进行了系统改造，但成本过于高昂，高达 200 万元，所以至今未在我国高秆芦苇种植区进行适应性试验。
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第二章 芦苇茎秆物料特性试验与分析
2.1 试验材料
芦苇，禾本科多年生草本植物，质地较硬，成熟期芦苇一般可高达 2000~6000mm，粗达10~20mm；芦苇的纤维长度为 1.28mm，宽 14.6μm（甄国庆 等，2005），花果期为每年的 9 到 12月份。
试验设备主要有：电热恒温干燥箱、摩擦角测量平面（碳素钢、聚氯乙烯）、皮尺、卷尺、游标卡尺、电子秤、剪刀等。
于 2019 年 11 月 3 日在位于无锡高新技术开发区的野生芦苇地采集实验材料。用来做实验的芦苇见下图 2-1。经测量芦苇茎秆高度为 2000~4000mm，底径宽 12~16mm。随机选取并采集那些茎秆笔直、底径宽约 14mm、无虫害、无损伤的芦苇茎秆作为实验材料。将芦苇的底部剪掉，确保其剩余高度为 200mm，然后用塑料袋密封，保证在 72 小时内完成实验。
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2.2.1 茎秆力学特性试验
1）试验设备和试验材料
试验采用 WDW-10 微机控制电子万能试验机，通过力传感器和位移传感器收集试验过程中载荷和位移的变化量，精度在±1%内，最大试验力为 10KN，还包括与试验机配套的专用测试夹具、试验压块、游标卡尺、直尺、剪刀等辅助工具。试验试样处理后如下图 2-2 所示，图 a 是用来做径向压缩的试样，图 b 是用来做拉伸的试样，图 c 是用来做弯曲和剪切试验的试样。
径向压缩试验将茎秆截面制作成近似矩形，试样的长度大约 20mm，宽度大约为 10mm，用游标卡尺测量出茎秆的厚度,万能试验机施加＜5N 的预紧力，试验加载速度为 2mm/min，进行 20组重复压缩试验。
拉伸试验选用茎秆底部相同部位的材料作为试样，规格为长×宽×厚，长度大约为 50mm，截面近似为矩形，宽度近似为 10mm，厚度为木质层和韧皮层厚度之和，中间有效部分和两端加持部分采用圆弧过渡。用游标卡尺测量试验各部分的长度，启动万能试验机施加＜5N 预紧力，加载速度为 5mm/min，对 20 组试样进行重复拉伸试验。
弯曲试验，截取茎秆长度大约为 100mm，截面近似为圆形，将茎秆安装在剪切夹具上，启动万能试验机施加＜5N 预紧力，加载速度为 5mm/min，对 20 组试样进行重复弯曲试验。 ...........................
第三章 割台参数确定及运动分析 ....................................... 20
3.1 拨禾轮性能参数及运动分析 ........................... 20
3.1.1 拨禾轮运动参数 .......................... 21
3.1.2 拨禾轮运动分析 ............................... 22
第四章 割台运动学及动力学仿真分析 ..................................... 32
4.1 ADAMS 软件简介 .................................... 32
4.2 拨禾轮运动学仿真 ....................................... 32
第五章 芦苇切割试验 ..................................... 42
5.1 试验装置 ...................................... 42
5.2 试验材料和方法 ....................... 42
第五章 芦苇切割试验
5.1 试验装置 本切割试验台主要由往复式切割装置、茎秆输送装置、数据采集测控装置和动力装置等组成。为模拟收割机真实田间作业情况，采用茎秆输送装置进行茎秆的喂入，保持切割装置静止，切割装置结构参数与样机一致，采用往复式单动刀切割形式。
切割装置通过调速电机调节切割速度，刀杆部件安装在机架上，通过更换刀杆部件改变刀片类型，在切割装置上安装有拉压力传感器和位移传感器，用于测量刀杆动力和位移变化。茎秆输送装置通过调速电机调节前进速度，根据工业大麻植株田间种植情况，按照测量株距和行距值将茎秆固定在夹持构件中。数据采集测控装置主要通过控制面板输入运动参数，实现对调速电机进行调速和正反转，同时在控制面板中可以实时显示试验测试数据，切割试验台与数据数据采集装置如图 5-1 和 5-2 所示。
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第六章 结论与展望
6.1 结论
本文在对芦苇物料特性进行研究的基础上，将数字化设计技术应用在芦苇收割机割台主要工作部件的仿真优化中。开展芦苇试验台切割试验，进一步对割台参数进行优化。本文研究结论如下：
1）对无锡高新技术区采集的芦苇进行物料特性的测定，测得：芦苇茎秆平均高度为 4580mm，距茎秆根部 200mm 处的茎秆平均直径为 15.64mm，含水率为 74.6%。对茎秆进行力学特性试验，经试验所得数据分析可得: 剪切试验最大剪切力平均值为 348.1N，剪切强度平均值为 0.91Mpa；压缩试验最大压力平均值为 140.8N，抗压强度平均值为 0.66Mpa；拉伸试验最大拉力平均值为772.7N，抗拉强度平均值为 37.998Mpa。
2)对拨禾轮以及切割装置进行理论分析，确定了各个参数的相互关系及取值范围；对拨禾轮进行运动分析，求解了拨禾轮安装位置的方程组，并建立了拨禾轮安装位置的数学模型；使用Matlab 对模型求解，得出芦苇茎秆垂直喂入且不发生“回弹”现象时的拨禾轮作用范围以及拨禾轮前移范围与轮速比之间的关系；对切割装置进行了参数分析，分析得到：割刀切割角设计满足夹持条件；割刀位移、速度、加速度运动规律是关于时间的正弦函数；割刀传动机构的惯性力能够局部平衡减小机架的振动。
3）运用 ADAMS 软件，将拨禾轮以及切割装置模型进行一定的简化，最后添加约束开始进行运动学和动力学的仿真；以轮速比作为变量，对拨禾轮前移范围以及拨禾轮作用范围进行仿真，并将最后的结果与理论分析进行对比验证；对切割装备切割性能及惯性力平衡进行仿真分析，对切割装备中的连杆长度进行优化。
4）为检验切割装置的各因素对性能的影响，确定最佳参数组，以切割速度、刀片长度和前进速度为试验因素，切割效率、切割功率和失败率为评价指标进行试验台切割试验，通过响应面法方案设计，并建立回归模型，分析得到：切割效率顺序为前进速度、切割速度、刀片长度；切割功率顺序为切割速度、前进速度、刀片长度；失败率顺序为前进速度、切割速度、刀片长度，并且只有切割速度与前进速度对切割效率与失败率的交互作用显著，其他都不显著。多目标参数优化得到最佳参数组合为切割速度 1.2m/s、刀片长度 120mm、前进速度 0.6m/s，此时切割效率 38.92株/s、切割功率 776.37w、失败率 6.24%。最后在无锡市高新区芦苇田里进行了田间试验对优化后的最优参数组合进行验证。
参考文献（略）