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【摘要】灌木用途广泛，极具开发利用前景。目前灌木收割设备存在效率低、适用性差、劳动强度大等缺陷。本文就针对灌木茎秆的物理力学性质、切割机理、切割器等方面进行了研究，为灌木切割提供参考。
【关键词】灌木；力学性质；切割机理；切割器
灌木生态适应性强，具有防风固沙、涵养水源、调节气候等生态效应。据统计，我国现有灌木林地总面积4529.68万hm2，占全国林地总面积的16.02%，到2010年灌木林面积将达1340万hm2，灌木林总生物量将达2.02亿t。灌木生物基产品种类众多，可用于生产人造板、制浆造纸、酿酒、保健食品和饮料加工业。灌木的叶片、嫩枝条富含粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、可溶碳水化合物等，牲畜适口性好，可作为饲料。根据灌木的生长特性，一般3～5a需要平茬1次，以促进根系生长，丛落扩大，生物量积累增加，进而更好地发挥其生态作用。我国现有灌木收割方式大多为人工收割，劳动强度大、效率低、安全性差，而且极容易伤及灌木根部，影响其复壮，因此研究灌木的切割机理，设计新型灌木收割设备，是合理利用灌木资源和防止土地沙化的關键之一。
1.灌木力学性能
灌木是没有明显主干的木本植物，其茎秆横断面由外向内依次为木质部、韧皮部、髓心。根据木材生理性质的研究结果，灌木茎秆在轴向和径向的组织结构不同，故在不同方向上必然表现出不同的物理力学性质，即各相异性。因而在切割灌木过程中受到各种不同外载荷的综合作用，如抗弯、抗压、抗剪切和抗撕裂等。研究灌木茎秆的物理力学性质对了解灌木的切割过程、设计割灌设备具有重要的意义。
2.灌木收割机械发展现状
灌木收割机械按牵引方式可分为手持式、悬挂式及自走式。手扶式割灌机发展最为成熟，国内外均已广泛应用。该类割灌机大都以小型二冲程汽油机为动力，割刀刀片有一字刀、十字刀、三角刀、圆盘刀等类型，适用于切割直径较小灌木。但因其收割效率低，对使用者身心伤害大等缺点，无法在收割大面积灌木资源中推广使用。在悬挂式及自走式割灌机研究领域中，国外起步较早，技术相对成熟，其主要用途为清理林地。我国在该领域尚存空白，现已成为大面积利用灌木林资源的主要瓶颈之一。北京林业大学俞国胜教授研制的步进手扶式割灌机，以一台7.7kW的汽油机为动力，其切割器采用3圆锯片设计，经测试可应用于大面积灌木平茬作业且灌木复萌率良好。
3.灌木切割机理
灌木切割机理的研究可分为宏观和微观2个方面。微观领域主要研究灌木纤维在切割过程中的拉伸、挤压、断裂等变化。马永康等通过对柠条的切割机理进行研究后指出，在切割过程中刃口挤压导致纤维层之间发生相对滑移进而发生剪切破坏并最终剪下枝条。在灌木切割机理的宏观领域研究中，灌木切割方式可分为正切和斜切。切割方向与刃口法线重合为正切。正切过程中，刀片切割断面的楔角就是刀片的几何角度；切割方向与刃口法线成一定角度为斜切。在斜切过程中，刀片切割断面时的楔角比刃口法线上的楔角要小，相当于变锋利了。
研究表明，切割灌木的时机选择应尽量在灌木茎秆含水率低时进行，此时灌木纤维韧性较小，受刀具挤压时更容易发生断裂，进而更易切割；斜切较正切省力。采用斜切能降低所需切割力，故能降低切割器动力驱动装置的最大功率及体积；滑切角的选择应适宜，在一定范围内增大滑切角，能起到减小实际切割楔角的作用，降低切割力。当滑切角大于一定角度时，灌木茎秆则会相对刀刃滑动而脱离刀刃，反而无法进行切割。
4.灌木切割器
结合灌木切割机理，设计灌木收割机械的切割器是整机研究的重点。目前在农林业广泛应用的切割器主要可分为往复式、圆盘式、循环式3种。其中，往复式和圆盘式研究较早，技术成熟，应用较多。循环式综合了往复式和圆盘式的特点，正处于研发试验阶段。
4.1往复式切割器
往复式切割器由于结构简单，可靠性高，且是有支撑切割，切割质量好，被广泛应用于农林业收获机械中。其主要组成部分包括：动刀片、定刀片、护刃器、压刃器、摩擦片、刀杆等。按照动刀的数目可分为单动刀与双动刀2种。单刀往复式切割器适合切割大直径作物茎秆，属于大功率重载切割，振动较大，适用于自走式或悬挂式机械。双刀往复式切割器往复速度快，易于切割小直径作物茎秆，振动小，属于小功率轻载切割，适用于轻型机械。往复切割器的研究主要集中在往复驱动结构、刀齿参数、割茬高度，重割漏割、往复惯性力平衡等方面。
4.2圆盘回转式切割器
圆盘回转式切割器属于无支撑切割，按割盘数目可分为单圆盘和多圆盘2类。目前小型整秆式收割机上普遍采用单圆盘式切割器，多圆盘切割器在切段式收割机上应用较多。圆盘切割器的研究内容主要包括切割转速、圆盘倾角、刀刃形状、漏割重割以及模拟仿真等。
王飞对圆锯片切割新鲜柠条试件的消耗功率、劈裂和烧焦现象进行研究，试验以圆锯片的切割转速、进给速度以及锯片种类为可变参数，结果表明，采用不同锯片以不同进给速度锯切灌木试件所需临界切断速度不同；前倾角较大的锯片，切割同直径灌木试件时所消耗的功率明显较少。
5.结论
5.1存在的问题
我国对灌木收获设备的研究尚处于起步阶段，相关的科研单位和组织较少，研究内容和深度均远远不够，无法满足新形势下灌木林大面积利用的要求。同时，由于缺乏统一的试验准则，对于灌木物理力学性能的试验结果缺乏可信度且相差较大，无法代表灌木真实物理力学性质。灌木收获设备种类少，大都为农用收获机械仿制改进的，针对性和适用性不强。
5.2改进和提高建议
5.2.1规范灌木物理力学性能试验准则
由于灌木受自身生长条件限制，其直径与普通木本植物相差较远，因此无法按照木本植物的试验要求制成相应的试件，这直接导致试验结果的不准确。故需制定统一的灌木物理力学性能试验准则，建立多种常见灌木品种的物理力学性能数据库，方便设计切割机具时查阅。
5.2.2收割机械应更具针对性
目前大多数的灌木收割设备由普通农用收获机具所改进，无法满足灌木高效收割的要求。灌木在切割过程中，对割茬高度和割面质量有严格要求。如果割茬高度过低，则在沙漠地区容易受风沙掩埋，以致灌木无法复壮成长，反而造成沙化更趋严重。因此割茬机具应具备高度可调性，以实现在不同地区作业时满足灌木复壮割茬高度的要求。割面质量对复萌率影响重大，灌木割茬后其切割断面应为圆形或椭圆形，尽量减少烧焦和挤压等对复萌的影响。
5.2.3刀齿形状应深入研究
切割器的刀齿形状和材料直接关系到实际切割力的大小，不同的切割方式与不同的刀齿形状配合才能达到最优的效果。在刀齿形状的设计中，可以采用Matlab数值模拟和有限元技术等相结合。
5.2.4完善相应配套设备
灌木资源利用是一套系统工程，包括收割、收集、筛选分类等。完善各个组成部分使之成为一个整体。■
【参考文献】
［１］俞国胜.中国林木生物质能源开发利用技术设备研究[J].中国林业产业,2006(1):22—34．
［２］张桂兰,高志悦,王喜明.3种沙生灌木材材性及削片刨花制板工艺研究[J].木材学报，2006(7)：10-12．
［３］田金芳.柠条材切削特性的研究[D].呼和浩特:内蒙古农业大学,2007．
［４］马永康.柠条切割机理及收割机切割器设计研究[J].山西农业大学学报,2006(6):119—122．
【关键词】灌木；力学性质；切割机理；切割器
灌木生态适应性强，具有防风固沙、涵养水源、调节气候等生态效应。据统计，我国现有灌木林地总面积4529.68万hm2，占全国林地总面积的16.02%，到2010年灌木林面积将达1340万hm2，灌木林总生物量将达2.02亿t。灌木生物基产品种类众多，可用于生产人造板、制浆造纸、酿酒、保健食品和饮料加工业。灌木的叶片、嫩枝条富含粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、可溶碳水化合物等，牲畜适口性好，可作为饲料。根据灌木的生长特性，一般3～5a需要平茬1次，以促进根系生长，丛落扩大，生物量积累增加，进而更好地发挥其生态作用。我国现有灌木收割方式大多为人工收割，劳动强度大、效率低、安全性差，而且极容易伤及灌木根部，影响其复壮，因此研究灌木的切割机理，设计新型灌木收割设备，是合理利用灌木资源和防止土地沙化的關键之一。
1.灌木力学性能
灌木是没有明显主干的木本植物，其茎秆横断面由外向内依次为木质部、韧皮部、髓心。根据木材生理性质的研究结果，灌木茎秆在轴向和径向的组织结构不同，故在不同方向上必然表现出不同的物理力学性质，即各相异性。因而在切割灌木过程中受到各种不同外载荷的综合作用，如抗弯、抗压、抗剪切和抗撕裂等。研究灌木茎秆的物理力学性质对了解灌木的切割过程、设计割灌设备具有重要的意义。
2.灌木收割机械发展现状
灌木收割机械按牵引方式可分为手持式、悬挂式及自走式。手扶式割灌机发展最为成熟，国内外均已广泛应用。该类割灌机大都以小型二冲程汽油机为动力，割刀刀片有一字刀、十字刀、三角刀、圆盘刀等类型，适用于切割直径较小灌木。但因其收割效率低，对使用者身心伤害大等缺点，无法在收割大面积灌木资源中推广使用。在悬挂式及自走式割灌机研究领域中，国外起步较早，技术相对成熟，其主要用途为清理林地。我国在该领域尚存空白，现已成为大面积利用灌木林资源的主要瓶颈之一。北京林业大学俞国胜教授研制的步进手扶式割灌机，以一台7.7kW的汽油机为动力，其切割器采用3圆锯片设计，经测试可应用于大面积灌木平茬作业且灌木复萌率良好。
3.灌木切割机理
灌木切割机理的研究可分为宏观和微观2个方面。微观领域主要研究灌木纤维在切割过程中的拉伸、挤压、断裂等变化。马永康等通过对柠条的切割机理进行研究后指出，在切割过程中刃口挤压导致纤维层之间发生相对滑移进而发生剪切破坏并最终剪下枝条。在灌木切割机理的宏观领域研究中，灌木切割方式可分为正切和斜切。切割方向与刃口法线重合为正切。正切过程中，刀片切割断面的楔角就是刀片的几何角度；切割方向与刃口法线成一定角度为斜切。在斜切过程中，刀片切割断面时的楔角比刃口法线上的楔角要小，相当于变锋利了。
研究表明，切割灌木的时机选择应尽量在灌木茎秆含水率低时进行，此时灌木纤维韧性较小，受刀具挤压时更容易发生断裂，进而更易切割；斜切较正切省力。采用斜切能降低所需切割力，故能降低切割器动力驱动装置的最大功率及体积；滑切角的选择应适宜，在一定范围内增大滑切角，能起到减小实际切割楔角的作用，降低切割力。当滑切角大于一定角度时，灌木茎秆则会相对刀刃滑动而脱离刀刃，反而无法进行切割。
4.灌木切割器
结合灌木切割机理，设计灌木收割机械的切割器是整机研究的重点。目前在农林业广泛应用的切割器主要可分为往复式、圆盘式、循环式3种。其中，往复式和圆盘式研究较早，技术成熟，应用较多。循环式综合了往复式和圆盘式的特点，正处于研发试验阶段。
4.1往复式切割器
往复式切割器由于结构简单，可靠性高，且是有支撑切割，切割质量好，被广泛应用于农林业收获机械中。其主要组成部分包括：动刀片、定刀片、护刃器、压刃器、摩擦片、刀杆等。按照动刀的数目可分为单动刀与双动刀2种。单刀往复式切割器适合切割大直径作物茎秆，属于大功率重载切割，振动较大，适用于自走式或悬挂式机械。双刀往复式切割器往复速度快，易于切割小直径作物茎秆，振动小，属于小功率轻载切割，适用于轻型机械。往复切割器的研究主要集中在往复驱动结构、刀齿参数、割茬高度，重割漏割、往复惯性力平衡等方面。
4.2圆盘回转式切割器
圆盘回转式切割器属于无支撑切割，按割盘数目可分为单圆盘和多圆盘2类。目前小型整秆式收割机上普遍采用单圆盘式切割器，多圆盘切割器在切段式收割机上应用较多。圆盘切割器的研究内容主要包括切割转速、圆盘倾角、刀刃形状、漏割重割以及模拟仿真等。
王飞对圆锯片切割新鲜柠条试件的消耗功率、劈裂和烧焦现象进行研究，试验以圆锯片的切割转速、进给速度以及锯片种类为可变参数，结果表明，采用不同锯片以不同进给速度锯切灌木试件所需临界切断速度不同；前倾角较大的锯片，切割同直径灌木试件时所消耗的功率明显较少。
5.结论
5.1存在的问题
我国对灌木收获设备的研究尚处于起步阶段，相关的科研单位和组织较少，研究内容和深度均远远不够，无法满足新形势下灌木林大面积利用的要求。同时，由于缺乏统一的试验准则，对于灌木物理力学性能的试验结果缺乏可信度且相差较大，无法代表灌木真实物理力学性质。灌木收获设备种类少，大都为农用收获机械仿制改进的，针对性和适用性不强。
5.2改进和提高建议
5.2.1规范灌木物理力学性能试验准则
由于灌木受自身生长条件限制，其直径与普通木本植物相差较远，因此无法按照木本植物的试验要求制成相应的试件，这直接导致试验结果的不准确。故需制定统一的灌木物理力学性能试验准则，建立多种常见灌木品种的物理力学性能数据库，方便设计切割机具时查阅。
5.2.2收割机械应更具针对性
目前大多数的灌木收割设备由普通农用收获机具所改进，无法满足灌木高效收割的要求。灌木在切割过程中，对割茬高度和割面质量有严格要求。如果割茬高度过低，则在沙漠地区容易受风沙掩埋，以致灌木无法复壮成长，反而造成沙化更趋严重。因此割茬机具应具备高度可调性，以实现在不同地区作业时满足灌木复壮割茬高度的要求。割面质量对复萌率影响重大，灌木割茬后其切割断面应为圆形或椭圆形，尽量减少烧焦和挤压等对复萌的影响。
5.2.3刀齿形状应深入研究
切割器的刀齿形状和材料直接关系到实际切割力的大小，不同的切割方式与不同的刀齿形状配合才能达到最优的效果。在刀齿形状的设计中，可以采用Matlab数值模拟和有限元技术等相结合。
5.2.4完善相应配套设备
灌木资源利用是一套系统工程，包括收割、收集、筛选分类等。完善各个组成部分使之成为一个整体。■
【参考文献】
［１］俞国胜.中国林木生物质能源开发利用技术设备研究[J].中国林业产业,2006(1):22—34．
［２］张桂兰,高志悦,王喜明.3种沙生灌木材材性及削片刨花制板工艺研究[J].木材学报，2006(7)：10-12．
［３］田金芳.柠条材切削特性的研究[D].呼和浩特:内蒙古农业大学,2007．
［４］马永康.柠条切割机理及收割机切割器设计研究[J].山西农业大学学报,2006(6):119—122．