圆盘锯切技术在农机领域的研究现状及展望

刘海涛，邓干然，何冯光，郑 爽，周思理，王系林

（1.华中农业大学工学院，湖北 武汉 430070；2.中国热带农业科学院农业机械研究所，广东 湛江 524091；3.农业农村部热带作物农业装备重点实验室，广东 湛江 524091）

0 引言

随着社会的发展，农业生产对机械化作业的需求不断提高，越来越多的先进工业技术不断被应用到农机装备领域，解决了农业机械化的专业技术来源问题。发展适用于农业领域的机械化手段是解决专业技术短缺、加快农业生产机械化和促进农机农艺融合的重要途径[1]。传统的人工切割作业如茎秆类作物收获、枝条修剪等，大多耗时耗力、效率低下，随着农村劳动力短缺、劳动力人口老龄化日益加剧，加快研究适用于农业工程领域的机械化切割手段对解决农村发展困境和实现农业机械化有着重要意义[2]。

圆盘锯切技术作为常见的切割技术，因操作简单、加工效率高、切削性能优越等特性，最初广泛应用于工业领域，如木材、石材、塑料等多种材料的切割[3-4]。而圆盘锯切的方式同样符合农业机械结构简单、适用面广、作业效率高的要求，逐步应用于作物收获、粉碎灭茬、枝条修剪等领域。随着在农业领域应用的不断增多，圆盘锯切和往复式切割、循环式切割、甩刀式砍切共同成为农业机械领域4种最常用的切割方式[5-7]。

圆盘锯根据材料的不同可分为高速钢圆盘锯、硬质合金圆盘锯、镶齿合金圆盘锯、金刚石圆盘锯4种[8]，其中硬质合金圆盘锯在切断木质茎秆和植物纤维的切割效果最好。此外农业机械作业中的圆盘锯切方式主要为垂直于纤维方向运动的横截切割，故研究提及的圆盘锯种类均为硬质合金圆盘锯，切割方式均为横截切割。

1 国内外研究现状

1.1 圆盘锯工作参数优化

圆盘锯的工作参数包括结构参数和作业参数，结构参数包括锯齿参数（齿数、齿高、直径等）和锯齿角度参数（前角、后角、楔角、前面斜磨角等）2 大类[9-11]；作业参数包括圆盘锯进给速度、锯切速度、刀片安装倾角、目标直径等，不同的作业参数组合直接影响到圆盘锯的应力变化和模态响应，进而影响锯切质量[12]。

圆盘锯的使用大多依据人工经验来选择工作参数，缺少科学、合理的判断依据，存在因为参数选择不合理而造成切割质量差、功率能耗高的问题。为此，国内外专家学者使用有限元仿真、正交试验等方法探究切割过程中影响切割效果的工作参数及其主次顺序，从而选出最优参数组合来提高切割效率并降低功耗。

廖宜涛等[13]基于ANSYS/LS-DYNA 有限元仿真软件建立了圆盘锯-芦竹切割显示动力学模型，模拟了芦竹切割过程并获取了圆盘锯锯切芦竹过程的“载荷-位移”曲线，提出了“切割-进给速度”匹配修正系数概念，确定了切割芦竹时进给速度和锯切速度的最优组合，有效提高了切割质量。这是国内较早使用仿真寻优方法探究圆盘锯机构工作参数最优组合的研究，同时研究结果为芦竹收割机的优化提供了理论依据。

山东农业大学的张相恒[14]研究了圆盘锯桑条灭茬机行进速度与切割转速对茬口切割质量的影响，在切割-进给速匹配的修正系数的基础上提出了切割行驶速比（切割速度与行驶速度的比值），使用Hypermesh 与LS-DYNA 进行联合仿真，“桑条-圆盘锯”切割仿真模型如图1 所示。通过单因素仿真试验得出仿真最佳参数，并进行实地试验对仿真结果验证，结果表明，当行驶速度为0.35 m/s、转速为2 830 r/min 时，割茬损伤程度最小为2.54，试验结果与仿真结果接近。研究表明，在功率损耗和极限行驶速度（未切断而压断桑条的速度）要求允许的情况下，切割行驶比越大，切割效果越好、损伤程度越低，同时研究内容为草本桑条灭茬机的优化和切割行驶比的深入研究提供了理论基础。

图1 “桑条-圆盘锯”切割仿真模型

程卫华等[15]对圆盘锯式沙柳切割器进行作业优化，以齿数、齿厚、转速、每齿进量为因素，同时以转矩和功耗为评价标准进行单因素、多因素仿真试验。根据极差大小确定最优的工作参数组合，此时仿真锯切转矩为7.41 N·m，功耗为1 412 J。搭建试验平台验证仿真试验的准确性，各因素对转矩功耗的影响图2 所示。结果表明,使用仿真最佳参数得出的实际锯切转矩为7.55 N·m，功耗为1 514 J，分别与仿真试验数值模拟结果相差1.9%和7.2%，切割效果满足沙柳复壮要求。考虑到实际试验存在摩擦等增加功率的情况，功率差值在接受范围之内。研究表明，通过验证试验，进一步证明了仿真寻优方法可行性较高，与人工经验判断方法相比，仿真寻优的方法更为准确。

图2 锯切试验结果数据

张春龙等[16]研究了圆盘锯直径、齿数、锯切速度、进给速度对圆盘锯式割胶装置切割功耗的影响，构建了以锯切速度、进给速度、齿数为因素，以切割功耗为评价指标的模型，进行了三因素三水平正交试验。结果表明，各因素对切割功耗影响的主次顺序为圆盘锯齿数、进给速度、锯切速度、直径，同时得到在给定因素水平下，切割参数最佳组合为进给速度为30 mm/s、锯切速度为500 r/min、锯片齿数为10，此时电机切割功耗最小。研究表明，对切割参数进行仿真寻优选出最佳参数组合可大幅降低机构的切割功耗。

赵润茂等[17]依托万能试验机搭建了“圆盘锯-荔枝果梗”切割试验平台，研究果梗锯切功耗的影响因素。对影响因素进行单因素、多因素试验，并对数据进行分析处理。结果表明，影响锯切电机瞬时功耗峰值的主次因素依次为：锯切速度、进给速度、锯片齿前面斜磨角及齿数；并得出进给量（进锯时间）与瞬时功率（电流）之间的关系，电流-锯切时间变化如图3 所示。随着进给量的增加，锯片进给引起果梗与锯片的接触弧长与切削量增加，电机瞬时功耗逐渐上升，在直径一半处到达峰值；继续进给，电机瞬时功耗则逐步减小，直至果梗被完全锯断，与切入段恰为相反。此研究内容探究了影响果梗锯切功率的主次因素，并揭示了茎秆类切割过程中的通用规律。

图3 电流-锯切时间变化

李伟光等[18]分析了圆盘锯工作参数对锯切表面粗糙度的影响，通过单因素多水平试验设计分别比较了进给速度、径向侧后角、零径向侧后角对表面粗糙度的影响程度。结果表明，进给速度、径向侧后角与锯切表面粗糙度呈正相关，无零径向侧后角段锯齿锯切形成的表面粗糙度均高于具有零径向侧后角段锯齿。此研究表明，切削断面的表面粗糙度与锯痕深度有着密切关系，且进给速度越大、锯痕深度越大，则锯齿产生的表面粗糙度越低、效果越好。

此外，印度的BRAJESH NARE 等[19]设计了一种圆盘锯式甘蔗切种装置，并通过正交试验和多元回归分析影响切割质量的因素，得出不同的进给速度、进料速度和甘蔗直茎与切割扭矩和切割能耗的关系。蒋连琼[20]通过ANSYS/LS-DYNA 软件对枝条锯切过程进行了显示动力学仿真，得出了锯切速度、工进速度、枝条直径等工作参数与锯切力和锯切质量之间的关系。王小纯[21]采用有限元法对圆盘锯锯切枝条过程中的受力进行了细致的分析，得到了各个时刻的圆锯片受力及变形情况。尹益文等[22]通过设计棉杆切碎还田装置，对切割过程、锯切力进行分析，得到了影响锯切力的因素。宁夏大学的王雨桐[23]以枝条直径、枝条含水率、锯切速度、进给速度和锯切倾角为试验因素，设计单因素试验，并分析这些因素对切割功率和断面质量的影响规律。

1.2 圆盘锯结构优化的研究现状

1.2.1 圆盘锯轮廓曲线优化

王刚等[24]以棉蝗口器上颚切叶齿为原型并结合圆盘锯的结构，仿生设计了一款仿生锯片，其结构如图4 所示。该研究仿生圆盘锯锯齿较钝，没有普通锯齿锯片的刃角，由锯齿齿刃滑切茎秆，避免了刃尖直接刺入并切断茎秆而导致阻力增大的问题。在仿生圆盘锯与普通圆盘锯的玉米茎秆切割对比试验中，仿生圆盘锯的切割扭矩降低了14.89%，切割效率提高了18.49%，此外在锯切过程中也减少了切割碎屑的产生，让切割断面更整齐。

图4 仿生锯片结构

王波等[25]同样采用棉蝗上颚切齿叶为研究试样，通过对其结构及轮廓的分析，提取棉蝗切齿叶外轮廓设计出圆盘型锯片锯齿形状，使用ANSYS 软件对仿生锯片的锯齿和普通锯片锯齿进行了动力学和静力学分析。综合比较后发现，仿生锯片在受到外力作用时，能减小锯齿的变形且不产生过大的应力，综合性能比普通型锯片好。

基于两者的研究表明，圆盘锯的轮廓曲线优化是一个复杂的过程，而仿生设计通过提取自然界成熟的生物结构曲线对齿形轮廓进行设计，在圆盘锯齿形轮廓优化上有着比较大优势，同时为研究者提供了新颖的研究思路和有效的研究方法。

1.2.2 圆盘锯动态稳定性优化

圆盘锯在切削过程中由于转速极高、径厚比大、锯齿与材料碰撞、圆盘锯质量不平衡等原因，使其振动无法避免[26-27]。圆盘锯的振动直接影响着锯切质量和锯片寿命，振动过大还会影响作业动态稳定性，其剧烈振动产生的噪声也危害工作人员的身体健康[28]。

圆盘片工作时的振动特性比较复杂，主要包括扭转振动、径向振动和横向振动3 种振动形式[29]。圆锯片基体沿转轴轴向所做往复位移振动即为其横向振动，横向振动过大会增加锯路宽度、锯切功耗以及基体轴向变形量，是导致圆盘锯工作不稳定和基体失效的最主要因素[30-31]。此外，当工作附加的振动达到或接近固有频率时会出现共振现象，会导致出现“尖啸”噪音和横向振动大幅增加的情况，严重影响锯切的动态稳定性。为此国内外专家学者研究了影响圆盘锯动态稳定性如横向振动、模态、固有频率等因素和彼此之间的关系，并提出了减震降噪有效措施。

1.2.2.1 横向振动

MARUI E 和J.F.TIAN 等[32-33]对圆盘锯工作中由锯切力产生的横向振动机理、圆盘锯的超临界运转进行了研究，并对圆锯片切割引起的振动进行了模型分析，用于了解横向振动失稳的问题。南京林业大学的徐东镇[34]研究了圆锯片工作状态中的横向振动特性，结果表明，圆锯片的横向振动展现较弱的非线性特征，圆锯片切割状态的横向振动振幅小于其空载运转状态的横向振动振幅，建立了横向振动的运转速度与其倍频响应的联系。研究表明，圆锯片振动是典型的非线性振动问题，其中横向振动最能代表圆盘锯的振动特性，研究降低圆盘锯横向振动可直接提高工作状态下的动态稳定性。

1.2.2.2 模态分析

NICOLETTI N 等[35]用有限元法模拟圆盘锯的张紧状态以确定锯片的残余应力，并将其转化为圆盘锯的模态分析。CHEN K N 等[36]通过建立一个准确的有限元模型模拟实际圆盘锯作业过程，并对其进行有限元分析得到模态参数，接着对锯片上的纵向槽形状进行优化设计，最大程度减少分析结果误差和锯片运转速度间的频率差，进而减少圆盘锯结构体的共振现象。

张绍群等[37]使用ANSYS 有限元分析软件对圆盘锯进行模态分析，研究其低频范围的横向振动问题，并用动态信号测试分析系统对圆盘锯相应模态的固有频率进行测试。研究表明，在圆盘锯基体开减振孔可提高圆盘锯的锯切性能，降低其在工作时的横向振动。骆志高等[38]通过模态试验对比有无减振孔的圆盘锯前八阶振型及固有频率数值发现，有孔锯片的各阶对应的固有频率值有所下降，对应的同阶次振动强度和噪音也随之降低，锯片振动响应的振幅相应减小从而降低锯片的横向振动。

杨振等[39]使用ANSYS 软件对果树苗木平茬机构的圆盘锯切割部件进行横向振动的模态分析，通过函数推导出切割器的固有频率，并分析锯齿与圆盘锯固有频率的关系，通过有限元分析得出圆盘锯的前六阶极限转速和固有频率，田间试验最大振动损伤位移值为31 mm，有效降低了工作过程的茬口损伤，为切割器的设计优化提供理论依据和参考依据。研究表明，通过对圆盘锯的模态振型分析可知，圆盘锯的振动主要发生在锯齿边缘处，且刀盘外端边缘易产生振动弯曲。

济南大学的杨秀鲁[40]通过有限元模型模态分析，研究了具有不同结构要素的圆盘锯基体的固有频率、振型和频响特性。研究表明，锯齿形状、基体厚度、开孔形状这3 种结构要素对降低高频段固有频率有一定效果但不明显，而开槽类型、开孔数量对圆盘锯基体动态特性及减振能力的影响显著。

1.2.2.3 减振降噪措施

常涛涛等[41]使用有限元软件ABAQUS 对圆锯片进行瞬态响应分析，设计正交试验，运用极差分析法对试验结果进行对比分析，研究了径向槽对圆盘锯振动稳定性的影响。结果表明，径向槽数量和径向槽长度是影响振动的主要因素。数量为7、长度为20 mm、宽度为1.5 mm 的开槽圆锯片抗振动性能优于未开槽结构圆盘锯，优化后的圆锯片结构相比优化前圆锯片响应量减小了7.62%，提高了抗振动性能。贾娜等[42]提出了超薄硬质合金圆锯片槽孔结构的减振设计方法，利用拓扑优化和形状优化相结合的方式，将圆锯片的槽孔结构设计问题转化为槽孔位置优化和形状优化。结果表明，其提出的槽孔设计方法在满足结构刚度的条件下，能够获得边界条件下的最优槽孔结构，此时，振幅处于较小的范围。研究表明，使用拓扑优化和形状优化相结合的方式可有效算出圆盘锯最优槽孔位置。上述几位学者的研究结果为圆盘锯降低振动的结构设计及基体冲孔的优化设计提供了理论指导。

李博等[43]提出了一种圆锯片激光冲击技术，使圆盘锯局部区域产生永久的塑性变形，进而在圆盘锯内部引入数值大小适当、分布合理的预应力场，从而提高锯片稳定性和锯切质量。此外激光冲击适张工艺有别于机械适张，不会造成轧辊、锤头、压头的磨损以及塑性变形的不一致等影响适张效果的问题。研究表明，使用适张技术处理圆盘锯可有效提高圆盘锯工作动态稳定性，同时使用激光冲击的方式来增强适张效果具有可行性。

邹陆等[44]提出了一种可主动控制圆盘锯横向振动的方法，此方法使用加有气动伺服阀、控制器和传感器并可主动控制的导向装置，应用锯片两侧气体静压装置推力对圆盘锯横向振动实现主动控制，与常规导向装置相比，横向振动减小了80.34%，减振作用明显。研究表明，使用此控制方法对锯片振动进行稳定控制，可以确保控制精度，明显减小横向振动，提高圆盘锯作业的稳定性。

2 存在的问题

2.1 参数选择过于复杂

圆盘锯存在大量的结构、工作参数组合，使用仿真寻优等手段在单一对象的条件下可提高效率和精准度。但面对不同对象时，往往要重复复杂的试验来确定准确的参数组合，缺少面向使用者的便捷、准确的综合选择方法，不利于圆盘锯切技术的推广和发展。

2.2 认可度低

圆盘锯切作为一种技术成熟、切割质量良好的切割技术，已经广泛应用于工业、石材、木材等领域，但在农机领域应用程度并不高。在高速旋转下圆盘锯锋利齿刃被不断磨损，作业对象也大多为含有酸碱腐蚀性汁液的植物茎秆，这大大缩短了圆盘锯的工作寿命，在农业作业时需要频繁更换刀片来保证切割质量，加之圆盘锯加工成本较高，因此，在大规模农业机械化作业中常被圆盘刀、动定刀等更为低价耐用的切割刀具代替。

2.3 智能化、信息化程度低

国内圆盘锯机构大多使用手动操作，缺少智能的控制方式和监测手段。目前即使是大型圆盘锯结构的农业机械也仅能设置少量的作业参数，在工作过程中难以实现智能、精准的控制。在作业过程中同样因缺少信息化设备，无法实时监测、统计作业情况，也制约了圆盘锯切技术在农业机械领域的发展。

3 发展趋势

3.1 综合参数选择系统

在开展多种典型茎秆切割参数寻优结果的基础上，依靠深度学习、机械学习等算法框架构建综合参数选择系统。系统通过分析试验数据来预测相近物理参数茎秆的最优工作参数。建立茎秆材料数据库，生成多种参数组合选项，使用者可根据茎秆、切割质量要求的不同，通过系统和数据库进行快速计算，得到最优参数组合。

3.2 提高作业寿命

圆盘锯因作业对象和自身特点的原因，在作业时常出现磨损、腐蚀的问题，降低了作业寿命并增加了成本。使用防腐蚀镀层可有效防止酸碱汁液腐蚀并增加耐磨性。发展便携式圆盘锯修磨装置，不仅可以恢复切割锐利性，还可修整刀头形状，提高圆盘锯的重复利用性。在整体式圆盘锯机构上设计研发自磨锐装置，可有效提高其切割能力和使用寿命。

3.3 安全保护

圆盘锯机构缺少保护措施，如手动持式圆盘锯机构，在作业时应增加圆盘锯保护装置，通过传感器、保护罩、警报器、急停装置、除尘降噪装置对人员进行安全保护。整体式圆盘锯机构在保护装置上还应添加传感器、摄像头、过载保护等对作业进行监控、保护，确保作业安全。

3.4 智能控制

国内农业机械中圆盘锯机构普遍使用等速切割，缺少集成式的智能控制系统。在确定作业参数的条件下，使用单片机等控制器对整体作业过程进行控制，根据监测系统反馈的作业情况进行实时调整，可有效提高整体作业效率。

4 结语

我国农机工业发展正处于从传统农机向高质量农机发展的关键时期，利用更先进的设计手段和分析方法对圆盘锯工作参数和结构进行优化，并融合智能化和信息化技术，是发展高质量圆盘锯切装备的关键。在农业劳动力日益减少的形势下，研发多类型的圆盘锯切技术装备，满足不同用途的需求，对解决农村劳动力不足、提高生产效率具有重要意义。可以预见，圆盘锯切技术作为一种高质量的切割方式，因其在茎秆切割上的独特优势将被越来越广泛地应用。