中国地大物博,是历史悠久的农业大国,农作物种类丰富、分布广泛、产量巨大,因此也是农作物秸秆资源最为充裕的国家之一。番茄藤等藤茎类秸秆与残茬,数量巨大,作为重要的生物资源开发利用日益受到重视。这类秸秆由于难于粉碎、分解吸收处理,随意废弃致使病虫害严重发生,而普遍焚烧处理又严重威胁交通安全、污染社会环境。针对量大面广的藤茎类秸秆焚烧处理普遍、切割粉碎困难等问题,以及秸秆切割机理深入系统研究缺乏、切割功耗高、效率低等不足,选择番茄藤和茄子藤秸秆为研究对象,结合秸秆切割小型化和便捷性的要求,从藤茎类秸秆微观组织结构和力学特性入手,研究藤茎类秸秆的切割机理,为设计、改进加工设备和加工工艺提供理论依据;从切割形式和刀片的结构工作参数入手,研究切割形式、刀片结构工作参数对秸秆切割性能影响规律,优化秸秆切割工艺参数,解决秸秆切割效率低、功耗高难题,降低秸秆切割成本,促进秸秆资源化利用和推广。具体工作如下:(1)首先通过藤茎类秸秆微观结构测定试验,分析藤茎类秸秆微观组织结构对秸秆切割性能的影响;对番茄藤和茄子藤秸秆进行拉伸和剪切试验,并以秸秆的抗拉强度、弹性模量、剪切强度和剪切模量为指标,发现藤茎类秸秆与一般农作物秸秆在力学特性上存在差异,为开发藤茎类秸秆专用高效切割机械提供理论依据。(2)根据传统切割理论和对秸秆力学特性的研究,设计了等滑切角锯齿型刀片,并建立了秸秆切割的力学模型,分析了切割力与刀片结构参数之间的关系;通过切割力单因素试验研究,分析了秸秆横截面积、刀片型式、切割速度对切割力的影响,并与理论计算结果进行对比,二者的趋势和数值大体一致;通过切割力正交试验研究,分析了三个因素对切割力影响的显著程度依次是:刀片型式、切割方式、切割速度。在满足切割要求的前提下,最后确定的最优切割方案为:选择滑切、锯齿型刀片。(3)运用有限元软件分析了秸秆横截面积和刀片结构参数对等滑切角锯齿型刀片应力场和变形的影响:切割力随着秸秆横截面积的增加,刀片楔角的增加而逐渐增大,随着刀片后角的增加呈下降的趋势。通过有限元分析方法对普通刀片和专用切割刀片的对比分析发现:普通刀片在相同的切割力作用下受到的应力和变形都比较集中,不利于切割,刀片在切割过程中很容易被破坏和磨损;专用切割刀片的受力比较均匀,分散了刀片的应力集中,将刀片的变形位置转移,从而不会影响切割的质量。对专用切割刀片的结构参数进行局部灵敏度和全局灵敏度分析,选择刀片的厚度、螺栓孔上直径、螺栓孔下直径和两个螺栓孔中心距四个参数对刀片进行优化设计,得到最佳的一组设计参数,使刀片在满足强度和刚度的条件下质量有所减少,尺寸的确定更加合理,切实提高优化设计的效率。(4)运用计算机模拟软件对切割过程中的切割应力和秸秆的能量变化等进行模拟分析。结果表明:随着切割速度的增大,相应的切割应力有一定的加大。从计算结果可以看出,理论计算的切割应力与模拟分析、切割试验得到的切割应力在数值上比较接近,从而证明了前面所推导的刀片切割力计算方法的正确性。运用离散元分析软件EDEM对藤茎类秸秆在秸秆粉碎机中的切割过程进行数值模拟,模拟结果表明:滑切角为40°的等滑切角锯齿型刀片在切割过程中受到的合力较小,受力比较均匀,波动较小,切割效果明显好于其余三种刀片,因而是藤茎类秸秆切割的最佳刀片选择;随着转速的增加,秸秆切割消耗的能量和切割力都相应增加,但切割效果更好。对于藤茎类秸秆,经过模拟分析和试验研究等综合考虑,选择刀片的转速为4000r/min。(5)通过对成熟期番茄藤和茄子藤在不同水分下的切割试验,结果表明:40°等滑切角锯齿型刀片切割番茄藤和茄子藤消耗的切割功耗少、切割效率高、切割效果好。材料为Cr12Mo V的等滑切角锯齿型刀片切割效果较好;通过对秸秆含水率、单次加料量和刀片类型为主要影响因素进行正交试验,通过直观分析法和方差分析法分析,均得到:三个因素对切割功耗和切割时间影响的显著顺序依次为:刀片类型、含水率、单次加料量。最优方案应选择秸秆含水率为20%左右,单次加料量为6kg,刀片类型为40°等滑切角锯齿型刀片。