甘蔗是我国主要经济作物之1，种植区域主要分布在广西、广东、海南、福建、云南等省区。我国大部分地区制糖成本为2700元/t，而巴西、美国原糖进口到我国加工成白糖的完税价分别为2390元八、2470元八，我国食糖价格缺乏竞争力。采用机械化生产是降低甘蔗生产成本的关键所在，甘蔗收获机械技术是制约甘蔗生产全程机械化的一个瓶颈，也是一个关键的问题。发展成熟的、适合于我国的甘蔗收获理论与技术是非常必要的。
我国实现甘蔗生产全面机械化将有广阔的前景。
甘蔗收获机割茬不齐、破头率高、切割损失大，严重影响甘蔗收获机的性能和推广应用。切割是甘蔗收获机械化过程中需要完成的主要功能，直接关系到收获过程中的甘蔗损失和宿根的质量，影响到甘蔗来年的发芽及生长情况。研究甘蔗切割机理，为甘蔗收获机械设计提供依据，具有重要的理论意义和实用价值。
1甘蔗茎轩力学特性甘蔗茎秆是各向异性、非匀质、非线性的材料。
研究甘蔗的物理力学特性对了解甘蔗切割过程、设计刀片具有重要意义。
基金项目：国家自然科学基金项目（50475178）；广东省自然科学基金博士启动项目（05300334）；国家"十五〃科技攻士，（E-mail）qingtingscau.edu.cn通讯作者：区颖刚（1947-），男，广东新会人，教授，工学博士，泉裕巳等利用万能材料试验机对甘蔗（品种NC.376）进行压入、拉伸和抗压试验。结果表明：①进入成熟期后，甘蔗的含水率开始降低，这种情况在甘蔗的梢头部表现的特别明显；②随着生长而含水率明显减低的部位，压入阻力与含水率有很高的相关性；③抗压试验测定甘蔗基部的压缩弹性模数，带表皮的蔗茎为419kg/cm2，不带表皮的茎芯在纵向为291kg/cm2，在贯穿横截面方向的髓部为90kg/cm2；④弯曲试验求得的弹性模数：上部蔗茎⑤测定蔗茎基部的泊松比，带表皮的蔗茎为0.344，不带表皮的茎芯为0.467.刘庆庭等试验分析了甘蔗茎秆在弯曲荷载下破坏（品种"桂林-1号"）。结果表明：①蔗茎在弯曲荷载下主要有4种破坏形性层裂纹、横向裂纹、底部纵向裂纹、不规则裂纹。其中，基部和尾部试样以横向裂纹为主，其他部位的试样产生中性层裂纹。②"桂林-1号"甘蔗基部弹性模量的平均值为1172N/mm2，*大抗弯强度的平均值为46.5N/mm2.基部去掉蔗皮后：弹性模量的平均值为1514.8N/mm2，*大抗弯强度的平均值为42N/mm2.③蔗茎基部的弹性模量在剥皮前后有显著差异，且基部蔗芯的弹性模量明显高于未剥蔗皮基部的弹性模量。蔗茎基部的抗弯强度在剥皮前后无显著差异。
国府田佳弘等研究机械收获对甘蔗汁液粘性的影响，得出以下结果：①人工收割得到的初始汁液的粘性阻力r可由r=（9-0.1f>D079x10-2表示。其中，*是剪切速度，是温度。②经石灰处理后得到的清洁汁液显示了同等糖浓度初始糖液的牛顿流动状态，这说明初始的非牛顿流动状态是由于多糖类和蛋白质等因素造成的。③机械收获得到的初始汁液粘度是人工收割的22.6倍。这是因为激烈的机械刺激促使甘蔗的生理状态变化。
2甘蔗切割器及切割理论2.1甘蔗根切器FrankOduori、卿上乐等研究了单圆盘旋转刀片根部切割器的运动学问题，采用计算机图象模拟了切割边运动。研究中主要考虑的是不漏割问题。S.Kroes等建立了描述双圆盘根切器刀片的运动学模型，给出了不漏割以及避免蔗轩在未切割前不接触刀盘的条件。
割器。试验因素为刀片倾角、刀盘倾角、刀盘转速3个。结果表明：①刀盘转速应在6001000r/min，转速低于600r/min时，甘蔗将会被折断而不是砍断；②*小切割力和切割能量出现在刀片倾角25*③切割力和切割能量都随着刀片倾角的增加而减小；④刀盘倾角对切割阻力的影响不显著，但是切割力和切割能量在刀盘倾角为20°时都达到*小；⑤随着刀片速度的增加切割能量迅速增加，但对切割阻力的影响不显著；⑥切割能量随着割茬高度的增加而降低；⑦切割能量和切割速度都随着茎轩直径的增加而增加。王汝贵等进行了甘蔗收割器工作参数优化试验，对广西农机研究所研制生产的4GZ-9型甘蔗铺割机进行田间试验。以根茬破头率为指标，研究切割速度、刀盘转速、刀盘倾角、刀片数量、切割角、刀片刃角及收割机前进速度等因素对根茬破头率的影响。通过建立回归数学模型对重要参数进行优化设计。
Geolingo等试验砍蔗刀质量对砍蔗工人工作效率的影响。结果表明，435g重的蔗刀的工作效率*高。蔗刀质量超过500g时，工人容易疲劳；而低于400g时，砍蔗需要的时间比较长。Ojha-T.P.等介绍了改进的锯齿刃镰刀，材料是中碳高锰合金钢，具有自磨性。RaoKKP（1990）等介绍了一种小型的甘蔗切割机械，该机械采用圆盘锯片，锯片直径为30cm. CA等设计了甘蔗根部切割器高度自动控制的超声波装置并进行了试验，在火烧过的蔗田进行的试验结果表明，该装置能够有效运行。美国T.D.Valco.等人进行了水切割甘蔗的研究，结果证明高压水切割在试验室中可以取得成功，但在田间因没有合适的前置式产生高压水的装置是不可行的。
2.2刀片与切割质量等试验研究传统刀片和锯齿刀片甘蔗在切割过程中的造成的甘蔗损坏、质量损失问题，并将锯齿刀片的切割能量与光刃刀片进行了对比。通过称量切割前后的蔗轩质量来测量损失，推导了损失与损坏之间的关系。试验结果表明，锯齿刀片引起的蔗糖细胞损失大，但其造成的蔗轩损坏小。锯齿刀片切割后，切面整齐，两切面的吻合好。这可以说明甘蔗纤维主要是张力拉断的；而普通的光刃刀片是办不到的，它主要是通过由纤维发生位移而切断的，因而得出锯齿形刀片可以减低切割力、减少蔗轩损坏。RobertodaCunhaMello等还试验研究弯角形和锯齿形刀片降低切割损失、切割力和切割能量的性能，并通过高速摄像分析验证。结果证明，前弯角形刀片，有锯齿或无锯齿，代表了对传统刀片改进，比标准的光刃刀片先进。
Chang等使用钟摆式装置进行了甘蔗切割阻力试验。为了提高刀片速度，在钟摆装置上安装了*个扭力弹簧。试验结果表明，刀片的几何参数，特别是刀片刃边的锋利程度，对切割阻力影响很大。
ReidMJ讨论了南非糖厂使用的一系列切蔗刀具，认为切蔗效率主要取决于刀尖的速度，从22m/s到80m/s不同速度的刀具都有使用。Kroes S等研究了甘蔗劈裂能量，分段式收获机对甘蔗进行切断时甘蔗受到弯曲荷载，在根部切割前因推倒装置的作用甘蔗也将受到弯曲荷载。为此，建立了甘蔗产生劈裂所需能量与受弯甘蔗茎轩所释放的应变能之间关系的模型。结果表明，对于给定的劈裂比能，茎轩在收获过程中劈裂的长度，将随着推倒角的增大、推倒处高度的增加而增大。
KroesS等研究了切割能量在甘蔗节间不同位置的变化规律，建立了甘蔗茎轩切割模型。
李试验研究了圆盘锯片的切割情况。试验结果为：刀片转速560r/min，甘蔗输送速度0.24m/s，切割1根甘蔗时无劈裂，同时切割2根甘蔗时有轻微的劈裂，同时切割3根甘蔗时劈裂严重；转速为695r/min时，同时切割一根、两根甘蔗时无劈裂，同时切割三根甘蔗时有轻微的劈裂。转速为840r/min时，同时切割1，2，3根甘蔗时均无劈裂。
蒙必胜定性分析了甘蔗收割机参数对甘蔗破头率的影响，探讨了甘蔗收割机的切割参数对破头率的影响机理，提出了这些参数的优化取向，并给出了一些参数计算公式。
SpinazeD等研究了表面工程对减少磨损的影响。结果为减少刀片磨损可以保持刀片锋利，减少甘蔗茎轩破损，提高效率。同时，研究了钨碳一钴合金涂层对刀片耐磨性的影响。
刘庆庭。甘蔗切割机理。广州：华南农业大学，刘庆庭，区颖刚，袁纳新。甘蔗茎在弯曲荷载下的破泉裕巳，秋永孝柳，国府田佳弘。甘蔗收获机基础研究。农业机械学会志，1980，42（1）：69-74.国俯田弘佳。甘蔗汁液的粘性和机械收获对它的影响。农业机械学会志，1981，42（4）：487-490.卿上乐，区颖刚，刘庆庭。甘蔗收割机单圆盘切割器运动学分析。农业机械学报，2006，37（1）：王汝贵，杨坚，梁兆新，等。甘蔗收割器工作参数试验优化研究//农业机械学会2003年会，2.3切割力与力学模型等试验测定了刀片冲击切割甘蔗茎轩的切割力与能量。试验结果表明：刀片从开始接触甘蔗到切入茎轩50%时，切割力以近似线形的增加到*大；之后，切割力开始降低，刀片离开甘蔗时切割力达到零。在切入50%到完全切割这段时间内，高纤维的甘蔗出现了切割力波动，即切割力出现第二个极大值（小于*大切割力），这是由于刀片和茎轩断面之间的摩擦力引起的。S.Kroes等还试验测量和预测甘蔗冲击切割过程中的力、能量、弯曲强度和蔗轩的劈裂问题，将蔗轩简化为管状模型，推导出了弯矩和力的计算公式，所获得的试验数据用来证实计算出来的弯曲力。通过试验数据可以预测：冲击切割过程中茎轩劈裂问题，在现有的切割器上是不可避免的。
3结论通过以上研究，可以发现国内外的研究，在理论上主要是探求各运动参数的匹配以完成不漏割的切割过程和建立甘蔗茎轩的力学模型。试验研究主要是根切器和刀片的参数对切割力与切割质量的影响。结合甘蔗茎轩材料力学特性与材料特点进行切割机理研究的很少。
甘蔗是各向异性、非匀质的弹塑性材料。甘蔗的切割过程是一个复杂的力学过程。研究甘蔗切割过程、建立甘蔗切割理论应该结合甘蔗茎轩材料特点和物理力学特性来进行。利用计算机仿真技术来探索甘蔗切割过程中的规律，指导试验研究应该是研究甘蔗切割机理的有效途径。
