杂粮作物(谷子、荞麦、燕麦)是调整我国种植业结构和改善人们膳食结构的重要作物,多数种植于丘陵、山地和高原等地区。由于杂粮作物物理性质特殊性以及种植地形和气候条件的限制,目前其收获多采用人工收获形式或稻麦收获技术,存在效率低、劳动强度大和损失高等问题,严重制约了杂粮产业的可持续发展。因此,研发效率高、低损失的杂粮机械化收获装备对提高其产业化水平具有重要意义。作物机械收获相关性质的研究是研发机械化收获关键技术与装备的基础理论内容,且研究作物茎秆相关性质可为拨禾、扶禾、切割、茎秆资源综合利用等机械收获环节所用关键部件设计与参数优化提供支撑。本文针对性的研究谷子、荞麦、燕麦三种杂粮作物生物学形态、茎秆基本生物力学和茎秆动态切割力学等性质,以期为杂粮作物机械收获技术和装备的研发及其适收期的选择提供参考。论文得到国家重点研发计划课题资助,主要结论如下:(1)为给杂粮作物机械收获装备提供基础设计参数,对杂粮作物穗部、茎秆生物学形态特性参数进行了测定,包括穗长、穗重、穗粒重、株高、重心高度、茎秆节间长度、截面外径等,同时测量了收获期杂粮作物草谷比与含水率,且草谷比与茎秆含水率均较高,作为粮饲兼用的杂粮作物,应充分利用杂粮作物茎秆饲料资源。(2)为给杂粮机械收获装备提供力学指标参数,对杂粮作物茎秆进行了基本生物力学性质试验研究,探索了含水率、茎秆部位对其拉伸、弯曲力学性质的影响。研究表明:含水率和茎秆部位均不同程度地影响其拉伸强度、弹性模量、弯曲模量等力学指标。针对杂粮作物茎秆形态特性参数设计了圆筒式杆状物料剪切试验夹具和可实现不同切割方式的准静态切割试验装置,并对杂粮作物茎秆进行了剪切、准静态切割力学性质试验研究,研究表明不同的切割方式(斜切、滑切)影响其切应力和比切割能的大小。研究结果为杂粮作物收获切割器等关键部件的设计及参数优化提供参考以及为动态切割仿真试验、动态切割试验台的设计提供基础数据。(3)为确定谷子适收期且高效利用谷子茎秆资源,探索了谷子茎秆形态指标、主要营养组分与其剪切力随收获时间的变化规律,得到了收获期谷子茎秆剪切力与其形态指标、主要营养组分的相互关系。试验结果表明:谷子茎秆剪切力与含水率、线性密度呈负相关关系,与其干物质、纤维素、半纤维素和木质素含量呈正相关关系,与其粗蛋白含量无显著相关关系。测量谷子茎秆剪切力可用于预测其形态指标参数和营养成分含量,进而一定程度地反映茎秆饲用价值和反刍动物择食趋向。收获期内,谷子中部及以上茎秆剪切力显著小于其近根部,更适合饲用;且谷物完熟后,及时采收可避免茎秆饲用价值降低。研究结果为谷子适收期的选择及茎秆饲料资源的高效利用提供参考。(4)为直观了解动载切割条件下杂粮作物茎秆的应力变化规律,运用HyperMesh Desktop软件与ANSYS/LS-DYNA求解器,对杂粮作物茎秆进行动载切割仿真试验,直观地得到了茎秆动载切割作用时的破坏形式,获得了不同切割阶段茎秆应力应变分布特征云图以及不同切割速度下茎秆力学特性变化规律。杂粮作物茎秆切割力、切割功耗均随切割速度的增大而减小,谷子表皮层切割功耗较内层大。该研究为揭示动载切割茎秆破坏机理以及动态切割试验台传感器、电机等关键部件参数的选择提供支撑。(5)为减小杂粮作物茎秆切割力,降低切割功耗,根据杂粮作物田间切割茎秆工况,研制了作物茎秆动态切割试验台,包括切割装置、茎秆喂入装置和测试系统。切割装置实现了割台高度、切割倾角、切割速度、切割刀片斜角、切割行程等工作参数的调节,且基于ADAMS软件对曲柄割刀机构配重进行仿真优化试验以减小切割装置惯性力;茎秆喂入装置实现其喂入速度的调节;测试系统可实时采集茎秆切割力及切割力与时间变化曲线,试验台结构简单,制造成本低,可进行不同杂粮作物茎秆连续动态切割试验。(6)为优化杂粮作物茎秆切割工作参数,提高其切割性能,采用自制的作物茎秆切割试验台,选取茎秆机械物理性质、切割器结构和运动参数为试验因素,对三种杂粮作物茎秆进行了单因素试验研究。结果表明:茎秆含水率、部位、切割器型式、切割倾角、刀片斜角、平均切割速度均对杂粮作物茎秆极限切应力、单位面积切割功耗具有显著影响,而茎秆喂入速度对其切割力学特性无显著影响。以谷子茎秆最小极限切应力和单位面积切割功耗为评价指标,建立了平均切割速度、切割倾角、刀片斜角三因素响应面模型。试验结果表明:平均切割速度1.19 m/s,刀片斜角36.4°时,切割倾角7.2°较标准Ⅱ型动刀减小茎秆极限切应力6.6%,降低茎秆单位面积切割功耗3.9%。同时考虑谷子茎秆切割有效性,对平均切割速度、切割速比、切割倾角进行了优化试验,当切割速比1.60时,茎秆切割有效率最优可达85.08%。