《Smart Agricultural Technology》：Design and Experiment of Reciprocating Herbaceous Mulberry Harvesting Tester
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本刊推荐：为解决草本桑枝机械化收割中切割/输送功率原位监测不足及作业参数对能耗与茬口质量影响不明的问题，研究人员开发了履带式收割试验机，集成AC伺服电机与扭矩传感器，通过CCD响应面法优化发现切割速度对能耗（p?<?0.01）与茬口质量（p?<?0.01）影响最显著，最优参数组合（前进速度0.55?m/s、输送速度0.96?m/s、切割速度0.95?m/s）使单枝切割功耗降至26.91?J·branch?1，茬口质量评分达9.43，为收割机节能与作业优化提供量化依据。
在桑蚕养殖产业中，草本桑枝的高效收割是降低劳动成本、保证茬口质量以促进快速再生的关键。然而，现有的机械化收割设备大多难以在田间条件下原位测量切割与输送功率，且作业参数对能耗与茬口质量的影响缺乏系统量化。当前研究存在明显局限：室内力学测试因加载速度远低于实际收割条件，导致数据代表性不足；田间研究多聚焦切割效率与燃油消耗，对切割功率的系统分析较少。这些短板制约了草本桑枝收割机的节能设计与性能优化。
为突破上述瓶颈，山东农业大学机械与电子工程学院的研究团队在《Smart Agricultural Technology》上发表论文，设计了一款履带式草本桑枝收割试验机。该设备配备三组独立驱动的AC伺服电机和实时扭矩传感器，能够同步监测切割、输送和打捆过程的功率消耗。研究采用中心复合设计结合响应面方法，深入分析了前进速度、输送速度和平均切割速度对单枝平均切割功率、输送功率及茬口质量评分的影响。
研究团队通过多项关键技术实现了精准数据采集与参数优化：首先，开发了具有机械隔离结构和柔性联轴器的扭矩传感系统，结合数字低通滤波抑制高频噪声，确保田间扭矩测量的准确性；其次，采用三层指式输送链和独立伺服驱动，实现了作物平稳输送与速度精确调控；此外，基于Central Composite Design的实验设计覆盖了多参数组合空间，并通过实时数据界面监控扭矩与转速变化；最后，茬口质量采用视觉评分法，结合木质部与韧皮部损伤长度分级标准，形成量化评价体系。
3.1. 影响因素对性能指标的作用
通过响应面分析发现，切割速度是影响切割功耗的绝对主导因素（p?<?0.01），其升高可显著降低能耗；输送速度对输送功率具有高度显著影响（p?<?0.01），因链速增加会加剧枝条牵引阻力；而茬口质量则受多参数交互作用控制，尤其是切割速度与输送速度的交互项（p?<?0.01），其非线性关系源于枝条姿态稳定性与剪切-弯曲耦合效应。
3.2. 最优参数组合确定
以最小化切割功耗、输送功耗和最大化茬口质量评分为目标，通过多目标优化得到最优参数：前进速度0.55?m/s、输送速度0.96?m/s、平均切割速度0.95?m/s。此时单枝切割功耗为26.91?J·branch?1，输送功耗为6.64?J·branch?1，茬口质量评分达9.43（满分10）。
3.3. 参数验证
田间验证试验显示，实测值与预测值偏差小于5%，且切割与输送扭矩曲线平稳，证实了优化参数的可靠性。值得注意的是，切割功耗平均为输送功耗的3.7倍，凸显了降低切割能耗对提升整机能效的重要性。
研究结论表明，切割速度通过改善剪切效率主导能耗优化，而茬口质量则依赖于前进速度、输送速度与切割速度的协同调控。该试验机首次实现了草本桑枝收割过程中的原位功率诊断，为田间作业能量评估提供了直接依据。相较于传统间接测量方法，本研究提出的扭矩实时采集与响应面优化策略，为高秆作物收割机的节能设计与智能调控提供了新思路。
