降低林木抚育剩余物枝条切断能耗研究及仿真

发布时间：2020-07-13 11:48

【摘要】：我国是世界上木质材料生产和消费大国,每年灌木平茬复壮和经济林抚育等森林活动大约产生采伐剩余物1.09亿吨,这些林木抚育剩余物枝条是重要的生物质原料,有效降低林木剩余物枝条加工能耗对生物质能源的利用和普及起到重要的作用。本文利用自制的枝条切断试验台,根据枝条切削形式,采用单因素试验法、多因素试验法,研究刀具的楔角、滑切角和枝条的切入角对单根柠条枝条的切削阻力和切削能耗的影响,并使用Design-Expert软件对试验因素进行方差分析和显著性分析。试验表明,峰值切断力和切削能耗随着刀具楔角的增大而增大;滑切角在一定范围内对降低切削阻力和降低切削能耗有一定的作用。当滑切角在5°-10°范围内,峰值切断力的降低较明显;滑切角大于10°以后,峰值切断力逐渐增大,柠条枝条在切削过程中发生侧滑;随着切入角的增大,峰值切断力不断降低。试验中发现过大的切入角柠条枝条沿纤维方向发生劈裂形成削片,滑切作用明显,导致柠条枝条切断困难。利用Design-Expert对楔角、滑切角和切入角进行了方差分析和显著性影响分析,结果表明切入角对峰值切断力的影响最为显著,其次是楔角,滑切角并不显著。综合单因素试验和方差分析结果,选取切入角450、楔角30°、滑切角5°-10°的组合,能够显著降低柠条枝条的峰值切断力。依据静力切削试验的结果参数,拟确定定长切断机的刀具参数,使用CAXA和SolidWorks机械作图软件进行设计。定长切断机有切断系统、动力系统和机架等零部件组成。切断系统包括曲柄连杆机构、强行进料装置。由一台减速电动机驱动曲柄连杆进行往复切削和强制进料主动压辊的枝条运送。定长切断机采用4kW电动机作为动力,在实验室工况下对干燥的柠条枝条进行切削,测量定长切断机的生产效率和工作能耗。在手动随机填料下,定长切断机切削频率为每分钟84次,单次运行1Omins,重复5次试验。计算得本文设计的林木剩余物枝条定长切断机的工作效率可以到达68kg/h,耗电量为3.2kW·h。
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S776.2
【图文】：

示意图,木材纤维,示意图,切断刀

维的抗拉应力，则会发生断裂，宏观下表现为枝条被切断（贾娜，２０１３）。逡逑切削过程中刀具刃口受到的压应力不高，刀刃处的纤维在纵向的拉应力作用下被逡逑切断，切断刀的受力表现为两侧刀面分布的压力较大（唐硕，２０１１），如图２－１所示。逡逑若切断刀刃口弧度大，刀刃面积大，刀刃处会集中较大的应力，木材纤维互相挤压变逡逑得致密，从而难以切削。逡逑受拉的栜逦切咖，的纤维逡逑＼逦Ｌ逦／邋弹性形变的纤维逡逑W 逡逑图２－１木材纤维变化示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｔｈｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｆｉｂｅｒ邋ｃｈａｎｇｅ邋ｄｕｒｉｎｇ邋ｃｕｔｔｉｎｇ逡逑７逡逑

横向切削

三种主要切削方向：逡逑横向切削是指切削刃平行木材纤维长度方向，并且刀具或工件的运动方向垂直于逡逑纤维长度方向的切削，如图２－２所示。纵向切削是指切削刃垂直于纤维方向，并且刀逡逑具或工件的运动方向平行于纤维长度方向的切削，如图２－３所示。端向切削是指刀具逡逑切削刃或木材工件的运动方向均垂直于纤维长度方向的切削，如图２－４所示。逡逑＇逡逑图２－２横向切削逦图２－３纵向切削逦图２－４端向切削逡逑Ｆｉｇ．邋２－２邋ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ邋ｃｕｔｔｉｎｇ逦Ｆｉｇ．邋２－３邋ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ邋ｃｕｔｔｉｎｇ邋Ｆｉｇ．邋２－４邋Ｅｎｄ－ｇｒａｉｎ邋ｃｕｔｔｉｎｇ逡逑三种过渡切削方向：逡逑纵端向切削中切刀的刀刃方向和木材纤维方式垂直，切削速度方向与木材纤维方逡逑向有一定的夹角，是介于端向和纵向切削的一种过渡方式；纵横向切削中切刀的刀刃逡逑方向和切削速度方向都与纤维方向有一定的角度，是介于横向和纵向切削的一种过渡；逡逑横端向切削中切刀的刀刃方向与木材纤维方向有一定的角度，切削速度方向与木材的逡逑纤维方向垂直，是介于端向和横向切削的一种过渡的切削方式（李黎，２００５）。逡逑在切削过程中切削刀具的刀刃和木材工件接触

纵向切削

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