树枝粉碎机切削刀片的仿生设计及试验分析

发布时间：2016-04-24 16:04

第 1 章 绪论

1.1 研究背景及意义
我国具有丰富的林木资源，，国家林业局发表的《全国林业生物质能发展规划(2011-2020 年)》显示：我国现有林地面积约3亿 hm2，现有森林面积约2亿hm2，蓄积137亿 m3；人工林保存面积约 0.6亿 hm2，蓄积约19.6亿 m3；林木资源还存在很大潜力，约180亿吨[1]。我国每年产生的林木剩余物可达到 9亿吨，其中大约有 3 亿吨可作为能源再利用，折合为标准煤约 2 亿吨，可以很好的缓解能源问题。目前，林木资源中作为生物质能再利用的主要有三类：木质资源、木本油料和淀粉植物。 随着我国经济的快速发展和生活水平的提高，人们环保意识的提高，各级政府和各界人士更加重视城市的园林绿化和生态环境建设，由此产生了大量的“园林植物废弃物”。“园林植物废弃物”是指园林植物凋落或者在人工养护过程中产生的植物残体，主要是植物的枝条、果实、杂草和落叶等[2]。据统计，北京、上海等地每年产的园林垃圾产量都在 10 万吨以上[3]。但是目前对林木剩余物和园林剩余物的利用还十分的原始粗陋，大量的生物质得不到妥善的利用，仍以填埋、就地堆放或者作为废弃物进行焚烧的方式进行处理。不仅造成了能源上的浪费和安全上的隐患，还违背了可制续发展的战略方针，切断了生态系统中物质循环和能量流动，使土壤肥力得不到自我维持和补充。因此，将这些植物剩余物进行资源化、无害化处理成为目前主要的问题。目前对林木剩余物和园林剩余物的利用有以下几方面。 (1)生物质能。生物质能是指太阳能以化学能形式贮存在物质中的能量，它间接或直接来源于植物的光合作用，可以转化为固态、液态和气态燃料。生物质能资源丰富，是一种清洁能源，可以很大程度上缓解环境问题，同时它也是唯一可再生的碳源。林木质能源作为生物质能源的一个分支，占有十分重要的地位。目前对它的开发和利用主要有：①固态、液态、气态燃料，②生物柴油，③木粉发电等[4]。林木质能源具有清洁型、可持续性、易得性等特点，例如生物柴油的燃烧产物中的 CO、CO2、颗粒物低于普通柴油，并且不含 SO2、铅等有毒物质[5,6]。 
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1.2 树枝粉碎机国内外现状
目前，国内有些科研院所和部分工厂已经研究和开发了一些新型的树枝粉碎机，国内对树枝粉碎机的理论研究和成品的开发主要如下。 宋宝昌和程立杰[16]研制了一款集切削、粉碎、筛选为一体结构的 FS 型粉碎机。该机移动便利、结构简单、操作维修方便，主要的粉碎对象是林区的灌木藤条，目的是为食用菌培养提供养料。 顾正平和沈瑞珍[17]设计了一款盘式短刀枝桠削片机。该机用短刀代替传统的长刀，把短刀按照一定的规律布置在刀盘上，切削时一把刀片退出切削，另一把刀片立即进入切削（见图 1.1）。这种新型的盘式短刀切片机切削力小且波动小，工作比较稳定；噪音和振动大幅度降低，噪音比长刀降低了 5.5~10.9dB，可以在城市作业；刀片磨碎均匀，使用寿命增长。牛晓华等[18]设计了一款主要针对于野外林地现场作业的 3ZSX-20 型高效树枝粉碎设备。由拖拉机进行牵引和提供动力，拖拉机的动力经过万向传动轴，带动切削刀盘和粉碎锤旋转，并驱动进料辊旋转，生产效率高，但噪音大。 张汉月和黄激文[19]设计了一款便于在园林现场作业的树枝切碎机。采用自走式，动力配置灵活，结构简单，安全可靠，噪音小。 周雪梅等[20]设计了一款可以适用于切削不同直径和不同形状树枝的双刀盘三喂入式树枝粉碎机，见图 1.2。该机有两种刀盘和三种喂料口，其中水平机械自动进料口和主刀盘（有 4 个刀片）配合工作，倾斜自由进料口和副刀盘（有 2个刀片）配合工作，上开口的进料直接进入粉碎室粉碎。
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第 2 章 仿生刀片的设计与加工

在“优胜劣汰，适者生存”的自然法则下，生态系统中的生物为了不被淘汰而进化出了各种适应环境的本领。其中，许多动物的切削行为，与人类进行的切削行为相比，它们在性能上更加突出，如功耗小，耐磨损，土壤粘附率低等特点。 

2.1 仿生原型的选择

自然界中很多动物存在着切削行为，按照切削部位的不同可以分为七大类：齿（包括齿舌）切削行为、爪趾切削行为、口器切削行为、头部（包括吻部）切削行为、体切削行为、产卵器切削行为和综合型切削行为。 许多学者对动物爪趾切削行为（大多为土壤动物，如穿山甲、蝼蛄、蜣螂、家鼠等）进行了深入研究，研究表明动物爪趾廓曲线具有曲率波动变化的特征，并初步认为这种爪趾的触土面在切削土壤的过程中受到较低的切削阻力[47-51]。 郭志军等[52]利用 XTL30-CTV 体视彩色显微镜研究了达乌尔黄鼠爪趾纵剖面内的上、下轮廓线的几何特征，见图 2.1。利用最小二乘法拟合得到达乌尔黄鼠爪趾纵剖面内的内、外轮廓线的曲线。 依据曲率公式计算，根据上述方程(2.1)、(2.2)可以得到两式的曲率变化形式，见图 2.2。从图中可以看出轮廓曲线曲率变化趋势，它的爪趾轮廓线是变曲率的，内轮廓曲线的曲率变化曲线可以看成两条抛物线的耦合（见图 2.2(a)），外轮廓曲线的曲率变化曲线可以近似看成一条抛物线（见图 2.2(b)）。 

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2.2 河狸的简介
河狸属于河狸科(Castor fiber)，哺乳纲啮齿目，在我国属于国家一级保护动物[55]。河狸主要在夜间出来活动，白天很少出去活动，不冬眠。河狸以植物为食，主要以嫩枝、植物的皮和树根为主，也食水生植物；秋季，它们会用锋利的牙齿，将大树啃咬成 1 m 左右的小段，藏到洞口处的深水间，为冬季储备食物。河狸可以称得上建筑大师，它们把大树咬断，用来建造栖息场所。在河狸栖息的场所，可以经常看到它们的杰作—碗口粗的树桩。由于它们的生活习性，经过自然的进化，造就了河狸锋利的门齿和发达的咬肌，咬断一棵直径 40 cm 的树，它们只需 2 h，见图 2.7。 刘国林等[56,57]针对河狸门齿进行了研究。研究发现，河狸的门齿是由一对上颌门齿和一对下颌门齿构成的（见图 2.8、图 2.9 和图 2.10）。上门齿和下门齿外形存在很大的差异，上门齿的齿尖部分，中间高、两边低；下门齿的齿尖部分，中间低、两边高。在门齿曲率方面，上门齿的弯曲曲率较大，而下门齿的弯曲曲率较小。在啃咬树木或其它植物时，它们的作用也各有差异，上门齿不仅有撕咬作用，还要兼顾将碎屑带走的作用，下门齿起到切入树木的作用。在本研究中主要针对河狸的下门齿进行研究。 
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第 3 章 切削刀片静力分析...... 23 
3.1 树枝模型与强度理论....... 23 
3.1.1 均质性假设 ..... 23 
3.1.2 强度理论 ..... 23 
3.2 切削力分析........ 26 
3.3 ANSYS 简介 ..... 29 
3.4 切削刀片的静力分析....... 30 
3.5 本章小结....... 34 
第 4 章 刀片切削性能试验...... 37 
4.1 试验设备及仪器..... 37
4.2 相关性验证试验..... 37 
4.3 切削性能对比性试验....... 44 
4.4 本章小结....... 51 
第 5 章 树枝粉碎试验.... 53 
5.1 试验设备及方法..... 53 
5.2 试验安排....... 56 

第 5 章 树枝粉碎试验

通过低速顺纹切削试验对普通刀片和仿生刀片的切削性能有了初步的研究，为了更加直观的了解四种刀片的切削性能，本章主要研究切削刀片在正常工作条件的性能，了解普通刀片和仿生刀片在实际生产中的差异，并与低速顺纹切削试验进行比较，分析两类试验的差异。

5.1 试验设备及方法
由 DHDAS-5923 动态信号采集仪、计算机和DHDAS 信号测试系统软件（见图 5.2）组成，用于数据的采集、存储和分析。 试验中利用电测法通过粘贴在底刀片背面的电阻应变片来测定切削刀片在切削树枝时切削力的大小。其工作原理是当电阻应变片受力时，引起敏感栅电阻量的变化从而引起电压或电流的变化；然后，电信号通过信号调理设备（电桥盒）的放大、滤波等处理；接着由数据采集设备（DHDAS-5923 动态信号采集仪）将电信号转化为数字信号，传输给计算机；最后由计算机上的配套软件与动态信号采集仪进行数据交换，并完成数据的采集，将数据存储到计算机内，便于以后进行数据的读取和处理。 电桥盒用于连接应变片和动态信号采集仪，通过电桥盒将试件上的应变片组成合理的桥路，将试验过程中应变片电阻的微小变化，转换为电压信号供放大器进行信号放大。电桥盒内使用的是标准 120 Ω 电阻，当所使用的应变片为非标准120 Ω 电阻时，应使用全桥或半桥方式进行测量；安装完成后，要检测应变片与连接线的总阻值，使用标准 120 Ω 应变片测量时，其总阻值应在 120 Ω±1%范围内，否则会造成桥路的不平衡，使所测量的数据出现错误。 试验中采用半桥方式进行相关的测量，其中一电阻片是工作片(Rg)，另一电阻片为补偿片(Rd)，见图 5.3、图 5.4 和图 5.5。 
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结论

本论文介绍的研究工作，将仿生学与刀具优化相结合，根据河狸下门齿的特征曲线及其变曲率特征，设计了 3 种类型的仿生刀片。设计过程中运用 ANSYS软件对普通刀片和仿生刀片进行静力分析，优化刀片参数，直至普通刀片和仿生刀片都在刚度和强度上满足要求。利用正交试验对选取的因素进行相关性的验证试验；利用万能试验机对普通刀片和仿生刀片做低速条件下的对比切削试验；最后，在实际工作条件下，用 400 型树枝粉碎机对普通刀片和仿生刀片做粉碎对比试验,得出了以下主要结论。
 (1) 在 ANSYS 软件静力分析过程中发现，普通刀片总的变形位移小于仿生刀片，即普通刀片的刚度要高于仿生刀片；但是普通刀片总应力却高于仿生刀片，即仿生刀片的强度高于普通刀片。但它们的强度和刚度都符合要求。 
(2) 运用正交试验，通过极差与方差分析对试验因素（切削速度、树枝直径和树枝长度）进行了相关性验证。通过极差分析可以得出以下三点：主次因素顺序为 B（树枝直径）、C（树枝长度）和 A（切削速度）；优水平为 A1、B3、C3 ；最优组合为 A1B3C3。通过方差分析得出了各因素与试验指标的相关性，在试验方案所选取的因素水平内，切削速度的显著性水平 α 为 0.01，与切削阻力不显著性相关；树枝直径的显著性水平 α 为 0.05，与树枝长度都与切削阻力显著性相关。 
(3) 在用万能试验机做低速切削的对比试验中，主要从最大切削阻力、平均切削阻力、功耗三方面来评价普通刀片与仿生刀片。 
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参考文献(略)

本文编号：40542