天牛仿生大麻收割机切割刀片设计与试验

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1、第33卷第5期农业工程学报Vol.33No.5562017年3月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringMar.2017天牛仿生大麻收割机切割刀片设计与试验※田昆鹏，李显旺，沈成，张彬，黄继承，王锦国，周杨（农业部南京农业机械化研究所，南京210014）摘要：针对现有大麻收割机切割刀片存在切割阻力大、功耗高、割茬质量差的问题。运用仿生学原理，通过提取天牛上颚切割齿部位齿廓曲线，以天牛切割齿廓代替普通稻麦收割机刀片的三角形尖齿，设计了仿生切割刀片。利用双动刀切割装置测试平台，

2、对收割期大麻茎秆进行了仿生刀片和普遍刀片单茎秆切割性能对比试验。试验表明，2种刀片的切割力-位移曲线都可分为挤压、切割和切割完毕3个阶段，其中仿生刀片具有切入能力强、切割茬口较平齐、切割质量好的优势。通过对2组切割试验数据进行均值统计和方差分析可知，仿生刀片和普通刀片单茎秆最大切割力和切割功耗平均值分别为442.6、478.1N和2.16、2.35J，仿生刀片和普通刀片相比，平均最大切割力和切割功耗分别降低7.4%和8.0%，表明仿生刀片较普通刀片具有更优的减阻降耗性能；方差分析表明刀片类型对单茎秆最大切割力影响极显著（P<0.01），对单茎秆

3、切割功耗影响显著（P<0.05）。关键词：切割设备；仿生；机械化；大麻收割机；天牛上颚；切割力；切割功耗doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.008+中图分类号：S225.59文献标志码：A文章编号：1002-6819(2017)-05-0056-06田昆鹏，李显旺，沈成，张彬，黄继承，王锦国，周杨.天牛仿生大麻收割机切割刀片设计与试验[J].农业工程学报，2017，33(5)：56－61.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.008http://www.tcsae.o

4、rgTianKunpeng,LiXianwang,ShenCheng,ZhangBin,HuangJicheng,WangJinguo,ZhouYang.Designandtestofcuttingbladeofcannabisharvesterbasedonlongicornbionicprinciple[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2017,33(5):56－61.(inChinesewithEnglis

5、habstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.008http://www.tcsae.org[15]效的研究方法。自然界的昆虫和其它动物经过数以亿0引言万年的生存竞争和进化，形成了优异的几何形体结构、大麻是中国传统的纤维作物[1-2]，在中国有着较大面[16-18]高效的能量利用率等高度适应环境的生理特征。通积的种植，由于大麻茎秆较高大粗壮，收割难一直是大过仿生学将动物的生理形态特征应用于农业机械设计的麻生产面临的重要难题。近年来，随着中国农业机械化研究逐步受到人们的重视。在减阻降耗方面，仿生

6、学已进程的加快，针对大麻收获技术的研究不断增多，用于在开沟器、犁铧、破茬旋耕刀具及收获机械切割部件的[3-4]大麻收割的机械相继问世。但经调研发现，目前对大设计中得到一定应用。麻等高秆类作物收割机械的研究主要集中在割台机构的Qaisrani等[19-20]根据蜣螂头部的表面凸包结构特征，[5-8][9-14]设计及运动参数匹配、麻秆的力学特性分析等方对光滑推土板表面进行了改形仿生设计，研制了非光滑面，而对收割机的关键零件：切割刀片，却缺乏相应的凸包推土板，试验表明随着土壤含水量的增加，推土阻创新设计研究。目前大麻收割机切割刀片普遍借用稻麦力随之

7、减小，仿生推土板平均最大降阻可达30%。Soni收割机上使用的三角尖齿型刀片，由于大麻茎秆和稻、等[21-22]运用仿生学将金龟子头部非光滑凸包结构应用于麦秸秆相比有较大差异，采用稻麦收割机刀片收割大麻犁铧的设计，设计了仿生犁铧，试验表明当凸包高度与普遍存在切割阻力大、功耗高、割茬质量差等问题，切直径的比率为0.25，含水率为37.2%时，可降阻耗8%～[23]割刀片已成为制约大麻收割机发展的一个重要瓶颈。36%，降阻效果较好。张金波等将家鼠爪趾结构特征应仿生学作为一门交叉学科，在解决切割刀具常见的用于深松铲结构设计，设计了破土刃口为指数函数曲

8、线能耗、质量等问题时，为研究人员提供了研究思路和有的仿生深松铲，对比试验表明，仿生减阻深松铲耕作阻力可降低8.5%～39.5%。李默等[24-25]根