树枝粉碎机切削刀片的仿生设计及试验分析

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1、树枝粉碎机切削刀片的仿生设计及试验分析BionicDesignandExperimentalAnalysisofCuttingBladeforBranchShiver作者姓名：张磊磊专业名称：农业机械化工程指导教师：佟金教授学位类别：工学硕士答辩日期：2015年6月3日摘要我国具有非常丰富的林木资源，每年都会产生大量的林业剩余物和园林废弃物。但是，传统的处理方法仍然以掩埋、焚烧为主，简单而粗暴，这样既不安全环保，又违背了可持续发展的战略方针。因此，如何处理这些剩余物成了目前十分重要的问题。现在主要的利用途径有：生物质能、有机覆盖物或

2、堆肥、生产原料等。实现这些都要经过一个核心环节—林业剩余物或园林废弃物的粉碎。切削刀片作为粉碎机核心部件之一，其性能的优劣直接影响粉碎机性能。本研究中通过改变现有切削刀片的几何形态来减小切削阻力或提高耐磨性，达到提高粉碎机性能的目的。近年来，随着仿生学的快速发展，许多学者将自然界中巧妙的结构运用到生产和生活中，解决了很多以前的技术难点，推动了科技的快速发展。许多科研机构和院校对动物爪趾切削行为（大多为土壤洞穴动物，如蚂蚁、蜣螂、家鼠等）进行了深入研究，研究表明动物爪趾的内、外轮廓曲线具有曲率波动变化的特征，并且初步认为这种爪趾的触土

3、面在切削土壤的过程中具有较低的切削阻力。本研究根据河狸下门齿轮廓曲线的特点，设计了三种仿生刀片。仿生刀片A：后刀面是以河狸下门齿外轮廓曲线拟合方程扩大2倍的曲线为准线构成的曲面；仿生刀片B：后刀面是以一条抛物线为准线构成的曲面；仿生刀片C：后刀面是以半径为75mm的圆弧为准线构成的曲面。建立了刀片切削树枝的力学模型，求出切削时理论上的切削力。然后，利用ANSYS有限元软件对普通刀片和仿生刀片进行了静力分析，分析表明普通刀片和仿生刀片的刚度和强度都符合要求。本研究中对普通刀片和仿生刀片性能的探究主要从以下几方面。(1)低速顺纹切削。在

4、相关性验证试验中发现，切削速度与切削阻力不具有显著性，树枝直径、树枝长度与切削阻力具有显著性。在对比试验中，以最大切削阻力、平均切削阻力和功耗为指标，试验分析表明仿生刀片的性能都高于普通刀片。综合考虑，仿生刀片中仿生刀片A的性能最优，其次是仿生刀片B，最次的是仿生刀片C。(2)树枝粉碎试验。试验中选取刀片类型、树枝直径和树枝含水率为试验因I素，选取最大应变、平均峰值应变作为试验指标。试验结果表明：随直径增加切削应变呈递增趋势；树枝含水率为38.34%wt时的切削应变比树枝含水率为14.22%wt降低10.21%~34.70%。综合考

5、虑各指标，普通刀片的性能低于仿生刀片，仿生刀片中仿生刀片A的性能稍优于仿生刀片B，仿生刀片C的性能最差。通过SPSS统计软件进行方差分析发现，刀片类型、树枝直径和树枝含水率都对切削阻力具有显著相关性。上述(1)与(2)的两个试验结论基本一致，仿生技术在切削刀片上的应用，确实降低了切削阻力，从而达到了提高粉碎机生产效率和刀片使用寿命的目的。关键词：林木剩余物;粉碎机;切削刀片;仿生学;减阻IIAbstractWithrichforestresourcesinChina,producealargenumberofforestryresi

6、duesandgardenwasteeveryyear.However,thetraditionalprocessingmethodisstilltoburyandburning,simpleandcrude.Itisneithersafe,norenvironmentalprotection,andalsoviolatestheprinciplesofsustainabledevelopmentstrategy.Therefore,howtodealwiththeseresiduesisaveryimportantproblema

7、tpresent.Nowadays,themainutilizationwaysarebiomassenergy,organicmulchorcompost,productionofrawmaterialsetc.Therealizationofthesemustgothroughacorelink,crushingofforestryresiduesorgardenwaste.Cuttingbladeasshiverisoneofthecorecomponents,itsperformancedirectlyaffectsthep

8、erformanceofshiver.Inthisstudy,thegeometryofcuttingbladewaschangedtoreduceexistingcuttingresistanceorimprovethewearre