發(fā)布時間：2016-04-24 16:04

第 1 章 緒論

1.1 研究背景及意義
我國具有豐富的林木資源，，國家林業(yè)局發(fā)表的《全國林業(yè)生物質(zhì)能發(fā)展規(guī)劃(2011-2020 年)》顯示：我國現(xiàn)有林地面積約3億 hm2，現(xiàn)有森林面積約2億hm2，蓄積137億 m3；人工林保存面積約 0.6億 hm2，蓄積約19.6億 m3；林木資源還存在很大潛力，約180億噸[1]。我國每年產(chǎn)生的林木剩余物可達到 9億噸，其中大約有 3 億噸可作為能源再利用，折合為標準煤約 2 億噸，可以很好的緩解能源問題。目前，林木資源中作為生物質(zhì)能再利用的主要有三類：木質(zhì)資源、木本油料和淀粉植物。 隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和生活水平的提高，人們環(huán)保意識的提高，各級政府和各界人士更加重視城市的園林綠化和生態(tài)環(huán)境建設，由此產(chǎn)生了大量的“園林植物廢棄物”�！皥@林植物廢棄物”是指園林植物凋落或者在人工養(yǎng)護過程中產(chǎn)生的植物殘體，主要是植物的枝條、果實、雜草和落葉等[2]。據(jù)統(tǒng)計，北京、上海等地每年產(chǎn)的園林垃圾產(chǎn)量都在 10 萬噸以上[3]。但是目前對林木剩余物和園林剩余物的利用還十分的原始粗陋，大量的生物質(zhì)得不到妥善的利用，仍以填埋、就地堆放或者作為廢棄物進行焚燒的方式進行處理。不僅造成了能源上的浪費和安全上的隱患，還違背了可制續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方針，切斷了生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量流動，使土壤肥力得不到自我維持和補充。因此，將這些植物剩余物進行資源化、無害化處理成為目前主要的問題。目前對林木剩余物和園林剩余物的利用有以下幾方面。 (1)生物質(zhì)能。生物質(zhì)能是指太陽能以化學能形式貯存在物質(zhì)中的能量，它間接或直接來源于植物的光合作用，可以轉化為固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料。生物質(zhì)能資源豐富，是一種清潔能源，可以很大程度上緩解環(huán)境問題，同時它也是唯一可再生的碳源。林木質(zhì)能源作為生物質(zhì)能源的一個分支，占有十分重要的地位。目前對它的開發(fā)和利用主要有：①固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)燃料，②生物柴油，③木粉發(fā)電等[4]。林木質(zhì)能源具有清潔型、可持續(xù)性、易得性等特點，例如生物柴油的燃燒產(chǎn)物中的 CO、CO2、顆粒物低于普通柴油，并且不含 SO2、鉛等有毒物質(zhì)[5,6]。 
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1.2 樹枝粉碎機國內(nèi)外現(xiàn)狀
目前，國內(nèi)有些科研院所和部分工廠已經(jīng)研究和開發(fā)了一些新型的樹枝粉碎機，國內(nèi)對樹枝粉碎機的理論研究和成品的開發(fā)主要如下。 宋寶昌和程立杰[16]研制了一款集切削、粉碎、篩選為一體結構的 FS 型粉碎機。該機移動便利、結構簡單、操作維修方便，主要的粉碎對象是林區(qū)的灌木藤條，目的是為食用菌培養(yǎng)提供養(yǎng)料。 顧正平和沈瑞珍[17]設計了一款盤式短刀枝椏削片機。該機用短刀代替?zhèn)鹘y(tǒng)的長刀，把短刀按照一定的規(guī)律布置在刀盤上，切削時一把刀片退出切削，另一把刀片立即進入切削（見圖 1.1）。這種新型的盤式短刀切片機切削力小且波動小，工作比較穩(wěn)定；噪音和振動大幅度降低，噪音比長刀降低了 5.5~10.9dB，可以在城市作業(yè)；刀片磨碎均勻，使用壽命增長。牛曉華等[18]設計了一款主要針對于野外林地現(xiàn)場作業(yè)的 3ZSX-20 型高效樹枝粉碎設備。由拖拉機進行牽引和提供動力，拖拉機的動力經(jīng)過萬向傳動軸，帶動切削刀盤和粉碎錘旋轉，并驅動進料輥旋轉，生產(chǎn)效率高，但噪音大。 張漢月和黃激文[19]設計了一款便于在園林現(xiàn)場作業(yè)的樹枝切碎機。采用自走式，動力配置靈活，結構簡單，安全可靠，噪音小。 周雪梅等[20]設計了一款可以適用于切削不同直徑和不同形狀樹枝的雙刀盤三喂入式樹枝粉碎機，見圖 1.2。該機有兩種刀盤和三種喂料口，其中水平機械自動進料口和主刀盤（有 4 個刀片）配合工作，傾斜自由進料口和副刀盤（有 2個刀片）配合工作，上開口的進料直接進入粉碎室粉碎。
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第 2 章 仿生刀片的設計與加工

在“優(yōu)勝劣汰，適者生存”的自然法則下，生態(tài)系統(tǒng)中的生物為了不被淘汰而進化出了各種適應環(huán)境的本領。其中，許多動物的切削行為，與人類進行的切削行為相比，它們在性能上更加突出，如功耗小，耐磨損，土壤粘附率低等特點。 

2.1 仿生原型的選擇

自然界中很多動物存在著切削行為，按照切削部位的不同可以分為七大類：齒（包括齒舌）切削行為、爪趾切削行為、口器切削行為、頭部（包括吻部）切削行為、體切削行為、產(chǎn)卵器切削行為和綜合型切削行為。 許多學者對動物爪趾切削行為（大多為土壤動物，如穿山甲、螻蛄、蜣螂、家鼠等）進行了深入研究，研究表明動物爪趾廓曲線具有曲率波動變化的特征，并初步認為這種爪趾的觸土面在切削土壤的過程中受到較低的切削阻力[47-51]。 郭志軍等[52]利用 XTL30-CTV 體視彩色顯微鏡研究了達烏爾黃鼠爪趾縱剖面內(nèi)的上、下輪廓線的幾何特征，見圖 2.1。利用最小二乘法擬合得到達烏爾黃鼠爪趾縱剖面內(nèi)的內(nèi)、外輪廓線的曲線。 依據(jù)曲率公式計算，根據(jù)上述方程(2.1)、(2.2)可以得到兩式的曲率變化形式，見圖 2.2。從圖中可以看出輪廓曲線曲率變化趨勢，它的爪趾輪廓線是變曲率的，內(nèi)輪廓曲線的曲率變化曲線可以看成兩條拋物線的耦合（見圖 2.2(a)），外輪廓曲線的曲率變化曲線可以近似看成一條拋物線（見圖 2.2(b)）。 

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2.2 河貍的簡介
河貍屬于河貍科(Castor fiber)，哺乳綱嚙齒目，在我國屬于國家一級保護動物[55]。河貍主要在夜間出來活動，白天很少出去活動，不冬眠。河貍以植物為食，主要以嫩枝、植物的皮和樹根為主，也食水生植物；秋季，它們會用鋒利的牙齒，將大樹啃咬成 1 m 左右的小段，藏到洞口處的深水間，為冬季儲備食物。河貍可以稱得上建筑大師，它們把大樹咬斷，用來建造棲息場所。在河貍棲息的場所，可以經(jīng)常看到它們的杰作—碗口粗的樹樁。由于它們的生活習性，經(jīng)過自然的進化，造就了河貍鋒利的門齒和發(fā)達的咬肌，咬斷一棵直徑 40 cm 的樹，它們只需 2 h，見圖 2.7。 劉國林等[56,57]針對河貍門齒進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，河貍的門齒是由一對上頜門齒和一對下頜門齒構成的（見圖 2.8、圖 2.9 和圖 2.10）。上門齒和下門齒外形存在很大的差異，上門齒的齒尖部分，中間高、兩邊低；下門齒的齒尖部分，中間低、兩邊高。在門齒曲率方面，上門齒的彎曲曲率較大，而下門齒的彎曲曲率較小。在啃咬樹木或其它植物時，它們的作用也各有差異，上門齒不僅有撕咬作用，還要兼顧將碎屑帶走的作用，下門齒起到切入樹木的作用。在本研究中主要針對河貍的下門齒進行研究。 
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第 3 章 切削刀片靜力分析...... 23 
3.1 樹枝模型與強度理論....... 23 
3.1.1 均質(zhì)性假設 ..... 23 
3.1.2 強度理論 ..... 23 
3.2 切削力分析........ 26 
3.3 ANSYS 簡介 ..... 29 
3.4 切削刀片的靜力分析....... 30 
3.5 本章小結....... 34 
第 4 章 刀片切削性能試驗...... 37 
4.1 試驗設備及儀器..... 37
4.2 相關性驗證試驗..... 37 
4.3 切削性能對比性試驗....... 44 
4.4 本章小結....... 51 
第 5 章 樹枝粉碎試驗.... 53 
5.1 試驗設備及方法..... 53 
5.2 試驗安排....... 56 

第 5 章 樹枝粉碎試驗

通過低速順紋切削試驗對普通刀片和仿生刀片的切削性能有了初步的研究，為了更加直觀的了解四種刀片的切削性能，本章主要研究切削刀片在正常工作條件的性能，了解普通刀片和仿生刀片在實際生產(chǎn)中的差異，并與低速順紋切削試驗進行比較，分析兩類試驗的差異。

5.1 試驗設備及方法
由 DHDAS-5923 動態(tài)信號采集儀、計算機和DHDAS 信號測試系統(tǒng)軟件（見圖 5.2）組成，用于數(shù)據(jù)的采集、存儲和分析。 試驗中利用電測法通過粘貼在底刀片背面的電阻應變片來測定切削刀片在切削樹枝時切削力的大小。其工作原理是當電阻應變片受力時，引起敏感柵電阻量的變化從而引起電壓或電流的變化；然后，電信號通過信號調(diào)理設備（電橋盒）的放大、濾波等處理；接著由數(shù)據(jù)采集設備（DHDAS-5923 動態(tài)信號采集儀）將電信號轉化為數(shù)字信號，傳輸給計算機；最后由計算機上的配套軟件與動態(tài)信號采集儀進行數(shù)據(jù)交換，并完成數(shù)據(jù)的采集，將數(shù)據(jù)存儲到計算機內(nèi)，便于以后進行數(shù)據(jù)的讀取和處理。 電橋盒用于連接應變片和動態(tài)信號采集儀，通過電橋盒將試件上的應變片組成合理的橋路，將試驗過程中應變片電阻的微小變化，轉換為電壓信號供放大器進行信號放大。電橋盒內(nèi)使用的是標準 120 Ω 電阻，當所使用的應變片為非標準120 Ω 電阻時，應使用全橋或半橋方式進行測量；安裝完成后，要檢測應變片與連接線的總阻值，使用標準 120 Ω 應變片測量時，其總阻值應在 120 Ω±1%范圍內(nèi)，否則會造成橋路的不平衡，使所測量的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤。 試驗中采用半橋方式進行相關的測量，其中一電阻片是工作片(Rg)，另一電阻片為補償片(Rd)，見圖 5.3、圖 5.4 和圖 5.5。 
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結論

本論文介紹的研究工作，將仿生學與刀具優(yōu)化相結合，根據(jù)河貍下門齒的特征曲線及其變曲率特征，設計了 3 種類型的仿生刀片。設計過程中運用 ANSYS軟件對普通刀片和仿生刀片進行靜力分析，優(yōu)化刀片參數(shù)，直至普通刀片和仿生刀片都在剛度和強度上滿足要求。利用正交試驗對選取的因素進行相關性的驗證試驗；利用萬能試驗機對普通刀片和仿生刀片做低速條件下的對比切削試驗；最后，在實際工作條件下，用 400 型樹枝粉碎機對普通刀片和仿生刀片做粉碎對比試驗,得出了以下主要結論。
 (1) 在 ANSYS 軟件靜力分析過程中發(fā)現(xiàn)，普通刀片總的變形位移小于仿生刀片，即普通刀片的剛度要高于仿生刀片；但是普通刀片總應力卻高于仿生刀片，即仿生刀片的強度高于普通刀片。但它們的強度和剛度都符合要求。 
(2) 運用正交試驗，通過極差與方差分析對試驗因素（切削速度、樹枝直徑和樹枝長度）進行了相關性驗證。通過極差分析可以得出以下三點：主次因素順序為 B（樹枝直徑）、C（樹枝長度）和 A（切削速度）；優(yōu)水平為 A1、B3、C3 ；最優(yōu)組合為 A1B3C3。通過方差分析得出了各因素與試驗指標的相關性，在試驗方案所選取的因素水平內(nèi)，切削速度的顯著性水平 α 為 0.01，與切削阻力不顯著性相關；樹枝直徑的顯著性水平 α 為 0.05，與樹枝長度都與切削阻力顯著性相關。 
(3) 在用萬能試驗機做低速切削的對比試驗中，主要從最大切削阻力、平均切削阻力、功耗三方面來評價普通刀片與仿生刀片。 
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參考文獻(略)

本文編號：40542