第 1 章 緒論

1.1 研究背景及意義
我國(guó)具有豐富的林木資源，，國(guó)家林業(yè)局發(fā)表的《全國(guó)林業(yè)生物質(zhì)能發(fā)展規(guī)劃(2011-2020 年)》顯示：我國(guó)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(guó)每年產(chǎn)生的林木剩余物可達(dá)到 9億噸，其中大約有 3 億噸可作為能源再利用，折合為標(biāo)準(zhǔn)煤約 2 億噸，可以很好的緩解能源問(wèn)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(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和生活水平的提高，人們環(huán)保意識(shí)的提高，各級(jí)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(shè)，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(hù)過(guò)程中產(chǎn)生的植物殘?bào)w，主要是植物的枝條、果實(shí)、雜草和落葉等[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，北京、上海等地每年產(chǎn)的園林垃圾產(chǎn)量都在 10 萬(wàn)噸以上[3]。但是目前對(duì)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(jìn)行焚燒的方式進(jìn)行處理。不僅造成了能源上的浪費(fèi)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(dòng)，使土壤肥力得不到自我維持和補(bǔ)充。因此，將這些植物剩余物進(jìn)行資源化、無(wú)害化處理成為目前主要的問(wèn)題。目前對(duì)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(yáng)能以化學(xué)能形式貯存在物質(zhì)中的能量，它間接或直接來(lái)源于植物的光合作用，可以轉(zhuǎn)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(wèn)題，同時(shí)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(gè)分支，占有十分重要的地位。目前對(duì)它的開(kāi)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(diǎn)，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(shù)枝粉碎機(jī)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
目前，國(guó)內(nèi)有些科研院所和部分工廠已經(jīng)研究和開(kāi)發(fā)了一些新型的樹(shù)枝粉碎機(jī)，國(guó)內(nèi)對(duì)樹(shù)枝粉碎機(jī)的理論研究和成品的開(kāi)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(jié)構(gòu)的 FS 型粉碎機(jī)。該機(jī)移動(dòng)便利、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作維修方便，主要的粉碎對(duì)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(shè)計(jì)了一款盤式短刀枝椏削片機(jī)。該機(jī)用短刀代替?zhèn)鹘y(tǒng)的長(zhǎng)刀，把短刀按照一定的規(guī)律布置在刀盤上，切削時(shí)一把刀片退出切削，另一把刀片立即進(jìn)入切削（見(jiàn)圖 1.1）。這種新型的盤式短刀切片機(jī)切削力小且波動(dòng)小，工作比較穩(wěn)定；噪音和振動(dòng)大幅度降低，噪音比長(zhǎng)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(zhǎng)。牛曉華等[18]設(shè)計(jì)了一款主要針對(duì)于野外林地現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的 3ZSX-20 型高效樹(shù)枝粉碎設(shè)備。由拖拉機(jī)進(jìn)行牽引和提供動(dòng)力，拖拉機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過(guò)萬(wàn)向傳動(dòng)軸，帶動(dòng)切削刀盤和粉碎錘旋轉(zhuǎn)，并驅(qū)動(dòng)進(jìn)料輥旋轉(zhuǎn)，生產(chǎn)效率高，但噪音大。 張漢月和黃激文[19]設(shè)計(jì)了一款便于在園林現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的樹(shù)枝切碎機(jī)。采用自走式，動(dòng)力配置靈活，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠，噪音小。 周雪梅等[20]設(shè)計(jì)了一款可以適用于切削不同直徑和不同形狀樹(shù)枝的雙刀盤三喂入式樹(shù)枝粉碎機(jī)，見(jiàn)圖 1.2。該機(jī)有兩種刀盤和三種喂料口，其中水平機(jī)械自動(dòng)進(jìn)料口和主刀盤（有 4 個(gè)刀片）配合工作，傾斜自由進(jìn)料口和副刀盤（有 2個(gè)刀片）配合工作，上開(kāi)口的進(jìn)料直接進(jìn)入粉碎室粉碎。
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第 2 章 仿生刀片的設(shè)計(jì)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(jìn)化出了各種適應(yīng)環(huán)境的本領(lǐng)。其中，許多動(dòng)物的切削行為，與人類進(jìn)行的切削行為相比，它們?cè)谛阅苌细油怀�，如功耗小，耐磨損，土壤粘附率低等特點(diǎn)。 

2.1 仿生原型的選擇

自然界中很多動(dòng)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(xué)者對(duì)動(dòng)物爪趾切削行為（大多為土壤動(dòng)物，如穿山甲、螻蛄、蜣螂、家鼠等）進(jìn)行了深入研究，研究表明動(dòng)物爪趾廓曲線具有曲率波動(dòng)變化的特征，并初步認(rèn)為這種爪趾的觸土面在切削土壤的過(guò)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(dá)烏爾黃鼠爪趾縱剖面內(nèi)的上、下輪廓線的幾何特征，見(jiàn)圖 2.1。利用最小二乘法擬合得到達(dá)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(jì)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(jiàn)圖 2.2。從圖中可以看出輪廓曲線曲率變化趨勢(shì)，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(jiàn)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(jiàn)圖 2.2(b)）。 

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2.2 河貍的簡(jiǎn)介
河貍屬于河貍科(Castor fiber)，哺乳綱嚙齒目，在我國(guó)屬于國(guó)家一級(jí)保護(hù)動(dòng)物[55]。河貍主要在夜間出來(lái)活動(dòng)，白天很少出去活動(dòng)，不冬眠。河貍以植物為食，主要以嫩枝、植物的皮和樹(shù)根為主，也食水生植物；秋季，它們會(huì)用鋒利的牙齒，將大樹(shù)啃咬成 1 m 左右的小段，藏到洞口處的深水間，為冬季儲(chǔ)備食物。河貍可以稱得上建筑大師，它們把大樹(shù)咬斷，用來(lái)建造棲息場(chǎng)所。在河貍棲息的場(chǎng)所，可以經(jīng)�？吹剿鼈兊慕茏鳌肟诖值臉�(shù)樁。由于它們的生活習(xí)性，經(jīng)過(guò)自然的進(jìn)化，造就了河貍鋒利的門齒和發(fā)達(dá)的咬肌，咬斷一棵直徑 40 cm 的樹(shù)，它們只需 2 h，見(jiàn)圖 2.7。 劉國(guó)林等[56,57]針對(duì)河貍門齒進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，河貍的門齒是由一對(duì)上頜門齒和一對(duì)下頜門齒構(gòu)成的（見(jiàn)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(shù)木或其它植物時(shí)，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(shù)木的作用。在本研究中主要針對(duì)河貍的下門齒進(jìn)行研究。 
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第 3 章 切削刀片靜力分析...... 23 
3.1 樹(shù)枝模型與強(qiáng)度理論....... 23 
3.1.1 均質(zhì)性假設(shè) ..... 23 
3.1.2 強(qiáng)度理論 ..... 23 
3.2 切削力分析........ 26 
3.3 ANSYS 簡(jiǎn)介 ..... 29 
3.4 切削刀片的靜力分析....... 30 
3.5 本章小結(jié)....... 34 
第 4 章 刀片切削性能試驗(yàn)...... 37 
4.1 試驗(yàn)設(shè)備及儀器..... 37
4.2 相關(guān)性驗(yàn)證試驗(yàn)..... 37 
4.3 切削性能對(duì)比性試驗(yàn)....... 44 
4.4 本章小結(jié)....... 51 
第 5 章 樹(shù)枝粉碎試驗(yàn).... 53 
5.1 試驗(yàn)設(shè)備及方法..... 53 
5.2 試驗(yàn)安排....... 56 

第 5 章 樹(shù)枝粉碎試驗(yàn)

通過(guò)低速順紋切削試驗(yàn)對(duì)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(shí)際生產(chǎn)中的差異，并與低速順紋切削試驗(yàn)進(jìn)行比較，分析兩類試驗(yàn)的差異。

5.1 試驗(yàn)設(shè)備及方法
由 DHDAS-5923 動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀、計(jì)算機(jī)和DHDAS 信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)軟件（見(jiàn)圖 5.2）組成，用于數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和分析。 試驗(yàn)中利用電測(cè)法通過(guò)粘貼在底刀片背面的電阻應(yīng)變片來(lái)測(cè)定切削刀片在切削樹(shù)枝時(shí)切削力的大小。其工作原理是當(dāng)電阻應(yīng)變片受力時(shí)，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(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理設(shè)備（電橋盒）的放大、濾波等處理；接著由數(shù)據(jù)采集設(shè)備（DHDAS-5923 動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀）將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，傳輸給計(jì)算機(jī)；最后由計(jì)算機(jī)上的配套軟件與動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并完成數(shù)據(jù)的采集，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)內(nèi)，便于以后進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和處理。 電橋盒用于連接應(yīng)變片和動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀，通過(guò)電橋盒將試件上的應(yīng)變片組成合理的橋路，將試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變片電阻的微小變化，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)供放大器進(jìn)行信號(hào)放大。電橋盒內(nèi)使用的是標(biāo)準(zhǔn) 120 Ω 電阻，當(dāng)所使用的應(yīng)變片為非標(biāo)準(zhǔn)120 Ω 電阻時(shí)，應(yīng)使用全橋或半橋方式進(jìn)行測(cè)量；安裝完成后，要檢測(cè)應(yīng)變片與連接線的總阻值，使用標(biāo)準(zhǔn) 120 Ω 應(yīng)變片測(cè)量時(shí)，其總阻值應(yīng)在 120 Ω±1%范圍內(nèi)，否則會(huì)造成橋路的不平衡，使所測(cè)量的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤。 試驗(yàn)中采用半橋方式進(jìn)行相關(guān)的測(cè)量，其中一電阻片是工作片(Rg)，另一電阻片為補(bǔ)償片(Rd)，見(jiàn)圖 5.3、圖 5.4 和圖 5.5。 
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結(jié)論

本論文介紹的研究工作，將仿生學(xué)與刀具優(yōu)化相結(jié)合，根據(jù)河貍下門齒的特征曲線及其變曲率特征，設(shè)計(jì)了 3 種類型的仿生刀片。設(shè)計(jì)過(guò)程中運(yùn)用 ANSYS軟件對(duì)普通刀片和仿生刀片進(jìn)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(qiáng)度上滿足要求。利用正交試驗(yàn)對(duì)選取的因素進(jìn)行相關(guān)性的驗(yàn)證試驗(yàn)；利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)普通刀片和仿生刀片做低速條件下的對(duì)比切削試驗(yàn)；最后，在實(shí)際工作條件下，用 400 型樹(shù)枝粉碎機(jī)對(duì)普通刀片和仿生刀片做粉碎對(duì)比試驗(yàn),得出了以下主要結(jié)論。
 (1) 在 ANSYS 軟件靜力分析過(guò)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(yīng)力卻高于仿生刀片，即仿生刀片的強(qiáng)度高于普通刀片。但它們的強(qiáng)度和剛度都符合要求。 
(2) 運(yùn)用正交試驗(yàn)，通過(guò)極差與方差分析對(duì)試驗(yàn)因素（切削速度、樹(shù)枝直徑和樹(shù)枝長(zhǎng)度）進(jìn)行了相關(guān)性驗(yàn)證。通過(guò)極差分析可以得出以下三點(diǎn)：主次因素順序?yàn)?B（樹(shù)枝直徑）、C（樹(shù)枝長(zhǎng)度）和 A（切削速度）；優(yōu)水平為 A1、B3、C3 ；最優(yōu)組合為 A1B3C3。通過(guò)方差分析得出了各因素與試驗(yàn)指標(biāo)的相關(guān)性，在試驗(yàn)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(guān)；樹(shù)枝直徑的顯著性水平 α 為 0.05，與樹(shù)枝長(zhǎng)度都與切削阻力顯著性相關(guān)。 
(3) 在用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)做低速切削的對(duì)比試驗(yàn)中，主要從最大切削阻力、平均切削阻力、功耗三方面來(lái)評(píng)價(jià)普通刀片與仿生刀片。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：40542