ABB 应用仿生学和生物力学 1754 - 2103 1176 - 2322 Hindawi 10.1155 / 2021/8798299 8798299 研究文章 刀具结构参数设计基于仿生的茶收获方法 https://orcid.org/0000 - 0002 - 6146 - 2730 杜 哲 1 2 https://orcid.org/0000 - 0002 - 3771 - 9380 胡 Yongguang 2 陆 Yongzong 2 庞 京 1 李 新平 1 Romano Donato 1 大学的农业设备工程 河南科技大学 洛阳471023年 中国 haust.edu.cn 2 农业工程学院 农业工程学院 江苏大学 镇江212013 中国 ujs.edu.cn 2021年 23 7 2021年 2021年 21 4 2021年 19 6 2021年 1 7 2021年 23 7 2021年 2021年 版权©2021 Z Du et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

由于它们锋利的牙齿,蟋蟀通过新的茎芽的茶可以吃植物。特殊的几何结构的启发,蟋蟀的牙齿,本研究设计了一种仿生刀具来减少所需的力和能量减少茶植物的茎。因此,四个仿生刀具被认为是: 一个, b, c, d。刀 一个是一个传统的刀具用于与其他三个刀具,仿生。刀具的制造使用3 d打印技术和评估结构测试人员在不同加载速度(5、10和15 mm / s,分别)。结果表明,刀具 c更好的性能比刀 一个在加载的速度5、10和15毫米/ s,分别。然而,在15毫米/秒加载速度、刀具所需的最大切削力 b和 c分别下降了9.43%和6.04%,比刀吗 一个(9.021 N)。同样地,能量被刀具 b和 c分别为13.8%和4.24%低于被刀吗 一个(1.225 J)。此外,刀 c提供最好的结果与他人相比。基于研究结果,得出结论:仿生刀具可以帮助优化茶叶丰收。

 河南省省教育厅科学技术研究项目 212102110034 中国国家重点研发项目 2017年yfd0700300 优先级的学术程序开发江苏高等教育机构 papd - 2018 - 87 1。介绍

茶是一种芳香的饮料,是世界各地的消费 1]。采茶者被广泛用于提高收割茶植物的产量( 2, 3]。采茶机的刀是一个关键的组件,其切削性能和效率有显著影响( 4, 5]。常用的刀具在采茶者包括往复式切割器、磁盘机和flail-type刀。磁盘和flail-type刀具相比,往复式切割器结构更简单和更广泛的适应性 6- - - - - - 8]。除此之外,重要的是往复式切割器的结构参数进行优化,以改善其切削性能。

目前往复式切割器的优化设计的研究都集中在切削速度、切削角、几何,和大小。工厂的机械性能也被认为是在刀具的设计 9- - - - - - 12]。设计一个收获元素,苏尼尔等人的研究研究energycane秸秆的力学性能,发现斜角度和刀具的切削速度有显著影响削减能源( 13]。山崎裕et al。 14)和Galedar et al。 15)进行类似的研究在往复式切割器的结构参数。施等。 16)建立了作物秸秆的3 d模型和刀具使用响应面分析确定的运动学参数的最优组合刀具的切削速度1.6米/秒,削减15°角,1 m / s的速度工作。

仿生技术最近被应用于优化传统农业机械的设计和提高能源利用率( 17- - - - - - 20.]。它结合了生物原则与工程问题开发解决方案。张等人的研究。 21)设计了一种仿生碎秸刀通过模仿的外轮廓foreclaws仙女的物种 Cryptotympana atrata减少切削阻力。通过考虑蚱蜢的锯齿状的门齿,贾et al。 22)设计和制造一个仿生刀具减少需求的最大切削力和切削能量。通等。 23)优化stubble-cutting磁盘基于动力学的抓脚趾鼢鼠的挖掘。仿生学的研究可以咨询设计刀具,可以减少能源和收获(所需的切削力 24, 25]。

仿生切割技术通常是基于食植物的昆虫的特点,如虎甲虫( 26)、竹虫幼虫( 27),和蝗虫 28]。这些昆虫有格式良好的,强壮的下颚来有效地咀嚼植物。嘴的部分特征可以用来优化刀具的参数。侵略的嘴结构自适应,昆虫必须决定什么角是最好的吃的。它是如何做的可以说是最好的理解蟋蟀(直翅目:蟋蟀科) 29日]。板球是一种杂食性昆虫,使用新鲜的竹笋,茎,叶,和茶的种子植物,蔬菜,和其他作物。下颌骨的牙齿已经进化和适应,这样他们可以很容易地切成眼泪植物纤维( 30.]。因此,牙齿的下颌骨板球的特点可用于设计一个高效的刀具茶植物。

基于上述讨论,本文考察了结构参数的刀具收获茶植物基于仿生技术。锯齿状的外轮廓线提取结构的下颌骨板球,及其拟合曲线应用于设计仿生刀具。此外,四刀( 一个, b, c, d)是由使用3 d打印技术,制造和实验进行了纹理测试人员来调查他们的表现而言,所需的切削力和能量。最后,茶梗的截面观察使用microcomputed断层扫描(ct机)扫描仪分析刀具的性能。

 2。材料和方法 2.1。刀具设计 2.1.1。样品制备

目前实验中,成人蟋蟀被收集从山东宁阳城市的郊区,中国。五个样本99%乙醚麻醉,牙齿取出使用镊子,用蒸馏水洗净。然而,茶从Maichun获得样本农场在丹阳,江苏,靠近长江地区(纬度32°02 ′ N,东经119°67年 ′ E)。实验选择真实茶,茶梗是第三节间Zhongcha 108品种。抽样时,茶梗的平均含水率为73.8%(湿基)和采摘时间是2019年6月 31日]。

 2.1.2。样本的观察

蟋蟀的牙齿的几何结构和茶梗的微观结构观察到一个数字微系统(vhx - 900 f,日本基恩士,日本)。这个系统被用来测量2 d大小和3 d这些对象的轮廓。牙齿的照片的下颌骨板球如图 1(一),茶梗的结构如图 1 (b)。

(一)牙齿的下颌骨板球。(b)茶梗的结构。

 2.1.3。曲线提取

跟踪软件被用来将位图转换为矢量图中提取的轮廓的几何特征的牙齿板球。轻松地单独的图像的对象从背景中,矢量图是受到一个二进制的过程,转换成黑白图像。同时,AutoCAD软件被用来调整和情节点提取轮廓线的锯齿状结构的下颌骨板球。锯齿状的外边界的曲线结构被划分为各个曲线精确地表达他们在给定的时间。最后,起源软件被用于数据分析选择仿生单元。

 2.1.4。刀具制造

牙齿的轮廓的几何特征的板球被用于仿生刀具的设计。准确表达仿生元素,3 d打印技术用于机器的刀具使用未来8000树脂。它有一个非常精确和光滑的表面,提供类似的机械性能的丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)。3 d印制刀具被用于所有的测试。此外,刀具材料仍然是未来8000年树脂在模拟测试。

 2.2。测试方法

实验中使用的刀具是1.5 ~ 2.5毫米厚。使用ANSYS有限元分析软件进行了确定刀具厚度对切削力的影响。

纹理测试仪(稳定的微系统,TA-XT2i)是用来测量,记录,分析切削性能(切削力、时间和能源消耗)不同的刀具在茶梗( 32]。测试人员有一个广泛的移动距离0.1 mm - 295 mm,及其力测量精度为0.025%的速度0.1 ~ 20毫米/秒。加载速度是一个重要因素,因为茶梗是粘弹性材料制成的 33]。在切削实验,加载速度设置为5,10,和15毫米/秒。刀切割时的茶梗以恒定速度,切削力-位移曲线可以得到纹理测试仪。该地区能源消耗可以计算切割曲线和位移之间的轴( 22]。

加载速度10毫米/秒时切削力为2.5 N,茶梗的横截面是改变。此外,x射线microcomputed断层扫描(Scanco医疗AG)、ct机100年,瑞士)是用来扫描测试后秸秆切割实验。5毫米的x射线管有现货大小45的操作电压88 kV和电流 μ答:200(每个切片图像 1024年 × 1024年 像素)从实验获得。茶梗是固定在扫描海绵桶观察其内部结构。

 3所示。结果与讨论 3.1。曲线的牙齿结构

牙齿的下颌骨板球不同的大小和形状。不同的弧形结构的牙齿之间的摩擦阻力显著降低下颌骨和新植物的芽。

3.1.1。拟合曲线的锯齿状的结构

牙齿的弧形结构的下颌骨板球被划分为五个曲线(曲线 一个- - - - - - e)。非线性回归模型被用来分析曲线的外缘 一个来 e。锯齿状结构的曲线的拟合给出了以下方程: (1) y x = 一个 0 + 一个 1 x + 一个 2 x 2 + 一个 3 x 3 + 一个 4 x 4 。

并给出了齿廓曲线的拟合参数表 1。这是发现的值 R 2 所有曲线( 一个, b, c, d, e)大于0.9595。因此,拟合的结果是可以接受的。图 2显示的曲线 一个- - - - - - e。曲线 一个, c, e有相同的上升和下降的趋势,而曲线 b和 d略有不同的。曲线 一个增加了近线性曲线 c和 e前凸中上升部分的减少。曲线的峰值 一个更大比其他的曲线。

参数曲线。

参数 曲线 一个 曲线 b 曲线 c 曲线 d 曲线 e
一个 0 3.248 -7.302 1283.896 41225.250 -16145.526
一个 1 5.295 1.689 -32.294 -420.6120 107.581
一个 2 0.104 -0.018 0.249 1.602 -0.263
一个 3 -0.006 7.08 e − 05年 - - - - - - 7.58 e − 04 - - - - - - 2.70 e − 03 2.83 e − 04
一个 4 5.30 e − 05年 - - - - - - 1.04 e − 07年 8.00 e − 07年 1.69 e − 06 - - - - - - 1.13 e − 07年
R 2 0.976 0.999 0.960 0.985 0.976

提取等高线的牙齿板球。

 3.1.2。最佳逼近拟合曲线

第一个锋利的牙齿(图 1(一))的下颌骨板球有效地切断了芽,和其他的牙齿是用来磨食物( 30., 34]。第一个锋利的牙齿也可以降低切削阻力。曲线 一个这颗牙齿模型,因此选择刀具的设计模型。

减少加工刀具的难度,曲线 一个取而代之的是拟合曲线和直线来简化牙齿的形状,同时保留其仿生特征。在拟合曲线(直线),误差的平方和作为最优索引来寻求最优函数。当使用拟合曲线,曲线的表达 一个是一个five-order多项式方程的 R 2 (图0.999的价值 3)。曲线的拟合提出了以下方程: (2) y x = 0.16166 + 2.61437 x + 0.0356 x 2 − 0.00562 x 3 − 2.61 × 10 − 6 x 4 + 2.02 × 10 − 6 x 5 。

最佳逼近拟合曲线。

当使用拟合直线,曲线 一个由最小二乘法拟合。拟合函数设置为在以下方程: (3) 年代 x = b 0 + b 1 x 。

最小二乘方法用于曲线的上升和下降部分(图 4)。拟合参数 b 0 和 b 1 计算使用起源软件,如表所示 2。的斜坡上升和下降部分近似线段分别为1.959和-1.891,分别。在笛卡儿坐标系统,相应的倾斜角度63°和118°,相应 R 2 0.964和0.953的值。这些结果表明高相关性拟合线和真正的曲线。

最佳逼近拟合直线:(a)部分和(b)下降部分上升。

参数拟合直线。

部分 b 0 b 1 R 2
上涨的部分 2.387 1.959 0.964
下降的部分 64.129 -1.891 0.953

因此,拟合曲线和直线的曲线可以取代剖面上的第一颗牙下颌骨板球的简化加工工艺和留住仿生特征。

 3.1.3。刀具设计和制造

不同的刀具没有毛边角落如图 5。刀 一个是一个传统的刀具用于与其他刀具切削性能的比较- b, c, d——仿生。他们设计了基于曲线结构的第一个锋利的牙齿的下颌骨板球(即。,曲线 一个)。刀的轮廓线 一个是梯形。的刀具 b和 c拟合曲线方程( 2)和方程(安装不等边三角形的 3),分别。刀的轮廓线 d是一个梯形和一个不等边三角形的组合。对刀具 c和 d三角形的,双方的角度沿垂直方向27°28°,分别(图 6)。

铣刀模型:(a) 一个,(b) b,(c) c,(d) d。

三角形的角度。

 3.2。分析刀具厚度

应力和变形有显著影响稳定和刀具的磨损。许多因素进而影响刀具的应力和变形,如力学性能、刀具类型,结构和motion-related参数。作者在研究了刀的厚度对应力的影响及其变形。

假设负载3 N,有限元分析表明,铣刀的应力场和变形改变了其厚度,如图 7。刀具的最大等效应力降低,然后改变了一点点增加厚度。在不同厚度的刀具,刀具生产的最大等效应力 b和 c类似的,低于由刀具吗 一个和 d。与刀具厚度的增加,其总变形逐渐减少。刀的趋势变化 一个是突出的,而这些刀具吗 b, c, d很顺利。当刀的厚度为1.5 ~ 2.5毫米,最大等效应力和总变形产生的刀具 b和 c与厚度没有显著变化。

等效应力和铣刀的总变形厚度。

等效应力

总变形

 3.3。实验测试切削性能 3.3.1。切削力

切削力反映了切削效率。明确检查机的效率,最大切削力的加载速度5、10和15毫米/秒(表 3)。平均最大切削力如图 8。

在茶梗切的最大力量。

不。 加载速度(毫米/秒) 最大切削力(N)
刀 一个 刀 b 刀 c 刀 d
1 5 10.578 9.640 9.353 8.446
2 8.004 9.047 8.749 6.589
3 8.008 9.280 8.609 7.783
4 8.500 9.020 9.020 11.365
5 10.338 8.249 9.206 11.791
1 10 9.834 9.884 9.857 11.659
2 8.039 7.369 9.729 12.225
3 11.574 9.311 8.997 10.516
4 8.334 9.008 7.594 12.245
5 8.811 10.392 8.958 8.051
1 15 7.756 9.582 7.896 12.497
2 10.694 7.407 8.004 11.330
3 9.458 7.853 8.683 14.726
4 8.566 7.524 9.132 14.477
5 8.632 8.489 8.667 14.954

平均最大切削力。

在加载5毫米/秒的速度,刀具的平均最大力量 一个, b, c, d8.987 10.047 9.086 N, N, N,分别和9.195 N(表吗 3和图 8)。平均最大切削刀具的力量 b和 d分别增加了10.58%和1.2%,相比之下,刀 一个。然而,平均最大刀具切削力 c小于的刀吗 一个了1.08%。平均最大切削刀具的力量 b, c, d10.939 9.027 9.193 N, N, N,分别在10毫米/秒加载速度,小大1.35%和3.13%和17.4%,分别比刀吗 一个(9.318 N)。平均最大切削刀具的力量 一个, b, c, d8.476 8.171 9.021 N, N, N, N和13.597,分别时,加载速度是15毫米/秒。相比,平均最大刀具切削力 一个的刀具 b和 c分别减少了9.43%和6.04%,而刀吗 d是大了50.72%。随着加载速度的增加,平均最大切削刀具的力量 一个, b, c显示无显著变化而铣刀 d增加了。

用于茶梗的最大切削力远高于一般选择2.59 N的力( 35因为未来8000年的刀具都是树脂,不是钢。这也影响了切割所需的时间和精力。切割时间和能源消耗是与铣刀的结构参数密切相关。由于刀具形状的差异,茶梗是不同程度的挤压,由不同的刀具和切削时间和能量消耗是不同的。

 3.3.2。能源消耗

能源消耗是一个重要的因素,反映了切削效率。它可以由曲线之间的面积的切削力和位移的轴 21]。当加载速度5、10和15毫米/秒,消耗的能量不同刀具记录在表中 4和他们的平均能源消耗图所示 9。

能源消耗减少一个茶梗。

不。 加载速度(毫米/秒) 能源消耗(J)
刀 一个 刀 b 刀 c 刀 d
1 5 1.717 1.059 1.122 1.638
2 1.123 1.216 0.996 1.122
3 1.025 1.068 1.087 1.345
4 0.745 1.284 1.318 1.642
5 1.219 1.272 1.266 1.756
1 10 0.920 1.023 0.929 1.491
2 1.149 1.358 1.154 1.933
3 1.058 1.255 1.207 2.445
4 1.298 1.185 1.318 2.649
5 1.354 1.256 1.148 1.442
1 15 1.205 1.373 0.958 2.281
2 1.499 1.019 1.163 2.936
3 1.356 1.009 1.277 2.843
4 1.183 1.035 1.173 2.293
5 0.882 0.843 1.293 2.481

平均能量消耗在不同加载速度。

在加载5和10毫米/秒的速度,刀具的平均能耗 d是高于其他刀具(表吗 4和图 9)。平均最大切削刀具的力量 一个, b, c是相同的。加载速度15毫米/秒时,平均能量消耗的刀具 一个, b, c, d1.225 J, 1.056 J, 1.173 J,分别和2.567 J。相比之下,刀 一个,平均最大切削刀具的力量 b和 c分别减少了13.8%和4.24%,而刀吗 d是大了109.55%。

仿生刀具消耗的能量 b和 c是低于消耗的传统刀吗 一个和仿生刀具 d。

 4所示。讨论 4.1。行为机制的蟋蟀

研究表明,昆虫可以决定吃哪一个角,当最好的打击力量的神经调节 29日]。基因技术,影响攻击性的神经元被发现在果蝇。然而在蟋蟀,我们一无所知的神经元吃和战斗。此外,还有一些研究大脑的左右不对称的影响和行为在蟋蟀(无脊椎动物)吃和战斗 36]。因此,还需要进一步研究的工作机制允许左右下颌骨咬行为蟋蟀。这可能是由于神经支配的差异。现在可用的基因技术正在成为蟋蟀( 37),它可以预期,在未来会出现更多的进步的研究蟋蟀的模型系统。

 4.2。切茎的机制

图像结构变化的茶梗观察使用微ct扫描仪和图所示 10。数据显示 2和 9,茶梗的结构可以分为四个部分:髓,木质部、韧皮部和表皮。类似的组织结构是通过李和赖,谁观察茶梗的微观结构使用扫描电子显微镜( 38]。结构内的茶梗,所需的切削力和能量髓很低。因此,它被忽视由于异构茶梗的性质和它的柔和,海绵内部结构。

结构的茶梗通过微ct扫描仪。(一)最初的茎。(b)扭曲的茎。(c)受损的茎。

在数据 10(b)和 10(c),压缩变形破坏前的茶梗。木质部结构被损坏在压缩阶段。将茶梗的过程可以分为两个阶段。在第一阶段,切削力是应用于木质部,组织的支持。第二阶段涉及的应用切削力表皮和韧皮部,茶梗的机械组织。表皮和木质部造成了两个高峰出现在切削力的曲线(图 11)。在图 11,第一次和第二次高峰值的最大力量,打破了木质部表皮和韧皮部。类似的结论是通过Leblicq et al .,研究植物茎的变形以及植物之间的相互作用和力量。他们发现断茎可以分析在两个连续的阶段(成椭圆形和屈曲)( 39]。

切削力与位移。

 4.3。刀的比较分析

在一般情况下,剪切是最有效的方法来降低木质纤维素材料,如茶茎。茶梗的时候使用刀具 一个, b, c刀具的接触表面,茶梗的表皮形成一条直线。这种风格的联系有利于剪切。刀具 b和 c需要较小的切削力和能量比刀 一个,这表明他们可以更好地减少木质纤维素材料。这是由于刀具 b和 c仿生刀具与一个特殊的拟合曲线。数据 8和 9表明,刀具的最大切削力和能源消耗 d高于其他刀具。这是因为刀 d有一个小的结构预测的牙齿。尖的齿刀就能轻易刺茶梗的表皮,但非常小,因为这需要更多的力量来打破茶梗的组织结构。这些现象表明,刀具 b和 c(仿生刀具)表现出更好的切削性能比刀具在茶梗 一个和 d。

刀用来收割茶植物通常是钢做的。然而,比较不同刀具更确切地说,本研究使用未来的8000树脂制造。在未来的工作中,作者计划金属仿生刀具和测量切削力和能源消耗。在该地区进一步的工作也应该研究仿生刀具对不同作物的优势和在不同的加载速度。

 5。结论

在这项研究中,发现刀具的切削性能 b和 c是优于刀 一个在加载的速度5、10和15 mm / s。刀具 b和 c可以使用9.43%和6.04%平均最大切削力比刀吗 一个分别13.8%和4.24%,需要更少的平均能量的加载速度15 mm / s。当刀的厚度是1.5 ~ 2毫米,最大等效应力和总变形产生的刀具 b和 c没有显著变化。这些结果表明,第一板球的下颌骨的尖牙可以用来设计仿生刀具,可以有效地降低茶植物的茎的切削力和能量消耗。

 数据可用性

原始数据用来支持本研究的结果包括在本文中。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

 确认

本研究支持的优先级的学术程序开发江苏高等教育机构(papd - 2018 - 87),中国国家重点研发项目(批准号2017 yfd0700300),和河南省教育厅科学技术研究项目(212102110034)。

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