设计和测试刀片的玉米收获机的研究基于仿生原理

文摘

现有玉米收割机切割刀片有问题大切割阻力,高能源消耗和减少质量差。利用仿生学原理,设计了仿生叶片通过提取切削齿廓曲线的b . horsfieldi口味。使用双刀切削装置测试系统,单个杆切削性能对比试验获得的玉米秸秆收获的时候。结果表明,仿生叶片有优越的性能,证明了切削能力强和良好的切割质量。使用统计分析两组测试数据,仿生叶片的平均切削力和切削能量和普通叶片获得551.31 480.24 N, N和3.91 J和4.38,分别。平均最大切削力和切削能耗的仿生叶片分别减少了12.89%和10.73%,分别。方差分析表明,这两种刀片类型有显著影响最大的降低能源和减少能源需要减少玉米杆。这表明仿生叶片有更好的切削力和减少能源消耗性能比普通刀片。

1。介绍

近年来,尽量减少能源消耗以及建设一个资源节约型和环境友好型社会已成为一个高优先级的在今天的世界。农业过程也见过一个快节奏的现代化,已导致增加农业生产的机械化。因此,农业机械总功耗一直上升,进而导致更高的农业生产设备的能源消耗。作为世界上主要的粮食作物之一,种植玉米已经在全世界大部分地区。因此,有一个要求大量的玉米收割机械。因此,最大限度地减少能源消耗的玉米收割机将大大有助于减少碳排放的全球农业设备(1,2]。刀片是玉米收获机的主要工作部件之一。玉米秸秆通常较粗壮,显著削减过程需要大量的能源玉米收获,所以小切削阻力和低能耗的要求刀片非常有益,有助于减少能源消费总量玉米收获机。

在今天的矿车,两种类型的刀片用于玉米收割机,回转式和往复式。这两种刀片类型中,更高比例的研究报道文献都集中在旋转叶片上,重点是在结构方面和叶片的运动参数(3,4]。在往复切削片的情况下,讨论主要集中在叶片安排和运动参数匹配5,6]。重要的是要注意,缺乏关注在这种特殊情况下叶片结构参数。目前,往复切削刀片玉米收割机使用三角形尖牙式刀片,广泛应用于水稻和小麦矿车。用大米和小麦收割机刀片削减玉米秸秆导致切割阻力大,能耗高,质量差的碎秸和其他问题。这些问题可以归因于不同的水稻和小麦茎的玉米杆。因此,迫切需要开发一种新的削减玉米杆的往复切割刀片。

仿生学作为一个新兴的跨学科领域为研究人员提供了新的研究思路和有效的研究方法在解决各种问题包括节能和提高质量的切削工具(7]。昆虫和动物在自然界中通过生存竞争进化了几百万年。进化导致优秀的优化几何结构和高效的能源利用,这样他们的生理特征是高度适应环境(8- - - - - -10]。动物生理学和形态学的应用农业机械设计通过仿生学在最近几年已经受到了相当大的关注。仿生学已经应用于组件的设计工具,如开证、犁、灭茬旋耕机允许减阻和减少能源消耗。Qaisrani et al。11,12)和索尼Salokhe (13,14]应用仿生推土机的设计原则和犁头利用凸壳结构的螳螂头和甲虫和设计仿生推土机和仿生锄,分别。对比试验表明,设计基于仿生原则导致阻力减少8%至36%的范围。Zhang et al。15]鼠爪的结构特点适用于深松铲的设计。这种仿生铲设计使用一个指数函数曲线。对比试验表明,仿生栽培深松铲的阻力减少8.5%到39.5%。同样,基于形态特征的螳螂的脚,一个仿生刀片是由李等设计。4,16),证明了降低切削力和能源消耗23%相比,一个普通的叶片,以及减阻的影响是显而易见的。

天牛称为大自然的“历险记”是一个有害的害虫常见木本植物和草本植物(17- - - - - -19]。天牛的口感的独特的弧形齿结构具有良好的咀嚼和切削性能,可以很容易地摧毁或植物的茎和分支。这往往导致植物变得薄弱,经常死亡。在本文中,我们专注于利用这个问题。使用常见的天牛的口感,b . horsfieldi(Batocera horsfieldi),为仿生原型和应用特点b . horsfieldi的口感切削刀片的玉米收获机的设计,我们专注于开发一个合适的刀片设计低电阻的玉米收割机,能耗低,和良好的质量的碎秸。

2。仿生叶片设计

2.1。分析b . horsfieldi口感结构和形态

b . horsfieldi(图1)通常是32到65毫米长,9至20毫米宽,黑色或深棕色的颜色。b .天牛口感(图2)通常是发现长5到8毫米,3 - 5毫米宽的黑色semicrescent-shaped对称形态。牙边缘(如图2,OP是齿形部分)是夏普和包围外弧形突起上颌骨以确保牙齿边缘强度高。吃饭时,左边和右边的味觉执行同步切割运动指向中间截止植物茎。口味的运动学特征类似于玉米收割机的往复式双叶片,这也是本文的基础使用口感作为仿生对象。

2.2。轮廓提取的口感

在图2啊,是参考坐标系统的起源,和OP是沿着x轴,2 d沿着笛卡尔坐标系XOY平面的存在。口感提取的轮廓点使用的训练图片标志图片处理工具MATLAB(美国MathWorks) [20.]。提取边界点的坐标提取多项式方程绘制的口味。图3显示了提取的切削部分的拟合曲线b . horsfieldi口味。下面的方程是口感拟合曲线方程。 在哪里 。

坐标点的O′和P′图3O和P图对应点2。的曲线拟合齿形图所示3,我们可以看到,弯曲的牙齿的长度的口感O′P′是5.0毫米和上颚高度h是0.9毫米。相关系数拟合曲线的是0.994,这说明适合暗示曲线形状是高度相似的实际轮廓曲线的口味。

2.3。仿生叶片设计

为了便于比较分析,仿生叶片使用相同的底物结构参数作为普通的大米和小麦收割机刀片,也就是说,一个= 76毫米,b= 120毫米,c= 51毫米,d= 29毫米,e= 13毫米,h= 18毫米,k= 6.2毫米,t= 2.3毫米。叶片基体的基本结构参数被用来建立一个三维模型的仿生叶片在PRO / E(美国PTC(列车自动控制系统)。spline-shaped味蕾概要文件使用样条曲线拟合,和口感简介花键均匀安排两边的叶片。叶片边缘的齿槽形状相同的加工使用磨死的口感。槽的方向是在平行刀片切削运动的方向,以确保尖端足够强大的切削阻力降到最低。数据4(一)和4 (b)显示普通刀片和仿生叶片的构造图,分别。

普通刀片和仿生叶片之间的差异变得明显通过比较这两个设计,如图4。方面的差异主要是由于齿廓,音高,和身高。对于一个普通的刀片,牙齿是三角形齿距米₁2.6毫米和牙齿的高度n₁2.0毫米。相比之下,齿形的仿生叶片是一种基于曲线拟合曲线槽”年代“在图4 (b)的b . horsfieldi口感概要文件。从口感形状的测量,仿生叶片间距米₂是5.0毫米,齿的高度n₂是0.9毫米。图像的实际制作普通刀片和仿生叶片数据所示5(一个)和5 (b)。

3所示。切削试验

测试的目的是分析仿生刀片的切削性能通过比较最大切削力需要减少一个柄,减少能源消耗,切割效果的仿生叶片对一个普通的刀片。

3.1。测试材料

测试材料获得国家Wucheng玉米示范基地县,于2016年10月9日,山东省(在收获的时间)。根据玉米收获机的工作要求,玉米茬高度要求是约10厘米,平均直径20.5毫米。为了方便定量比较分析,样本作为测试材料的留茬高度离地面超过10厘米直径20.5±1毫米,种植,玉米秸秆上没有害虫。此外,最大化的机会保持在收割玉米秸秆的物理和机械性能以及消除水含水量变化对杆材料特性的影响,试验应在48 h后茎样本收集和密封。

3.2。实验装置

一个太阳UTM6503微机控制电子万能试验机是用来进行机械测试收集到的样本。自主研发,双刀切削装置如图6,可以配备一个普通或仿生叶片以及测量工具,如游标卡尺。在这项研究中使用的万能试验机的测量范围为100 N ~ 5 KN,精度等级为0.5,和加载速度调节范围为0.001 ~ 500毫米/分钟,速度率相对误差小于±1.0%。

在测试期间,加载头的双刀切削装置与驱动头的万能试验机组成一个双刀切削力测试系统,如图7。加载万能试验机以一定速度导致了齿条齿轮传动机构的双刀切削设备参与啮合的运动。反过来,齿条的啮合运动矮松驱动叶片固定在固定板上以同样的速度,但在相反的方向。这允许降低了玉米杆固定杆固定板。切削力和位移测量是通过传感器连接到万能试验机测量系统和数据采集系统与计算机相应的随时间变化的动态记录。

3.3。测试方法

单因素试验被用来减少个人玉米秸秆与普通和仿生叶片。每个测试是重复20次。万能试验机的速度被设定为25毫米/分钟。切割后,茬口是按类别排序基于所使用的刀片,以比较两个刀片的切削效果。

减少能源消耗,能源消耗的刀片切杆计算所需的能源消费总量之间的区别的切削力和能源消费的驱动力在无载。切削力-位移曲线和空载开力-位移曲线被绘制。这些曲线下的面积计算使用数值积分获得所需的能量。在图8切削力之间,面积曲线和不削减能源负载曲线。因此,可以作为减少能源消耗 在哪里W降低了能量,F_我切削力值对应吗我th位移区间,F_我0空载驱动力值对应我th位移区间,∆x是万能试验机的加载位移数据记录频率间隔。

3.4。测试结果和分析

配备普通和仿生叶片,双刀切削装置一个柄,典型的切削力-位移曲线和空载开叶片的力-位移曲线如图所示8。用实线表示在图中描述仿生和普通刀片的切削力-位移曲线,分别。虚线代表空载的力-位移曲线驱动切割设备配备普通和仿生叶片。刀片的切削效果如图9。最大切削力和切削能耗不同的叶片如表所示1。单向方差分析用于分析影响最大的因素是切削力和能量消耗。方差分析表如表所示2。

基于图8两个刀片,切削力-位移曲线可以分为两个阶段,即紧缩和切削阶段。

切削力逐渐从零增加到最大值表示的曲线段AB₁和AB型_2,如图8这是挤压阶段。从仿生的力-位移曲线切削刃,我们可以看到,这一阶段的切削力是伴随着一个锯齿状的突然下滑力的大小与一个总体增长趋势的大小由圆K(如图所示)。这主要是由于同时削减了玉米杆的上部和下部叶片。仿生叶片有较大的牙球和尖锐的技巧。仿生叶片接触到玉米杆时,单位面积茎上压力大,导致当地切削现象在挤压阶段发生在齿尖。然而,对于普通的叶片,由于切削齿的紧密排列,玉米杆较低的单位面积压力相同的驱动力。因此,仿生叶片相比,一个普通的刀片显示了对玉米秸秆挤压的影响更加突出。在挤压阶段切削力曲线的比较表明,仿生刀片有优势的普通刀片和有助于缓解。

切削力减少从最大值到稳定阶段,由B所示₁C₁和B₂C₂在图8。这是一柄切割阶段。这里,从切削力-位移曲线,可以看出,当切割仿生刀片,切削力大幅下降的最大价值从374.20 N到526.85 N降低值介于117.63和188.50 N。而普通刀片,逐步降低切削力可以观察到。这种差异可以归因于独特的弯曲的牙齿和齿槽结构的仿生叶片。首先,部分裂开后齿尖在挤压阶段,由于弧形前沿的存在结构,牙齿边缘在随后的切削过程进行切割。存在的滑动切割行动极大地减少切割阻力,从而提高切削效果。第二,相邻弧齿边界形成尖锐的突起分块结构,在切割的驱动力。在这里,锋利的楔形允许横向分裂的茎。然而,因为在普通的叶片,近三角形排列牙齿和可怜的下滑,由于普通大米和小麦收割机刀片的结构阻碍了玉米秸秆的削减,导致切削阻力增加。

比较剪碎秸效果如图9。可以看出,与普通叶片相比,仿生叶片可以更有效地降低玉米杆,也就是说,没有毛边的纤维被认为和切削碎秸更高的一致性。这意味着使用仿生叶片切割质量比普通的刀片用在这里。

结果显示在表中1为仿生叶片,平均值的最大切削力的单茎480.24 N和标准偏差为37.83 N,削减能源的平均值3.91 J和标准偏差为0.46。对于普通的刀片,平均值的最大切削力的单茎551.31 N和标准偏差为68.81 N,并降低能源的平均值是4.38 J和标准偏差为0.45。结果表明,平均切削力和切削能量降低12.89%和10.73%,分别为仿生叶片。这表明仿生叶片的优点降低切削力和能源消耗。

从方差分析表2,F以及进行最大切削力数据和降低能源数据对不同叶片显著性水平α= 0.05。值为12.2856和7.8463 (F<F暴击),显著性水平值为0.0016和0.0091 ( ),分别,这表明不同类型的叶片产生非常重要的影响的最大切削力和切削能量一个柄。

4所示。结论

(1)利用仿生原理与b . horsfieldi口感为仿生原型,玉米收获机仿生刀片设计解决问题与现有玉米收割机刀片等切割阻力大,能耗高,切割质量差。(2)为了验证仿生刀片的切削性能,双刀切削力测试系统是用来比较性能的仿生和普通刀片削减玉米秸秆。实验结果表明,该仿生叶片有一个优势,因为它促进了比普通刀片更容易削减,并削减碎秸更均匀。这表明,仿生叶片的切割质量更好。(3)平均值和单向方差分析被用来统计分析获得的数据平均最大切削力和切削能耗仿生和普通的叶片,480.24和551.31 N,分别为4.38和3.91 J和J。与普通叶片相比,平均切削力和切削能量分别减少了12.89%和10.73%,分别。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由江苏省科技计划(批准号BE2015727),中央的公共福利水平科研院所农业部的基础研究基金(批准号S201611)和创新项目的中国农业科学院(CAAS)。

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