便携式丛生竹剔枝机设计及切削刀刃参数优化

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随着世界木材资源的减少,竹材资源以生长周期短的优点越来越被人们重视,竹子剔枝作为竹子砍伐后的第一道工序,一直以来都是被人们用手工砍切的方式来完成。虽然目前针对于竹材的机械越来越多,但是对于竹子剔枝方面的机械还很少,因此设计了一种适合丛生竹剔枝的机械,该机械比较适合丘陵山区对丛生竹的剔枝作业。所做主要工作如下:(1)通过对刀片剔枝过程建立受力模型,推导出剔枝模型的阻力方程,得出了刀片楔角越小,切割阻力越小的结论;然后对切割方式进行分析,得出滑切可有效的减小切割阻力;再对滑切过程中的功耗进行分析,得出滑切功耗呈现先减小后增大的趋势;再对滑切类型进行分析,得出等滑切刃可有效的减小刀片的振动。最后对刀片的运动进行分析,得到了刀片的运动轨迹方程和刀尖的速度方程。(2)根据丛生竹剔枝机工作性能的要求和对树木剔枝结构的分析,构建四种丛生竹剔枝机结构方案,本课题最终采用便携式软轴丛生竹剔枝机进行设计和研究。该剔枝机包括背包、传动和手持三部分,分别对这个三个部分在SolidWorks中进行三维建模并完成虚拟装配,检测无干涉现象。对剪断竹枝所需剪切力进行了试验,得出剪断竹枝所需剪切应力为20MPa。(3)基于ABAQUS软件对竹枝和刀片进行切割仿真,验证了等滑切角刃刀片的受力小于直线刃刀片。对等滑切角刃刀片进行参数优化,以刀片楔角α、刀齿数n和滑切角τ三个参数为因素,水平变化范围取7,以能耗大小为目标设计均匀试验,利用DPS软件得到了目标的二次多项式逐步回归方程,求得各参数与目标值的变化规律图,优化后等滑切角刃刀刀片楔角α、刀齿数n和滑切角τ三参数分别为30°,2,60°,优化后功耗值比原来降低了5.2%。通过对传动装置做模态分析,得到其最小固有频率为89.375Hz,传动装置工作时的频率小于最小固有频率,设计合理不会产生共振现象。对联轴装置进行静力学分析,得到最大应力应变都发生在连接套的中间位置,电机端连接套的最大应力为16.62MPa,最大应变为8.549×10-5,手持端连接套的最大应力为7.739MPa,最大应变为3.671×10-5,都远远小于材料的屈服强度,能较好的保证其工作时的强度。完成对样机的制作,该机械手持部分偏轻,劳动者可长时间作业,便于携带,完成对一根慈竹的剔枝时间大约为20秒。
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