基于仿生凸包型微织构果树修剪刀具减摩机理研究

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我国是水果种植和产量大国,果树修剪是果园管理中一项重要环节,合理的修剪能提升果实品质和产量。果树修剪中由于枝叶繁多、硬度大,修剪过程中易造成刀具损坏,增加修剪工作成本,不利于果园现代化发展。改善修剪刀具的磨损性能,提高刀具使用寿命对果树采收有重大意义。本文以提高修剪刀具磨损性能为主要目的,对SK-5高碳钢修剪刀具进行剪切力计算;通过仿生学原理在SK-5刀具表面利用激光刻蚀美人蕉叶形貌的微织构,利用摩擦磨损试验机对无织构刀具与织构刀具进行磨损分析,采用智能剪切试验平台验证织构刀具的耐磨性。本文主要内容与结论如下:(1)为了获得刀具在剪切10/15/20mm不同直径树枝的具体受力情况,采用弹性地基梁理论构建剪切力计算模型,刀具所受正压力与弹性模量、惯性矩、切入深度、动刀刃角成正比,与定刀支持点到正压力距离成反比,计算了不同直径的树枝理论峰值受力为303/1066/2675N。通过自制万能试验机剪切平台对不同直径树枝进行了剪切验证试验,树枝实际测量峰值受力为415/1632/1910N。(2)结合仿生学减摩原理,在SK-5修剪刀具表面通过激光刻蚀了美人蕉叶微织构形貌。进行了激光刻蚀试验,当仿生微织构在激光功率70W,扫描速度3.2mm/s时,获得最佳成型微织构形貌参数:凸包间距300μm,凸包宽135μm,凸包深15.4μm。(3)以最佳成型微织构刀具尺寸参数的为基础,调整激光功率为60/70/80W、扫描速度为1.6/2.4/3.2mm/s,获取不同尺寸的微织构刀具。利用HT-500高温摩擦磨损试验机对无织构刀具与织构刀具进行摩损试验。磨损试验表明:2000g载荷下80W功率下1.6mm/s织构刀具表现出最优的摩擦系数为0.1209。300g载荷下织构刀具与无织构刀具相近,70W功率下1.6mm/s织构刀具表现出轻微的减摩效果为1.5%。1100g载荷下80W功率下2.4mm/s织构刀具摩擦系数最低0.2378,为无织构刀具摩擦系数的65.87%。体积磨损量研究表明:300g载荷下,无织构刀具体积磨损量最低为11.8189mm~3。2000g载荷下,80W功率1.6mm/s织构刀具体积磨损量最大为83.2349 mm~3。在300g载荷中,80W功率3.2mm/s织构刀具体积磨损量最大为35.9052 mm~3。1100g载荷中,80W功率1.6mm/s织构刀具体积磨损量最大为42.9274 mm~3。(4)利用扫描电子显微镜与射线能谱仪对织构刀具磨损后表面形貌进行磨损机理分析,进一步揭示织构刀具减摩机理。300g载荷下磨痕形貌不明显,未形成明显的划痕和撕裂,磨损机理为简单的磨粒磨损。1100g载荷下刀具抗磨性能显著,织构表面磨损明显。出现了C、O、W等微量元素,磨损机理转变复杂。2000g载荷下磨痕最为明显,织构刀具抗磨明显,织构表面出现大量微元素。磨损机制由磨粒磨损向氧化磨损和黏着磨损的复合磨损转化。(5)在磨损试验获得对应载荷下最佳减摩效果微织构刀具基础之上,利用自制智能剪切试验平台,对无织构刀具与70W功率下1.6mm/s、80W功率下2.4mm/s、80W功率下1.6mm/s织构刀具进行了10mm、15mm、20mm三种直径龙眼树枝剪切试验。实验结果表明:剪切相同直径树枝时,织构刀具更快的达到磨损稳定期,且磨损面积更低。随着树枝直径增加,织构刀具减磨效果明显,树枝直径越大,织构刀具减磨越显著。
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