茶叶是我国重要的经济作物之一,但传统的手工采摘方式效率低、用工量大、成本高,严重制约了我国茶产业高效发展。因此,机械化采茶需求迫切。实质上,机械化采茶可视为割刀和茶茎秆的作用过程。为降低切割过程中的切割阻力和功耗,基于茶茎秆的切割特性,在割刀结构和运动参数基础上借鉴生物体的外形结构,研制仿生割刀。为减少田间试验次数,基于有限元分析法,选择合适的本构关系描述茶茎秆材料,并建立仿生割刀模型,进行茶茎秆仿生切割的动态模拟。针对茶茎秆切割理论研究缺乏、切割功耗高、切割芽叶完整率低等不足,本文以茶茎秆为研究对象,从茶茎秆的切割特性和微观组织结构入手,研究茶茎秆切割;基于切齿叶结构的外形仿生技术,通过切割图理论确定茶茎秆切割参数;通过有限元分析和切割性能试验验证仿生割刀解决茶茎秆切割难题的能力。本研究为采茶机械割刀的优化设计和工作参数优化提供理论依据。具体研究内容与结果如下:(1)茶茎秆微观组织结构及切割特性研究基于茶茎秆切割力曲线,分析茶茎秆微观组织结构,结果表明茶茎秆切割与其木质部和皮层结构密切相关。试验研究茶茎秆的力学特性和化学组分,基于灰色关联分析(GRA)结合多元线性回归(MLR)算法,建立茶茎秆切割特性参数模型。分析茶茎秆的切割特性参数(弯曲力和切割力)与力学特性参数(茎节数、直径、节间距、含水率、断裂挠度、惯性矩、弹性模量)及化学组分(半纤维素、纤维素和木质素)的灰色关联度。当灰色关联度阈值为0.6时,基于GRA+MLR算法的弯曲力和切割力校正模型的决定系数(R_c~2)分别为0.942和0.990,均方根误差(RMSEC)分别为3.326 N和0.257 N。(2)仿生对象蟋蟀上颚切齿叶形态结构研究基于蟋蟀上颚的锋利锯齿状结构,其具有良好的切割性能,提取上颚的轮廓曲线,将曲线分割为5段,采用多项式拟合。根据上颚轮廓曲线的二阶导函数、曲率和上颚切割的实际工作情况,选定蟋蟀上颚的切齿叶结构为割刀的仿生对象。基于切齿叶轮廓曲线,分别建立五次多项式和直线回归方程,拟合度均大于0.953。然后,利用扫描电子显微镜对蟋蟀上颚进行微观分析和能谱分析,结果表明:蟋蟀上颚的切齿叶边缘表面有明显的磨损现象;上颚端面表面有不规则凸点;切齿叶表面和上颚端面处的元素种类及含量均有所不同。(3)茶茎秆切割分析及仿生割刀设计分析茎秆支撑方式和切割方式对切割性能的影响,确定茶叶滑切采摘方式。采用高速有支撑切割,可明显减小切割阻力和功耗。利用X射线计算机断层扫描技术对茶茎秆切槽形态扫描分析,结果表明:切槽最大截面积、切槽体积与切割力、刃角和割深密切相关;当割刀的刃角为35°时,随割深(0.7、1.5、2.3 mm)增加,切槽最大截面积比和体积比分别从8.51%增加到22.83%、从2.98%增加到5.76%。基于双动割刀往复式切割的切割图,利用响应面法分析齿顶宽度、齿根宽度、齿高、齿距和刀机速比对一次切割率、重割率和漏割率的影响。割刀结构和运动参数优化组合为:齿顶宽度3.5 mm,齿根宽度13.0 mm,齿高29.0 mm,齿距45.0 mm,刀机速比0.8,此时一次切割率为92.60%,重割率为6.62%,漏割率为0.78%。基于蟋蟀上颚切齿叶的形态结构,结合采茶机械割刀的结构参数,设计出四种割刀(基于五次多项式仿蟋蟀切齿叶结构的仿生割刀b、三角型仿蟋蟀切齿叶结构的仿生割刀c、锯齿型仿蟋蟀切齿叶结构的仿生割刀d和作为对比的无仿生元素的普通割刀a)。(4)仿生切割有限元分析及切割性能试验研究基于割刀的结构有限元分析可知:仿生割刀d的最大等效应力值、最大等效应变值和总变形量均为最大;1.5~2.0 mm范围内的割刀厚度对仿生割刀b和仿生割刀c产生的最大等效应力和总变形量的影响不显著。基于仿生切割有限元分析可知:仿生割刀b和仿生割刀c在切割茎秆时产生的应力较大,分别为0.459 MPa和0.620 MPa;同时使茎秆的变形较小,分别为0.758 mm和0.890 mm。对四种割刀切割性能试验,结果表明:当加载速度为10 mm/s时,相对于割刀a的平均切割力(9.318 N),仿生割刀b(9.193 N)和仿生割刀c(9.027 N)分别降低了1.35%和3.13%,仿生割刀d(10.939N)提高了17.40%;仿生割刀c的平均切割功耗最小(1.151 J),其次为割刀a(1.156 J),仿生割刀b(1.215 J),最后为仿生割刀d(1.992 J)。综合考虑有限元模拟分析和试验研究结果,仿生割刀b和仿生割刀c比仿生割刀d更适合茶茎秆切割。(5)仿生切割性能田间试验研究基于模拟仿真与试验研究结果,结合刀片加工工艺复杂程度,制备了无仿生元素的割刀a、基于五次多项式仿蟋蟀切齿叶结构的仿生割刀b和三角型仿蟋蟀切齿叶结构的仿生割刀c三种割刀进行田间采茶试验。通过茶树品种和割刀类型的单因素切割性能试验表明:在切割倾角为0o、切割速度为0.64 m/s和前进速度为0.80 m/s的条件下,与普通割刀a相比,仿生割刀b的切割芽叶完整率(96.38%)最高,而仿生割刀c的切割芽叶漏割率(5.04%)最低;仿生割刀比普通割刀的切割芽叶完整率高、漏割率低。然后,以刀机速比、切割倾角和割刀类型为试验因素,芽叶完整率和漏割率为试验指标进行切割性能正交试验,通过方差分析和直观分析均得到:对芽叶完整率和漏割率影响的显著顺序依次为切割倾角、刀机速比和割刀类型;较优因素组合为:切割速度0.8 m/s,前进速度1.0 m/s,切割倾角-3o和基于五次多项式仿蟋蟀切齿叶结构的仿生割刀。