基于仿生微织构的果树修剪刀具研究

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果树修剪工作是果树管理过程中必不可少的环节,对促进果树生长和提升果实品质具有重要作用。随着果园电动修枝剪的不断推广应用,刀具易磨损、崩刃等情况影响工人作业效率,降低电动修枝剪刀具使用寿命,引起使用成本上升,严重制约果园机械化发展。因此,对电动修枝剪刀具减阻耐磨研究具有重大意义。本文选用基于赤子爱胜蚯蚓头部舒张态形貌进行仿生微织构设计,采用激光刻蚀在SK-5材质刀具表面主要摩擦磨损区域成型仿生微织构;利用摩擦磨损试验仪对无织构刀具和有织构刀具表面进行摩擦磨损分析;通过自制智能剪切试验平台进行刀具主摩擦区域面积研究,试验结果表明:(1)自制的智能剪切试验平台,能够实现树枝剪切过程中自动送料、自动剪切,可进行刀具剪切对比试验和刀具疲劳测试。(2)光纤激光器功率75 W,扫描速度4.8 mm/s,在氩气氛围条件下,得到沟槽微织构实际尺寸为:沟槽间距D=1300μm,沟槽宽度d=138.3μm,沟槽深度s=33.5μm,与仿生微织构几何尺寸基本一致。(3)摩擦磨损试验表明:1)本试验得出的最佳减磨织构参数为间距1.6 mm织构刀具:在500 g载荷下比无织构刀具摩擦系数降低16.7%,为所有织构刀具中摩擦系数减小比例最大;在400 g载荷下体积磨损量比无织构刀具降低21.5%,为所有织构刀具中体积磨损量减小比例最大,400 g载荷下摩擦系数比无织构刀具摩擦系数降低4.7%。由磨痕形貌可知随着载荷增加磨损机制逐渐由黏着磨损、微切削磨损向磨粒磨损和氧化磨损的复杂磨损机制转变;2)在同一载荷下,不同刀具摩擦磨损情况不同:200 g载荷下,1.0 mm织构刀具平均摩擦系数最小,为0.3006,与无织构刀具相比减磨效果为5.7%,体积磨损量最小,为1053.65 mm~3;300 g载荷下,1.3 mm织构刀具平均摩擦系数比其它织构刀具均小,为0.3061,但与无织构刀具相比无减磨效果,体积磨损量最小,为728.67 mm~3;400 g载荷下,1.6 mm织构刀具平均摩擦系数最小,为0.2619,与无织构刀具相比减磨效果为4.7%,体积磨损量最小,为616.70 mm~3;500 g载荷下,1.6 mm织构刀具平均摩擦系数最小,为0.2854,与无织构刀具相比减磨效果为16.7%,无织构刀具体积磨损量最小,为312.28 mm~3;3)织构情况相同时,不同载荷下摩擦磨损情况不同:无织构刀具在300 g载荷时,表面摩擦系数最小,为0.2572,500 g时其体积磨损量最小,为312.28 mm~3;1.0 mm织构刀具在400 g载荷时,表面摩擦系数最小,为0.2985,500 g时其体积磨损量最小,为427.32 mm~3;1.3 mm织构刀具300 g载荷时,表面摩擦系数和体积磨损量均最小,分别为0.3061和728.67 mm~3;1.6 mm织构刀具在400 g载荷时,其表面摩擦系数和体积磨损量均最小,分别为0.2619和616.70 mm~3。(4)利用自制智能剪切试验平台对1.6 mm织构刀具与无织构刀具进行树枝剪切试验研究,试验结果表明:在剪切10 mm、15 mm、20 mm直径龙眼树枝中,相同漆面磨损面积时,有织构刀具所需的剪切次数要高于无织构刀具;相同剪切次数时,首次检测到的无织构刀具漆面磨损面积比有织构刀具大,且随树枝直径的增加,有织构刀具减磨效果明显。
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