矮化密植枣园修枝剪的优化设计与可靠性分析

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红枣是新疆红色产业的重要组成部分,其种植面积和产量逐年增加。枣树修剪是一项非常重要的工作,通过枝干数量、长度、开度的控制,可避免株枝间的重叠,改善光照条件,增大叶面积指数,提高植物的光能利用率,从而提高红枣产量和质量。然而,国内外针对红枣修枝器械的研究尚属起步阶段,导致目前枣园修剪作业主要依靠人力剪刀人工进行,劳动强度大、效率低。因此,为提高红枣修剪质量、工作效率,降低枣农工作强度,对适用于矮化密植枣园枣枝修剪的修枝器械的研究势在必行。本文首先介绍了枣枝的植株特性、修剪要求及现有的修枝器械,然后通过调研、试验分析、理论研究等方法研究设计适用于矮化密植枣园枣枝修剪的电动修枝剪刀。本课题主要进行了如下研究,并得出了相关的结论:1.研究测量矮化密植枣树待修剪枝条的力学特性:(1)利用万能材料实验机对不同直径范围内的红枣枝条进行切割试验,并得出枣树枝条剪断应力与枝条的直径呈二次函数式增长关系;处于修剪期枝条直径在3~8mm的侧枝所需的剪切应力强度在215~927N的范围内(2)利用万能材料实验机对不同直径范围内的红枣枝条进行横纹压缩试验,并得出枝条破坏的最大压强随直径的增加而减小;处于修剪期枝条直径在3~8mm的侧枝组织破坏强度在21~40MPa范围内。2.动刀的设计研究(1)通过对剪切机理的分析,计算得出动刀最佳滑切角度在350~550之间,推导并建立刃口等滑切曲线公式。(2)运用Matlab、Auto-CAD、Solidworks等软件相互间配合对复杂的刃口曲线进行绘制及三维造型,该方法解决了在三维造型中复杂方程曲线难以绘制的问题。(3)运用Ansys有限元动力学仿真分析确定剪刀修剪的最佳刃倾角度为25度。3.对修枝剪整体结构进行优化设计:(1)设计行星轮系与齿轮副相结合的传动机构,实现对电机转速及传动方向的控制;(2)设计简易换刀装置,该装置采用偏心圆机构,操作简单、能有效提高换刀速度;(3)利用霍尔效应原理设计控制系统,通过对动刀位置的检测,控制马达正反转来实现修剪过程中动刀的上下剪切运动。4.为提高剪刀使用可靠性做了以下各方面的研究:(1)对动刀进行有限元静力学分析,确定动刀作业过程中的应力集中、易疲劳失效部位;(2)对各类刀具材料进行分析比较,选取最合适材料;(3)研究了机械磨损、腐蚀机理及应对方式,为剪刀加工制造提供参考依据。本文设计过程中所使用的设计方法将对其它修剪刀具的设计提供技术参考,同时本文对换刀装置、传动机构等方面的研究也将给其它修枝器械的开发设计提供理论、技术方面的支持。
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