曾 成，梁 棟，張喜瑞，李 粵

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，?？?570228)

0 引言

仿生學(xué)通過(guò)研究生物的結(jié)構(gòu)、性狀、原理、行為，為工程設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)優(yōu)化及產(chǎn)品改進(jìn)等許多方面提供了新思路、新原理。自然界數(shù)十億年來(lái)的演變進(jìn)化，每一種生物都具有其獨(dú)特的生理結(jié)構(gòu)幫助它生存。人類很早就開(kāi)始模仿學(xué)習(xí)并且從中受益，這也是我們技術(shù)創(chuàng)新不斷學(xué)習(xí)的源泉之一[1-2]，通過(guò)觀察動(dòng)物的某一性狀獲得啟示，進(jìn)而為解決問(wèn)題提供靈感。仿生學(xué)是聯(lián)合了生命科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、工程學(xué)等多方面的交叉學(xué)科，有著廣闊的研究前景，為本文的刀片優(yōu)化提供了一個(gè)很好的新思路。

螳螂是優(yōu)秀的捕食者，捕食動(dòng)作迅猛而準(zhǔn)確。在捕食行為當(dāng)中，它前足上的脛節(jié)和腿節(jié)布滿了鋒利的齒刺[3-4]，這些齒刺能夠刺入獵物的身體并且牢牢控制住獵物的行動(dòng)直到捕食行為的完成。這種齒形結(jié)構(gòu)在加工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[5]，作為切割刀具可減阻降耗，有著重要的仿生意義。

移動(dòng)式香蕉莖稈纖維提取機(jī)[6-7]工作結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的麻類制取機(jī)械相似，主體的工作部分是通過(guò)刮刀輥上加載的刀片對(duì)水平送入的香蕉莖稈不斷的擊打與刮取[8]。現(xiàn)有的纖維刮取刀片材料通常為角鋼，通常采用平刃結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)呈L型，一端通過(guò)螺栓固定在刀輥上通過(guò)刀刃刮取喂入的莖稈纖維。刀片的工況直接影響著機(jī)器的工作效率，優(yōu)化刀片結(jié)構(gòu)可以有效提高整機(jī)的工作性能。

本文通過(guò)對(duì)螳螂前足的形態(tài)研究，模仿箭螳的齒刺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出兩種鋸齒形的仿生刀片，利用這種結(jié)構(gòu)形態(tài)的特點(diǎn)來(lái)提高香蕉纖維提取機(jī)的工作效率。將設(shè)計(jì)好的仿生刀片與常用的平刃刀片通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，觀察纖維制備率和含雜率的變化情況來(lái)驗(yàn)證仿生優(yōu)化刀片的可行性。

1 仿生刀片的工作原理及設(shè)計(jì)加工

1.1 刮雜裝置的工作原理

在麻類制取機(jī)械當(dāng)中，一般采用平刃刀片，具有造價(jià)低及易于加工的特點(diǎn)。香蕉莖稈纖維提取裝置主要的工作流程如圖1所示。輥刀通過(guò)安裝好的L型平刃刀片順時(shí)針旋轉(zhuǎn)擊打水平送入的莖稈纖維葉片來(lái)刮取植物纖維，獲取到的粗纖維通過(guò)下方一對(duì)輸出輥收集，由皮帶輪帶出；雜質(zhì)由于質(zhì)量相對(duì)較大隨著刀輪的運(yùn)動(dòng)軌跡做離心運(yùn)動(dòng)從下定刀上方飛出。整個(gè)刮取裝置實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)將粗纖維與雜質(zhì)分離。

實(shí)際操作發(fā)現(xiàn)，原刀片在一次喂入多片以上時(shí)提取率有較大程度下降，可能是因?yàn)殡S著喂入片數(shù)的增多，加工時(shí)纖維厚度相對(duì)增加，刀片在刮取時(shí)無(wú)法充分接觸莖稈纖維。考慮到效益問(wèn)題，一次喂入片數(shù)通常在3片以上，如何解決效率下降的問(wèn)題是刀片優(yōu)化需要考慮的問(wèn)題之一。另一個(gè)不足是因?yàn)橄憬肚o稈纖維相比于一般的植物纖維，具有含水量高、強(qiáng)度小、易斷裂的特性。平刃刀打擊強(qiáng)度大，力的作用點(diǎn)近乎在一條直線上，很容易造成莖稈纖維斷裂形成碎纖維雜質(zhì)[9]，導(dǎo)致收集到的粗纖維含雜率高；同時(shí)，也容易導(dǎo)致在送入莖稈葉片時(shí)碎纖維在回收分離區(qū)發(fā)生纏繞，粗纖維無(wú)法正常卷入輸出輥形成堵塞。如何增大刀具與纖維面的接觸面積提高加工效率、減小刀具在加工時(shí)對(duì)植物纖維的破壞(提高成品率減少堵塞)，是本文仿生優(yōu)化的主要方向。

1.刀輪 2.纖維 3.上定刀 4.運(yùn)動(dòng)軌跡 5.輸出輥 6.下定刀 圖1 刮雜裝置刀具運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.1 The blades movement of the scraping device

1.2 仿生刀片的設(shè)計(jì)理念

本研究中的螳螂捕獲于?？谑薪纪?見(jiàn)圖2)，學(xué)名箭螳[10]，身形較長(zhǎng)，在我國(guó)與馬來(lái)西亞均有分布。

圖2 螳螂標(biāo)本Fig.2 The Mantis specimens

樣本體長(zhǎng)約60～70mm，中前足的腿節(jié)和脛節(jié)長(zhǎng)度總共約為26.78～36.49mm。觀察它的前足結(jié)構(gòu):

前肢修長(zhǎng)，脛節(jié)向內(nèi)折疊，形狀與鐮刀相似，腿節(jié)和脛節(jié)上有體刺均勻分布其中。其腿節(jié)上的刺大小基本相同，均勻分布腿節(jié)上；脛節(jié)上的齒大小不一，但可以大致分為大齒與小齒，這些體刺能夠幫助它捕捉并且固定獵物。根據(jù)腿節(jié)與脛節(jié)體刺的兩種分布模式，嘗試將腿節(jié)上齒刺均勻分布與脛節(jié)上大小齒交錯(cuò)排列分布這兩種排列方法分別應(yīng)用到刀片設(shè)計(jì)當(dāng)中。

1.3 仿生刀片參數(shù)設(shè)計(jì)

刀片仿生主要以螳螂的前足尤其是脛節(jié)內(nèi)側(cè)上的齒形分布為依據(jù)，通過(guò)實(shí)際對(duì)標(biāo)本箭螳的前肢測(cè)量發(fā)現(xiàn)：腿節(jié)上的齒與脛節(jié)上的大齒尺寸相似，齒的寬度大約占整個(gè)前節(jié)寬度的40%～60%，小齒大小約為大齒的50%?？紤]到齒的加工難度，加工的齒寬約為刀片厚度1/2，大小齒相同，可根據(jù)齒寬，在范圍內(nèi)合理選取齒高。

原刀片為L(zhǎng)型、Q235角鋼，原平刃刀刀片的尺寸如圖3所示[11]?？紤]到刀片在車(chē)輥上的安裝及加工時(shí)與上下定刀間的距離，仿生刀片不改變?cè)谐叽?，將原有的平刃部分改成兩種不同的齒形排列結(jié)構(gòu)A和B。齒均安裝在靠近加工的一側(cè)，刀片的厚度約為3mm，齒的寬度大約占整個(gè)厚度一半即可。將仿生刀A設(shè)為齒高4mm的四棱錐均勻排列，齒頂部處于同一水平線上，齒底面均為等邊三角形。仿生刀B分別為齒高2.5mm與齒高4mm的大小齒交錯(cuò)排列，底面同樣為等邊三角形，齒頂面不處于同一水平線上，如圖4所示。將設(shè)計(jì)好的刀具進(jìn)行加工生產(chǎn)，然后進(jìn)行試驗(yàn)。

圖3 平刃刀刀片尺寸Fig.3 The figure of the flat blade

(a)

(b) 圖4 齒形刀(a)、(b)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure and three dimensional schematic diagram of the tooth blade A and B

2 仿生刀片與普通刀片對(duì)照試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)的主要目的在于考察仿生刀片相對(duì)于普通的平刃刀片的實(shí)際優(yōu)化情況，以及在喂入片數(shù)增多的情況下仿生刀是否更加穩(wěn)定。因此，將刀具與莖稈喂入片數(shù)作為對(duì)照試驗(yàn)中的變量，將纖維制備率和含雜率作為試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果的重要指標(biāo)。

將試驗(yàn)分為3個(gè)區(qū)組，為了減小誤差，需要進(jìn)行多次重復(fù)取平均值，減少無(wú)關(guān)因素的影響。A組選用齒形刀A，B組選用齒形刀B，C組選用普通的平刃刀片。每組分別喂入N(N=1，2，3，4)片莖稈片，每一實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次結(jié)果取平均值，如表1所示。每次試驗(yàn)間隔10min，試驗(yàn)人員負(fù)責(zé)觀察清理機(jī)器工作區(qū)以及收集區(qū)，保證機(jī)器良好運(yùn)轉(zhuǎn)。

表1 因子水平表Table 1 Order list of experiment level

2.2 試驗(yàn)材料及設(shè)備

本試驗(yàn)材料取自海南大學(xué)農(nóng)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室所種植的巴西蕉。香蕉莖稈纖維為片狀，通過(guò)手工撥片可以明顯發(fā)現(xiàn)香蕉莖稈纖維層狀分布。加工一般選取的層數(shù)范圍為2～5層，最外層的表皮因?yàn)榭赡苁艿狡茡p及纖維含量過(guò)高不適于加工，同時(shí)最內(nèi)層的含水量過(guò)高纖維含量低同樣也不適于加工[12-13]?？紤]到本次試驗(yàn)對(duì)于實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度要求較高，故試驗(yàn)材料均只采用2～3層的莖稈纖維。莖稈長(zhǎng)度均取值1.5m左右，水平最大寬度0.09m，保證每一片莖稈纖維質(zhì)量500g左右，浮動(dòng)不超過(guò)15g。試驗(yàn)機(jī)器包括移動(dòng)式全喂入香蕉莖稈纖維提取機(jī)、cp423S型高精度電子天平及DHG202-0B型電子真空干燥箱。

2.3 試驗(yàn)指標(biāo)與試驗(yàn)結(jié)果記錄

試驗(yàn)主要測(cè)量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)：纖維提取率與含雜率。纖維提取率是衡量纖維提取機(jī)提取纖維能力的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)中收集到的粗纖維由出料裝置收集，收集之后注意不要沾上泥土。不清洗直接通過(guò)電子真空干燥箱干燥(防止水洗掉需要檢測(cè)的部分雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響)，烘干測(cè)得所得粗纖維質(zhì)量m1。

刮制到的粗纖維的制備率θ為

(1)

式中m1—提取后粗纖維(烘干)質(zhì)量(g)；

m—一次喂入的莖稈片的質(zhì)量(g)。

含雜率也是本次測(cè)試的一個(gè)重要指標(biāo),齒形刀片相對(duì)來(lái)說(shuō)能夠更好地保護(hù)植物纖維，減少碎麻產(chǎn)生。因此,含雜率是否有相對(duì)減少也是本次仿生優(yōu)化的目的之一。將烘干的粗纖維使用鋼刷輕輕梳理纖維并重復(fù)稱量，當(dāng)梳理前后質(zhì)量浮動(dòng)不超過(guò)0.1g時(shí)，測(cè)量最后剩下的纖維質(zhì)量m2。

提取到的香蕉纖維的含雜率為

(2)

式中m2—反復(fù)梳理后剩余的粗纖維質(zhì)量(g)；

m1—烘干后粗纖維的質(zhì)量(g)。

最后得到的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果記錄表Table 2 Record of experiment results %

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

普通香蕉莖稈纖維含水量在80%～85%左右，考慮到機(jī)器的工作效率，纖維含量大約處于10%～16%之間，因此試驗(yàn)數(shù)據(jù)處于有效范圍。

用SPSS軟件分別將纖維制備率和含雜率分別進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[14-15]，來(lái)判斷刀具刃口形狀與一次喂入片數(shù)對(duì)纖維提取率與含雜率是否有顯著影響。

建立假設(shè)H0：刀具或喂入片數(shù)對(duì)于纖維提取率無(wú)顯著性影響。

建立方差數(shù)據(jù)分析表格(見(jiàn)表3和表4)，顯著性水平α取0.05。

表3 纖維制備率方差分析表Table 3 The variance analysis of fiber extraction ratio

表4 含雜率方差分析表Table 4 The variance analysis of impurity ratio

由表3可以看出：對(duì)于指標(biāo)纖維制備率，刀具因子的P值小于顯著性水平α，因此拒絕原假設(shè)，可以認(rèn)為刀具的選擇對(duì)于纖維提取率有顯著影響。

同理，也可以得出刀具選擇對(duì)含雜率有顯著影響。值得注意的是，喂入片數(shù)的P值同樣小于顯著性水平α，對(duì)于含雜率也有顯著影響。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表2發(fā)現(xiàn)：A、B組的纖維制取率要優(yōu)于C組，平均纖維制備率都在15%左右；而C組纖維制備率平均在13%左右且波動(dòng)較大，尤其在加工多片莖稈纖維時(shí)，效率明顯下降；B組的齒形刀加工效率稍優(yōu)于A組的齒形刀?？紤]到莖稈中80%以上都是水分，纖維提取率已經(jīng)有了顯著的提升。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著每次喂入的片數(shù)增加，纖維制備率有所下降，尤其是C組平刃刀片效率有明顯的下降，從喂入1片到4片下降了大概2.5%。原因?yàn)椋弘S著片數(shù)的增多，莖稈纖維沒(méi)有與刀片充分接觸導(dǎo)致[16]；而A、B組影響較小，顯示了齒形刀在加工過(guò)程中相對(duì)于平刃刀與莖稈的接觸面積更大，作業(yè)面充分接觸提高了加工效率。在多片喂入時(shí)，仿生刀片具有很好的工作性能，且B刀較于A刀效果更好，平均的纖維提取率高0.5%左右

從含雜率指標(biāo)看，C組含雜率平均在14%左右，A組11.5%左右，C組11%左右。由此可知，仿生的齒形刀能夠有效減少含雜率及收集區(qū)的纏繞堵塞，提高最后實(shí)際制得的纖維質(zhì)量。A、B齒形刀含雜率相近，B型齒形刀同樣略好于A型齒形刀。

綜上分析可得：齒形刀B(大小齒交錯(cuò)排列)為香蕉纖維提取機(jī)械刀片最優(yōu)選擇。

4 結(jié)論

1) 原L型刀片在大量制取香蕉莖稈纖維時(shí)加工效率較低，且加工時(shí)碎麻較多，易發(fā)生堵塞。

2)通過(guò)觀察螳螂前足結(jié)構(gòu)，模仿螳螂捕獵時(shí)前肢的齒刺結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出大小齒交錯(cuò)排列的齒形刮麻刀片，提高了纖維制備率，減少了含雜率。

3)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：設(shè)計(jì)的齒形刀使纖維制備率從平均13%提升到了15%，含雜率從14%降低至11%左右。仿生刀片相對(duì)于原刀片加工效率有著顯著提升。

該研究所應(yīng)用的仿生學(xué)原理對(duì)于纖維提取機(jī)械刀具的后續(xù)研究與優(yōu)化中提供了借鑒與技術(shù)支持。

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