整體式圓鋸片的設(shè)計(jì)與有限元分析

劉金南

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，江蘇 江陰 214405）

整體式圓鋸片的設(shè)計(jì)與有限元分析

劉金南

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，江蘇 江陰 214405）

針對(duì)沙生灌木切割時(shí)存在的變形、振動(dòng)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)并建立了整體式圓鋸片的有限元模型，采用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，得到圓鋸片在轉(zhuǎn)速1910r/min下的應(yīng)力、變形分布云圖以及前4階固有頻率和振型。分析表明：圓鋸片最大變形為4.0210-2mm，相對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸可忽略，工作應(yīng)力最大為11.313MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限785MPa；最低固有頻率為299.2Hz，遠(yuǎn)高于圓鋸片的轉(zhuǎn)動(dòng)角頻率，其工作穩(wěn)定可靠，具有良好的動(dòng)態(tài)特性。

沙生灌木；圓鋸片；有限元分析；固有頻率

1 圓鋸片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在切割沙生灌木過(guò)程中，圓鋸片的厚度越小，切割灌木生成的斷面越光滑，但對(duì)于直徑大的鋸片，切割時(shí)鋸片容易產(chǎn)生形變，甚至斷裂。實(shí)際采用增大夾盤(pán)直徑和厚度的方法來(lái)彌補(bǔ)，但是鋸片下方的夾盤(pán)會(huì)對(duì)沙生灌木斷面產(chǎn)生摩擦及擠壓造成破壞，不利于灌木的來(lái)年生長(zhǎng)，文章設(shè)計(jì)了一種整體式圓鋸片，不需要夾盤(pán)來(lái)提高其穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 圓鋸片結(jié)構(gòu)圖

圓鋸片的材料為65Mn彈簧鋼，圓鋸片與液壓馬達(dá)主軸通過(guò)鍵連接，選用YM-A32B型液壓馬達(dá)，轉(zhuǎn)速初步設(shè)定為1910r/min，工作時(shí)相當(dāng)于只有鋸片邊緣對(duì)灌木進(jìn)行接觸切割，減少了對(duì)灌木斷面的擠壓與摩擦，有利于灌木的來(lái)年發(fā)芽，因而有效提高了鋸片的性能。

2 圓鋸片主要參數(shù)計(jì)算

（1）基體設(shè)計(jì)。根據(jù)灌木種植要求，采用雙圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，因此需要圓鋸片直徑D=600mm，為保證能與液壓馬達(dá)匹配，其孔徑d=25mm，由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，鋸片齒數(shù)z=80時(shí)切削性能較好，鋸片材料選用65Mn，此種材料具有較好的韌性和耐磨性。切割時(shí)實(shí)際對(duì)灌木形成鋸切作用的是圓鋸片的邊緣部分，為使切斷斷面光滑，邊緣厚度為2mm，內(nèi)部凸起成不等厚的梯形結(jié)構(gòu)，由鋸切實(shí)驗(yàn)分析，邊緣部分留有90mm以作緩沖，不僅保證了鋸片強(qiáng)度，還能提高抗沖擊能力，經(jīng)計(jì)算鋸片體積為1.6710-3m3，質(zhì)量為13.1kg。

（2）鋸齒設(shè)計(jì)。圓鋸片的鋸齒角度影響著切削的性能效果,對(duì)切削影響最大的是前角、后角、楔角。根據(jù)實(shí)際鋸切情況，文章設(shè)計(jì)的鋸片齒形為直齒，齒高10mm，前角為15°，后角為15°，楔角為60°，如圖2所示，經(jīng)灌木鋸切實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在切割灌木時(shí)鋸片每個(gè)工作齒受到的主要鋸切力在5N以內(nèi)，鋸齒強(qiáng)度滿足要求。

圖2 鋸齒結(jié)構(gòu)圖

3 圓鋸片有限元分析

（1）建立有限元模型。①幾何模型建立與導(dǎo)入。文章通過(guò)從CAD系統(tǒng)中導(dǎo)入實(shí)體模型，將在Pro/Engineer建立的圓鋸片幾何模型轉(zhuǎn)成IGES格式，通過(guò)ANSYS與IGES格式之間的接口，將模型導(dǎo)入ANSYS中。②材料屬性設(shè)置。在ANSYS Workbench中有豐富的材料庫(kù)，設(shè)定時(shí)可直接選擇材料庫(kù)已有的材料，也可以在工程數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊（Engineering Data）中編輯材料屬性，定義新材料，文章將整個(gè)圓鋸片的材料設(shè)定為65Mn，彈性模量為2.1e+11Pa，泊松比為 0.3，密度為7.85e3kg/m3。③網(wǎng)格劃分。在ANSYS Workbench中采用自由劃分的方法生成有限元網(wǎng)格，并控制單元尺寸（Element size）為5mm。④施加約束條件和載荷。根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，對(duì)圓鋸片與旋轉(zhuǎn)軸所接觸的軸孔表面進(jìn)行全約束，然后對(duì)圓鋸片施加旋轉(zhuǎn)角速度，圓鋸片最大轉(zhuǎn)速設(shè)為1910r/min，將其轉(zhuǎn)化為199.9rad/s，為模擬實(shí)際切削條件，對(duì)其25個(gè)齒面各施加5N載荷力。

圖3 整體式圓鋸片變形云圖

圖4 整體式圓鋸片應(yīng)力云圖

（2）圓鋸片靜力分析。通過(guò)ANSYS中的“Static Structural”模塊進(jìn)行靜力分析，選擇PCG迭代求解器進(jìn)行求解，查看仿真結(jié)果，整體式圓鋸片的變形云圖如圖3所示，所受應(yīng)力云圖如圖4所示。通過(guò)對(duì)整體式圓鋸片模型的靜力分析結(jié)果可知，其最大變形點(diǎn)都位于圓鋸片鋸齒邊緣處，變形主要是由鋸片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力以及鋸齒面上所受力導(dǎo)致的，但最大變形為4.0210-2mm，相對(duì)整個(gè)圓鋸片結(jié)構(gòu)尺寸可以忽略，鋸片的最大應(yīng)力為11.313MPa，主要集中在軸孔四周位置，越往外應(yīng)力越小，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度785MPa，因此該整體式圓鋸片具有足夠的強(qiáng)度和剛度，可保證安全工作。

（3）圓鋸片模態(tài)分析。通過(guò)ANSYS中的“Modal”模塊進(jìn)行模態(tài)分析，選擇PCG迭代求解器進(jìn)行求解，設(shè)置擴(kuò)展模態(tài)為4階，查看仿真結(jié)果，可得到整體式圓鋸片的前4階固有頻率，分別為1階299.02Hz，2階303.32Hz，3階394.52Hz，4階441.31Hz。其中1階振型是繞X軸（Y-Z平面內(nèi)）左右擺動(dòng)，2階振型是垂直于Y軸（X-Z平面內(nèi)）左右擺動(dòng)，3階振型是繞Z軸（X-Y平面內(nèi)）上下扭動(dòng)，4階振型是繞Z軸（X-Y平面內(nèi)）起伏扭動(dòng)。圓鋸片在1910r/min下的角頻率（31.8Hz）遠(yuǎn)小于圓鋸片的最低固有頻率，因此系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生共振，其動(dòng)態(tài)特性良好，可保證穩(wěn)定工作。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）針對(duì)沙生灌木切割時(shí)存在的變形、振動(dòng)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種整體式圓鋸片，經(jīng)計(jì)算鋸片體積為1.6710-3m3，質(zhì)量為13.1kg。

（2）對(duì)整體式圓鋸片進(jìn)行了靜力分析，得到其變形云圖和應(yīng)力云圖，該圓鋸片的最大變形為4.0210-2mm，相對(duì)于圓鋸片的結(jié)構(gòu)尺寸可以忽略；最大應(yīng)力為11.313MPa，遠(yuǎn)小于鋸片材料的屈服強(qiáng)度785MPa，總體的強(qiáng)度和剛度足夠，都可保證安全工作。

（3）對(duì)整體式圓鋸片進(jìn)行了模態(tài)分析，得到整體式圓鋸片的前4階固有頻率，分別為1階299.02Hz，2階303.32Hz，3階394.52Hz，4階441.31Hz，遠(yuǎn)高于圓鋸片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角頻率，其動(dòng)態(tài)特性良好，可保證穩(wěn)定工作。

Analysis of Design and Finite Element of Integral Circular Saw Blade

LIU Jin-na
（Mechanical and Electrical Engineering Department，Jiangyin Vocational and Technical College，Jiangyin，Jiangsu 214405，China）

For problem of deformation and vibration in cutting desert shrubs，the paper designs andbuilds the integrated finite element model of the circular saw blade，using ANSYS software to carry on the static analysis and modal analysis，get the circular saw blade in the speed of 1910r/min under the stress and deformation distribution contours and the first four order natural frequency and vibration mode.Analysis shows that the circular saw blade for4.0210-2mm，maximum deformation relative structure size can be ignored，11.313 MPa，the maximum working stress is far less than the yield limit of material785MPa；The lowest natural frequency of299.2Hz，far higher than that of circular saw blade rotation angular frequency,its stable and reliable work，has the good dynamic characteristics.

desert shrubs；circular saw blade；finite element analysis；natural frequency

TS643

A

2095-980X（2016）10-0065-02

2016-09-14

內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目（內(nèi)林科研［2012］521號(hào)）

劉金南（1988-），男，江蘇無(wú)錫人，碩士研究生，主要研究方向：檸條平茬技術(shù)與裝備。