秸稈切碎刀的優(yōu)化設(shè)計分析

杜長強(qiáng)，許良元

(1.宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 宿州 234000；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230000)

在綜合利用秸稈的關(guān)鍵措施中，秸稈還田粉碎環(huán)節(jié)十分重要，它不僅可以節(jié)省勞作時間，而且對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有十分關(guān)鍵的作用.它能夠增加土壤里面的有機(jī)質(zhì)，大幅度提高糧食產(chǎn)量，對于節(jié)約能源，養(yǎng)肥地力，減少污染等大有益處. 目前安徽省的眾多農(nóng)戶和農(nóng)場主普遍反映，大中型秸稈還田機(jī)的秸稈粉碎效率普遍較低. 影響還田機(jī)工作質(zhì)量和工作效率的原因除了還田機(jī)的本身配置外，還田機(jī)切碎刀片的設(shè)計也是一個非常關(guān)鍵的因素. 通過有限元分析軟件Ansys對刀片進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，得到有關(guān)的數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[1]，得出L型秸稈切碎刀的不同彎折角，不同厚度，不同刀刃厚度對其工作時產(chǎn)生的不同影響，進(jìn)而找出最優(yōu)的參數(shù)數(shù)據(jù)對現(xiàn)存的L型秸稈切碎刀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計.

1 秸稈切碎刀的力學(xué)分析

1.1 秸稈切碎刀的受力分析

切碎刀與刀軸之間采用焊接方式固定，為準(zhǔn)確的分析切碎刀片在受極限載荷時的應(yīng)力狀態(tài)，在刀片的上端部位施加固定約束. 如圖1所示，設(shè)定刀刃口上任意一點M的受力為F，它由兩個分力組成，一個垂直于刃口方向的力N，一個沿著刃口方向的力f[2]，

圖1 刀片受力圖

圖2 刀片

其中

N=qΔS

(1)

f=μN

(2)

(3)

式中：q—比阻，單位N/cm(單位刃口長度的切割阻力);ΔS-參加切割的刃口長度;μ-切割的滑動摩擦因數(shù).

所要優(yōu)化的秸稈切碎刀滑切角為55°，參考青飼切碎機(jī)刀片受力分析對比，切割秸稈的比阻q的值為44.8 N/mm，計算切碎刀片參加切割刃口長度ΔS(刀刃弧長度)為34.58 mm. 把數(shù)據(jù)代入可得N=154 N ,f=44 N,由于f遠(yuǎn)小于N，故用Ansys workbench對秸稈切碎刀進(jìn)行靜力學(xué)分析時，僅加入垂直于刀刃的力N.

1.2 秸稈切碎刀片基于Ansys workbench的靜力學(xué)分析

建立如圖2所示的秸稈切碎刀初始模型，使用Ansys Workbench軟件對刀具進(jìn)行靜力學(xué)分析并優(yōu)化刀具各項參數(shù)，使用Ansys Workbench對秸稈切碎刀進(jìn)行簡單的力學(xué)分析，將已經(jīng)畫好的SolidWorks三維零件圖另存為Parasolid(*.x_t)格式，打開Workbench新建一個項目分析.

2 秸稈切碎刀彎折角對刀具的影響

2.1 彎折角不同對秸稈切碎刀的影響

農(nóng)作物的秸稈在粉碎過程中，多以切割為輔，刀片對秸稈的打擊粉碎為主，而且秸稈切碎刀大多數(shù)為單支承切割，刀片的彎折角為90°，形狀為L型. 它的工作原理是高速運轉(zhuǎn)的切碎刀片在切割秸稈的同時產(chǎn)生較大的空氣氣流使倒下去的秸稈再次飄起來[3]，此時，飄起的秸稈在下落過程中又被后來的刀片擊打、切割、粉碎以達(dá)到切碎秸稈用來還田的目的. 理論上當(dāng)彎折角大于90°而小于180°時要比彎折角為90°時粉碎秸稈所需的功耗小,因為當(dāng)彎折角大于90°而小于180°時切割秸稈是斜切，刀片與秸稈纖維成一定夾角，而L型刀片切割秸稈是橫切，即刀片垂直于秸稈. 而且不同的彎折角度，對刀片受載荷時的變形程度影響不同[4]. 刀片彎折角度的優(yōu)化，可以保證刀片在相同工作環(huán)境下最大的耐用度.

2.2 基于workbench的分析過程

Step1.打開workbench，創(chuàng)建分析項目，建立一種含有Static Structural求解器.

Step2.設(shè)置單位系統(tǒng)，在主菜單中選擇Units，Mlillimeters設(shè)置單位為毫米制單位，然后為部件選擇合適的一種材料，單擊Engineering Date，并在此處的材料庫中添加所需要的材料，單擊Generate生成如圖3所示的三維模型圖.

Step3.進(jìn)行預(yù)處理：雙擊A4欄中的Model選項，啟動Mechanical，在左邊的分析樹下選擇Soild然后選擇各部分產(chǎn)品的材料并確認(rèn). 刀片選用65 Mn,單擊Mesh進(jìn)行劃分網(wǎng)格. 選擇左邊的分析樹，找到Detalis of Mesh并在其中修改網(wǎng)格參數(shù)，在Sizing的Element Size 中設(shè)置單元格大小. 網(wǎng)格的大小會直接影響計算結(jié)果的精度和計算量，通過計算比較，將網(wǎng)格設(shè)置為2 mm既滿足了計算結(jié)果精度的要求，又大大減少了計算量. 點擊Generate Mesh，進(jìn)行網(wǎng)格劃分. 選擇Static Structural在Environment工具欄里添加supports,將刀片的圓孔固定. 添加loads,選擇pressure壓力為154 N，施加在如圖4所示的面的位置. 在Solution里單擊Total Deformation和Equivalen Stress結(jié)束預(yù)處理.

圖3 刀片的三維模型圖

圖4 施加載荷面

Step4.單擊Evaluate All Results命令，進(jìn)行計算求解.

Step5.對不同彎折角應(yīng)力分布和位移響應(yīng)等云圖進(jìn)行分析.

分析三種不同彎折角的應(yīng)力云圖和變形云圖，刀尖處變形量最大，刀根位置基本不變形，切碎刀整體所受的最大等效應(yīng)力均位于固定刀片的銷孔處均小于屈服極限. 具體應(yīng)力值及變形量見表1.

表1 不同彎折角的秸稈切碎刀受力及變形量比較

通過對比三種不同方案的Ansys Workbench結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析結(jié)果，可以看出：刀片的彎折角雖然不同，但刀具變形最大處均位于刀尖部位，當(dāng)?shù)镀膹澱劢菫?25° 時，位于刀尖部位的最大變形量最小，相應(yīng)的刀根部位的最大等效應(yīng)力也最小，所以此種方案為最優(yōu)方案，在相同工作環(huán)境下能最大程度的滿足性能要求.

3 秸稈切碎刀的厚度對刀具的影響

3.1 秸稈切碎刀厚度對刀具的影響

不同厚度的刀片將會影響到刀片的整體質(zhì)量，質(zhì)心位置和工作過程的變形量. 刀片厚度的增加，對刀片質(zhì)心位置影響不大，幾乎可以忽略不計，對刀片工作過程的變形量有影響，且對刀片整體的質(zhì)量影響較大，進(jìn)而影響其轉(zhuǎn)動慣量，導(dǎo)致粉碎效率變低[5]，故需選擇合適的刀片厚度.

3.2 基于workbench的分析過程

因為刀片的厚度有很多，但是厚度過大或過小都不利于刀片的正常工作，所以這里選取了幾種能正常工作且有代表性的厚度，來對秸稈切碎刀進(jìn)行靜力學(xué)分析. 其具體操作過程與彎折角不同時的靜力學(xué)分析相似.

分析三種不同厚度切碎刀的應(yīng)力云圖和變形云圖，切碎刀整體所受的最大等效應(yīng)力均位于固定刀片的銷孔處，均小于屈服極限. 最大變形量出現(xiàn)在刀尖部位，刀根位置基本不變形，具體應(yīng)力值及變形量見表2.

表2 不同厚度秸稈切碎刀受力及變形量比較

通過對三種刀片的有限元結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析可知，三種刀片在工作過程中的變形情況大致相同，最大變形量均出現(xiàn)在刀尖部位. 相對而言，刀片厚度為8 mm時，刀尖處的最大變形量最小，相應(yīng)的固定刀片的銷孔處所受的最大等效應(yīng)力也最小. 考慮到刀片形狀為L型的特殊性，應(yīng)適當(dāng)選取較大的刀片厚度，以保證其具有較高的安全系數(shù)，防止其在工作過程中的變形，增加刀片厚度，亦能夠提高粉碎效果，增大其轉(zhuǎn)動慣量，故刀片優(yōu)化設(shè)計厚度為8 mm，能夠滿足工作需求.

4 秸稈切碎刀刃口厚度對刀具的影響

4.1 秸稈切碎刀不同刃口厚度對刀具的影響

大多數(shù)秸稈切碎刀刃口設(shè)計為自磨刃，刀片的刃厚設(shè)計參照碎茬刀的刃厚要求，當(dāng)刃口厚度較大時，刀片切碎秸稈的質(zhì)量和效率會明顯下降；當(dāng)刃口厚度較小時，刀片承受較大工作載荷時會引起較大的變形量[6]，且有時會發(fā)生崩刃現(xiàn)象，妨礙刀片的正常工作. 因而，刀片刃口厚度需謹(jǐn)慎選擇.

4.2 基于workbench的分析過程

因為刃口的厚度一般不應(yīng)大于刀片厚度的一半，當(dāng)?shù)镀穸葹? mm時刀具的各項性能最好，故此處的刃口分析，選擇了刃口厚度分別為2 mm、3 mm、4 mm這3組進(jìn)行靜力學(xué)分析. 分析的過程與彎折角的靜力學(xué)分析相似.

分析三種不同刃口厚度切碎刀的應(yīng)力云圖和變形云圖，切碎刀整體所受的最大等效應(yīng)力均位于固定刀片的銷孔處，均小于屈服極限. 最大變形量出現(xiàn)在刀尖部位，刀根位置基本不變形，具體應(yīng)力值及變形量見表3.

表3 秸稈切碎刀不同刃口厚度受力及變形量比較

通過對三種刀片的有限元結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，三種刀片在工作過程中的變形情況大致相同，切碎刀片的最大變形部位均位于刀尖處. 當(dāng)?shù)镀锌诤穸葹? mm時，刀尖處的最大變形量最小，相應(yīng)的固定刀片銷孔處的最大等效應(yīng)力也最小. 這說明在同等工作環(huán)境下，刃口厚度為2 mm的刀片較其他兩種刀片能最大限度地滿足性能需求.

5 秸稈切碎刀片的優(yōu)化設(shè)計

5.1 優(yōu)化設(shè)計含義

優(yōu)化設(shè)計即為在諸多方案使用最優(yōu)的方法. 把最優(yōu)化理論作為依據(jù)，以計算機(jī)做媒介，根據(jù)設(shè)計的最終目標(biāo)，設(shè)立函數(shù)，在約束條件控制下，完成最優(yōu)的方案.

5.2 刀片優(yōu)化設(shè)計的意義

為了滿足“保護(hù)性耕作”的要求，作物秸稈切碎還田技術(shù)尤為重要. 秸稈切碎刀是還田類機(jī)械的首要部件，而秸稈粉碎還田機(jī)工作部位即刀片部分的形狀結(jié)構(gòu)及其參數(shù)等是影響還田機(jī)粉碎質(zhì)量和機(jī)器工作穩(wěn)定性的重要因素[7]. 通過選擇一種方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使刀片的形狀結(jié)構(gòu)得以優(yōu)化，使材料的使用發(fā)揮最大經(jīng)濟(jì)性. 在眾多的先進(jìn)建模仿真設(shè)計方法中，Ansys Workbench這款有限元分析軟件，可以較為快速地對所要優(yōu)化設(shè)計的工件進(jìn)行各種受力分析和優(yōu)化分析，相對于傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法，Ansys Workbench能節(jié)省大量工作和計算時間，還可以對工件的結(jié)構(gòu)、材料性能進(jìn)行優(yōu)化分析，做到在滿足使用條件的情況下，最大程度的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、實用.

6 結(jié)論

利用Ansys Workbench針對秸稈切碎刀的三組不同參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，得到秸稈切碎刀在不同參數(shù)下的應(yīng)力云圖和變形云圖. 通過對變形云圖和應(yīng)力云圖的分析，發(fā)現(xiàn)在不同的參數(shù)下，刀片的最大變形量均位于刀尖附近，但是不同的參數(shù)，最大變形量的大小卻有所差異. 通過仔細(xì)對比分析各組數(shù)據(jù)，確定了當(dāng)?shù)镀瑥澱劢菫?25°，刀片厚度為8 mm，刃口厚度為2 mm時為最優(yōu)參數(shù)數(shù)據(jù). 后期，可以根據(jù)刀片在田間工作的實驗數(shù)據(jù)對刀片進(jìn)行后期處理加工，更換更好的材料. 可為以后不同機(jī)型的作物秸稈切碎刀設(shè)計以及力學(xué)分析提供一種借鑒.