電鏈鋸鋸齒溫度場的仿真分析與實驗探究?

劉九慶 張駿杰 朱斌海

（東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

鏈鋸作為森林采伐、造材、打枝等綜合作業(yè)中不可缺少的器械，在園林綠化、森林防火、木材加工、家具制造、建筑工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的汽油鏈鋸（簡稱油鋸）不僅消耗汽油且易造成污染。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，以電能作為動力的電鏈鋸成為未來的發(fā)展方向。

國內(nèi)一些學(xué)者對鏈鋸的設(shè)計優(yōu)化進行了理論分析和實驗探究。楊紹榮等[1-2]對液壓鏈鋸的鋸鏈進行了受力分析，得出動載荷隨著鏈輪直徑的增加而減少的結(jié)論，并進行了切割實驗。周子鳴等[3]針對鋸鏈系統(tǒng)中傳動片與連接片節(jié)距不相等這一特殊情況，建立鏈鋸鋸鏈結(jié)構(gòu)的動力學(xué)模型。趙寧等[4]從改善鏈輪和鋸鏈傳動片嚙合狀態(tài)的角度入手，提出了一種鏈鋸鏈傳動嚙合分析新方法，并根據(jù)鋸鏈傳動的穩(wěn)定嚙合條件，采用解析結(jié)合法建立了鋸鏈傳動片和鏈輪的輪廓線方程。張春文等[5]對鋸鏈系統(tǒng)進行簡化后，利用數(shù)值近似和差分法提出了一種新的油鋸鋸鏈系統(tǒng)多邊形效應(yīng)動力學(xué)分析方法。國外一些學(xué)者對鏈鋸的優(yōu)化設(shè)計也進行了相應(yīng)的研究[6-12]。

綜上可知，國內(nèi)外的研究方向主要為鏈鋸鋸切性能的影響因素以及應(yīng)力分析，對于鏈鋸磨損以及壽命的研究較少，相比之下關(guān)于圓鋸溫度場的研究較多，且相對成熟[13-19]。然而通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，市場上電鏈鋸的鋸鏈使用壽命較短，僅10 d左右。延長鋸鏈使用壽命一方面可以減少制造材料的損失，另一方面可以降低更換鋸鏈的頻率。在鋸切作業(yè)中，產(chǎn)生的切削熱會導(dǎo)致鋸鏈變形、磨損加劇、降低鋸鏈壽命和鋸切效率。因此，本研究以鋸鏈鋸齒溫度場作為研究方向，探究其影響因素，得到降低鋸鏈切削熱的方法，達到降低變形磨損、延長鋸鏈壽命的目的。

1 鏈鋸鋸切溫度場理論

鋸切過程中，木材發(fā)生塑性變形，鋸齒的前刀面與切屑以及后刀面與工件已加工表面之間產(chǎn)生摩擦而產(chǎn)生熱量。由于在木材切削過程中，切削速度較快，熱量沒有足夠的時間擴散出去，僅有一小部分熱量由切屑帶走，大部分熱量殘留在鋸齒上，會引起鋸齒溫度升高。大多數(shù)木材的熱傳導(dǎo)系數(shù)在0.1～0.2 W/(m·K)之間，金屬的熱傳導(dǎo)系數(shù)在80～400 W/(m·K)之間。金屬與木材的熱傳導(dǎo)系數(shù)相差幾十倍，因此木材切削時傳導(dǎo)到刀具的熱量要比金屬切削時大很多。建立鏈鋸鋸切過程的熱傳導(dǎo)模型，如圖1所示。在第①變形區(qū)，工件以較高的應(yīng)變率承受較大的剪切變形，因而在①號剪切區(qū)域造成的溫度升高主要是由塑性變形產(chǎn)生；在②號變形區(qū)出現(xiàn)溫度的升高主要是由于鋸齒與切屑之間的摩擦相互作用；③號區(qū)域所產(chǎn)生的溫度上升較低，產(chǎn)生原因主要是鋸齒與已加工木材表面摩擦產(chǎn)生。

圖1 鋸切過程熱傳導(dǎo)模型Fig.1 Heat conduction model of sawing process

木材塑性變形以及鋸齒與切屑摩擦產(chǎn)生的熱量可以表達為：

鋸齒與切屑摩擦引起的溫升

式中：Δθf為溫度變化量，℃；τs為摩擦界面的剪應(yīng)力，MPa；s為鋸齒與切屑間相對滑動速度，mm/s；f2為摩擦力做功轉(zhuǎn)熱量系數(shù)；C為鋸齒比熱容；ρ為密度，g/cm3。

根據(jù)溫度場理論分析，選擇鋸切深度、切削速度與側(cè)刃切削角作為主要研究變量。

2 三維木材切削過程仿真

2.1 材料模型建立

已有學(xué)者利用Abaqus軟件進行模擬切削仿真，取得了一定效果[20-26]。因此，本研究采用Abaqus仿真軟件對木材切削進行模擬。首先設(shè)置模型材料參數(shù)，材料選取與實驗所用木材、鋸齒參數(shù)一致。本研究采用橫截面尺寸為100 mm × 100 mm的松木，如圖2所示。由于木材為各向異性材料，但本研究只進行橫向切削的數(shù)值模擬，僅考慮其橫紋方向的物理力學(xué)性能，因此將其簡化為各向同性體。通過實際測試，得出松木橫紋方向的物理力學(xué)性能如表1所示。

圖2 松木工件Fig.2 Pine wood samples

表1 松木物理力學(xué)性能Tab.1 Physical and mechanical properties of pine

切削過程中，木材會發(fā)生塑性變形，切屑與工件分離。因此需要利用真實應(yīng)力和應(yīng)變定義木材塑性。實驗過程中得到的是名義應(yīng)力與應(yīng)變值，利用公式（4）與公式（6）將其轉(zhuǎn)化為實際值。

式中：l為當前長度，mm；l0為原始長度，mm；A為當前受力面積，mm3；A0為原始受力面積，mm3。

式中：F為材料所受壓力，N；σ為真實應(yīng)力，MPa；σ0為名義應(yīng)力，MPa；ε0為名義應(yīng)變。

式中：ε為真實應(yīng)變。

式中：εpl為真實塑性應(yīng)變；ε'為總體真實應(yīng)變；εel為真實彈性應(yīng)變；E為彈性模量，MPa。

通過計算，得出松木因鋸切彎曲的塑性階段的真實應(yīng)力與應(yīng)變，如表2 所示。

表2 真實應(yīng)力與應(yīng)變參數(shù)Tab.2 The true stress and strain of pine wood in the plastic phase during bending

為進行木材切削過程中溫度場的仿真，需要添加木材的熱力學(xué)性能參數(shù)，根據(jù)已有木材，測算得到松木的熱力學(xué)性能，如表3 所示。

表3 松木熱力學(xué)性能Tab.3 Thermodynamic properties of pine

根據(jù)本研究實驗所采用的鏈鋸屬性，來設(shè)置仿真中鋸齒的材料參數(shù)，鋸齒為合金工具鋼，其物理和熱力學(xué)性能如表4 所示。

表4 鋸齒物理和熱力學(xué)性能Tab.4 The physical and thermodynamic properties of sawtooth

數(shù)據(jù)計算和確定之后，導(dǎo)入Abaqus截面屬性，將其賦予工件與鋸齒。

2.2 網(wǎng)格劃分

Abaqus仿真時，建立的模型為有限元模型。其主要由網(wǎng)格單元組成，仿真之前需要首先進行網(wǎng)格劃分。木材切削屬于高度非線性問題，為保證求解精度并且減少計算時間，將切削區(qū)域網(wǎng)格劃分細密，非切削區(qū)域劃分相對稀疏。網(wǎng)格劃分采用CPE4RT四邊形單元，工件模型尺寸為100 mm × 100 mm × 200 mm，網(wǎng)格劃分共100 000個單元。鏈鋸鋸齒模型結(jié)構(gòu)參數(shù)如表5所示，鋸齒模型網(wǎng)格共16 469個單元。

表5 鏈鋸鋸齒參數(shù)Tab.5 Chain sawtooth parameters

利用solidworks繪制好鋸齒三維模型后，導(dǎo)入Abaqus部件模型中，進行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 鏈鋸鋸齒模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh division of the sawtooth model of the chain saw

2.3 切屑分離準則

鏈鋸鋸切木材時，加工材料會不斷產(chǎn)生分離，為了使模擬結(jié)果更加準確，采用物理準則進行切屑分離計算，利用公式（7）作為切屑分離標準：

式中：σn為法向應(yīng)力，MPa；τ1、τ2為剪切應(yīng)力，MPa；σf為純拉伸或彎曲載荷下材料的失效應(yīng)力，MPa；τf1、σf2為純剪切載荷條件下材料的失效應(yīng)力，MPa。

鋸齒沿X軸方向進行切削動作，在此過程中將法向應(yīng)力σn與剪切應(yīng)力τ利用公式進行計算，直到f值達到1時，材料失效，從而完成切屑的分離。

2.4 仿真結(jié)果分析

取切削速度為1 000 mm/s，初溫為15 ℃，側(cè)刃切削角為40°，切削深度分別為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 mm，得出不同切削深度切削面溫度變化如圖4所示。

圖4 不同切削深度切削面溫度變化曲線Fig.4 Temperature change curve of the cutting surface at different cutting depths

由圖可知，隨著切削距離的增加，切削面溫度的變化曲線出現(xiàn)了三個階段。在0 ～ 40 mm之間為上升期，在此階段，鋸齒的溫度迅速上升。在40 ～ 80 mm之間為過渡期，鋸齒溫度上升趨勢減緩。在80 ～ 100 mm之間為穩(wěn)定期，鋸齒溫度基本保持平穩(wěn)狀態(tài)。在保持其他條件不變的情況下，改變切削深度，發(fā)現(xiàn)隨著切削深度的增加，切削面達到穩(wěn)定期的溫度值增大，增長幅度為8%～13%。這是由于在增加切削深度時，木材的剪切面變大，剪切區(qū)域中的剪切變形所產(chǎn)生的熱量增加。同時木屑與鋸齒切削面的接觸面積增大，相對應(yīng)的摩擦作用變大，從而導(dǎo)致鋸齒切削面的溫度升高。

取切削深度為1 mm，初溫為15 ℃，側(cè)刃切削角為40°，切削速度分別為6、8、10、12、14 m/s，得出鋸齒切削面上一點溫度隨切削距離的變化如圖5 所示。

圖5 不同切削速度切削面溫度變化曲線Fig.5 Temperature change curve of cutting surface at different cutting speeds

由圖可知，隨著切削速度的增加，鋸齒溫度隨之增加，增長幅度為15%～20%。這是由于增大切削速度時，鋸齒與木材切削平面間的外摩擦隨之增大，切屑尚未充分變形就被切離，導(dǎo)致鋸齒溫度隨之增大。

取切削深度為1 mm，初溫為15 ℃，切削速度為10 m/s，側(cè)刃切削角分別為20°、30°、40°、50°、60°，得出鋸齒切削面上一點溫度隨切削距離的變化如圖6所示。

圖6 不同側(cè)刃切削角切削面溫度變化曲線Fig.6 Temperature change curve of the cutting surface with different side cutting angles

由圖可知，隨著側(cè)刃切削角的增大，鋸齒溫度降低，降低幅度為22%～25%。增大鋸齒側(cè)刃切削角時，切屑的變形變小，切屑力變小，切屑變形時內(nèi)摩擦變小，鋸齒溫度隨即降低。

3 電鏈鋸鋸鏈溫度測定實驗

實驗采用電鏈鋸鋸切實驗臺，主要由液壓系統(tǒng)、傳感器模塊、工件平臺、傳動系統(tǒng)四個模塊組成。所用儀器型號如表6 所示，利用2 個紅外測溫傳感器（T10SB-HW）無接觸式測定鏈鋸鋸切過程中鋸齒溫度，利用組態(tài)軟件監(jiān)測以及讀取數(shù)據(jù)。

表6 所用儀器列表Tab.6 List of instruments used in the experiment

經(jīng)實驗測定發(fā)現(xiàn)，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果變化趨勢基本一致，但是實驗結(jié)果比仿真結(jié)果平均低5～10 ℃左右。主要原因為：1） 仿真過程受到木材各向異性影響，網(wǎng)格劃分與邊界條件處理引起；2） 實驗過程中受環(huán)境因素影響，導(dǎo)致溫度低于仿真值；3） 實驗過程中儀器安裝誤差、實驗臺振動以及人為因素造成偏差。

4 結(jié)論

本研究主要得出以下結(jié)論：

1）驗證了Abaqus鏈鋸鋸切溫度場仿真模型的可行性；

2）鏈鋸鋸切過程中，鋸齒溫度變化曲線呈現(xiàn)迅速上升、平穩(wěn)上升、穩(wěn)定不變?nèi)齻€階段；鏈鋸鋸齒溫度場受鋸切深度、切削速度、側(cè)刃切削角的影響；保持其他條件不變，鋸齒溫度隨切削深度增加而升高8%～13%，隨切削速度增大而升高15%～20%，隨側(cè)刃切削角增大而降低22%～25%；

3） 側(cè)刃切削角對鏈鋸鋸齒溫度影響最大，進行鋸鏈設(shè)計時，可以考慮增大側(cè)刃切削角，以降低鏈鋸鋸切木材過程中產(chǎn)生的切削熱，減少鋸鏈磨損，延長鋸鏈壽命。