基于ANSYS的鋸齒式皮棉清理機對棉纖維損傷影響研究

張秀娟，劉永康，董全成

（1.濟寧市技師學(xué)院 科研處，山東 濟寧 272100；2.濟南大學(xué) 機械工程學(xué)院，濟南 250022）

棉花加工對棉纖維造成的損傷會使棉纖維的多個指標(biāo)受到影響，從而會降低皮棉的整體品質(zhì)[1]。鋸齒式皮棉清理機是棉花加工中的重要設(shè)備，其清理過程能夠有效改善皮棉外觀品質(zhì)，降低皮棉雜質(zhì)含量，但是鋸齒式皮棉清理機的排雜刀與棉纖維的機械接觸，也會使棉纖維產(chǎn)生一定程度的損傷[2-3]。鋸齒式皮棉清理機的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)會對棉纖維的損傷程度產(chǎn)生影響，損傷程度不同，則會影響皮棉品質(zhì)的不同指標(biāo)。如果造成棉纖維斷裂或者撕裂，會使棉纖維的整體長度降低，短纖維含量增加，如果使棉纖維表面受到損傷，則會影響皮棉的反射率、斷裂比強度等指標(biāo)[4-6]。本文基于ANSYS軟件，通過構(gòu)建棉纖維、排雜刀的模型，采用仿真手段重點研究鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速、排雜角和排雜刀刃角等參數(shù)對棉纖維的損傷程度影響規(guī)律[7-8]。

1 仿真模型構(gòu)建

1.1 鋸齒式皮棉清理機工作原理

鋸齒式皮棉清理機在清理過程中，鋸齒滾筒上的鋸齒勾拉住棉纖維進行高速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中，棉纖維勾拉著的雜質(zhì)會暴露在棉層表面。當(dāng)棉纖維和靜止的排雜刀發(fā)生碰撞、沖擊時，大部分雜質(zhì)能夠脫離棉纖維的束縛，被清理出去。棉纖維由于與排雜刀發(fā)生碰撞、沖擊，會受到一定程度的損傷。

由圖1可以看出，鋸齒滾筒的轉(zhuǎn)速不同，會使棉纖維與排雜刀接觸時的沖擊應(yīng)力發(fā)生變化，從而會影響棉纖維的損傷程度。

圖1 鋸齒式皮棉清理機清理示意圖

圖2中，α為排雜刀刃角；β為排雜角。根據(jù)力學(xué)分析，這2個參數(shù)不同，會改變棉纖維與排雜刀接觸時的沖擊應(yīng)力大小，不同的沖擊應(yīng)力會造成不同程度的棉纖維損傷。

圖2 排雜刀刃角、排雜角示意圖

1.2 模型構(gòu)建及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)棉纖維截面形狀在軸向保持不變的特點，構(gòu)建了棉纖維的三維仿真模型[9-10]。所構(gòu)建棉纖維模型如圖3所示。

圖3 棉纖維三維模型

排雜刀為鋸齒式皮棉清理機的主要清理部件，根據(jù)仿真實驗要求，分別設(shè)計了排雜刃角為50°、60°、70°的3種排雜刀模型。排雜刀三維模型如圖4所示。排雜刀與鋸齒滾筒的相對角度會形成排雜角，仿真分析時，排雜角分別選取了15°、22.5°、30°進行分析。

圖4 排雜刀三維模型

所構(gòu)建鋸齒滾筒模型，簡化為一個剛性部件，其與棉纖維固接。對所構(gòu)建模型，使用ANSYS Workbench軟件中的動力學(xué)模塊（explicit dynamics）進行剛?cè)狁詈戏治?。定義棉纖維為柔性體，排雜刀、鋸齒滾筒為剛性體，具體參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真分析過程中，將鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為線速度，鋸齒滾筒帶動棉纖維與不同參數(shù)的排雜刀，以不同線速度發(fā)生碰撞，分析沖擊應(yīng)力大小，以此來判斷棉纖維損傷程度。圖5為單根棉纖維與排雜刀發(fā)生碰撞沖擊時的應(yīng)力云圖。

圖5 應(yīng)力云圖

由圖5可以看出，沖擊發(fā)生時，棉纖維受到較大應(yīng)力的部位分為2塊，一塊是棉纖維與排雜刀的接觸部位，另一塊是棉纖維與鋸齒滾筒的固接部位。當(dāng)這2個部位受到較大應(yīng)力時，棉纖維會產(chǎn)生一定程度的損傷，如果應(yīng)力較大，棉纖維則會發(fā)生撕裂或者斷裂。

2 仿真實驗設(shè)計及結(jié)果分析

2.1 實驗設(shè)計

采用Design-Expert軟件，進行正交旋轉(zhuǎn)實驗設(shè)計，實驗因素為鋸齒式皮棉清理機的排雜角、排雜刀刃角及鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速。因素與水平見表2。

表2 仿真實驗因素與水平

2.2 仿真實驗結(jié)果

根據(jù)實驗設(shè)計結(jié)果，共計完成了17組仿真實驗。各因素的取值為自變量，棉纖維所受應(yīng)力為評價指標(biāo)，將整根棉纖維所受應(yīng)力的最大值作為輸出結(jié)果。實驗方案與結(jié)果見表3。

表3 實驗方案與結(jié)果

根據(jù)表3的實驗結(jié)果，通過Design-Expert軟件，首先建立棉纖維所受應(yīng)力的二次多項式回歸模型，然后根據(jù)方差分析結(jié)果，對模型進行優(yōu)化。未優(yōu)化模型為

式中：y為棉纖維所受應(yīng)力；x1為排雜角；x2為排雜刀刃角；x3為鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速。

由表4的方差分析可知，所構(gòu)建回歸模型的P小于0.01，說明模型顯著；模型失擬項的P大于0.05，說明模型失擬性不顯著，回歸模型擬合程度高。根據(jù)表4的方差分析，去掉不顯著項后，優(yōu)化后的模型為

回歸模型的建立，為鋸齒式皮棉清理機的設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)改進、清理工藝參數(shù)優(yōu)化，提供了明確的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。

3 影響因素分析

3.1 單因素影響分析

由表4的方差分析可知，排雜角、排雜刀刃角及滾筒轉(zhuǎn)速3個因素對棉纖維所受應(yīng)力影響顯著。圖6中（a）、（b）、（c）分別為排雜刀、排雜刀刃角及滾筒轉(zhuǎn)速對棉纖維所受應(yīng)力的影響曲線圖。圖6（a）中曲線為排雜刀刃角70°，滾筒轉(zhuǎn)速850 r/min時獲?。粓D6（b）中曲線為排雜角15°，滾筒轉(zhuǎn)速850 r/min時獲??；圖6（c）中曲線為排雜刀刃角70°，排雜角15°時獲取。

表4 方差分析

由圖6可以看出，棉纖維所受應(yīng)力受3個因素的影響比較顯著，隨著影響因素數(shù)值增加，棉纖維所受應(yīng)力均出現(xiàn)了先增后減的現(xiàn)象，其中排雜角的影響最大。

圖6 單因素對應(yīng)力的影響

3.2 耦合因素影響分析

由表4的方差分析可知，排雜角與排雜刀刃角耦合影響具有一定的顯著性。圖7為排雜角與排雜刀刃角耦合影響的曲面圖，此時鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速為850 r/min。

由圖7可以看出，排雜角與排雜刀刃角具有一定的耦合性，當(dāng)排雜角為15°時，排雜刀刃角對應(yīng)力影響的變化較為明顯，隨著排雜角增大，排雜刀刃角對應(yīng)力影響的變化變得較為平緩。總體來看，排雜角對應(yīng)力影響較排雜刀刃角顯著。

圖7 排雜角與排雜刀刃角耦合對應(yīng)力的影響

4 結(jié)論

本文基于ANSYS軟件，構(gòu)建了棉纖維、排雜刀及鋸齒滾筒的三維模型，采用仿真手段，分析了棉纖維所受沖擊應(yīng)力。以排雜角、排雜刀刃角、鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速作為棉纖維損傷的影響因素，以應(yīng)力作為棉纖維損傷程度評價指標(biāo)，設(shè)計了三因素正交實驗。根據(jù)實驗結(jié)果構(gòu)建了棉纖維損傷的影響模型，并對影響顯著的單因素和耦合因素進行了分析。所構(gòu)建模型可用于指導(dǎo)鋸齒式皮棉清理機的結(jié)構(gòu)參數(shù)改進及工藝參數(shù)優(yōu)化。