基于LS-DYNA的沙柳鋸切仿真分析及試驗研究

程衛(wèi)華 劉志剛 裴承慧 張少勇 常濤濤

（內蒙古工業(yè)大學機械工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

沙柳（Salix cheilophila）是我國西北干旱地區(qū)防風沙的主要樹種，具有平茬復壯的生物習性，即到達一定生長年限需要對其進行平茬處理[1-3]。沙柳平茬必須保持茬口光滑，如平茬后茬口出現(xiàn)灼傷和撕皮撕裂，則會影響來年沙柳的萌芽率，因此，刀具和鋸切參數(shù)的合理選擇對沙柳平茬至關重要[4-6]。目前國內外灌木切割器主要分為圓盤式、往復式和循環(huán)式三種[7]。其中，圓盤式切割器因結構簡單、切割效率高等特點被廣泛用于沙柳平茬作業(yè)，但在實際平茬過程中存在切割器進鋸困難、功耗大、刀具使用壽命短、茬口燒傷、撕皮撕裂等問題。為此，本文基于LS-DYNA建立沙柳圓鋸片鋸切顯式動力學模型，采用單因素試驗和正交試驗相結合的方法，對刀具結構參數(shù)、工作參數(shù)進行優(yōu)化研究[8-24]，以改善上述問題。

1 鋸切仿真試驗模型構建

沙柳平茬過程中采用圓盤回轉式切割器。為保證平茬后沙柳的萌芽率，沙柳平茬高度一般距離地面20～30 mm，直徑一般為30～50 mm[25]。根據(jù)GB/T 14388—2010《木工硬質合金圓鋸片》標準及實際切削情況，確定圓鋸片基礎模型結構參數(shù)（表1），基于UG12.0 建立鋸切沙柳的三維模型，采用Hypermesh軟件進行網(wǎng)格劃分并對重要部位作網(wǎng)格細化生成k文件，導入LS-DYNA進行顯式動力學分析試驗，鋸切模型如圖1 所示。

表1 圓鋸片結構參數(shù)Tab.1 Structural parameters of circular saw blade

圖1 沙柳鋸切模型Fig.1 Salix sawing model

2 仿真尋優(yōu)

2.1 單因素試驗

本研究選用整體式截背齒圓鋸片。一般情況下，齒數(shù)、轉速和每齒進給量會影響鋸切質量，齒厚對圓鋸片強度、鋸切力和功耗影響較大。因此，通過單因素試驗分別研究圓鋸片齒數(shù)、齒厚、轉速及每齒進給量對鋸切轉矩和功耗的影響，為正交試驗縮小各因素尋優(yōu)范圍。

2.1.1 齒數(shù)對鋸切的影響

試驗中，圓鋸片齒數(shù)分別設為60、80、100、120 T。其他參數(shù)選擇固定值，齒厚為2.2 mm，轉速為1 500 r/min，每齒進給量為0.20 mm。如圖2(a)所示，隨著齒數(shù)增加，轉矩增加，功耗減小，從兩者變化區(qū)間可以看出，齒數(shù)對兩者的影響不顯著[26]。綜合考慮，選擇齒數(shù)范圍為80～100 T。

2.1.2 齒厚對鋸切的影響

試驗中，齒厚分別設為 1.5、2.0、2.5、3.0 mm。其他參數(shù)選擇固定值，齒數(shù)為100 T，轉速為1 500 r/min，每齒進給量為0.20 mm。如圖2(b)所示，轉矩和功耗隨著齒厚的增加均增大，對兩者變化區(qū)間分析可知，齒厚對兩者的影響較為顯著。降低厚度可以減少鋸切轉矩和功耗，但會導致鋸片強度降低，容易發(fā)生失穩(wěn)。綜合考慮，選擇齒厚范圍為2.0～2.4 mm。

2.1.3 轉速對鋸切的影響

試驗中，圓鋸片轉速分別設為1 000、1 500、2 000、2 500 r/min。其他參數(shù)則選擇固定值，齒數(shù)100 T，齒厚2.2 mm，每齒進給量0.20 mm。由圖2(c)轉矩和功耗變化趨勢可知，轉速對兩者影響較為顯著?？紤]到轉速太低會導致茬口質量降低，同時使鋸片磨損加快，因此選擇轉速范圍為1 500～2 000 r/min。

2.1.4 每齒進給量對鋸切的影響

試驗中，每齒進給量分別設為0.15、0.20、0.25、0.30 mm。其他參數(shù)則選擇固定值，齒數(shù)100 T，齒厚2.2 mm，轉速1 500 r/min。如圖2(d)所示，隨著每齒進給量增加，轉矩增加，功耗減少，對兩者變化區(qū)間分析可知，每齒進給量對兩者影響不顯著。綜合考慮，選擇每齒進給量范圍為0.20～0.24 mm。

圖2 各因素對轉矩和功耗的影響情況Fig.2 Influence of feed per tooth on torque and power consumption

2.2 正交試驗

2.2.1 正交試驗設計

在單因素試驗基礎上，以鋸片齒數(shù)、齒厚、轉速及每齒進給量為影響因素，切削功耗及轉矩為評價指標，進行四因素三水平沙柳生材鋸切正交試驗。因素水平如表2 所示，試驗設計如表3 所示。

表2 正交試驗因素水平表Tab.2 Orthogonal test factor level table

2.2.2 試驗結果

計算各因素水平下每一個試驗指標的數(shù)值和K以及平均值，并計算極差R。分析各因素對試驗指標轉矩和功耗的影響。試驗結果見表3。

表3 正交試驗方案和檢測結果Tab.3 Orthogonal test scheme and test results

根據(jù)極差大小確定各因素對轉矩和功耗的影響。各因素對轉矩影響的主次順序為A＞C＞D＞B，對功耗影響的主次順序為C＞B＞A＞D。根據(jù)試驗指標不同水平的平均值確定各因素的優(yōu)化水平組合。各因素對轉矩的優(yōu)化組合為A1B2C1D2，對功耗的優(yōu)化組合為A3B1C1D2。

由于兩個指標單獨分析所得的優(yōu)化結果不一致，必須根據(jù)因素的影響主次順序綜合考慮，確定最佳參數(shù)組合。因素A對轉矩的影響最為顯著，排在首位，A1較優(yōu)；其對功耗的影響則排在第三位，為次要因素，因此A因素取A1。因素B對功耗的影響排在第二位，B1較優(yōu)；其對轉矩的影響排在第四位，為次要因素，因此因素B取B1。因素C對功耗的影響最為顯著，排在首位；對轉矩的影響排在第二位，在優(yōu)化組合中因素C均為C1，因此因素C取C1。因素D對轉矩的影響排在第三位，對功耗的影響排在第四位，在優(yōu)化組合中因素D均為D2，因此因素D取D2。

綜合平衡，最終確定本試驗的優(yōu)化組合為A1B1C1D2，即齒數(shù)為80 T，齒厚為2.0 mm，轉速為1 500 r/min，每齒進給量為0.22 mm。此優(yōu)化組合并不在9 次試驗中，因此進行補充試驗加以驗證，測得在該組合下最大轉矩為7.41 N·m，功耗為1 412 J。

3 模擬結果對標

3.1 鋸切試驗準備

根據(jù)GB/T 14388—2010 標準要求，委托天津林業(yè)工具廠加工結構參數(shù)優(yōu)化后的圓鋸片，如圖3 所示。試材采用處于平茬期（3～5 年）的沙柳。利用PPCNC小型車床（PROXXON PD 400，普頌德科）和MB120 型臺式木工鋸刨機床（濟寧海川機械有限公司）對沙柳試件進行加工，沙柳鋸切部位直徑與數(shù)值模擬中一致，為40 mm，試件如圖4 所示。

圖3 優(yōu)選鋸片圖Fig.3 Preferred saw blade diagram

圖4 鋸切試驗試件Fig.4 Sawing test specimen

根據(jù)總體試驗要求搭建試驗臺，其由架體、鋸切裝置、夾持裝置、進給裝置及控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，轉速調整區(qū)間為0～3 000 r/min，進給速度調整區(qū)間為0～2 000 mm/s，夾持高度可調以滿足不同平茬位置的鋸切；數(shù)據(jù)采集包括鋸切過程中的轉速、轉矩和功率等通過JN338 型智能數(shù)字式傳感器（北京三晶科技集團有限公司）獲得。

3.2 試驗結果

用結構優(yōu)化后的圓鋸片（齒數(shù)80 T、齒厚2.0 mm）和工作參數(shù)（轉速1 500 r/min、每齒進給量0.22 mm）進行鋸切試驗，其他參數(shù)根據(jù)國標確定，如圖7所示最終測得轉矩為7.55 N·m，功耗為1 514 J，與數(shù)值模擬結果分別相差1.9%和7.2%。一方面因為沙柳試件含水率不同，另一方面試驗臺鋸切時也會受到環(huán)境和設備本身等因素的影響，因此導致鋸切力和鋸切功耗的差異，但誤差在可接受范圍內。鋸切后茬口如圖8所示，無灼傷、撕皮撕裂情況。

圖5 數(shù)據(jù)采集界面Fig.5 Data acquisition interface

圖6 優(yōu)化后鋸片鋸切的沙柳茬口Fig.6 The saw cutting stubble of optimized saw blade sawing Salix

4 結論

1）通過單因素鋸切仿真試驗得出，齒數(shù)對轉矩和功耗的影響不顯著；齒厚對轉矩和功耗影響較為顯著；轉速對轉矩和功耗影響較為顯著；每齒進給量對轉矩和功耗的影響不顯著。

2）通過正交試驗得出最優(yōu)組合：齒數(shù)為80 T，齒厚為2.0 mm，轉速為1 500 r/min，每齒進給量為0.22 mm。該組合下，最大轉矩為7.41 N·m，功耗為1 412 J。上述條件下鋸切試驗得出轉矩為7.55 N·m，功耗為1 514 J，分別與數(shù)值模擬結果相差1.9%和7.2%，仿真可靠度滿足要求，整體鋸切質量滿足沙柳復壯要求。