便攜水電墻面開槽機(jī)設(shè)計及有限元分析

摘" 要：針對水電裝修過程中塵土飛揚(yáng)的現(xiàn)狀，設(shè)計一種便攜水電墻面開槽機(jī)。由于開槽刀具的性能直接影響到開槽效率，因此采用ANSYS將有SOLIDWORKS設(shè)計的開槽刀具進(jìn)行靜力學(xué)和動力學(xué)分析，并基于有限元法求解開槽刀具動力學(xué)方程，得到開槽刀具前6階的固有頻率和振型。分析刀具應(yīng)力、應(yīng)變和振型。結(jié)果表明，開槽刀具邊緣齒處承受較大的應(yīng)力，產(chǎn)生較大的應(yīng)變和振動位移，容易發(fā)生疲勞損壞。該研究可為開槽刀具的設(shè)計、制造和穩(wěn)定運(yùn)行提供理論依據(jù)及工程應(yīng)用方法，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：水電裝修;開槽刀具;有限元法;振型;疲勞損壞

中圖分類號：TU69" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）18-0124-04

Abstract： Aiming at the current situation of dust in the process of hydropower decoration， a portable hydoropower wall grooving machine is designed. Since the performance of the slotting tool directly affects the slotting efficiency， the static and dynamic analysis of the slotting tool with SOLIDWORKS is carried out by using ANSYS， and the dynamic equation of the slotting tool is solved based on the finite element method， and the first six natural frequencies and vibration modes of the slotting tool are obtained. The stress， strain and vibration mode of the tool are analyzed. The results show that the edge tooth of the slotted tool bears greater stress， produces larger strain and vibration displacement， and is prone to fatigue damage. This study can provide theoretical basis and engineering application method for the design， manufacture and stable operation of slotting tools， and has important theoretical significance and engineering application value.

Keywords： hydropower decoration; slotting tool; finite element method; vibration mode; fatigue damage

隨著社會發(fā)展和國家城市化建設(shè)的推進(jìn)，城市人口急劇增加，現(xiàn)有的城市容量已經(jīng)不能滿足要求。很多城市都在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行整體規(guī)劃和建設(shè)，樓房建設(shè)項目大量增加[1]。家裝行業(yè)逐漸增加壓力，在此過程中，最讓人頭疼的是墻壁開槽。傳統(tǒng)的墻面切槽要先割出線縫后再用電錘鑿出線槽，這種方法操作復(fù)雜、效率低、費(fèi)工費(fèi)時[2]。

現(xiàn)有的水電裝修開槽機(jī)存在以下問題：高速旋轉(zhuǎn)圓盤刀具存在橫向振動問題[3];開槽刀具的剛性不夠，刀刃存在崩裂情況[4];在切割過程中，還會出現(xiàn)大量的灰塵，影響工人的施工和身體健康[5]。

針對目前國內(nèi)的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種單刃式的刀具和吸塵防護(hù)罩（半圓形防護(hù)罩和可收縮的四分之一圓弧防護(hù)罩結(jié)合而成）。白碩瑋等[6]分析了金剛石圓盤鋸橫向振動的形成原因，推導(dǎo)出了軸向附加力數(shù)學(xué)模型。李慶華等[7]針對在工況下高速旋轉(zhuǎn)圓盤刀具存在的橫向振動問題，應(yīng)用有限元方法及實驗測量進(jìn)行了研究。馬玉平等[8]通過實驗得出了振動特性參數(shù)公式。

1" 整體設(shè)計

便攜式水電開槽機(jī)由直流電機(jī)、防護(hù)罩、手柄、刀具及吸塵裝置等組成，如圖1所示。工作時，切割機(jī)和吸塵裝置通電，直流電機(jī)帶動刀具旋轉(zhuǎn)，在切割到墻角時，四分之一的圓弧防護(hù)罩隨著刀具的前進(jìn)慢慢收縮，直至刀具開槽完成，這樣就解決了墻角的開槽問題。在此過程中，吸塵裝置會對切割過程中產(chǎn)生的塵土進(jìn)行吸收，從而達(dá)到作業(yè)的目的。

2" 開槽刀具的設(shè)計

考慮到不同的墻體，將高速鋼作為開槽刀具材料。啟動機(jī)器時刀具高速旋轉(zhuǎn)，由此進(jìn)行墻體的開槽。開槽時刀具應(yīng)該具備相對應(yīng)的強(qiáng)度和剛度要求。但是現(xiàn)在的刀具加工精度要求逐漸變高、旋轉(zhuǎn)速度也逐漸變快，由此會使得刀具刃口的軸向位移增大，造成了刀具的切割力增加，切削溫度升高，刀具壽命因此降低。為了減少在開槽工作過程中所帶來的振動就要選擇合適的材料。

經(jīng)過多次的構(gòu)思與試驗，最終決定將單刃齒型作為便攜式水電開槽機(jī)的刀具。在實驗中發(fā)現(xiàn)，單刃齒型可以使此機(jī)械在開線槽的過程中開出比較合適的線槽，充分發(fā)揮了刀具的性能，開槽的效率得到了大大提升。在開線槽的過程中，刀具受力情況如圖2所示。

在待切割區(qū)域所受到的力為墻體對開槽刀具的作用力。為了分析簡便，將產(chǎn)生的作用力化成一對力，這對力可以由Fn和Fm或者Fx和Fy所組成，其中Fn為開線槽過程中墻體與開槽刀具產(chǎn)生的力，F(xiàn)m為開槽過程中刀片與墻體之間摩擦產(chǎn)生的力;或者由沿切削方向力Fx和與刀片前進(jìn)方向的垂直力Fy所組成。但是，F(xiàn)m是便攜式水電開槽機(jī)的主要切割力，而Fm決定開槽的速率。將這些力在圖2中表示，并經(jīng)過分析，得到了如下的公式

3" 開槽刀具的有限元分析

一個模型的建立必須具有相對應(yīng)的理論依據(jù)，于是將建模好的水電開槽刀具導(dǎo)入ANSYS中分析，進(jìn)行仿真模擬。

3.1" 模型的導(dǎo)入與材料屬性的定義

將建模好的水電開槽刀具模型導(dǎo)入ANSYS軟件，對刀片進(jìn)行分析，在查閱大量的資料和手冊后，刀片材料選為高速鋼材料，高速鋼具有高硬度、高耐磨性和高耐熱性等特點(diǎn)，輕度和硬度的配合較好，具有很好的紅硬性。相關(guān)參數(shù)為彈性模量2.06×105，密度7.8×10-3 g/mm，泊松比0.3。

3.2" 網(wǎng)格的劃分

在有限元分析中，一個關(guān)鍵的步驟是網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量和密度將影響計算的準(zhǔn)確性，考慮到此問題，于是采用了自動網(wǎng)格劃分工具對水電開槽刀具進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。劃分結(jié)果為：刀具共劃分95 545個節(jié)點(diǎn)，19 372個單元，如圖3所示。

3.3" 轉(zhuǎn)速條件的添加

通過右手系建立空間直角坐標(biāo)系，便攜式水電開槽機(jī)在開線槽過程中，刀片X方向與開槽機(jī)整體相連接，Z方向為開槽機(jī)開線槽的方向，沿Z軸刀具進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)。查閱資料可知，水電開槽機(jī)的轉(zhuǎn)速集中為10 000 r/min，受到力集中F=4 000 N。刀具在工作的過程中，刀片頂端與待開槽墻體接觸，由力和力的反作用可知，在此過程刀片會對墻體施加力，墻體也會對刀具施加相對應(yīng)的力。

3.4" 開槽機(jī)刀具靜力學(xué)分析

經(jīng)過ANSYS分析，得到了如下的結(jié)果：圖4為開槽刀具的等效應(yīng)力、圖5為開槽刀具的靜力學(xué)應(yīng)變。

由圖4可以得到：在開線槽的過程中刀具受到的最大應(yīng)力1.486 7×108 Pa，其主要分布在刀片與電機(jī)輸出軸的連接處和刀片刀齒部位。在連接處有此情況是由于其連接方式為平鍵連接;在刀片刀齒部位有此情況是由于在開線槽的過程中刀具刀齒位置與墻體接觸，受力大，會出現(xiàn)磨損等情況。

由圖5可以得到：刀片的最大位移偏移量是7.079 5×10-7 m，主要分布在刀片外圓端面。出現(xiàn)這樣的結(jié)果是由于刀具在開槽過程中會出現(xiàn)相對應(yīng)的彈性變形。

3.5" 開槽刀具模態(tài)分析

開槽刀片動力學(xué)表達(dá)式為

m+k+cx=F，

式中：m、k、c分別為開槽刀具的質(zhì)量、阻尼和剛性矩陣;F為系統(tǒng)外激勵。模型特性為系統(tǒng)固有屬性，與外激勵無關(guān)，為簡化計算系統(tǒng)阻尼，動力學(xué)方程可以簡化為

m+k=0。

特稱方程可寫為

k-λmx=0，

式中：特性值λ為固有頻率;特征向量x為不同固有頻率對應(yīng)的振型。

通過有限元算法對動力學(xué)方程求解得到了開槽刀具的前6階固有頻率及振型，如圖6和表1所示。

由以上結(jié)果可知，第1階和第2階、第4階和第5階的固有頻率基本接近，其中第1階和第2階固有頻率約為1 037.8 Hz，第4階和第5階固有頻率約為1 216.6 Hz。由分析結(jié)果可知便攜式水電開槽機(jī)刀具在刀齒位置處振動位移較大。第4階的固有頻率相對于第3階的固有頻率相差是較大的，第6階時的固有頻率相較于第5階相差值比第3階與第4階的更大，模態(tài)分離現(xiàn)象比較明顯。并且便攜式水電開槽機(jī)在工作的過程中，刀具刀齒部分會出現(xiàn)相對應(yīng)地位移，使得刀具發(fā)生損壞。

4" 結(jié)論

1）靜力學(xué)分析結(jié)果表明，刀齒刀刃部分和刀具與輸出軸連接部分承受較大的應(yīng)力，在開線槽工作過程中刀具刀齒部分可能會發(fā)生位移變形，為其改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

2）模態(tài)分析結(jié)果表明，在外界激勵作用下，刀具易發(fā)生共振現(xiàn)象。依據(jù)模態(tài)云圖提供的振型數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)開槽刀具主要為節(jié)徑振型，且相鄰存在重疊的現(xiàn)象，會造成力處于集中狀態(tài)，產(chǎn)生較大地變形，設(shè)計中應(yīng)該考慮此方面，保證刀具的強(qiáng)度，為進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

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