基于ANSYS的竹篼破篼刀具設計與仿真

賀平 張德暉 李俊平 王悅 何金成 鄭文鑫

摘要：為降低破篼刀具的工作能耗及解決破篼刀具工作半徑不可調的問題，設計一種工作半徑可調以實現(xiàn)從竹篼內部破篼的刀具。首先在ANSYS中建立竹篼—破篼刀具有限元模型，然后進行破節(jié)、破壁仿真并做試驗分析，最后構建試驗平臺加以驗證。結果表明：所研制的破篼刀具可清理外徑為110～130mm的竹篼；破節(jié)最優(yōu)的刀具參數(shù)組合為：軸向刀后角角度為30°、刀盤轉速為5000r/min；破壁的刀具參數(shù)組合為：徑向刀后角角度為20°、刀盤轉速為5000r/min。

關鍵詞：竹篼；破篼刀具；尺寸可調；有限元分析；ANSYS仿真

中圖分類號：S221

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 05-0116-07

收稿日期：2022年10月20日? 修回日期：2022年12月9日*基金項目：福建省高峰高原學科項目（712018014）；福建省服務產(chǎn)業(yè)特色專業(yè)建設項目（63TZ16001）；福建農林大學優(yōu)秀研究生學位論文資助資金（1122YS01003）

第一作者：賀平，男，1998年生，江西撫州人，碩士研究生；研究方向為農機裝備工程。E-mail： 2650611753@qq.com

通訊作者：張德暉，男，1975年生，福建永春人，碩士，副教授；研究方向為山地農業(yè)裝備。E-mail： zzhangdehui@126.com

Design and simulation of bamboo stump cutter based on ANSYS

He Ping1， Zhang Dehui1， 2， Li Junping1， Wang Yue1， He Jincheng1， 2， Zheng Wenxin1， 2

（1. College of Mechanical and Electronic Engineering， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou，

350100， China； 2. Modern Agricultural Equipment Research Center， Fujian University （Fujian Agriculture and

Forestry University）， Fuzhou， 350100， China）

Abstract：

In order to reduce the energy consumption of bamboo stump cutter and solve the problem? that the working radius of cutter cannot be adjusted， a cutter with an adjustable working radius is designed， which can break bamboo stump from inside the stump. First of all， a finite element model of bamboo stump-bamboo stump cutter is established in ANSYS， then joint-broken and wall-broken simulation is carried out and test analysis is done， finally， a test platform is built to verify it. The results show that the bamboo stump cutter developed in this paper can explode bamboo stump with an external diameter of 110-130 mm. The optimal parameter combination of joint-broken is as follows， the back angle of axial cutter is 30°， and the speed of cutter is 5 000 r/min. The parameter combination of wall-broken is that the back angle of radial cutter is 20°， and the cutter speed is 5 000 r/min.

Keywords：

bamboo stump; bamboo stump cutter; adjustable size; finite element analysis; ANSYS simulation

0 引言

目前森林木材資源嚴重缺乏，竹材將代替木材成為建筑材料資源［1-4］。竹材被砍伐后所遺留的樁根（竹篼）在自然條件下需要8～10年才會被微生物徹底分解［5， 6］，遺留的竹篼擠占竹材根部的生長空間而降低竹材的產(chǎn)量，因此有必要及時清除竹篼。國外市場上未見竹子采伐、栽培系列裝備，更未見清理竹篼設備［7］。國內目前清除竹篼常見有兩種方法，第一種是對竹篼整體清除，采用破篼刀具對竹篼進行整體的銑削，或者先采用刀具切削掉竹篼周圍的竹根，然后拔掉整個竹篼。此方法清除竹篼比較徹底、見效快，文獻［6-12］等采用該方法研究的破篼設備，對竹篼的清除都有一定的效果，但存在效率較低、功耗大、尺寸較大，不便攜帶等不足；第二種方法是先破壞竹篼內的竹節(jié)，然后灌入藥水來腐蝕竹篼，朱才熙［13］、華文禮［14］等先采用鋼管戳破竹節(jié)，然后再倒入藥水腐蝕竹篼，竹篼腐爛的時間縮短至3～6個月，但是此方法勞動強度大，且未能破壞竹篼內的竹黃；如能在破壞竹節(jié)時同時也破壞竹黃，其腐爛的時間會更短。因此本文研究開發(fā)一款破壞竹節(jié)與竹黃的刀具，可用于破壞竹篼的竹節(jié)及竹黃，對竹篼清理設備的研究與開發(fā)具有一定的實際應用價值。

1 竹篼切削力的測定

竹篼的切削力是破篼刀具重要的設計參數(shù)，因此有必要對其進行測定。竹篼取于福建龍巖某一竹林，竹篼的參數(shù)如表1所示。簡化的竹篼模型如圖1所示。由文獻［15］可知，從竹青至竹黃的密度逐漸減小，維管束等組織越少，力學性能指標越低，為提升竹篼的腐爛效率，可以破壞竹黃及部分的竹壁。由文獻［16］可知，竹壁在受到使維管束產(chǎn)生順紋分離的力時，竹篼最易被破壞。因此本文對切削竹壁所需的切削力Fa做測定。如圖2所示，刃口角度β取40°，刃口長度取20mm，取10次試驗的最大值為413N。

2 破篼刀具設計

2.1 破篼刀具工作原理

破篼刀具主要由破壞竹黃的徑向刀、破壞竹節(jié)的軸向刀、刀盤、定位鉆頭及刀軸組成（圖3），定位鉆頭的作用是剛切割時的定位及防止破節(jié)時發(fā)生橫向打滑，刀盤外圈設有兩個切割刃口（即軸向刀）來切割竹節(jié)，徑向刀位于刀盤之上，與支架鉸連接，用彈簧將其與彈簧柱相連；當對刀軸施加旋轉動力時，徑向刀由于離心力的作用而張開從而切削竹黃及竹壁，其工作半徑會隨著刀軸轉速的改變而變化，從而適應不同尺寸竹篼的破篼要求。支架與盤軸用螺栓連接，支架與刀盤螺紋連接，盤軸與刀軸焊接固定。

2.2 徑向刀主要參數(shù)

本破篼刀具的徑向刀的破壁刃口是基于單刃車刀理論進行設計，其主要參數(shù)：刃口長度為20mm，刃口角度為40°，如圖4所示。

2.3 軸向刀主要參數(shù)

軸向刀參照木工開孔鉆頭進行設計，底部有兩條切割主刃口，其主要參數(shù)：刃口長度為5mm，刃口角度為45°。軸向刀如圖5所示。

選用T8鋼作為徑向刀與軸向刀的材料，其強度、剛度和耐磨性可滿足工作要求。

2.4 徑向刀的工作轉速

當破篼刀具旋轉工作時，徑向刀的離心力Fb在竹壁對刀具的作用力Fa方向上的分力與Fa和彈簧在Fa方向上的分力之和相等、方向相反，而Fb與破篼刀具工作轉速及徑向刀的質量有直接關系。因此，必須確定有效的工作轉速范圍，使其能夠克服切削竹壁的反力作用Fa，受力分析如圖6所示。

3.1.2 破篼刀具參數(shù)設定

破篼刀具材料選用T8合金鋼，材料特性參數(shù)填入ANSYS中，K為體積模量，如表3所示。

3.2 網(wǎng)格劃分

竹篼及破篼刀具均可采用自由網(wǎng)格劃分法［21］，竹篼的竹節(jié)、竹內壁、軸向刀、徑向刀為主要受力部位，可根據(jù)需要采用人工進行網(wǎng)格的劃分，而其余部位采用ANSYS智能尺寸控制技術來控制網(wǎng)格大小。網(wǎng)格劃分后的破節(jié)、破壁有限元模型如圖7所示。

4 仿真及結果分析

4.1 破節(jié)仿真分析

取軸向刀后角角度、刀盤轉速作為竹篼破節(jié)的影響因素作全面試驗，以破節(jié)的能耗為優(yōu)化目標，軸向刀后角如圖8所示。試驗因素及水平如表4所示，全面試驗方案及試驗結果如表5所示，A、B為因素編碼值。

取顯著性水平α=0.05，由表6可得，因素A和因素B對試驗指標能耗均有顯著性影響，且因素B的影響更大。綜合表5、表6，可得破節(jié)的最優(yōu)方案為B2A2，即軸向刀后角的角度為30°、刀盤轉速為5000r/min時破節(jié)的能耗較低。

因素A、B對破節(jié)能耗的影響趨勢如圖9所示，即軸向刀后角角度在15°～30°時，能耗與軸向刀后角的大小成負相關；在30°～45°時，能耗與其成正相關；刀盤轉速在4 000～5 000r/min時，能耗與其成負相關，而在5 000～6 000r/min時，能耗與其成正相關。當軸向刀后角的角度為30°、刀盤轉速為5 000r/min時，其應力云圖如圖10所示，竹節(jié)成功被切除。

4.2 破壁仿真分析

取徑向刀后角角度、刀盤轉速作為竹篼破壁的影響因素作全面試驗，以徑向刀具切削弧長為280mm的竹壁所需的能耗為指標，徑向刀后角如圖11所示。試驗因素及水平如表7所示，全面試驗方案及試驗結果如表8所示，其中C、B為因素編碼值。

取顯著性水平α=0.05，從方差分析結果（表9）可得，因素C對試驗指標能耗無顯著性影響、因素B對試驗指標能耗有顯著性影響。綜合表8、表9，可得破壁的最優(yōu)方案為B2C2，即徑向刀后角角度為20°、刀盤轉速為5000r/min時破竹壁能耗較低。

因素C、B對破壁能耗的影響趨勢如圖12所示，即徑向刀后角角度在10°～20°時，能耗與徑向刀后角的大小成負相關；在20°～30°時，能耗與其成正相關；刀盤轉速在4 000～5 000r/min時，能耗與其成負相關，而在5 000～6 000r/min時，能耗與其成正相關。當徑向刀后角的角度為20°、刀盤轉速為5 000r/min時，其應力云圖如圖13所示，內竹壁成功被切除。

5 試驗及討論

為驗證仿真結果，制作破篼刀具并搭建試驗臺進行試驗，試驗平臺示意圖（圖14），試驗平臺實體圖（圖15），其包括動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、功率測試系統(tǒng)、升降系統(tǒng)。動力系統(tǒng)主要為電機；控制系統(tǒng)主要由變頻器、塔輪、皮帶等組成，其控制刀具工作轉速；功率測試系統(tǒng)主要由扭矩傳感器、扭矩功率儀等組成；升降系統(tǒng)控制破篼刀具的升降。

按照試驗號分別進行試驗，由扭矩功率儀記錄功率，根據(jù)式（7）計算出能耗，每個試驗號做3次試驗，試驗結果取均值。

w=pt

（7）

式中：

w——能耗，J；

p——功率，W；

t——時間，s。

破節(jié)、破壁效果如圖16所示，竹節(jié)成功被切除；竹壁內保護層成功被切除，維管束清晰可見。

如圖17所示，破節(jié)、破壁試驗結果與仿真結果有一定誤差，試驗結果能耗較高，但趨勢一致，原因為試驗中動力的傳輸由于摩擦而損失了一部分能量，驗證了仿真結果的正確性。

關于軸向刀、徑向刀后角角度對破節(jié)、破壁能耗的影響，是因為刀具后角增大，刀具楔角減小，且刀刃鈍圓半徑也減小，導致刃口鋒利更容易切入竹篼，所以能耗降低；當后角角度再繼續(xù)增大時，刀具楔角過小而削弱刃口的強度，導致刃口往切削相反方向變形，使得切削阻力增大，能耗增高，與文獻［22］的試驗結論相似。

關于刀盤轉速對破節(jié)、破壁能耗的影響，當轉速較低時，刀具切削竹篼所形成的碎塊尚未脫落，尚未脫落的碎塊對刀具產(chǎn)生了擠壓，使得阻力增大而能耗升高，當轉速達到5000r/min時，因所形成的碎塊尺寸較小而直接脫落，使得阻力減小而能耗下降，當轉速再繼續(xù)增大時，導致摩擦能耗顯著增高，同時所產(chǎn)生碎塊尺寸也變小，在此過程中有一部分能量用于顆粒的破碎，使得能耗升高。

6 結論

以竹篼物理力學性能為基礎，設計破篼刀具并對其進行顯式動力學仿真及試驗驗證。

1） 竹篼的竹黃部位的物理力學性能指標最低，在此部位施加竹篼圓周切向的載荷最易使竹篼破壞。

2） 軸向刀后角角度、徑向刀后角角度、刀盤轉速對能耗均有影響，刀盤轉速對能耗的影響最大。破節(jié)最優(yōu)方案為軸向刀后角角度30°、刀盤轉速5000r/min；破壁最優(yōu)方案為徑向刀后角角度20°，刀盤轉速5000r/min。

3） 此破篼刀具只適用于外徑為110～130mm的竹篼破篼的作業(yè)。

參 考 文 獻

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