紅花切割刀具楔角有限元分析及刀具結構設計
2016-12-21 來源：石河子大學機械電氣工程學院 作者：馬保建，葛云，魏盼龍，谷家偉
摘要：在紅花花絲采收過程中，切割刀具在紅花采收裝置中具有重要作用，并且紅花花絲的切割是一個復雜的力學過程，國內外對紅花花絲采收刀具的相關參數研究較少。為得到合理的紅花花絲刀具結構參數，通過建立紅花花絲在切割時的受力模型，針對刀具的受力情況以及為減小其在切割時的滑切力，選擇合理的刀具形狀、刀具材料，并構造出刀具楔角角度為(10。、15。、20。、25。、30。、35。)的刀具三維模型，建立刀具切割紅花時的裝配模型，并對它們進行有限元分析，比較刀具不同楔角角度的變形、剪應力情況，確定最優的刀具楔角角度。通過實驗確定刀具轉速，驗證理論的正確性，最后得到切割刀具具體結構參數，為以后類似作物的采收裝置刀具設計，提供一些理論依據。
關鍵詞：紅花絲；刀具結構；楔角；有限元分析
0.引言
紅花為菊科屬一年生草本植物，別名草紅花，是一種油、藥、天然色素、染料兼用的經濟作物[1]。新疆紅花占全國紅花種植面積總產量的80％左右[2]。由于紅花獨特的物理性狀，并且紅花花絲采摘具有季節性強、勞動強度大、不易采摘等特點，導致目前還沒有研制出成熟的機械采收裝置，大部分還是依靠人工采收，影響了紅花花絲的采收效率，限制了新疆紅花種植業的發展。因此，紅花花絲的機械化采收是勢在必行的。切割刀具是紅花花絲采收裝置的核心部件，其結構參數的合理性直接影響到紅花花絲的采收率。目前對紅花花絲切割刀具的研究比較少，因此，針對紅花的植株特性，設計紅花花絲采收裝置的刀具結構，對實現紅花花絲機械化采收具有重要意義。
1.紅花模型刀具切割時的理論分析
紅花花絲的切割過程如圖1所示，刀具以一定的速度V運動，接觸到紅花時產生切割力P，以及紅花莖桿產生的慣性力P。和反彈力P。。為使刀具切割可靠，應使紅花莖桿慣性力與莖桿反彈力之和大于或等于刀具切割力即：Pt≤Pa+Pb。若將紅花莖桿視為一端固定的懸臂梁，根據力學分析可知，為增大花絲莖桿的慣性力和反彈力作用，應盡量提高切割速度，所以紅花花絲的采收裝置采用較高的切割速度，并且切割速度是由紅花花絲采收裝置決定的，它與紅花的力學性能有關[3]。因此，切割速度的不合理可能使切割的花絲質量下降，也可能出現花絲割茬不整齊、少割、漏割，以及增加紅花果球的破損率等問題。所以合理的切割速度在紅花花絲切割過程中很重要切割速度的合理區間右通過實驗的方法驗證。
2.刀具形狀的選擇
安裝在刀盤上的刀具是切割紅花花絲的關鍵部件，在刀具切割的時候需要滿足四個基本條件，即堅韌、耐磨、鋒利、形狀的合理性[4]。刀具的切割方式主要是刀具進入材料的方向決定的，歸納起來主要有砍切和滑切兩種基本方式。把紅花模型切割部位抽象成圓柱形狀，分析不同刀具形狀在切割時的受力情況?，F在使用的刀具形狀有矩形、梯形和月牙形三種。目前使用前兩種刀具形狀最為廣泛，現對三種形狀刀具進行受力分析，如圖2所示。
由三種不同形狀刀具受力分析可知，矩形刀具在切割紅花花絲時的作用力垂直過外露在紅花果球外花絲簇的中心，在刀刃上沒有分力，是砍切式切割即切割方向與刃口法線重合，其作用力最大，在速度較快的時候切割紅花花絲的質量比較好；梯形和月牙形刀具在切割時產生很大的滑切力。因紅花結構的物理特性，在切割的過程中刀具不需要滑切力而需要較大的砍切力，因此采用矩形形狀的刀具。
3.刀具切割時不同刀具楔角有限元分析
刀具楔角的大小不僅影響切割時的阻力，同時也影響刀具的強度和磨損程度[5]。合理的刀具楔角是提高刀具切割性能的關鍵之一。刀具楔角的大小可以通過對紅花花絲切割模型的有限元分析[6]得出。通過查閱相關文獻E73，選擇6種合理的刀具楔角角度(10。、15。、20。、25。、30。、35。)進行仿真，分析在刀具切割紅花花絲最大半徑時(紅花絲簇簡化為實體)刀具的變形大小、剪應力口3大小，對比幾組數據，選擇刀具變形、剪應力較小時的刀具楔角角度。
在對刀具楔角進行有限元仿真分析時，設定刀具長度為80mm，刃長為40mm，材料為45鋼，取刀具楔角分別為10。、15。、20。、25。、30。、35。。通過分析比較不同楔角刀具的變形、剪應力的大小，得出變形、剪應力較小的刀具楔角，由此設定刀具具體參數。根據有限元分析可得刀具剪應力和變形大小見表1。
表1 不同楔角的刀具對應的剪應力和變形
4.不同材料刀具對應的剪應力和變形
用同樣的方法對不銹鋼(9crl8)、工程塑料(聚氯乙烯和尼龍)、橡膠(天然橡膠)的楔角為20。的刀具進行有限元分析，其剪應力和變形如表2所示。由表2可見，相同刀具楔角不同刀具材料情況下，45鋼刀具比其他材料刀具的剪應力和變形小，能很好地延長刀具使用壽命。
表2不同材料刀具對應的剪應力和變形
5.實驗驗證
從圖4可以看出，不同材料、相同的20。刀具楔角切割效果各不相同，并分析刀具材料和刀具切割速度的選擇對紅花花絲采凈率的影響。
通過切割實驗時我們發現，刀具轉速在1 100r／min左右，花絲殘留根數明顯減少，果球損傷面積明顯下降。因此，刀具切割的轉速設定為1 100r／rain左右。不同材料刀具切割質量如表3所示。
表3 1 lOOr／min不同材料刀片切割質量
6.小結
本文從刀具切割紅花花絲的力學理論分析，刀具形狀的選擇，以及刀具在切割時刀具楔角的有限元分析，分析得出刀具變形、剪應力的大小，通過實驗驗證切割時刀具轉速合理區間，以及刀具材料對采凈率的影響，最終確立刀具合理的參數組合，完成紅花花絲切割裝置系統設計的一部分，刀具的設計為切割系統研究提供了一些理論基礎，為以后類似作物的采收提供了一些借鑒。
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