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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（chéng）學院作者：馬保建，葛雲，魏盼龍，穀家偉

摘要：在紅花花絲采收過程中，切（qiē）割刀具在紅花采收裝置中具有重要作（zuò）用，並且紅花花絲的切（qiē）割（gē）是一個複雜的力學過程，國內外對紅（hóng）花花絲采收刀具的相（xiàng）關參數研（yán）究較少（shǎo）。為得到合理的紅花花絲刀具結構參數，通（tōng）過建立紅花花絲在（zài）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（de）刀具形狀、刀具材料，並構造出刀具楔角角度為(10。、15。、20。、25。、30。、35。)的刀具三（sān）維（wéi）模型，建立刀具切割紅花時的裝配（pèi）模型，並（bìng）對它們進行有（yǒu）限元（yuán）分析，比較刀具不（bú）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，最後得到切割刀具具體結構參數，為以後類似作（zuò）物的采收裝（zhuāng）置刀具設計，提供一些理論（lùn）依據。

關鍵詞：紅花絲；刀具結構；楔角；有（yǒu）限元（yuán）分析

0.引言

紅花（huā）為菊科屬一年生草本植物，別名草紅（hóng）花，是一種油、藥、天然色素（sù）、染料兼用的經濟（jì）作物[1]。新疆紅花占全國紅花種植麵積（jī）總產量的80％左右[2]。由於紅花獨（dú）特的物理性（xìng）狀（zhuàng），並且紅花花絲采摘具有季節性強（qiáng）、勞動強度（dù）大、不（bú）易采摘等特點，導致目前還沒有研製出成熟的機械采（cǎi）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（xiào）率，限製了新疆紅花種植（zhí）業的發展。因此，紅花花絲（sī）的機械化（huà）采收是勢在（zài）必行的。切割刀具是紅花花絲采（cǎi）收裝置（zhì）的核心部件，其結構（gòu）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（jù）的研究比較少，因此，針（zhēn）對紅花的植株特性，設計紅花花絲采收裝置的刀具結構（gòu），對實（shí）現紅花花絲機械化采（cǎi）收（shōu）具有重要意義。

1.紅花模型刀具（jù）切（qiē）割（gē）時的理論分析

紅花花絲（sī）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，以及紅花莖杆產生（shēng）的（de）慣性力（lì）P。和反彈力P。。為使刀具切割可（kě）靠（kào），應使紅花莖杆慣性力與莖杆反彈力之和大於或等於刀具切割力即：Pt≤Pa+Pb。若將紅花莖杆視為一端固定的懸臂梁，根據力學分（fèn）析可知，為增大花絲莖杆的慣性力和反彈力作（zuò）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（de）切割速度，並（bìng）且切割速度是由紅花花絲采收裝置（zhì）決定的，它與紅花的力學（xué）性能（néng）有關[3]。因（yīn）此，切割速度的不（bú）合（hé）理可（kě）能使切割的花絲質量下降，也可能出現花絲割茬不整（zhěng）齊、少割、漏割，以及增加紅花果球的破損率等問題。所以（yǐ）合理的切割速度在紅花花絲（sī）切割過程中很重要切割（gē）速度的合理區間右通（tōng）過實驗的（de）方法驗證。

2.刀具（jù）形狀的（de）選擇

安裝在刀盤上的刀具是切（qiē）割紅花（huā）花絲的關鍵部件，在刀具切（qiē）割的時候需要滿足四個基本（běn）條件，即堅韌、耐磨、鋒利、形狀的（de）合理性[4]。刀具的切割（gē）方式主要是（shì）刀具（jù）進（jìn）入材料的（de）方（fāng）向決定的，歸納起來主要有砍切和滑切兩種基本方式。把（bǎ）紅花模型切割部位抽象（xiàng）成（chéng）圓柱形狀，分析不同刀具形狀在切割時的受力情況。現在使用的刀具形狀有矩形、梯形和月（yuè）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（shòu）力分析，如圖2所示。

由三種不（bú）同形狀刀具受力分析可知（zhī），矩形刀具在切割紅花花絲（sī）時的作用力垂直（zhí）過（guò）外露在紅花（huā）果球外花絲簇的中心，在刀刃上沒有（yǒu）分力（lì），是（shì）砍切式切割即切割方向（xiàng）與刃口法線重合，其作用力（lì）最（zuì）大，在速（sù）度較快（kuài）的（de）時（shí）候切割紅花花絲（sī）的質量（liàng）比（bǐ）較好；梯形和月牙形刀具在切割時產（chǎn）生很大的滑（huá）切力。因紅花結（jié）構的物理特性（xìng），在切割的過程中刀具不需要滑（huá）切力而需要較大的砍切力，因此采用矩形形狀的刀具（jù）。

3.刀具切割時不同刀（dāo）具楔角有限元分析

刀具楔角的大（dà）小不（bú）僅影響切割（gē）時的阻（zǔ）力（lì），同時也影響（xiǎng）刀具的強度和磨（mó）損程度[5]。合理的刀具楔角是提高刀具（jù）切割性能的關鍵之一。刀具楔角的大小（xiǎo）可以通過對紅花花絲切（qiē）割（gē）模型的有限元分析（xī）[6]得出。通過查（chá）閱相關文獻E73，選擇6種合理的（de）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（tǐ）)刀具的變形大小、剪（jiǎn）應力口3大小，對（duì）比幾組數據，選擇（zé）刀具變形、剪應力較小時的刀具楔角角度。

在對刀具（jù）楔（xiē）角進（jìn）行（háng）有限元仿真分（fèn）析時，設定刀（dāo）具長度為80mm，刃長為40mm，材料（liào）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（jù）的變（biàn）形、剪應力的大小，得出變形、剪應力較小的刀具楔（xiē）角，由此（cǐ）設定（dìng）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（lì）和變形

4.不同材料刀具對應的剪應力和變形

用同樣的方法對不鏽鋼(9crl8)、工程塑料（liào）(聚氯乙烯和（hé）尼（ní）龍)、橡膠（jiāo）(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（xià），45鋼（gāng）刀具比其他材料（liào）刀具的剪應力和變形小，能很（hěn）好地延長刀具使用壽命。

表2不（bú）同材料刀具對應的（de）剪應力和（hé）變形

5.實驗驗證

從圖4可以（yǐ）看出，不同材料、相同的20。刀具（jù）楔（xiē）角切割效果各不相同，並（bìng）分析刀具材料和刀具切割速度的選擇對紅花花絲采淨率的影響。

通過切割實（shí）驗時我們（men）發現，刀具轉速在1 100r／min左右，花絲殘（cán）留根數明顯減少，果球損傷（shāng）麵積明顯下降。因此，刀具切割的轉（zhuǎn）速設定為1 100r／rain左右。不同材料刀具（jù）切割質量如（rú）表3所示。

表3 1 lOOr／min不同材料（liào）刀片切割質量

6.小結

本文從刀具（jù）切割紅花（huā）花絲的力學（xué）理論分析，刀具形狀（zhuàng）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（chū）刀具變形、剪應力的（de）大小，通過實驗驗證切割時（shí）刀具轉速合（hé）理區間，以及刀具材料（liào）對采淨率的影（yǐng）響，最終確立刀具合理的參數組合，完成紅花花絲切割裝置（zhì）係統設計的一部（bù）分，刀具的設計為（wéi）切割係（xì）統研究提（tí）供了一些理論基礎，為以後類（lèi）似作物的采（cǎi）收提（tí）供了一些借鑒。

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