羅金海 趙小娟 高曉宏 張平

摘要：切割揉碎裝置設(shè)計(jì)的合理性是影響秸稈切割揉碎打捆機(jī)的切割質(zhì)量、工作性能和整機(jī)平衡性的主要因素。通過對(duì)切割揉碎裝置的粉碎刀的密度及其排列方式的研究，利用Solid Works Simulation分析軟件對(duì)粉碎刀和刀軸進(jìn)行了有限元分析，獲得了粉碎刀的最大應(yīng)力為20.7Mpa，可知粉碎刀具有足夠的強(qiáng)度支撐對(duì)秸稈的切削，刀軸實(shí)際工作中的轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于其最低臨界轉(zhuǎn)速，滿足實(shí)際工作的需求。

關(guān)鍵詞：切割;揉碎;秸稈;有限元;Solid Works Simulation

中圖分類號(hào)：S225.91+9 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

實(shí)踐表明，在田間使用秸稈切割揉碎打捆機(jī)對(duì)秸稈直接進(jìn)行打捆收獲，不僅是解決秸稈浪費(fèi)和就地焚燒等問題的有效方法，還對(duì)推動(dòng)秸稈資源規(guī)?；⒐I(yè)化使用，提高秸稈資源的綜合利用率，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[1]。

現(xiàn)有的秸稈切割揉碎裝置存在粉碎質(zhì)量差、刀片安裝和排列方式以及刀片的結(jié)構(gòu)參數(shù)不合理而產(chǎn)生的振動(dòng)大、可靠性差等亟待解決的問題。根據(jù)秸稈切割揉碎打捆機(jī)的工作要求，本文設(shè)計(jì)采用粉碎刀在刀軸上雙螺旋形式排布，通過研究切割揉碎裝置的粉碎刀的密度及其排列方式，利用Solid Works Simulation分析軟件對(duì)粉碎刀和刀軸進(jìn)行有限元分析，為合理設(shè)計(jì)打捆機(jī)切割揉碎部件提供理論依據(jù)。

1切割揉碎裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1結(jié)構(gòu)

切割揉碎裝置主要由齒輪箱、安全擋板、安全吊簾、揉碎室、滑掌、觀察口、連接板、吊桿連接座和切碎器等組成。該裝置適用于收集和粉碎水稻秸稈、玉米秸稈和小麥秸稈。

1.2工作原理

工作時(shí)，切割揉碎裝置中高速旋轉(zhuǎn)的切碎器對(duì)地面上站立的秸稈進(jìn)行砍切，并且在喂入口處負(fù)壓的作用下將其吸入揉碎室內(nèi)，在安裝在切碎器上的粉碎刀和安裝在揉碎室內(nèi)壁的定刀的共同作用下，多次被砍切、打擊、撕裂、揉搓成碎段和纖維狀，然后依靠粉碎刀旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，將揉碎的秸稈輸送到喂入裝置中進(jìn)行下一道作業(yè)工序。

2切碎器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)研究

2.1粉碎刀密度

切碎器的粉碎刀的數(shù)量是影響機(jī)器揉碎質(zhì)量、工作性能的重要因素之一。粉碎刀的數(shù)量并非越多越好，過多或過少都會(huì)使揉碎質(zhì)量及工作性能下降。因此，粉碎刀的數(shù)量有一個(gè)最佳值，即粉碎刀密度C，計(jì)算公式[2]如下：

式中：

C——粉碎刀密度，片/m

N——粉碎刀的總數(shù)量，片

L——粉碎刀在轉(zhuǎn)軸上分布的長度，m

對(duì)于Y型甩刀，C的通常取值范圍是20～40片/m[3]。秸稈切割揉碎打捆機(jī)的設(shè)計(jì)幅寬為2.2m，由公式（1）計(jì)算得刀片數(shù)N可取44～88片。

2.2 粉碎刀的排列方式

粉碎刀在刀軸上常見的排列方式有螺旋線排列、對(duì)稱排列和交錯(cuò)平衡排列。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)粉碎刀排列的研究，本機(jī)采用對(duì)稱螺旋線排列的方式。螺旋狀分布能夠使各組切刀依次切割秸稈，減少刀軸作業(yè)時(shí)的沖擊負(fù)載，同時(shí)大幅降低功耗，對(duì)稱螺旋線排列能使刀軸左右兩邊的負(fù)載比較均衡，減少由負(fù)載不平衡造成的刀軸軸承座損壞。

3 切碎器的仿真分析

3.1粉碎刀的有限元分析

基于Solid Works建立Y型甩刀的三維模型，刀片的材料為65Mn，故定義模型的材料屬性為：密度ρ=7.82×103kg/m3，彈性模量E=2.11×105MPa，泊松比，u=0.3。然后，對(duì)粉碎刀網(wǎng)格劃分。劃分完網(wǎng)格后，對(duì)粉碎刀施加約束條件和施加外力。對(duì)粉碎刀施加13.4N/mm的均布載荷，求解運(yùn)算。

粉碎刀的最大變形量為0.067mm。粉碎刀的最大應(yīng)力為20.7MPa，遠(yuǎn)小于材料的應(yīng)力屈服極限620MPa，粉碎刀具有足夠的強(qiáng)度支撐對(duì)秸稈的切削。

3.2 刀軸的模態(tài)分析

利用Solid Works Simulation對(duì)刀軸進(jìn)行模態(tài)分析，獲取其固有頻率，得到其臨界轉(zhuǎn)速，為合理地確定切碎器刀軸的轉(zhuǎn)速提供理論參考。

根據(jù)刀軸的材料設(shè)定材料屬性：密度ρ=7.85×103kg/m3，彈性模量E=2.07×105MPa，泊松比u=0.3。對(duì)刀軸施加約束條件，在左右軸端上施加軸承支撐和固定夾具，再添加重力和扭矩載荷，然后劃分網(wǎng)格，得到的有限元模型。經(jīng)過運(yùn)算求解，得到刀軸從一階到六階模態(tài)對(duì)應(yīng)的振型圖。

刀軸的固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速的關(guān)系公式[4]：

ni=60×ωi

式中：

ni——第i階的臨界轉(zhuǎn)速，r/min

ωi——第i階的固有頻率，Hz

本文切割揉碎裝置的切割轉(zhuǎn)速約為2000 r/min，遠(yuǎn)小于刀軸的臨界轉(zhuǎn)速，避免了共振現(xiàn)象的產(chǎn)生，而且刀具切割效果較好[5]。因此通過利用Solid Works Simulation對(duì)刀軸進(jìn)行模態(tài)分析，驗(yàn)證了切割揉碎裝置刀軸轉(zhuǎn)速選取的可行性。

4結(jié)論

通過利用Solid Works Simulation分別對(duì)粉碎刀和刀軸進(jìn)行有限元分析，獲得粉碎刀的最大應(yīng)力為20.7Mpa，遠(yuǎn)小于材料的應(yīng)力屈服極限620Mpa，可知粉碎刀具有足夠的強(qiáng)度支撐對(duì)秸稈的切削;刀軸實(shí)際工作中的轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于其最低臨界轉(zhuǎn)速，滿足實(shí)際工作的需求。

參考文獻(xiàn)

[1]楊莉，董忠義，王振華.自走式飼草收割打捆機(jī)[J].農(nóng)業(yè)工程，2015，5（3）：68～71.

[2]路世康.玉米秸稈粉碎還田機(jī)及氣吸式小麥精量播種機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[3]薄鴻明，林靜.玉米秸稈還田機(jī)的設(shè)計(jì)與參數(shù)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2016，（11）：99～103.

[4]潘德軍，張家?guī)?高速電主軸系統(tǒng)固有頻率與臨界轉(zhuǎn)速分析[J].軸承，2008，10：24～27.

[5]陳艷，王春耀，陳發(fā)等.棉稈粉碎還田機(jī)刀輥的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009，08：36～38.

中國機(jī)械工業(yè)集團(tuán)有限公司重大科技專項(xiàng)-糧食生產(chǎn)機(jī)械作業(yè)智能測(cè)控與大數(shù)據(jù)應(yīng)用-智能化秸稈收獲裝備研制

作者簡介：羅金海，高級(jí)工程師，主要從事農(nóng)牧業(yè)機(jī)械化工程方面的研究，E-mail：richard2008ljh@163.com