红花切割刀具楔角有限元分析及刀具结构设计
2016-12-21 来源：石河子大学机械电气工程学院 作者：马保建，葛云，魏盼龙，谷家伟
摘要：在红花花丝采收过程中，切割刀具在红花采收装置中具有重要作用，并且红花花丝的切割是一个复杂的力学过程，国内外对红花花丝采收刀具的相关参数研究较少。为得到合理的红花花丝刀具结构参数，通过建立红花花丝在切割时的受力模型，针对刀具的受力情况以及为减小其在切割时的滑切力，选择合理的刀具形状、刀具材料，并构造出刀具楔角角度为(10。、15。、20。、25。、30。、35。)的刀具三维模型，建立刀具切割红花时的装配模型，并对它们进行有限元分析，比较刀具不同楔角角度的变形、剪应力情况，确定最优的刀具楔角角度。通过实验确定刀具转速，验证理论的正确性，最后得到切割刀具具体结构参数，为以后类似作物的采收装置刀具设计，提供一些理论依据。
关键词：红花丝；刀具结构；楔角；有限元分析
0.引言
红花为菊科属一年生草本植物，别名草红花，是一种油、药、天然色素、染料兼用的经济作物[1]。新疆红花占全国红花种植面积总产量的80％左右[2]。由于红花独特的物理性状，并且红花花丝采摘具有季节性强、劳动强度大、不易采摘等特点，导致目前还没有研制出成熟的机械采收装置，大部分还是依靠人工采收，影响了红花花丝的采收效率，限制了新疆红花种植业的发展。因此，红花花丝的机械化采收是势在必行的。切割刀具是红花花丝采收装置的核心部件，其结构参数的合理性直接影响到红花花丝的采收率。目前对红花花丝切割刀具的研究比较少，因此，针对红花的植株特性，设计红花花丝采收装置的刀具结构，对实现红花花丝机械化采收具有重要意义。
1.红花模型刀具切割时的理论分析
红花花丝的切割过程如图1所示，刀具以一定的速度V运动，接触到红花时产生切割力P，以及红花茎杆产生的惯性力P。和反弹力P。。为使刀具切割可靠，应使红花茎杆惯性力与茎杆反弹力之和大于或等于刀具切割力即：Pt≤Pa+Pb。若将红花茎杆视为一端固定的悬臂梁，根据力学分析可知，为增大花丝茎杆的惯性力和反弹力作用，应尽量提高切割速度，所以红花花丝的采收装置采用较高的切割速度，并且切割速度是由红花花丝采收装置决定的，它与红花的力学性能有关[3]。因此，切割速度的不合理可能使切割的花丝质量下降，也可能出现花丝割茬不整齐、少割、漏割，以及增加红花果球的破损率等问题。所以合理的切割速度在红花花丝切割过程中很重要切割速度的合理区间右通过实验的方法验证。
2.刀具形状的选择
安装在刀盘上的刀具是切割红花花丝的关键部件，在刀具切割的时候需要满足四个基本条件，即坚韧、耐磨、锋利、形状的合理性[4]。刀具的切割方式主要是刀具进入材料的方向决定的，归纳起来主要有砍切和滑切两种基本方式。把红花模型切割部位抽象成圆柱形状，分析不同刀具形状在切割时的受力情况。现在使用的刀具形状有矩形、梯形和月牙形三种。目前使用前两种刀具形状最为广泛，现对三种形状刀具进行受力分析，如图2所示。
由三种不同形状刀具受力分析可知，矩形刀具在切割红花花丝时的作用力垂直过外露在红花果球外花丝簇的中心，在刀刃上没有分力，是砍切式切割即切割方向与刃口法线重合，其作用力最大，在速度较快的时候切割红花花丝的质量比较好；梯形和月牙形刀具在切割时产生很大的滑切力。因红花结构的物理特性，在切割的过程中刀具不需要滑切力而需要较大的砍切力，因此采用矩形形状的刀具。
3.刀具切割时不同刀具楔角有限元分析
刀具楔角的大小不仅影响切割时的阻力，同时也影响刀具的强度和磨损程度[5]。合理的刀具楔角是提高刀具切割性能的关键之一。刀具楔角的大小可以通过对红花花丝切割模型的有限元分析[6]得出。通过查阅相关文献E73，选择6种合理的刀具楔角角度(10。、15。、20。、25。、30。、35。)进行仿真，分析在刀具切割红花花丝最大半径时(红花丝簇简化为实体)刀具的变形大小、剪应力口3大小，对比几组数据，选择刀具变形、剪应力较小时的刀具楔角角度。
在对刀具楔角进行有限元仿真分析时，设定刀具长度为80mm，刃长为40mm，材料为45钢，取刀具楔角分别为10。、15。、20。、25。、30。、35。。通过分析比较不同楔角刀具的变形、剪应力的大小，得出变形、剪应力较小的刀具楔角，由此设定刀具具体参数。根据有限元分析可得刀具剪应力和变形大小见表1。
表1 不同楔角的刀具对应的剪应力和变形
4.不同材料刀具对应的剪应力和变形
用同样的方法对不锈钢(9crl8)、工程塑料(聚氯乙烯和尼龙)、橡胶(天然橡胶)的楔角为20。的刀具进行有限元分析，其剪应力和变形如表2所示。由表2可见，相同刀具楔角不同刀具材料情况下，45钢刀具比其他材料刀具的剪应力和变形小，能很好地延长刀具使用寿命。
表2不同材料刀具对应的剪应力和变形
5.实验验证
从图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选择对红花花丝采净率的影响。
通过切割实验时我们发现，刀具转速在1 100r／min左右，花丝残留根数明显减少，果球损伤面积明显下降。因此，刀具切割的转速设定为1 100r／rain左右。不同材料刀具切割质量如表3所示。
表3 1 lOOr／min不同材料刀片切割质量
6.小结
本文从刀具切割红花花丝的力学理论分析，刀具形状的选择，以及刀具在切割时刀具楔角的有限元分析，分析得出刀具变形、剪应力的大小，通过实验验证切割时刀具转速合理区间，以及刀具材料对采净率的影响，最终确立刀具合理的参数组合，完成红花花丝切割装置系统设计的一部分，刀具的设计为切割系统研究提供了一些理论基础，为以后类似作物的采收提供了一些借鉴。
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