锯齿形双圆盘切割器切割原理分析与仿真

锯齿形双圆盘切割器切割原理分析与仿真
杨海;周海波;冯小川;王俊发
【摘要】以锯齿形双圆盘切割器作为研究对象,分析研究了圆盘刀滑动切割的工作原理,建立了影响切割效率的参数模型,从切割稳定性和效率角度,确定了合理的线性切割角度范围;仿真分析了圆盘刀切割运动轨迹变化规律,给出圆盘式切割器的合理转动速度;同时,对圆盘刀进行了模态分析,明确了圆盘刀的固有频率和各阶模态,为实际工作避开扭转振动状态提供设计依据.研究结果表明,保证了锯齿形双圆盘切割器设计的合理性和可靠性,解决了甜高粱果穗和茎秆的高效切割技术问题,为高秆植株作物茎穗联合收获技术研究提供参考依据.
【期刊名称】《农机化研究》
【年(卷),期】2011(033)009
【总页数】4页(P23-26)
【关键词】圆盘刀;运动轨迹;模态分析;甜高粱
【作者】杨海;周海波;冯小川;王俊发
【作者单位】佳木斯大学机械工程学院,黑龙江佳木斯 154007;佳木斯大学机械工程学院,黑龙江佳木斯 154007;洛阳中收机械装备有限公司,河南洛阳 471003;佳木斯大学机械工程学院,黑龙江佳木斯 154007
【正文语种】中文
【中图分类】S2.25.5+2
0 引言
在世界矿产资源愈来愈匮乏的情况下，生物质能源的研究和开发日益紧迫。

以甜高粱为代表的新型再生作物能源对未来能源的贡献将日显重要。

随着甜高粱在我国种植规模的快速扩大，收获日益成为甜高粱广泛开发利用的关键工艺。

甜高粱植株高大、秆茎粗而脆，目前研究主要集中在甜高粱饲料化、能源化利用的收获工艺技术上。

应重点突破高秆植株顶部果穗切断、茎秆扶禾切割、高效切断、铺条、集装及动力匹配技术[1]。

为开发甜高粱茎穗兼收的机械化工艺，研制甜高粱联合收割机械，锯齿形双圆盘切割器是甜高粱等高秆植株作物收获机的关键部件之一。

工作在恶劣环境条件下高速运转的双圆盘切割器会承受很大的冲击载荷，并产生受迫振动，从而影响切割质量与收获效率。

如何设定合理的转速、切割角度和振动模态对锯齿形圆盘刀设计尤为重要。

本文对锯齿形双圆盘切割器进行滑动切割原理分析以及结构工作参数仿真，找出最佳的参数匹配，可达到减少甜高粱收割机动力消耗和提高切割质量的目的，为实际设计工作提供依据。

研究成果将对降低甜高粱收获机的动力消耗和提高甜高粱的收获效率具有重要意义，也将拓展应用于其它高秆植物的收获技术中。

1 切割原理
双圆盘锯齿形切割器是甜高粱等高秆植株作物收获机的关键部件之一。

在收获作业时，双圆盘切割器由彼此压紧的上下两片刀盘组合而成，并且高速旋转[2-3]。

机
器前进的过程中，双圆盘刀为有支撑回转切割器。

茎秆受力状况如图1所示。

图1 茎秆受状况Fig.1 Analysis of supporting principle
茎秆受到刀盘作用于茎秆的摩擦力F和作用于茎秆的法向反力N两个力[4]，以茎秆中心点为坐标原点建立坐标系。

在机器作业时，甜高粱茎秆被刀盘滑动切割，为
保证茎杆沿着B-B线的轨迹，向刀盘旋转方向倒伏，刀盘工作过程中茎秆所受的两个力F和N在B-B线的分力应为
F·cosβ>N·sinβ
(1)
F=μ·N
(2)
把式(2)代入式(1)
μ·N·cosβ>N·sinβμ>tanβ
(3)
式中 N—切割点作用于茎秆的法向反力；
F—切割点作用于茎秆的摩擦力；
β—钳住角；
μ—刀齿与茎秆间的接触摩擦力。

机器前进过程中茎秆的受力状况如图2所示。

茎秆中心点的运动轨迹为C-C，通过轨迹曲线建立切线为B-B，过切割点作切割线L-L，法线为A-A。

图2 前进中茎秆的受力Fig.2 Analysis of slip cutting angle
建立运动方程如下：
切割点的位移方程为
(4)
式中 Vx—切割点移动x轴方向距离；
Vy—切割点移动y轴方向距离；
t—时间；
ωt—相位角；
R—刀盘半径；
Vm—机器前进速度。

切割点的绝对速度方程为
(5)
式中 V—绝对速度；
θ—相位角ωt。

由图2所示，按照余弦定理推得
(6)
由式(5)、式(6)联立得
(7)
(8)
∠PCF=ε-ωt
(9)
由图2受力分析可以有
Vrcosε+Vmsin∠PCF=Vcosα(10)
Vrsinε-Vmcos∠PCF=Vsinα(11)
(12)
将式(7)～式(12)联立求得
(13)
式中 Vr—角速度；
α—滑切角；
ε—曲线上任一点切线与径点极径的夹角。

取刀盘半径为180mm，θ=30o,ε=60o，机器前进速度为2m/s，代入式(13)，利用Matlab软件做出α和β的仿真拟合曲线，如图3所示。

图3 滑切角α与钳住角β的仿真曲线Fig.3 Simulate curve of slip cutting angleαand vising angleβ
从切割稳定性和效率角度看，当滑切角α与钳住角β函数成线性变化时是合理的切割角度[3]。

从图3的仿真分析结果可以看出，当β在0～π/4区间时函数成线性变化规律，为滑切角与钳住角合理的切割角度选择范围。

2 切割速度分析
切割器工作时刀盘高速旋转，无论是田间作业还是室内物理试验都无法观察刀片的动态切割过程，动态仿真可以反映刀片运动的复杂过程 [5-6]。

因此，应用Pro/E 软件的机构运动分析功能，对圆盘刀切割过程进行轨迹仿真。

选定一齿韧上的齿根和齿尖两点进行轨迹仿真，根据钳住角α与滑切角β的合理范围，选择合适的切割转动速度。

以试验使用的甜高粱收获机切割器的实际结构参数：刀盘半径
180mm,刀盘厚度6mm,机器前进速度设定为2m/s，得到轨迹分析如图4所示。

图4 刀盘上双点运动轨迹仿真图Fig.4 Simulation of double points movement locus
模拟刀盘运动轨迹分析，绘制出不同刀盘转速条件下的切割图。

从图4(a)中可以看出，空白区域过大，刀具切割间歇太大，较多茎秆处于倾斜切割状态。

从图
4(b)、图4(c)结果显示轨迹清晰，轨迹点运动合理，茎秆倾斜量较小。

图4(d)结果显示轨迹运动不规则性，影响茎秆的切割稳定性。

仿真结果表明，锯齿形圆盘刀旋转的合理转动速度应为300～400r/min。

3 刀盘的模态分析
模态分析是结构动力学分析的一种分析类型，可以仿真分析圆盘刀的固有频率和各阶模态振型，提高切割器的刚度，使切割器刀盘的低阶固有频率避开工作时的激振频率[7-11]。

圆盘刀材料选择高硬度合金工具钢9SiCr，弹性模量E=206GPa，泊松比u=0.3，密度ρ=7 850kg/m3。

利用Ansys软件对圆盘刀进行模态分析，如图5所示。

由以上4种模态振动结果来看，图5(a)振动为扭转振动，图5(b)、图5(c)为工作平面振动，图5(d)为工作平面的挤压变形振动。

由图5可以看出圆盘刀一阶固有频率避开了扭振时的激振频率，因此现有的圆盘刀结构可用于物理样机的使用。

图5 圆盘刀各阶模态Fig.5 Disk cutter’s various steps modal
4 结论
1)对锯齿形双圆盘切割器的切割原理进行了分析，建立了影响切割效率的主要参数滑切角α与钳住角β二者间的数学模型；从切割稳定性角度，确定了β在0～π/4区间时为合理的线性切割角度选取范围。

2)利用Pro/E的机构运动分析功能，仿真分析了圆盘刀锯齿上一齿韧的齿根和齿尖两点的切割运动轨迹与圆盘刀转动速度的变化规律。

为达到良好的切割效果，给出了圆盘刀合理转动速度范围为300～400r/min。

3)利用Ansys的模态分析功能，对锯齿形双圆盘刀进行了模态分析，明确了圆盘刀的固有频率和各阶模态，为实际工作避开扭转振动状态提供了设计依据。

【相关文献】
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