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浅谈铣削式割灌机切割刀具的设计和优化工作参数

2020-04-05 152 上传者：管理员

摘要：文章主要对一种基于液压式马达驱动的铣削式割灌刀具的设计和对其工作参数进行优化进行介绍。通过SolidWorks建立铣削式割灌机切割刀具三维模型，运用Abaqus软件对刀具割灌过程进行仿真分析，使用正交试验的方法，以切割刀具切割沙柳时的切割力为试验指标，以矩形刀片的厚度、刀片刃角和刀片转速为试验因素，发现切割刀具在切割过程中影响受力的显著原因，尽而确定矩形刀片最优作业参数组合。依照仿真试验结果，当刀辊转速为5500r/min、矩形刀片厚度为4mm、刃角为35°时，刀具的工作状态最佳，基本符合灌木平茬复壮的要求。

关键词：
ABAQUS
参数优化
正交试验
沙柳切割
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我国西部地区有着丰富的沙生灌木资源，柠条、沙柳等沙生灌木是我国西部地区防沙治沙，改良沙化草原的重要树种。全国沙生灌木栽植面积已达986万hm2。根据沙生灌木的生长特性，每3~5年需平茬复壮一次，如不及时平茬灌木就会自然枯死[1]。平茬是灌木平茬复壮作业的重要环节，灌木第二年的生长情况直接受平茬断面好坏的影响。然而，在实际的平茬作业中，由于工作参数选择不合理，导致平茬后沙柳的恢复效果大大降低。现阶段对灌木平茬机工作参数的研究大多采用田间试验的方法[2]，而采用数值模拟的方法能够避免由于季节、天气以及现场试验工作量的限制，从而得到更好的优化结果。本文基于数值模拟对灌丛平茬机的工作参数进行优化，为实际平茬作业提供了依据，具有重要的理论意义和实用价值。本文设计的铣削式灌木平茬机采用液压履带自走式底盘，建立了切割柠条的有限元模型，并利用ABAQUS软件对沙柳的切割过程进行模拟，得到在切削过程中刀具的受力。最后，分析了矩形刀片的刃角、刀片厚度和转速对刀具受力的影响，并通过三因素实验法给出了最优刃角、刀片厚度和转速的组合。

1、割灌刀具结构及工作过程

割灌机的割灌作业由切割器的旋转和前进复合运动实现[3]，工作头斜视图如图1所示。工作头主要由机架、传动装置、变速箱和刀辊四部分组成。其中，机架为可伸缩式液压臂，与刀架通过连接板固结；传动装置为传动效率较高的齿轮传动；刀辊由刀辊轴、刀辊轴轴套、矩形刀片刀座、矩形刀片（9把）等组成。

图1 工作头斜视图

割灌机工作时，由液力驱动橡胶履带底盘实现牵引，动力通过液力驱动橡胶履带底盘上的液压泵及与之相连的液压管道，传送到液压马达，液压马达将动力传递到变速箱输入轴，经过齿轮传动传递到刀辊轴，刀辊轴开始工作。刀辊轴和刀辊轴套通过螺栓传递扭矩，刀辊轴套上的矩形刀片进行割灌，随着液压臂的进给运动完成割灌作业。

2、关键部件设计

2.1 刀辊设计

刀辊是机器切割灌木的主要核心部件，刀辊的整体布局对机器的影响较大。设计的割灌机采用铣削式切割方式，刀具切割灌木的切削力通过刀辊传递，刀辊通过液压马达和变速箱驱动，经过变速箱提速后具有较高的转速。铣削式刀辊是切割机构的重要部件，刀辊的切割面积应尽量大，但整机尺寸过大会导致功率消耗增加，因此对刀辊的长度有一定限制。通过在宁夏吴忠市盐池县花马池镇林场调研发现，对柠条进行即时平茬，柠条根部每个树丛的分布直径一般不超过800mm。根据实际切割条件，取刀辊的长度L=825mm、刀辊直径D=117mm、矩形刀片厚度d=4mm、长度l=200mm。刀片材料选用高碳钢，其斜视图如图2所示，9个刀片及其刀座在刀辊轴套上均匀排布。

图2 刀辊斜视图

2.2 变速箱设计

变速箱为基础传动机构，设计变速箱主要在液压马达与刀辊轴之间起动力传递的作用。其主要结构包括传动轴、齿轮、轴承、箱体，变速箱三维模型如图3所示。液压马达输出轴与变速箱输入轴之间采用键连接，齿轮通过键与轴相连驱动刀辊高速旋转。箱体内部传动采用标准直齿圆柱齿轮，传动比为1∶2。由于变速箱输入轴转速较高，所以对传动的平稳性和冲击振动有较高要求，参照机械设计手册，选用齿轮的模数m=2，压力角α=20°，其中小齿轮齿数z1=z2=32，材料为40Cr，调质处理，硬度为270HBS。大齿轮齿数z3=64，材料为45号钢，调质处理，硬度为230HBS。针对闭式齿轮传动的主要失效形式，对齿轮进行强度和刚度校核，均满足使用要求。

图3 变速箱三维模型

2.3 刀辊安装架设计

刀辊安装架如图4所示，通过伸缩臂连接板将割灌刀具主体与液压伸缩臂连接。

图4 刀辊安装架

3、割灌机切割沙柳过程的仿真模拟

3.1 沙柳模型简化

在切割沙柳过程中，矩形刀片的受力是一个非常复杂的过程，对这个过程的分析需要全面地考虑各种因素。为了更好地进行有限元分析，需要对实际沙柳的切割模型进行适当简化。

（1）根据沙柳材在沙漠中的生长情况与外形特点，将沙柳的几何形状简化为直径30mm的圆柱；把沙土对沙柳的约束视为一悬臂梁约束，且沙柳轴心线垂直于地面，重力作用线与轴心重合。

（2）考虑割灌机的实际工作状态，刀片工作时切割沙柳过程中同时切割沙柳数量最多时刀片切削力最大。

（3）假设转子铣刀切断沙柳过程中始终处于同一平面内，忽略沙柳在切割过程中振动对刀具工作的影响[4]。

（4）根据上面所述平茬机的工作原理及考虑到切削过程仿真分析的计算速率，本文将模型简化为单个矩形刀片回转切削沙柳的分析模型。

3.2 切削三维模型建立

（1）建立模型与导入。用SolidWorks软件对沙柳和刀片进行三维模型的建立，然后将建立好的模型导入到Abaqus中进行仿真。由于Abaqus适于瞬时冲击过程的数值模拟计算，仿真时间一般比较短，因此建立的矩形刀片与茎秆的距离不能太大，即几乎要接触为好，以降低切割仿真数值模拟过程的计算量。在实际割灌过程中，刀具以一定初始角度开始对沙柳进行切割。对于沙生灌木，平茬的高度一般在50mm左右。根据割灌刀头尺寸和沙柳模型的相对位置，由CAD作图得出矩形刀片与沙柳模型的装配关系，刀具刃角与沙柳材的径向夹角为43.79°，如图5所示。

图5 矩形刀片切割沙柳的初始角度

（2）设置材料属性。沙柳为正交各向异性材料，其12个弹性参数见表1。切割器以实验室自主设计的自走式灌木平茬收割机的铣削式矩形刀片为原型，其主要参数见表2[5]。

表1 沙柳材属性

表2 刀具材料属性

（3）划分网格。对建立的三维模型进行网格划分，刀具切割沙柳属于大应变大位移。在Abaqus中，采用六面体减缩积分单元（C3D8R）进行网格的划分。划分网格后的模型有单元87864个，节点94162个，刀片切割沙柳三维模型网格划分如图6所示。

图6 刀片切割沙柳三维模型网格划分

（4）定义相互作用。定义接触形式为表面与表面接触，作用属性为运动接触有限滑移。拾取沙柳表面为主控平面，刀刃中点（切削面上的节点）为从属平面。

（5）施加载荷及边界条件。根据实际工作情况，为刀具施加初始转速和平动速度。以刀具回转中心为对象创建节点，并对其施加位移和转速。本次仿真，刀具绕导辊转轴的转速为628rad/s，由于沙柳直径较小，为得到刀具切割沙柳过程的完整信息，水平进给速度不能设置过大，综合考虑沙柳直径和刀辊转速，矩形刀片进给速度为3m/s。

（6）设置其他参数。根据仿真要求设合适的时间长度、线性体积黏性参数、二次线性体积黏性参数、输出变量类型等[7]。

（7）对沙柳模型进行仿真切削[8]，如图7所示。

图7 沙柳仿真切削结果

4、切削参数优化

4.1 切削参数的三因素试验

切削力的大小直接影响矩形刀片铣削沙柳的效果。现通过改变矩形刀片的切削参数，在Abaqus软件中仿真计算求出切削力大小，并与现有切削参数进行对比，寻求最佳参数组合。对于切削速度的选择，目前国内灌木收割机械使用的液压马达最高转速在3000r/min左右波动，国外灌木收割机械使用的切削速度相较于国内数值较高。但相对而言，机器的高转速对整机的动力装置、传动装置及锯片材质也会有较高的要求，同时噪声、振动问题也是一大难点[9－10]。根据现有条件，本次试验采用的割灌机选用美国派克公司生产的GM51E13S－20液压马达，其额定转速为3000r/min。液压马达转轴与刀辊转轴之间的传动采用齿轮传动，其传动比i=1/2。考虑到灌木平茬的实际要求，本次试验选取切削速度为5000、5500、6000r/min3个水平，记为因素A；刀片刃角30°、35°、40°3个水平，记为因素B；刀片的厚度为3mm、4mm、5mm3个水平，记为因素C。采用三因素实验法，以切削力F∑为试验指标，以1、2、3分别代表试验因素水平。为判定切削参数对切削力影响的主次关系，对模拟出的实验数据进行方差分析。切削参数在同一水平的总和记为Ki（i=1，2，3），极差R=max（Ki）-min（Ki），极差R的数值越大，表明该参数对切削力数值影响越大。因子水平见表3、试验安排与结果见表4、切削力与功耗方差分析见表5。

表3 因子水平

表4 试验安排与结果

表5 切削力与功耗方差分析

4.2 优化结果分析

表5中，刀具转速FA=159.5>F0.95（2，2）=19.00，可知在显著水平α=0.05的情况下，刀具转速对切削力有显著影响；由FB=57.69>F0.90（2，2）=9可知，在显著性水平α=0.01的情况下，刀具转速对切削力有显著影响。从P值来看（0.0060.35>0.07），3个因素对切削力影响的主次顺序依次为：刀具转速、刀片刃角和刀片厚度。根据仿真分析结果，做出刀具转速和刀片刃角对切削力的趋势图，如图8、图9所示。

图8 刀片转速对切削力的影响曲线

图9 刀片刃角对切削力的影响曲线

4.2.1 刀具转速选择。通过切削速度对切削合力的影响趋势图可以看出，随着切削速度的增大，切削力随之减小，但影响并不大，基本呈线性。从理论上看，加工效率不会受到切削速度的影响。切削速度大会使切削力降低，单位时间切削沙柳数量增多，增大切削效率；但切削速度增大使刀具磨损加快，更换刀具次数也增多，从而使切削效率降下来。因此，综合考虑切削效率以及刀具的磨损，选择切削速度5500r/min这一水平。

4.2.2刀具刃角选择。由图9可以看出，随着矩形刀片刃角的增加，切削力随之增大。观察曲线的增长趋势，刀片刃角与切削力的关系在刃角35°线段附近发生明显转折。选择30°点作为刀片刃角，虽然切削力数值最小，但其切削力也小，切削效率不高。选择40°作为刀片刃角，切削力太大，造成锯片的严重磨损，影响刀具寿命。因此，为了保证切削效率，刀具刃角应该选择在B点35°这一水平。综合考虑刀具切削力以及刀具磨损情况，各因素水平最优组合为A2B2C2，即刀具转速5500r/min、刀片厚度4mm及刃角35°。

5、结论

（1）设计了液压马达驱动铣削式割灌机，其主要工作部件包括变速箱、刀辊、安装架等，完成了三维模型的建立，并确定了满足灌木平茬要求的主要尺寸。

（2）建立了铣削式割灌机切割沙柳的有限元分析模型，运用Abaqus对矩形刀片铣削沙柳的过程进行了切削仿真分析，并以矩形刀片的刀片转速、刃角以及厚度为试验因素，以切削力为试验指标，通过仿真得出的切削力数据进行正交试验，最后得出矩形刀片作业参数的最优组合为A2B2C2，即刀具转速为5500r/min、刀片厚度为4mm及刀具刃角为35°。

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