基于ANSYS的梳齿式采棉机锯齿滚筒有限元分析

窦赵明+陈发

摘要：为确定梳齿式采棉机关键部件的参数，优化其结构设计，分析采摘部件的结构及工作原理，建立采摘部件工作参数之间的数学模型，同时利用ANSYS有限元分析软件对锯齿滚筒进行结构静力分析。分析结果表明，锯齿滚筒的最大变形极小，能够满足实际工作需求。

关键词：采棉机；锯齿滚筒；工作原理；结构静力分析；应力

中图分类号：S225.91+1 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）01-0023-03

新疆多年来基本保持年种植棉花150 hm2，并以其先进的植棉技术和产业优势，在全国棉花主产区占有重要地位。我国的植棉业属劳动密集型产业，棉花生产率较低，除耕地、播种、中耕、喷药等田间作业使用机械外，其余作业仍以人工为主。解决这一突出问题的唯一途径是大力发展棉花生产机械化。梳齿式采棉机属于“一次性采棉机械”（俗称“统收机”），其采摘台加工制造相对简单，制作成本较低。同时，梳齿式采棉机不受棉花种植模式以及采摘路线的限制。2010年，新疆农业科学院农业机械化研究所与山东天鹅棉业股份有限公司联合研制的4MZ-3000梳齿型组合式采棉机，可一次性完成采摘和清花预处理两项作业。作业时，机具把棉株上的籽棉、枝叶、青玲、短果枝、玲壳等全部梳脱下来。当工作速度较高时，采摘喂入量大会使预清理装置产生“卡堵”现象，有可能对锯齿滚筒造成破坏。因此，对其锯齿滚筒进行结构静力分析，为优化其结构设计提供参考。

1 采摘台基本结构与工作原理

1.1 基本结构

梳齿式采棉机的采摘台由防拔辊、梳齿总成、链钯式输送器、悬挂架、拨棉辊、压棉筒、预清理装置、机架、举升油缸、气力输送装置等组成。其中，预清理装置包括锯齿滚筒和刷棉滚筒。防拔辊位于采收台底部前端，在作业过程中对棉株起扶持作用。梳齿总成位于采摘台最前端，梳齿以一定间距均匀排列，同时与地面成一定角度。链钯式输送器的作用是把采摘下来的棉花输送到预清理装置，其与梳齿总成工作段的斜面平行，且有一段间隙。拨棉辊位于链钯式输送器顶部，主要作用是将链钯式输送器输送的棉花拨落到预清理装置。压棉筒位于梳齿总成上方，主要作用是防止机具作业时将棉秆拔起，对梳齿、链钯式输送器以及预清理装置造成卡堵。举升油缸是控制采摘台高度的关键，便于采收及道路行驶。机架是整个采摘台的支撑，起到支撑的作用。采摘台的结构简图见图1。

1.2 工作原理

采摘台是梳齿式采棉机的重要组成部分，其工作性能的好坏直接影响整机的各项工作指标。采摘部件的工作状况取决于结构尺寸、形状、材料及棉株相互作用。采摘原理可以归纳为：采集—预清理—集棉，分别由不同的工作单元完成。梳齿型采棉机采摘台的工作过程如下：液压系统将采摘台升到适当的工作位置，采棉部件随着机具前进；梳齿部件倾斜设置，从斜向上方穿过棉株，每棵棉株被强制通过梳齿间的间隙；因为梳齿间隙比棉铃直径小，棉铃不能通过，因而被采摘下来；梳齿后端下方的防拔辊对棉株起扶持作用，同时施加一个向下的拉力，使不能通过间隙的棉铃脱离棉株；同时，链钯式输送器及拨棉辊互相配合，将采摘下来的棉花输送到后部的预清理装置，最终由气力输送装置输送至棉箱。

2 锯齿滚筒结构静力分析

按照锯齿滚筒（见图2）安装位置和工作时的受力情况，对其进行结构静力学分析。基于ANSYS有限元分析软件，通过导入实体模型、定义材料属性、划分网格、定义边界调节、求解，得出锯齿的应力应变情况。

2.1 建立模型

建立结构的有限元模型，使用ANSYS软件进行静力分析。有限元模型的建立是否正确、合理，直接影响分析结果的准确及可靠程度。因此，建立有限元模型时根据问题的特点，对需要划分的有限元网格粗细和分布情况进行大致规划，将锯齿滚筒上的部分锯齿作为研究对象。由于锯齿滚筒的实际模型相对比较复杂，为免繁杂而又不必要的计算，对模型进行简化。应用Solidworks 2013软件通过一系列操作建立锯齿滚筒上锯齿的三维实体模型，将模型另存为*x_t文件，然后导入ANSYS中。

2.2 定义材料属性

U型齿条高7 mm、宽14 mm、厚1 mm。其材料属性如下：Q235A钢，弹性模量E=2E11，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850。

2.3 划分网格

模型建立之后，进行网格划分，主要涉及以下4方面：1） 选择单元属性（单元类型、实常数、材料属性）；2） 设定网格尺寸控制（控制网格密度）；3） 网格划分前保存数据库；4） 执行网格划分。

按照一般原则，有限元三维模型的单元网格划分越细密，单元数越多，则有限元分析的结果越精确。但是，单元网格不能无限划分，受硬件条件的限制，如CPU主频、内存大小等。一般情况下，单元网格的数目能达到要求的准确度即可。选用十节点四面体实体结构单元Tet 10Node187单元对模型进行网格划分（见图3），不需要设定实常数。

2.4 定义边界条件

建立有限元模型后，需要定义分析类型和施加边界条件及载荷。当籽棉开始进入锯片时，锯齿会把尚未从棉籽上脱落的棉花纤维钩住，使其随着锯齿滚筒运动，处在锯齿之间凹口内的棉花纤维在摩擦力的作用下，开始从凹口脱离，凡是分布在与摩擦力作用方向成β角的BD线右方的所有棉花纤维都在凹口离开，只有在△BCD内的纤维可以保持不动（如图4所示）。将锯齿截面轮廓的参数代入，可得下列简式：

f=S△BCD=

-

（1）

-

=A=常数 （2）

经推导可得，锯齿的钩住能力随α值的变化而变化。

锯齿结构示意图如图4所示。拾取锯齿条底部的四条边线，选择ALL DOF作为约束自由度。由于卡堵现象较容易解决，所以在锯齿条两侧面分别施加30 N的极限载荷。

2.5 求解及后处理

进行求解及后处理Solution〉Solve>Current LS，查看分析结果 General postpro>plot results，分析结果如图5—8所示。

从图5—8可以看出，大应力应变主要发生在锯齿齿根部附近。最大受力变形为0.521E-09mm，变形极其微小。同时，在机具正常工作的情况下，不会超过锯齿材料的许用应力，可满足实际的使用要求。

3 结论

通过对锯齿滚筒模型进行有限元分析，确定该锯齿滚筒受载荷时的变形及应力情况。由于锯齿材料为弹性材料，其缓冲作用允许籽棉通过，故变形不明显，可满足设计要求。在三维软件中建立实体模型，可以对设计部件的材料及强度进行判断，修正设计中存在的不足及缺陷。对梳齿式采棉机锯齿滚筒进行结构静力分析研究，找出影响实际问题的理论依据，为机具的进一步改进提供理论参考。

摘要：为确定梳齿式采棉机关键部件的参数，优化其结构设计，分析采摘部件的结构及工作原理，建立采摘部件工作参数之间的数学模型，同时利用ANSYS有限元分析软件对锯齿滚筒进行结构静力分析。分析结果表明，锯齿滚筒的最大变形极小，能够满足实际工作需求。

关键词：采棉机；锯齿滚筒；工作原理；结构静力分析；应力

中图分类号：S225.91+1 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）01-0023-03

新疆多年来基本保持年种植棉花150 hm2，并以其先进的植棉技术和产业优势，在全国棉花主产区占有重要地位。我国的植棉业属劳动密集型产业，棉花生产率较低，除耕地、播种、中耕、喷药等田间作业使用机械外，其余作业仍以人工为主。解决这一突出问题的唯一途径是大力发展棉花生产机械化。梳齿式采棉机属于“一次性采棉机械”（俗称“统收机”），其采摘台加工制造相对简单，制作成本较低。同时，梳齿式采棉机不受棉花种植模式以及采摘路线的限制。2010年，新疆农业科学院农业机械化研究所与山东天鹅棉业股份有限公司联合研制的4MZ-3000梳齿型组合式采棉机，可一次性完成采摘和清花预处理两项作业。作业时，机具把棉株上的籽棉、枝叶、青玲、短果枝、玲壳等全部梳脱下来。当工作速度较高时，采摘喂入量大会使预清理装置产生“卡堵”现象，有可能对锯齿滚筒造成破坏。因此，对其锯齿滚筒进行结构静力分析，为优化其结构设计提供参考。

1 采摘台基本结构与工作原理

1.1 基本结构

梳齿式采棉机的采摘台由防拔辊、梳齿总成、链钯式输送器、悬挂架、拨棉辊、压棉筒、预清理装置、机架、举升油缸、气力输送装置等组成。其中，预清理装置包括锯齿滚筒和刷棉滚筒。防拔辊位于采收台底部前端，在作业过程中对棉株起扶持作用。梳齿总成位于采摘台最前端，梳齿以一定间距均匀排列，同时与地面成一定角度。链钯式输送器的作用是把采摘下来的棉花输送到预清理装置，其与梳齿总成工作段的斜面平行，且有一段间隙。拨棉辊位于链钯式输送器顶部，主要作用是将链钯式输送器输送的棉花拨落到预清理装置。压棉筒位于梳齿总成上方，主要作用是防止机具作业时将棉秆拔起，对梳齿、链钯式输送器以及预清理装置造成卡堵。举升油缸是控制采摘台高度的关键，便于采收及道路行驶。机架是整个采摘台的支撑，起到支撑的作用。采摘台的结构简图见图1。

1.2 工作原理

采摘台是梳齿式采棉机的重要组成部分，其工作性能的好坏直接影响整机的各项工作指标。采摘部件的工作状况取决于结构尺寸、形状、材料及棉株相互作用。采摘原理可以归纳为：采集—预清理—集棉，分别由不同的工作单元完成。梳齿型采棉机采摘台的工作过程如下：液压系统将采摘台升到适当的工作位置，采棉部件随着机具前进；梳齿部件倾斜设置，从斜向上方穿过棉株，每棵棉株被强制通过梳齿间的间隙；因为梳齿间隙比棉铃直径小，棉铃不能通过，因而被采摘下来；梳齿后端下方的防拔辊对棉株起扶持作用，同时施加一个向下的拉力，使不能通过间隙的棉铃脱离棉株；同时，链钯式输送器及拨棉辊互相配合，将采摘下来的棉花输送到后部的预清理装置，最终由气力输送装置输送至棉箱。

2 锯齿滚筒结构静力分析

按照锯齿滚筒（见图2）安装位置和工作时的受力情况，对其进行结构静力学分析。基于ANSYS有限元分析软件，通过导入实体模型、定义材料属性、划分网格、定义边界调节、求解，得出锯齿的应力应变情况。

2.1 建立模型

建立结构的有限元模型，使用ANSYS软件进行静力分析。有限元模型的建立是否正确、合理，直接影响分析结果的准确及可靠程度。因此，建立有限元模型时根据问题的特点，对需要划分的有限元网格粗细和分布情况进行大致规划，将锯齿滚筒上的部分锯齿作为研究对象。由于锯齿滚筒的实际模型相对比较复杂，为免繁杂而又不必要的计算，对模型进行简化。应用Solidworks 2013软件通过一系列操作建立锯齿滚筒上锯齿的三维实体模型，将模型另存为*x_t文件，然后导入ANSYS中。

2.2 定义材料属性

U型齿条高7 mm、宽14 mm、厚1 mm。其材料属性如下：Q235A钢，弹性模量E=2E11，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850。

2.3 划分网格

模型建立之后，进行网格划分，主要涉及以下4方面：1） 选择单元属性（单元类型、实常数、材料属性）；2） 设定网格尺寸控制（控制网格密度）；3） 网格划分前保存数据库；4） 执行网格划分。

按照一般原则，有限元三维模型的单元网格划分越细密，单元数越多，则有限元分析的结果越精确。但是，单元网格不能无限划分，受硬件条件的限制，如CPU主频、内存大小等。一般情况下，单元网格的数目能达到要求的准确度即可。选用十节点四面体实体结构单元Tet 10Node187单元对模型进行网格划分（见图3），不需要设定实常数。

2.4 定义边界条件

建立有限元模型后，需要定义分析类型和施加边界条件及载荷。当籽棉开始进入锯片时，锯齿会把尚未从棉籽上脱落的棉花纤维钩住，使其随着锯齿滚筒运动，处在锯齿之间凹口内的棉花纤维在摩擦力的作用下，开始从凹口脱离，凡是分布在与摩擦力作用方向成β角的BD线右方的所有棉花纤维都在凹口离开，只有在△BCD内的纤维可以保持不动（如图4所示）。将锯齿截面轮廓的参数代入，可得下列简式：

f=S△BCD=

-

（1）

-

=A=常数 （2）

经推导可得，锯齿的钩住能力随α值的变化而变化。

锯齿结构示意图如图4所示。拾取锯齿条底部的四条边线，选择ALL DOF作为约束自由度。由于卡堵现象较容易解决，所以在锯齿条两侧面分别施加30 N的极限载荷。

2.5 求解及后处理

进行求解及后处理Solution〉Solve>Current LS，查看分析结果 General postpro>plot results，分析结果如图5—8所示。

从图5—8可以看出，大应力应变主要发生在锯齿齿根部附近。最大受力变形为0.521E-09mm，变形极其微小。同时，在机具正常工作的情况下，不会超过锯齿材料的许用应力，可满足实际的使用要求。

3 结论

通过对锯齿滚筒模型进行有限元分析，确定该锯齿滚筒受载荷时的变形及应力情况。由于锯齿材料为弹性材料，其缓冲作用允许籽棉通过，故变形不明显，可满足设计要求。在三维软件中建立实体模型，可以对设计部件的材料及强度进行判断，修正设计中存在的不足及缺陷。对梳齿式采棉机锯齿滚筒进行结构静力分析研究，找出影响实际问题的理论依据，为机具的进一步改进提供理论参考。

摘要：为确定梳齿式采棉机关键部件的参数，优化其结构设计，分析采摘部件的结构及工作原理，建立采摘部件工作参数之间的数学模型，同时利用ANSYS有限元分析软件对锯齿滚筒进行结构静力分析。分析结果表明，锯齿滚筒的最大变形极小，能够满足实际工作需求。

关键词：采棉机；锯齿滚筒；工作原理；结构静力分析；应力

中图分类号：S225.91+1 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）01-0023-03

新疆多年来基本保持年种植棉花150 hm2，并以其先进的植棉技术和产业优势，在全国棉花主产区占有重要地位。我国的植棉业属劳动密集型产业，棉花生产率较低，除耕地、播种、中耕、喷药等田间作业使用机械外，其余作业仍以人工为主。解决这一突出问题的唯一途径是大力发展棉花生产机械化。梳齿式采棉机属于“一次性采棉机械”（俗称“统收机”），其采摘台加工制造相对简单，制作成本较低。同时，梳齿式采棉机不受棉花种植模式以及采摘路线的限制。2010年，新疆农业科学院农业机械化研究所与山东天鹅棉业股份有限公司联合研制的4MZ-3000梳齿型组合式采棉机，可一次性完成采摘和清花预处理两项作业。作业时，机具把棉株上的籽棉、枝叶、青玲、短果枝、玲壳等全部梳脱下来。当工作速度较高时，采摘喂入量大会使预清理装置产生“卡堵”现象，有可能对锯齿滚筒造成破坏。因此，对其锯齿滚筒进行结构静力分析，为优化其结构设计提供参考。

1 采摘台基本结构与工作原理

1.1 基本结构

梳齿式采棉机的采摘台由防拔辊、梳齿总成、链钯式输送器、悬挂架、拨棉辊、压棉筒、预清理装置、机架、举升油缸、气力输送装置等组成。其中，预清理装置包括锯齿滚筒和刷棉滚筒。防拔辊位于采收台底部前端，在作业过程中对棉株起扶持作用。梳齿总成位于采摘台最前端，梳齿以一定间距均匀排列，同时与地面成一定角度。链钯式输送器的作用是把采摘下来的棉花输送到预清理装置，其与梳齿总成工作段的斜面平行，且有一段间隙。拨棉辊位于链钯式输送器顶部，主要作用是将链钯式输送器输送的棉花拨落到预清理装置。压棉筒位于梳齿总成上方，主要作用是防止机具作业时将棉秆拔起，对梳齿、链钯式输送器以及预清理装置造成卡堵。举升油缸是控制采摘台高度的关键，便于采收及道路行驶。机架是整个采摘台的支撑，起到支撑的作用。采摘台的结构简图见图1。

1.2 工作原理

采摘台是梳齿式采棉机的重要组成部分，其工作性能的好坏直接影响整机的各项工作指标。采摘部件的工作状况取决于结构尺寸、形状、材料及棉株相互作用。采摘原理可以归纳为：采集—预清理—集棉，分别由不同的工作单元完成。梳齿型采棉机采摘台的工作过程如下：液压系统将采摘台升到适当的工作位置，采棉部件随着机具前进；梳齿部件倾斜设置，从斜向上方穿过棉株，每棵棉株被强制通过梳齿间的间隙；因为梳齿间隙比棉铃直径小，棉铃不能通过，因而被采摘下来；梳齿后端下方的防拔辊对棉株起扶持作用，同时施加一个向下的拉力，使不能通过间隙的棉铃脱离棉株；同时，链钯式输送器及拨棉辊互相配合，将采摘下来的棉花输送到后部的预清理装置，最终由气力输送装置输送至棉箱。

2 锯齿滚筒结构静力分析

按照锯齿滚筒（见图2）安装位置和工作时的受力情况，对其进行结构静力学分析。基于ANSYS有限元分析软件，通过导入实体模型、定义材料属性、划分网格、定义边界调节、求解，得出锯齿的应力应变情况。

2.1 建立模型

建立结构的有限元模型，使用ANSYS软件进行静力分析。有限元模型的建立是否正确、合理，直接影响分析结果的准确及可靠程度。因此，建立有限元模型时根据问题的特点，对需要划分的有限元网格粗细和分布情况进行大致规划，将锯齿滚筒上的部分锯齿作为研究对象。由于锯齿滚筒的实际模型相对比较复杂，为免繁杂而又不必要的计算，对模型进行简化。应用Solidworks 2013软件通过一系列操作建立锯齿滚筒上锯齿的三维实体模型，将模型另存为*x_t文件，然后导入ANSYS中。

2.2 定义材料属性

U型齿条高7 mm、宽14 mm、厚1 mm。其材料属性如下：Q235A钢，弹性模量E=2E11，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850。

2.3 划分网格

模型建立之后，进行网格划分，主要涉及以下4方面：1） 选择单元属性（单元类型、实常数、材料属性）；2） 设定网格尺寸控制（控制网格密度）；3） 网格划分前保存数据库；4） 执行网格划分。

按照一般原则，有限元三维模型的单元网格划分越细密，单元数越多，则有限元分析的结果越精确。但是，单元网格不能无限划分，受硬件条件的限制，如CPU主频、内存大小等。一般情况下，单元网格的数目能达到要求的准确度即可。选用十节点四面体实体结构单元Tet 10Node187单元对模型进行网格划分（见图3），不需要设定实常数。

2.4 定义边界条件

建立有限元模型后，需要定义分析类型和施加边界条件及载荷。当籽棉开始进入锯片时，锯齿会把尚未从棉籽上脱落的棉花纤维钩住，使其随着锯齿滚筒运动，处在锯齿之间凹口内的棉花纤维在摩擦力的作用下，开始从凹口脱离，凡是分布在与摩擦力作用方向成β角的BD线右方的所有棉花纤维都在凹口离开，只有在△BCD内的纤维可以保持不动（如图4所示）。将锯齿截面轮廓的参数代入，可得下列简式：

f=S△BCD=

-

（1）

-

=A=常数 （2）

经推导可得，锯齿的钩住能力随α值的变化而变化。

锯齿结构示意图如图4所示。拾取锯齿条底部的四条边线，选择ALL DOF作为约束自由度。由于卡堵现象较容易解决，所以在锯齿条两侧面分别施加30 N的极限载荷。

2.5 求解及后处理

进行求解及后处理Solution〉Solve>Current LS，查看分析结果 General postpro>plot results，分析结果如图5—8所示。

从图5—8可以看出，大应力应变主要发生在锯齿齿根部附近。最大受力变形为0.521E-09mm，变形极其微小。同时，在机具正常工作的情况下，不会超过锯齿材料的许用应力，可满足实际的使用要求。

3 结论

通过对锯齿滚筒模型进行有限元分析，确定该锯齿滚筒受载荷时的变形及应力情况。由于锯齿材料为弹性材料，其缓冲作用允许籽棉通过，故变形不明显，可满足设计要求。在三维软件中建立实体模型，可以对设计部件的材料及强度进行判断，修正设计中存在的不足及缺陷。对梳齿式采棉机锯齿滚筒进行结构静力分析研究，找出影响实际问题的理论依据，为机具的进一步改进提供理论参考。