整体式圆锯片的设计与有限元分析

刘金南

（江阴职业技术学院 机电工程系，江苏 江阴 214405）

整体式圆锯片的设计与有限元分析

刘金南

（江阴职业技术学院 机电工程系，江苏 江阴 214405）

针对沙生灌木切割时存在的变形、振动等问题，设计并建立了整体式圆锯片的有限元模型，采用ANSYS软件对其进行静力分析和模态分析，得到圆锯片在转速1910r/min下的应力、变形分布云图以及前4阶固有频率和振型。分析表明：圆锯片最大变形为4.0210-2mm，相对结构尺寸可忽略，工作应力最大为11.313MPa，远小于材料的屈服极限785MPa；最低固有频率为299.2Hz，远高于圆锯片的转动角频率，其工作稳定可靠，具有良好的动态特性。

沙生灌木；圆锯片；有限元分析；固有频率

1 圆锯片结构设计

在切割沙生灌木过程中，圆锯片的厚度越小，切割灌木生成的断面越光滑，但对于直径大的锯片，切割时锯片容易产生形变，甚至断裂。实际采用增大夹盘直径和厚度的方法来弥补，但是锯片下方的夹盘会对沙生灌木断面产生摩擦及挤压造成破坏，不利于灌木的来年生长，文章设计了一种整体式圆锯片，不需要夹盘来提高其稳定性，其结构如图1所示。

图1 圆锯片结构图

圆锯片的材料为65Mn弹簧钢，圆锯片与液压马达主轴通过键连接，选用YM-A32B型液压马达，转速初步设定为1910r/min，工作时相当于只有锯片边缘对灌木进行接触切割，减少了对灌木断面的挤压与摩擦，有利于灌木的来年发芽，因而有效提高了锯片的性能。

2 圆锯片主要参数计算

（1）基体设计。根据灌木种植要求，采用双圆盘结构，因此需要圆锯片直径D=600mm，为保证能与液压马达匹配，其孔径d=25mm，由实验验证，锯片齿数z=80时切削性能较好，锯片材料选用65Mn，此种材料具有较好的韧性和耐磨性。切割时实际对灌木形成锯切作用的是圆锯片的边缘部分，为使切断断面光滑，边缘厚度为2mm，内部凸起成不等厚的梯形结构，由锯切实验分析，边缘部分留有90mm以作缓冲，不仅保证了锯片强度，还能提高抗冲击能力，经计算锯片体积为1.6710-3m3，质量为13.1kg。

（2）锯齿设计。圆锯片的锯齿角度影响着切削的性能效果,对切削影响最大的是前角、后角、楔角。根据实际锯切情况，文章设计的锯片齿形为直齿，齿高10mm，前角为15°，后角为15°，楔角为60°，如图2所示，经灌木锯切实验验证，在切割灌木时锯片每个工作齿受到的主要锯切力在5N以内，锯齿强度满足要求。

图2 锯齿结构图

3 圆锯片有限元分析

（1）建立有限元模型。①几何模型建立与导入。文章通过从CAD系统中导入实体模型，将在Pro/Engineer建立的圆锯片几何模型转成IGES格式，通过ANSYS与IGES格式之间的接口，将模型导入ANSYS中。②材料属性设置。在ANSYS Workbench中有丰富的材料库，设定时可直接选择材料库已有的材料，也可以在工程数据应用模块（Engineering Data）中编辑材料属性，定义新材料，文章将整个圆锯片的材料设定为65Mn，弹性模量为2.1e+11Pa，泊松比为 0.3，密度为7.85e3kg/m3。③网格划分。在ANSYS Workbench中采用自由划分的方法生成有限元网格，并控制单元尺寸（Element size）为5mm。④施加约束条件和载荷。根据动力学原理，对圆锯片与旋转轴所接触的轴孔表面进行全约束，然后对圆锯片施加旋转角速度，圆锯片最大转速设为1910r/min，将其转化为199.9rad/s，为模拟实际切削条件，对其25个齿面各施加5N载荷力。

图3 整体式圆锯片变形云图

图4 整体式圆锯片应力云图

（2）圆锯片静力分析。通过ANSYS中的“Static Structural”模块进行静力分析，选择PCG迭代求解器进行求解，查看仿真结果，整体式圆锯片的变形云图如图3所示，所受应力云图如图4所示。通过对整体式圆锯片模型的静力分析结果可知，其最大变形点都位于圆锯片锯齿边缘处，变形主要是由锯片旋转产生的离心力以及锯齿面上所受力导致的，但最大变形为4.0210-2mm，相对整个圆锯片结构尺寸可以忽略，锯片的最大应力为11.313MPa，主要集中在轴孔四周位置，越往外应力越小，远小于材料的屈服强度785MPa，因此该整体式圆锯片具有足够的强度和刚度，可保证安全工作。

（3）圆锯片模态分析。通过ANSYS中的“Modal”模块进行模态分析，选择PCG迭代求解器进行求解，设置扩展模态为4阶，查看仿真结果，可得到整体式圆锯片的前4阶固有频率，分别为1阶299.02Hz，2阶303.32Hz，3阶394.52Hz，4阶441.31Hz。其中1阶振型是绕X轴（Y-Z平面内）左右摆动，2阶振型是垂直于Y轴（X-Z平面内）左右摆动，3阶振型是绕Z轴（X-Y平面内）上下扭动，4阶振型是绕Z轴（X-Y平面内）起伏扭动。圆锯片在1910r/min下的角频率（31.8Hz）远小于圆锯片的最低固有频率，因此系统不会发生共振，其动态特性良好，可保证稳定工作。

4 结语

（1）针对沙生灌木切割时存在的变形、振动等问题，设计了一种整体式圆锯片，经计算锯片体积为1.6710-3m3，质量为13.1kg。

（2）对整体式圆锯片进行了静力分析，得到其变形云图和应力云图，该圆锯片的最大变形为4.0210-2mm，相对于圆锯片的结构尺寸可以忽略；最大应力为11.313MPa，远小于锯片材料的屈服强度785MPa，总体的强度和刚度足够，都可保证安全工作。

（3）对整体式圆锯片进行了模态分析，得到整体式圆锯片的前4阶固有频率，分别为1阶299.02Hz，2阶303.32Hz，3阶394.52Hz，4阶441.31Hz，远高于圆锯片转动时的角频率，其动态特性良好，可保证稳定工作。

Analysis of Design and Finite Element of Integral Circular Saw Blade

LIU Jin-na
（Mechanical and Electrical Engineering Department，Jiangyin Vocational and Technical College，Jiangyin，Jiangsu 214405，China）

For problem of deformation and vibration in cutting desert shrubs，the paper designs andbuilds the integrated finite element model of the circular saw blade，using ANSYS software to carry on the static analysis and modal analysis，get the circular saw blade in the speed of 1910r/min under the stress and deformation distribution contours and the first four order natural frequency and vibration mode.Analysis shows that the circular saw blade for4.0210-2mm，maximum deformation relative structure size can be ignored，11.313 MPa，the maximum working stress is far less than the yield limit of material785MPa；The lowest natural frequency of299.2Hz，far higher than that of circular saw blade rotation angular frequency,its stable and reliable work，has the good dynamic characteristics.

desert shrubs；circular saw blade；finite element analysis；natural frequency

TS643

A

2095-980X（2016）10-0065-02

2016-09-14

内蒙古自治区林业厅重点科研项目（内林科研［2012］521号）

刘金南（1988-），男，江苏无锡人，硕士研究生，主要研究方向：柠条平茬技术与装备。