蒲草切碎装置结构优化设计

摘 要：本文主要以云南通海蒲草切碎机中切碎器为研究原型，通过对切碎原理的分析，切碎方式的选择，选择采用轮刀式切碎，通过对常规动刀片切碎性能分析，滑切角在 35°～45°范围内时随着滑切角的增大动刀片的切割扭矩降低即切碎能耗消耗越低，提出一种变化切角动刀，两个切割滑切面滑切角在35°～45°范围内，通过SolidWorks软件中的插件simulationXpress对新提出的变滑切角动刀片进行了静态应力仿真分析，在外部载荷均为300N作用下，变滑切动刀片收受应力、变形比例、最小安全系数和发生的位移较低，通过平均切割扭矩即能耗消耗和静态应力仿真分析得出变滑切角动刀为蒲草切碎的最佳动刀片。使蒲草切碎装置得以优化。

关键词：切碎装置;常规动刀片;simulationXpress;变滑切动刀片

一、 蒲草切碎装置结构设计

1.1切碎器设计

蒲草切碎器是蒲草切碎机的最主要工作部件，对蒲草切碎的切碎质量、工作效率及切碎时能耗消耗有着重要影响。影响蒲草切碎机切碎器性能的主要因素包括电动机的转速、切碎时的滑切角、动定刀片之间的间隙[1]。分析各主要因素对切割器性能的影响作用，提出各参数的选择范围，为切碎器的设计提供了依据。本文为了使蒲草能切成10～20mm长的碎段。影响切碎性能的主要因素有：（l）切割时要产生滑切，以减少切割阻力。（2）切割稳定（3）切割阻力矩变化均匀。（4）刀片的锋利度要适宜及刀片与入料口之间的间隙尽可能小。

1.1.1 蒲草切碎原理分析

按照切碎器刀片刃线运动方式，切割可以分为砍切和滑切两种。由于滑切使刀片斜置切入，实际刃角相应变小，刃线变锐，切割阻力减少，因此滑切比砍切省力，且在一定滑切角范围内，滑切程度越大，切割越省力[2]。1.1.2蒲草切碎方式选择

蒲草切碎方式主要有轮刀式切碎、滚刀式切碎和锤片式切碎等。轮刀式切碎质量好，刀片结构简单。滚刀式切碎滑切作用强，切割阻力小，但切碎体不能自动抛出，刀片刚度差，不适合硬茎秆切碎。锤片式切碎是利用高速旋转的锤片来击碎蒲草，刀片结构简单，但能耗高[3]

二、 蒲草切碎装置切碎器刀刃曲线分析

2.1 切碎装置工作原理

蒲草切碎机主要由喂入机构、切碎器、抛送机构和传送机构等部分组成。切碎器是蒲草切碎装置的重要组成部分，动刀片和抛送叶片安装在3个互呈120°的刀架上。

2.2变滑切动刀的提出

由于蒲草韧性强，常规的动刀片在一定的电动机转速带动下切碎效率低下，通过对轮刀式切碎器实验的分析可以知道在滑切角为35°～45°范围内切割能耗消耗较小，又在25°～50°范围内随着滑切角的增大，切碎能耗消耗得越低[27]。提出变滑切的一个面的滑切面角为45°，第二个滑切面的滑切角为38°其它参数同前面设计的等滑切动刀一样。

三、变滑切角动刀仿真分析

（1）完成仿真图的导入

将鼠标光标放在【文件】位置，然后点击【打开】命令按钮，在文件類型列表中找到变滑切角动刀，点击打开。

选项【工具】|【SimulationXpress】菜单命令，弹出【SimulationXpress】

属性管理器，点击【SimulationXpress】仿真插件就会自动装载仿真。 在【欢迎】属性管理器中，单击【选项】命令按钮，弹出【SimulationXpress】 设置界面，设置【单位系统】为【公制】，并指定文件保存的【结果位置】，

（2）约束模型面操作

单击【夹具】（约束）选项卡，出现应用约束界面，点击添加夹具，选择要约束的模型面单击再在左上方点击√按钮，约束步骤即完成。 ①点击【载荷】命令按钮，将会出现应用载荷界面。

②单击【添加力】命令按钮，弹出【力】属性设置框。

③在图形区域中单击变滑切的两个滑切面上，单选【法向】，

（4）定义变滑切动刀材料

在材料属性管理器中，可以选择SolidWorks2014预置的材质。这里选择同直线刃、圆弧刃、等滑切动刀一样的材料【65Mn】（通过新建材质、定义材质属性得到）选项，单击【应用】命令按钮，65Mn材料就会应用到模型上，单击【关闭】命令按钮，材料的设定完成，如图5-32所示，最后单击【下一步】命令按钮。

（5）运行分析

单击【运行】按钮，再单击【运行模型】命令按钮，屏幕上显示运行状态及分析变滑切动刀的仿真信息。会显示变滑切动刀的变形比例。

（6）观察结果

单击【显示von Mises】选项按钮，变滑切动刀的仿真效果所受的应力图就会显示出来。单击【显示位移】选项命令按钮，变滑切动刀片的变形位移就会显示出来。

（7）结果分析：通过仿真分析，优先选用变滑切动刀来进行蒲草切碎装置的优化，形变量、位移量、所受应力和最小安全系数，这些是选用刀片来优化切碎装置的重要因素[4]，得出用新提出的变滑切角动刀片切碎蒲草可以起到优化蒲草切碎装置的作用。

四、结论

（1）在相同的载荷200N作用下，变滑切角动刀片的变形比例还要小，说明在使用面滑切时能减小变形，在优化设计蒲草切碎装置时优先选用面滑切。

（2）新提出的变滑切角动刀片在相同载荷作用下收受应力、位移和最小安全系数比等滑切角动刀片，直线刃动刀片，圆弧刃动刀片要小。

（3） 在相同载荷、相同的动定刀片间隙、相同的电动机转速条件下，滑切角在 35°～45°范围内，切割转角在45°～65°范围内时，切割的平均扭矩较低，切割能耗较小。

参考文献：

[1]黄德超，王瑞丽.铡草机切碎器性能分析[J].农业科技与装备.2009（06）

[2]尤嘉陵，等滑切角曲线刃圆盘式切碎器的研究，四川农机.1983（3）：22-27.

[3] 朴香兰等. 直刃盘刀式切碎器功耗的影响因素分析[J]，农机化研究。1998（4）：52-53.

[4] 何磊，曹卫彬，李树峰.基于SolidWorks的切碎刀片的设计与强度分析[J].安徽农业科学，2011，39（3）：181-1821.

作者简介：

李建军（1989.12-），男，汉族，湖南邵阳人，CAD应用工程师，硕士，主要从事汽车机械类教育研究

（云南城市建设职业学院   云南省   昆明市  650000）