香蕉假莖揉碎機(jī)粉碎裝置的有限元分析

 引言
我國是世界香蕉生產(chǎn)的主要國家之一，2010年我國香蕉種植面積達(dá)到35.33萬hm2左右，產(chǎn)量約為985萬噸，若香蕉假莖與香蕉產(chǎn)量的重量比為2.4，則年產(chǎn)香蕉假莖量達(dá)2400萬噸。長期以來，除少量用作肥料和燃料外，大部分棄于田間，任其腐爛，既浪費資源又污染環(huán)境[1-3]。一種處理香蕉假莖的有效方法是通過香蕉秸稈揉碎機(jī)對其加工，通過揉碎，可以將香蕉假莖加工成具有一定長度和粗細(xì)度的絲狀段，絲狀段的香蕉假莖可以用于牲畜的飼料、還田肥料和造紙原料等。
香蕉假莖揉碎機(jī)的核心部件是粉碎裝置，粉碎裝置主要由粉碎刀滾和粉碎刀組成，粉碎刀滾筒轉(zhuǎn)速、回轉(zhuǎn)半徑、粉碎刀形狀和排列直接影響到揉碎機(jī)處理香蕉假莖的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。因此，本文設(shè)計出滿足處理香蕉假莖工作性能的粉碎刀滾和粉碎刀，并通過Solidworks軟件對粉碎裝置三維實體造型以及對粉碎刀進(jìn)行有限元分析。
1 粉碎裝置的設(shè)計及工作原理
1.1 粉碎裝置主要參數(shù)的確定 粉碎刀的排列方式不僅影響香蕉假莖的揉碎質(zhì)量，而且影響揉碎機(jī)的平衡性。本設(shè)計在粉碎刀滾圓柱面圓周方向均勻分布3排粉碎刀，每排粉碎刀在軸向方向有5把粉碎刀，每把粉碎刀通過焊接方式與粉碎刀滾圓柱面固定。粉碎刀的設(shè)計有以下優(yōu)點：①粉碎刀排列無漏割。②粉碎刀軸向間距大，徑向相鄰的揉碎刀夾角大，避免了香蕉假莖干擾和阻塞。③粉碎刀軸向分布均勻，徑向呈等角分布，空載旋轉(zhuǎn)時粉碎刀滾所受載荷均勻，粉碎刀不會產(chǎn)生離心力。
1.1.1 粉碎刀滾轉(zhuǎn)速確定 粉碎刀滾轉(zhuǎn)速高低的選取直接影響香蕉假莖揉碎效果[4]，粉碎刀滾轉(zhuǎn)速太高增加揉碎機(jī)的能耗、不平衡性和噪聲，粉碎刀轉(zhuǎn)速太低影響揉碎機(jī)對香蕉假莖的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。由于秸稈理論切割長度L取決于秸稈喂入速度V和單位時間內(nèi)的切割次數(shù)[5]，得出下式：n=■ （1）
式（1）中：Z——圓周方向粉碎刀數(shù)，Z=3。
本設(shè)計中，香蕉假莖喂入速度V由前道工序決定，取V=3.6m/s，粉碎后的香蕉假莖絲狀物長度L為20～100mm，取平均長度60mm，結(jié)合上述參數(shù)代入上式得粉碎刀輥轉(zhuǎn)速n=1200r/min。
1.1.2 粉碎刀滾和粉碎刀尺寸確定 粉碎刀滾的回轉(zhuǎn)半徑大小將直接影響機(jī)器的工作效果及粉碎刀滾的平衡、振動等，在粉碎刀滾轉(zhuǎn)速一定的情況下，粉碎刀回轉(zhuǎn)半徑增大，會使機(jī)具整體尺寸增大，粉碎刀滾的不平衡因素也增大，振動激增[6]。結(jié)合室內(nèi)試驗和理論計算，本文設(shè)計的香蕉假莖揉碎機(jī)粉碎刀滾直徑為100mm，粉碎刀回轉(zhuǎn)半徑為125mm，粉碎刀選取改進(jìn)的錘爪型刀片，由于錘爪型刀片質(zhì)量較大，產(chǎn)生很大的錘擊慣性力對香蕉假莖粉碎效果好[7]。粉碎裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
1.2 粉碎裝置三維實體造型 Solidworks軟件是基于特征的三維造型軟件，具有強(qiáng)大的特征造型能力、直觀的對話窗口和裝配控制能力，在同一界面可完成設(shè)計和繪圖工作。根據(jù)圖1粉碎刀和粉碎滾筒AutoCAD二維尺寸在Solidworks環(huán)境中進(jìn)行特征造型并保存，然后對粉碎裝置進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)虛擬裝配。其Solidworks裝配圖如圖2所示。
1.3 粉碎裝置工作原理 粉碎刀滾的主動軸通過皮帶輪與電機(jī)動力輸出軸相連。工作時，如圖1主視圖所示，香蕉假莖經(jīng)過前幾道工序處理以3.6m/s從右向左進(jìn)入粉碎裝置中，粉碎刀輥以1200r/min逆時針高速轉(zhuǎn)動，粉碎刀尖對香蕉假莖產(chǎn)生很大的沖擊力，使香蕉假莖打斷成長度60mm左右的絲狀物，最后這些絲狀物通過粉碎裝置后的排料口排出，作為原材料用于后續(xù)加工。
2 粉碎刀有限元靜力學(xué)分析
2.1 材料設(shè)置 對粉碎刀三維模型進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，粉碎刀材料選用65Mn鋼，65Mn鋼有較高強(qiáng)度、較大淬透性等優(yōu)點。
2.2 施加約束和載荷 由于粉碎刀焊接在粉碎刀輥圓柱面上，所以將粉碎刀下端圓柱面設(shè)置為完全約束。在工作過程中，粉碎刀在各刀刃處受的切割力隨著轉(zhuǎn)角的變化而不同，從粉碎刀強(qiáng)度校核考慮，只考慮載荷最大工況下粉碎刀的受力，如圖3所示。根據(jù)對脫水后的香蕉假莖強(qiáng)度測試得到切割阻力為300N，因此在粉碎刀刀刃上加300N的阻力。
2.3 網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格劃分是有限元分析最關(guān)鍵的一個步驟，網(wǎng)格的劃分直接影響計算機(jī)求解的速度和精度[8]。為了保證粉碎刀有限元分析的精確度，在Solidworks軟件的Simulation中選擇較高的網(wǎng)格品質(zhì)，采用自動過渡功能，以保證粉碎刀過渡區(qū)域有較大的網(wǎng)格密度，其余受應(yīng)力較小的部分網(wǎng)格密度小。設(shè)定網(wǎng)格類型為實體網(wǎng)格，最大單位為3.34596mm，最小單位為0.669193mm，雅可比為4點，將粉碎刀三維模型共劃分為12372個單元格，節(jié)總數(shù)為20146個。如圖4所示。
2.4 粉碎刀有限元分析結(jié)果討論 通過對設(shè)計的粉碎刀的有限元分析，得出粉碎刀在上述約束和載荷下的應(yīng)力云圖，如圖5所示。由應(yīng)力云圖可看出，最大應(yīng)力位于粉碎刀刀把和刀柄相連的突變處，此處的應(yīng)力的值為52.74Mpa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度430Mpa，安全系數(shù)為s=430/52.74=8.15。粉碎刀在上述約束和載荷位移云圖，如圖6所示。粉碎刀刀刃位移最大，此處位移量的大小為0.061mm，依據(jù)材料的特性和設(shè)計安全要求得到，該粉碎刀的設(shè)計是可靠的。
3 結(jié)論
本文設(shè)計了適合香蕉假莖揉碎機(jī)粉碎裝置，根據(jù)粉碎后香蕉假莖絲狀物的長度，計算出粉碎刀滾的轉(zhuǎn)速1200r/min。參考已有機(jī)器的參數(shù)，選用粉碎刀滾直徑為100mm，粉碎刀選取改進(jìn)的錘爪型刀片回轉(zhuǎn)半徑為125mm。通過Solidworks軟件對粉碎裝置進(jìn)行三維實體建模，并用Simulation模塊對粉碎刀進(jìn)行了有限元計算、校核和分析，得出該粉碎刀滿足設(shè)計要求。該粉碎裝置的成功研制，大大提高香蕉假莖揉碎機(jī)的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，有利于促進(jìn)我國香蕉主產(chǎn)區(qū)香蕉假莖的進(jìn)一步綜合利用。