维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年６月 农机化研究 第６期 基于ＡＮＳＹＳ的玉米青贮机动刀片力学分析 刘洋 ， 吕新民 ，张明涛 ，马迎春 ７１２１００；２．呼图壁县环境保护局，呼图壁８３１２００） （１．西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌摘要：动刀片刃口变形崩刃是玉米青贮机切碎装置存在的主要问题之一。为此，应用有限元ＡＮＳＹＳ软件，对滚 筒式切割器直板式动刀片进行了应力分布和变形计算分析，求解出刃口的切割和剪切应力变化曲线，并结合动刀片 磨损曲线，得出刃口变钝和崩刃是动刀片主要失效和破坏形式的结论；同时，提出了防止动刀片失效的措施。 关键词：玉米青贮机；动刀片；应力；有限元分析 中图分类号：Ｓ２２５．８；Ｓ１２６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３—１８８Ｘ（２００８）０６—００３４—０３ ａ ｓ２０ 引言 滚筒式玉米青贮机是玉米收获和饲料收获的重要 机械，其切碎装置是玉米青贮机的核心工作部件，而动 式中 ＋２ Ｓ一 ＝０ 刀片偏心圆半径； ｐ一秸秆沿刀片运动时的瞬间回转半径； ．刀片则是其关键零件。刀片的质量和寿命直接影响到 切碎性能和生产率，受工作环境、制造工艺和设计参数 等方面因素的影响，在切割青贮玉米的过程中刀片受 力情况复杂，刀片极易磨损，导致切割性能变差，生产 效率降低。因此，深入研究分析动刀片的受力及磨损 规律．对改善玉米青贮机的工作性能、提高生产效率和 增加使用者的经济效益具有十分重要的意义 。 式中则有 产－摩擦因数； ｜ｓ一秸秆沿刀片运动的距离； 一。 质点径向方向与刀片的夹角。 ＋１） ，ｂ＝（一 一 ＋１） ， 令０＝（一 ＋ ｜ｓ＝ （｜ｓ－＋ｆｄ）ｅ ＋ （Ｊｓ－＋ｆｄ）ｅ ＿ ｜ｓ，一秸秆切段沿刀片运动的起始距离。 １ 刀片的动力学分析 １．１ 假设条件 １）秸秆切段的运动按绝对抛扔运动分析，不考虑 气流的影响。 ２）秸秆切段的重力忽略不计。 ３）秸秆喂入速度相对较低，忽略不计 Ｊ。 １．２动力学计算方程 当动刀以角速度ｔＯ回转时，秸秆质点 的受力如 图１所示。建立秸秆沿刀片运动的微分方程式为 ｄ２Ｓｍ ＝Ｆ．ｃｏｓｌ—ｆ（２ｍ ｄＳｆ—图１秸秆质点肘受力分析图 Ｆ．ｓｉｎｆ１） ｍｗ Ｐｓｉｎ／３） Ｆｉｇ．１ Ｆｏｒｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｍａｇｅ ｏｆ ｓｔｒａｗ Ｍ ＝／ｎＯ） ｐｃｏｓｌ—ｆ（２ｉｆｎｔｏ ｄＳ—２动刀片的有限元分析 ２．１ 切割秸秆的运动过程及有限元分析方法的选择 将ｐｓｉｎｆｌ＝ｄ、ｐｃｏｓｌ＝Ｓ代人得 ｆ收稿日期：２００７—０９—０６ 动刀片与定刀片组成切割副切割秸秆时，动刀刃 口处于刀具的前端，作业时刃口切向秸秆。从二者接 基金项目：陕西省科技攻关项目（２００３Ｋ０３一Ｇ９—０１） 作者简介：刘洋（１９７８一），男，石河子人，在读硕士，（Ｅ—ｍａｉｌ） 一触开始即向作物施加压力，并逐渐加大到等于秸秆破 裂强度极限的应力时才切入秸秆内，保持这一大小直 到切断；在脱离接触后，压力突然消失，秸秆也同时对 ｌｙｓｈｚ２００４＠１６３．ｃｏｍ。 通讯作者：吕新民（１９５２一），男，陕西旬邑人，教授，硕士生导师。 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年６月 农机化研究 第６期 刃口施加反作用力，周而复始，所以宜用非线性法对动 作用下的变形。受正压力和滑切力的作用（由图４所 刀片进行有限元分析 Ｊ。 示），刀片应力主要集中于刃口上（图中颜色越浅的区 ２．２有限元的建模 域应力值越大），特别是刀刃的两端，应力的集中使得 动刀片在切割器滚筒上均匀分布（见图２所示）， 刀刃两端受力急剧增加，整个刃口部分均发生卷刃，刀 故对动刀片进行有限元分析计算时，可只取出一个动 刃两端变形最大。 刀片进行分析 Ｊ。 ＮＯＤＡ。 Ｌ． 。 ＡＮ …ｔ ｍ‘２：００７ ｚ ８‘ｓＩ＋Ｏ７。Ｌ６９｜￥０８２Ｓ３｜＇ｋ０８。哪川 Ｉｔｕ日５９ＯＩ＋Ｏ８’ｂ，ＩＩｔｕ日．．‘２１Ｉ＋０８ ．７ｓ８Ｉ＋Ｏ８ 图４动刀片应力分布云图和变形 Ｆｉｇ．４ Ｍｏｖｉｎｇ ｂｌａｄｅｓ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｍａｇｅｒ＆ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ 图５为计算出的刃口切割应力和剪切应力曲线， 其中深色为切割应力曲线，浅色为剪切应力曲线。由 图５可见，刃口的切割应力在刀片两端变化显著，在中 图２切割滚筒 Ｆｉｇ．２ Ｃｕｔｔｅｒｂａｒ ｃｙｌｉｎｄｅｒ 间部分比较平缓，剪切应力较小，只在刀片两端有小的 运用ＡＮＳＹＳ自带的前处理模块可以对动刀片进 突变。 行三维建模，也可以用ＰＲＯ／Ｅ等三维建模软件建立模 型导人到ＡＮＳＹＳ中。本文选择ＡＮＳＹＳ自带的前处理 模块进行三维建模。 ２．３网格的划分和约束条件 动刀片结构不复杂，受力主要集中在刃口上。为 了提高精度，计算采用有中间结点的三维２０节点单元 （２０ｎｏｄｅ９５），刃口局部区域网格加密（见图３所示）。 Ｆｉｇ．５ Ｋｎｉｆｅ ｂｌａｄｅ ｃｕｔｔｉｎｇ＆ｓｈｅａｒｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ ｃｕｒｖｅ 由以上分析并结合动刀片磨损曲线（如图６所示） 可以得出结论 Ｊ：在生产的初级阶段，刀片的磨损量近 乎线形增加，由于刃口硬度低、刃面夹角过小、刀片过 图３网格划分图 Ｆｉｇ．３ Ｍｅｓｈｉｎｇ ｉｍａｇｅ 薄或强度不够，刀片在连续切割过程中有卷刃现象；刀 约束条件：动刀片用螺栓紧固在滚筒上，刚度很 片刃口与刃面受到秸秆及其中杂质的磨损，形成磨粒 大，所以动刀片螺栓孔为全约束，刀面受到垂直于它的 磨损，与刀片的硬度相比，秸秆的硬度要小得多，这种 约束。 较软的秸秆不能使刃口塑性变形和崩刃，但在无数次 ２．４动刀片载荷及应力计算的结果和分析 冲击下对刃口不断进行搓擦，形成研磨抛光，把卷曲的 动刀采用Ｍｎ６５钢制造，材料属性如下：弹性模量 刃口逐渐磨掉，使刃口变钝，磨损到一定程度后达到材 为２×１０”Ｐａ，泊松比为０．３：密度为７．８×１０ ｋｇ／Ｉｎ ，旋 料正常磨损阶段，磨损速率明显下降，变化趋于平稳， 转速度为１８８５ｒ／ｍｉｎ。 这也是刀片刃口主要的失效形式 。由于刀片两端应 动刀切割秸秆时，刃口受到的载荷可分解为垂直 力非常集中，刀片刃口发生周期性弹性变形，在连续工 于刃口的正压力和沿着刃口的滑切力。 作过程中最容易发生崩刃缺口现象。综上可知，动刀 图４为计算得出的动刀片应力分布云图和在载荷 片在切割过程中，刃口变钝和崩刃是主要的失效和破 ・３５・ 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年６月 坏形式 ］。 ２・５ 农机化研究 第６期 需要合理选择强度和韧性。在不同的工况下，会产生 不同的磨损方式，故在选材和处理工艺时必须根据特 定的工作环境选择特定的材料和处理工艺。 ２・Ｏ ３）保持刀刃锐利度 Ｊ。利用刀片工作过程中的 Ｅ １．５ 删 磨料作用，加上刀片上下刃面的硬度差，自动对刃口修 磨，尽量保持刀片的锐利度，使刀片保持较长时间的切 割性能。 害１．ｏ Ｒ ０．５ 参考文献： ［１］ 李冰，王顺喜，杨炳南．青饲切碎机动刀片受力对比分析 ［Ｊ］．农业机械学报，２００５（４）：４９—５２． 图６动刀片磨损曲线 Ｆｊｇ．６ Ｍｏｖｉｎｇ ｂｌａｄｅｓ ａｂｒａｓｉｏｎ ｅｕｒｖｅ ［２］贾洪雷，马成林．曲面直刃刀切碎与抛送变量的研究［Ｊ］． 农业机械学报，２００２（５）：４１—４３． ３动刀片失效的预防措施 通过对动刀片的有限元分析，可以看到应力集中 分布加剧了刃口的卷曲变形，刀片两端的最大变形说 ［３］任重．ＡＮＳＹＳ实用分析教程［Ｍ］．北京：北京大学出版社， ２００３． ［４］龚曙光．ＡＮＳＹＳ工程应用实例解析［Ｍ］．北京：机械工业 出版社，２００３． 明动刀两端为最易发生破坏的部位。现就提高动刀片 的使用寿命，提出以下几点建议 。 １）改善刀片的受力情况Ｌ９ Ｊ。由于刀片的受力很 ［５］孟海波，韩鲁佳，刘向阳，等．秸秆揉切机用刀片磨损的研 究［Ｊ］．农业机械学报，２００３（５）：６１—６４． ［６］ Ｓｈｉｎ，ＤＪ Ｌｅｅ，ＷＳ Ｎａ，ＳＹ．Ｄｙｎａｍｉｃ ｌｏａｄ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｉｌａｇｅ 不均匀，应合理选择切碎器的参数，在满足推挤角适当 的情况下选择大的滑切角，使得刀片尽可能均匀受力， 减少刀片两端的磨损。 ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ＡＳＡＥ，２００５，４８（４）： １３１１—１３２０． ［７１］贾洪雷，王增辉，马成林．玉米秸秆切碎抛送装置的试验 研究［Ｊ］．农业机械学报，２００３（６）：９６—９９． ［８］ 陈菊芬，王顺喜．青饲切碎机动刀片刃Ｅｌ的受力分析［Ｊ］． 农机化研究，２００４（６）：５１—５４． ［９］（波）卡娜沃依斯基．收获机械［Ｍ］．北京：中国农业机械 出版社，１９８３． ２）提高刀片的表面硬度，改善热处理工艺。提高 刀片的硬度是降低刀片磨损的主要方法，但硬度高到 一定程度后，刀片刃口会因为太脆而崩刃，所以在保证 刀刃有足够硬度的前提下，还必须有一定的韧性，这就 Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ Ｂｌａｄｅｓ ｏｆ Ｓｉｌａｇｅ Ｍａｉｚｅ Ｈａｒｖｅｓｔｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＮＳＹＳ ．ＬＩＵ Ｙａｎｇ ，ＬＶ Ｘｉｎ—ｍｉｎ ，ＭＡ Ｍｉｎｇ—ｔａｏ ，ＭＡ Ｙｉｎｇ—ｃｈｕｎ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ａ＆Ｆ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇｌｉｎｇ ７１２１００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｈｕｔｕｂｉ Ｃｏｕｎｔｙ Ｅｎｖｉｏｎｍｅｎｔｒ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｂｕｒｅａｕ，Ｈｕｔｕｂｉ ８３１２００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｂｒｅａｋａｇｅ ｏｆ ｂｌａｄｅ’Ｓ ｃｕｔｔｉｎｇ ｅｄｇｅ ａｒｅ ｓｅｒｉｏｕｓ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｉｎ ｓｈｒｅｄｄｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｓｉ－ ｌａｇｅ ｍａｉｚｅ ｈａｒｖｅｓｔｅｒ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｈｅａｒｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｂｌａｄｅｓ ｏｆ ｄｒｕｍ ｃｕｔｔｅｒ ｍｅａｎｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｅｌｐ ｏｆ ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｂｒａｓｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｄｕｌｌｓ ａｎｄ ｂｒｅａｋａｇｅ ｏｆ ｂｌａｄｅ ａｒｅ ｃｏｍｍｏｎ ｍａｎｉｆｅｓｔａｔｉｏｎｓ ｔｏ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｂｌａｄｅｓ，ａｎｄ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｓｏｍｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｔｏ ａｖｏｉｄ ｓｕｃｈ ｐｒｏｂｌｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｉｌａｇｅ ｍａｉｚｅ ｈａｒｖｅｓｔｅｒ；ｂｌａｄｅ；ｓｔｒｅｓｓ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ・３６・
