直刃刀切割棉秆的动力学特性分析

收稿日期:2005210231
作者简介:吴　杰(19722),男,讲师,从事农业机械工程及生物质材料研究。

e 2mail :Wjie mac @ 。

第23卷　第6期2005年12月
石河子大学学报(自然科学版)
Journal of Shihezi University (Natural Science )
V ol.23　N o.6Dec.2005
文章编号:100727383(2005)0620752203
直刃刀切割棉秆的动力学特性分析
吴　杰1,王吉奎1,黄　勇1
(石河子大学机械电气工程学院,新疆石河子,832003)
摘要:针对棉秆这种木质化程度高的硬茎秆物料,本文对其在直刃刀切割作用下的变形及切割动力学特性进行了分析,为棉秆切碎刀片的设计提供理论依据,以便于提高刀片切碎棉秆的质量和降低切碎能耗。

关键词:直刃刀;棉秆;动力学分析;
中图分类号:T U323.3 文献标识码:A
棉秆属于硬茎秆物料,木质化程度高,韧皮纤维
含量丰富。

目前,通用的秸秆粉碎机在棉秆切碎用过程中,由于切碎粒度大、韧皮纤维无法切断而易造成堵刀现象,而且因为切碎刀具磨损较快,造成棉秆切碎质量降低、能耗增大和切碎效率下降,因此针对目前通用切碎机粉碎棉秆所存在的问题,有必要进行切碎机切割刀具的切割原理分析和动力学分析,为今后设计适于棉秆切割刀具的工作参数提供理论依据。

1　直刃刀切碎棉秆的动力学分析
目前,切碎机广泛使用的刀具有3种类型,分别为锤片式、螺旋刀和直刃刀。

根据棉秆切碎能耗的试验研究与分析表明[1],直刃刀切碎棉秆所需的能耗最低,因此本文主要针对直刃刀刀片进行棉秆切碎的动力学特性分析。

1.1　直刃刀动刀片切割过程的动力学分析
1.1.1　滑切角
图1所示为在切割过程中刀片与棉秆相互作用而所产生的运动关系。

直刃刀的刀片是以滑切方式切入棉秆,其刃线与切割半径之间的夹角θ称为滑切角,为了保证刀片有滑切,其刃线至回转中心O 应具有一定的偏心距c [2]。

刀刃上一给定点绕点O 以速度v 旋转,速度v 的切向分量和径向分量分别为v t 与v n 。

经分析滑切角θ与速度v 关系式为:tg θ=v t /v n =c/(r 2-c 2)1/2。

(1
)图1　切割过程中的动力学分析
式(1)中,tg θ为滑切系数。

由式(1)可知,直刃型刀片从切割开始到结束,其滑切角随着切割点外移及切割半径r 的增加而逐渐减小。

1.1.2　圆周力
刀片的圆周力P 可表示为:
P =P 1+P 2=N cos θ+T sin θ。

(2)式(2)中,N 为作用于刀刃上的法向阻力,T 为作用
于刀刃上的切向力。

N 与T 分别可表示为:
N =p L ,
(3)T =μN 。

(4)式(3)、
(4)中:p 为直刃刀刀片单位长度上的切割阻力,μ为刀面与棉秆之间的摩擦系数。

将式(3)、
(4)代入式(2),圆周力P 可表示为:P =p L (cos
θ+μsin θ)。

(5)滑切可以减少刀片与棉秆的摩擦力,使合力与
位移矢量不在一条直线上,即θ≠
δ。

随着刀片切割半径增大和滑切角减小,切割阻力增大,直刃型刀片
切割阻力矩也随之增大。

因此增大滑切角度可大大减少法向阻力。

1.2　棉秆受刀片切割作用的形变分析
直刃刀刀片切割棉秆的过程可分为二个阶段:
切割之前对棉秆的初步挤压阶段和刀片切割经过被挤压的棉秆阶段。

因此,刀片与棉秆接触的单位宽度所受的合力也可分为二部分:
1)刀片切割前对棉秆的初步挤压力;2)刀片切入棉秆过程中所受的切割力[3]。

刀片切割棉秆会引起棉秆形变,由于棉秆在机
械特性上具有较高的弹性和刚度,所以在受力分析的过程中,可以假设棉秆为弹性体,作用在切刀表面上的各种力如图2所示。

图2　刀片切入棉秆时各力的关系
其中作用于刀片倾斜面上的法向力为水平分力
与垂直分力之和,即:
N =P v sin θ+P h cos
θ,(6)在法向力上产生的切向力T 2则表示为:T 2=μN =N tg φ,(7)
式(7)中,μ=tg φ,为摩擦系数。

垂直面上的切向力T 1可由下式求出:T 1=μP h ,
(8)T 2的垂直分力T 2′则表示为:T 2′=T 2cos θ,
(9)
将式(6)、(7)代入式(9),T 2′又可表示为:
T 2′=μN cos θ=N tg φcos θ=μ(P v sin θcos θ+P h cos 2θ
),(10)
在切割棉秆的瞬间,刀刃上产生的力P e 由下式求得:
P e =tL σB 。

(11)式(11)中,t 为刀刃厚度(50～150μm ),L 为刀刃单位
长度,σB 为刀刃作用下棉秆的屈服强度。

各力的垂直方向平衡力可表示为:
P =P e +P v +T 1+T 2′。

(12)对图2所示的微分力dP v 和dP h 进行积分,根据生物质材料力学特性研究可知,垂直分力P v 与水平分力P h 分别可表示为[4]:
P v =Eh 2
tg θ/2H ,
(13)P h =νEh 2
/2H 。

(14)
式(13)、
(14)中,E 为平均形变模量,ν为棉秆的泊松比,h 为棉秆初始挤压厚度,H 为棉秆总厚度。

因为假设棉秆为弹性体,故被切割棉秆适用于虎克定律,所以由研究可知,刀片单位长度的平衡力ρ表示为[5]:
ρ=t σB +Eh 2[tg θ+μsin 2θ+μ(μ+cos 2θ)]/2H ,
(15)
在式(15)中,第1项表示有效切割力,其大小受棉秆的屈服强度σB 和刀刃的厚度δ影响;第2项表示用于克服其它阻力的额外作用力,其值与持续切割开始时的初始挤压厚度h 的平方成正比,与棉秆的总厚度H 成反比,并与角度θ、棉秆的泊松比及棉秆和刀片间的摩擦力有一定的关系。

可以看出,随着棉秆的根数及粗度增加,附加阻力将迅速增大,切割效率会明显降低。

刀片单位宽度用于挤压及切割棉秆所需合力F T 可表示为[5]:
F T =ωσ+EHc 2[tg θ+μsin 2α+μL (μ+cos 2
α
)]/2h 。

(16)
3
57第5期 吴　杰,等:直刃刀切割棉秆的动力学特性分析
式(14)中,σ为切割过程中棉秆内的压缩应力,E为棉秆的弹性模量,h为棉秆初始挤压厚度,μ为刀面与棉秆之间的摩擦系数,α为刀片刃角,ω为刀刃宽度。

2　结论
由上述动力学分析可得出以下结论:
1)直刃刀刀片切割棉秆的滑切角与切割回转半径成反比。

当直刃型刀片的切割半径增大时,滑切角减小,切割阻力增大,切割阻力矩也随之增大。

2)直刃刀刀片的有效切割力大小取决于棉秆的屈服强度和刀刃的厚度。

3)直刃刀切割棉秆所克服阻力的作用力取决于棉秆初始挤压厚度,并受刀片的滑切角、棉秆的泊松比和切割摩擦力影响。

参考文献:
[1]吴　杰.棉秆切碎及压缩成型的特性研究[D].浙江:浙
江大学,2002.
[2]宋慧芝,盛奎川,等.农作物硬茎杆切碎机的设计研制
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[3]李成华,石　宏,等.盘刀式切碎器参数的计算机辅助优
化设计[J].沈阳农业大学学报,2002,33(6):4432445. [4]M J O’D ogherty.H op Length Distributions from F orage Har2
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(1):59263.
Dynamic Analysis on Straight K nife Cutting Cotton Stalks
WU Jie,WANGJi2kui,HUANG Y ong
(C ollege of Machano2E lectric Engineering,Shihezi University,Shihezi X injiang832003,China)
Abstract:As cotton stalk is a kind of hard stalk,the kinetic characteristics and strain of straight knife were analyzed in order to provide the design reference of chopping knife during the process of cutting cotton stalk aiming to upgrade chop2 ping quality of cotton stalks and reduce the cutting energy consum ption.
K ey w ords:straight knife;cotton stalks;dynamic analysis
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