基于LS-DYNA的沙柳锯切仿真分析及试验研究

程卫华 刘志刚 裴承慧 张少勇 常涛涛

（内蒙古工业大学机械工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

沙柳（Salix cheilophila）是我国西北干旱地区防风沙的主要树种，具有平茬复壮的生物习性，即到达一定生长年限需要对其进行平茬处理[1-3]。沙柳平茬必须保持茬口光滑，如平茬后茬口出现灼伤和撕皮撕裂，则会影响来年沙柳的萌芽率，因此，刀具和锯切参数的合理选择对沙柳平茬至关重要[4-6]。目前国内外灌木切割器主要分为圆盘式、往复式和循环式三种[7]。其中，圆盘式切割器因结构简单、切割效率高等特点被广泛用于沙柳平茬作业，但在实际平茬过程中存在切割器进锯困难、功耗大、刀具使用寿命短、茬口烧伤、撕皮撕裂等问题。为此，本文基于LS-DYNA建立沙柳圆锯片锯切显式动力学模型，采用单因素试验和正交试验相结合的方法，对刀具结构参数、工作参数进行优化研究[8-24]，以改善上述问题。

1 锯切仿真试验模型构建

沙柳平茬过程中采用圆盘回转式切割器。为保证平茬后沙柳的萌芽率，沙柳平茬高度一般距离地面20～30 mm，直径一般为30～50 mm[25]。根据GB/T 14388—2010《木工硬质合金圆锯片》标准及实际切削情况，确定圆锯片基础模型结构参数（表1），基于UG12.0 建立锯切沙柳的三维模型，采用Hypermesh软件进行网格划分并对重要部位作网格细化生成k文件，导入LS-DYNA进行显式动力学分析试验，锯切模型如图1 所示。

表1 圆锯片结构参数Tab.1 Structural parameters of circular saw blade

图1 沙柳锯切模型Fig.1 Salix sawing model

2 仿真寻优

2.1 单因素试验

本研究选用整体式截背齿圆锯片。一般情况下，齿数、转速和每齿进给量会影响锯切质量，齿厚对圆锯片强度、锯切力和功耗影响较大。因此，通过单因素试验分别研究圆锯片齿数、齿厚、转速及每齿进给量对锯切转矩和功耗的影响，为正交试验缩小各因素寻优范围。

2.1.1 齿数对锯切的影响

试验中，圆锯片齿数分别设为60、80、100、120 T。其他参数选择固定值，齿厚为2.2 mm，转速为1 500 r/min，每齿进给量为0.20 mm。如图2(a)所示，随着齿数增加，转矩增加，功耗减小，从两者变化区间可以看出，齿数对两者的影响不显著[26]。综合考虑，选择齿数范围为80～100 T。

2.1.2 齿厚对锯切的影响

试验中，齿厚分别设为 1.5、2.0、2.5、3.0 mm。其他参数选择固定值，齿数为100 T，转速为1 500 r/min，每齿进给量为0.20 mm。如图2(b)所示，转矩和功耗随着齿厚的增加均增大，对两者变化区间分析可知，齿厚对两者的影响较为显著。降低厚度可以减少锯切转矩和功耗，但会导致锯片强度降低，容易发生失稳。综合考虑，选择齿厚范围为2.0～2.4 mm。

2.1.3 转速对锯切的影响

试验中，圆锯片转速分别设为1 000、1 500、2 000、2 500 r/min。其他参数则选择固定值，齿数100 T，齿厚2.2 mm，每齿进给量0.20 mm。由图2(c)转矩和功耗变化趋势可知，转速对两者影响较为显著。考虑到转速太低会导致茬口质量降低，同时使锯片磨损加快，因此选择转速范围为1 500～2 000 r/min。

2.1.4 每齿进给量对锯切的影响

试验中，每齿进给量分别设为0.15、0.20、0.25、0.30 mm。其他参数则选择固定值，齿数100 T，齿厚2.2 mm，转速1 500 r/min。如图2(d)所示，随着每齿进给量增加，转矩增加，功耗减少，对两者变化区间分析可知，每齿进给量对两者影响不显著。综合考虑，选择每齿进给量范围为0.20～0.24 mm。

图2 各因素对转矩和功耗的影响情况Fig.2 Influence of feed per tooth on torque and power consumption

2.2 正交试验

2.2.1 正交试验设计

在单因素试验基础上，以锯片齿数、齿厚、转速及每齿进给量为影响因素，切削功耗及转矩为评价指标，进行四因素三水平沙柳生材锯切正交试验。因素水平如表2 所示，试验设计如表3 所示。

表2 正交试验因素水平表Tab.2 Orthogonal test factor level table

2.2.2 试验结果

计算各因素水平下每一个试验指标的数值和K以及平均值，并计算极差R。分析各因素对试验指标转矩和功耗的影响。试验结果见表3。

表3 正交试验方案和检测结果Tab.3 Orthogonal test scheme and test results

根据极差大小确定各因素对转矩和功耗的影响。各因素对转矩影响的主次顺序为A＞C＞D＞B，对功耗影响的主次顺序为C＞B＞A＞D。根据试验指标不同水平的平均值确定各因素的优化水平组合。各因素对转矩的优化组合为A1B2C1D2，对功耗的优化组合为A3B1C1D2。

由于两个指标单独分析所得的优化结果不一致，必须根据因素的影响主次顺序综合考虑，确定最佳参数组合。因素A对转矩的影响最为显著，排在首位，A1较优；其对功耗的影响则排在第三位，为次要因素，因此A因素取A1。因素B对功耗的影响排在第二位，B1较优；其对转矩的影响排在第四位，为次要因素，因此因素B取B1。因素C对功耗的影响最为显著，排在首位；对转矩的影响排在第二位，在优化组合中因素C均为C1，因此因素C取C1。因素D对转矩的影响排在第三位，对功耗的影响排在第四位，在优化组合中因素D均为D2，因此因素D取D2。

综合平衡，最终确定本试验的优化组合为A1B1C1D2，即齿数为80 T，齿厚为2.0 mm，转速为1 500 r/min，每齿进给量为0.22 mm。此优化组合并不在9 次试验中，因此进行补充试验加以验证，测得在该组合下最大转矩为7.41 N·m，功耗为1 412 J。

3 模拟结果对标

3.1 锯切试验准备

根据GB/T 14388—2010 标准要求，委托天津林业工具厂加工结构参数优化后的圆锯片，如图3 所示。试材采用处于平茬期（3～5 年）的沙柳。利用PPCNC小型车床（PROXXON PD 400，普颂德科）和MB120 型台式木工锯刨机床（济宁海川机械有限公司）对沙柳试件进行加工，沙柳锯切部位直径与数值模拟中一致，为40 mm，试件如图4 所示。

图3 优选锯片图Fig.3 Preferred saw blade diagram

图4 锯切试验试件Fig.4 Sawing test specimen

根据总体试验要求搭建试验台，其由架体、锯切装置、夹持装置、进给装置及控制和数据采集系统组成，转速调整区间为0～3 000 r/min，进给速度调整区间为0～2 000 mm/s，夹持高度可调以满足不同平茬位置的锯切；数据采集包括锯切过程中的转速、转矩和功率等通过JN338 型智能数字式传感器（北京三晶科技集团有限公司）获得。

3.2 试验结果

用结构优化后的圆锯片（齿数80 T、齿厚2.0 mm）和工作参数（转速1 500 r/min、每齿进给量0.22 mm）进行锯切试验，其他参数根据国标确定，如图7所示最终测得转矩为7.55 N·m，功耗为1 514 J，与数值模拟结果分别相差1.9%和7.2%。一方面因为沙柳试件含水率不同，另一方面试验台锯切时也会受到环境和设备本身等因素的影响，因此导致锯切力和锯切功耗的差异，但误差在可接受范围内。锯切后茬口如图8所示，无灼伤、撕皮撕裂情况。

图5 数据采集界面Fig.5 Data acquisition interface

图6 优化后锯片锯切的沙柳茬口Fig.6 The saw cutting stubble of optimized saw blade sawing Salix

4 结论

1）通过单因素锯切仿真试验得出，齿数对转矩和功耗的影响不显著；齿厚对转矩和功耗影响较为显著；转速对转矩和功耗影响较为显著；每齿进给量对转矩和功耗的影响不显著。

2）通过正交试验得出最优组合：齿数为80 T，齿厚为2.0 mm，转速为1 500 r/min，每齿进给量为0.22 mm。该组合下，最大转矩为7.41 N·m，功耗为1 412 J。上述条件下锯切试验得出转矩为7.55 N·m，功耗为1 514 J，分别与数值模拟结果相差1.9%和7.2%，仿真可靠度满足要求，整体锯切质量满足沙柳复壮要求。