基于ANSYS的竹篼破篼刀具设计与仿真

贺平 张德晖 李俊平 王悦 何金成 郑文鑫

摘要：为降低破篼刀具的工作能耗及解决破篼刀具工作半径不可调的问题，设计一种工作半径可调以实现从竹篼内部破篼的刀具。首先在ANSYS中建立竹篼—破篼刀具有限元模型，然后进行破节、破壁仿真并做试验分析，最后构建试验平台加以验证。结果表明：所研制的破篼刀具可清理外径为110～130mm的竹篼；破节最优的刀具参数组合为：轴向刀后角角度为30°、刀盘转速为5000r/min；破壁的刀具参数组合为：径向刀后角角度为20°、刀盘转速为5000r/min。

关键词：竹篼；破篼刀具；尺寸可调；有限元分析；ANSYS仿真

中图分类号：S221

文献标识码：A

文章编号：2095-5553 （2024） 05-0116-07

收稿日期：2022年10月20日  修回日期：2022年12月9日*基金项目：福建省高峰高原学科项目（712018014）；福建省服务产业特色专业建设项目（63TZ16001）；福建农林大学优秀研究生学位论文资助资金（1122YS01003）

第一作者：贺平，男，1998年生，江西抚州人，硕士研究生；研究方向为农机装备工程。E-mail： 2650611753@qq.com

通讯作者：张德晖，男，1975年生，福建永春人，硕士，副教授；研究方向为山地农业装备。E-mail： zzhangdehui@126.com

Design and simulation of bamboo stump cutter based on ANSYS

He Ping1， Zhang Dehui1， 2， Li Junping1， Wang Yue1， He Jincheng1， 2， Zheng Wenxin1， 2

（1. College of Mechanical and Electronic Engineering， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou，

350100， China； 2. Modern Agricultural Equipment Research Center， Fujian University （Fujian Agriculture and

Forestry University）， Fuzhou， 350100， China）

Abstract：

In order to reduce the energy consumption of bamboo stump cutter and solve the problem  that the working radius of cutter cannot be adjusted， a cutter with an adjustable working radius is designed， which can break bamboo stump from inside the stump. First of all， a finite element model of bamboo stump-bamboo stump cutter is established in ANSYS， then joint-broken and wall-broken simulation is carried out and test analysis is done， finally， a test platform is built to verify it. The results show that the bamboo stump cutter developed in this paper can explode bamboo stump with an external diameter of 110-130 mm. The optimal parameter combination of joint-broken is as follows， the back angle of axial cutter is 30°， and the speed of cutter is 5 000 r/min. The parameter combination of wall-broken is that the back angle of radial cutter is 20°， and the cutter speed is 5 000 r/min.

Keywords：

bamboo stump; bamboo stump cutter; adjustable size; finite element analysis; ANSYS simulation

0 引言

目前森林木材資源严重缺乏，竹材将代替木材成为建筑材料资源［1-4］。竹材被砍伐后所遗留的桩根（竹篼）在自然条件下需要8～10年才会被微生物彻底分解［5， 6］，遗留的竹篼挤占竹材根部的生长空间而降低竹材的产量，因此有必要及时清除竹篼。国外市场上未见竹子采伐、栽培系列装备，更未见清理竹篼设备［7］。国内目前清除竹篼常见有两种方法，第一种是对竹篼整体清除，采用破篼刀具对竹篼进行整体的铣削，或者先采用刀具切削掉竹篼周围的竹根，然后拔掉整个竹篼。此方法清除竹篼比较彻底、见效快，文献［6-12］等采用该方法研究的破篼设备，对竹篼的清除都有一定的效果，但存在效率较低、功耗大、尺寸较大，不便携带等不足；第二种方法是先破坏竹篼内的竹节，然后灌入药水来腐蚀竹篼，朱才熙［13］、华文礼［14］等先采用钢管戳破竹节，然后再倒入药水腐蚀竹篼，竹篼腐烂的时间缩短至3～6个月，但是此方法劳动强度大，且未能破坏竹篼内的竹黄；如能在破坏竹节时同时也破坏竹黄，其腐烂的时间会更短。因此本文研究开发一款破坏竹节与竹黄的刀具，可用于破坏竹篼的竹节及竹黄，对竹篼清理设备的研究与开发具有一定的实际应用价值。

1 竹篼切削力的测定

竹篼的切削力是破篼刀具重要的设计参数，因此有必要对其进行测定。竹篼取于福建龙岩某一竹林，竹篼的参数如表1所示。简化的竹篼模型如图1所示。由文献［15］可知，从竹青至竹黄的密度逐渐减小，维管束等组织越少，力学性能指标越低，为提升竹篼的腐烂效率，可以破坏竹黄及部分的竹壁。由文献［16］可知，竹壁在受到使维管束产生顺纹分离的力时，竹篼最易被破坏。因此本文对切削竹壁所需的切削力Fa做测定。如图2所示，刃口角度β取40°，刃口长度取20mm，取10次试验的最大值为413N。

2 破篼刀具设计

2.1 破篼刀具工作原理

破篼刀具主要由破坏竹黄的径向刀、破坏竹节的轴向刀、刀盘、定位钻头及刀轴组成（图3），定位钻头的作用是刚切割时的定位及防止破节时发生横向打滑，刀盘外圈设有两个切割刃口（即轴向刀）来切割竹节，径向刀位于刀盘之上，与支架铰连接，用弹簧将其与弹簧柱相连；当对刀轴施加旋转动力时，径向刀由于离心力的作用而张开从而切削竹黄及竹壁，其工作半径会随着刀轴转速的改变而变化，从而适应不同尺寸竹篼的破篼要求。支架与盘轴用螺栓连接，支架与刀盘螺纹连接，盘轴与刀轴焊接固定。

2.2 径向刀主要参数

本破篼刀具的径向刀的破壁刃口是基于单刃车刀理论进行设计，其主要参数：刃口长度为20mm，刃口角度为40°，如图4所示。

2.3 轴向刀主要参数

轴向刀参照木工开孔钻头进行设计，底部有两条切割主刃口，其主要参数：刃口长度为5mm，刃口角度为45°。轴向刀如图5所示。

选用T8钢作为径向刀与轴向刀的材料，其强度、刚度和耐磨性可满足工作要求。

2.4 径向刀的工作转速

当破篼刀具旋转工作时，径向刀的离心力Fb在竹壁对刀具的作用力Fa方向上的分力与Fa和弹簧在Fa方向上的分力之和相等、方向相反，而Fb与破篼刀具工作转速及径向刀的质量有直接关系。因此，必须确定有效的工作转速范围，使其能够克服切削竹壁的反力作用Fa，受力分析如图6所示。

3.1.2 破篼刀具参数设定

破篼刀具材料选用T8合金钢，材料特性参数填入ANSYS中，K为体积模量，如表3所示。

3.2 网格划分

竹篼及破篼刀具均可采用自由网格划分法［21］，竹篼的竹节、竹内壁、轴向刀、径向刀为主要受力部位，可根据需要采用人工进行网格的划分，而其余部位采用ANSYS智能尺寸控制技术来控制网格大小。网格划分后的破节、破壁有限元模型如图7所示。

4 仿真及结果分析

4.1 破节仿真分析

取轴向刀后角角度、刀盘转速作为竹篼破节的影响因素作全面试验，以破节的能耗为优化目标，轴向刀后角如图8所示。试验因素及水平如表4所示，全面试验方案及试验结果如表5所示，A、B为因素编码值。

取显著性水平α=0.05，由表6可得，因素A和因素B对试验指标能耗均有显著性影响，且因素B的影响更大。综合表5、表6，可得破节的最优方案为B2A2，即轴向刀后角的角度为30°、刀盘转速为5000r/min时破节的能耗较低。

因素A、B对破节能耗的影响趋势如图9所示，即轴向刀后角角度在15°～30°时，能耗与轴向刀后角的大小成负相关；在30°～45°时，能耗与其成正相关；刀盘转速在4 000～5 000r/min时，能耗与其成负相关，而在5 000～6 000r/min时，能耗与其成正相关。当轴向刀后角的角度为30°、刀盘转速为5 000r/min时，其应力云图如图10所示，竹节成功被切除。

4.2 破壁仿真分析

取径向刀后角角度、刀盘转速作为竹篼破壁的影响因素作全面试验，以径向刀具切削弧长为280mm的竹壁所需的能耗为指标，径向刀后角如图11所示。试验因素及水平如表7所示，全面试验方案及试验结果如表8所示，其中C、B为因素编码值。

取显著性水平α=0.05，从方差分析结果（表9）可得，因素C对试验指标能耗无显著性影响、因素B对试验指标能耗有显著性影响。综合表8、表9，可得破壁的最优方案为B2C2，即径向刀后角角度为20°、刀盘转速为5000r/min时破竹壁能耗较低。

因素C、B对破壁能耗的影响趋势如图12所示，即径向刀后角角度在10°～20°时，能耗与径向刀后角的大小成负相关；在20°～30°时，能耗与其成正相关；刀盘转速在4 000～5 000r/min时，能耗与其成负相关，而在5 000～6 000r/min时，能耗与其成正相关。当径向刀后角的角度为20°、刀盘转速为5 000r/min時，其应力云图如图13所示，内竹壁成功被切除。

5 试验及讨论

为验证仿真结果，制作破篼刀具并搭建试验台进行试验，试验平台示意图（图14），试验平台实体图（图15），其包括动力系统、控制系统、功率测试系统、升降系统。动力系统主要为电机；控制系统主要由变频器、塔轮、皮带等组成，其控制刀具工作转速；功率测试系统主要由扭矩传感器、扭矩功率仪等组成；升降系统控制破篼刀具的升降。

按照试验号分别进行试验，由扭矩功率仪记录功率，根据式（7）计算出能耗，每个试验号做3次试验，试验结果取均值。

w=pt

（7）

式中：

w——能耗，J；

p——功率，W；

t——时间，s。

破节、破壁效果如图16所示，竹节成功被切除；竹壁内保护层成功被切除，维管束清晰可见。

如图17所示，破节、破壁试验结果与仿真结果有一定误差，试验结果能耗较高，但趋势一致，原因为试验中动力的传输由于摩擦而损失了一部分能量，验证了仿真结果的正确性。

关于轴向刀、径向刀后角角度对破节、破壁能耗的影响，是因为刀具后角增大，刀具楔角减小，且刀刃钝圆半径也减小，导致刃口锋利更容易切入竹篼，所以能耗降低；当后角角度再继续增大时，刀具楔角过小而削弱刃口的强度，导致刃口往切削相反方向变形，使得切削阻力增大，能耗增高，与文献［22］的试验结论相似。

关于刀盘转速对破节、破壁能耗的影响，当转速较低时，刀具切削竹篼所形成的碎块尚未脱落，尚未脱落的碎块对刀具产生了挤压，使得阻力增大而能耗升高，当转速达到5000r/min时，因所形成的碎块尺寸较小而直接脱落，使得阻力减小而能耗下降，当转速再继续增大时，导致摩擦能耗显著增高，同时所产生碎块尺寸也变小，在此过程中有一部分能量用于颗粒的破碎，使得能耗升高。

6 结论

以竹篼物理力学性能为基础，设计破篼刀具并对其进行显式动力学仿真及试验验证。

1） 竹篼的竹黃部位的物理力学性能指标最低，在此部位施加竹篼圆周切向的载荷最易使竹篼破坏。

2） 轴向刀后角角度、径向刀后角角度、刀盘转速对能耗均有影响，刀盘转速对能耗的影响最大。破节最优方案为轴向刀后角角度30°、刀盘转速5000r/min；破壁最优方案为径向刀后角角度20°，刀盘转速5000r/min。

3） 此破篼刀具只适用于外径为110～130mm的竹篼破篼的作业。

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