香蕉假茎揉碎机粉碎装置的有限元分析

 引言
我国是世界香蕉生产的主要国家之一，2010年我国香蕉种植面积达到35.33万hm2左右，产量约为985万吨，若香蕉假茎与香蕉产量的重量比为2.4，则年产香蕉假茎量达2400万吨。长期以来，除少量用作肥料和燃料外，大部分弃于田间，任其腐烂，既浪费资源又污染环境[1-3]。一种处理香蕉假茎的有效方法是通过香蕉秸秆揉碎机对其加工，通过揉碎，可以将香蕉假茎加工成具有一定长度和粗细度的丝状段，丝状段的香蕉假茎可以用于牲畜的饲料、还田肥料和造纸原料等。
香蕉假茎揉碎机的核心部件是粉碎装置，粉碎装置主要由粉碎刀滚和粉碎刀组成，粉碎刀滚筒转速、回转半径、粉碎刀形状和排列直接影响到揉碎机处理香蕉假茎的加工质量和生产效率。因此，本文设计出满足处理香蕉假茎工作性能的粉碎刀滚和粉碎刀，并通过Solidworks软件对粉碎装置三维实体造型以及对粉碎刀进行有限元分析。
1 粉碎装置的设计及工作原理
1.1 粉碎装置主要参数的确定 粉碎刀的排列方式不仅影响香蕉假茎的揉碎质量，而且影响揉碎机的平衡性。本设计在粉碎刀滚圆柱面圆周方向均匀分布3排粉碎刀，每排粉碎刀在轴向方向有5把粉碎刀，每把粉碎刀通过焊接方式与粉碎刀滚圆柱面固定。粉碎刀的设计有以下优点：①粉碎刀排列无漏割。②粉碎刀轴向间距大，径向相邻的揉碎刀夹角大，避免了香蕉假茎干扰和阻塞。③粉碎刀轴向分布均匀，径向呈等角分布，空载旋转时粉碎刀滚所受载荷均匀，粉碎刀不会产生离心力。
1.1.1 粉碎刀滚转速确定 粉碎刀滚转速高低的选取直接影响香蕉假茎揉碎效果[4]，粉碎刀滚转速太高增加揉碎机的能耗、不平衡性和噪声，粉碎刀转速太低影响揉碎机对香蕉假茎的加工质量和生产效率。由于秸秆理论切割长度L取决于秸秆喂入速度V和单位时间内的切割次数[5]，得出下式：n=■ （1）
式（1）中：Z——圆周方向粉碎刀数，Z=3。
本设计中，香蕉假茎喂入速度V由前道工序决定，取V=3.6m/s，粉碎后的香蕉假茎丝状物长度L为20～100mm，取平均长度60mm，结合上述参数代入上式得粉碎刀辊转速n=1200r/min。
1.1.2 粉碎刀滚和粉碎刀尺寸确定 粉碎刀滚的回转半径大小将直接影响机器的工作效果及粉碎刀滚的平衡、振动等，在粉碎刀滚转速一定的情况下，粉碎刀回转半径增大，会使机具整体尺寸增大，粉碎刀滚的不平衡因素也增大，振动激增[6]。结合室内试验和理论计算，本文设计的香蕉假茎揉碎机粉碎刀滚直径为100mm，粉碎刀回转半径为125mm，粉碎刀选取改进的锤爪型刀片，由于锤爪型刀片质量较大，产生很大的锤击惯性力对香蕉假茎粉碎效果好[7]。粉碎装置结构示意图如图1所示。
1.2 粉碎装置三维实体造型 Solidworks软件是基于特征的三维造型软件，具有强大的特征造型能力、直观的对话窗口和装配控制能力，在同一界面可完成设计和绘图工作。根据图1粉碎刀和粉碎滚筒AutoCAD二维尺寸在Solidworks环境中进行特征造型并保存，然后对粉碎装置进行整体结构虚拟装配。其Solidworks装配图如图2所示。
1.3 粉碎装置工作原理 粉碎刀滚的主动轴通过皮带轮与电机动力输出轴相连。工作时，如图1主视图所示，香蕉假茎经过前几道工序处理以3.6m/s从右向左进入粉碎装置中，粉碎刀辊以1200r/min逆时针高速转动，粉碎刀尖对香蕉假茎产生很大的冲击力，使香蕉假茎打断成长度60mm左右的丝状物，最后这些丝状物通过粉碎装置后的排料口排出，作为原材料用于后续加工。
2 粉碎刀有限元静力学分析
2.1 材料设置 对粉碎刀三维模型进行有限元静力学分析，粉碎刀材料选用65Mn钢，65Mn钢有较高强度、较大淬透性等优点。
2.2 施加约束和载荷 由于粉碎刀焊接在粉碎刀辊圆柱面上，所以将粉碎刀下端圆柱面设置为完全约束。在工作过程中，粉碎刀在各刀刃处受的切割力随着转角的变化而不同，从粉碎刀强度校核考虑，只考虑载荷最大工况下粉碎刀的受力，如图3所示。根据对脱水后的香蕉假茎强度测试得到切割阻力为300N，因此在粉碎刀刀刃上加300N的阻力。
2.3 网格划分 网格划分是有限元分析最关键的一个步骤，网格的划分直接影响计算机求解的速度和精度[8]。为了保证粉碎刀有限元分析的精确度，在Solidworks软件的Simulation中选择较高的网格品质，采用自动过渡功能，以保证粉碎刀过渡区域有较大的网格密度，其余受应力较小的部分网格密度小。设定网格类型为实体网格，最大单位为3.34596mm，最小单位为0.669193mm，雅可比为4点，将粉碎刀三维模型共划分为12372个单元格，节总数为20146个。如图4所示。
2.4 粉碎刀有限元分析结果讨论 通过对设计的粉碎刀的有限元分析，得出粉碎刀在上述约束和载荷下的应力云图，如图5所示。由应力云图可看出，最大应力位于粉碎刀刀把和刀柄相连的突变处，此处的应力的值为52.74Mpa，远远小于材料的屈服强度430Mpa，安全系数为s=430/52.74=8.15。粉碎刀在上述约束和载荷位移云图，如图6所示。粉碎刀刀刃位移最大，此处位移量的大小为0.061mm，依据材料的特性和设计安全要求得到，该粉碎刀的设计是可靠的。
3 结论
本文设计了适合香蕉假茎揉碎机粉碎装置，根据粉碎后香蕉假茎丝状物的长度，计算出粉碎刀滚的转速1200r/min。参考已有机器的参数，选用粉碎刀滚直径为100mm，粉碎刀选取改进的锤爪型刀片回转半径为125mm。通过Solidworks软件对粉碎装置进行三维实体建模，并用Simulation模块对粉碎刀进行了有限元计算、校核和分析，得出该粉碎刀满足设计要求。该粉碎装置的成功研制，大大提高香蕉假茎揉碎机的加工质量和生产效率，有利于促进我国香蕉主产区香蕉假茎的进一步综合利用。