香蕉茎秆纤维提取机刀片的分析和优化设计_基于solidworks

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1、2015年1月农机化研究第1期香蕉茎秆纤维提取机刀片的分析和优化设计—基于SolidWorks李成斌，梁栋，张喜瑞，郑侃，陈实(海南大学机电工程学院，海口570228)摘要:为减小香蕉茎秆纤维提取机刀片工作时的最大应力，增大其安全系数，利用SolidWorks软件对刀片进行三维建模，运用软件的Simulation插件分析刀片的应力、应变云图，并对刀片相关尺寸进行优化设计。优化结果显示，刀片的最大应力由68．58MPa下降到49．33MPa，下降约28%;刀片的最小安全系数由3．21上升到4．47，增加了约1．4倍;刀片的质量由0．70

2、2kg下降到0．698kg，达到了优化的目标。关键词:刀片;应力;安全系数;香蕉;茎秆纤维+中图分类号:S226．79文献标识码:A文章编号:1003－188X(2015)01－0068－03DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.01.016基于有限元技术的设计分析软件，已广泛应用于机械0引言［12－15］的设计分析。本文运用SolidWorks软件及其长期以来，香蕉秸秆由于分布散、体积大、收集运Simulation插件针对香蕉茎秆刮麻机的主要工作部件输成本高和缺乏适宜的机械化处理技术等原因，处理旋转刀片进行三维

3、建模、有限元分析和优化设计，为［1］起来较为困难。因此，蕉农多采用田间堆弃、焚烧机器的后续设计改进提供理论依据。等方式去处理香蕉秸秆，不仅造成了资源的浪费，而1静态分析且容易引起大气污染、土壤矿化，甚至火灾和交通事［2－3］故等问题。在与棉纤和化纤的对比中，研究人员1．1建立三维模型，设置材料参数发现香蕉秸秆纤维不仅光泽度更好，而且具有更高的依次利用SolidWorks中的草绘、拉伸、切除命令建吸水性。此外，香蕉茎秆纤维是一种植物生态纤维，立动刀片的三维模型，刀片的尺寸及三维模型如图1对人体的刺激小，即便是在成为垃圾时也不会对环境所示

4、。造成负面影响，因此越来越多的人开始将其应用于纺［4－8］织、服装领域的研究。香蕉茎秆的机械化提取方法研究中:欧忠庆等人研发了一种香蕉茎秆破片机和［9－10］一种香蕉茎秆刮麻机并对其进行了改进;张喜瑞等人研发了能一次喂入即完成纤维提取的组合式香［11］蕉茎秆纤维提取机。然而，在类似的机器设计中，关于刮制纤维的刀片的应力分析及优化设计较少。由于刀片工作时高速旋转，已有的计算和检测方法难以获得其应力状态，而有限元分析采用数值分析手段，可以有效模拟真实物理条件下的部件应力状态，且能对部件尺寸进行优化设计以降低部件的最大应力，提高其安全系数。

5、SolidWorksSimulation是一种图1刀片的尺寸及其三维模型收稿日期:2014－01－14Fig．1Thesizeofthebladeanditsthree－dimensionalmodels基金项目:公益性行业(农业)科研专项(201203072－01);国家自然动刀片的材料为碳素结构钢，在Solidworks材料科学基金项目(51105123)作者简介:李成斌(1990－)，男，河南信阳人，硕士研究生，(E－mail)库中进行选择，其材料参数如下:1287162725@qq．com。泊松比:0．28通讯作者:梁栋(19

6、71－)，男，广西灵山人，教授，(E－mail)xjn04@－211163．com。弹性模量/N·m:2．10×10·68·2015年1月农机化研究第1期－210抗剪模量/N·m:7．09×10的受力如图2所示。F为F1与F2的合力，通过试验测屈服强度/MPa:220定:当F1=83N，F2=220N时，即可满足刮制出香蕉茎张力强度/MPa:399．3秆纤维的要求;F1、F2过大，则刀片易刮断纤维，导致－3密度/kg·m:7800纤维损失率高。1．2设置外部载荷1．3网格划分动刀片通过螺栓固定在刀辊上，参考相关文献利用标准网格器对动刀

7、片进行网格划分，划分后［16－17］，选择在螺栓孔处添加固定端约束，如图2网格信息如下:所示。单元总数:56926节点数:95484单元大小/mm:2．23782公差:0．111864带高宽比例的单元百分比:＜3:100带高宽比例的单元百分比:＞10:0网格品质等级为高。图2刀片的受力示意图Fig．2Mechanicsanalysisoftheblade1．4静态算例结果分析刀片在工作时高速旋转，通过打击、刮削香蕉茎运行算例后，刀片的应力、应变、位移、安全系数秆而使香蕉茎秆纤维暴露出来，刀片刀刃上任意一点云图，如图3所示。图3静态算例

8、分析结果云图Fig．3Theresultsofstaticcalculationanalysis从图3可以看出，刀片的最大应力在螺栓孔处，大小约为68．6MPa，小于刀片材料的屈服应力·69·2015年1月农机化研究第1