整體式圓鋸片的設計與有限元分析

劉金南

（江陰職業技術學院 機電工程系，江蘇 江陰 214405）

整體式圓鋸片的設計與有限元分析

劉金南

（江陰職業技術學院 機電工程系，江蘇 江陰 214405）

針對沙生灌木切割時存在的變形、振動等問題，設計并建立了整體式圓鋸片的有限元模型，采用ANSYS軟件對其進行靜力分析和模態分析，得到圓鋸片在轉速1910r/min下的應力、變形分布云圖以及前4階固有頻率和振型。分析表明：圓鋸片最大變形為4.0210-2mm，相對結構尺寸可忽略，工作應力最大為11.313MPa，遠小于材料的屈服極限785MPa；最低固有頻率為299.2Hz，遠高于圓鋸片的轉動角頻率，其工作穩定可靠，具有良好的動態特性。

沙生灌木；圓鋸片；有限元分析；固有頻率

1 圓鋸片結構設計

在切割沙生灌木過程中，圓鋸片的厚度越小，切割灌木生成的斷面越光滑，但對于直徑大的鋸片，切割時鋸片容易產生形變，甚至斷裂。實際采用增大夾盤直徑和厚度的方法來彌補，但是鋸片下方的夾盤會對沙生灌木斷面產生摩擦及擠壓造成破壞，不利于灌木的來年生長，文章設計了一種整體式圓鋸片，不需要夾盤來提高其穩定性，其結構如圖1所示。

圖1 圓鋸片結構圖

圓鋸片的材料為65Mn彈簧鋼，圓鋸片與液壓馬達主軸通過鍵連接，選用YM-A32B型液壓馬達，轉速初步設定為1910r/min，工作時相當于只有鋸片邊緣對灌木進行接觸切割，減少了對灌木斷面的擠壓與摩擦，有利于灌木的來年發芽，因而有效提高了鋸片的性能。

2 圓鋸片主要參數計算

（1）基體設計。根據灌木種植要求，采用雙圓盤結構，因此需要圓鋸片直徑D=600mm，為保證能與液壓馬達匹配，其孔徑d=25mm，由實驗驗證，鋸片齒數z=80時切削性能較好，鋸片材料選用65Mn，此種材料具有較好的韌性和耐磨性。切割時實際對灌木形成鋸切作用的是圓鋸片的邊緣部分，為使切斷斷面光滑，邊緣厚度為2mm，內部凸起成不等厚的梯形結構，由鋸切實驗分析，邊緣部分留有90mm以作緩沖，不僅保證了鋸片強度，還能提高抗沖擊能力，經計算鋸片體積為1.6710-3m3，質量為13.1kg。

（2）鋸齒設計。圓鋸片的鋸齒角度影響著切削的性能效果,對切削影響最大的是前角、后角、楔角。根據實際鋸切情況，文章設計的鋸片齒形為直齒，齒高10mm，前角為15°，后角為15°，楔角為60°，如圖2所示，經灌木鋸切實驗驗證，在切割灌木時鋸片每個工作齒受到的主要鋸切力在5N以內，鋸齒強度滿足要求。

圖2 鋸齒結構圖

3 圓鋸片有限元分析

（1）建立有限元模型。①幾何模型建立與導入。文章通過從CAD系統中導入實體模型，將在Pro/Engineer建立的圓鋸片幾何模型轉成IGES格式，通過ANSYS與IGES格式之間的接口，將模型導入ANSYS中。②材料屬性設置。在ANSYS Workbench中有豐富的材料庫，設定時可直接選擇材料庫已有的材料，也可以在工程數據應用模塊（Engineering Data）中編輯材料屬性，定義新材料，文章將整個圓鋸片的材料設定為65Mn，彈性模量為2.1e+11Pa，泊松比為 0.3，密度為7.85e3kg/m3。③網格劃分。在ANSYS Workbench中采用自由劃分的方法生成有限元網格，并控制單元尺寸（Element size）為5mm。④施加約束條件和載荷。根據動力學原理，對圓鋸片與旋轉軸所接觸的軸孔表面進行全約束，然后對圓鋸片施加旋轉角速度，圓鋸片最大轉速設為1910r/min，將其轉化為199.9rad/s，為模擬實際切削條件，對其25個齒面各施加5N載荷力。

圖3 整體式圓鋸片變形云圖

圖4 整體式圓鋸片應力云圖

（2）圓鋸片靜力分析。通過ANSYS中的“Static Structural”模塊進行靜力分析，選擇PCG迭代求解器進行求解，查看仿真結果，整體式圓鋸片的變形云圖如圖3所示，所受應力云圖如圖4所示。通過對整體式圓鋸片模型的靜力分析結果可知，其最大變形點都位于圓鋸片鋸齒邊緣處，變形主要是由鋸片旋轉產生的離心力以及鋸齒面上所受力導致的，但最大變形為4.0210-2mm，相對整個圓鋸片結構尺寸可以忽略，鋸片的最大應力為11.313MPa，主要集中在軸孔四周位置，越往外應力越小，遠小于材料的屈服強度785MPa，因此該整體式圓鋸片具有足夠的強度和剛度，可保證安全工作。

（3）圓鋸片模態分析。通過ANSYS中的“Modal”模塊進行模態分析，選擇PCG迭代求解器進行求解，設置擴展模態為4階，查看仿真結果，可得到整體式圓鋸片的前4階固有頻率，分別為1階299.02Hz，2階303.32Hz，3階394.52Hz，4階441.31Hz。其中1階振型是繞X軸（Y-Z平面內）左右擺動，2階振型是垂直于Y軸（X-Z平面內）左右擺動，3階振型是繞Z軸（X-Y平面內）上下扭動，4階振型是繞Z軸（X-Y平面內）起伏扭動。圓鋸片在1910r/min下的角頻率（31.8Hz）遠小于圓鋸片的最低固有頻率，因此系統不會發生共振，其動態特性良好，可保證穩定工作。

4 結語

（1）針對沙生灌木切割時存在的變形、振動等問題，設計了一種整體式圓鋸片，經計算鋸片體積為1.6710-3m3，質量為13.1kg。

（2）對整體式圓鋸片進行了靜力分析，得到其變形云圖和應力云圖，該圓鋸片的最大變形為4.0210-2mm，相對于圓鋸片的結構尺寸可以忽略；最大應力為11.313MPa，遠小于鋸片材料的屈服強度785MPa，總體的強度和剛度足夠，都可保證安全工作。

（3）對整體式圓鋸片進行了模態分析，得到整體式圓鋸片的前4階固有頻率，分別為1階299.02Hz，2階303.32Hz，3階394.52Hz，4階441.31Hz，遠高于圓鋸片轉動時的角頻率，其動態特性良好，可保證穩定工作。

Analysis of Design and Finite Element of Integral Circular Saw Blade

LIU Jin-na
（Mechanical and Electrical Engineering Department，Jiangyin Vocational and Technical College，Jiangyin，Jiangsu 214405，China）

For problem of deformation and vibration in cutting desert shrubs，the paper designs andbuilds the integrated finite element model of the circular saw blade，using ANSYS software to carry on the static analysis and modal analysis，get the circular saw blade in the speed of 1910r/min under the stress and deformation distribution contours and the first four order natural frequency and vibration mode.Analysis shows that the circular saw blade for4.0210-2mm，maximum deformation relative structure size can be ignored，11.313 MPa，the maximum working stress is far less than the yield limit of material785MPa；The lowest natural frequency of299.2Hz，far higher than that of circular saw blade rotation angular frequency,its stable and reliable work，has the good dynamic characteristics.

desert shrubs；circular saw blade；finite element analysis；natural frequency

TS643

A

2095-980X（2016）10-0065-02

2016-09-14

內蒙古自治區林業廳重點科研項目（內林科研［2012］521號）

劉金南（1988-），男，江蘇無錫人，碩士研究生，主要研究方向：檸條平茬技術與裝備。