廢舊汽車雙軸粉碎機(jī)刀具的設(shè)計(jì)和分析*

王中原,李 宣，馬 莉，蘇小華

(北方重工集團(tuán)有限公司, 遼寧 沈陽(yáng) 110141)

0 引 言

隨著汽車工業(yè)的加速發(fā)展，汽車的更新速度加快，廢舊汽車的數(shù)量也逐年增加[1]，報(bào)廢汽車作為再生資源領(lǐng)域的重要類別和新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景[2]。目前中國(guó)報(bào)廢汽車回收拆解業(yè)正處于探索階段，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正回收拆解，而汽車預(yù)粉碎成套裝備有效解決廢舊汽車破碎難題，實(shí)現(xiàn)對(duì)廢舊汽車的直接預(yù)粉碎，具有低能耗、高效率、操作維護(hù)方便等特點(diǎn)，為廢舊汽車拆解提供新的解決方案。廢舊汽車預(yù)粉碎裝備，由抓鋼機(jī)、粉碎機(jī)、帶式輸送機(jī)、永磁除鐵器、金屬帶式輸送機(jī)電氣控制系統(tǒng)等組成，其中粉碎機(jī)的刀具主要包括刀片和刀軸，是整套裝備的核心部分。

筆者根據(jù)汽車粉碎機(jī)實(shí)際工作情況，對(duì)刀具的刀軸進(jìn)行受力分析，得到刀軸工作時(shí)所受力矩，并通過(guò)有限元軟件Ansys對(duì)刀具的刀片工作狀態(tài)下的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行分析計(jì)算，為汽車粉碎機(jī)刀具材料的選擇提供重要的依據(jù)。

1 雙軸粉碎機(jī)刀具工作原理

刀具和刀軸的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 刀具和刀軸結(jié)構(gòu)圖

粉碎機(jī)采用雙軸撕碎的設(shè)計(jì)，即采用兩個(gè)刀具進(jìn)行撕碎；一個(gè)刀具呈順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)刀具成逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)刀具形成相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，金屬進(jìn)入到料斗后，由兩個(gè)刀具的相互撕扯、擠壓、剪切將物料進(jìn)行撕碎。

當(dāng)物料撕碎遇到硬質(zhì)性物料導(dǎo)致刀具無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，改變兩個(gè)刀具的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，將金屬退出刀具的作用范圍；然后刀具恢復(fù)正常工作的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，讓物料重新進(jìn)入到刀具的作用范圍，形成反復(fù)的擠壓、撕扯，從而達(dá)到將物料完全撕碎的目的[3]。

2 刀具計(jì)算

刀具剪切過(guò)程如圖2所示，剪切面積為圖中刀刃AB與CD之間所夾面積，設(shè)板材厚度h，咬入角α，刀刃受到的作用力分為兩部分，即：

圖2 刀具剪切工況示意圖

F=F1+F2

(1)

式中：F1為剪切力；F2為已剪開的板材對(duì)刀具的作用力，由被剪開板材的彎曲產(chǎn)生。

(2)

W=K1σbK2δ=σbδ

(3)

式中：K1、K2為換算系數(shù)，取K1K2=1；σb為被剪切板材強(qiáng)度極限；δ為相對(duì)延伸率。

(4)

式中：Z1為刀具厚度與板材厚度比值d/h有關(guān)的系數(shù)，如圖3所示。當(dāng)d/h>15時(shí)，Z1趨近于漸進(jìn)線Z1=1.4。刀具厚度d=135 mm，而板的厚度為8 mm，可見(jiàn)比值d/h>15，所以取Z1=1.4。

圖3 Z1與d/h比值圖

由式(1)、(2)、(4)可得，刀具所受到的總作用力為：

(5)

設(shè)定刀具剪切時(shí)，兩軸上的刀具同步同位對(duì)稱剪切，設(shè)剪切力F的作用點(diǎn)在弦AB、CD中點(diǎn)，則α可由下式求得：

EF+2Lcosα=L′

(6)

式中：L為AB和CD中點(diǎn)到軸心O的距離，L′為兩刀具軸心之間的距離。

因此，若已知兩軸心距離L′、EF、剪切力作用點(diǎn)到圓心的距離L，即可求得該作用點(diǎn)的咬入角：

(7)

設(shè)相對(duì)剪切率為ε，則BD=h-εh，而AC=h，則：

EF=(AC+BD)/2

=(1-ε/2)h

(8)

將(7)、(8)代入(5)可以得到：

F1=

(9)

式中：撕碎板厚最大h=8 mm，兩軸心距離L′=720，板抗拉強(qiáng)度為600 MPa。一般地，抗剪強(qiáng)度取抗拉強(qiáng)度的0.8倍，取其抗剪強(qiáng)度σb=480 MPa[5]。

表1給出了不同剪切強(qiáng)度條件下的相對(duì)延伸率δ和相對(duì)剪切率ε的對(duì)應(yīng)值，抗剪強(qiáng)度σb=480 MPa時(shí)，相對(duì)延伸率δ=0.314，相對(duì)剪切率ε=0.394。

表1 σb、δ及ε對(duì)應(yīng)值

將L′=720 mm，L=374.33 mm，及其以上參數(shù)代入(9)得：F=37 489 N。

實(shí)際工況中，刀具所受到的破碎材料施加的力矩為：

M=F×R

(10)

R=Lsinα

(11)

R為F到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的力臂，每個(gè)刀具兩側(cè)的刀刃都會(huì)受到作用力，1個(gè)刀軸上受到的力矩為：

M=2nFLsinα

(12)

1根刀軸上的刀片數(shù)n=8，代入式(12)得，M=67 868 Nm，設(shè)安全系數(shù)為3，則1根刀軸扭矩為M′=203 604 Nm。

3 刀片的有限元計(jì)算和分析

在普通工況下，刀片上6個(gè)刀具單元只有1個(gè)刀具工作，但是在極端工況下，實(shí)際受力刀具單元會(huì)大于1，所以這里考慮覆蓋極端工況，6個(gè)刀具單元全部受力。將計(jì)算扭矩作為輸入條件，采用有限元分析軟件Ansys對(duì)刀片在工作狀態(tài)下的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行有限元計(jì)算[6]。

3.1 結(jié)果分析及應(yīng)用效果

如圖4所示，刀體位移較小，最大位移出線在兩刃交點(diǎn)處，達(dá)到0.26 mm;而在前鉤上，如圖5所示，前鉤最大位移出現(xiàn)在刀刃上，達(dá)到0.22 mm。

圖4 刀體位移云圖 圖5 前鉤位移云圖

如圖6所示，刀主體最大應(yīng)力在30 MPa左右，應(yīng)力較低，強(qiáng)度儲(chǔ)備充裕；刀受力較大，最大應(yīng)力在180 MPa左右，出線在兩刃交點(diǎn)處，整體平均應(yīng)力在60 MPa以上；如圖7所示，前鉤受力非常大，最大應(yīng)力352 MPa，出線在刀刃處，可以說(shuō)一般材料難以承受如此大的載荷。

圖6 刀體應(yīng)力云圖 圖7 前鉤應(yīng)力云圖

3.2 材料選用

硬質(zhì)合金是高硬度、難溶的金屬化合物，與高速鋼相比，具有較高的硬度、耐磨性和紅硬性；與超硬材料相比，具有較高的韌性，被廣泛應(yīng)用于刀具行業(yè)。其中YG6具有很好的焊接性能，可承受沖擊載荷，根據(jù)結(jié)果分析，鉤、刀材料可選用硬質(zhì)合金YG6刀具釬焊于主刀體上，但硬質(zhì)合金YG6的價(jià)格很高，平均40萬(wàn)元/噸[7]。而SKD11作為萊氏體高炭高鉻鋼，具有高耐磨性、好韌性，主要用于重負(fù)載切削工具，性能可滿足破碎刀具的使用要求，但價(jià)格僅為硬質(zhì)合金的1/8，綜合考慮采用SKD11作為刀具刀片的材料。

4 結(jié) 語(yǔ)

刀具作為雙軸粉碎機(jī)的重要部件，工作時(shí)受力情況復(fù)雜，所以其材料的選擇至關(guān)重要。通過(guò)對(duì)雙軸粉碎機(jī)刀具工作狀態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算，得到粉碎過(guò)程中的刀軸所受的扭矩?cái)?shù)據(jù)，也為后續(xù)對(duì)刀具的刀片分析提供依據(jù)。依據(jù)刀軸扭矩?cái)?shù)據(jù)，采用有限元分析軟件Ansys對(duì)刀具的刀片進(jìn)行計(jì)算和分析，獲得粉碎過(guò)程中刀片的位移和應(yīng)力云圖，為刀軸和刀片的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提供了重要的指導(dǎo)意義。