基于ANSYS的鋸齒式皮棉清理機對棉纖維損傷影響研究

張秀娟，劉永康，董全成

（1.濟寧市技師學院 科研處，山東 濟寧 272100；2.濟南大學 機械工程學院，濟南 250022）

棉花加工對棉纖維造成的損傷會使棉纖維的多個指標受到影響，從而會降低皮棉的整體品質[1]。鋸齒式皮棉清理機是棉花加工中的重要設備，其清理過程能夠有效改善皮棉外觀品質，降低皮棉雜質含量，但是鋸齒式皮棉清理機的排雜刀與棉纖維的機械接觸，也會使棉纖維產生一定程度的損傷[2-3]。鋸齒式皮棉清理機的不同結構參數和工藝參數會對棉纖維的損傷程度產生影響，損傷程度不同，則會影響皮棉品質的不同指標。如果造成棉纖維斷裂或者撕裂，會使棉纖維的整體長度降低，短纖維含量增加，如果使棉纖維表面受到損傷，則會影響皮棉的反射率、斷裂比強度等指標[4-6]。本文基于ANSYS軟件，通過構建棉纖維、排雜刀的模型，采用仿真手段重點研究鋸齒滾筒轉速、排雜角和排雜刀刃角等參數對棉纖維的損傷程度影響規律[7-8]。

1 仿真模型構建

1.1 鋸齒式皮棉清理機工作原理

鋸齒式皮棉清理機在清理過程中，鋸齒滾筒上的鋸齒勾拉住棉纖維進行高速旋轉，旋轉過程中，棉纖維勾拉著的雜質會暴露在棉層表面。當棉纖維和靜止的排雜刀發生碰撞、沖擊時，大部分雜質能夠脫離棉纖維的束縛，被清理出去。棉纖維由于與排雜刀發生碰撞、沖擊，會受到一定程度的損傷。

由圖1可以看出，鋸齒滾筒的轉速不同，會使棉纖維與排雜刀接觸時的沖擊應力發生變化，從而會影響棉纖維的損傷程度。

圖1 鋸齒式皮棉清理機清理示意圖

圖2中，α為排雜刀刃角；β為排雜角。根據力學分析，這2個參數不同，會改變棉纖維與排雜刀接觸時的沖擊應力大小，不同的沖擊應力會造成不同程度的棉纖維損傷。

圖2 排雜刀刃角、排雜角示意圖

1.2 模型構建及參數設置

根據棉纖維截面形狀在軸向保持不變的特點，構建了棉纖維的三維仿真模型[9-10]。所構建棉纖維模型如圖3所示。

圖3 棉纖維三維模型

排雜刀為鋸齒式皮棉清理機的主要清理部件，根據仿真實驗要求，分別設計了排雜刃角為50°、60°、70°的3種排雜刀模型。排雜刀三維模型如圖4所示。排雜刀與鋸齒滾筒的相對角度會形成排雜角，仿真分析時，排雜角分別選取了15°、22.5°、30°進行分析。

圖4 排雜刀三維模型

所構建鋸齒滾筒模型，簡化為一個剛性部件，其與棉纖維固接。對所構建模型，使用ANSYS Workbench軟件中的動力學模塊（explicit dynamics）進行剛柔耦合分析。定義棉纖維為柔性體，排雜刀、鋸齒滾筒為剛性體，具體參數見表1。

表1 仿真參數設置

仿真分析過程中，將鋸齒滾筒轉速轉化為線速度，鋸齒滾筒帶動棉纖維與不同參數的排雜刀，以不同線速度發生碰撞，分析沖擊應力大小，以此來判斷棉纖維損傷程度。圖5為單根棉纖維與排雜刀發生碰撞沖擊時的應力云圖。

圖5 應力云圖

由圖5可以看出，沖擊發生時，棉纖維受到較大應力的部位分為2塊，一塊是棉纖維與排雜刀的接觸部位，另一塊是棉纖維與鋸齒滾筒的固接部位。當這2個部位受到較大應力時，棉纖維會產生一定程度的損傷，如果應力較大，棉纖維則會發生撕裂或者斷裂。

2 仿真實驗設計及結果分析

2.1 實驗設計

采用Design-Expert軟件，進行正交旋轉實驗設計，實驗因素為鋸齒式皮棉清理機的排雜角、排雜刀刃角及鋸齒滾筒轉速。因素與水平見表2。

表2 仿真實驗因素與水平

2.2 仿真實驗結果

根據實驗設計結果，共計完成了17組仿真實驗。各因素的取值為自變量，棉纖維所受應力為評價指標，將整根棉纖維所受應力的最大值作為輸出結果。實驗方案與結果見表3。

表3 實驗方案與結果

根據表3的實驗結果，通過Design-Expert軟件，首先建立棉纖維所受應力的二次多項式回歸模型，然后根據方差分析結果，對模型進行優化。未優化模型為

式中：y為棉纖維所受應力；x1為排雜角；x2為排雜刀刃角；x3為鋸齒滾筒轉速。

由表4的方差分析可知，所構建回歸模型的P小于0.01，說明模型顯著；模型失擬項的P大于0.05，說明模型失擬性不顯著，回歸模型擬合程度高。根據表4的方差分析，去掉不顯著項后，優化后的模型為

回歸模型的建立，為鋸齒式皮棉清理機的設備結構參數改進、清理工藝參數優化，提供了明確的數學關系模型。

3 影響因素分析

3.1 單因素影響分析

由表4的方差分析可知，排雜角、排雜刀刃角及滾筒轉速3個因素對棉纖維所受應力影響顯著。圖6中（a）、（b）、（c）分別為排雜刀、排雜刀刃角及滾筒轉速對棉纖維所受應力的影響曲線圖。圖6（a）中曲線為排雜刀刃角70°，滾筒轉速850 r/min時獲取；圖6（b）中曲線為排雜角15°，滾筒轉速850 r/min時獲取；圖6（c）中曲線為排雜刀刃角70°，排雜角15°時獲取。

表4 方差分析

由圖6可以看出，棉纖維所受應力受3個因素的影響比較顯著，隨著影響因素數值增加，棉纖維所受應力均出現了先增后減的現象，其中排雜角的影響最大。

圖6 單因素對應力的影響

3.2 耦合因素影響分析

由表4的方差分析可知，排雜角與排雜刀刃角耦合影響具有一定的顯著性。圖7為排雜角與排雜刀刃角耦合影響的曲面圖，此時鋸齒滾筒轉速為850 r/min。

由圖7可以看出，排雜角與排雜刀刃角具有一定的耦合性，當排雜角為15°時，排雜刀刃角對應力影響的變化較為明顯，隨著排雜角增大，排雜刀刃角對應力影響的變化變得較為平緩。總體來看，排雜角對應力影響較排雜刀刃角顯著。

圖7 排雜角與排雜刀刃角耦合對應力的影響

4 結論

本文基于ANSYS軟件，構建了棉纖維、排雜刀及鋸齒滾筒的三維模型，采用仿真手段，分析了棉纖維所受沖擊應力。以排雜角、排雜刀刃角、鋸齒滾筒轉速作為棉纖維損傷的影響因素，以應力作為棉纖維損傷程度評價指標，設計了三因素正交實驗。根據實驗結果構建了棉纖維損傷的影響模型，并對影響顯著的單因素和耦合因素進行了分析。所構建模型可用于指導鋸齒式皮棉清理機的結構參數改進及工藝參數優化。