便攜水電墻面開槽機設計及有限元分析

摘" 要：針對水電裝修過程中塵土飛揚的現狀，設計一種便攜水電墻面開槽機。由于開槽刀具的性能直接影響到開槽效率，因此采用ANSYS將有SOLIDWORKS設計的開槽刀具進行靜力學和動力學分析，并基于有限元法求解開槽刀具動力學方程，得到開槽刀具前6階的固有頻率和振型。分析刀具應力、應變和振型。結果表明，開槽刀具邊緣齒處承受較大的應力，產生較大的應變和振動位移，容易發生疲勞損壞。該研究可為開槽刀具的設計、制造和穩定運行提供理論依據及工程應用方法，具有重要的理論意義和工程應用價值。

關鍵詞：水電裝修;開槽刀具;有限元法;振型;疲勞損壞

中圖分類號：TU69" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）18-0124-04

Abstract： Aiming at the current situation of dust in the process of hydropower decoration， a portable hydoropower wall grooving machine is designed. Since the performance of the slotting tool directly affects the slotting efficiency， the static and dynamic analysis of the slotting tool with SOLIDWORKS is carried out by using ANSYS， and the dynamic equation of the slotting tool is solved based on the finite element method， and the first six natural frequencies and vibration modes of the slotting tool are obtained. The stress， strain and vibration mode of the tool are analyzed. The results show that the edge tooth of the slotted tool bears greater stress， produces larger strain and vibration displacement， and is prone to fatigue damage. This study can provide theoretical basis and engineering application method for the design， manufacture and stable operation of slotting tools， and has important theoretical significance and engineering application value.

Keywords： hydropower decoration; slotting tool; finite element method; vibration mode; fatigue damage

隨著社會發展和國家城市化建設的推進，城市人口急劇增加，現有的城市容量已經不能滿足要求。很多城市都在原有基礎上進行整體規劃和建設，樓房建設項目大量增加[1]。家裝行業逐漸增加壓力，在此過程中，最讓人頭疼的是墻壁開槽。傳統的墻面切槽要先割出線縫后再用電錘鑿出線槽，這種方法操作復雜、效率低、費工費時[2]。

現有的水電裝修開槽機存在以下問題：高速旋轉圓盤刀具存在橫向振動問題[3];開槽刀具的剛性不夠，刀刃存在崩裂情況[4];在切割過程中，還會出現大量的灰塵，影響工人的施工和身體健康[5]。

針對目前國內的現狀，設計了一種單刃式的刀具和吸塵防護罩（半圓形防護罩和可收縮的四分之一圓弧防護罩結合而成）。白碩瑋等[6]分析了金剛石圓盤鋸橫向振動的形成原因，推導出了軸向附加力數學模型。李慶華等[7]針對在工況下高速旋轉圓盤刀具存在的橫向振動問題，應用有限元方法及實驗測量進行了研究。馬玉平等[8]通過實驗得出了振動特性參數公式。

1" 整體設計

便攜式水電開槽機由直流電機、防護罩、手柄、刀具及吸塵裝置等組成，如圖1所示。工作時，切割機和吸塵裝置通電，直流電機帶動刀具旋轉，在切割到墻角時，四分之一的圓弧防護罩隨著刀具的前進慢慢收縮，直至刀具開槽完成，這樣就解決了墻角的開槽問題。在此過程中，吸塵裝置會對切割過程中產生的塵土進行吸收，從而達到作業的目的。

2" 開槽刀具的設計

考慮到不同的墻體，將高速鋼作為開槽刀具材料。啟動機器時刀具高速旋轉，由此進行墻體的開槽。開槽時刀具應該具備相對應的強度和剛度要求。但是現在的刀具加工精度要求逐漸變高、旋轉速度也逐漸變快，由此會使得刀具刃口的軸向位移增大，造成了刀具的切割力增加，切削溫度升高，刀具壽命因此降低。為了減少在開槽工作過程中所帶來的振動就要選擇合適的材料。

經過多次的構思與試驗，最終決定將單刃齒型作為便攜式水電開槽機的刀具。在實驗中發現，單刃齒型可以使此機械在開線槽的過程中開出比較合適的線槽，充分發揮了刀具的性能，開槽的效率得到了大大提升。在開線槽的過程中，刀具受力情況如圖2所示。

在待切割區域所受到的力為墻體對開槽刀具的作用力。為了分析簡便，將產生的作用力化成一對力，這對力可以由Fn和Fm或者Fx和Fy所組成，其中Fn為開線槽過程中墻體與開槽刀具產生的力，Fm為開槽過程中刀片與墻體之間摩擦產生的力;或者由沿切削方向力Fx和與刀片前進方向的垂直力Fy所組成。但是，Fm是便攜式水電開槽機的主要切割力，而Fm決定開槽的速率。將這些力在圖2中表示，并經過分析，得到了如下的公式

3" 開槽刀具的有限元分析

一個模型的建立必須具有相對應的理論依據，于是將建模好的水電開槽刀具導入ANSYS中分析，進行仿真模擬。

3.1" 模型的導入與材料屬性的定義

將建模好的水電開槽刀具模型導入ANSYS軟件，對刀片進行分析，在查閱大量的資料和手冊后，刀片材料選為高速鋼材料，高速鋼具有高硬度、高耐磨性和高耐熱性等特點，輕度和硬度的配合較好，具有很好的紅硬性。相關參數為彈性模量2.06×105，密度7.8×10-3 g/mm，泊松比0.3。

3.2" 網格的劃分

在有限元分析中，一個關鍵的步驟是網格劃分，網格劃分的質量和密度將影響計算的準確性，考慮到此問題，于是采用了自動網格劃分工具對水電開槽刀具進行網格的劃分。劃分結果為：刀具共劃分95 545個節點，19 372個單元，如圖3所示。

3.3" 轉速條件的添加

通過右手系建立空間直角坐標系，便攜式水電開槽機在開線槽過程中，刀片X方向與開槽機整體相連接，Z方向為開槽機開線槽的方向，沿Z軸刀具進行高速旋轉。查閱資料可知，水電開槽機的轉速集中為10 000 r/min，受到力集中F=4 000 N。刀具在工作的過程中，刀片頂端與待開槽墻體接觸，由力和力的反作用可知，在此過程刀片會對墻體施加力，墻體也會對刀具施加相對應的力。

3.4" 開槽機刀具靜力學分析

經過ANSYS分析，得到了如下的結果：圖4為開槽刀具的等效應力、圖5為開槽刀具的靜力學應變。

由圖4可以得到：在開線槽的過程中刀具受到的最大應力1.486 7×108 Pa，其主要分布在刀片與電機輸出軸的連接處和刀片刀齒部位。在連接處有此情況是由于其連接方式為平鍵連接;在刀片刀齒部位有此情況是由于在開線槽的過程中刀具刀齒位置與墻體接觸，受力大，會出現磨損等情況。

由圖5可以得到：刀片的最大位移偏移量是7.079 5×10-7 m，主要分布在刀片外圓端面。出現這樣的結果是由于刀具在開槽過程中會出現相對應的彈性變形。

3.5" 開槽刀具模態分析

開槽刀片動力學表達式為

m+k+cx=F，

式中：m、k、c分別為開槽刀具的質量、阻尼和剛性矩陣;F為系統外激勵。模型特性為系統固有屬性，與外激勵無關，為簡化計算系統阻尼，動力學方程可以簡化為

m+k=0。

特稱方程可寫為

k-λmx=0，

式中：特性值λ為固有頻率;特征向量x為不同固有頻率對應的振型。

通過有限元算法對動力學方程求解得到了開槽刀具的前6階固有頻率及振型，如圖6和表1所示。

由以上結果可知，第1階和第2階、第4階和第5階的固有頻率基本接近，其中第1階和第2階固有頻率約為1 037.8 Hz，第4階和第5階固有頻率約為1 216.6 Hz。由分析結果可知便攜式水電開槽機刀具在刀齒位置處振動位移較大。第4階的固有頻率相對于第3階的固有頻率相差是較大的，第6階時的固有頻率相較于第5階相差值比第3階與第4階的更大，模態分離現象比較明顯。并且便攜式水電開槽機在工作的過程中，刀具刀齒部分會出現相對應地位移，使得刀具發生損壞。

4" 結論

1）靜力學分析結果表明，刀齒刀刃部分和刀具與輸出軸連接部分承受較大的應力，在開線槽工作過程中刀具刀齒部分可能會發生位移變形，為其改進提供了理論依據。

2）模態分析結果表明，在外界激勵作用下，刀具易發生共振現象。依據模態云圖提供的振型數據，發現開槽刀具主要為節徑振型，且相鄰存在重疊的現象，會造成力處于集中狀態，產生較大地變形，設計中應該考慮此方面，保證刀具的強度，為進一步優化結構提供理論依據。

參考文獻：

[1] 王家庭.城市化快速發展與我國的城市建設[J].河南科技大學學報（社會科學版），2006，24（4）：78-81.

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[3] 王鍇.水電開槽機切割片振動特性分析與結構優化[D].重慶：重慶大學，2015.

[4] 甄健民，李鴻，王旭峰，等.剪夾式棗樹環割機的設計及有限元分析[J].農機化研究，2020，42（2）：67-71.

[5] 秦杰，陳泉，周通.加氣混凝土砌塊開槽機的制作與應用[J].建筑施工，2019，41（4）：681-683.

[6] 白碩瑋，張進生，王長會，等.薄型鋸片鋸切硬脆石材橫向振動模型[J].農業機械學報，2015，46（2）：372-378，371.

[7] 李慶華，譚慶昌，裴永臣，等.高速旋轉圓盤刀具薄刀片橫向振動的有限元分析[J].吉林大學學報（工學版），2007，37（4）：814-818.

[8] 馬玉平，陳明，袁艷玲，等.彎曲振動圓盤幾何尺寸與振動特性關系的研究[J].機械工程師，2003（10）：9-12.