摘 要：為提高林間剩余物粉碎效率、粉碎均勻度和機(jī)器運(yùn)行穩(wěn)定性，針對(duì)林間剩余物粉碎設(shè)計(jì)一種弧形斜刃粉碎刀具。通過對(duì)林間剩余物粉碎過程中受到的剪切、沖擊作用進(jìn)行力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，明確影響林間剩余物粉碎性能的主要因素及碎裂方式?；陔x散元仿真試驗(yàn)，對(duì)比直刃刀具和斜刃刀具對(duì)林間剩余物粉碎性能的影響。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同條件下粉碎林間剩余物時(shí)，相較于直刃刀具，斜刃刀具仿真的顆粒bond鍵數(shù)量、顆粒平均運(yùn)動(dòng)速度、平均粉碎功率、粉碎室壁所受的沖擊和粉碎顆粒平均能量等性能指標(biāo)均有所提升，使用斜刃刀具仿真粉碎程度高，粉碎粒度均勻，工作過程更加平穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：林間剩余物； 粉碎； 力學(xué)分析； 刀具設(shè)計(jì)； 離散元仿真

中圖分類號(hào)：TH122；TK6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10. 7525/j. issn. 1006-8023. 2025. 02. 016

0 引言

隨著全球?qū)沙掷m(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的關(guān)注不斷增加，木材消耗量也逐漸升高［1］，林業(yè)生產(chǎn)中的林間剩余物處理問題日益受到重視。林間剩余物包括樹枝、樹葉和樹皮等［2-3］，這些物質(zhì)如果不及時(shí)處理，不僅會(huì)造成資源浪費(fèi)，還可能引發(fā)火災(zāi)等安全隱患?，F(xiàn)有的林間剩余物處理方式主要包括焚燒、掩埋和粉碎等方法。焚燒和掩埋雖然能夠快速處理林間剩余物，但會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，不符合當(dāng)前環(huán)境保護(hù)的要求。相較之下，林間剩余物成本低廉，徑級(jí)較小［4］，用于粉碎處理，能夠帶來較高的經(jīng)濟(jì)效益［5-7］。然而，現(xiàn)有的林間剩余物粉碎設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中存在粉碎效率低、能耗高和刀具磨損嚴(yán)重等問題，難以滿足高效、環(huán)保的處理需求。

在粉碎機(jī)核心部件刀具的設(shè)計(jì)中，刀具的結(jié)構(gòu)與材料選擇對(duì)粉碎質(zhì)量和效率至關(guān)重要，由于秸稈纖維同木質(zhì)纖維的成分與結(jié)構(gòu)相似，參考秸稈粉碎刀具的設(shè)計(jì)思路尤為關(guān)鍵［8］。當(dāng)前研究主要集中在刀具的仿生設(shè)計(jì)、材料選擇、刀具表面處理以及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化等方面。首先，仿生設(shè)計(jì)在刀具優(yōu)化中取得了顯著進(jìn)展。相關(guān)研究利用生物牙齒等對(duì)刀具進(jìn)行設(shè)計(jì)，這些仿生設(shè)計(jì)通過模擬自然界中的生物結(jié)構(gòu)，顯著改善了刀具的切削性能，降低了能耗并提高了粉碎效率［9-11］。材料選擇方面，Chander 等［12］設(shè)計(jì)的甘蔗切割刀具采用不銹鋼材質(zhì)，并通過仿真驗(yàn)證了刀具的合理性。Khan 等［13］則通過對(duì)刀具表面進(jìn)行紋理處理，優(yōu)化了加工工藝，延長(zhǎng)了刀具使用壽命。這些研究表明，通過優(yōu)化材料和表面處理技術(shù)，刀具的耐磨性和使用壽命得以顯著提升，從而減少了刀具在實(shí)際應(yīng)用中的磨損問題。結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化也是提高刀具性能的重要方向。劉曉亮［14］設(shè)計(jì)的V-L形秸稈粉碎還田刀片經(jīng)過優(yōu)化后，粉碎率達(dá)到93. 34%，并且刀具具有自磨刃效果。徐偉等［15］利用響應(yīng)面法和遺傳算法對(duì)粉碎機(jī)錘片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其最大變形量比優(yōu)化前減少了39. 7%。此外，喬冰［16］利用MATLAB優(yōu)化工具和ABAQUS 有限元分析，得出了粉碎玉米秸稈時(shí)刀刃角度的最佳值為30°，進(jìn)一 步提高了粉碎效果。王將等［17］針對(duì)水稻秸稈材料的屬性，設(shè)計(jì)了具有激蕩滑切和撕裂2 個(gè)階段秸稈粉碎裝置，能夠有效進(jìn)行水稻粉碎還田。盡管現(xiàn)有研究在仿生設(shè)計(jì)、材料選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面取得了諸多進(jìn)展，但仍然存在一些瓶頸。不同纖維材料的多樣性對(duì)刀具設(shè)計(jì)提出了更高的適應(yīng)性要求，針對(duì)香蕉秸稈的粉碎刀具雖取得了95. 9% 的合格率［18］，但處理不同種類纖維材料的效率仍需進(jìn)一步提升。

綜上所述，刀具的仿生設(shè)計(jì)、材料優(yōu)化和結(jié)構(gòu)參數(shù)改進(jìn)是提升粉碎質(zhì)量與效率的關(guān)鍵路徑，但在適應(yīng)性、能效和刀具壽命方面仍有待深入研究和突破。本研究針對(duì)林間剩余物粉碎問題，設(shè)計(jì)一種新型弧形斜刃粉碎刀具，確定了刀具的結(jié)構(gòu)形狀、參數(shù)；對(duì)林間剩余物粉碎過程受到的剪切、擠壓和碰撞進(jìn)行了力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析；基于離散元仿真（EDEM）軟件對(duì)2種刀具進(jìn)行了粉碎仿真試驗(yàn)，對(duì)比了2種刀具對(duì)粉碎效果、粉碎性能的影響。本研究可為林間剩余物粉碎裝備的研究提供參考。

1 林間剩余物粉碎機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

林間剩余物粉碎機(jī)如圖1所示。粉碎機(jī)包含進(jìn)料機(jī)構(gòu)、粉碎機(jī)構(gòu)、動(dòng)力控制系統(tǒng)、底盤和粉碎收集裝置等。

1. 1 粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

林間剩余物粉碎機(jī)的粉碎機(jī)構(gòu)是其核心組件，主要包括進(jìn)料口、進(jìn)料輔助壓輥、定刀、動(dòng)刀、動(dòng)刀轉(zhuǎn)子、粉碎室和出料口等組成，如圖2所示。

粉碎機(jī)構(gòu)的動(dòng)刀轉(zhuǎn)子上安裝有4把動(dòng)刀，交錯(cuò)均勻布置，動(dòng)刀與動(dòng)刀轉(zhuǎn)子安裝位置如圖3所示；定刀固定在粉碎室的入口位置；進(jìn)料輔助壓輥安裝在粉碎室前端，可固定林間剩余物；動(dòng)刀的額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，進(jìn)料輔助壓輥的額定轉(zhuǎn)速為30 r/min。

工作時(shí)，林間剩余物從進(jìn)料口喂入，首先與進(jìn)料輔助壓輥接觸，在進(jìn)料輔助壓輥的作用下接觸到動(dòng)刀，隨后受到動(dòng)刀與定刀的剪切、擠壓和碰撞而發(fā)生破碎，在與自身及粉碎室壁發(fā)生碰撞，林間剩余物被進(jìn)一步粉碎，最終通過動(dòng)刀旋轉(zhuǎn)所形成的風(fēng)場(chǎng)作用被排出。

1. 2 粉碎刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

粉碎刀具是林間剩余物粉碎機(jī)構(gòu)的核心部件，其設(shè)計(jì)直接影響粉碎效果和設(shè)備的整體性能。本研究設(shè)計(jì)了一種弧形斜刃粉碎刀具，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

根據(jù)動(dòng)刀轉(zhuǎn)子裝配空間需要，設(shè)計(jì)刀具長(zhǎng)度為165 mm。為保證刀具的強(qiáng)度，刀具厚度一般應(yīng)設(shè)計(jì)為6～10 mm。理論上，隨著刀具的厚度增加，刀具的強(qiáng)度會(huì)更高，刀具的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也會(huì)增大，但過厚的刀具不利于粉碎物的均勻度，刀具厚度減小，刀具的強(qiáng)度和壽命也會(huì)降低，因此，刀具厚度設(shè)計(jì)為8 mm。刀具的刃口角度設(shè)計(jì)為30°，采用合金鋼材料制作，并對(duì)刀具背面采用淬火工藝，提高刀具的耐磨性能，使刀片具有自磨刃的特點(diǎn)。為確保刀具的剪切性能及刀具強(qiáng)度，弧形斜刃刀具的斜角設(shè)計(jì)為15°。另外，為避免由于動(dòng)刀與定刀的振動(dòng)而產(chǎn)生碰撞，在不影響粉碎效果的前提下，將動(dòng)刀與定刀的最小間隔距離設(shè)計(jì)為3 mm。刀具弧度設(shè)計(jì)為貼合動(dòng)刀轉(zhuǎn)子的外徑。

相比于直刃刀具，斜刃刀具的刀刃長(zhǎng)度有所增加，刀具的有效切割面積增大，能夠降低切割過程中的應(yīng)力集中，這對(duì)于處理具有較高纖維含量和硬度不均的林間剩余物尤為重要。應(yīng)力集中的減少不僅能延長(zhǎng)刀具的使用壽命，還能減少設(shè)備的維護(hù)頻率和成本。其次，弧形斜刃結(jié)構(gòu)使得切割過程更加平穩(wěn)，有助于減少物料在粉碎腔內(nèi)的滯留時(shí)間，防止堵塞現(xiàn)象的發(fā)生，平穩(wěn)的切割過程還意味著粉碎機(jī)能夠在較低能耗的情況下達(dá)到更高的工作效率。

2 粉碎過程力學(xué)分析

林間剩余物在粉碎過程中受到動(dòng)刀的剪切和沖擊、粉碎室壁的沖擊以及粉碎顆粒之間的沖擊作用。本研究針對(duì)上述過程進(jìn)行力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，以明確林間剩余物的主要破碎方式及影響因素。

2. 1 林間剩余物受粉碎刀具剪切作用的力學(xué)分析

在粉碎過程中，林間剩余物受剪切力作用發(fā)生斷裂，這一過程可以分為初始變形階段、塑性變形階段和最終斷裂階段。在初始變形階段，刀具的剪切力使物料發(fā)生微小的彎曲和壓縮變形，當(dāng)外力逐漸增大并超過物料的彈性極限時(shí)，物料進(jìn)入塑性變形階段，此時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生永久性改變。隨著剪切力的持續(xù)施加，物料內(nèi)部的分子鍵逐漸被破壞，最終導(dǎo)致物料在剪切力作用下斷裂。

林間剩余物被粉碎刀具剪切，其剪切瞬間受力過程如圖5所示。為了簡(jiǎn)化受力過程，將林間剩余物視為圓柱體研究。假設(shè)林間剩余物在粉碎過程中受到動(dòng)刀和定刀的剪切作用，動(dòng)刀以角速度（w）旋轉(zhuǎn)靠近固定的定刀，物料在瞬時(shí)受力平衡下被剪切。物料受到垂直于物料表面的正壓力（FN1）和沿物料表面的摩擦力（f1）作用。另外，物料還受到定刀的支撐力（FN2）和定刀的摩擦力（f2）作用。物料在這一時(shí)刻的受力可以表示為

式中：FN1為動(dòng)刀對(duì)物料正壓力，N；FN2為定刀對(duì)物料支撐力，N；f1為動(dòng)刀對(duì)物料的摩擦力，N；f2為定刀對(duì)物料的摩擦力，N；μ1 為動(dòng)刀與物料之間的摩擦系數(shù)；μ2為定刀與物料之間的摩擦系數(shù)；θ 為斜刃傾斜角度。

通過圖5受力分析可知，相對(duì)于直刃刀具，斜刃粉碎林間剩余物時(shí)能夠產(chǎn)生一個(gè)沿物料表面的力，能夠推動(dòng)物料滑切，形成剪切破壞。在結(jié)構(gòu)合理的情況下，可增大θ，能夠更好地造成剪切破壞，提高粉碎效果。

2. 2 粉碎刀具對(duì)林間剩余物的沖擊作用分析

在粉碎林間剩余物的過程中，粉碎刀具的沖擊作用是物料破碎的重要機(jī)制之一。當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)的粉碎刀具與物料表面接觸時(shí)，刀具的動(dòng)能迅速轉(zhuǎn)化為沖擊能量，施加在物料上。這一瞬時(shí)的高能量沖擊力使物料表面產(chǎn)生局部壓縮變形，形成應(yīng)力集中區(qū)域。隨著沖擊力的持續(xù)作用，物料內(nèi)部的微裂紋開始擴(kuò)展，直至貫穿整個(gè)物料，導(dǎo)致其斷裂和最終破碎。此過程可以分為初始接觸階段、沖擊力傳遞階段、裂紋擴(kuò)展階段和最終破碎階段。這一沖擊力（Fi ）可以通過沖量-動(dòng)量定理來計(jì)算。

設(shè)林間剩余物顆粒的質(zhì)量為m，在刀具與物料接觸前的速度為v1，接觸后的速度為v2，沖擊力作用的時(shí)間為Δt。根據(jù)沖量-動(dòng)量定理，物料所受的沖擊力（Fi ）可以表示為

Fi?Δt = m?（v2 - v1 ）。（2）

式中：Fi為林間剩余物顆粒所受的沖擊力，N；m 是顆粒的質(zhì)量，kg；v1是沖擊前顆粒的速度，m/s；v2是沖擊后顆粒的速度，m/s；Δt 是沖擊力作用的時(shí)間間隔，s。

林間剩余物顆粒在受到Fi的作用下，會(huì)在接觸區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生高應(yīng)力集中。根據(jù)材料力學(xué)原理，林間剩余物內(nèi)部的纖維素和木質(zhì)素結(jié)構(gòu)將會(huì)在沖擊應(yīng)力的作用下迅速破裂，尤其是在纖維方向上的脆弱區(qū)域。

為了進(jìn)一步分析沖擊力對(duì)顆粒的影響，可以考慮林間剩余物在沖擊點(diǎn)處的應(yīng)力分布。設(shè)接觸面積為A，則沖擊應(yīng)力（σi ）可以表示為

當(dāng)σi 超過林間剩余物的抗拉強(qiáng)度或抗剪強(qiáng)度時(shí)，物料將在該點(diǎn)處發(fā)生破裂。由于Fi是在極短時(shí)間內(nèi)作用的，其造成的應(yīng)力集中往往能夠瞬間擊破物料，使其沿著應(yīng)力最大的位置發(fā)生斷裂。

2. 3 粉碎室對(duì)林間剩余物的沖擊作用分析

粉碎室是林間剩余物粉碎機(jī)的核心部件，其對(duì)林間剩余物的粉碎效果起著至關(guān)重要的作用。在動(dòng)刀高速旋轉(zhuǎn)的過程中，物料受到離心力的作用與粉碎室發(fā)生碰撞，因而受到粉碎室的沖擊作用。這些沖擊力的綜合作用直接影響物料的粉碎效率和最終顆粒大小。

為了定量分析粉碎室壁對(duì)林間剩余物顆粒的沖擊作用，可以利用赫茲接觸理論計(jì)算碰撞接觸點(diǎn)的最大正應(yīng)力。當(dāng)2個(gè)彈性體發(fā)生碰撞時(shí)，接觸點(diǎn)的最大正應(yīng)力（σmax）可以通過以下公式計(jì)算

式中：E 為材料的綜合彈性模量；F 為相互間碰撞力，N；R 為碰撞曲率半徑，m。對(duì)于顆粒與粉碎室壁的碰撞，綜合彈性模量（E）由粉碎顆粒和粉碎室壁的材料性質(zhì)決定，可以通過以下公式計(jì)算

式中：E1和E2分別是粉碎顆粒和粉碎室壁材料的彈性模量，MPa；ε1和ε2分別是2種材料的泊松比。

F 與物料顆粒的質(zhì)量m 和碰撞速度v 相關(guān)，表示為

F = mv／Δt 。（6）

式中，Δt 為碰撞時(shí)間，s。

當(dāng)粉碎顆粒半徑為R1 和粉碎室壁曲率半徑為R2時(shí)，綜合曲率半徑R 的計(jì)算公式為

結(jié)合上述公式，顆粒在粉碎室壁上的最大正應(yīng)力σmax可進(jìn)一步表示為

通過以上公式可以看到，最大正應(yīng)力（σmax）取決于材料的彈性模量、顆粒的質(zhì)量、碰撞速度、碰撞時(shí)間以及綜合曲率半徑。最大正應(yīng)力與綜合曲率半徑呈負(fù)相關(guān)，而綜合曲率半徑與兩碰撞曲率半徑有關(guān)，R1、R2 越小，綜合曲率半徑越小，因此粉碎室對(duì)于較小的粉碎顆粒沖擊作用更強(qiáng)烈。最大正應(yīng)力與碰撞速度呈正相關(guān)，而碰撞速度受動(dòng)刀轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速影響，轉(zhuǎn)速越大，顆粒碰撞速度越大，因此可以適當(dāng)增加動(dòng)刀轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)高效粉碎。最大正應(yīng)力與綜合彈性模量呈正相關(guān)，而根據(jù)綜合彈性模量公式可知，林間剩余物的泊松比和彈性模量越大，綜合彈性模量就越大，而根據(jù)文獻(xiàn)［19］，木材含水率越低，其彈性模量和泊松比均有所增大。因此，可選擇含水率低的林間剩余物進(jìn)行粉碎，提高粉碎效果。

2. 4 粉碎顆粒間的沖擊作用分析

在林間剩余物粉碎過程中，除了粉碎室壁對(duì)物料的沖擊外，顆粒之間的相互碰撞也是實(shí)現(xiàn)高效粉碎的重要機(jī)制。顆粒之間的碰撞能夠促使物料進(jìn)一步破碎，并達(dá)到更均勻的粒度。

在粉碎室內(nèi)，物料顆粒在受到刀具初次剪切或沖擊后，會(huì)以較高速度在粉碎室內(nèi)進(jìn)行自由運(yùn)動(dòng)和相互碰撞。這種顆粒之間的碰撞過程也可以通過赫茲接觸理論來分析。

對(duì)于顆粒間的碰撞，式（5）可變?yōu)?/p>

式中，ε1和E1分別為林間剩余物粉碎顆粒的泊松比和彈性模量。

為了簡(jiǎn)化粉碎顆粒間的碰撞，將林間剩余物顆粒均視為半徑為R1的球體模型，則綜合曲率半徑R的計(jì)算公式為

1／R= 2／ R1。（10）

式中，R1為粉碎顆粒半徑。

分析式（8）可知，林間剩余物粉碎顆粒之間的碰撞也是粉碎當(dāng)中的重要一環(huán)。顆粒碰撞時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力大于林間剩余物的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致了物料的破裂。為了提高碎裂率，可以采取增加顆粒碰撞速度的方式，也可以采取提高林間剩余物自身屬性的措施如對(duì)其進(jìn)行干燥處理等。

3 仿真模型的建立與參數(shù)設(shè)定

采用離散元法，利用EDEM 軟件進(jìn)行仿真，在EDEM軟件導(dǎo)入粉碎機(jī)構(gòu)仿真模型，在軟件中設(shè)置木材顆粒模型，通過林間剩余物粉碎仿真試驗(yàn)，對(duì)2種刀具仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的弧形斜刃刀具的粉碎效果、粉碎性能。

3. 1 林間剩余物仿真模型建立

林間剩余物是一種復(fù)雜且多樣化的生物質(zhì)材料，其主要成分包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，林間剩余物具有不同的顆粒大小和形狀。由于林間剩余物的粉碎過程十分復(fù)雜，為提高仿真試驗(yàn)的可行性，須將林間剩余物離散化，才能使用EDEM軟件進(jìn)行模擬，參考粉碎后的林間剩余物如圖6所示，經(jīng)過測(cè)量，選定均值厚度為5 mm的林間剩余物粉碎物為參照，按照實(shí)物繪制三維模型如圖7（a）所示，并使用EDEM 軟件對(duì)其進(jìn)行顆粒填充，顆粒直徑為0. 3 mm，最終形成了林間剩余物離散元模型，如圖7（b）所示。

3. 2 粉碎機(jī)構(gòu)的EDEM仿真模型建立

為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程，提高仿真的計(jì)算效率，對(duì)林間剩余物粉碎機(jī)構(gòu)進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，在Solid‐Works軟件建立林間剩余物粉碎機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型，另存為STL格式，導(dǎo)入至EDEM離散元分析軟件中進(jìn)行仿真分析，簡(jiǎn)化后的模型如圖8所示。

3. 3 EDEM仿真參數(shù)設(shè)定

首先對(duì)粉碎裝置材料和林間剩余物材料相關(guān)的力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，粉碎刀具的材料設(shè)置為合金鋼，其余粉碎部件材料設(shè)置為鑄鋼，林間剩余物材料設(shè)置為松木，材料的力學(xué)特性屬性見表1。

還需要設(shè)置顆粒與顆粒間、顆粒與粉碎機(jī)構(gòu)間的接觸參數(shù)，接觸屬性見表2。

將導(dǎo)入的粉碎機(jī)構(gòu)仿真模型添加運(yùn)動(dòng)，對(duì)其進(jìn)料輔助壓輥添加一個(gè)持續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為30 r/min，對(duì)動(dòng)刀添加一個(gè)持續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。在進(jìn)料輔助壓輥與動(dòng)刀之間添加顆粒工廠，在0～0. 01 s生成林間剩余物顆粒100個(gè)。最后添加物理模型，在物理模型選項(xiàng)中添加Hertz-Mindlin withbonding（帶黏結(jié)鍵的）接觸模型，并設(shè)置顆粒的黏結(jié)參數(shù)，另外，由于動(dòng)刀的旋轉(zhuǎn)，在粉碎室內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)風(fēng)場(chǎng)，粉碎后的顆粒會(huì)在動(dòng)刀和風(fēng)場(chǎng)的雙重作用下從出料口噴出，利用Fluent軟件設(shè)置一個(gè)風(fēng)場(chǎng)，完成后導(dǎo)出風(fēng)場(chǎng)的cgns文件，在Plugin Factories（插件工廠）選項(xiàng)中導(dǎo)入風(fēng)場(chǎng)文件。

分別將直刃刀具和斜刃刀具進(jìn)行仿真試驗(yàn)，以bond鍵、顆粒運(yùn)動(dòng)速度等為探究指標(biāo)，探究2種刀具對(duì)林間剩余物粉碎效果影響，試驗(yàn)進(jìn)行3次，取平均值作為結(jié)果。在仿真開始前，設(shè)置仿真時(shí)間為0. 4 s，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間為0. 01 s，仿真時(shí)間步長(zhǎng)為3. 36×10-6 s。

4 仿真結(jié)果分析

4. 1 2種刀具對(duì)粉碎顆粒bond鍵數(shù)量的影響

仿真結(jié)束后，可以通過EDEM軟件的后處理模塊得到仿真數(shù)據(jù)，圖9是2種刀具對(duì)粉碎顆粒bond鍵數(shù)量的影響圖。

由圖9可以看出，所有林間剩余物在0～0. 01 s生成，bond鍵在剩余物生成過程中同步生成，隨后在2種刀具粉碎作用下bond鍵急劇減少，后呈現(xiàn)緩慢減少并在0. 35 s 之后趨于穩(wěn)定。在0. 4 s 之后bond 鍵趨于穩(wěn)定，斜刃刀具的顆粒bond 鍵數(shù)量為55 637，直刃刀具的顆粒bond數(shù)量為154 152，斜刃刀具顆粒bond鍵減少了87. 6%，直刃減少了65. 7%，這表明斜刃刀具可以更容易破壞林間剩余物顆粒的bond鍵。因此，相比于直刃刀具，斜刃刀具更適合林間剩余物的粉碎作業(yè)，有利于提高林間剩余物的粉碎程度。

4. 2 2種動(dòng)刀對(duì)粉碎顆粒運(yùn)動(dòng)速度的影響

林間剩余物粉碎顆粒運(yùn)動(dòng)速度和動(dòng)刀對(duì)林間剩余物的沖擊作用密切相關(guān)，2種動(dòng)刀對(duì)粉碎顆粒運(yùn)動(dòng)速度的影響如圖10所示。

由圖10可以看出，使用2種動(dòng)刀的粉碎顆粒運(yùn)動(dòng)速度均為急速增大，后呈現(xiàn)波動(dòng)性降低的情況，斜刃刀具粉碎的顆粒平均運(yùn)動(dòng)速度為87. 2 m/s，比直刃刀具粉碎的顆粒平均運(yùn)動(dòng)速度提高了68. 6%，這表明斜刃刀具更能提高顆粒的動(dòng)能，對(duì)粉碎效果及出料效率均有提升。另外，在0～0. 025 s，斜刃刀具仿真的顆粒運(yùn)動(dòng)速度斜率大于直刃刀具仿真，說明其顆粒初速度提升更快，這表明斜刃刀具可以有效地提高林間剩余物顆粒的初速度，這樣能夠提升顆粒的沖擊力，進(jìn)而提高粉碎的程度及效果。因此，斜刃刀具比直刃刀具更能提高粉碎顆粒的速度。

4. 3 2種動(dòng)刀對(duì)動(dòng)刀轉(zhuǎn)矩的影響

粉碎所消耗的功率和動(dòng)刀轉(zhuǎn)矩有密切聯(lián)系，圖11為2種動(dòng)刀對(duì)動(dòng)刀轉(zhuǎn)矩的影響。

由圖11可以看出，2種動(dòng)刀的轉(zhuǎn)矩均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，且直刃刀具試驗(yàn)的動(dòng)刀轉(zhuǎn)矩最大值更大，且根據(jù)斜刃刀具試驗(yàn)的曲線波動(dòng)較小，說明斜刃刀具能夠更好地抵抗系統(tǒng)的振動(dòng)及粉碎物粉碎帶來的沖擊力，具有較好的穩(wěn)定性，能夠降低粉碎工作的噪聲。另外根據(jù)動(dòng)刀轉(zhuǎn)矩可以計(jì)算出粉碎的功率

P = nM／9 550。（11）

式中：P 為功率，kW；n 為轉(zhuǎn)速，r/min；M 為動(dòng)刀轉(zhuǎn)矩，N·m。

根據(jù)圖11可得到斜刃刀具試驗(yàn)的平均粉碎功率為0. 202 kW，比直刃刀具試驗(yàn)的平均粉碎功率降低了34. 2%，結(jié)合圖9的試驗(yàn)結(jié)果可知，在相同的試驗(yàn)條件下，斜刃刀具粉碎效果更好，所需的功率也更低。

4. 4 2種動(dòng)刀對(duì)粉碎室壁受力的影響

2種動(dòng)刀對(duì)粉碎室壁受力的影響如圖12所示。粉碎室壁的反作用力就是粉碎室壁對(duì)林間剩余物粉碎顆粒的碰撞力，研究粉碎室壁受力就是研究粉碎室壁對(duì)粉碎顆粒的碰撞沖擊作用。

由圖12 可以看出，斜刃刀具試驗(yàn)粉碎室壁的受力波動(dòng)較小，這說明斜刃刀具能夠使粉碎顆粒所受的力分散，實(shí)現(xiàn)了林間剩余物在不同方向上的粉碎，能夠使林間剩余物的粉碎更加均勻。直刃刀具試驗(yàn)粉碎室壁的受力較大，且波動(dòng)較大，說明直刃刀具作用在粉碎顆粒上的力比較集中，在動(dòng)刀的作用下，粉碎顆粒與粉碎室壁的碰撞更加劇烈，能夠提升粉碎效率，但會(huì)導(dǎo)致林間剩余物粉碎程度不均勻，還可能會(huì)出現(xiàn)粉碎過度等問題。斜刃刀具試驗(yàn)粉碎室壁平均受力低于直刃刀具，可以得到相對(duì)均勻的粉碎物，但在一定程度上對(duì)粉碎效率有影響。

4. 5 2種動(dòng)刀對(duì)粉碎顆粒總能量的影響

2 種動(dòng)刀對(duì)粉碎顆?？偰芰康挠绊懭鐖D13所示。

由圖13可以看出，2種動(dòng)刀仿真的粉碎顆?？偰芰康那€趨勢(shì)一致，均呈現(xiàn)先增加到最大值，后逐漸減少并趨于平緩。斜刃刀具試驗(yàn)的粉碎顆粒平均能量為5. 56 J，比直刃刀具粉碎的顆粒平均能量高出96%，這說明斜刃刀具粉碎的顆粒具有更大的機(jī)械能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為顆粒粉碎的能量，剩余物粉碎效果能更好。另外，斜刃刀具試驗(yàn)的粉碎顆粒的初始能量提升更為迅速，這與圖10的仿真結(jié)果是一致的。結(jié)合圖11的試驗(yàn)結(jié)果可知，斜刃刀具試驗(yàn)顆粒的總能量高于直刃刀具，但動(dòng)刀功率消耗低于直刃刀具，說明斜刃刀具對(duì)粉碎顆粒的切割做功較少，斜刃刀具能夠促進(jìn)粉碎顆粒相互間的碰撞以及顆粒與粉碎壁之間的碰撞。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一種林間剩余物用弧形斜刃動(dòng)刀刀具，并對(duì)該刀具粉碎過程進(jìn)行了力學(xué)分析，并使用EDEM軟件對(duì)2種刀具進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，仿真試驗(yàn)結(jié)果表明弧形斜刃刀具具有更好的粉碎性能，粉碎效果更好。具體結(jié)論如下。

1）設(shè)計(jì)的弧形斜刃形狀的粉碎動(dòng)刀刀具，利用動(dòng)、定刀的剪切、擠壓和碰撞作用，來提高林間剩余物粉碎的效率；將刀具設(shè)計(jì)成弧形，提高了刀具的適用性；刀具采用斜刃設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)刀具的自磨刃效果，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)林間剩余物的各向切割粉碎，提升了粉碎的均勻性。

2）對(duì)林間剩余物粉碎過程進(jìn)行力學(xué)分析，明確了影響林間剩余物粉碎性能的主要因素及粉碎方式。林間剩余物經(jīng)過動(dòng)刀的切割和沖擊，隨后經(jīng)過粉碎室壁的沖擊以及粉碎顆粒之間的沖擊作用而粉碎。

3）對(duì)林間剩余物粉碎過程進(jìn)行試驗(yàn)仿真，對(duì)比了2種刀具在相同情況下對(duì)林間剩余物粉碎性能的影響。最終進(jìn)行比較分析，相對(duì)于直刃刀具，斜刃刀具的顆粒bond鍵數(shù)量減少了63. 9%，顆粒平均運(yùn)動(dòng)速度提高了68. 6%，平均粉碎功率降低了34. 2%，粉碎室壁所受的沖擊減少了10%，粉碎顆粒平均能量增加了96%，斜刃刀具粉碎林間剩余物粉碎程度高，粉碎粒度均勻，工作過程更加平穩(wěn)。

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