基于ANSYS的锯齿式皮棉清理机对棉纤维损伤影响研究

来源:用户上传      作者:张秀娟 刘永康 董全成

　　摘 要：锯齿式皮棉清理机清理过程中，其排杂刀会对皮棉纤维产生冲击应力，从而造成棉纤维损伤。为解决这一问题，该文基于ANSYS软件，构建棉纤维、排杂刀及锯齿滚筒的模型，采用仿真手段分析棉纤维所受应力大小。以排杂角、排杂刀刃角和锯齿滚筒转速作为棉纤维损伤的影响因素，以应力作为棉纤维损伤程度评价指标，设计三因素正交实验。根据实验结果，构建棉纤维损伤模型，此模型可用于指导锯齿式皮棉清理机的结构参数改进及工参数优化。
　　关键词：皮棉清理;锯齿式皮棉清理机;棉纤维;ANSYS;仿真实验
　　中图分类号：TS103.7 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2022）23-0077-04
　　Abstract： In the cleaning process of the sawtooth lint cleaning machine， the miscellaneous knife will produce impact stress on the lint fiber， resulting in cotton fiber damage. In this paper， based on ANSYS software， the models of cotton fiber， miscellaneous knife and sawtooth drum are constructed， and the stress of cotton fiber is analyzed by means of simulation. Taking the impurity angle， the blade angle of the cutter and the speed of the sawtooth drum as the influencing factors of cotton fiber damage and the stress as the evaluation index of cotton fiber damage degree， a three-factor orthogonal experiment was designed. According to the experimental results， a cotton fiber damage model is constructed， which can be used to guide the improvement of structural parameters and process parameters optimization of sawtooth lint cleaning machine.
　　Keywords： lint cleaning; sawtooth lint cleaning machine; cotton fiber; ANSYS; simulation experiment
　　棉花加工对棉纤维造成的损伤会使棉纤维的多个指标受到影响，从而会降低皮棉的整体品质[1]。锯齿式皮棉清理机是棉花加工中的重要设备，其清理过程能够有效改善皮棉外观品质，降低皮棉杂质含量，但是锯齿式皮棉清理机的排杂刀与棉纤维的机械接触，也会使棉纤维产生一定程度的损伤[2-3]。锯齿式皮棉清理机的不同结构参数和工艺参数会对棉纤维的损伤程度产生影响，损伤程度不同，则会影响皮棉品质的不同指标。如果造成棉纤维断裂或者撕裂，会使棉纤维的整体长度降低，短纤维含量增加，如果使棉纤维表面受到损伤，则会影响皮棉的反射率、断裂比强度等指标[4-6]。本文基于ANSYS软件，通过构建棉纤维、排杂刀的模型，采用仿真手段重点研究锯齿滚筒转速、排杂角和排杂刀刃角等参数对棉纤维的损伤程度影响规律[7-8]。
　　1 仿真模型构建
　　1.1 锯齿式皮棉清理机工作原理
　　锯齿式皮棉清理机在清理过程中，锯齿滚筒上的锯齿勾拉住棉纤维进行高速旋转，旋转过程中，棉纤维勾拉着的杂质会暴露在棉层表面。当棉纤维和静止的排杂刀发生碰撞、冲击时，大部分杂质能够脱离棉纤维的束缚，被清理出去。棉纤维由于与排杂刀发生碰撞、冲击，会受到一定程度的损伤。
　　由图1可以看出，锯齿滚筒的转速不同，会使棉纤维与排杂刀接触时的冲击应力发生变化，从而会影响棉纤维的损伤程度。
　　图2中，α为排杂刀刃角;β为排杂角。根据力学分析，这2个参数不同，会改变棉纤维与排杂刀接触时的冲击应力大小，不同的冲击应力会造成不同程度的棉纤维损伤。
　　1.2 模型构建及参数设置
　　根据棉纤维截面形状在轴向保持不变的特点，构建了棉纤维的三维仿真模型[9-10]。所构建棉纤维模型如图3所示。
　　排杂刀为锯齿式皮棉清理机的主要清理部件，根据仿真实验要求，分别设计了排杂刃角为50°、60°、70°的3种排杂刀模型。排杂刀三维模型如图4所示。排杂刀与锯齿滚筒的相对角度会形成排杂角，仿真分析时，排杂角分别选取了15°、22.5°、30°进行分析。
　　所构建锯齿滚筒模型，简化为一个刚性部件，其与棉纤维固接。对所构建模型，使用ANSYS Workbench软件中的动力学模块（explicit dynamics）进行刚柔耦合分析。定义棉纤维为柔性体，排杂刀、锯齿滚筒为刚性体，具体参数见表1。
　　仿真分析过程中，将锯齿滚筒转速转化为线速度，锯齿滚筒带动棉纤维与不同参数的排杂刀，以不同线速度发生碰撞，分析冲击应力大小，以此来判断棉纤维损伤程度。图5为单根棉纤维与排杂刀发生碰撞冲击时的应力云图。
　　由图5可以看出，冲击发生时，棉纤维受到较大应力的部位分为2块，一块是棉纤维与排杂刀的接触部位，另一块是棉纤维与锯齿滚筒的固接部位。当这2个部位受到较大应力时，棉纤维会产生一定程度的损伤，如果应力较大，棉纤维则会发生撕裂或者断裂。

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