基于ANSYS的梳齒式采棉機(jī)鋸齒滾筒有限元分析

竇趙明+陳發(fā)

摘要：為確定梳齒式采棉機(jī)關(guān)鍵部件的參數(shù)，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析采摘部件的結(jié)構(gòu)及工作原理，建立采摘部件工作參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)利用ANSYS有限元分析軟件對鋸齒滾筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析。分析結(jié)果表明，鋸齒滾筒的最大變形極小，能夠滿足實(shí)際工作需求。

關(guān)鍵詞：采棉機(jī)；鋸齒滾筒；工作原理；結(jié)構(gòu)靜力分析；應(yīng)力

中圖分類號：S225.91+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）01-0023-03

新疆多年來基本保持年種植棉花150 hm2，并以其先進(jìn)的植棉技術(shù)和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，在全國棉花主產(chǎn)區(qū)占有重要地位。我國的植棉業(yè)屬勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，棉花生產(chǎn)率較低，除耕地、播種、中耕、噴藥等田間作業(yè)使用機(jī)械外，其余作業(yè)仍以人工為主。解決這一突出問題的唯一途徑是大力發(fā)展棉花生產(chǎn)機(jī)械化。梳齒式采棉機(jī)屬于“一次性采棉機(jī)械”（俗稱“統(tǒng)收機(jī)”），其采摘臺加工制造相對簡單，制作成本較低。同時(shí)，梳齒式采棉機(jī)不受棉花種植模式以及采摘路線的限制。2010年，新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所與山東天鵝棉業(yè)股份有限公司聯(lián)合研制的4MZ-3000梳齒型組合式采棉機(jī)，可一次性完成采摘和清花預(yù)處理兩項(xiàng)作業(yè)。作業(yè)時(shí)，機(jī)具把棉株上的籽棉、枝葉、青玲、短果枝、玲殼等全部梳脫下來。當(dāng)工作速度較高時(shí)，采摘喂入量大會(huì)使預(yù)清理裝置產(chǎn)生“卡堵”現(xiàn)象，有可能對鋸齒滾筒造成破壞。因此，對其鋸齒滾筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析，為優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 采摘臺基本結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

梳齒式采棉機(jī)的采摘臺由防拔輥、梳齒總成、鏈鈀式輸送器、懸掛架、撥棉輥、壓棉筒、預(yù)清理裝置、機(jī)架、舉升油缸、氣力輸送裝置等組成。其中，預(yù)清理裝置包括鋸齒滾筒和刷棉滾筒。防拔輥位于采收臺底部前端，在作業(yè)過程中對棉株起扶持作用。梳齒總成位于采摘臺最前端，梳齒以一定間距均勻排列，同時(shí)與地面成一定角度。鏈鈀式輸送器的作用是把采摘下來的棉花輸送到預(yù)清理裝置，其與梳齒總成工作段的斜面平行，且有一段間隙。撥棉輥位于鏈鈀式輸送器頂部，主要作用是將鏈鈀式輸送器輸送的棉花撥落到預(yù)清理裝置。壓棉筒位于梳齒總成上方，主要作用是防止機(jī)具作業(yè)時(shí)將棉稈拔起，對梳齒、鏈鈀式輸送器以及預(yù)清理裝置造成卡堵。舉升油缸是控制采摘臺高度的關(guān)鍵，便于采收及道路行駛。機(jī)架是整個(gè)采摘臺的支撐，起到支撐的作用。采摘臺的結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

1.2 工作原理

采摘臺是梳齒式采棉機(jī)的重要組成部分，其工作性能的好壞直接影響整機(jī)的各項(xiàng)工作指標(biāo)。采摘部件的工作狀況取決于結(jié)構(gòu)尺寸、形狀、材料及棉株相互作用。采摘原理可以歸納為：采集—預(yù)清理—集棉，分別由不同的工作單元完成。梳齒型采棉機(jī)采摘臺的工作過程如下：液壓系統(tǒng)將采摘臺升到適當(dāng)?shù)墓ぷ魑恢茫擅薏考S著機(jī)具前進(jìn)；梳齒部件傾斜設(shè)置，從斜向上方穿過棉株，每棵棉株被強(qiáng)制通過梳齒間的間隙；因?yàn)槭猃X間隙比棉鈴直徑小，棉鈴不能通過，因而被采摘下來；梳齒后端下方的防拔輥對棉株起扶持作用，同時(shí)施加一個(gè)向下的拉力，使不能通過間隙的棉鈴脫離棉株；同時(shí)，鏈鈀式輸送器及撥棉輥互相配合，將采摘下來的棉花輸送到后部的預(yù)清理裝置，最終由氣力輸送裝置輸送至棉箱。

2 鋸齒滾筒結(jié)構(gòu)靜力分析

按照鋸齒滾筒（見圖2）安裝位置和工作時(shí)的受力情況，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。基于ANSYS有限元分析軟件，通過導(dǎo)入實(shí)體模型、定義材料屬性、劃分網(wǎng)格、定義邊界調(diào)節(jié)、求解，得出鋸齒的應(yīng)力應(yīng)變情況。

2.1 建立模型

建立結(jié)構(gòu)的有限元模型，使用ANSYS軟件進(jìn)行靜力分析。有限元模型的建立是否正確、合理，直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確及可靠程度。因此，建立有限元模型時(shí)根據(jù)問題的特點(diǎn)，對需要?jiǎng)澐值挠邢拊W(wǎng)格粗細(xì)和分布情況進(jìn)行大致規(guī)劃，將鋸齒滾筒上的部分鋸齒作為研究對象。由于鋸齒滾筒的實(shí)際模型相對比較復(fù)雜，為免繁雜而又不必要的計(jì)算，對模型進(jìn)行簡化。應(yīng)用Solidworks 2013軟件通過一系列操作建立鋸齒滾筒上鋸齒的三維實(shí)體模型，將模型另存為*x_t文件，然后導(dǎo)入ANSYS中。

2.2 定義材料屬性

U型齒條高7 mm、寬14 mm、厚1 mm。其材料屬性如下：Q235A鋼，彈性模量E=2E11，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850。

2.3 劃分網(wǎng)格

模型建立之后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，主要涉及以下4方面：1） 選擇單元屬性（單元類型、實(shí)常數(shù)、材料屬性）；2） 設(shè)定網(wǎng)格尺寸控制（控制網(wǎng)格密度）；3） 網(wǎng)格劃分前保存數(shù)據(jù)庫；4） 執(zhí)行網(wǎng)格劃分。

按照一般原則，有限元三維模型的單元網(wǎng)格劃分越細(xì)密，單元數(shù)越多，則有限元分析的結(jié)果越精確。但是，單元網(wǎng)格不能無限劃分，受硬件條件的限制，如CPU主頻、內(nèi)存大小等。一般情況下，單元網(wǎng)格的數(shù)目能達(dá)到要求的準(zhǔn)確度即可。選用十節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體結(jié)構(gòu)單元Tet 10Node187單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分（見圖3），不需要設(shè)定實(shí)常數(shù)。

2.4 定義邊界條件

建立有限元模型后，需要定義分析類型和施加邊界條件及載荷。當(dāng)籽棉開始進(jìn)入鋸片時(shí)，鋸齒會(huì)把尚未從棉籽上脫落的棉花纖維鉤住，使其隨著鋸齒滾筒運(yùn)動(dòng)，處在鋸齒之間凹口內(nèi)的棉花纖維在摩擦力的作用下，開始從凹口脫離，凡是分布在與摩擦力作用方向成β角的BD線右方的所有棉花纖維都在凹口離開，只有在△BCD內(nèi)的纖維可以保持不動(dòng)（如圖4所示）。將鋸齒截面輪廓的參數(shù)代入，可得下列簡式：

f=S△BCD=

-

（1）

-

=A=常數(shù) （2）

經(jīng)推導(dǎo)可得，鋸齒的鉤住能力隨α值的變化而變化。

鋸齒結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。拾取鋸齒條底部的四條邊線，選擇ALL DOF作為約束自由度。由于卡堵現(xiàn)象較容易解決，所以在鋸齒條兩側(cè)面分別施加30 N的極限載荷。

2.5 求解及后處理

進(jìn)行求解及后處理Solution〉Solve>Current LS，查看分析結(jié)果 General postpro>plot results，分析結(jié)果如圖5—8所示。

從圖5—8可以看出，大應(yīng)力應(yīng)變主要發(fā)生在鋸齒齒根部附近。最大受力變形為0.521E-09mm，變形極其微小。同時(shí)，在機(jī)具正常工作的情況下，不會(huì)超過鋸齒材料的許用應(yīng)力，可滿足實(shí)際的使用要求。

3 結(jié)論

通過對鋸齒滾筒模型進(jìn)行有限元分析，確定該鋸齒滾筒受載荷時(shí)的變形及應(yīng)力情況。由于鋸齒材料為彈性材料，其緩沖作用允許籽棉通過，故變形不明顯，可滿足設(shè)計(jì)要求。在三維軟件中建立實(shí)體模型，可以對設(shè)計(jì)部件的材料及強(qiáng)度進(jìn)行判斷，修正設(shè)計(jì)中存在的不足及缺陷。對梳齒式采棉機(jī)鋸齒滾筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析研究，找出影響實(shí)際問題的理論依據(jù)，為機(jī)具的進(jìn)一步改進(jìn)提供理論參考。

摘要：為確定梳齒式采棉機(jī)關(guān)鍵部件的參數(shù)，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析采摘部件的結(jié)構(gòu)及工作原理，建立采摘部件工作參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)利用ANSYS有限元分析軟件對鋸齒滾筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析。分析結(jié)果表明，鋸齒滾筒的最大變形極小，能夠滿足實(shí)際工作需求。

關(guān)鍵詞：采棉機(jī)；鋸齒滾筒；工作原理；結(jié)構(gòu)靜力分析；應(yīng)力

中圖分類號：S225.91+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）01-0023-03

新疆多年來基本保持年種植棉花150 hm2，并以其先進(jìn)的植棉技術(shù)和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，在全國棉花主產(chǎn)區(qū)占有重要地位。我國的植棉業(yè)屬勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，棉花生產(chǎn)率較低，除耕地、播種、中耕、噴藥等田間作業(yè)使用機(jī)械外，其余作業(yè)仍以人工為主。解決這一突出問題的唯一途徑是大力發(fā)展棉花生產(chǎn)機(jī)械化。梳齒式采棉機(jī)屬于“一次性采棉機(jī)械”（俗稱“統(tǒng)收機(jī)”），其采摘臺加工制造相對簡單，制作成本較低。同時(shí)，梳齒式采棉機(jī)不受棉花種植模式以及采摘路線的限制。2010年，新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所與山東天鵝棉業(yè)股份有限公司聯(lián)合研制的4MZ-3000梳齒型組合式采棉機(jī)，可一次性完成采摘和清花預(yù)處理兩項(xiàng)作業(yè)。作業(yè)時(shí)，機(jī)具把棉株上的籽棉、枝葉、青玲、短果枝、玲殼等全部梳脫下來。當(dāng)工作速度較高時(shí)，采摘喂入量大會(huì)使預(yù)清理裝置產(chǎn)生“卡堵”現(xiàn)象，有可能對鋸齒滾筒造成破壞。因此，對其鋸齒滾筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析，為優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 采摘臺基本結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

梳齒式采棉機(jī)的采摘臺由防拔輥、梳齒總成、鏈鈀式輸送器、懸掛架、撥棉輥、壓棉筒、預(yù)清理裝置、機(jī)架、舉升油缸、氣力輸送裝置等組成。其中，預(yù)清理裝置包括鋸齒滾筒和刷棉滾筒。防拔輥位于采收臺底部前端，在作業(yè)過程中對棉株起扶持作用。梳齒總成位于采摘臺最前端，梳齒以一定間距均勻排列，同時(shí)與地面成一定角度。鏈鈀式輸送器的作用是把采摘下來的棉花輸送到預(yù)清理裝置，其與梳齒總成工作段的斜面平行，且有一段間隙。撥棉輥位于鏈鈀式輸送器頂部，主要作用是將鏈鈀式輸送器輸送的棉花撥落到預(yù)清理裝置。壓棉筒位于梳齒總成上方，主要作用是防止機(jī)具作業(yè)時(shí)將棉稈拔起，對梳齒、鏈鈀式輸送器以及預(yù)清理裝置造成卡堵。舉升油缸是控制采摘臺高度的關(guān)鍵，便于采收及道路行駛。機(jī)架是整個(gè)采摘臺的支撐，起到支撐的作用。采摘臺的結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

1.2 工作原理

采摘臺是梳齒式采棉機(jī)的重要組成部分，其工作性能的好壞直接影響整機(jī)的各項(xiàng)工作指標(biāo)。采摘部件的工作狀況取決于結(jié)構(gòu)尺寸、形狀、材料及棉株相互作用。采摘原理可以歸納為：采集—預(yù)清理—集棉，分別由不同的工作單元完成。梳齒型采棉機(jī)采摘臺的工作過程如下：液壓系統(tǒng)將采摘臺升到適當(dāng)?shù)墓ぷ魑恢?，采棉部件隨著機(jī)具前進(jìn)；梳齒部件傾斜設(shè)置，從斜向上方穿過棉株，每棵棉株被強(qiáng)制通過梳齒間的間隙；因?yàn)槭猃X間隙比棉鈴直徑小，棉鈴不能通過，因而被采摘下來；梳齒后端下方的防拔輥對棉株起扶持作用，同時(shí)施加一個(gè)向下的拉力，使不能通過間隙的棉鈴脫離棉株；同時(shí)，鏈鈀式輸送器及撥棉輥互相配合，將采摘下來的棉花輸送到后部的預(yù)清理裝置，最終由氣力輸送裝置輸送至棉箱。

2 鋸齒滾筒結(jié)構(gòu)靜力分析

按照鋸齒滾筒（見圖2）安裝位置和工作時(shí)的受力情況，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。基于ANSYS有限元分析軟件，通過導(dǎo)入實(shí)體模型、定義材料屬性、劃分網(wǎng)格、定義邊界調(diào)節(jié)、求解，得出鋸齒的應(yīng)力應(yīng)變情況。

2.1 建立模型

建立結(jié)構(gòu)的有限元模型，使用ANSYS軟件進(jìn)行靜力分析。有限元模型的建立是否正確、合理，直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確及可靠程度。因此，建立有限元模型時(shí)根據(jù)問題的特點(diǎn)，對需要?jiǎng)澐值挠邢拊W(wǎng)格粗細(xì)和分布情況進(jìn)行大致規(guī)劃，將鋸齒滾筒上的部分鋸齒作為研究對象。由于鋸齒滾筒的實(shí)際模型相對比較復(fù)雜，為免繁雜而又不必要的計(jì)算，對模型進(jìn)行簡化。應(yīng)用Solidworks 2013軟件通過一系列操作建立鋸齒滾筒上鋸齒的三維實(shí)體模型，將模型另存為*x_t文件，然后導(dǎo)入ANSYS中。

2.2 定義材料屬性

U型齒條高7 mm、寬14 mm、厚1 mm。其材料屬性如下：Q235A鋼，彈性模量E=2E11，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850。

2.3 劃分網(wǎng)格

模型建立之后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，主要涉及以下4方面：1） 選擇單元屬性（單元類型、實(shí)常數(shù)、材料屬性）；2） 設(shè)定網(wǎng)格尺寸控制（控制網(wǎng)格密度）；3） 網(wǎng)格劃分前保存數(shù)據(jù)庫；4） 執(zhí)行網(wǎng)格劃分。

按照一般原則，有限元三維模型的單元網(wǎng)格劃分越細(xì)密，單元數(shù)越多，則有限元分析的結(jié)果越精確。但是，單元網(wǎng)格不能無限劃分，受硬件條件的限制，如CPU主頻、內(nèi)存大小等。一般情況下，單元網(wǎng)格的數(shù)目能達(dá)到要求的準(zhǔn)確度即可。選用十節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體結(jié)構(gòu)單元Tet 10Node187單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分（見圖3），不需要設(shè)定實(shí)常數(shù)。

2.4 定義邊界條件

建立有限元模型后，需要定義分析類型和施加邊界條件及載荷。當(dāng)籽棉開始進(jìn)入鋸片時(shí)，鋸齒會(huì)把尚未從棉籽上脫落的棉花纖維鉤住，使其隨著鋸齒滾筒運(yùn)動(dòng)，處在鋸齒之間凹口內(nèi)的棉花纖維在摩擦力的作用下，開始從凹口脫離，凡是分布在與摩擦力作用方向成β角的BD線右方的所有棉花纖維都在凹口離開，只有在△BCD內(nèi)的纖維可以保持不動(dòng)（如圖4所示）。將鋸齒截面輪廓的參數(shù)代入，可得下列簡式：

f=S△BCD=

-

（1）

-

=A=常數(shù) （2）

經(jīng)推導(dǎo)可得，鋸齒的鉤住能力隨α值的變化而變化。

鋸齒結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。拾取鋸齒條底部的四條邊線，選擇ALL DOF作為約束自由度。由于卡堵現(xiàn)象較容易解決，所以在鋸齒條兩側(cè)面分別施加30 N的極限載荷。

2.5 求解及后處理

進(jìn)行求解及后處理Solution〉Solve>Current LS，查看分析結(jié)果 General postpro>plot results，分析結(jié)果如圖5—8所示。

從圖5—8可以看出，大應(yīng)力應(yīng)變主要發(fā)生在鋸齒齒根部附近。最大受力變形為0.521E-09mm，變形極其微小。同時(shí)，在機(jī)具正常工作的情況下，不會(huì)超過鋸齒材料的許用應(yīng)力，可滿足實(shí)際的使用要求。

3 結(jié)論

通過對鋸齒滾筒模型進(jìn)行有限元分析，確定該鋸齒滾筒受載荷時(shí)的變形及應(yīng)力情況。由于鋸齒材料為彈性材料，其緩沖作用允許籽棉通過，故變形不明顯，可滿足設(shè)計(jì)要求。在三維軟件中建立實(shí)體模型，可以對設(shè)計(jì)部件的材料及強(qiáng)度進(jìn)行判斷，修正設(shè)計(jì)中存在的不足及缺陷。對梳齒式采棉機(jī)鋸齒滾筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析研究，找出影響實(shí)際問題的理論依據(jù)，為機(jī)具的進(jìn)一步改進(jìn)提供理論參考。

摘要：為確定梳齒式采棉機(jī)關(guān)鍵部件的參數(shù)，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析采摘部件的結(jié)構(gòu)及工作原理，建立采摘部件工作參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)利用ANSYS有限元分析軟件對鋸齒滾筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析。分析結(jié)果表明，鋸齒滾筒的最大變形極小，能夠滿足實(shí)際工作需求。

關(guān)鍵詞：采棉機(jī)；鋸齒滾筒；工作原理；結(jié)構(gòu)靜力分析；應(yīng)力

中圖分類號：S225.91+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）01-0023-03

新疆多年來基本保持年種植棉花150 hm2，并以其先進(jìn)的植棉技術(shù)和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，在全國棉花主產(chǎn)區(qū)占有重要地位。我國的植棉業(yè)屬勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，棉花生產(chǎn)率較低，除耕地、播種、中耕、噴藥等田間作業(yè)使用機(jī)械外，其余作業(yè)仍以人工為主。解決這一突出問題的唯一途徑是大力發(fā)展棉花生產(chǎn)機(jī)械化。梳齒式采棉機(jī)屬于“一次性采棉機(jī)械”（俗稱“統(tǒng)收機(jī)”），其采摘臺加工制造相對簡單，制作成本較低。同時(shí)，梳齒式采棉機(jī)不受棉花種植模式以及采摘路線的限制。2010年，新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所與山東天鵝棉業(yè)股份有限公司聯(lián)合研制的4MZ-3000梳齒型組合式采棉機(jī)，可一次性完成采摘和清花預(yù)處理兩項(xiàng)作業(yè)。作業(yè)時(shí)，機(jī)具把棉株上的籽棉、枝葉、青玲、短果枝、玲殼等全部梳脫下來。當(dāng)工作速度較高時(shí)，采摘喂入量大會(huì)使預(yù)清理裝置產(chǎn)生“卡堵”現(xiàn)象，有可能對鋸齒滾筒造成破壞。因此，對其鋸齒滾筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析，為優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 采摘臺基本結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

梳齒式采棉機(jī)的采摘臺由防拔輥、梳齒總成、鏈鈀式輸送器、懸掛架、撥棉輥、壓棉筒、預(yù)清理裝置、機(jī)架、舉升油缸、氣力輸送裝置等組成。其中，預(yù)清理裝置包括鋸齒滾筒和刷棉滾筒。防拔輥位于采收臺底部前端，在作業(yè)過程中對棉株起扶持作用。梳齒總成位于采摘臺最前端，梳齒以一定間距均勻排列，同時(shí)與地面成一定角度。鏈鈀式輸送器的作用是把采摘下來的棉花輸送到預(yù)清理裝置，其與梳齒總成工作段的斜面平行，且有一段間隙。撥棉輥位于鏈鈀式輸送器頂部，主要作用是將鏈鈀式輸送器輸送的棉花撥落到預(yù)清理裝置。壓棉筒位于梳齒總成上方，主要作用是防止機(jī)具作業(yè)時(shí)將棉稈拔起，對梳齒、鏈鈀式輸送器以及預(yù)清理裝置造成卡堵。舉升油缸是控制采摘臺高度的關(guān)鍵，便于采收及道路行駛。機(jī)架是整個(gè)采摘臺的支撐，起到支撐的作用。采摘臺的結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

1.2 工作原理

采摘臺是梳齒式采棉機(jī)的重要組成部分，其工作性能的好壞直接影響整機(jī)的各項(xiàng)工作指標(biāo)。采摘部件的工作狀況取決于結(jié)構(gòu)尺寸、形狀、材料及棉株相互作用。采摘原理可以歸納為：采集—預(yù)清理—集棉，分別由不同的工作單元完成。梳齒型采棉機(jī)采摘臺的工作過程如下：液壓系統(tǒng)將采摘臺升到適當(dāng)?shù)墓ぷ魑恢?，采棉部件隨著機(jī)具前進(jìn)；梳齒部件傾斜設(shè)置，從斜向上方穿過棉株，每棵棉株被強(qiáng)制通過梳齒間的間隙；因?yàn)槭猃X間隙比棉鈴直徑小，棉鈴不能通過，因而被采摘下來；梳齒后端下方的防拔輥對棉株起扶持作用，同時(shí)施加一個(gè)向下的拉力，使不能通過間隙的棉鈴脫離棉株；同時(shí)，鏈鈀式輸送器及撥棉輥互相配合，將采摘下來的棉花輸送到后部的預(yù)清理裝置，最終由氣力輸送裝置輸送至棉箱。

2 鋸齒滾筒結(jié)構(gòu)靜力分析

按照鋸齒滾筒（見圖2）安裝位置和工作時(shí)的受力情況，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。基于ANSYS有限元分析軟件，通過導(dǎo)入實(shí)體模型、定義材料屬性、劃分網(wǎng)格、定義邊界調(diào)節(jié)、求解，得出鋸齒的應(yīng)力應(yīng)變情況。

2.1 建立模型

建立結(jié)構(gòu)的有限元模型，使用ANSYS軟件進(jìn)行靜力分析。有限元模型的建立是否正確、合理，直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確及可靠程度。因此，建立有限元模型時(shí)根據(jù)問題的特點(diǎn)，對需要?jiǎng)澐值挠邢拊W(wǎng)格粗細(xì)和分布情況進(jìn)行大致規(guī)劃，將鋸齒滾筒上的部分鋸齒作為研究對象。由于鋸齒滾筒的實(shí)際模型相對比較復(fù)雜，為免繁雜而又不必要的計(jì)算，對模型進(jìn)行簡化。應(yīng)用Solidworks 2013軟件通過一系列操作建立鋸齒滾筒上鋸齒的三維實(shí)體模型，將模型另存為*x_t文件，然后導(dǎo)入ANSYS中。

2.2 定義材料屬性

U型齒條高7 mm、寬14 mm、厚1 mm。其材料屬性如下：Q235A鋼，彈性模量E=2E11，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850。

2.3 劃分網(wǎng)格

模型建立之后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，主要涉及以下4方面：1） 選擇單元屬性（單元類型、實(shí)常數(shù)、材料屬性）；2） 設(shè)定網(wǎng)格尺寸控制（控制網(wǎng)格密度）；3） 網(wǎng)格劃分前保存數(shù)據(jù)庫；4） 執(zhí)行網(wǎng)格劃分。

按照一般原則，有限元三維模型的單元網(wǎng)格劃分越細(xì)密，單元數(shù)越多，則有限元分析的結(jié)果越精確。但是，單元網(wǎng)格不能無限劃分，受硬件條件的限制，如CPU主頻、內(nèi)存大小等。一般情況下，單元網(wǎng)格的數(shù)目能達(dá)到要求的準(zhǔn)確度即可。選用十節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體結(jié)構(gòu)單元Tet 10Node187單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分（見圖3），不需要設(shè)定實(shí)常數(shù)。

2.4 定義邊界條件

建立有限元模型后，需要定義分析類型和施加邊界條件及載荷。當(dāng)籽棉開始進(jìn)入鋸片時(shí)，鋸齒會(huì)把尚未從棉籽上脫落的棉花纖維鉤住，使其隨著鋸齒滾筒運(yùn)動(dòng)，處在鋸齒之間凹口內(nèi)的棉花纖維在摩擦力的作用下，開始從凹口脫離，凡是分布在與摩擦力作用方向成β角的BD線右方的所有棉花纖維都在凹口離開，只有在△BCD內(nèi)的纖維可以保持不動(dòng)（如圖4所示）。將鋸齒截面輪廓的參數(shù)代入，可得下列簡式：

f=S△BCD=

-

（1）

-

=A=常數(shù) （2）

經(jīng)推導(dǎo)可得，鋸齒的鉤住能力隨α值的變化而變化。

鋸齒結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。拾取鋸齒條底部的四條邊線，選擇ALL DOF作為約束自由度。由于卡堵現(xiàn)象較容易解決，所以在鋸齒條兩側(cè)面分別施加30 N的極限載荷。

2.5 求解及后處理

進(jìn)行求解及后處理Solution〉Solve>Current LS，查看分析結(jié)果 General postpro>plot results，分析結(jié)果如圖5—8所示。

從圖5—8可以看出，大應(yīng)力應(yīng)變主要發(fā)生在鋸齒齒根部附近。最大受力變形為0.521E-09mm，變形極其微小。同時(shí)，在機(jī)具正常工作的情況下，不會(huì)超過鋸齒材料的許用應(yīng)力，可滿足實(shí)際的使用要求。

3 結(jié)論

通過對鋸齒滾筒模型進(jìn)行有限元分析，確定該鋸齒滾筒受載荷時(shí)的變形及應(yīng)力情況。由于鋸齒材料為彈性材料，其緩沖作用允許籽棉通過，故變形不明顯，可滿足設(shè)計(jì)要求。在三維軟件中建立實(shí)體模型，可以對設(shè)計(jì)部件的材料及強(qiáng)度進(jìn)行判斷，修正設(shè)計(jì)中存在的不足及缺陷。對梳齒式采棉機(jī)鋸齒滾筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析研究，找出影響實(shí)際問題的理論依據(jù)，為機(jī)具的進(jìn)一步改進(jìn)提供理論參考。