基于離散元仿真的林間剩余物粉碎刀具設計及性能分析

摘 要：為提高林間剩余物粉碎效率、粉碎均勻度和機器運行穩(wěn)定性，針對林間剩余物粉碎設計一種弧形斜刃粉碎刀具。通過對林間剩余物粉碎過程中受到的剪切、沖擊作用進行力學和動力學分析，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，對比直刃刀具和斜刃刀具對林間剩余物粉碎性能的影響。仿真試驗結(jié)果表明，在相同條件下粉碎林間剩余物時，相較于直刃刀具，斜刃刀具仿真的顆粒bond鍵數(shù)量、顆粒平均運動速度、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)。

關鍵詞：林間剩余物； 粉碎； 力學分析； 刀具設計； 離散元仿真

中圖分類號：TH122；TK6 文獻標識碼：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)境保護的關注不斷增加，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)如果不及時處理，不僅會造成資源浪費，還可能引發(fā)火災等安全隱患?，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，但會對環(huán)境造成污染，不符合當前環(huán)境保護的要求。相較之下，林間剩余物成本低廉，徑級較?。?］，用于粉碎處理，能夠帶來較高的經(jīng)濟效益［5-7］。然而，現(xiàn)有的林間剩余物粉碎設備在實際應用中存在粉碎效率低、能耗高和刀具磨損嚴重等問題，難以滿足高效、環(huán)保的處理需求。

在粉碎機核心部件刀具的設計中，刀具的結(jié)構(gòu)與材料選擇對粉碎質(zhì)量和效率至關重要，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計思路尤為關鍵［8］。當前研究主要集中在刀具的仿生設計、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，仿生設計在刀具優(yōu)化中取得了顯著進展。相關研究利用生物牙齒等對刀具進行設計，這些仿生設計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］設計的甘蔗切割刀具采用不銹鋼材質(zhì)，并通過仿真驗證了刀具的合理性。Khan 等［13］則通過對刀具表面進行紋理處理，優(yōu)化了加工工藝，延長了刀具使用壽命。這些研究表明，通過優(yōu)化材料和表面處理技術，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際應用中的磨損問題。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］設計的V-L形秸稈粉碎還田刀片經(jīng)過優(yōu)化后，粉碎率達到93. 34%，并且刀具具有自磨刃效果。徐偉等［15］利用響應面法和遺傳算法對粉碎機錘片進行優(yōu)化設計，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刀刃角度的最佳值為30°，進一 步提高了粉碎效果。王將等［17］針對水稻秸稈材料的屬性，設計了具有激蕩滑切和撕裂2 個階段秸稈粉碎裝置，能夠有效進行水稻粉碎還田。盡管現(xiàn)有研究在仿生設計、材料選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面取得了諸多進展，但仍然存在一些瓶頸。不同纖維材料的多樣性對刀具設計提出了更高的適應性要求，針對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一步提升。

綜上所述，刀具的仿生設計、材料優(yōu)化和結(jié)構(gòu)參數(shù)改進是提升粉碎質(zhì)量與效率的關鍵路徑，但在適應性、能效和刀具壽命方面仍有待深入研究和突破。本研究針對林間剩余物粉碎問題，設計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)；對林間剩余物粉碎過程受到的剪切、擠壓和碰撞進行了力學和動力學分析；基于離散元仿真（EDEM）軟件對2種刀具進行了粉碎仿真試驗，對比了2種刀具對粉碎效果、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 林間剩余物粉碎機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計

林間剩余物粉碎機如圖1所示。粉碎機包含進料機構(gòu)、粉碎機構(gòu)、動力控制系統(tǒng)、底盤和粉碎收集裝置等。

1. 1 粉碎機結(jié)構(gòu)及工作原理

林間剩余物粉碎機的粉碎機構(gòu)是其核心組件，主要包括進料口、進料輔助壓輥、定刀、動刀、動刀轉(zhuǎn)子、粉碎室和出料口等組成，如圖2所示。

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

工作時，林間剩余物從進料口喂入，首先與進料輔助壓輥接觸，在進料輔助壓輥的作用下接觸到動刀，隨后受到動刀與定刀的剪切、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，林間剩余物被進一步粉碎，最終通過動刀旋轉(zhuǎn)所形成的風場作用被排出。

1. 2 粉碎刀具結(jié)構(gòu)設計

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

根據(jù)動刀轉(zhuǎn)子裝配空間需要，設計刀具長度為165 mm。為保證刀具的強度，刀具厚度一般應設計為6～10 mm。理論上，隨著刀具的厚度增加，刀具的強度會更高，刀具的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量也會增大，但過厚的刀具不利于粉碎物的均勻度，刀具厚度減小，刀具的強度和壽命也會降低，因此，刀具厚度設計為8 mm。刀具的刃口角度設計為30°，采用合金鋼材料制作，并對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。為確保刀具的剪切性能及刀具強度，弧形斜刃刀具的斜角設計為15°。另外，為避免由于動刀與定刀的振動而產(chǎn)生碰撞，在不影響粉碎效果的前提下，將動刀與定刀的最小間隔距離設計為3 mm。刀具弧度設計為貼合動刀轉(zhuǎn)子的外徑。

相比于直刃刀具，斜刃刀具的刀刃長度有所增加，刀具的有效切割面積增大，能夠降低切割過程中的應力集中，這對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。應力集中的減少不僅能延長刀具的使用壽命，還能減少設備的維護頻率和成本。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能夠在較低能耗的情況下達到更高的工作效率。

2 粉碎過程力學分析

林間剩余物在粉碎過程中受到動刀的剪切和沖擊、粉碎室壁的沖擊以及粉碎顆粒之間的沖擊作用。本研究針對上述過程進行力學和動力學分析，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，當外力逐漸增大并超過物料的彈性極限時，物料進入塑性變形階段，此時內(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。為了簡化受力過程，將林間剩余物視為圓柱體研究。假設林間剩余物在粉碎過程中受到動刀和定刀的剪切作用，動刀以角速度（w）旋轉(zhuǎn)靠近固定的定刀，物料在瞬時受力平衡下被剪切。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。物料在這一時刻的受力可以表示為

式中：FN1為動刀對物料正壓力，N；FN2為定刀對物料支撐力，N；f1為動刀對物料的摩擦力，N；f2為定刀對物料的摩擦力，N；μ1 為動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，相對于直刃刀具，斜刃粉碎林間剩余物時能夠產(chǎn)生一個沿物料表面的力，能夠推動物料滑切，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制之一。當高速旋轉(zhuǎn)的粉碎刀具與物料表面接觸時，刀具的動能迅速轉(zhuǎn)化為沖擊能量，施加在物料上。這一瞬時的高能量沖擊力使物料表面產(chǎn)生局部壓縮變形，形成應力集中區(qū)域。隨著沖擊力的持續(xù)作用，物料內(nèi)部的微裂紋開始擴展，直至貫穿整個物料，導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、裂紋擴展階段和最終破碎階段。這一沖擊力（Fi ）可以通過沖量-動量定理來計算。

設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，沖擊力作用的時間為Δt。根據(jù)沖量-動量定理，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 是沖擊力作用的時間間隔，s。

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

為了進一步分析沖擊力對顆粒的影響，可以考慮林間剩余物在沖擊點處的應力分布。設接觸面積為A，則沖擊應力（σi ）可以表示為

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

2. 3 粉碎室對林間剩余物的沖擊作用分析

粉碎室是林間剩余物粉碎機的核心部件，其對林間剩余物的粉碎效果起著至關重要的作用。在動刀高速旋轉(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林間剩余物顆粒的沖擊作用，可以利用赫茲接觸理論計算碰撞接觸點的最大正應力。當2個彈性體發(fā)生碰撞時，接觸點的最大正應力（σmax）可以通過以下公式計算

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，表示為

F = mv／Δt 。（6）

式中，Δt 為碰撞時間，s。

當粉碎顆粒半徑為R1 和粉碎室壁曲率半徑為R2時，綜合曲率半徑R 的計算公式為

結(jié)合上述公式，顆粒在粉碎室壁上的最大正應力σmax可進一步表示為

通過以上公式可以看到，最大正應力（σmax）取決于材料的彈性模量、顆粒的質(zhì)量、碰撞速度、碰撞時間以及綜合曲率半徑。最大正應力與綜合曲率半徑呈負相關，而綜合曲率半徑與兩碰撞曲率半徑有關，R1、R2 越小，綜合曲率半徑越小，因此粉碎室對于較小的粉碎顆粒沖擊作用更強烈。最大正應力與碰撞速度呈正相關，而碰撞速度受動刀轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速影響，轉(zhuǎn)速越大，顆粒碰撞速度越大，因此可以適當增加動刀轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)高效粉碎。最大正應力與綜合彈性模量呈正相關，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［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，除了粉碎室壁對物料的沖擊外，顆粒之間的相互碰撞也是實現(xiàn)高效粉碎的重要機制。顆粒之間的碰撞能夠促使物料進一步破碎，并達到更均勻的粒度。

在粉碎室內(nèi)，物料顆粒在受到刀具初次剪切或沖擊后，會以較高速度在粉碎室內(nèi)進行自由運動和相互碰撞。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中的重要一環(huán)。顆粒碰撞時，產(chǎn)生的應力大于林間剩余物的抗拉強度，導致了物料的破裂。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其進行干燥處理等。

3 仿真模型的建立與參數(shù)設定

采用離散元法，利用EDEM 軟件進行仿真，在EDEM軟件導入粉碎機構(gòu)仿真模型，在軟件中設置木材顆粒模型，通過林間剩余物粉碎仿真試驗，對2種刀具仿真試驗結(jié)果進行對比分析，驗證設計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雜，為提高仿真試驗的可行性，須將林間剩余物離散化，才能使用EDEM軟件進行模擬，參考粉碎后的林間剩余物如圖6所示，經(jīng)過測量，選定均值厚度為5 mm的林間剩余物粉碎物為參照，按照實物繪制三維模型如圖7（a）所示，并使用EDEM 軟件對其進行顆粒填充，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 粉碎機構(gòu)的EDEM仿真模型建立

為了簡化計算過程，提高仿真的計算效率，對林間剩余物粉碎機構(gòu)進行一定的簡化，在Solid‐Works軟件建立林間剩余物粉碎機構(gòu)簡化模型，另存為STL格式，導入至EDEM離散元分析軟件中進行仿真分析，簡化后的模型如圖8所示。

3. 3 EDEM仿真參數(shù)設定

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

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

將導入的粉碎機構(gòu)仿真模型添加運動，對其進料輔助壓輥添加一個持續(xù)的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為30 r/min，對動刀添加一個持續(xù)的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。在進料輔助壓輥與動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。最后添加物理模型，在物理模型選項中添加Hertz-Mindlin withbonding（帶黏結(jié)鍵的）接觸模型，并設置顆粒的黏結(jié)參數(shù)，另外，由于動刀的旋轉(zhuǎn)，在粉碎室內(nèi)部會產(chǎn)生一個風場，粉碎后的顆粒會在動刀和風場的雙重作用下從出料口噴出，利用Fluent軟件設置一個風場，完成后導出風場的cgns文件，在Plugin Factories（插件工廠）選項中導入風場文件。

分別將直刃刀具和斜刃刀具進行仿真試驗，以bond鍵、顆粒運動速度等為探究指標，探究2種刀具對林間剩余物粉碎效果影響，試驗進行3次，取平均值作為結(jié)果。在仿真開始前，設置仿真時間為0. 4 s，數(shù)據(jù)記錄時間為0. 01 s，仿真時間步長為3. 36×10-6 s。

4 仿真結(jié)果分析

4. 1 2種刀具對粉碎顆粒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種動刀對粉碎顆粒運動速度的影響

林間剩余物粉碎顆粒運動速度和動刀對林間剩余物的沖擊作用密切相關，2種動刀對粉碎顆粒運動速度的影響如圖10所示。

由圖10可以看出，使用2種動刀的粉碎顆粒運動速度均為急速增大，后呈現(xiàn)波動性降低的情況，斜刃刀具粉碎的顆粒平均運動速度為87. 2 m/s，比直刃刀具粉碎的顆粒平均運動速度提高了68. 6%，這表明斜刃刀具更能提高顆粒的動能，對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動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種動刀對動刀轉(zhuǎn)矩的影響

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

由圖11可以看出，2種動刀的轉(zhuǎn)矩均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，且直刃刀具試驗的動刀轉(zhuǎn)矩最大值更大，且根據(jù)斜刃刀具試驗的曲線波動較小，說明斜刃刀具能夠更好地抵抗系統(tǒng)的振動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)動刀轉(zhuǎn)矩可以計算出粉碎的功率

P = nM／9 550。（11）

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

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

4. 4 2種動刀對粉碎室壁受力的影響

2種動刀對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粉碎顆粒的碰撞沖擊作用。

由圖12 可以看出，斜刃刀具試驗粉碎室壁的受力波動較小，這說明斜刃刀具能夠使粉碎顆粒所受的力分散，實現(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。直刃刀具試驗粉碎室壁的受力較大，且波動較大，說明直刃刀具作用在粉碎顆粒上的力比較集中，在動刀的作用下，粉碎顆粒與粉碎室壁的碰撞更加劇烈，能夠提升粉碎效率，但會導致林間剩余物粉碎程度不均勻，還可能會出現(xiàn)粉碎過度等問題。斜刃刀具試驗粉碎室壁平均受力低于直刃刀具，可以得到相對均勻的粉碎物，但在一定程度上對粉碎效率有影響。

4. 5 2種動刀對粉碎顆?？偰芰康挠绊?/p>

2 種動刀對粉碎顆粒總能量的影響如圖13所示。

由圖13可以看出，2種動刀仿真的粉碎顆?？偰芰康那€趨勢一致，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械能，進而轉(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的試驗結(jié)果可知，斜刃刀具試驗顆粒的總能量高于直刃刀具，但動刀功率消耗低于直刃刀具，說明斜刃刀具對粉碎顆粒的切割做功較少，斜刃刀具能夠促進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

本研究設計了一種林間剩余物用弧形斜刃動刀刀具，并對該刀具粉碎過程進行了力學分析，并使用EDEM軟件對2種刀具進行了仿真試驗，仿真試驗結(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）設計的弧形斜刃形狀的粉碎動刀刀具，利用動、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；將刀具設計成弧形，提高了刀具的適用性；刀具采用斜刃設計，可以實現(xiàn)刀具的自磨刃效果，還可以實現(xiàn)對林間剩余物的各向切割粉碎，提升了粉碎的均勻性。

2）對林間剩余物粉碎過程進行力學分析，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）對林間剩余物粉碎過程進行試驗仿真，對比了2種刀具在相同情況下對林間剩余物粉碎性能的影響。最終進行比較分析，相對于直刃刀具，斜刃刀具的顆粒bond鍵數(shù)量減少了63. 9%，顆粒平均運動速度提高了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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基金項目：國家林草裝備科技創(chuàng)新園研發(fā)攻關項目（2023YG06）。