基于离散元仿真的林间剩余物粉碎刀具设计及性能分析

Design and Performance Analysis of Forest Residue Pulverizing Tool Based on Discrete Element Simulation

摘要

为提高林间剩余物粉碎效率、粉碎均匀度和机器运行稳定性，针对林间剩余物粉碎设计一种弧形斜刃粉碎刀具。通过对林间剩余物粉碎过程中受到的剪切、冲击作用进行力学和动力学分析，明确影响林间剩余物粉碎性能的主要因素及碎裂方式。基于离散元仿真试验，对比直刃刀具和斜刃刀具对林间剩余物粉碎性能的影响。仿真试验结果表明，在相同条件下粉碎林间剩余物时，相较于直刃刀具，斜刃刀具仿真的颗粒bond键数量、颗粒平均运动速度、平均粉碎功率、粉碎室壁所受的冲击和粉碎颗粒平均能量等性能指标均有所提升，使用斜刃刀具仿真粉碎程度高，粉碎粒度均匀，工作过程更加平稳。

Abstract

In order to improve the forest residue pulverizing efficiency， pulverizing uniformity and machine operation stability， the article designed a curved beveled blade pulverizing tool for forest residue pulverizing. Through the mechanical and kinetic analysis of the shear and impact effects on the forest residue pulverizing process， the main factors affecting the pulverizing performance of the forest residue and the fragmentation mode were clarified. Based on discrete element simulation， the effects of straight-edged and beveled-edged knives on the pulverizing performance of forest residues were compared， and the simulation results showed that，when pulverizing forest residues under the same conditions， compared with straight-edged knives， the performance indexes such as the number of particle bond keys， average particle motion speed， average pulverizing power， impact on the walls of the pulverizing chamber， and average energy of the pulverizing particles of the beveled-edged knife simulation were all improved， and the degree of pulverizing using beveled-edged knives simulation was high， with a uniform pulverizing granularity， and a smoother working process.

Graphical abstract

关键词

林间剩余物 / 粉碎 / 力学分析 / 刀具设计 / 离散元仿真

Key words

Forest residue / pulverizing / mechanical analysis / tool design / discrete element simulation

0 引言

随着全球对可持续发展和环境保护的关注不断增加，木材消耗量也逐渐升高^［1］，林业生产中的林间剩余物处理问题日益受到重视。林间剩余物包括树枝、树叶和树皮等^［2-3］，这些物质如果不及时处理，不仅会造成资源浪费，还可能引发火灾等安全隐患。现有的林间剩余物处理方式主要包括焚烧、掩埋和粉碎等方法。焚烧和掩埋虽然能够快速处理林间剩余物，但会对环境造成污染，不符合当前环境保护的要求。相较之下，林间剩余物成本低廉，径级较小^［4］，用于粉碎处理，能够带来较高的经济效益^［5-7］。然而，现有的林间剩余物粉碎设备在实际应用中存在粉碎效率低、能耗高和刀具磨损严重等问题，难以满足高效、环保的处理需求。

在粉碎机核心部件刀具的设计中，刀具的结构与材料选择对粉碎质量和效率至关重要，由于秸秆纤维同木质纤维的成分与结构相似，参考秸秆粉碎刀具的设计思路尤为关键^［8］。当前研究主要集中在刀具的仿生设计、材料选择、刀具表面处理以及结构参数优化等方面。首先，仿生设计在刀具优化中取得了显著进展。相关研究利用生物牙齿等对刀具进行设计，这些仿生设计通过模拟自然界中的生物结构，显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］。材料选择方面，Chander等^［12］设计的甘蔗切割刀具采用不锈钢材质，并通过仿真验证了刀具的合理性。Khan等^［13］则通过对刀具表面进行纹理处理，优化了加工工艺，延长了刀具使用寿命。这些研究表明，通过优化材料和表面处理技术，刀具的耐磨性和使用寿命得以显著提升，从而减少了刀具在实际应用中的磨损问题。结构参数优化也是提高刀具性能的重要方向。刘晓亮^［14］设计的V-L形秸秆粉碎还田刀片经过优化后，粉碎率达到93.34%，并且刀具具有自磨刃效果。徐伟等^［15］利用响应面法和遗传算法对粉碎机锤片进行优化设计，其最大变形量比优化前减少了39.7%。此外，乔冰^［16］利用MATLAB优化工具和ABAQUS有限元分析，得出了粉碎玉米秸秆时刀刃角度的最佳值为30°，进一 步提高了粉碎效果。王将等^［17］针对水稻秸秆材料的属性，设计了具有激荡滑切和撕裂2个阶段秸秆粉碎装置，能够有效进行水稻粉碎还田。尽管现有研究在仿生设计、材料选择和结构优化方面取得了诸多进展，但仍然存在一些瓶颈。不同纤维材料的多样性对刀具设计提出了更高的适应性要求，针对香蕉秸秆的粉碎刀具虽取得了95.9%的合格率^［18］，但处理不同种类纤维材料的效率仍需进一步提升。

综上所述，刀具的仿生设计、材料优化和结构参数改进是提升粉碎质量与效率的关键路径，但在适应性、能效和刀具寿命方面仍有待深入研究和突破。本研究针对林间剩余物粉碎问题，设计一种新型弧形斜刃粉碎刀具，确定了刀具的结构形状、参数；对林间剩余物粉碎过程受到的剪切、挤压和碰撞进行了力学和动力学分析；基于离散元仿真（EDEM）软件对2种刀具进行了粉碎仿真试验，对比了2种刀具对粉碎效果、粉碎性能的影响。本研究可为林间剩余物粉碎装备的研究提供参考。

1 林间剩余物粉碎机构的结构设计

林间剩余物粉碎机如图1所示。粉碎机包含进料机构、粉碎机构、动力控制系统、底盘和粉碎收集装置等。

1.1 粉碎机结构及工作原理

林间剩余物粉碎机的粉碎机构是其核心组件，主要包括进料口、进料辅助压辊、定刀、动刀、动刀转子、粉碎室和出料口等组成，如图2所示。

粉碎机构的动刀转子上安装有4把动刀，交错均匀布置，动刀与动刀转子安装位置如图3所示；定刀固定在粉碎室的入口位置；进料辅助压辊安装在粉碎室前端，可固定林间剩余物；动刀的额定转速为 3 000 r/min，进料辅助压辊的额定转速为30 r/min。

工作时，林间剩余物从进料口喂入，首先与进料辅助压辊接触，在进料辅助压辊的作用下接触到动刀，随后受到动刀与定刀的剪切、挤压和碰撞而发生破碎，在与自身及粉碎室壁发生碰撞，林间剩余物被进一步粉碎，最终通过动刀旋转所形成的风场作用被排出。

1.2 粉碎刀具结构设计

粉碎刀具是林间剩余物粉碎机构的核心部件，其设计直接影响粉碎效果和设备的整体性能。本研究设计了一种弧形斜刃粉碎刀具，其结构如图4所示。

根据动刀转子装配空间需要，设计刀具长度为165 mm。为保证刀具的强度，刀具厚度一般应设计为6~10 mm。理论上，随着刀具的厚度增加，刀具的强度会更高，刀具的质量和转动惯量也会增大，但过厚的刀具不利于粉碎物的均匀度，刀具厚度减小，刀具的强度和寿命也会降低，因此，刀具厚度设计为8 mm。刀具的刃口角度设计为30°，采用合金钢材料制作，并对刀具背面采用淬火工艺，提高刀具的耐磨性能，使刀片具有自磨刃的特点。为确保刀具的剪切性能及刀具强度，弧形斜刃刀具的斜角设计为15°。另外，为避免由于动刀与定刀的振动而产生碰撞，在不影响粉碎效果的前提下，将动刀与定刀的最小间隔距离设计为3 mm。刀具弧度设计为贴合动刀转子的外径。

相比于直刃刀具，斜刃刀具的刀刃长度有所增加，刀具的有效切割面积增大，能够降低切割过程中的应力集中，这对于处理具有较高纤维含量和硬度不均的林间剩余物尤为重要。应力集中的减少不仅能延长刀具的使用寿命，还能减少设备的维护频率和成本。其次，弧形斜刃结构使得切割过程更加平稳，有助于减少物料在粉碎腔内的滞留时间，防止堵塞现象的发生，平稳的切割过程还意味着粉碎机能够在较低能耗的情况下达到更高的工作效率。

2 粉碎过程力学分析

林间剩余物在粉碎过程中受到动刀的剪切和冲击、粉碎室壁的冲击以及粉碎颗粒之间的冲击作用。本研究针对上述过程进行力学和动力学分析，以明确林间剩余物的主要破碎方式及影响因素。

2.1 林间剩余物受粉碎刀具剪切作用的力学分析

在粉碎过程中，林间剩余物受剪切力作用发生断裂，这一过程可以分为初始变形阶段、塑性变形阶段和最终断裂阶段。在初始变形阶段，刀具的剪切力使物料发生微小的弯曲和压缩变形，当外力逐渐增大并超过物料的弹性极限时，物料进入塑性变形阶段，此时内部结构发生永久性改变。随着剪切力的持续施加，物料内部的分子键逐渐被破坏，最终导致物料在剪切力作用下断裂。

林间剩余物被粉碎刀具剪切，其剪切瞬间受力过程如图5所示。为了简化受力过程，将林间剩余物视为圆柱体研究。假设林间剩余物在粉碎过程中受到动刀和定刀的剪切作用，动刀以角速度（w）旋转靠近固定的定刀，物料在瞬时受力平衡下被剪切。物料受到垂直于物料表面的正压力（F_N1）和沿物料表面的摩擦力（f₁）作用。另外，物料还受到定刀的支撑力（F_N2）和定刀的摩擦力（f₂）作用。物料在这一时刻的受力可以表示为

\left\{\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{1}}={\mu }_{\mathrm{1}}{F}_{\mathrm{N}\mathrm{1}}\\ f_{\mathrm{2}}={\mu }_{\mathrm{2}}{F}_{\mathrm{N}\mathrm{2}}\\ F_{\mathrm{N}\mathrm{2}}=F_{\mathrm{N}\mathrm{1}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta +f_{\mathrm{1}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta \\ F_{\mathrm{N}\mathrm{1}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta =f_{\mathrm{2}}+f_{\mathrm{1}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta \end{array}\right.。（1）

式中：F_N1为动刀对物料正压力，N；F_N2为定刀对物料支撑力，N；f₁为动刀对物料的摩擦力，N；f₂为定刀对物料的摩擦力，N；µ₁为动刀与物料之间的摩擦系数；µ₂为定刀与物料之间的摩擦系数；θ为斜刃倾斜角度。

通过图5受力分析可知，相对于直刃刀具，斜刃粉碎林间剩余物时能够产生一个沿物料表面的力，能够推动物料滑切，形成剪切破坏。在结构合理的情况下，可增大θ，能够更好地造成剪切破坏，提高粉碎效果。

2.2 粉碎刀具对林间剩余物的冲击作用分析

在粉碎林间剩余物的过程中，粉碎刀具的冲击作用是物料破碎的重要机制之一。当高速旋转的粉碎刀具与物料表面接触时，刀具的动能迅速转化为冲击能量，施加在物料上。这一瞬时的高能量冲击力使物料表面产生局部压缩变形，形成应力集中区域。随着冲击力的持续作用，物料内部的微裂纹开始扩展，直至贯穿整个物料，导致其断裂和最终破碎。此过程可以分为初始接触阶段、冲击力传递阶段、裂纹扩展阶段和最终破碎阶段。这一冲击力（F_i ）可以通过冲量-动量定理来计算。

设林间剩余物颗粒的质量为m，在刀具与物料接触前的速度为v₁，接触后的速度为v₂，冲击力作用的时间为Δt。根据冲量-动量定理，物料所受的冲击力（F_i ）可以表示为

F_i\bullet ∆t=m\bullet \left(v_{\mathrm{2}}-v_{\mathrm{1}}\right)。（2）

式中：F_i 为林间剩余物颗粒所受的冲击力，N；m是颗粒的质量，kg；v₁是冲击前颗粒的速度，m/s；v₂是冲击后颗粒的速度，m/s；Δt是冲击力作用的时间间隔，s。

林间剩余物颗粒在受到F_i 的作用下，会在接触区域内产生高应力集中。根据材料力学原理，林间剩余物内部的纤维素和木质素结构将会在冲击应力的作用下迅速破裂，尤其是在纤维方向上的脆弱区域。

为了进一步分析冲击力对颗粒的影响，可以考虑林间剩余物在冲击点处的应力分布。设接触面积为A，则冲击应力（σ_i ）可以表示为

{\sigma }_i=\frac{F_i}{A}=\frac{m\bullet \left(v_{\mathrm{2}}-v_{\mathrm{1}}\right)}{∆t\bullet A}。（3）

当σ_i 超过林间剩余物的抗拉强度或抗剪强度时，物料将在该点处发生破裂。由于F_i 是在极短时间内作用的，其造成的应力集中往往能够瞬间击破物料，使其沿着应力最大的位置发生断裂。

2.3 粉碎室对林间剩余物的冲击作用分析

粉碎室是林间剩余物粉碎机的核心部件，其对林间剩余物的粉碎效果起着至关重要的作用。在动刀高速旋转的过程中，物料受到离心力的作用与粉碎室发生碰撞，因而受到粉碎室的冲击作用。这些冲击力的综合作用直接影响物料的粉碎效率和最终颗粒大小。

为了定量分析粉碎室壁对林间剩余物颗粒的冲击作用，可以利用赫兹接触理论计算碰撞接触点的最大正应力。当2个弹性体发生碰撞时，接触点的最大正应力（σ_max）可以通过以下公式计算

{\sigma }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\mathrm{0.418}{\left(\frac{E^{\mathrm{2}}F}{R^{\mathrm{2}}}\right)}^{\raisebox{1ex}{$\mathrm{1}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\mathrm{3}$}\right.}。（4）

式中：E为材料的综合弹性模量；F为相互间碰撞力，N；R为碰撞曲率半径，m。对于颗粒与粉碎室壁的碰撞，综合弹性模量（E）由粉碎颗粒和粉碎室壁的材料性质决定，可以通过以下公式计算

\frac{\mathrm{1}}{E}=\frac{\mathrm{1}-{\epsilon }_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}}{E_{\mathrm{1}}}+\frac{\mathrm{1}-{\epsilon }_{\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}}{E_{\mathrm{2}}}。（5）

式中：E₁和E₂分别是粉碎颗粒和粉碎室壁材料的弹性模量，MPa；\epsilon₁和\epsilon₂分别是2种材料的泊松比。

F与物料颗粒的质量m和碰撞速度v相关，表示为

F=\frac{mv}{∆t}。（6）

式中，Δt为碰撞时间，s。

当粉碎颗粒半径为R₁和粉碎室壁曲率半径为R₂时，综合曲率半径R的计算公式为

\frac{\mathrm{1}}{R}=\frac{\mathrm{1}}{R_{\mathrm{1}}}+\frac{\mathrm{1}}{R_{\mathrm{2}}}。（7）

结合上述公式，颗粒在粉碎室壁上的最大正应力σ_max可进一步表示为

{\sigma }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\mathrm{0.418}{\left(\frac{E^{\mathrm{2}}\bullet \frac{mv}{∆t}}{R^{\mathrm{2}}}\right)}^{\raisebox{1ex}{$\mathrm{1}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\mathrm{3}$}\right.}。（8）

通过以上公式可以看到，最大正应力（σ_max）取决于材料的弹性模量、颗粒的质量、碰撞速度、碰撞时间以及综合曲率半径。最大正应力与综合曲率半径呈负相关，而综合曲率半径与两碰撞曲率半径有关，R₁、R₂越小，综合曲率半径越小，因此粉碎室对于较小的粉碎颗粒冲击作用更强烈。最大正应力与碰撞速度呈正相关，而碰撞速度受动刀转子转速影响，转速越大，颗粒碰撞速度越大，因此可以适当增加动刀转子转速，实现高效粉碎。最大正应力与综合弹性模量呈正相关，而根据综合弹性模量公式可知，林间剩余物的泊松比和弹性模量越大，综合弹性模量就越大，而根据文献［19］，木材含水率越低，其弹性模量和泊松比均有所增大。因此，可选择含水率低的林间剩余物进行粉碎，提高粉碎效果。

2.4 粉碎颗粒间的冲击作用分析

在林间剩余物粉碎过程中，除了粉碎室壁对物料的冲击外，颗粒之间的相互碰撞也是实现高效粉碎的重要机制。颗粒之间的碰撞能够促使物料进一步破碎，并达到更均匀的粒度。

在粉碎室内，物料颗粒在受到刀具初次剪切或冲击后，会以较高速度在粉碎室内进行自由运动和相互碰撞。这种颗粒之间的碰撞过程也可以通过赫兹接触理论来分析。

对于颗粒间的碰撞，式（5）可变为

\frac{\mathrm{1}}{E}=\frac{\mathrm{2}\left(\mathrm{1}-{\epsilon }_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}\right)}{E_{\mathrm{1}}}。（9）

式中，\epsilon₁和E₁分别为林间剩余物粉碎颗粒的泊松比和弹性模量。

为了简化粉碎颗粒间的碰撞，将林间剩余物颗粒均视为半径为R₁的球体模型，则综合曲率半径R的计算公式为

\frac{\mathrm{1}}{R}=\frac{\mathrm{2}}{R_{\mathrm{1}}}。（10）

式中，R₁为粉碎颗粒半径。

分析式（8）可知，林间剩余物粉碎颗粒之间的碰撞也是粉碎当中的重要一环。颗粒碰撞时，产生的应力大于林间剩余物的抗拉强度，导致了物料的破裂。为了提高碎裂率，可以采取增加颗粒碰撞速度的方式，也可以采取提高林间剩余物自身属性的措施如对其进行干燥处理等。

3 仿真模型的建立与参数设定

采用离散元法，利用EDEM软件进行仿真，在EDEM软件导入粉碎机构仿真模型，在软件中设置木材颗粒模型，通过林间剩余物粉碎仿真试验，对 2种刀具仿真试验结果进行对比分析，验证设计的弧形斜刃刀具的粉碎效果、粉碎性能。

3.1 林间剩余物仿真模型建立

林间剩余物是一种复杂且多样化的生物质材料，其主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素，林间剩余物具有不同的颗粒大小和形状。由于林间剩余物的粉碎过程十分复杂，为提高仿真试验的可行性，须将林间剩余物离散化，才能使用EDEM软件进行模拟，参考粉碎后的林间剩余物如图6所示，经过测量，选定均值厚度为5 mm的林间剩余物粉碎物为参照，按照实物绘制三维模型如图7（a）所示，并使用EDEM软件对其进行颗粒填充，颗粒直径为0.3 mm，最终形成了林间剩余物离散元模型，如图 7（b）所示。

3.2 粉碎机构的EDEM仿真模型建立

为了简化计算过程，提高仿真的计算效率，对林间剩余物粉碎机构进行一定的简化，在SolidWorks软件建立林间剩余物粉碎机构简化模型，另存为STL格式，导入至EDEM离散元分析软件中进行仿真分析，简化后的模型如图8所示。

3.3 EDEM仿真参数设定

首先对粉碎装置材料和林间剩余物材料相关的力学性能参数进行设置，粉碎刀具的材料设置为合金钢，其余粉碎部件材料设置为铸钢，林间剩余物材料设置为松木，材料的力学特性属性见表1。

还需要设置颗粒与颗粒间、颗粒与粉碎机构间的接触参数，接触属性见表2。

将导入的粉碎机构仿真模型添加运动，对其进料辅助压辊添加一个持续的转动，转速为30 r/min，对动刀添加一个持续的转动，转速为3 000 r/min。在进料辅助压辊与动刀之间添加颗粒工厂，在0~0.01 s生成林间剩余物颗粒100个。最后添加物理模型，在物理模型选项中添加Hertz-Mindlin with bonding（带黏结键的）接触模型，并设置颗粒的黏结参数，另外，由于动刀的旋转，在粉碎室内部会产生一个风场，粉碎后的颗粒会在动刀和风场的双重作用下从出料口喷出，利用Fluent软件设置一个风场，完成后导出风场的cgns文件，在Plugin Factories（插件工厂）选项中导入风场文件。

分别将直刃刀具和斜刃刀具进行仿真试验，以bond键、颗粒运动速度等为探究指标，探究2种刀具对林间剩余物粉碎效果影响，试验进行3次，取平均值作为结果。在仿真开始前，设置仿真时间为0.4 s，数据记录时间为0.01 s，仿真时间步长为3.36×10^-6 s。

4 仿真结果分析

4.1 2种刀具对粉碎颗粒bond键数量的影响

仿真结束后，可以通过EDEM软件的后处理模块得到仿真数据，图9是2种刀具对粉碎颗粒bond键数量的影响图。

由图9可以看出，所有林间剩余物在0~0.01 s生成，bond键在剩余物生成过程中同步生成，随后在2种刀具粉碎作用下bond键急剧减少，后呈现缓慢减少并在0.35 s之后趋于稳定。在0.4 s之后bond键趋于稳定，斜刃刀具的颗粒bond键数量为 55 637，直刃刀具的颗粒bond数量为154 152，斜刃刀具颗粒bond键减少了87.6%，直刃减少了65.7%，这表明斜刃刀具可以更容易破坏林间剩余物颗粒的bond键。因此，相比于直刃刀具，斜刃刀具更适合林间剩余物的粉碎作业，有利于提高林间剩余物的粉碎程度。

4.2 2种动刀对粉碎颗粒运动速度的影响

林间剩余物粉碎颗粒运动速度和动刀对林间剩余物的冲击作用密切相关，2种动刀对粉碎颗粒运动速度的影响如图10所示。

由图10可以看出，使用2种动刀的粉碎颗粒运动速度均为急速增大，后呈现波动性降低的情况，斜刃刀具粉碎的颗粒平均运动速度为87.2 m/s，比直刃刀具粉碎的颗粒平均运动速度提高了68.6%，这表明斜刃刀具更能提高颗粒的动能，对粉碎效果及出料效率均有提升。另外，在0~0.025 s，斜刃刀具仿真的颗粒运动速度斜率大于直刃刀具仿真，说明其颗粒初速度提升更快，这表明斜刃刀具可以有效地提高林间剩余物颗粒的初速度，这样能够提升颗粒的冲击力，进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颗粒的速度。

4.3 2种动刀对动刀转矩的影响

粉碎所消耗的功率和动刀转矩有密切联系，图11为2种动刀对动刀转矩的影响。

由图11可以看出，2种动刀的转矩均呈现先增加后降低的趋势，且直刃刀具试验的动刀转矩最大值更大，且根据斜刃刀具试验的曲线波动较小，说明斜刃刀具能够更好地抵抗系统的振动及粉碎物粉碎带来的冲击力，具有较好的稳定性，能够降低粉碎工作的噪声。另外根据动刀转矩可以计算出粉碎的功率

P=\frac{nM}{\mathrm{9}\mathrm{550}}。（11）

式中：P为功率，kW；n为转速，r/min；M为动刀转矩，N·m。

根据图11可得到斜刃刀具试验的平均粉碎功率为0.202 kW，比直刃刀具试验的平均粉碎功率降低了34.2%，结合图9的试验结果可知，在相同的试验条件下，斜刃刀具粉碎效果更好，所需的功率也更低。

4.4 2种动刀对粉碎室壁受力的影响

2种动刀对粉碎室壁受力的影响如图12所示。粉碎室壁的反作用力就是粉碎室壁对林间剩余物粉碎颗粒的碰撞力，研究粉碎室壁受力就是研究粉碎室壁对粉碎颗粒的碰撞冲击作用。

由图12可以看出，斜刃刀具试验粉碎室壁的受力波动较小，这说明斜刃刀具能够使粉碎颗粒所受的力分散，实现了林间剩余物在不同方向上的粉碎，能够使林间剩余物的粉碎更加均匀。直刃刀具试验粉碎室壁的受力较大，且波动较大，说明直刃刀具作用在粉碎颗粒上的力比较集中，在动刀的作用下，粉碎颗粒与粉碎室壁的碰撞更加剧烈，能够提升粉碎效率，但会导致林间剩余物粉碎程度不均匀，还可能会出现粉碎过度等问题。斜刃刀具试验粉碎室壁平均受力低于直刃刀具，可以得到相对均匀的粉碎物，但在一定程度上对粉碎效率有影响。

4.5 2种动刀对粉碎颗粒总能量的影响

2种动刀对粉碎颗粒总能量的影响如图13所示。

由图13可以看出，2种动刀仿真的粉碎颗粒总能量的曲线趋势一致，均呈现先增加到最大值，后逐渐减少并趋于平缓。斜刃刀具试验的粉碎颗粒平均能量为5.56 J，比直刃刀具粉碎的颗粒平均能量高出96%，这说明斜刃刀具粉碎的颗粒具有更大的机械能，进而转化为颗粒粉碎的能量，剩余物粉碎效果能更好。另外，斜刃刀具试验的粉碎颗粒的初始能量提升更为迅速，这与图10的仿真结果是一致的。结合图11的试验结果可知，斜刃刀具试验颗粒的总能量高于直刃刀具，但动刀功率消耗低于直刃刀具，说明斜刃刀具对粉碎颗粒的切割做功较少，斜刃刀具能够促进粉碎颗粒相互间的碰撞以及颗粒与粉碎壁之间的碰撞。

5 结论

本研究设计了一种林间剩余物用弧形斜刃动刀刀具，并对该刀具粉碎过程进行了力学分析，并使用EDEM软件对2种刀具进行了仿真试验，仿真试验结果表明弧形斜刃刀具具有更好的粉碎性能，粉碎效果更好。具体结论如下。

1）设计的弧形斜刃形状的粉碎动刀刀具，利用动、定刀的剪切、挤压和碰撞作用，来提高林间剩余物粉碎的效率；将刀具设计成弧形，提高了刀具的适用性；刀具采用斜刃设计，可以实现刀具的自磨刃效果，还可以实现对林间剩余物的各向切割粉碎，提升了粉碎的均匀性。

2）对林间剩余物粉碎过程进行力学分析，明确了影响林间剩余物粉碎性能的主要因素及粉碎方式。林间剩余物经过动刀的切割和冲击，随后经过粉碎室壁的冲击以及粉碎颗粒之间的冲击作用而粉碎。

3）对林间剩余物粉碎过程进行试验仿真，对比了2种刀具在相同情况下对林间剩余物粉碎性能的影响。最终进行比较分析，相对于直刃刀具，斜刃刀具的颗粒bond键数量减少了63.9%，颗粒平均运动速度提高了68.6%，平均粉碎功率降低了34.2%，粉碎室壁所受的冲击减少了10%，粉碎颗粒平均能量增加了96%，斜刃刀具粉碎林间剩余物粉碎程度高，粉碎粒度均匀，工作过程更加平稳。

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基金资助

国家林草装备科技创新园研发攻关项目(2023YG06)