鼓式削片机单飞刀刀辊结构设计与仿真分析.pdf

第 卷 第 期 年 月林 业 机 械 与 木 工 设 备 .研究与设计鼓式削片机单飞刀刀辊结构设计与仿真分析杨叶伟 周兆兵 朱一国 王 雷 宦铁兵 赵 黎(.南京林业大学材料科学与工程学院江苏 南京.常州益林机械有限公司江苏 溧阳)摘 要:随着定向刨花板市场日益扩大大刨花需求与日俱增 为了使木片长度最大化从鼓式削片机切削机构的结构上对飞刀数量与切削木片长度间的关系进行了分析提出了单飞刀刀辊结构设计方案 通过对单飞刀刀辊进行切片处理分析每个微元的质量分布结果表明单飞刀刀辊质量分布均匀确认单飞刀刀辊动平衡类型 通过对单飞刀刀辊三维模型动平衡分析模拟计算出单飞刀刀辊的不平衡量并依据刚性转子双面校正方法采用焊接配重法进行了校正运动仿真分析结果表明两轴端所受反作用力较配重前有很大改善 根据/.进行计算结果验证了刀辊能够满足动平衡条件设计方案有效可行 研究结果可为单飞刀刀辊鼓式削片机的研制提供理论依据关键词:鼓式削片机长木片单飞刀刀辊动平衡分析运动仿真中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):./.收稿日期:基金项目:江苏省研究生工作站建设课题()第一作者简介:杨叶伟硕士研究生研究方向为木材加工装备与信息化:.通讯作者:周兆兵高级实验师博士研究方向为木材加工装备与信息化:.林业机械与木工设备第 卷 .:定向刨花板(简称)的结构主要由大片刨花构成具有力学强度高、尺寸稳定性好、环保性能优良等特点可以进行大规模自动化生产广泛应用于木门、橱柜、衣柜、墙板、地板等制造市场份额日益增长目前市场上针对枝丫材、弯曲木、锯材边角料等材料主要采用鼓式削片和刨片相结合的二工段刨片制备技术制备定向刨板所需要的刨花原料即先通过鼓式削片机将原料切削成木片再通过环式刨片机加工处理制备刨花木片尺寸主要集中在 二工段刨片制备技术加工出来的刨花长厚比好制备的刨花边部是不规则的不成直角有着显著的更加均匀的张力过渡而刨花形态尺寸主要取决于鼓式削片机加工出的木片尺寸形态 木片长度的增加也意味着鼓式削片机需要拥有更好的切削长木片的能力根据文献分析研究人员从优化鼓式削片机刀辊转速与进料速度等加工参数方面进行了研究一定程度上改善了木片制备质量但对木片的尺寸增加有限 中国发明专利公开了一种制造定向刨花板用长刨花的备料方法及生产装置采用的技术方案是在削片机刀辊上只装一把飞刀在刀辊转速及进给速度不变的情况下切削出的木片长度为原来的 倍 但该发明所提供的技术方案加工的木片长度为 、宽度为 、厚度为 无法满足大片刨花的制备需求 而且该技术方案只是提出在原削片机刀辊上安装一把飞刀并未对高速旋转切削过程中刀辊存在的不平衡现象提出解决方案本文拟从结构上对飞刀数量与切削出的木片长度之间的关系进行分析提出单飞刀刀辊结构设计方案建立了单飞刀刀辊三维模型采用动平衡分析技术进行仿真验证为长木片备料设备的研制提供理论依据与技术支撑 长木片加工原理与单飞刀刀辊模型根据刀辊的工作原理可知木片尺寸与刀辊转速、飞刀数量及进料速度相关 在相同的刀辊转速与进料速度的情况下飞刀数量越少作用于木料的切削步长就越大获得的木片尺寸就越大 通常情况下通过调节刀辊转速与进料速度便可调整切削的木片长度但刀辊结构限制了木片长度的上限过高的进料速度将导致木料在转动过程中撞上刀辊外轮廓从而限制木片长度并造成木片与刀辊外轮廓的磨损 图()为正常进料情况刀辊渐开线的设计使得在刀辊转动过程中刀辊外轮廓与切削点的水平位置逐渐增大可通过降低刀辊转速或者提高进料速度来利用这段距离从而获得长木片但也受限于这段距离过快的进料速度会使木料与刀辊外轮廓发生碰撞如图()所示想要获得更长的木片变得十分困难图 进料示意图 因此本文针对 型鼓式削片机的刀辊进行改进根据刀辊外轮廓线渐开线的设计进行改进设计出一种制备长木片专用的单飞刀刀辊木料前进过程中始终与外轮廓线保持一段距离通过更第 期杨叶伟等:鼓式削片机单飞刀刀辊结构设计与仿真分析长的切削步长获得更长的木片 如图 所示为单飞刀刀辊结构主要结构包括压刀板、飞刀、飞刀底座、刀辊外轮廓线、内弧形切屑槽、防护端板、锁紧螺母、刀辊轴、平衡配重块、锁紧螺栓及飞刀调节螺栓等零部件 单飞刀刀辊的工作方式与常见的双飞刀、三飞刀刀辊相同进料机构带动原料前进原料在飞刀与底刀的共同作用下形成切削 不同之处在于单飞刀刀辊的飞刀安装伸出量更大内弧形切屑槽加深刀辊外轮廓线采用渐开线设计可使单次切削木片长度大大加长 多刀具平衡受力在高速转动的过程中平衡了主切削力而单飞刀刀辊只安装有一把飞刀将受到主切削力的影响 但有别于小直径加工机床鼓式削片机较大的主轴直径使其受到主切削力的影响很小图 单飞刀刀辊结构示意图.防护端板.锁紧螺母.飞刀底座.刀辊外轮廓线.锁紧螺栓.压刀板.飞刀.刀辊轴.内弧形切屑槽.飞刀调节螺栓.平衡配重块 如图 所示为三飞刀刀辊与单飞刀刀辊在相同转速、进料速度下的切削木片长度对比木片长度为每齿切削量且切削过程中物料不与弧板发生碰撞从图 中可知相同进料速度下三飞刀刀辊每旋转完成一次切削而单飞刀刀辊旋转 完成一次切削单飞刀刀辊更长的切削步长使得理论切削木片长度为三飞刀刀辊的 倍图 长木片加工原理示意图 单飞刀刀辊动平衡分析原理与校正仿真方法 鼓式削片机在旋转切削过程中单飞刀刀辊属于非对称结构存在不平衡量会导致刀辊偏离回转中心在反作用力的作用下对主轴造成损害最终导致设备运转稳定性变差 因此必须对刀辊结构进行动平衡分析鼓式削片机工作转速低于一阶临界转速的.倍工作时不会发生较大变形属于刚性转子 刚性转子不平衡大致可分为三种:静不平林业机械与木工设备第 卷衡、偶不平衡与动不平衡 通常情况下刚性转子的动不平衡是由静不平衡与偶不平衡叠加组成 区分静不平衡转子和动不平衡转子的依据是转子的宽径比/本文所设计的单飞刀刀辊宽径比/.因此需要对其进行双面校正选定两个回转平面作为校正平面采用在校正平面上添加或减去重量的方法来使转子重新达到平衡 本文通过焊接配重法进行双面校正使各偏心质量所产生的惯性力矢量和与力矩矢量和同时为零即 将动力学问题转化成了静力学问题仿真前对刀辊模型进行质量分布分析 以刀辊轴向任意距离为步长对转子进行切片处理将整个刀辊(即转子)切开分成若干个平面计算出每一微元不平衡量在、方向上的质量分布判断刀辊不平衡类型 本文采用 模块进行动平衡配重仿真 首先建立刀辊不平衡量分析模型如图 所示将整个刀辊机构视为一体 接着对模型进行边界条件与驱动的设置:()轴承处添加支撑 和()固定支撑与刀轴的相对位置()添加马达驱动转速 /图 单飞刀刀辊不平衡量分析模型示意图完成仿真前处理后设置仿真时长 进行仿真获取处理结果与图解即可分析出仿真部件的速度、加速度、受力、位移等情况 这里选择主轴两端、的反作用力作为分析参数绘制出反作用力随时间变化的曲线图 参照/.机械振动 恒态(刚性)转子平衡品质要求第 部分:规范与平衡允差的检验将反作用力曲线图中的数值代入式()进行不平衡量计算:()式中:为不平衡量 为不平衡力 为角速度/计算得到主轴两端、的不平衡量将得到的不平衡量与刀辊许用剩余不平衡量进行比对进行判断 如果不满足动平衡条件则需对其采用焊接配重法进行双面校正通过配重块的安装调整刀辊不平衡量分布使刀辊达到动平衡条件采用焊接配重法进行校正时决定配重块的参数主要有两个:配重块的质量和安装相位 通过仿真分析确定配重块的质量依据在不平衡量的 处添加配重的原则确定安装相位即可达到动平衡状态 仿真结果分析与讨论.配重块质量和安装相位的计算与仿真分析依据切片处理方法对刀辊模型进行分析如图 所示为未进行配重的刀辊、方向上质心偏移随着 轴变化的分布情况 可以看出从 处开始由于刀辊结构的存在微元存在不平衡量而刀辊轴向、方向的质心偏移量均呈对称分布说明刀辊质量分布均匀可以排除转动过程中偶不平衡的状况此时转子的质量中心线与旋转中心线应处于平行状态说明本文设计刀辊是由静不平衡所导致的动不平衡故本次设计主要就静不平衡展开研究图 刀辊不平衡量的分布第 期杨叶伟等:鼓式削片机单飞刀刀辊结构设计与仿真分析图 配重示意图配重块采用矩形配重块其质心位于几何中心其安装位置主要包括轴向位置与径向位置 为了安装方便轴向位置确定为左、右端板外侧径向位置根据不平衡量的位置进行确定包括半径与相位角 半径应尽可能大以降低配重块质量最终确定位置为距回转中心 处 确认安装位置后以轴承、两端反作用力 、为依据根据文献中的方法计算得到两个校正平面内配重块的质量分别为:.根据配重前的刀辊质心(.)可知不平衡量处于刀辊的第二象限在直角坐标系中绘制配重示意图如图 所示 若要进行配重平衡则配重块应处于第四象限 根据质心位置计算得出不平衡量相位角.故配重块安装相位角为.确定配重块的质量与相位角后将其分别添加到刀辊上具体位置为两侧防护板处最终配重块安装位置如图 所示质量为 的配重块安装在图()中的示意处质量为 的配重块安装在图()中的示意处图 配重块安装位置示意图.动平衡校正结果验证分析图 为焊接平衡配重块前后刀辊两端 和 处的反作用力随时间变化曲线图从反馈结果中可以看出在加入配重块后两轴端所受反作用力较配重前有很大改善且反作用力图解呈现出正弦波刀辊转动稳定图 刀辊结构优化前后的反作用力随时间变化曲线图林业机械与木工设备第 卷 表 为刀辊结构动平衡前后的分析结果在加入配重块后刀辊总质量有所增大许用剩余不平衡量也相应提升根据分析结果可知两轴端的反作用力在加入配重块后大大减小由其产生的不平衡量也得到较大改善通过比较不平衡量 与许用剩余不平衡量 得到 故此刀辊满足动平衡要求刀辊模型的动平衡方案可行表 刀辊结构动平衡前后的分析结果参数平衡前平衡后转速/.角速度/.质量/.平衡度精度等级.许用剩余不平衡量/.端反作用力/.端反作用力/.端不平衡量/.端不平衡量/.不平衡量/.是否满足动平衡不满足满足 结论本文从鼓式削片机切削机构的结构上对飞刀数量与切削出的木片长度间关系进行了分析提出了单飞刀刀辊结构设计方案通过对单飞刀刀辊三维模型动平衡分析模拟计算出单飞刀刀辊的不平衡量并采用焊接配重法进行了校正运动仿真分析结果表明两轴端所受反作用力较配重前有很大改善且反作用力图解呈现出正弦波刀辊转动稳定 根据/.进行计算结果也验证了刀辊能满足动平衡条件设计方案有效可行并为其他型号的单飞刀刀辊的动平衡方案提供了思路参考文献:伍艳梅吕斌.我国人造板产品发展现状及建议.中国人造板():.国家林业和草原局政府网.中国人造板产业报告 发布/.().:/./.罗书品吕斌郭文静.年我国刨花板进出口贸易情况简析.中国人造板():.胡德彪王雯雯.刨花板备料工段装备技术新进展.中国人造板():.():.王海涛.鼓式削片机的切削数值模拟及刀辊优化设计.哈尔滨:东北林业大学.().马文龙韩望安珍等.沙柳试验削片机切削机构的设计.林业工程学报():.李夏胡德彪王雯雯.浅析二工段长刨花制备方法与装备技术发展.林业机械与木工设备():.王宗俊.制造定向刨花板用长刨花的备料方法及生产装置:.王玉龙.软支承转子动平衡有限元建模、仿真与实验研究.南京:南京航空航天大学.():.().张禄林.无试重的现场动平衡技术研究.太原:太原理工大学.柴永国王艳军李响.浅谈刚性转子的静平衡与动平衡.一重技术():.郭颖杰操子夫赵婉宁.基于 的打捆机粉碎抛送装置动平衡优化分析.中国农机化学报():.():.():.马标胡良龙许良元等.甘薯秧蔓粉碎还田机刀辊设计与动平衡分析.中国农机化学报():.姜占平.动平衡校正方法的研究.重庆:重庆大学.朱金光冷峻张荣玲等.虚拟实验在收获机滚筒动平衡中的应用.农业装备与车辆工程():.