姜新波，孫金浩，馬 巖*，楊春梅，郭 璨

(東北林業(yè)大學(xué)林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150040)

研究與設(shè)計(jì)

自走式枝丫材剝皮機(jī)主軸的設(shè)計(jì)與分析

姜新波，孫金浩，馬 巖*，楊春梅，郭 璨

(東北林業(yè)大學(xué)林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150040)

根據(jù)實(shí)際工作條件與被加工件的特征要求，完成了對(duì)自走式枝丫材剝皮機(jī)的整體設(shè)計(jì)，并對(duì)去皮機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維建模。為了保證切削時(shí)去皮機(jī)構(gòu)的主軸運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，采用Ansys對(duì)其進(jìn)行了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。通過(guò)靜力學(xué)分析得到主軸的應(yīng)力與變形云圖，實(shí)現(xiàn)了對(duì)去皮刀輥軸強(qiáng)度和剛度的檢驗(yàn)，結(jié)果顯示應(yīng)力與變形量均滿足許用條件；通過(guò)模態(tài)分析得出主軸的六階固有頻率與振型，振動(dòng)穩(wěn)定性檢驗(yàn)表明不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

枝丫材；剝皮機(jī)；有限元；靜力學(xué)分析；模態(tài)分析

在林業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，木材剝皮是其中相當(dāng)重要的一道環(huán)節(jié)，剝皮預(yù)加工更是其中不可或缺的工序。在目前的生產(chǎn)過(guò)程中，大徑木與去皮的枝丫材相比，資源相對(duì)缺乏，因此木材生產(chǎn)過(guò)程中使用去皮枝丫材的比較多。去皮的枝丫材加工難度大，工藝復(fù)雜，降低了木材的使用率，并且我國(guó)目前木材剝皮的生產(chǎn)效率與國(guó)外相比差距十分明顯。我國(guó)大部分林區(qū)的道路情況復(fù)雜，交通運(yùn)輸困難，供電條件相對(duì)較差，生產(chǎn)過(guò)程中人工作業(yè)的效率低，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，枝丫材等木材剩余物的利用率較低，造成大量林木資源的浪費(fèi)。本文針對(duì)我國(guó)剝皮機(jī)的現(xiàn)狀進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)出一種高效、自動(dòng)化程度較高的自走式林間枝丫材剝皮機(jī)。該剝皮機(jī)可以在供電條件有限、道路情況復(fù)雜、局限性較強(qiáng)的林區(qū)進(jìn)行就地剝皮并可自由移動(dòng)，擴(kuò)大了工作范圍，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了生產(chǎn)運(yùn)輸成本，提高了運(yùn)輸?shù)陌踩约吧a(chǎn)效率，符合國(guó)家提倡的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。

1 自走式枝丫材剝皮機(jī)的整體設(shè)計(jì)

自走式枝丫材剝皮機(jī)的整體設(shè)計(jì)影響到生產(chǎn)過(guò)程中機(jī)器的可操作性及其后期的設(shè)備保養(yǎng)維修等重要環(huán)節(jié)，且直接影響到剝皮機(jī)的生產(chǎn)效率。自走式枝丫材剝皮機(jī)的主要作用是在路況復(fù)雜且條件惡劣的林區(qū)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)枝丫材的剝皮作業(yè)，并可以實(shí)現(xiàn)整機(jī)的移動(dòng)。剝皮機(jī)整機(jī)包括底盤行走機(jī)構(gòu)、剝皮機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)三部分。其中，底盤行走機(jī)構(gòu)選擇汽油機(jī)作為動(dòng)力源，液壓馬達(dá)為履帶提供動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)整機(jī)的林間移動(dòng)；剝皮機(jī)構(gòu)選擇GM5-8型齒輪馬達(dá)作為動(dòng)力源，通過(guò)減速機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞至去皮輥刀軸帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)枝丫材的剝皮作業(yè)；儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)位于底盤行走機(jī)構(gòu)上方及剝皮機(jī)構(gòu)后方，用于存儲(chǔ)物料。自走式枝丫材剝皮機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 自走式枝丫材剝皮機(jī)整體設(shè)計(jì)方案 1.底盤行走機(jī)構(gòu)；2.剝皮機(jī)構(gòu)；3.儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)

剝皮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在整機(jī)的主體上，使用GM5-8型齒輪馬達(dá)來(lái)保證為其提供充足的動(dòng)力，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 440 r/min，剝皮刀輥轉(zhuǎn)數(shù)為800 r/min，進(jìn)給輥轉(zhuǎn)數(shù)為160 r/min。工作時(shí)齒輪馬達(dá)將動(dòng)力傳遞到大帶輪帶動(dòng)的主軸上，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)將一部分動(dòng)力分別傳遞給前壓輥和去皮輥刀軸，用于實(shí)現(xiàn)枝丫材的去節(jié)和去皮工作；另一部分動(dòng)力則傳遞給(后)中間傳遞總成的帶輪上以實(shí)現(xiàn)一次減速，帶輪再通過(guò)鏈傳動(dòng)傳遞給前傳遞總成的鏈輪上以實(shí)現(xiàn)二次減速，前傳遞總成再把動(dòng)力分別傳遞給兩個(gè)進(jìn)給輥，完成動(dòng)力傳遞。剝皮機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 剝皮機(jī)構(gòu)

2 去皮部件設(shè)計(jì)

2.1 去皮部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

枝丫材剝皮機(jī)作為一臺(tái)用于小徑木材去皮的設(shè)備，去皮銑削機(jī)構(gòu)是其最關(guān)鍵的部件之一。由于被加工件大多為小徑木及樹枝等形狀不規(guī)范的枝丫材，使得去皮銑削機(jī)構(gòu)中的各零部件受力情況非常復(fù)雜且沒(méi)有規(guī)律。因此，要求在去皮銑削機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到復(fù)雜多變的切削力對(duì)各零部件的影響。去皮銑削機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)非常重要，其將影響整機(jī)的使用性能。為了提高剝皮機(jī)的生產(chǎn)效率并延長(zhǎng)其使用壽命，需重點(diǎn)研究去皮銑削機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)受力情況進(jìn)行分析。

圖3 切削部件結(jié)構(gòu) 1.剝皮刀軸；2.長(zhǎng)刀體；3.薄刀體一；4.薄刀體二；5.薄刀體三；6.刀片；7.壓輥；8.小帶輪

去皮銑削機(jī)構(gòu)包括去節(jié)部件和去皮部件兩部分，去節(jié)部件通過(guò)主軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)去節(jié)刀具的旋轉(zhuǎn)，通過(guò)銑削的方式將枝丫材上的樹節(jié)、小樹杈及瘤疤等去除，為接下來(lái)的去皮工序做準(zhǔn)備；去皮部件則是將去節(jié)部件處理過(guò)的枝丫材通過(guò)去皮刀片銑削的方式進(jìn)行再加工，從而達(dá)到去除樹皮的目的。去皮銑削機(jī)構(gòu)是整臺(tái)機(jī)器的核心，切削部件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

切削部件主要由剝皮刀軸、長(zhǎng)刀體、薄刀體一、薄刀體二、薄刀體三、刀片、壓輥和小帶輪等零部件組成。其中，剝皮刀軸通過(guò)鍵將各零部件固定，通過(guò)軸承與機(jī)架相連接，起支撐和傳遞動(dòng)力的作用；長(zhǎng)刀體前方為錐形結(jié)構(gòu)，起引導(dǎo)進(jìn)料和增加進(jìn)料空間的作用，以防止旋進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)卡料現(xiàn)象；薄刀體一、薄刀體二和薄刀體三與長(zhǎng)刀體并排安裝，并通過(guò)鍵連接固定在軸上，三者相差一定角度，以使刀片斜排布置，增加刀片與枝丫材的接觸面積和接觸時(shí)間，從而提高剝皮效率；刀片通過(guò)內(nèi)六角圓柱頭螺釘分別固定在長(zhǎng)刀體、薄刀體一、薄刀體二和薄刀體三上，起銑削剝皮的作用；壓輥布置在剝皮刀體后面，前方同樣采用錐形結(jié)構(gòu)，以方便輸送枝丫材脫離剝皮機(jī)；小帶輪通過(guò)鍵連接固定在剝皮刀軸上，通過(guò)皮帶來(lái)傳遞動(dòng)力，以保證剝皮機(jī)工作的順利進(jìn)行。

2.2 去皮刀輥軸設(shè)計(jì)

軸徑尺寸與軸所傳遞的功率P、軸的轉(zhuǎn)速n和計(jì)算常數(shù)A0有關(guān)，軸徑尺寸設(shè)計(jì)的合理與否將影響整機(jī)的使用效率和穩(wěn)定性[1-2]。

剝皮機(jī)去皮刀輥軸的最小直徑估算公式為：

(1)

式中：dmin為軸的最小直徑(mm)；P為軸傳遞的功率(kW)；A0為計(jì)算常數(shù)，其大小與材料有關(guān)；n為軸的轉(zhuǎn)速(r/min)。

去皮刀輥軸所用材料為45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，查得其A0一般為103～126，此處取A0=110。

求解式(1)得：dmin=23 mm。為確保機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中各零部件的受力均在所承受范圍內(nèi)，考慮到軸上鍵槽的應(yīng)力作用需將軸的直徑在計(jì)算值的基礎(chǔ)上增加5%。

綜合以上分析，取去皮刀輥軸的最小直徑dmin=25 mm。

3 去皮刀輥軸的有限元分析

3.1 去皮刀輥軸的有限元基礎(chǔ)理論分析

將去皮刀輥軸切分成許多個(gè)微小單元，在力的作用下，各微小單元節(jié)點(diǎn)在x、y、z三個(gè)坐標(biāo)方向的位移函數(shù)分別為a、b、c，即：

a=a(x，y，z)；b=b(x，y，z)；c=c(x，y，z)

(2)

根據(jù)彈性力學(xué)理論，微小單元內(nèi)各節(jié)點(diǎn)處在x、y、z三個(gè)坐標(biāo)方向的線應(yīng)變?yōu)棣舩、εy、εz及剪應(yīng)變?chǔ)脁y=γyx、γyz=γzy、γzx=γxz的幾何關(guān)系用矩陣表示為：

(3)

在外力作用下，各微小單元內(nèi)部任意節(jié)點(diǎn)的3項(xiàng)正應(yīng)力σx、σy、σz和3對(duì)剪應(yīng)力τxy=τyx、τyz=τzy、τzx=τxz的矩陣表達(dá)式為：

{σ}=[σxσyσzτxyτyzτzx]

(4)

在線彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力應(yīng)變間的物理關(guān)系矩陣表達(dá)式為：

σ=[D]{ε}

(5)

式中：[D]為彈性系數(shù)矩陣，對(duì)于各向同性的彈性單元，其一般表達(dá)式為：

(6)

各微小單元內(nèi)部所有節(jié)點(diǎn)的位移可用單元節(jié)點(diǎn)位移{δ}e來(lái)表示，單元節(jié)點(diǎn)位移與各單元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)之間的關(guān)系用矩陣可表示為：

(7)

式中：[N]為單元內(nèi)各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)x、y、z的函數(shù)，稱為形狀函數(shù)矩陣。

由式(2)和式(5)可求得單元內(nèi)的應(yīng)變?yōu)椋?/p>

{ε}=[B]{δ}e

(8)

式中：[B]為應(yīng)變矩陣。

由式(5)和式(8)可得單元節(jié)點(diǎn)位移與單元內(nèi)應(yīng)力的關(guān)系為：

{σ}=[D][B]{δ}e

(9)

式中：[S]=[D][B]稱為應(yīng)力矩陣。

進(jìn)而可得單元節(jié)點(diǎn)力與單元節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系為：

(10)

綜合以上公式的推導(dǎo)分析，可得出單元節(jié)點(diǎn)與應(yīng)變?chǔ)拧?yīng)力σ和位移的關(guān)系。利用疊加原理，對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行約束，從而可進(jìn)一步分析出整體應(yīng)變?chǔ)?、?yīng)力σ和位移[3-5]。

3.2 去皮刀輥軸的靜力學(xué)分析

(1)建立幾何模型：去皮刀輥軸是自走式枝丫材剝皮機(jī)中的核心部件，其結(jié)構(gòu)與尺寸將影響枝丫材去皮的效率和整機(jī)的性能，是關(guān)鍵零部件之一。采用Ansys軟件對(duì)其結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元分析有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并通過(guò)分析數(shù)據(jù)對(duì)去皮刀輥軸的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，保證剝皮機(jī)工作時(shí)的穩(wěn)定性。去皮刀輥軸是連接、支撐與傳遞動(dòng)力的樞紐，同時(shí)承受著軸上各零部件的自身重力和切削力等載荷。去皮刀輥軸選用材料為45號(hào)鋼，車削加工，調(diào)質(zhì)處理，以保證去皮刀輥軸具有足夠的精度和強(qiáng)度。去皮刀輥軸通過(guò)SolidWorks建模，可保證結(jié)構(gòu)的完整性，使加工面能夠詳細(xì)地展現(xiàn)出來(lái)，確保制造過(guò)程的準(zhǔn)確性，并將所建模型導(dǎo)入進(jìn)行分析[6]。去皮刀輥軸結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 去皮刀輥軸結(jié)構(gòu)模型

(2)定義材料屬性及類型：去皮刀輥軸材料為45號(hào)鋼，其力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表1。

(3)劃分網(wǎng)格、添加載荷及約束條件：采用Ansys對(duì)刀輥軸進(jìn)行智能網(wǎng)格劃分并約束刀輥軸與機(jī)架的連接部分。已知扭矩為2 329 N·m、長(zhǎng)刀體組件重力為49.7 N、薄刀體組件重力共計(jì)43.8 N、壓輥重力為31 N、帶輪重力為10 N。

表1 去皮刀輥軸參數(shù)表

(4)經(jīng)過(guò)對(duì)去皮刀輥軸的分析，其應(yīng)力云圖與變形云圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 應(yīng)力云圖

圖6 變形云圖

3.3 去皮刀輥軸模態(tài)分析

對(duì)N個(gè)自由度線性無(wú)阻尼振動(dòng)系統(tǒng)而言，其振動(dòng)方程可表示為：

(11)

假設(shè)其解有簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)形式，即：

{y(x)}={α}·eiax

(12)

即：

[K]-ω2·[M]·{α}=0

(13)

此處ω2為固有值λ，則其固有頻率為f=ω/(2π)，固有頻率f與向量{φ}一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)固有頻率對(duì)應(yīng)一組向量，表示該結(jié)構(gòu)在以該頻率振動(dòng)時(shí)相對(duì)變形的形狀—固有振型。若{α}≠0，求解[K]-ω2·[M]=0，即可求出無(wú)阻尼自由振動(dòng)固有值與其相應(yīng)的n組固有向量{α}，或者n組固有振型{α}[7-9]。

模態(tài)分析可以用來(lái)研究軸的動(dòng)力特性，可以獲取固有頻率、阻尼比、模態(tài)振型。通過(guò)分析這些參數(shù)來(lái)指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方向，找出設(shè)計(jì)不足，進(jìn)而修正已有結(jié)構(gòu)。去皮刀輥軸的模態(tài)分析振型如圖7所示，模態(tài)分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 去皮刀輥軸模態(tài)分析結(jié)果

(a)一階振型

(b)二階振型

(c)三階振型

(d)四階振型

(e)五階振型

(f)六階振型

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)自走式枝丫材剝皮機(jī)的整體設(shè)計(jì)，使其能夠滿足林區(qū)復(fù)雜路況的使用要求，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)枝丫材等小徑木材的剝皮加工，以提高木材的利用率；通過(guò)對(duì)去皮刀輥軸的受力分析，求出相應(yīng)力的大小，采用Ansys靜力分析模塊對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力與變形分析，通過(guò)云圖可知其最大應(yīng)力為2.867 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力350 MPa，變形量的大小也滿足要求；通過(guò)模態(tài)分析得到去皮刀輥軸各階次的固有頻率和振幅，當(dāng)剝皮機(jī)工作時(shí)的固有頻率低于刀輥軸的一階固有頻率時(shí)就不會(huì)引起共振；采用Ansys對(duì)去皮刀輥軸進(jìn)行有限元分析，可為去皮部件的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)，分析表明切削主軸的設(shè)計(jì)滿足使用要求。

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(責(zé)任編輯 張雅芳)

Analysis and Design of the Spindle of a Self-propelled Branch Debarker

JIANG Xin-bo，SUN Jin-hao，MA Yan*，YANG Chun-mei，GUO Can

(Forestry and Woodworking Machinery Engineering Technology Center，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，China)

According to the actual working conditions and the requirements of the features of the workpiece to be processed，the design of the whole self-propelled branch debarker is completed，with the structural design and three-dimensional modeling of the peeling mechanism conducted.In order to ensure reliable operation of the spindle of the peeling mechanism during cutting，Ansys is used to conduct static analysis and modal analysis of it，with the stress and deformation nephogram of the spindle obtained through static analysis，the peeling cutter roller shaft strength and rigidity test performed，with the result showing that the stress and deformation amount meet the allowable conditions；the six-order natural frequency and vibration mode of the spindle obtained through the modal analysis，with the vibration stability test indicating no occurrence of resonance phenomenon.

branch wood；debarker；finite element；static analysis；modal analysis

2017-03-26

國(guó)家林業(yè)局引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)林業(yè)科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目“間伐材就地加工菌類培養(yǎng)長(zhǎng)細(xì)木屑設(shè)備引進(jìn)項(xiàng)目”(2015-4-53)

姜新波(1967-)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，主要從事林業(yè)與木工機(jī)械的設(shè)計(jì)與制造，E-mail：jxb-1967@163.com。

*通訊作者：馬 巖(1954-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論，E-mail：mayan@vip.163.com。

S776.31

A

2095-2953(2017)06-0019-05