竹材展平機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計與關(guān)鍵部件仿真分析?

任長清 李 峰 薛 勃 楊春梅 婁月軒

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040）

自我國全面實行禁止天然林商業(yè)性采伐政策以來，木材供需矛盾日益凸顯[1]。具有生長速度快、成材周期短、可再生能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的竹材，強(qiáng)度高、硬度大、韌性好，在一定程度上可以取代木材作為建筑行業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)的原材料[2-3]，因而日益受到人們的重視。我國竹材資源豐富，實際應(yīng)用時間較長[4]，但是竹產(chǎn)業(yè)處于半機(jī)械半手工狀態(tài)。自20 世紀(jì)80 年代以來我國的竹材加工設(shè)備與技術(shù)得到快速發(fā)展，特別在竹展平技術(shù)與設(shè)備方面取得重大進(jìn)展[5-12]。從最初簡單的熱壓板機(jī)械竹展平、發(fā)展到目前廣泛應(yīng)用的損傷竹展平[13-22]，再到無刻痕竹展平，如縱向無刻痕一體化竹展平技術(shù)與設(shè)備等，推動了我國竹材加工向機(jī)械化、自動化、智能化方向發(fā)展[23]。目前，與金屬、木材加工等相比，竹展平等竹材加工技術(shù)與設(shè)備在加工精準(zhǔn)化，生產(chǎn)自動化、智能化、規(guī)?；敖档椭圃斐杀痉矫嫒载酱M(jìn)一步研究[24]。

1 竹材展平工藝分析與改進(jìn)

竹子由內(nèi)向外分為竹黃、竹肉、竹青三部分，其中竹肉部分為竹板材主要原材料[25]。目前普遍采用損傷方式將圓筒狀竹子展平成矩形截面，即在竹材整體展平過程中對其進(jìn)行開槽以吸收展平時的應(yīng)力。為確保竹板材具有良好的表面質(zhì)量與高展平成功率，在竹材展平前通常對其進(jìn)行軟化處理，在展平后對竹材進(jìn)行表面砂光等一系列處理，由此組成竹材整體展平工藝。其中較有代表性的為竹材無裂紋展平生產(chǎn)技術(shù)[26]，其生產(chǎn)工藝如圖1a所示，工藝流程主要包括去青、去內(nèi)黃、剖分、高溫軟化、開槽展平、竹板材后處理等。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的加工工藝流程如圖1b所示。

圖1 竹材展平加工工藝流程圖Fig.1 Bamboo processing process flow chart

原有工藝是在去除竹青、竹黃及竹隔前提下對竹材進(jìn)行軟化，然后對竹材進(jìn)行開槽及展平處理，竹材后處理階段需要大量去除竹肉部分以提高成材質(zhì)量，這大大降低了竹材的出材率。改進(jìn)工藝則采取先對竹材去隔，然后連同竹青、竹黃一起作軟化、開槽、展平處理，如此展平過程中竹材的開裂主要發(fā)生在竹青、竹黃部分，在后處理階段再進(jìn)行去青、去黃處理，提高了竹材的出材率。同時改進(jìn)工藝在原有工藝基礎(chǔ)上，對竹材厚度與半徑進(jìn)行測量，測量結(jié)果用于調(diào)整竹材展平機(jī)的工作狀態(tài)。相較原工藝，改進(jìn)后的工藝提高了竹材成材率，并且便于應(yīng)用于實際生產(chǎn)過程。

2 新型竹材展平機(jī)整體布局與關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 竹材數(shù)學(xué)模型建立與開槽次數(shù)確定

在竹材展平加工過程中，對竹材開槽的合理規(guī)劃至關(guān)重要。本設(shè)計基于改進(jìn)工藝，竹材在展平前不去除竹青、竹黃，對竹青、竹黃同時作開槽處理以吸收展平時產(chǎn)生的應(yīng)力。在設(shè)計中針對竹材剖分成一半的情況，將剖分成一半的竹筒近似看做半圓環(huán)，選用角度銑刀在半圓竹筒竹黃和竹青兩側(cè)開一系列刀槽，開槽形狀如圖2a所示。假設(shè)竹材竹青厚度為h1、竹黃厚度為h2，竹青與竹黃開槽形狀、大小一致，理想化狀態(tài)下，竹材在展平過程中開裂深度不超過h1、h2。

竹材在展平過程中，靠近竹青的一側(cè)受壓，靠近竹黃一側(cè)受拉，在理想狀態(tài)下，靠近竹青一側(cè)刀槽在竹材展平過程中完全閉合，竹黃一側(cè)則沿著刀槽的方向裂開。圖2b為竹材刀槽開裂示意圖，其中小三角形為開裂前刀槽的狀態(tài)，大三角形為開裂后刀槽的狀態(tài)。

圖2 竹材開槽及開裂示意圖Fig.2 Schematic diagram of bamboo slotting and cracking

式中：e為竹材厚度，mm。

選用竹材一般厚度均為10 mm左右，開槽次數(shù)與切削深度h、角度銑刀角度θ有關(guān)，因此當(dāng)切削深度以及角度銑刀的角度確定后，開槽次數(shù)也隨之確定。

2.2 總體設(shè)計

竹材展平機(jī)是竹材展平過程中的關(guān)鍵，根據(jù)改進(jìn)工藝設(shè)計的竹材展平機(jī)如圖3 所示，其主要由上下銑削機(jī)構(gòu)（1）、左推進(jìn)臺（2）、展平壓板（3）、右推進(jìn)臺（4）、工作臺上下調(diào)整機(jī)構(gòu)（5）五部分組成。當(dāng)截斷剖分好的竹材送上左推進(jìn)臺（2）與右推進(jìn)臺（4）中間時，由左推進(jìn)臺（2）與右推進(jìn)臺（4）上的推板將竹材對中夾緊；上下調(diào)整機(jī)構(gòu)（5）調(diào)整左右推進(jìn)臺的高度，然后上下銑削機(jī)構(gòu)（1）往復(fù)運(yùn)動對竹材的竹青與竹黃部分進(jìn)行刻線；每進(jìn)行一次刻線，左推進(jìn)臺（2）將竹材推向右推進(jìn)臺（4），由右推進(jìn)臺（4）上的展平壓板（3）對竹材進(jìn)行展壓，展壓過程中左右推板配合竹材舒張；當(dāng)一次展平過程結(jié)束后，由右推進(jìn)臺（4）上的推板將竹材推回，再次調(diào)整左右推進(jìn)臺的高度，然后分別在竹材中心對稱兩側(cè)再進(jìn)行刻線；重復(fù)上述步驟，直到竹材完全展平為止。

圖3 竹材展平總體布局圖Fig.3 General layout of bamboo

2.3 竹材展平機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計

竹材展平機(jī)主體部分為上下銑削機(jī)構(gòu)與竹材展平平臺兩部分，其部件設(shè)計對竹材展平質(zhì)量具有關(guān)鍵性作用。

上下銑削機(jī)構(gòu)主要完成對竹青、竹黃銑槽，其通過上下兩片角度銑刀旋轉(zhuǎn)以及往復(fù)銑削實現(xiàn)對竹材竹青、竹黃兩端的開槽，工作原理如圖4 所示。據(jù)統(tǒng)計，用于制備竹板材的竹材厚大約為10 mm[25]，因此設(shè)計采取上角度銑刀與下角度銑刀沿著竹材徑向位置固定不變；由于上下銑刀銑削方向相同，因此將上下銑削機(jī)構(gòu)固定于活動機(jī)架上，在活動機(jī)架底部安裝有滑塊與步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)上安裝的齒輪與固定機(jī)架上的齒條組成齒輪齒條機(jī)構(gòu)（6）嚙合運(yùn)動帶動導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)（5）運(yùn)動；通過驅(qū)動電機(jī)（1）上的兩個帶輪將動力同時傳遞到上銑削機(jī)構(gòu)（2）和下銑削機(jī)構(gòu)（3），實現(xiàn)對竹材竹青、竹黃的銑削開槽，如此設(shè)計也進(jìn)一步節(jié)省了空間。

圖4 上下銑削機(jī)構(gòu)原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of up and down milling mechanism

竹材展平臺由左展平平臺、右展平平臺、展平壓板以及工作臺上下調(diào)整機(jī)構(gòu)組成。在上下銑削機(jī)構(gòu)對竹材的竹青、竹黃部分進(jìn)行刻線后，由左推進(jìn)臺上推板將竹材推到右展平平臺上，然后由展平壓板下壓對竹材進(jìn)行展平。改進(jìn)工藝根據(jù)切削深度h調(diào)整每次下壓距離，從而能更好地對竹材進(jìn)行展平加工，提高工作效率，同時測量竹材展平后的高度，并以此調(diào)整工作臺的高度。左右展平平臺上的推板結(jié)構(gòu)相同，如圖5所示，左展平平臺上推板由蝸輪蝸桿減速電機(jī)1（2）帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，通過絲杠螺母機(jī)構(gòu)實現(xiàn)推板在平臺上的運(yùn)動。展平壓板（4）是通過蝸輪蝸桿減速機(jī)2（5）帶動絲杠旋轉(zhuǎn)推動展平壓板上下移動，進(jìn)而實現(xiàn)對竹材展平。整個工作臺通過蝸輪蝸桿減速機(jī)4（10）、轉(zhuǎn)向器（9）及傳動導(dǎo)桿（8）將動力傳動到各個螺旋上升機(jī)，進(jìn)而實現(xiàn)工作臺上下調(diào)整。

圖5 竹材展平平臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural diagram of bamboo flattening platform

3 新型竹材展平機(jī)關(guān)鍵部件有限元分析

竹材展平機(jī)上下銑削機(jī)構(gòu)懸臂量較大，其強(qiáng)度和剛度是否滿足要求，激振頻率是否引起共振，是衡量其實現(xiàn)功能的重要指標(biāo)。因此通過模擬實際受力情況對竹材展平機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行校核和分析，本文運(yùn)用ANSYS軟件對關(guān)鍵部件進(jìn)行分析。

3.1 銑削機(jī)構(gòu)有限元分析

3.1.1 靜力學(xué)分析

首先對上下銑削機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，由于上下銑削機(jī)構(gòu)材質(zhì)、尺寸等參數(shù)基本一致，故只選擇其一進(jìn)行靜力學(xué)分析。主軸材料為Q235，其中彈性模量為2.12×105N/m3、泊松比為0.288、質(zhì)量密度為7.86×103N/m3。對軸簡化后的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在保證計算精度的情況下，盡量減少網(wǎng)格數(shù)量以提高計算速度。本機(jī)構(gòu)整體部分采用自由網(wǎng)格劃分方法，圖6a為最終網(wǎng)格劃分圖，網(wǎng)格總節(jié)點(diǎn)數(shù)為224 240，單元數(shù)為107 042。

對竹材展平機(jī)銑削機(jī)構(gòu)添加邊界條件及約束。首先定義邊界約束條件，對整體底面采用固定端約束；接著對其施加載荷：竹材展平機(jī)銑削機(jī)構(gòu)主要承受自身重力G=900 N如圖6b右側(cè)箭頭所示，皮帶對軸的壓軸力F=430 N如圖6b左側(cè)箭頭所示。

圖6 竹材展平機(jī)銑削機(jī)構(gòu)網(wǎng)格劃分及載荷分布示意圖Fig.6 Grid division and load distribution of milling mechanism of bamboo flattening machine

完成上述加載后進(jìn)行求解，得到竹材展平機(jī)銑削機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖7所示。竹材展平機(jī)銑削機(jī)構(gòu)采用的材料為Q235、強(qiáng)度極限420 MPa、安全系數(shù)[s]=2、則其許用應(yīng)力為210 MPa。從圖7a可看出最大應(yīng)力為2.890 9 MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力值，故竹材展平機(jī)銑削機(jī)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。由圖7b可知最大變形發(fā)生于兩端支撐軸承中間位置，最大變形量僅為0.030 125 mm，完全可以對其忽略不計。竹材展平機(jī)銑削機(jī)構(gòu)的應(yīng)力云圖與變形云圖的仿真分析表明：竹材展平機(jī)銑削機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度完全滿足要求。

圖7 竹材展平機(jī)銑削機(jī)構(gòu)仿真云圖Fig.7 Simulation cloud of bamboo flattening machine milling

3.1.2 模態(tài)分析

為竹材展平平臺銑削機(jī)構(gòu)底部添加固定端約束，受力狀況與網(wǎng)格劃分方法與靜力學(xué)分析部分相同。使用求解器求解，得到該機(jī)構(gòu)的各階模態(tài)振型結(jié)果。由表1 可知，竹材展平銑削機(jī)構(gòu)的前六階模態(tài)的頻率范圍為105～175 Hz，其固有頻率和振型如圖8 所示，模型的前四階模態(tài)振型可看作機(jī)架沿某一方向的擺動。電機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，對應(yīng)激振頻率為50 Hz，其頻率大小不與任一模態(tài)頻率重合。故銑削機(jī)構(gòu)在工作時不會發(fā)生共振現(xiàn)象，本文設(shè)計的銑削機(jī)構(gòu)具有較高的可靠性。

表1 竹材展平機(jī)銑削機(jī)構(gòu)前六階固有頻率及振型表Tab.1 First six natural frequencies and vibration modes of milling mechanism of bamboo flattening machine

圖8 竹材展平機(jī)銑削機(jī)構(gòu)模態(tài)振型Fig.8 Mode shapes of milling mechanism of bamboo flattening machine

3.2 竹材展平機(jī)底架有限元分析

對竹材展平機(jī)底架靜力學(xué)分析的基本步驟與鋸切主軸靜力學(xué)分析步驟相同。所用材料為Q235，對竹材展平機(jī)底架進(jìn)行分析簡化模型；然后對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于竹材展平機(jī)底架本身結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，故其網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格劃分方式，圖9a為最后網(wǎng)格劃分圖，網(wǎng)格總節(jié)點(diǎn)數(shù)為101 992，得到單元數(shù)為15 805。對竹材展平機(jī)底架模型添加邊界約束條件及載荷。首先定義邊界約束條件，對竹材展平機(jī)底架底端6 個部分添加固定約束。接著對整個底架添加載荷，整個底架主要承受兩側(cè)蝸輪蝸桿減速電機(jī)的重力，分別為30 N；承受推板和導(dǎo)軌滑塊重力為160 N；承受展平機(jī)架重力210 N，其加載力如圖9b所示。

圖9 竹材展平機(jī)底架網(wǎng)格劃分及載荷添加示意圖Fig.9 Grid division and load adding diagram of bamboo flattening platform underframe

完成上述加載后進(jìn)行求解計算，得到竹材展平機(jī)底架應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖，如圖10所示。竹材展平機(jī)底架最大變形發(fā)生在推板中間，最大變形量為0.113 48 mm。竹材展平機(jī)底架變形誤差為2 mm，最大位移小于最大變形誤差，因此竹材展平機(jī)底架的剛度滿足要求。此外，竹材展平機(jī)底架最大應(yīng)力值為10.574 MPa，遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力值，故竹材展平機(jī)底架滿足強(qiáng)度要求。應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖的分析表明：竹材展平機(jī)底架結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

圖10 竹材展平機(jī)底架仿真云圖Fig.10 Simulation cloud chart of bamboo flattening machine underframe

4 結(jié)論

本文針對現(xiàn)有竹材展平設(shè)備工藝中竹材出材率低的問題，提出將竹材開槽工序提前至竹材軟化后，待竹材開槽展平后再去除竹青、竹黃的改進(jìn)工藝。根據(jù)改進(jìn)后的竹材加工工藝特點(diǎn)，確定竹材優(yōu)化開槽次數(shù)，并基于改進(jìn)工藝對新型竹材展平設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計。運(yùn)用ANSYS對竹材展平設(shè)備銑削結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析與模態(tài)分析，得到銑削機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力為2.890 9 MPa，最大變形為0.030 125 mm，竹材展平銑削機(jī)構(gòu)的前六階模態(tài)的頻率范圍為105～175 Hz，與電機(jī)激振頻率不重合，故銑削機(jī)構(gòu)在工作時不會發(fā)生共振現(xiàn)象。對展平底架進(jìn)行靜力學(xué)分析得出，竹材展平機(jī)底架最大應(yīng)力值為10.574 MPa，最大變形量為0.113 48 mm。校核結(jié)果認(rèn)為：銑削機(jī)構(gòu)和底架滿足設(shè)計要求，驗證了設(shè)備設(shè)計的合理性。