第５１卷㊀第６期２０２３年６月㊀㊀
林业机械与木工设备
ＦＯＲＥＳＴＲＹＭＡＣＨＩＮＥＲＹ＆ＷＯＯＤＷＯＲＫＩＮＧＥＱＵＩＰＭＥＮＴ
Ｖｏｌ５１Ｎｏ.６
Ｊｕｎ.２０２３
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１ꎬ㊀周兆兵１∗ꎬ㊀朱一国２ꎬ㊀王㊀雷２ꎬ㊀宦铁兵２ꎬ㊀赵㊀黎２
(１.南京林业大学材料科学与工程学院ꎬ江苏南京２１００３７ꎻ
２.常州益林机械有限公司ꎬ江苏溧阳２１３３３３)
摘㊀要：随着定向刨花板市场日益扩大ꎬ大刨花需求与日俱增ꎮ为了使木片长度最大化ꎬ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ꎬ提出了单飞刀刀辊结构设计方案ꎮ通过对单
飞刀刀辊进行切片处理ꎬ分析每个微元的质量分布ꎬ结果表明单飞刀刀辊质量分布均匀ꎬ确认单飞刀刀辊动平衡类型ꎮ通过对单飞刀刀辊三维模型动平衡分析ꎬ模拟计算出单飞刀刀辊的不平衡量ꎬ并依据刚性转子双面校正方法ꎬ采用焊接配重法进行了校正ꎬ运动仿真分析结果表明ꎬ两轴端所受反作用力较配重前有很大改善ꎮ根据ＧＢ/Ｔ９２３９.１－２００６进行计算ꎬ结果验证了刀辊能够满足动平衡条件ꎬ设计方案有效可行ꎮ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ꎮ
关键词：鼓式削片机ꎻ长木片ꎻ单飞刀刀辊ꎻ动平衡分析ꎻ运动仿真
中图分类号:Ｓ７７６㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀文章编号:２０９５－２９５３(２０２３)０６－００３９－０６
ＳｔｒｕｃｔｕｒｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＯｎｅ－ｆｌｙ－ｃｕｔｔｅｒ
ＲｏｌｌｅｒｆｏｒＤｒｕｍＣｈｉｐｐｅｒ
ＹＡＮＧＹｅ￣ｗｅｉ１ꎬＺＨＯＵＺｈａｏ￣ｂｉｎｇ１∗ꎬＺＨＵＹｉ￣ｇｕｏ２ꎬＷＡＮＧＬｅｉ２ꎬＨＵＡＮＴｉｅ￣ｂｉｎｇ２ꎬＺＨＡＯＬｉ２(１.ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＮａｎｊｉｎｇＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＮａｎｊｉｎｇＪｉａｎｇｓｕ２１００３７ꎬＣｈｉｎａꎻ
reaction in the shaft
２.ＣｈａｎｇｚｈｏｕＹｉｌｉｎＭａｃｈｉｎｅｒｙＣｏ.ꎬＬＴＤ.ꎬＬｉｙａｎｇＪｉａｎｇｓｕ２１３３３３ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｍａｒｋｅｔｏｆｏｒｉｅｎｔｅｄｐａｒｔｉｃｌｅｂｏａｒｄｉｓｅｘｐａｎｄｉｎｇｄａｙｂｙｄａｙ.Ｓｉｍｉｌａｒｌｙꎬｔｈｅｄｅｍａｎｄｆｏｒｌａｒｇｅｐａｒｔｉｃｌｅｂｏａｒｄｉｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ.Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍａｘｉｍｉｚｅｔｈｅｌｅｎｇｔｈｏｆｗｏｏｄｃｈｉｐｓꎬｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅ￣ｔｗｅｅｎｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｆｌｙｉｎｇｋｎｉｖｅｓａｎｄｔｈｅｌｅｎｇｔｈｏｆｗｏｏｄｃｈｉｐｓｆｒｏｍｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｄｒｕｍｃｈｉｐｐｅｒꎬａｎｄｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅｏｆｔｈｅｏｎｅ－ｆｌｙ－ｃｕｔｔｅｒｒｏｌｌｅｒ.Ｂｙｓｌｉｃｉｎｇｔｈｅｏｎｅ－ｆｌｙ－ｃｕｔ￣ｔｅｒｒｏｌｌｅｒꎬｔｈｅｍａｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｅａｃｈｍｉｃｒｏｅｌｅｍｅｎｔｉｓａｎａｌｙｚｅｄ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍａｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｎｅ－ｆｌｙ－ｃｕｔｔｅｒｒｏｌｌｅｒｉｓｕｎｉｆｏｒｍꎬａｎｄｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｕｎｂａｌａｎｃｅｔｙｐｅｏｆｔｈｅｏｎｅ－ｆｌｙ－ｃｕｔｔｅｒｒｏｌｌｅｒｉｓｃｏｎｆｉｒｍｅｄ..Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｂａｌａｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅ３Ｄｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｏｎｅ－ｆｌｙ－ｃｕｔｔ
ｅｒｒｏｌｌｅｒ.Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｏｕｂｌｅ－ｓｉｄｅｄｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｒｉｇｉｄｒｏｔｏｒꎬｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｃｏｕｎｔｅｒｗｅｉｇｈｔｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄｔｏｃｏｒｒｅｃｔｔｈｅｕｎｂａｌａｎｃｅ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅａｃｔｉｏｎｆｏｒｃｅｏｎｔｈｅｔｗｏｓｈａｆｔｅｎｄｓｈａｓｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｂｅｆｏｒｅｔｈｅｃｏｕｎｔｅｒｗｅｉｇｈｔ.ＴｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆＧＢ/Ｔ９２３９.１－２００６ａｌｓｏｖｅｒｉｆｙｔｈａｔｔｈｅｃｕｔｔｅｒｒｏｌｌｅｒｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｄｙｎａｍｉｃ
㊀㊀收稿日期:２０２３－０３－２９
基金项目：江苏省研究生工作站建设课题(２０２０＿２０４)
第一作者简介：杨叶伟ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为木材加工装备与信息化ꎬＥ－ｍａｉｌ:２３９７３６５８４２＠ｑｑ.ｃｏｍꎮ
∗通讯作者：周兆兵ꎬ高级实验师ꎬ博士ꎬ研究方向为木材加工装备与信息化ꎬＥ－ｍａｉｌ:ｚｂｚｈｏｕ＠ｎｊｆｕ.ｅｄｕ.ｃｎꎮ
ｂａｌａｎｃｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎬａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅｉｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅａｎｄｆｅａｓｉｂｌｅ.Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓ
林业机械与木工设备第５１卷
ｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｄｒｕｍｃｈｉｐｐｅｒｗｉｔｈｏｎｅ－ｆｌｙ－ｃｕｔｔｅｒｒｏｌｌｅｒ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｄｒｕｍｃｈｉｐｐｅｒꎻｌｏｎｇｃｈｉｐｓꎻｏｎｅ－ｆｌｙ－ｃｕｔｔｅｒｒｏｌｌｅｒꎻｄｙｎａｍｉｃｂａｌａｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓꎻｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
定向刨花板(ＯｒｉｅｎｔｅｄＳｔｒａｎｄＢｏａｒｄꎬ简称ＯＳＢ)的结构主要由大片刨花构成ꎬ具有力学强度高㊁尺寸稳定性好㊁环保性能优良等特点ꎬ可以进行大规模自动化生产ꎬ广泛应用于木门㊁橱柜㊁衣柜㊁墙板㊁地板等制造ꎬ市场份额日益增长[１－３]ꎮ
目前ꎬ市场上针对枝丫材㊁弯曲木㊁锯材边角料
等材料ꎬ主要采用鼓式削片和刨片相结合的二工段刨片制备技术ꎬ制备定向刨板所需要的刨花原料ꎬ即先通过鼓式削片机将原料切削成木片ꎬ再通过环式刨片机加工处理制备刨花ꎬ木片尺寸主要集中在６０~
１２０ｍｍ[４]ꎮ二工段刨片制备技术加工出来的刨花长厚比好ꎬ制备的刨花边部是不规则的ꎬ不成直角ꎬ有着显著的更加均匀的张力过渡ꎬ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ꎮ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ꎮ
根据文献[５－１０]分析ꎬ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ꎬ一定程度上改善了木片制备质量ꎬ但对木片的尺寸增加有限ꎮ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ꎬ采用的技术方案是在削片机刀辊上只装一把飞刀ꎬ在刀辊转速及进给速度不变的情况下ꎬ切削出的木片长度为原来的２倍[１１]ꎮ但该发明所提供的技术方案加工的木片长度为７０~８０ｍｍ㊁宽度为３０~４０ｍｍ㊁厚度为５~
１０ｍｍꎬ无法满足大片刨花的制备需求ꎮ而且ꎬ该技术方案只是提出在原削片机刀辊上安装一把飞刀ꎬ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ꎮ
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ꎬ提出单飞刀刀辊结构设计方案ꎬ建立了单飞刀刀辊三维模型ꎬ采用动平衡分析技术进行仿真验证ꎬ为长木片备料设备的研制提供理论依据与技术支撑ꎮ
１㊀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ꎬ木片尺寸与刀辊转
速㊁飞刀数量及进料速度相关ꎮ在相同的刀辊转速与进料速度的情况下ꎬ飞刀数量越少ꎬ作用于木料的切削步长就越大ꎬ获得的木片尺寸就越大ꎮ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ꎬ但刀辊结构限制了木片长度的上限ꎬ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ꎬ从而限制木片长度并造成木片与刀辊外轮廓的磨损ꎮ图１(ａ)为正常进料情况ꎬ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ꎬ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ꎬ但也受限于这段距离ꎬ过快的进料速度会使木料与刀辊外轮廓发生碰撞ꎬ如图１(ｂ)所示ꎬ想要获得更长的木片变得十分困难
ꎮ
图１㊀进料示意图
㊀㊀因此ꎬ本文针对ＢＸ２１１３Ａ型鼓式削片机的刀辊进行改进ꎬ根据刀辊外轮廓线渐开线的设计进行改
进ꎬ设计出一种制备长木片专用的单飞刀刀辊ꎬ木料前进过程中始终与外轮廓线保持一段距离ꎬ通过更
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第６期
杨叶伟ꎬ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ꎮ如图２所示为单飞
刀刀辊结构ꎬ主要结构包括压刀板㊁飞刀㊁飞刀底座㊁刀辊外轮廓线㊁内弧形切屑槽㊁防护端板㊁锁紧螺母㊁刀辊轴㊁平衡配重块㊁锁紧螺栓及飞刀调节螺栓等零部件ꎮ单飞刀刀辊的工作方式与常见的双飞刀㊁三飞刀刀辊相同ꎬ进料机构带动原料前进ꎬ原料在飞刀与底刀的共同作用下形成切削ꎮ不同之处在于ꎬ单
飞刀刀辊的飞刀安装伸出量更大ꎬ内弧形切屑槽加深ꎬ刀辊外轮廓线采用渐开线设计ꎬ可使单次切削木片长度大大加长ꎮ多刀具平衡受力ꎬ在高速转动的过程中ꎬ平衡了主切削力ꎬ而单飞刀刀辊只安装有一把飞刀ꎬ将受到主切削力的影响ꎮ但有别于小直径加工机床ꎬ鼓式削片机较大的主轴直径ꎬ使其受到主切削力的影响很小
ꎮ
图２㊀单飞刀刀辊结构示意图
１.防护端板ꎻ２.锁紧螺母ꎻ３.飞刀底座ꎻ４.刀辊外轮廓线ꎻ５.锁紧螺栓ꎻ６.压刀板ꎻ
７.飞刀ꎻ８.刀辊轴ꎻ９.内弧形切屑槽ꎻ１０.飞刀调节螺栓ꎻ１１.平衡配重块
㊀㊀如图３所示为三飞刀刀辊与单飞刀刀辊在相同转速㊁进料速度下的切削木片长度对比ꎬ木片长度为每齿切削量ꎬ且切削过程中物料不与弧板发生碰撞ꎬ从图３中可知ꎬ相同进料速度下ꎬ三飞刀刀辊每旋转
１２０ʎ完成一次切削ꎬ而单飞刀刀辊旋转３６０ʎ完成一次切削ꎬ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３倍
ꎮ
图３㊀长木片加工原理示意图
２㊀单飞刀刀辊动平衡分析原理与校正仿真方法
㊀㊀鼓式削片机在旋转切削过程中ꎬ单飞刀刀辊属于非对称结构ꎬ存在不平衡量ꎬ会导致刀辊偏离回转
中心ꎬ在反作用力的作用下对主轴造成损害ꎬ最终导致设备运转稳定性变差ꎮ因此ꎬ必须对刀辊结构进行动平衡分析ꎮ
鼓式削片机工作转速低于一阶临界转速的０.６~
０.７５倍[１２]ꎬ工作时不会发生较大变形ꎬ属于刚性转子[１３－１４]ꎮ刚性转子不平衡大致可分为三种：静不平
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林业机械与木工设备第５１卷
衡㊁偶不平衡与动不平衡[１５]ꎮ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ꎮ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ｂ/ｄ[１６]ꎮ本文所设计的单飞刀刀辊宽径比ｂ/ｄ>０.２ꎮ因此ꎬ需要对其进行双面校正ꎬ选定两个回转
平面作为校正平面ꎬ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ꎮ本文通过焊接配重法进行双面校正ꎬ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ꎬ即ΣＦ＝０ꎬΣＭ＝０ꎬ将动力学问题转化成了静力学问题[１７－１９]ꎮ
仿真前ꎬ对刀辊模型进行质量分布分析ꎮ以刀
辊轴向任意距离为步长ꎬ对转子进行切片处理ꎬ将整个刀辊(即转子)切开分成若干个平面ꎬ计算出每一微元不平衡量在Ｘ㊁Ｙ方向上的质量分布ꎬ判断刀辊不平衡类型ꎮ本文采用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓＭｏｔｉｏｎ模块进行动平衡配重仿真ꎮ首先建立刀辊不平衡量分析模型ꎬ如图４所示ꎬ将整个刀辊机构视为一体[２０]ꎮ接着对模型进行边界条件与驱动的设置:(１)轴承处添加支撑Ａ和Ｂꎻ(２)固定支撑与刀轴的相对位置ꎻ(３)添加马达驱动ꎬ转速４００ｒ/
ｍｉｎꎮ
图４㊀单飞刀刀辊不平衡量分析模型示意图
完成仿真前处理后ꎬ设置仿真时长１ｓ进行仿真ꎬ获取处理结果与图解ꎬ即可分析出仿真部件的速
度㊁加速度㊁受力㊁位移等情况ꎮ这里选择主轴两端Ａ㊁Ｂ的反作用力作为分析参数ꎬ绘制出反作用力随时间变化的曲线图ꎮ参照ＧＢ/Ｔ９２３９.１－２００６«机械振动恒态(刚性)转子平衡品质要求第１部分：规范与平衡允差的检验»ꎬ将反作用力曲线图中的数值代入式(１)进行不平衡量计算:
Ｕ＝
Ｆω２
(１)
式中:Ｕ为不平衡量ꎬｋｇ ｍꎻＦ为不平衡力ꎬＮꎻω为角速度ꎬｒａｄ/ｓꎮ
计算得到主轴两端Ａ㊁Ｂ的不平衡量ꎬ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ꎮ如果不满足动平衡条件ꎬ则需对其采用焊接配重法进行双面校正ꎬ通过配重块的安装调整刀辊不平衡量分布ꎬ使刀辊达到动平衡条件ꎮ
采用焊接配重法进行校正时ꎬ决定配重块的参数主要有两个：配重块的质量和安装相位ꎮ通过仿真分析确定配重块的质量ꎬ依据在不平衡量的α＋１８０ʎ处添加配重的原则确定安装相位ꎬ即可达到动
平衡状态[２１]ꎮ
３㊀仿真结果分析与讨论
３.１㊀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ꎬ如图５所示为未进行配重的刀辊Ｘ㊁Ｙ方向上质心偏移随着Ｚ轴变化的分布情况ꎮ可以看出从２００ｍｍ处开始ꎬ
由于刀辊结构的存在ꎬ微元存在不平衡量ꎬ而刀辊轴向Ｘ㊁Ｙ方向的质心偏移量均呈对称分布ꎬ说明刀辊质量分布均匀ꎬ可以排除转动过程中偶不平衡的状
况ꎬ此时转子的质量中心线与旋转中心线应处于平行状态ꎬ说明本文设计刀辊是由静不平衡所导致的动不平衡ꎬ故本次设计主要就静不平衡展开研究
ꎮ
图５㊀刀辊不平衡量的分布
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第６期
杨叶伟ꎬ等:
鼓式削片机单飞刀刀辊结构设计与仿真分析
图６㊀配重示意图
配重块采用矩形配重块ꎬ其质心位于几何中心ꎬ其安装位置主要包括轴向位置与径向位置ꎮ
㊀㊀为了安装方便ꎬ轴向位置确定为左㊁右端板外侧ꎬ径向位置根据不平衡量的位置进行确定ꎬ包括半径与相位角ꎮ半径应尽可能大以降低配重块质量ꎬ最终确定位置为距回转中心５００ｍｍ处ꎮ确认安装位置后ꎬ以轴承Ａ㊁Ｂ两端反作用力５０３Ｎ㊁４８７Ｎ为依据ꎬ根据文献[２２]中的方法计算得到两个校正平面内配重块的质量分别为:ｍａ＝５７３.８４ｇꎬｍｂ＝５５５.５９ｇꎮ根据配重前的刀辊质心(－０.２４５６ꎬ０.２０２２ꎬ０)可知不平衡量处于刀辊的第二象限ꎬ在直角坐标系中绘制配重示意图ꎬ如图６所示ꎮ若要进行配重平衡ꎬ则配重块应处于第四象限ꎮ根据质心位置计算得出不平衡量相位角１４０.５ʎꎬ故配重块安装相位角为３２０.５ʎꎮ
确定配重块的质量与相位角后ꎬ将其分别添加到刀辊上ꎬ具体位置为两侧防护板处ꎬ最终配重块安
装位置如图７所示ꎬ质量为ｍａ的配重块安装在图７(ａ)中的示意处ꎬ质量为ｍｂ的配重块安装在图７(ｂ)中的示意处
ꎮ
图７㊀配重块安装位置示意图
３.２㊀动平衡校正结果验证分析
图８为焊接平衡配重块前后刀辊两端Ａ和Ｂ处的反作用力随时间变化曲线图ꎬ从反馈结果中可以
看出ꎬ在加入配重块后ꎬ两轴端所受反作用力较配重前有很大改善ꎬ且反作用力图解呈现出正弦波ꎬ刀辊
转动稳定
ꎮ
图８㊀刀辊结构优化前后的反作用力随时间变化曲线图
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