自走式枝丫材剥皮机主轴的设计与分析

姜新波，孙金浩，马 岩*，杨春梅，郭 璨

(东北林业大学林业与木工机械工程技术中心，黑龙江 哈尔滨 150040)

研究与设计

自走式枝丫材剥皮机主轴的设计与分析

姜新波，孙金浩，马 岩*，杨春梅，郭 璨

(东北林业大学林业与木工机械工程技术中心，黑龙江 哈尔滨 150040)

根据实际工作条件与被加工件的特征要求，完成了对自走式枝丫材剥皮机的整体设计，并对去皮机构进行了结构设计和三维建模。为了保证切削时去皮机构的主轴运转可靠，采用Ansys对其进行了静力学分析和模态分析。通过静力学分析得到主轴的应力与变形云图，实现了对去皮刀辊轴强度和刚度的检验，结果显示应力与变形量均满足许用条件；通过模态分析得出主轴的六阶固有频率与振型，振动稳定性检验表明不会产生共振现象。

枝丫材；剥皮机；有限元；静力学分析；模态分析

在林业生产过程中，木材剥皮是其中相当重要的一道环节，剥皮预加工更是其中不可或缺的工序。在目前的生产过程中，大径木与去皮的枝丫材相比，资源相对缺乏，因此木材生产过程中使用去皮枝丫材的比较多。去皮的枝丫材加工难度大，工艺复杂，降低了木材的使用率，并且我国目前木材剥皮的生产效率与国外相比差距十分明显。我国大部分林区的道路情况复杂，交通运输困难，供电条件相对较差，生产过程中人工作业的效率低，工人的劳动强度大，枝丫材等木材剩余物的利用率较低，造成大量林木资源的浪费。本文针对我国剥皮机的现状进行了深入研究，设计出一种高效、自动化程度较高的自走式林间枝丫材剥皮机。该剥皮机可以在供电条件有限、道路情况复杂、局限性较强的林区进行就地剥皮并可自由移动，扩大了工作范围，减轻了工人的劳动强度，降低了生产运输成本，提高了运输的安全性及生产效率，符合国家提倡的可持续发展战略要求。

1 自走式枝丫材剥皮机的整体设计

自走式枝丫材剥皮机的整体设计影响到生产过程中机器的可操作性及其后期的设备保养维修等重要环节，且直接影响到剥皮机的生产效率。自走式枝丫材剥皮机的主要作用是在路况复杂且条件恶劣的林区内部实现对枝丫材的剥皮作业，并可以实现整机的移动。剥皮机整机包括底盘行走机构、剥皮机构和储料机构三部分。其中，底盘行走机构选择汽油机作为动力源，液压马达为履带提供动力，以实现整机的林间移动；剥皮机构选择GM5-8型齿轮马达作为动力源，通过减速机构将动力传递至去皮辊刀轴带动刀具旋转，以实现对枝丫材的剥皮作业；储料机构位于底盘行走机构上方及剥皮机构后方，用于存储物料。自走式枝丫材剥皮机的整体设计方案如图1所示。

图1 自走式枝丫材剥皮机整体设计方案 1.底盘行走机构；2.剥皮机构；3.储料机构

剥皮机构设计在整机的主体上，使用GM5-8型齿轮马达来保证为其提供充足的动力，电机转速为1 440 r/min，剥皮刀辊转数为800 r/min，进给辊转数为160 r/min。工作时齿轮马达将动力传递到大带轮带动的主轴上，主轴转动将一部分动力分别传递给前压辊和去皮辊刀轴，用于实现枝丫材的去节和去皮工作；另一部分动力则传递给(后)中间传递总成的带轮上以实现一次减速，带轮再通过链传动传递给前传递总成的链轮上以实现二次减速，前传递总成再把动力分别传递给两个进给辊，完成动力传递。剥皮机构如图2所示。

图2 剥皮机构

2 去皮部件设计

2.1 去皮部件结构设计

枝丫材剥皮机作为一台用于小径木材去皮的设备，去皮铣削机构是其最关键的部件之一。由于被加工件大多为小径木及树枝等形状不规范的枝丫材，使得去皮铣削机构中的各零部件受力情况非常复杂且没有规律。因此，要求在去皮铣削机构的设计过程中考虑到复杂多变的切削力对各零部件的影响。去皮铣削机构的合理设计非常重要，其将影响整机的使用性能。为了提高剥皮机的生产效率并延长其使用寿命，需重点研究去皮铣削机构的结构设计，并对受力情况进行分析。

图3 切削部件结构 1.剥皮刀轴；2.长刀体；3.薄刀体一；4.薄刀体二；5.薄刀体三；6.刀片；7.压辊；8.小带轮

去皮铣削机构包括去节部件和去皮部件两部分，去节部件通过主轴的旋转带动去节刀具的旋转，通过铣削的方式将枝丫材上的树节、小树杈及瘤疤等去除，为接下来的去皮工序做准备；去皮部件则是将去节部件处理过的枝丫材通过去皮刀片铣削的方式进行再加工，从而达到去除树皮的目的。去皮铣削机构是整台机器的核心，切削部件结构如图3所示。

切削部件主要由剥皮刀轴、长刀体、薄刀体一、薄刀体二、薄刀体三、刀片、压辊和小带轮等零部件组成。其中，剥皮刀轴通过键将各零部件固定，通过轴承与机架相连接，起支撑和传递动力的作用；长刀体前方为锥形结构，起引导进料和增加进料空间的作用，以防止旋进过程中出现卡料现象；薄刀体一、薄刀体二和薄刀体三与长刀体并排安装，并通过键连接固定在轴上，三者相差一定角度，以使刀片斜排布置，增加刀片与枝丫材的接触面积和接触时间，从而提高剥皮效率；刀片通过内六角圆柱头螺钉分别固定在长刀体、薄刀体一、薄刀体二和薄刀体三上，起铣削剥皮的作用；压辊布置在剥皮刀体后面，前方同样采用锥形结构，以方便输送枝丫材脱离剥皮机；小带轮通过键连接固定在剥皮刀轴上，通过皮带来传递动力，以保证剥皮机工作的顺利进行。

2.2 去皮刀辊轴设计

轴径尺寸与轴所传递的功率P、轴的转速n和计算常数A0有关，轴径尺寸设计的合理与否将影响整机的使用效率和稳定性[1-2]。

剥皮机去皮刀辊轴的最小直径估算公式为：

(1)

式中：dmin为轴的最小直径(mm)；P为轴传递的功率(kW)；A0为计算常数，其大小与材料有关；n为轴的转速(r/min)。

去皮刀辊轴所用材料为45号钢，调质处理，查得其A0一般为103～126，此处取A0=110。

求解式(1)得：dmin=23 mm。为确保机器运转过程中各零部件的受力均在所承受范围内，考虑到轴上键槽的应力作用需将轴的直径在计算值的基础上增加5%。

综合以上分析，取去皮刀辊轴的最小直径dmin=25 mm。

3 去皮刀辊轴的有限元分析

3.1 去皮刀辊轴的有限元基础理论分析

将去皮刀辊轴切分成许多个微小单元，在力的作用下，各微小单元节点在x、y、z三个坐标方向的位移函数分别为a、b、c，即：

a=a(x，y，z)；b=b(x，y，z)；c=c(x，y，z)

(2)

根据弹性力学理论，微小单元内各节点处在x、y、z三个坐标方向的线应变为εx、εy、εz及剪应变γxy=γyx、γyz=γzy、γzx=γxz的几何关系用矩阵表示为：

(3)

在外力作用下，各微小单元内部任意节点的3项正应力σx、σy、σz和3对剪应力τxy=τyx、τyz=τzy、τzx=τxz的矩阵表达式为：

{σ}=[σxσyσzτxyτyzτzx]

(4)

在线弹性范围内，应力应变间的物理关系矩阵表达式为：

σ=[D]{ε}

(5)

式中：[D]为弹性系数矩阵，对于各向同性的弹性单元，其一般表达式为：

(6)

各微小单元内部所有节点的位移可用单元节点位移{δ}e来表示，单元节点位移与各单元节点坐标之间的关系用矩阵可表示为：

(7)

式中：[N]为单元内各节点坐标x、y、z的函数，称为形状函数矩阵。

由式(2)和式(5)可求得单元内的应变为：

{ε}=[B]{δ}e

(8)

式中：[B]为应变矩阵。

由式(5)和式(8)可得单元节点位移与单元内应力的关系为：

{σ}=[D][B]{δ}e

(9)

式中：[S]=[D][B]称为应力矩阵。

进而可得单元节点力与单元节点位移的关系为：

(10)

综合以上公式的推导分析，可得出单元节点与应变ε、应力σ和位移的关系。利用叠加原理，对实际情况进行约束，从而可进一步分析出整体应变ε、应力σ和位移[3-5]。

3.2 去皮刀辊轴的静力学分析

(1)建立几何模型：去皮刀辊轴是自走式枝丫材剥皮机中的核心部件，其结构与尺寸将影响枝丫材去皮的效率和整机的性能，是关键零部件之一。采用Ansys软件对其结构模型进行有限元分析有利于及时发现问题，并通过分析数据对去皮刀辊轴的结构尺寸进行优化，保证剥皮机工作时的稳定性。去皮刀辊轴是连接、支撑与传递动力的枢纽，同时承受着轴上各零部件的自身重力和切削力等载荷。去皮刀辊轴选用材料为45号钢，车削加工，调质处理，以保证去皮刀辊轴具有足够的精度和强度。去皮刀辊轴通过SolidWorks建模，可保证结构的完整性，使加工面能够详细地展现出来，确保制造过程的准确性，并将所建模型导入进行分析[6]。去皮刀辊轴结构模型如图4所示。

图4 去皮刀辊轴结构模型

(2)定义材料属性及类型：去皮刀辊轴材料为45号钢，其力学性能参数见表1。

(3)划分网格、添加载荷及约束条件：采用Ansys对刀辊轴进行智能网格划分并约束刀辊轴与机架的连接部分。已知扭矩为2 329 N·m、长刀体组件重力为49.7 N、薄刀体组件重力共计43.8 N、压辊重力为31 N、带轮重力为10 N。

表1 去皮刀辊轴参数表

(4)经过对去皮刀辊轴的分析，其应力云图与变形云图分别如图5、图6所示。

图5 应力云图

图6 变形云图

3.3 去皮刀辊轴模态分析

对N个自由度线性无阻尼振动系统而言，其振动方程可表示为：

(11)

假设其解有简谐运动形式，即：

{y(x)}={α}·eiax

(12)

即：

[K]-ω2·[M]·{α}=0

(13)

此处ω2为固有值λ，则其固有频率为f=ω/(2π)，固有频率f与向量{φ}一一对应，每个固有频率对应一组向量，表示该结构在以该频率振动时相对变形的形状—固有振型。若{α}≠0，求解[K]-ω2·[M]=0，即可求出无阻尼自由振动固有值与其相应的n组固有向量{α}，或者n组固有振型{α}[7-9]。

模态分析可以用来研究轴的动力特性，可以获取固有频率、阻尼比、模态振型。通过分析这些参数来指导结构的设计方向，找出设计不足，进而修正已有结构。去皮刀辊轴的模态分析振型如图7所示，模态分析结果见表2。

表2 去皮刀辊轴模态分析结果

(a)一阶振型

(b)二阶振型

(c)三阶振型

(d)四阶振型

(e)五阶振型

(f)六阶振型

4 结论

通过对自走式枝丫材剥皮机的整体设计，使其能够满足林区复杂路况的使用要求，能够实现对枝丫材等小径木材的剥皮加工，以提高木材的利用率；通过对去皮刀辊轴的受力分析，求出相应力的大小，采用Ansys静力分析模块对其进行应力与变形分析，通过云图可知其最大应力为2.867 MPa，远远小于许用应力350 MPa，变形量的大小也满足要求；通过模态分析得到去皮刀辊轴各阶次的固有频率和振幅，当剥皮机工作时的固有频率低于刀辊轴的一阶固有频率时就不会引起共振；采用Ansys对去皮刀辊轴进行有限元分析，可为去皮部件的设计优化提供理论基础，分析表明切削主轴的设计满足使用要求。

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(责任编辑 张雅芳)

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

国家林业局引进国际先进林业科学技术项目“间伐材就地加工菌类培养长细木屑设备引进项目”(2015-4-53)

姜新波(1967-)，男，副教授，硕士生导师，博士，主要从事林业与木工机械的设计与制造，E-mail：jxb-1967@163.com。

*通讯作者：马 岩(1954-)，男，教授，博士生导师，硕士，研究方向为机械设计及理论，E-mail：mayan@vip.163.com。

S776.31

A

2095-2953(2017)06-0019-05