菌类培养长细木屑加工设备的设计与试验

姜新波，王文博，郭璨

(东北林业大学林业与木工机械工程技术中心，哈尔滨 150040)

菌类培养长细木屑加工设备的设计与试验

姜新波，王文博，郭璨

(东北林业大学林业与木工机械工程技术中心，哈尔滨 150040)

研发了一款双轴式多圆锯片长细木屑加工设备，可将林间剩余物加工为长细木屑，满足菌类培养的需要。对菌类培养长细木屑加工的切削原理进行了分析，确定了圆锯锯切的切削方式，并对锯切性能进行了力学验算，确定了设备的主要技术参数。结合设备主要技术参数与加工长细木屑的工作原理，进一步对设备进料系统、主切削系统、出料系统及关键零部件进行结构设计，使其加工出符合菌类培养木屑规格的长细木屑(厚度为0.5～1.0 mm，长度在10 mm左右)，从而为后续试制菌类培养长细木屑加工设备样机做准备。通过对试验样机的试验，获得了适宜菌类培养的长细状木屑，且木屑合格率达到70%以上，验证了该菌类培养长细木屑加工设备的切削性能达到设计目的。

菌类培养长细木屑；结构设计；样机试验；切削能力

林间采伐和城市绿化会产生大量的采伐剩余物，这些剩余物通常会被搁置或焚烧，造成了木材资源的浪费。菌类具有极好的食疗和保健功能，以其作为主要原料生产的产品日益受到消费市场的青睐，销量逐年增加[1-4]。随着菌类产业的发展，培养菌类的木屑需求量也随之大幅增加。若将木材剩余物资源集中加工成符合菌类培养要求的木屑，能给食用菌生产者带来很高的经济效益，对于提高木材利用率有很大的意义。试验表明[4-10]，食用菌菌丝生长时，菌丝对长细状木屑培养基的营养吸收分解和利用速度是粉末状带锯木屑培养基的2～3倍。然而，目前普遍使用的木材粉碎机加工出的木屑大小完全由筛网决定，无法加工出满足菌类培养所需的长细木屑规格。因此，市场急需一种方便灵活、精准高效的菌类培养木屑加工设备。

笔者对菌类培养长细木屑加工设备进行切削原理分析，并对设备进料系统、主切削系统、出料系统和关键零部件进行结构设计，之后验证该设备是否可加工出满足菌类培养要求的长细状木屑。

1 切削原理及力学分析

1.1 切削原理分析

加工菌类培养所需长细木屑的切削原理分析见图1。由图1a可知，齿尖的相对运动轨迹是同一时间内作圆周运动的齿尖位移与作直线运动的木材位移的向量和，且v′≥U(v′是相对于时间t的一阶导数)，所以该轨迹为一短幅摆线[7-11]。由图1b可知，圆锯齿切下的切屑厚度e是齿尖在一定位置上相邻两轨迹间的法向距离：

e=Uzsinθ

(1)

圆锯切削时，每齿进给量、圆锯片齿距和进给速度保持不变，均为常数，但θ需根据齿刃在木材中的位置不同而变化。

注：Uz为每齿进给量，由于圆锯片齿距和进给速度不变，因此为常数；θ为运动遇角，(°)；H为锯路高度，mm；C为锯片中心距进料槽的高度，mm；U为每齿进给速度，mm/z；Φ为物料高度处木屑飞出的方向与其锯片运动切线方向的夹角，(°)；φ为物料相对于锯片中心点的夹角，(°)；υ为锯片的转速，r/min；θp为物料H/2高度处水平线相对于其锯片运动切线方向的夹角，(°)；e为切屑厚度，mm；ep为平均切屑厚度，近似取锯路高度一半处的切屑厚度，mm；L为物料与锯片相交的最外圈锯片弧长，mm。图1 切削原理图Fig.1 The principle diagram of the cutting

由图1可知，锯齿进入木材时θ最小；随着锯齿深入木材，θ逐渐增大；当锯齿离开锯路前θ达到最大。相应的切屑厚度也从锯齿切入木材时的最小值增大到锯齿离开木材时的最大值。在进行动力计算时，可以用平均切屑厚度表示变化的切屑厚度。平均切屑厚度可通过两种方法求得：

一是常用的方法。近似取锯路高度一半处的e为ep，由图1a可知：

(2)

式中：R为锯片半径，mm。

二是通过切屑面积的几何关系求得。切屑长度l的计算公式为：

l=UzH/ep

(3)

由此得：

(4)

式中：ζ1为锯片中心距进料糟高度和锯路高度之和相对于锯片圆心的角度，(°)；ζ2为锯片中心距进料糟高度和锯路高度相对于锯片圆心的角度，(°)。由公式(4)可得θp的计算公式：

(5)

物料与圆锯片相对运动的原理图见图2。由图2可知，多片圆锯片相互错开安装，相邻锯片间错开2°～3°，由此构成的空屑槽较薄，锯齿可将木丝从木材上“挠”下来。当Uz=0.68 mm/z,v=4 300 r/min时，物料被粉碎成长细状，可得长度约10 mm、厚度0.5～1.0 mm的木屑进行菌类培养。

图2 物料与圆锯片相对运动原理图Fig.2 The principle diagram of the material and blade relative motion

1.2 锯切性能的力学验算

木材切削过程受到许多因素影响，如切削厚度、树种、含水量、切削速度、进给速度、刃口锐利程度、切削角等，切削力与这些影响因素间应具有一定的函数关系，但实际上不可能建立一个包含所有影响因素的切削力计算公式。因此，建立切削力的理论公式时，简化了一些切削条件和影响因素。

单位切削力K是指单位切削面积上作用的主切削力，即：

K=Fx/A

(6)

式中：Fx为主切削力，N；A为切屑横断面积，A=eb，b为切屑宽度，mm。单位切削力K、锯切功率P与单位时间内锯切的锯屑体积V0之间有如下关系：

P=KV0/1 000

(7)

V0=b1h0u

(8)

式中:b1为锯路宽度,mm;h0为锯路高度,mm;u为进给速度,m/s。锯切功率为:

P=9.807

(9)

式中：ab为锯路宽度的修正系数，ah为树种不同的修正系数，aq为q值增加倍数的修正系数，aλ为锯路高度h0的修正系数，aw为含水率的修正系数。由公式(7)、(8)、(9)得锯切力Fx:

Fx=Kb1h0Uz/t

(10)

即:

(11)

圆锯片上任意一点对木材的进给力为Fu,若将Fu看作是两个力的合力,则Fu可分解为锯切力Fx(圆周力)和垂直分力Fy。当圆锯片纵向切削小径木时,进给力为两种阻力合成的力,即:

Fu=Fu1+Fu2

(12)

式中:Fu1为总进给力法向分力;Fu2为总进给力切向分力。其中,Fu1为Fx和Fy在物料进给方向的分力,即:

Fu1=Fxcosθ+Fysinθ

(13)

另一个分力Fu2为工作台表面对物料的摩擦阻力,是Fx和Fy在垂直于进给方向的分力,即:

Fu2=μ(Fxsinθ-Fycosθ)

(14)

因此,总进给力Fu为:

Fu=Fu1+Fu2=Fxcosθ+Fysinθ+
μ(Fxsinθ-Fycosθ)

(15)

垂直分力Fy是推力f2和拉力F2的代数和,即:

Fy=f2-F2

(16)

(17)

(18)

Fu=Fy+μFx

(19)

式中:t为单位时间,s;H和q均为计算数值,分别取0.8和3.7;ab取1.10、ah取0.46～8.5、aq取1.10、aλ取0.015、aw取0.90～1.08;φ=15°～17°,u=0.25～0.70，x取0.5。

经计算可得,总进给力Fu=200～600 N。因为切削力会受到树种、木材状况和切削方向等因素的影响,所以总进给力会有一定的范围。通过对主切削系统切削能力的计算结果得出,长细木屑设备的圆锯片能够很好地对木材进行切削,达到设计目的。

由式(9)可得单锯片P≈0.21 kW,由于长细木屑加工设备的一根主轴装有60个圆锯片,所以本设备为一根主轴转动提供动力的功率为12.6 kW。在选用电机时,选略大些的15 kW电动机即可。

2 整机结构与工作原理

2.1 整机结构

菌类培养长细木屑加工设备的整机结构主要由进料V形条带、前上压轮、主切削机构、后上压轮、出料V形条带、进料电机、主轴电机、出料电机等组成。本机的主要技术参数如表1所示。

2.2 工作原理

物料(小径木)由进料V形条带输送至进料口;放下弹片手把(防止木料飞出),左前上压轮和右前上压轮紧压辅助推进物料前进;木料进入上下多锯片的主切削机构,锯片对物料进行切削;物料两侧被锯片加工成长细状木屑,物料中部则被加工成木方;长细状木屑由木屑出料口输出,后上压轮辅助出料V形条带将木方从木方出料口输出。进料V形条带的动力由进料电机提供,上下主轴电机为主切削机构的上下两主轴带动锯片切削物料提供动力,出料V形条带的运动由出料电机提供动力。

3 关键部件设计

长细木屑加工设备是通过进料V形条带将木料输送至主切削机构进行锯丝,使加工出的木丝长度和直径满足菌类培养长细木屑的要求,同时,木材中部加工出一个木板,由出料V形带将木板输出。长细木屑加工设备主要有3个组成部分:进料系统、主切削系统和出料系统。

3.1 进料系统设计

传动系统拖链结构如图3所示,主要由电机、上层拖链、下层拖架、传动轴和链轮等组成。电动机经过齿轮变速箱和两级链传动使拖链运动,从而使进料V形条带获得进给速度,带动物料前进。上层拖链与下层拖架速度不同,两者的速度差会使拖链抓住物料,平稳进入进料口,同时还具有精确的直线性[10-14]。为确保安全,防止木料反弹,在设备进料端设有反弹片,防止物料在加工过程中产生跳动。

1.上层拖链;2.下层拖架;3.进料系统电机;4.链轮Ⅵ;5.传动轴Ⅲ;6.链轮Ⅶ;7.链轮Ⅴ;8.链轮Ⅳ;9.传动轴Ⅱ; 10.链轮Ⅱ;11.链轮Ⅰ;12.传动轴Ⅰ;13.链轮Ⅲ图3 传动系统拖链结构图Fig.3 Drag chain structure of the transmission system

3.2 主切削系统设计

主切削机构是长细木屑加工设备的核心机构。进料系统会将物料传送到主切削结构进行切削,加工成符合菌类培养的长细木屑。

3.2.1 上下锯轴分布图

上下锯轴分布图如图4所示,采用双轴多锯片结构,上下锯轴的垂直距离为203 mm,隔套外径为75 mm。其主要优点是:锯口高度由两个锯片分担,因而锯路小;锯片直径为单轴锯机所用锯片的一半,因而锯材尺寸稳定,具有很高的表面质量和生产率[14-15]。

1.上主轴锯片;2.下主轴锯片;3.后上压轮图4 上下锯轴分布图Fig.4 Up and down saw shaft profile

3.2.2 主轴系结构设计

主轴系结构设计见图5,可以看出,锯片套在主轴左侧,右侧通过带轮与电动机相连。锯片直径210 mm,一根主轴上的锯片数量为60片,分为左右两组安装,中间留有加工木方宽度的距离。

1.套筒;2.轴套;3.带轮图5 主轴系结构设计Fig.5 Main shaft system structure design

3.3 出料系统设计

出料系统结构如图6所示,物料被加工成木方后,出料电动机经齿轮变速箱和链传动使出料拖链运动,从而使出料拖链获得输出速度。后上压轮将物料压紧并辅助出料V形条带,将木方平稳输出。

出料V形条带有尖齿,能防止锯片后端锯出的小边料掉在出料架上发生回弹,避免造成卡料,保证木料顺利送出。变速箱链轮Ⅰ的齿数为21,链轮Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的齿数均为13,因此传动轴传输的角速度一致,输出平稳运行。

1.链轮Ⅴ;2.链轮Ⅳ;3.链轮Ⅲ;4.链轮Ⅱ;5.出料电动机;6.变速箱链轮Ⅰ;7.后上压轮拉簧;8.出料V形条带图6 出料系统结构图Fig.6 Discharging system structure

4 样机试验验证

图7 菌类培养长细木屑加工设备试验样机Fig.7 Fungi cultivation long fine sawdust processing equipment test model

根据菌类培养长细木屑加工设备的静态和模态分析结果与计算校核,对菌类培养长细木屑加工设备进行样机试制,试验样机如图7所示。从图7a中可以看出设备的主要组成系统:进料系统、主切削系统和出料系统。从图7b中可以看出设备主要由4个电机提供动力:两个0.75 kW的电机分别为进料和出料系统提供动力;两个15 kW的电机分别为上下主轴带动圆锯片切削运动提供动力。

菌类培养长细木屑加工设备的进料系统如图8所示,进料V形条带有尖刺,能防止木料经过链条架时发生打滑。

图8 进料系统Fig.8 Feed system

主切削机构如图9所示。图9a中,前上压轮为U形主动压轮，起定位紧压辅助推进的作用;工作中若发生卡料情况,提起防弹片,在进料的主动上压轮带动下,木料能快速稳定地退出,从而重新开始工作。图9b所示主切削机构出料角度中,后上压轮为主动型V形条带刺压轮。

图9 主切削机构Fig.9 Main cutting mechanism

菌类培养长细木屑加工设备出料系统如图10所示,出料V形条带有尖齿,能防止锯片后端锯出的小边料掉在出料架上发生回弹,避免造成卡料,保证顺利送出木料。

图10 出料系统Fig.10 Discharging system

菌类培养长细木屑加工设备木屑收集处如图11所示。从图11a可以看出,物料经过主切削机构加工后会有长细木屑落下,木屑可直接落入正下方的木屑收集口;从图11b的出料口可以观察到,加工出的长细木屑可经圆管慢慢移出。

图11 木屑收集处Fig.11 Sawdust collecting

为了验证设计的菌类培养长细木屑加工设备的切削性能,看其能否达到设计要求,进行了小径木切削试验。试验地点在东北林业大学内,选择鲜材长度为50～90 cm,直径为40～70 mm,弯度适中的椴木、杨木和桦树各10根。设定进给速度为5 m/min,调整主动输送压紧轮与输送链条的间隙,将小径木平稳放在V形链条上,由输送链条自动送进,前上压轮辅助推进木料,在大功率电动机带动下高速旋转的锯片将木料进行多片锯切;加工出的木屑自动落入正下方木屑收集口,同时,后上压轮将锯出的木块平稳夹住并辅助出料架送出机床。试验后收集并得到小径木被切削后的木屑,如图12所示。

图12 长细木屑加工设备的试验结果Fig.12 Experimental results of the long fine sawdust processing equipment

筛选收集到的木屑,获得木屑的厚度都为1～2 mm,说明加工的木屑厚度与树种无关。虽然木屑长度不一致,但也与树种无关，其长度规格分布如表2所示。长度小于3 mm的木屑为锯末状,不符合适宜菌类培养长细木屑规格;长度在3～7 mm的木屑稍短,但也可满足菌类培养要求;长度大于7 mm的木屑用于菌类培养是最佳的。由表2可知,试验中不合格的木屑(长度<3 mm)达到28%,这是因为在切削过程中,部分木屑会被高速运转的多锯片二次打碎;而满足长细木屑要求的木屑(长度>3 mm)占多数,合格率达到70%以上。综上所述,本试验样机的切削能力较好,可以满足设计要求,达到设计目的。

表2 木屑长度分布Table 2 Sawdust length distribution

5 结 论

菌类培养长细木屑加工设备是针对我国菌类培养木屑的需求量大,但最适宜菌类培养的木屑较少,林间采伐和绿化植被剩余物较多等因素,设计的可针对小径木切削加工的双轴式多圆锯片长细木屑加工设备。在对其进行总体设计的基础上,重点完成了核心零部件和主要系统的结构设计,为我国长细木屑加工设备研究提供了一种新的思路。通过对菌类培养长细木屑加工设备的研究,得出了以下结论:

1)分析并提出了长细木屑加工设备的结构方案,对进料系统、主切削系统、出料系统进行了结构设计,为试制样机做技术准备。

2)通过对试验样机的试验,获得了适宜菌类培养的长细木屑,合格率达到70%以上,验证了该菌类培养长细木屑加工设备具有足够的切削能力,达到了设计目的。

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Design and test of fiber-like sawdust preparingequipment for fungi culture

JIANG Xinbo,WANG Wenbo,GUO Can

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

We developed a twin-shaft circular saw which can convert forest residues to fiber-like sawdust used for fungi culture.Loose and thick sawdust can not meet the needs of fungi growth on nutrition,and will lead to the failure of mushroom cultivation.Experimental results showed that mycelia absorb nutrients from fiber-like sawdust 2-3 times faster than from powder-like sawdust.In this study,the cutting principle of the fungi culture-used fiber-like sawdust preparing process was analyzed.The cutting mode of the circular saw was determined,the cutting performance was calculated,and the main technical parameters were determined.Combining the main technical parameters of the equipment and the working principle of cutting fiber-like sawdust,the structural design was performed for the feeding system,the main cutting system,unloading system and key components so that fiber-like sawdust which can meet the needs of fungi culture can be produced (the thickness was 0.5-1.0 mm,and the length was about 10 mm).It laid foundations for making a prototype fiber-like sawdust preparing equipment.Through the prototype test,fiber-like sawdust suitable for fungi culture was obtained with a qualified rate of more than 70%.It was verified that the fiber-like sawdust preparing equipment could meet the design demand.

long fine sawdust for fungi;culture;structural design;prototype test;cutting ability

S776.01

A

2096-1359(2017)05-0102-07

2017-04-11

2017-07-30

国家林业局 “948”项目 (2015-4-53)。

姜新波，男，副教授，研究方向为机械设计。E-mail：2435958392@qq.com