基于ANSYS的木块切削机机架有限元分析

姜新波 李博文 姜博文

（1.东北林业大学 黑龙江哈尔滨 150000；2.哈尔滨东安汽车动力股份有限公司 黑龙江哈尔滨150066）

随着我国城镇化步伐的加快，全面建成小康社会的达成，人们对物质生活的向往逐渐转变成精神需求以及绿色健康的生活方式。中国“绿色现代化”三步走的战略如今已进行到二氧化碳大规模减排阶段，封山育林的同时，城市绿化园林应运而生，各种城市氧吧快速崛起，既满足城市居民的休闲需要，又在生态、景观上作出了巨大贡献。剪枝、间伐、枯木死树处理等工序会产生大量的木质废料，多由环卫工人装车运往固定地点焚烧或掩埋处理，在浪费人力资源的同时，也增加了二氧化碳的排放。而对木制废料加工利用，就地取材，制成标准粒度的木块进行坪地［1-4］，既减少了经济浪费，又降低工人的劳动强度，因此，研发设计一台专用于加工木制废料的木块切削机具有重要意义。切削机的机架作为各部件的装配基础，直接决定了设备的重量以及运行的稳定性，进而决定了木块的加工质量，因此，本文对木块切削机的机身进行有限元分析。

1 木块切削机整机结构与工作原理

通过对国内外木块切削机研究现状进行总结［5-7］，结合木材切削工艺分析，对木块切削机的整机结构进行设计。如图1 所示，整机由机架、切削刀轴组件、液压组件、动力系统组件、筛网组成。

图1 木块切削机总体结构图

在木块切削机工作过程中，由一台Y112M-4型三相异步电机驱动液压系统中的齿轮泵运转，从而驱动液压马达运转，经联轴器与切削刀轴组连接，将动力传送到刀轴组。木料由上方进料口进入，由下排刀具切削加工，符合粒度需求的木块经筛网漏下，经出料口排出，未加工完成的木料由上排刀具复加工直至符合粒度需求，经筛网落下。下排刀轴由齿轮传动，上排刀轴与下排刀轴为链传动。切削刀轴组件下方为可拆卸筛网，其主要作用是在要求加工不同粒度木块时，更换不同大小筛孔的筛网以达到加工需求。下方出料口为斜板，方便处理加工完成的木块。

2 切削机机架静力学分析

机架是整台机器的工作基础和支撑单元，机架的结构性能直接影响到木块切削机的安全及加工性能［8］，其装配有切削刀轴组，并承受工作荷载，机架产生较大的变形或震动将直接影响其他装配体的安装，或对木块加工精度产生影响，如果对液压油箱产生挤压或破坏，可能会引起安全事故，检验机架的强度和刚度对于机架的设计非常重要［9-11］。为了验证机架的强度，对其进行有限元分析。

利用SOLIDWORKS2022建立机架三维模型，保存为Parasolid（*.x_t；*.x_b）格式文件，将该文件导入Workbench2022R1 中的静态结构模块，并设置工程数据为Q235 结构钢材，对机架模型进行网格划分，划分成非结构型网格，对网格质量进行优化，设置网格尺寸大小为5mm，更新并生成网格，如图2所示。

图2 机架模型网格划分

完成网格划分后，对机架进行约束以及添加荷载。对机架底板进行固定约束，机架主要荷载为刀具组、液压泵站及其他零部件质量，取540kg。利用SOLIDWORK 2022 评估测量功能，测量出受力总面积约为1.48×105mm2，假设机架受力均匀，通过计算得出机架受力面积应力为0.0365MPa，如图3所示。

图3 机架约束及荷载

求解计算，评估所有结果，提取机架的应力云图、应变云图和总变形云图，机架的应力云图如图4所示、应变云图如图5所示、总变形云图如图6所示。表1为机架的静态分析结果。

表1 机架静态分析结果

图4 机架应力云图

图5 机架应变云图

图6 机架总变形云图

由表1 可知，机架所受最大应力为25.789MPa，机架槽钢为Q235 结构钢，屈服强度σs=235MPa，查表可知Q235结构钢的安全系数S取2.5。

机架强度满足工作需求。

3 切削机机架模态分析

对机架进行模态分析，计算其固有频率以防止木材切削过程中产生共振，影响机器加工精度以及机器使用寿命［12］。

在Workbench2022R1 中建立模态分析模态模块，将前文静态结构模块中的约束、荷载以及静力学分析结果传递至模态分析模态模块中，在机架受到预应力的情况下求解其模态振型，求解获得机架的前六阶振型固有频率，模态振型变形云图如图7所示。

图7 机架模态图

由表2可知，机架的前六阶模态中一阶模态频率为86.48Hz，随着模态阶数增加，频率也呈升高的趋势，一阶模态频率最低。该机器振源为三相异步电机以及刀轴，电机转速1440r/min，根据振源频率公式f=n/60，可得该机器最大振源频率为24Hz，远小于机器共振最小频率86.48Hz，该机器不会发生共振，满足设计需求。

表2 机架前六阶固有频率

4 结语

通过ANSYS Workbench 2022R1 对木块切削机机架进行有限元分析，木块切削机机架所受的最大应力约为26MPa，Q235槽钢能满足机身强度需求。对该机器的模态分析显示，一阶模态的固有频率最低约为86.48Hz，远大于该机器工作时产生的24Hz振动频率，不会产生共振。