重组竹热压自动卸料装置设计与仿真研究

任长清， 宋 鹏， 杨春梅， 丁禹程， 张佳林， 王 涛

(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)

重组竹产业近年来不断发展，其作为竹制材料工业化、规模化生产和高值化利用的最有效途径之一，重组竹技术在竹材原料的胶合性能方向不断突破技术瓶颈，通过提高竹材的利用率，使重组竹板的附加值大大提高，实现了重组竹产业向高效高利用率方向发展。

重组竹压制设备分为冷压和热压两大类别，本文研究热压工艺是通过重组竹热压机将疏解后的竹材施胶进行热压。热压法从应用至今工艺已经有了很大的发展，但亦存在两方面的问题：一是板坯采用人工铺装，竹束铺装不均匀导致热压成板的密度差异较大；二是卸料时采用人工卸料不仅容易影响重组竹板产品质量，还提高生产成本。

通过对重组竹制造企业工厂的实际情况进行了解，在重组竹热压过程中胶液会透过竹束粘在底部铺装的钢板上，这就导致在热压完成后重组竹板会与钢板之间产生一定的粘连，在卸料时不能轻易取下板料。目前工厂里缺少一种专用卸板的装置，通过人力将粘连的板材卸下，增加了工人的劳动成本。因此本文是设计了一种可以将整个重组竹加工过程中可以和出料机构结合起来实现连续的自动化生产的自动卸料的装置。

1 重组竹热压自动卸料装置的基本结构

如图1所示，重组竹热压自动卸料装置主要由起料装置、重组竹板、活动挡铁、底部导轨和铺装钢板组成，其中起料装置主要是在热压完成后将重组竹板向上提起，活动挡铁是在竹束铺装过程中起到辅助挡块的作用，确保竹束不向外溢出，在热压过程中通过齿轮齿条传动自动实现活动挡块的收放运动。起料装置与底部导轨相连接可以实现横向推进，通过导轨横向移动将起料卡爪插入热压完成后的重组竹板和铺装钢板之间并使两者产生一定的缝隙。起料装置是主要的执行机构，其是通过一个曲柄的转动带动滑块在导轨内滑动，实现向上提起运动从而使重组竹板与下方钢板分离。

图1 重组竹热压自动起料装置结构图

重组竹热压自动卸料装置的整个自动卸料过程：当热压完成后的重组竹板材从热压机上落到卸料台上后，钢板上边的活动挡铁自动抬起，其次分别列于卸料台两侧的六个卸料装置先根据高度感应装置通过驱动装置旋转自动调整执行构件的高度，在气缸的推动作用下横向推动装置将起料装置插入板材下面，而后驱动装置向上提升起料装置将料板卸下，完成卸料动作后由运输小车取走完成卸料。

2 重组竹热压自动卸料装置起料装置分析

在整个自动卸料装置中，驱动装置是一个曲柄滑块结构，驱动机构主要是通过电机连接主动杆，使主动杆通过绕电机旋转带动起料装置实现在水平和竖直方向的移动，这种方向上的运动使得负责起料的杆件可以做一个圆周运动，可以通过主动杆旋转的角度调节起料装置插入重组竹板材和钢板间隙在竖直方向上位置。

图2 重组竹热压自动卸料装置起料装置结构图

实际卸料过程中，等到将起料装置插入重组竹板材底下将竹板抬起，由于竹板自身的重力以及它与底下钢板之间有胶合的粘性力，因此需要对整个驱动装置进行运动性能分析和力学性能分析。进行运动性能分析时可以将图2结构图简化为机构运动简图，电机的旋转轴位置是固定不变的，因此A点可视为与机架相连接，图2中的滑块结构可以沿导轨在X方向与Y方向运动，其运动轨迹为以A点为圆心以连接杆LAB长度为半径的圆，简化结果如图3。

图3 重组竹热压自动卸料装置驱动机构运动简图

根据图3可以看出，电机驱动曲柄LAB绕A点转动，A点位置坐标为(XA，YA)，速度为VA，其加速度为aA，构件AB的角位置Φ、角速度ω、角加速度α表示。B点的坐标用(XB，YB)表示、速度VB和加速度aB。设构件上的位置分别用矢量rA、rB表示，两点的距离用矢量l表示。由图4可列出B点的位置矢量方程为：

rB=rA+l

(1)

图4 重组竹热压自动卸料装置起料装置运动分析图

其在两坐标轴上的分量分别为：

XB=XA+l·sinφ

(2)

YB=YA-l·cosφ

(3)

因为A点固定不动所以速度和加速度均为0，因此B点的速度可以表示为：

VBx=ω·l·cosφ

(4)

VBy=ω·l·sinφ

(5)

VBy=VCy

(6)

驱动电机选择的是额定转速为3 000 r/m的86BLF03直流无刷电机，每台电机的额定输出功率为220 W，减速器采用BLDC 5020无刷驱动器，该驱动器具备霍尔茨极位置设定，实现每次提拉动作转动60°。该驱动器可实现1∶75级减速，因此输出轴转速n=40 r/m。曲柄LAB=100 mm，取初始位置角Φ=60°。

(7)

V总=ω·l=0.42 m/s

(8)

(9)

由上式可知起料机构插入重组竹板下向上的提拉速度约为0.36 m/s，电机输出轴功率P由输出轴转速计算。由于重组竹板质量为90 kg，竹板和铺装钢板的粘性力约为质量的一倍，同时有6个起重装置提拉，因此每个起重机构需要的力F为300 N。

P=F·V=300×0.42=126 W

(10)

因此在起重动作过程中电机对竹板做功功率约为126 W。

3 重组竹热压自动卸料装置仿真分析

重组竹热压自动卸料装置中，驱动结构作为动力元件和执行元件中的连接部分，是整个装置中最重要的承载部件，它是直接影响重组竹热压自动卸料装置中起料机构工作特性的关键结构，因此对驱动装置的结构强度进行有限元分析，模拟出准确的结果，为卸料装置的设计提供可靠依据。SolidWorks软件中集成有限元分析系统SolidWorks Simulation，本文设计的重组竹热压自动卸料装置建模采用SolidWorks，可以直接导入Simulation插件进行有限元仿真分析。

目前热压后重组竹竹板的质量约为90 kg，重组竹热压完成后胶仍然和下面钢板保有一定的粘度，因此在进行仿真分析时这一部分力也不能忽略。

进行对驱动结构的仿真分析时由于受力较复杂，需要对模型进行一定的简化：(1)将整个位于装置下方和地面相固定的部分隐藏，然后将连接驱动装置固定的机架部分设成固定约束；(2)重组竹热压自动卸料机构材料为合金钢弹性模量为2.1e11泊松比为0.28线性弹性且各向同性。

首先进行起料装置插入重组竹下方动作的仿真：将三维模型导入SolidWorks Simulation后先定义材料，驱动机构的导轨和滑块机构为合金钢，其弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.28，密度为7 700 Kg/m3，屈服强度为620.4 MPa，抗剪模量7.9×1010Pa。然后进行网格划分，通过实际生产经验估算起料机构插入重组竹板施加载荷为一半的板重约为450 N，受力位置如图5所示，施加约束和载荷后的模型如图6。

图5 载荷施加位置图

图6 重组竹热压自动卸料驱动装置划分网格

求解完成后结果如图7所示，此结构在进行横向移动插入重组竹板下方时，由于后方的档板结构导致变形很小，这种变形程度在实际工作过程中几乎不会造成影响，该结构可以满足使用要求。

图7 横向移动仿真分析应力结果图

关键的动作是要对起料结构插入重组竹下方时的提拉动作进行分析，起料机构向上抬起时需要克服的力包括热压后竹板的重力以及热胶和铺装钢板之前的粘性力。每个重组竹板重量约为90 kg，粘性力约为重组竹竹板重量的一倍，向上提拉所需要收到合力约为1 800 N，分别有六个起料机构共同向上提起，因此每个竹板向上提起的力约为300 N，受力位置如图8所示。

图8 载荷施加位置图

运行完成后位移结果如图9所示，通过位移情况分析该结构在做起料动作时，起料过程主要是下部起料结构承受较大的载荷，因此这部分材料需要加强处理，采用材料改进后也满足使用要求。

图9 起料运动仿真分析位移结果图

4 结论

针对当前重组竹热压完成后竹板和钢板之间溢胶粘连的问题，本次设计的重组竹热压自动卸料装置采用三组分布式结构可有效提高起料效率，减少单个装置受到的提拉力，同时也能够有效延长装置的使用寿命。卸料装置在底部导轨上滑动可以根据热压机铺装钢板的尺寸进行调整，最大可实现宽度为2 m的铺装钢板的卸料，不同批次重组竹钢板铺装高度也可以通过调整BLDC 5020无刷驱动器的初始角度来实现，因此此次设计的重组竹热压自动卸料装置能灵活适应生产厂家的不同尺寸重组竹板的生产需要。在实际工厂生产中该装置和卸料叉车结合可以在很大程度上减少人力的使用，大幅提高生产效率。该自动卸料装置的设计适应了重组竹产业向生产自动化方向发展的需求，为实际生产提供有效的帮助。