盘式木材削片机均衡切削的研究

盘式木材削片机均衡切削的研究张晓文顾正平沈瑞珍(北京林业大学森林工业学院,100083,北京;第一作者男,31岁,博士)摘要针对普通盘式木材削片机存在的问题,提出了均衡切削的构想,试制了新型的削片刀盘,通过与普通削片刀盘动态测试的对比试验,验证了实施均衡切削的可行性和新型削片刀盘的优越性.关键词木材削片机,均衡切削,动态测试中图分类号TS6421999-04-25收稿*原国家教委高校博士点专项基金资助项目(97002201)AStudyonBalancedCuttingofDiscWoodChipperZhangXiaowenGuZhengpingShenRuizhen(CollegeofForestProductsandEngineering,BeijingFor.Univ.,100083,P.R.China)ABSTRACTBasedontheproblemsoftraditionaldiscwoodchipper,themethodofbalancedcuttingwasputforward,thenew-typedchippingdiscwasmanufactured.Byexperimentofdy-namicmeasurecontrasttotraditionalchippingdisc,thefeasibilityofbalancedcuttingandthesu-periorityofthenew-typedchippingdiscweretestified.KEYWORDSwoodchipper,balancedcutting,dynamicmeasure普通盘式削片机的飞刀为长直刀,在刀盘上呈径向布置,切削木材时,飞刀要切削整个原木端面,导致动态载荷(切削力、切削功率)波动大、切削过程不平稳、功率消耗大、振动噪声大.为改善这种情况,国内外科研人员曾做过很多研究[1~3],一是力图搞连续切削,在刀盘上增加飞刀数量,这样虽然使切削情况有所改善,但飞刀在切削过程中切削原木的宽度仍然是变化的,而且增加刀数导致功率成倍地增长;二是将飞刀后面和刀盘面制造成螺旋面,这样虽然切削平稳,加工的木片质量好,但飞刀和刀盘难以加工制造,并且没有解决根本问题.为使削片机的工作状态得到彻底的改观,参照国外经验,我们对削片机开展了均衡切削的研究,力图减少削片过程中切削力和切削功率的波动.1均衡切削的基本条件1.1立论依据在金属和木材的平面加工中,螺旋齿圆柱铣刀在铣削时不但平稳,振动小,而且可以提高加工质量,减少噪声.这种铣刀在切削时同时参加切削的刀齿越多,切削越平稳.当任一切削时间内切下的切屑横断面积不变时,就达到了均衡切削,这时切削最平稳,切削力和切削功率的变化幅度最小.受此启发,我们将普通削片机的长直刀截短,变成若干把短刀,并在平面刀盘上呈一定间隔布置,使其在削片时飞刀能在整个原木端面上按次序一条一条地将木片削出,而不是切削整个原木端面,这样,每把刀切削时,其切削宽度基本上是不变的;只要飞刀布置合理,当1把刀退出切削,另1把刀能立即进入切削,即可实现均衡切削.1.2飞刀的平面布置在刀盘上布置飞刀时要考虑满足木材削片的条件(保证连续切削、最小功率、稳定的木片尺寸等).图1飞刀布置图FIGURE1Graphofbladelayout由于削片机的进料槽具有一定的倾斜角,因此原木的切削端面为椭圆形;布置有很多把短刀的刀盘,在旋转一周的过程中能切削掉两个以上椭圆形端面.在刀盘上每把短刀的刀刃是径向的,关键是短刀与短刀之间的距离(节距S)如何确定.最合理的布置方案是变节距(图1),图中刀盘逆时针方向旋转,短刀之间的节距在进料中心之前是增加的,而过中心后是减小的.节距大小决定于原木径级和动力相遇角U,最大的值不应超过被切木材椭圆端面的长轴(2b),S[2b=d/sinU,这样布置具有连续切削过程的条件,也就是说1把刀出来时,另1把刀进入切削,这时在削片机的驱动电机上切削力载荷是均匀的.这样的布置可以有两种方法,即解析法和图解法.(1)解析法由于刀刃的运动轨迹是圆,而原木切削端面是椭圆,若以刀盘旋转中心为坐标原点,则短刀在刀盘上的布置坐标应遵从下面联立式:x2+y2=R2(x-h)2a2+(y-t)2b2=1式中,x,y为刀刃中点坐标值;R为刀刃平均切削半径;h,t为进料中心的坐标值;a,b为木材被切椭圆端面的半轴,2a=d,2b=d/sinU;d为原木直径.若动力相遇角为确定值,则解联立方程式后,可得计算式:x4d4sin4U-x3d4h+x2d4(4t2sin4U-4R2sin4U+d2sin2U)-xd4(4hR2sin2U+4ht2sin2U-hd)+d4(2R4sin4U-4R2t2sin4U-h2d2-R2d2sin2U+2t4sin4U-t2sin2U+2d4)=0将已知参数代入上式,可求出刀刃中点坐标值,以此可画出刀的布置图.此方程式的根在h-A[x[h+A的范围内.(2)图解法实际上更简单而足够精确的方法是图解法,不过,这时必须首先确定最小切削半径rmin,进料口中心相对于刀盘旋转中心的位置和动力相遇角U.按已知参数在刀盘图上画木材端面椭圆形,然后从刀盘中心画间隔宽为刀刃长的同心圆,然后在木材端面的椭圆线上,定出刚要退出切削和刚要进入切削的第1把刀和第2把刀的刀刃中心所在点,并画好刀刃线;再把第2把刀刚要退出和第3把刀刚要进入的位置画在图上,按第2把刀和第3把刀位置的间隔弧长从第2把刀开始,画第3把刀,同此画第4把刀,从而58北京林业大学学报第21卷形成1条螺旋线.如果短刀按2条螺旋线布置,则第2条螺旋线上短刀的布置应与第1条螺旋线上的对称.2实验刀盘的参数按上述飞刀布置原理设计试制了切削直径可达80mm枝桠材、可进行均衡切削的新型削片刀盘,刀盘直径为500mm,厚12mm,飞刀尺寸为50mm@36mm@5mm,为保证刀盘切削时受力的平衡性及防止飞刀的崩刃、打落,在刀盘上对称布置了2条螺旋线,每条线上布置3把飞刀.为进行均衡切削研究,需进行对比试验,为此又制造了参数相同的长刀型普通削片刀盘,安装的飞刀数可改变.飞刀尺寸为150mm@72mm@5mm,在刀盘上呈径向布置.3对比试验为对两种削片刀盘的工作状况及削片效果进行对比,我们进行了削片机动态载荷(切削力、切削功率、振动)的测试,同时也对工作时的噪声进行了测试.3.1测试样机和木材试样测试工作在自制的小型削片试验机上进行,该装置动力源采用三相异步电动机,额定功率为5.5kW,动力经三角皮带减速后传给削片刀盘.进料槽的进料口尺寸为110mm@100mm,与水平面的倾斜角为45b,削片机采用侧出料方式排出木片.木材试样为杨木枝丫材,产自北京海淀,树种为毛白杨(P.tomentosaCarr.),含水率为40%,试件无腐朽、无弯曲、无节子,在长度方向上粗细较均匀,长度为112~115m,径级分成515,610,615,713,810cm,共5组.3.2切削力的测试3.2.1测试方法参照国内外木材切削力的测试方法并结合削片机工作时木片是靠飞刀与底刀的剪切作用形成的特点,采用力传感器进行测试.传感器固结于底刀上,在垂直方向和侧向共布置3个测点.所用仪器为电荷放大器、磁带记录仪、双通道信号分析仪、图像记录仪.试验在普通刀盘和新型刀盘两种情况下进行,飞刀伸出量均为10mm,削出的木片符合造纸用木片标准.切削的木材径级5.5~8.0cm,共分5组,每组试验进行3次,取其平均值.图像记录仪记录的信号为电压值,将此值代入力传感器标定曲线的回归方程式中,即求出切削力值的大小.3.2.2测试结果测试结果经整理后,画成曲线如图2,由于横向切削力数值很小(2115~20716N),所以图中只标出主切削力.主切削力的波形如图3.从以上的测试结果可以看出:¹普通盘式削片机削片时,为明显的间歇切削,切削力的峰值很大(图3);横向切削力数值很小,不足主切削力的1/10;主切削力的大小与切削宽度成正比,其关系曲线呈线性上升状.º新型刀盘切削时的切削力波形比较平稳,数值较小,为普通刀盘的1/2~1/216,原因是飞刀分几次切削木材断面,切削比较平稳,产生的冲击力较小.»由图2可计算出削片时的单位切削力,普通刀盘的单位切削力为28135~30104N#mm-1,新型刀盘的单位切削力为29168~31116N#mm-1,新型刀盘的单位切削力值比普通刀盘的稍大,原因是新型削片刀盘切削木材时,飞刀进行的是半开式切削,即除主切削刃完成切削外,飞刀的1个侧刃也参加切削,所以导致单位切削力略有增加.3.3切削功率的测试59第5期张晓文等:盘式木材削片机均衡切削的研究图2不同径级主切削力变化曲线图FIGURE2Changecurvegraphofmaincuttingforcefordifferentdiameter1.木材直径8.0cm;普通刀盘2.木材直径8.0cm;新型刀盘图3切削力波形图FIGURE3Wavinessgraphofcuttingforce3.3.1测试方法测量系统由电压互感器、电流互感器、自动记录功率表及导线组成,试验所用仪器为LD6-W自动记录功率表、JDG-015380/100电压互感器、LMK-01515/5电流互感器.该测量系统的原理是:三相交流电通过电压互感器和电流互感器之后进入功率表,通过功率表显示削片机能耗的大小.互感器的作用是,扩大功率表的量程,并使电网中的电压和电流符合功率表的要求.功率表采用记录纸和指针将不同工况下的波形记录下来,切削功率的计算可由记录纸上的最大功率值减去空载功率值确定,即N=Nmax-N03.3.2测试结果切削功率波形如图4,切削时的功率消耗情况整理如图5所示.图4切削功率波形图FIGURE4Wavinessgraphofcuttingpower图5木材削片机削片时的功率消耗FIGURE5Powerconsumptionofwoodchipperwhenchipping从图4,5可以看出:¹普通削片刀盘切削过程中切削功率波动很大,峰值很高,切削功率与直径的关系呈上升的凹线状.º新型削片刀盘切削时的波形比较平稳,功率较小,约为普通刀盘的1/216~1/4.说明新型削片刀盘的切削基本上是均衡切削.3.4振动的测试3.4.1测试方法采用非接触式测量方法,所用仪器为涡流传感器、前置放大器、磁带记录仪.涡流传感器灵敏度为8V#mm-1,测试内容含刀盘的端向振动、径向振动及刀盘主轴的径向振动.涡流传感器与刀盘的初始距离定为0184mm,这样使涡流传感器能置于中性位置,用螺母将其固定在与刀盘相对的壳体上.测试时,将不同径级的木材削片时的振动情况记录在磁60北京林业大学学报第21卷带上,然后再将磁带上的信号在双通道信号分析仪和图像记录仪上处理.图像记录仪记录的是电压幅值,而涡流传感器测量的是振动的双峰值电压,所以应将电压幅值乘以2,再根据涡流传感器的灵敏度值,即可算出振动的具体值.测试结果整理后如图6所示.表1削片机削片时的噪声值dBTABLE1Noisevalueofchipperwhenchipping木材直径/cm5.56.06.57.38.0普通刀盘进料口对面11116112.3113.7114.5116.0普通刀盘出料口对面106.5107.4109.6111.1112.8普通刀盘出料口背面104.2106.3108.1109.2111.3新型刀盘进料口对面102.2102.9103.4104.3105.1新型刀盘出料口对面99.6100.8101.5102.1103.2新型刀盘出料口背面98.799.3100.4101.5102.2图6振动曲线图FIGURE6Graphofvibrationcurve3.4.2测试结果由图6可知:¹普通刀盘削片时刀盘端向振动值较大,其值为01073~01115mm,径向振动值较小,为端向振动的1/2~2/3;随着木材径级的增加,刀盘与刀轴的振动均呈上升趋势,振动值与木材的径级呈线性关系.º新型刀盘切削时刀盘及刀轴的振动值较普通