楊春梅，朱建楠，馬巖，吳全會(huì)，包玉瑩

(東北林業(yè)大學(xué) 林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心，黑龍江　哈爾濱150040)

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微纖絲制取實(shí)驗(yàn)臺(tái)動(dòng)磨盤固定座的有限元分析*

楊春梅，朱建楠，馬巖，吳全會(huì)，包玉瑩

(東北林業(yè)大學(xué) 林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心，黑龍江哈爾濱150040)

摘要：微纖絲制取設(shè)備的設(shè)計(jì)是木材加工中的重要研究內(nèi)容。本研究設(shè)計(jì)了一種微纖絲制取設(shè)備的主機(jī)，該主機(jī)是微纖絲制取實(shí)驗(yàn)臺(tái)的核心部分，其采用楔形動(dòng)壓高速磨盤研磨的方法制取木材微纖絲。微纖絲制取實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研磨室組件主要由靜磨盤、靜磨盤座、動(dòng)磨盤、動(dòng)磨盤座等密封裝置組成。本研究在對動(dòng)磨盤固定形式進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對固定帳套的負(fù)載、扭矩進(jìn)行計(jì)算，確保滿足工作要求。通過對動(dòng)磨盤固定座進(jìn)行靜態(tài)分析及在此基礎(chǔ)上的動(dòng)磨盤座的建模，利用ANSYS軟件進(jìn)行受力分析，驗(yàn)證其強(qiáng)度和剛度的合理性，為微纖絲制取設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：微纖絲；主機(jī)；研磨機(jī)構(gòu)；動(dòng)磨盤；受力分析

四大常用工程材料包括鋼鐵、石材、塑料、木材。其中前3種材料的微納米技術(shù)已經(jīng)比較成熟，而木材作為唯一可以再生的材料，其結(jié)構(gòu)卻始終很難達(dá)到微納米的尺度。在微納米尺度下，木材的尺寸效應(yīng)、特異性質(zhì)及變化機(jī)理將會(huì)發(fā)生顯著的改變，材料性能將會(huì)極大增強(qiáng)[1]。而隨著中國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，中國已經(jīng)成為中密度人造板第一生產(chǎn)大國，如何制取微納米級的木材微纖絲成為木材加工領(lǐng)域中的重要內(nèi)容。在20世紀(jì)30年代，瑞典順智(Sunds)公司的阿斯普魯?shù)?Asplund)發(fā)明了第一臺(tái)熱磨機(jī)來制取微纖絲。目前瑞典、德國、日本、芬蘭等國的熱磨機(jī)比較成熟，尤其是瑞典Defiberator公司的產(chǎn)品，在世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣泛。近些年國內(nèi)的熱磨機(jī)發(fā)展速度較快，但和國外產(chǎn)品比較仍然比較落后，精度、控制、可靠性上都有明顯差距。

圖1　微纖絲制取實(shí)驗(yàn)臺(tái)主機(jī)

注：1為液壓油缸，2為楔形微調(diào)機(jī)構(gòu)，3為蒸煮罐，4為靜磨盤機(jī)構(gòu)，5為動(dòng)磨盤機(jī)構(gòu)，6為靜壓組合軸承，7為電主軸(主軸電機(jī))，8為主機(jī)固定座，9為機(jī)架。

Fig.1The main engine of microfibril producing test bed

微纖絲制取實(shí)驗(yàn)臺(tái)主機(jī)是微纖絲制取整機(jī)的核心部分[2～3]。微纖絲設(shè)備主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，微纖絲制取實(shí)驗(yàn)臺(tái)主機(jī)包括液壓油缸1、楔形微調(diào)機(jī)構(gòu)2、蒸煮罐3、靜磨盤機(jī)構(gòu)4、動(dòng)磨盤機(jī)構(gòu)5、靜壓組合軸承6、電主軸7、主機(jī)固定座8和機(jī)架9等零部件組成。洑香香等[1]介紹了木材微纖絲角研究的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及微纖絲角對木材性能的影響，而對微纖絲制取設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證報(bào)道不多，為此，本研究設(shè)計(jì)了一種以機(jī)械手段來制取木材微纖絲的主機(jī)，分析了研磨理論，并對其進(jìn)行有限元分析，為新型微纖絲制取設(shè)備的制造提供了理論基礎(chǔ)。

1研磨機(jī)構(gòu)

微纖絲制取實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研磨室組件見圖2所示。研磨室主要由靜磨盤1、靜磨盤座2、蒸煮罐3、排氣壓力閥4、動(dòng)磨盤5和動(dòng)磨盤座6等及其他密封裝置(包括紫銅環(huán)一7，銅環(huán)座一8，密封環(huán)9，螺釘10，銅環(huán)座二11和紫銅環(huán)二12等)構(gòu)成，靜、動(dòng)磨盤通過螺釘分別固定在靜、動(dòng)磨盤座上。動(dòng)、靜磨盤組成的研磨空間通過機(jī)械密封式密封，具體如圖2(Ⅰ)所示，紫銅環(huán)一7鑲嵌在銅環(huán)座一8上，銅環(huán)座一8通過螺釘固定在靜磨盤座2上，紫銅環(huán)一7與銅環(huán)座二11緊密的配合，兩者之間的距離直接影響著微纖絲制取的效果。紫銅環(huán)二12鑲嵌在銅環(huán)座二11上，銅環(huán)座二11通過螺釘10緊固在動(dòng)磨盤座6上，紫銅環(huán)二12與外殼緊密配合，起到對研磨室內(nèi)高壓密封的作用。

圖2研磨室結(jié)構(gòu)

注：1為靜磨盤，2為靜磨盤座，3為蒸煮罐，4為排氣壓力閥，5為動(dòng)磨盤，6為動(dòng)磨盤座，7為紫銅環(huán)一，8為銅環(huán)座一，9為密封環(huán)，10為螺釘，11為銅環(huán)座二，12為紫銅環(huán)二，Ⅰ為密封組件局部放大圖。

Fig.2The grinding room structure

1.1　研磨室內(nèi)研磨理論分析

原料經(jīng)蒸煮罐蒸煮處理后，通過高壓蒸汽將原料送入動(dòng)、靜磨盤研磨室內(nèi)[4～5]。由于動(dòng)磨盤座和電主軸直接相連接，電主軸帶動(dòng)磨盤高速旋轉(zhuǎn)，動(dòng)、靜磨盤之間同時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓，兩重壓力疊加后輕松地將原料送入研磨室腔內(nèi)。通入研磨室的原料在磨腔內(nèi)在高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)磨盤帶動(dòng)下做離心運(yùn)動(dòng)，其研磨原理效果見圖3。

主機(jī)研磨室在研磨細(xì)化蒸煮后的木材小碎片原料的過程中，動(dòng)、靜磨盤間控制很小的間隙。由于動(dòng)磨盤磨面開有齒槽，木纖維團(tuán)將沿齒槽軌跡運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)的過程中由于大顆粒木纖維運(yùn)動(dòng)速度與旋轉(zhuǎn)的動(dòng)磨盤速度有差異，致使大顆粒的木纖維團(tuán)在齒槽內(nèi)產(chǎn)生撕裂和撞擊，將木纖維團(tuán)細(xì)化。原料顆粒與顆粒間產(chǎn)生劇烈高頻的相互強(qiáng)力的撞擊和剪切作用，經(jīng)過反復(fù)撕裂撞擊作用使得木材細(xì)胞壁破裂，支撐細(xì)胞的骨架纖維素將會(huì)被嚴(yán)重地破壞[6～7]。高速磨盤研磨作用下，木纖維團(tuán)被高速甩出研磨區(qū)與外面的殼體相撞，木纖維團(tuán)瞬間產(chǎn)生很大的能量損失，木纖維團(tuán)瞬間爆破，最終得到理想的微纖絲[8]。

(a)木材碎片在磨區(qū)內(nèi)研磨(b)原料研磨旋轉(zhuǎn)

圖3研磨原理示意圖

Fig.3The sketch of lapping principle

圖4　動(dòng)磨盤座與主軸的夾緊結(jié)構(gòu)

注：1為動(dòng)磨盤座，2為動(dòng)磨盤，3為脹套，4為左旋螺母端蓋，5為上半背載環(huán)，6為徑向軸承座，7為徑向軸承，

8為上端蓋，9為主軸，10為下端蓋，11為螺釘，12為螺栓，13為輸油嘴，14為油塞，15為下半背載環(huán)。

Fig.4The clamping structure of dynamic grinding

disk and spindle

1.2　動(dòng)磨盤固定形式

電主軸和動(dòng)磨盤座1直接相連接，動(dòng)磨盤座1是由鑄鐵鑄造而成，同時(shí)在動(dòng)磨盤座1鑄造出止推軸承環(huán)。在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)動(dòng)磨盤座1和主軸連接的軸轂聯(lián)接問題，常用的鍵連接(平鍵、半圓鍵、楔鍵和切向鍵聯(lián)接等多種形式)方式存在對中性差、應(yīng)力集中等缺點(diǎn)[9]，不能滿足本設(shè)計(jì)實(shí)際高精度、高速度的工作要求。由于電主軸的主軸軸徑較小，傳動(dòng)扭矩和應(yīng)力時(shí)可能不易滿足強(qiáng)度要求，因此本次設(shè)計(jì)采用無鍵連接形式。主機(jī)采用2個(gè)脹套3將動(dòng)磨盤座1和主軸9進(jìn)行夾緊固定，這樣2個(gè)脹套能傳動(dòng)足夠的扭矩和應(yīng)力。安裝時(shí)要嚴(yán)格保證安裝精度，保證磨盤座在工作運(yùn)動(dòng)過程中的牢固；拆卸時(shí)只需擰松脹套上的螺釘，放松脹套進(jìn)而將動(dòng)磨盤座拆下。整個(gè)過程操作簡單、靈活穩(wěn)定、節(jié)約制造成本。夾緊結(jié)構(gòu)見圖4。

選取的固定脹套外形和相關(guān)參數(shù)見圖5和表1。脹套使用預(yù)緊是靠擰緊脹套法蘭上的螺釘，通過法蘭壓緊使得脹套施加軸向夾緊力。脹套內(nèi)、外錐面產(chǎn)生擠壓作用下， 使其外錐面與動(dòng)盤固定座之間和內(nèi)錐面的孔與電主軸的主軸之間產(chǎn)生很大的壓力，通過摩擦作用實(shí)現(xiàn)無鍵聯(lián)結(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)載荷的傳遞。與常用鍵聯(lián)結(jié)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)輪轂部分和軸不用加工鍵槽，從而避免降低了應(yīng)力集中問題；(2)能承受一定的軸向力，能承受變、沖擊載荷，耐疲勞強(qiáng)度高；(3)對軸和孔配合的加工精度要求不高， 便于加工制造，降低加工工序；(4)固定安裝定心性好，同軸度有保證且易于裝拆；(5)自身具有很好的過載保護(hù)功能。

本設(shè)計(jì)選取的電主軸參數(shù)見表2，脹套額定負(fù)載的確定見公式①，則電主軸的主軸傳遞的扭矩M計(jì)算見公式②。

圖5　脹套

基本尺寸/mmdDdL0LL1L2D1D2內(nèi)六角螺釘規(guī)格數(shù)量/只額定載荷Ft/kNFt/kN·m324351412548546559M6853.41.136

表2　電主軸參數(shù)表

電主軸的主軸在傳遞扭力時(shí)滿足以下條件，傳遞的扭矩Mt≥M，式中,M為所需傳遞的扭矩；Mt為脹套的額定扭矩；承受的軸向力Ft≥Fx，式中Fx為所需承受的軸向力；Ft為脹套額定軸向力。Z11扭力Mt=1 136 N·m大于電主軸產(chǎn)生的扭力M=7.958 N·m，同時(shí)，研磨室內(nèi)腔產(chǎn)生的推力F可以由靜壓組合軸承克服，不會(huì)影響電主軸。

2動(dòng)磨盤固定座靜態(tài)分析

動(dòng)磨盤組件見圖6，包括動(dòng)磨盤、動(dòng)磨盤固定座和密封環(huán)等，其中動(dòng)磨盤和動(dòng)磨盤座是微纖絲制取實(shí)驗(yàn)臺(tái)主機(jī)的研磨核心零件。動(dòng)磨盤的轉(zhuǎn)速極高，達(dá)到了10 000 r/min以上。而動(dòng)磨盤座是固定動(dòng)磨盤的基體，其承受動(dòng)磨盤所傳遞的巨大壓力，并且受到靜壓系統(tǒng)提供的高壓供油，所以其強(qiáng)度和剛度將直接影響著微纖絲制取實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研磨性能。若動(dòng)磨盤座的強(qiáng)度和剛度不夠，則機(jī)器達(dá)不到所需要的精度，嚴(yán)重影響微纖絲制取的效果，甚至機(jī)床損壞或發(fā)生事故。因此，為了確保動(dòng)磨盤座的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，在設(shè)計(jì)過程中，運(yùn)用ANSYS軟件對動(dòng)磨盤座進(jìn)行靜態(tài)分析，檢測其在切削過程中的應(yīng)力、應(yīng)變與位移等參數(shù)是十分必要的。

圖6　動(dòng)磨盤組件

注：1為動(dòng)磨盤，2為內(nèi)六角圓柱頭螺釘，3為彈簧墊片，

4為左旋螺紋端蓋，5為脹套，6為密封環(huán)，7為動(dòng)磨盤固定座，8為電主軸輸出軸。

Fig.6The assembly of dynamic grinding disk

2.1　動(dòng)磨盤座建模與受力分析

實(shí)驗(yàn)臺(tái)研磨室的動(dòng)磨盤座是受力的主要零件，采用Solidwoks軟件對動(dòng)磨盤固定座進(jìn)行建模[10～11]，將Solidwoks建好的動(dòng)磨盤固定座模型另存為Parasolid(*.x_t)格式(模型名字采用英文，ANSYS不能接受中文名字)，然后將另存為(*.x_t)格式文件導(dǎo)入ANSYS軟件，導(dǎo)入狀態(tài)見圖7。進(jìn)行靜力分析，對其主要承受由動(dòng)磨盤研磨時(shí)形成的推力F，同時(shí)承受到由供油系統(tǒng)提供的高壓壓力F'，在設(shè)計(jì)過程中我們已經(jīng)進(jìn)行推力F=14 130 N的計(jì)算，研磨過程中應(yīng)保證供油油壓產(chǎn)生的壓力F'等于推力F，在動(dòng)磨盤座旋轉(zhuǎn)過程中受到扭矩M=7.958 N·m，施加在靜力分析圖，通過ANSYS靜力分析，這樣才能有效降低由于受力問題影響實(shí)驗(yàn)臺(tái)的加工。

圖7　動(dòng)磨盤固定座受力作用

2.2　動(dòng)磨盤固定座網(wǎng)格劃分

動(dòng)磨盤座有限元模型采用尺寸設(shè)定網(wǎng)格劃分的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的結(jié)構(gòu)微小單元邊長為5 mm，并對動(dòng)磨盤座的材料屬性進(jìn)行設(shè)定[12]。在滿足使用要求包括零件強(qiáng)度和剛度，本磨盤固定座考慮到加工成本和減震效果等因素，采用的材料為HT200，查閱材料性質(zhì)知鑄鐵HT200特性(密度ρ=7.2×103kg/m3，彈性模量E=1.48×105Mpa和泊松比μ=0.31)。考慮到動(dòng)磨盤固定盤在實(shí)際工作過程中是周期性運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)屬于周期性對稱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)相對比較簡單，比較容易對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對網(wǎng)格密度進(jìn)行了設(shè)置，動(dòng)磨盤座有限元模型的網(wǎng)格劃分如圖8所示。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，動(dòng)磨盤座有限元模型網(wǎng)格單元?jiǎng)澐纸Y(jié)果為,43 451個(gè)節(jié)點(diǎn)，24 958個(gè)單元。這樣的網(wǎng)格劃分比較適合，較為準(zhǔn)確地反映動(dòng)磨盤固定座的實(shí)際情況，提高分析的可行性。

圖8　動(dòng)磨盤固定底座網(wǎng)格劃分

2.3　動(dòng)磨盤固定座施加約束與載荷

Solidworks軟件建立的模型導(dǎo)入ANSYS Workbench進(jìn)行有限元分析[13]，建立有限元分析模型之后，模型上施加載荷。在有限元分析過程中，施加載荷的合適與否將直接決定有限元分析的結(jié)果。根據(jù)動(dòng)磨盤的受力情況，為模型添加的約束與載荷情況如下，在動(dòng)磨盤座大端施加皮帶的拉力F=14 130 N，在動(dòng)磨盤座止推軸環(huán)F'=14 130 N。

2.4　動(dòng)磨盤固定座的靜態(tài)分析結(jié)果

在Static Structual-Mechanical環(huán)境對動(dòng)磨盤固定座進(jìn)行施加載荷和約束固定，然后求解模型，單擊工具欄中的Solve進(jìn)行求解。對其應(yīng)力、應(yīng)變與變形情況進(jìn)行有限元分析，獲得動(dòng)磨盤固定座的應(yīng)力、應(yīng)變和變形情況分別如圖9(a)、(b)和(c)所示。

(a)動(dòng)磨盤固定座應(yīng)力云圖(b)動(dòng)磨盤固定座應(yīng)變云圖(c)動(dòng)磨盤固定座變形云圖

圖9固定座靜力分析圖

Fig.9The static analysis contour figures

通過軟件分析計(jì)算， 動(dòng)磨盤固定座各點(diǎn)應(yīng)力變化〔圖8(a)〕反映了動(dòng)磨盤固定座的強(qiáng)度特性。動(dòng)磨盤固定座的最大應(yīng)力出現(xiàn)在軸承支撐端部和動(dòng)磨盤座大端的連接處，最大應(yīng)力為30.936 MPa，小于該材料的屈服極限，材料的屈服極限應(yīng)力數(shù)值為200 MPa。這說明動(dòng)磨盤座的強(qiáng)度足夠，在主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不會(huì)發(fā)生因強(qiáng)度不足造成的機(jī)床損壞。

圖8(b)可以反映出動(dòng)磨盤固定座剛度特性。動(dòng)磨盤固定座的最大變形也是發(fā)生在止推軸承位置和動(dòng)磨盤座大端的連接處，這一點(diǎn)與應(yīng)力云圖完全相符，與實(shí)踐工況環(huán)境十分的吻合，動(dòng)磨盤固定座最大應(yīng)變值為0.209 03 mm/m，遠(yuǎn)小于該材料的極限撓度2 mm/m。因此，動(dòng)磨盤座的剛度是足夠的，在主機(jī)研磨過程中不會(huì)出現(xiàn)剛度不足的情況。

圖8(c)中的顏色變化能反映動(dòng)磨盤固定座在各種載荷作用下的變形情況。最大變形發(fā)生在靜壓止推軸環(huán)的邊沿，動(dòng)磨盤固定座的最大變形量為0.019 386 mm/m，最大變形量遠(yuǎn)小于材料規(guī)定最大變形量2.5 mm/m，工作過程中滿足實(shí)驗(yàn)要求。

綜上所述，動(dòng)磨盤固定座的模型結(jié)構(gòu)是合理的，其強(qiáng)度和剛度完全能夠保證主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中完成對原料的研磨磨削，同時(shí)能夠穩(wěn)定地控制動(dòng)靜磨盤之間的變形，保證較高的研磨磨削精度。動(dòng)磨盤的強(qiáng)度、剛度和產(chǎn)生的形變都滿足材料(HT200)的要求，可以達(dá)到微纖絲制取實(shí)驗(yàn)所需要的效果。

3結(jié)論和討論

(1)本項(xiàng)目介紹了微纖絲制取實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主機(jī)結(jié)構(gòu)，并介紹了研磨機(jī)構(gòu)原理，通過動(dòng)靜磨盤的運(yùn)作將木材小碎片研磨形成最終理想的微纖絲。

(2)本項(xiàng)目對研磨機(jī)構(gòu)中的動(dòng)磨盤固定形式進(jìn)行分析，同時(shí)對固定帳套的負(fù)載和扭矩進(jìn)行計(jì)算，得出均滿足實(shí)驗(yàn)要求。

(3)動(dòng)磨盤是微纖絲設(shè)備的主要部分，基于此，本項(xiàng)目對動(dòng)磨盤固定座進(jìn)行靜態(tài)分析，并利用三維軟件進(jìn)行實(shí)體建模，利用ANSYS軟件進(jìn)行受力分析，其強(qiáng)度和剛度均符合實(shí)驗(yàn)要求。

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Finite Element Analysis of Dynamic Plates Holder of

the Microfibril Experiment Rig

YANG Chun-mei,ZHU Jian-nan,MA Yan,WU Quan-hui,BAO Yu-ying

(Forestry and Woodworking Machinery Engineering Centre，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，P.R.China)

Abstract:The design of the microfibril equipment is an important research content in wood processing，and a main engine of the microfibril equipment was designed in this study.The main engine is the core part of the microfibril preparation experiment rig，and it use the wedge method for high speed grinding for wood microfibril.The grinding components is mainly composed of static mill，static tower mill，moving mill and dynamic tower mill.Based on analyzing the fixed form of the moving mill and calculating a fixed set of load and the torque to ensure that meet the job requirements，and through making the vertical analysis and modeling ，ANSYS software was used for stress analysis to verify the rationality of its strength and rigidity.

Key words:microfibril;main engine ;grinding mechanism ;moving mill;stress analysis

作者簡介：第一楊春梅(1977-)，女，副教授，博士，主要從事木工機(jī)械的研究。E-mail:ycmnefu@126.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31070500)和黑龍江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD201203)哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2012RFXXG010)共同資助。

*收稿日期：2015-05-19

中圖分類號：S 781

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-8246(2016)01-0042-06