姜新波，王文博，郭璨

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

菌類培養(yǎng)長細(xì)木屑加工設(shè)備的設(shè)計與試驗

姜新波，王文博，郭璨

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

研發(fā)了一款雙軸式多圓鋸片長細(xì)木屑加工設(shè)備，可將林間剩余物加工為長細(xì)木屑，滿足菌類培養(yǎng)的需要。對菌類培養(yǎng)長細(xì)木屑加工的切削原理進(jìn)行了分析，確定了圓鋸鋸切的切削方式，并對鋸切性能進(jìn)行了力學(xué)驗算，確定了設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)。結(jié)合設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)與加工長細(xì)木屑的工作原理，進(jìn)一步對設(shè)備進(jìn)料系統(tǒng)、主切削系統(tǒng)、出料系統(tǒng)及關(guān)鍵零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其加工出符合菌類培養(yǎng)木屑規(guī)格的長細(xì)木屑(厚度為0.5～1.0 mm，長度在10 mm左右)，從而為后續(xù)試制菌類培養(yǎng)長細(xì)木屑加工設(shè)備樣機(jī)做準(zhǔn)備。通過對試驗樣機(jī)的試驗，獲得了適宜菌類培養(yǎng)的長細(xì)狀木屑，且木屑合格率達(dá)到70%以上，驗證了該菌類培養(yǎng)長細(xì)木屑加工設(shè)備的切削性能達(dá)到設(shè)計目的。

菌類培養(yǎng)長細(xì)木屑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；樣機(jī)試驗；切削能力

林間采伐和城市綠化會產(chǎn)生大量的采伐剩余物，這些剩余物通常會被擱置或焚燒，造成了木材資源的浪費。菌類具有極好的食療和保健功能，以其作為主要原料生產(chǎn)的產(chǎn)品日益受到消費市場的青睞，銷量逐年增加[1-4]。隨著菌類產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，培養(yǎng)菌類的木屑需求量也隨之大幅增加。若將木材剩余物資源集中加工成符合菌類培養(yǎng)要求的木屑，能給食用菌生產(chǎn)者帶來很高的經(jīng)濟(jì)效益，對于提高木材利用率有很大的意義。試驗表明[4-10]，食用菌菌絲生長時，菌絲對長細(xì)狀木屑培養(yǎng)基的營養(yǎng)吸收分解和利用速度是粉末狀帶鋸木屑培養(yǎng)基的2～3倍。然而，目前普遍使用的木材粉碎機(jī)加工出的木屑大小完全由篩網(wǎng)決定，無法加工出滿足菌類培養(yǎng)所需的長細(xì)木屑規(guī)格。因此，市場急需一種方便靈活、精準(zhǔn)高效的菌類培養(yǎng)木屑加工設(shè)備。

筆者對菌類培養(yǎng)長細(xì)木屑加工設(shè)備進(jìn)行切削原理分析，并對設(shè)備進(jìn)料系統(tǒng)、主切削系統(tǒng)、出料系統(tǒng)和關(guān)鍵零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，之后驗證該設(shè)備是否可加工出滿足菌類培養(yǎng)要求的長細(xì)狀木屑。

1 切削原理及力學(xué)分析

1.1 切削原理分析

加工菌類培養(yǎng)所需長細(xì)木屑的切削原理分析見圖1。由圖1a可知，齒尖的相對運動軌跡是同一時間內(nèi)作圓周運動的齒尖位移與作直線運動的木材位移的向量和，且v′≥U(v′是相對于時間t的一階導(dǎo)數(shù))，所以該軌跡為一短幅擺線[7-11]。由圖1b可知，圓鋸齒切下的切屑厚度e是齒尖在一定位置上相鄰兩軌跡間的法向距離：

e=Uzsinθ

(1)

圓鋸切削時，每齒進(jìn)給量、圓鋸片齒距和進(jìn)給速度保持不變，均為常數(shù)，但θ需根據(jù)齒刃在木材中的位置不同而變化。

注：Uz為每齒進(jìn)給量，由于圓鋸片齒距和進(jìn)給速度不變，因此為常數(shù)；θ為運動遇角，(°)；H為鋸路高度，mm；C為鋸片中心距進(jìn)料槽的高度，mm；U為每齒進(jìn)給速度，mm/z；Φ為物料高度處木屑飛出的方向與其鋸片運動切線方向的夾角，(°)；φ為物料相對于鋸片中心點的夾角，(°)；υ為鋸片的轉(zhuǎn)速，r/min；θp為物料H/2高度處水平線相對于其鋸片運動切線方向的夾角，(°)；e為切屑厚度，mm；ep為平均切屑厚度，近似取鋸路高度一半處的切屑厚度，mm；L為物料與鋸片相交的最外圈鋸片弧長，mm。圖1 切削原理圖Fig.1 The principle diagram of the cutting

由圖1可知，鋸齒進(jìn)入木材時θ最??；隨著鋸齒深入木材，θ逐漸增大；當(dāng)鋸齒離開鋸路前θ達(dá)到最大。相應(yīng)的切屑厚度也從鋸齒切入木材時的最小值增大到鋸齒離開木材時的最大值。在進(jìn)行動力計算時，可以用平均切屑厚度表示變化的切屑厚度。平均切屑厚度可通過兩種方法求得：

一是常用的方法。近似取鋸路高度一半處的e為ep，由圖1a可知：

(2)

式中：R為鋸片半徑，mm。

二是通過切屑面積的幾何關(guān)系求得。切屑長度l的計算公式為：

l=UzH/ep

(3)

由此得：

(4)

式中：ζ1為鋸片中心距進(jìn)料糟高度和鋸路高度之和相對于鋸片圓心的角度，(°)；ζ2為鋸片中心距進(jìn)料糟高度和鋸路高度相對于鋸片圓心的角度，(°)。由公式(4)可得θp的計算公式：

(5)

物料與圓鋸片相對運動的原理圖見圖2。由圖2可知，多片圓鋸片相互錯開安裝，相鄰鋸片間錯開2°～3°，由此構(gòu)成的空屑槽較薄，鋸齒可將木絲從木材上“撓”下來。當(dāng)Uz=0.68 mm/z,v=4 300 r/min時，物料被粉碎成長細(xì)狀，可得長度約10 mm、厚度0.5～1.0 mm的木屑進(jìn)行菌類培養(yǎng)。

圖2 物料與圓鋸片相對運動原理圖Fig.2 The principle diagram of the material and blade relative motion

1.2 鋸切性能的力學(xué)驗算

木材切削過程受到許多因素影響，如切削厚度、樹種、含水量、切削速度、進(jìn)給速度、刃口銳利程度、切削角等，切削力與這些影響因素間應(yīng)具有一定的函數(shù)關(guān)系，但實際上不可能建立一個包含所有影響因素的切削力計算公式。因此，建立切削力的理論公式時，簡化了一些切削條件和影響因素。

單位切削力K是指單位切削面積上作用的主切削力，即：

K=Fx/A

(6)

式中：Fx為主切削力，N；A為切屑橫斷面積，A=eb，b為切屑寬度，mm。單位切削力K、鋸切功率P與單位時間內(nèi)鋸切的鋸屑體積V0之間有如下關(guān)系：

P=KV0/1 000

(7)

V0=b1h0u

(8)

式中:b1為鋸路寬度,mm;h0為鋸路高度,mm;u為進(jìn)給速度,m/s。鋸切功率為:

P=9.807

(9)

式中：ab為鋸路寬度的修正系數(shù)，ah為樹種不同的修正系數(shù)，aq為q值增加倍數(shù)的修正系數(shù)，aλ為鋸路高度h0的修正系數(shù)，aw為含水率的修正系數(shù)。由公式(7)、(8)、(9)得鋸切力Fx:

Fx=Kb1h0Uz/t

(10)

即:

(11)

圓鋸片上任意一點對木材的進(jìn)給力為Fu,若將Fu看作是兩個力的合力,則Fu可分解為鋸切力Fx(圓周力)和垂直分力Fy。當(dāng)圓鋸片縱向切削小徑木時,進(jìn)給力為兩種阻力合成的力,即:

Fu=Fu1+Fu2

(12)

式中:Fu1為總進(jìn)給力法向分力;Fu2為總進(jìn)給力切向分力。其中,Fu1為Fx和Fy在物料進(jìn)給方向的分力,即:

Fu1=Fxcosθ+Fysinθ

(13)

另一個分力Fu2為工作臺表面對物料的摩擦阻力,是Fx和Fy在垂直于進(jìn)給方向的分力,即:

Fu2=μ(Fxsinθ-Fycosθ)

(14)

因此,總進(jìn)給力Fu為:

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

(15)

垂直分力Fy是推力f2和拉力F2的代數(shù)和,即:

Fy=f2-F2

(16)

(17)

(18)

Fu=Fy+μFx

(19)

式中:t為單位時間,s;H和q均為計算數(shù)值,分別取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。

經(jīng)計算可得,總進(jìn)給力Fu=200～600 N。因為切削力會受到樹種、木材狀況和切削方向等因素的影響,所以總進(jìn)給力會有一定的范圍。通過對主切削系統(tǒng)切削能力的計算結(jié)果得出,長細(xì)木屑設(shè)備的圓鋸片能夠很好地對木材進(jìn)行切削,達(dá)到設(shè)計目的。

由式(9)可得單鋸片P≈0.21 kW,由于長細(xì)木屑加工設(shè)備的一根主軸裝有60個圓鋸片,所以本設(shè)備為一根主軸轉(zhuǎn)動提供動力的功率為12.6 kW。在選用電機(jī)時,選略大些的15 kW電動機(jī)即可。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

菌類培養(yǎng)長細(xì)木屑加工設(shè)備的整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由進(jìn)料V形條帶、前上壓輪、主切削機(jī)構(gòu)、后上壓輪、出料V形條帶、進(jìn)料電機(jī)、主軸電機(jī)、出料電機(jī)等組成。本機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2.2 工作原理

物料(小徑木)由進(jìn)料V形條帶輸送至進(jìn)料口;放下彈片手把(防止木料飛出),左前上壓輪和右前上壓輪緊壓輔助推進(jìn)物料前進(jìn);木料進(jìn)入上下多鋸片的主切削機(jī)構(gòu),鋸片對物料進(jìn)行切削;物料兩側(cè)被鋸片加工成長細(xì)狀木屑,物料中部則被加工成木方;長細(xì)狀木屑由木屑出料口輸出,后上壓輪輔助出料V形條帶將木方從木方出料口輸出。進(jìn)料V形條帶的動力由進(jìn)料電機(jī)提供,上下主軸電機(jī)為主切削機(jī)構(gòu)的上下兩主軸帶動鋸片切削物料提供動力,出料V形條帶的運動由出料電機(jī)提供動力。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

長細(xì)木屑加工設(shè)備是通過進(jìn)料V形條帶將木料輸送至主切削機(jī)構(gòu)進(jìn)行鋸絲,使加工出的木絲長度和直徑滿足菌類培養(yǎng)長細(xì)木屑的要求,同時,木材中部加工出一個木板,由出料V形帶將木板輸出。長細(xì)木屑加工設(shè)備主要有3個組成部分:進(jìn)料系統(tǒng)、主切削系統(tǒng)和出料系統(tǒng)。

3.1 進(jìn)料系統(tǒng)設(shè)計

傳動系統(tǒng)拖鏈結(jié)構(gòu)如圖3所示,主要由電機(jī)、上層拖鏈、下層拖架、傳動軸和鏈輪等組成。電動機(jī)經(jīng)過齒輪變速箱和兩級鏈傳動使拖鏈運動,從而使進(jìn)料V形條帶獲得進(jìn)給速度,帶動物料前進(jìn)。上層拖鏈與下層拖架速度不同,兩者的速度差會使拖鏈抓住物料,平穩(wěn)進(jìn)入進(jìn)料口,同時還具有精確的直線性[10-14]。為確保安全,防止木料反彈,在設(shè)備進(jìn)料端設(shè)有反彈片,防止物料在加工過程中產(chǎn)生跳動。

1.上層拖鏈;2.下層拖架;3.進(jìn)料系統(tǒng)電機(jī);4.鏈輪Ⅵ;5.傳動軸Ⅲ;6.鏈輪Ⅶ;7.鏈輪Ⅴ;8.鏈輪Ⅳ;9.傳動軸Ⅱ; 10.鏈輪Ⅱ;11.鏈輪Ⅰ;12.傳動軸Ⅰ;13.鏈輪Ⅲ圖3 傳動系統(tǒng)拖鏈結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Drag chain structure of the transmission system

3.2 主切削系統(tǒng)設(shè)計

主切削機(jī)構(gòu)是長細(xì)木屑加工設(shè)備的核心機(jī)構(gòu)。進(jìn)料系統(tǒng)會將物料傳送到主切削結(jié)構(gòu)進(jìn)行切削,加工成符合菌類培養(yǎng)的長細(xì)木屑。

3.2.1 上下鋸軸分布圖

上下鋸軸分布圖如圖4所示,采用雙軸多鋸片結(jié)構(gòu),上下鋸軸的垂直距離為203 mm,隔套外徑為75 mm。其主要優(yōu)點是:鋸口高度由兩個鋸片分擔(dān),因而鋸路小;鋸片直徑為單軸鋸機(jī)所用鋸片的一半,因而鋸材尺寸穩(wěn)定,具有很高的表面質(zhì)量和生產(chǎn)率[14-15]。

1.上主軸鋸片;2.下主軸鋸片;3.后上壓輪圖4 上下鋸軸分布圖Fig.4 Up and down saw shaft profile

3.2.2 主軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計

主軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖5,可以看出,鋸片套在主軸左側(cè),右側(cè)通過帶輪與電動機(jī)相連。鋸片直徑210 mm,一根主軸上的鋸片數(shù)量為60片,分為左右兩組安裝,中間留有加工木方寬度的距離。

1.套筒;2.軸套;3.帶輪圖5 主軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.5 Main shaft system structure design

3.3 出料系統(tǒng)設(shè)計

出料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示,物料被加工成木方后,出料電動機(jī)經(jīng)齒輪變速箱和鏈傳動使出料拖鏈運動,從而使出料拖鏈獲得輸出速度。后上壓輪將物料壓緊并輔助出料V形條帶,將木方平穩(wěn)輸出。

出料V形條帶有尖齒,能防止鋸片后端鋸出的小邊料掉在出料架上發(fā)生回彈,避免造成卡料,保證木料順利送出。變速箱鏈輪Ⅰ的齒數(shù)為21,鏈輪Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的齒數(shù)均為13,因此傳動軸傳輸?shù)慕撬俣纫恢?輸出平穩(wěn)運行。

1.鏈輪Ⅴ;2.鏈輪Ⅳ;3.鏈輪Ⅲ;4.鏈輪Ⅱ;5.出料電動機(jī);6.變速箱鏈輪Ⅰ;7.后上壓輪拉簧;8.出料V形條帶圖6 出料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Discharging system structure

4 樣機(jī)試驗驗證

圖7 菌類培養(yǎng)長細(xì)木屑加工設(shè)備試驗樣機(jī)Fig.7 Fungi cultivation long fine sawdust processing equipment test model

根據(jù)菌類培養(yǎng)長細(xì)木屑加工設(shè)備的靜態(tài)和模態(tài)分析結(jié)果與計算校核,對菌類培養(yǎng)長細(xì)木屑加工設(shè)備進(jìn)行樣機(jī)試制,試驗樣機(jī)如圖7所示。從圖7a中可以看出設(shè)備的主要組成系統(tǒng):進(jìn)料系統(tǒng)、主切削系統(tǒng)和出料系統(tǒng)。從圖7b中可以看出設(shè)備主要由4個電機(jī)提供動力:兩個0.75 kW的電機(jī)分別為進(jìn)料和出料系統(tǒng)提供動力;兩個15 kW的電機(jī)分別為上下主軸帶動圓鋸片切削運動提供動力。

菌類培養(yǎng)長細(xì)木屑加工設(shè)備的進(jìn)料系統(tǒng)如圖8所示,進(jìn)料V形條帶有尖刺,能防止木料經(jīng)過鏈條架時發(fā)生打滑。

圖8 進(jìn)料系統(tǒng)Fig.8 Feed system

主切削機(jī)構(gòu)如圖9所示。圖9a中,前上壓輪為U形主動壓輪，起定位緊壓輔助推進(jìn)的作用;工作中若發(fā)生卡料情況,提起防彈片,在進(jìn)料的主動上壓輪帶動下,木料能快速穩(wěn)定地退出,從而重新開始工作。圖9b所示主切削機(jī)構(gòu)出料角度中,后上壓輪為主動型V形條帶刺壓輪。

圖9 主切削機(jī)構(gòu)Fig.9 Main cutting mechanism

菌類培養(yǎng)長細(xì)木屑加工設(shè)備出料系統(tǒng)如圖10所示,出料V形條帶有尖齒,能防止鋸片后端鋸出的小邊料掉在出料架上發(fā)生回彈,避免造成卡料,保證順利送出木料。

圖10 出料系統(tǒng)Fig.10 Discharging system

菌類培養(yǎng)長細(xì)木屑加工設(shè)備木屑收集處如圖11所示。從圖11a可以看出,物料經(jīng)過主切削機(jī)構(gòu)加工后會有長細(xì)木屑落下,木屑可直接落入正下方的木屑收集口;從圖11b的出料口可以觀察到,加工出的長細(xì)木屑可經(jīng)圓管慢慢移出。

圖11 木屑收集處Fig.11 Sawdust collecting

為了驗證設(shè)計的菌類培養(yǎng)長細(xì)木屑加工設(shè)備的切削性能,看其能否達(dá)到設(shè)計要求,進(jìn)行了小徑木切削試驗。試驗地點在東北林業(yè)大學(xué)內(nèi),選擇鮮材長度為50～90 cm,直徑為40～70 mm,彎度適中的椴木、楊木和樺樹各10根。設(shè)定進(jìn)給速度為5 m/min,調(diào)整主動輸送壓緊輪與輸送鏈條的間隙,將小徑木平穩(wěn)放在V形鏈條上,由輸送鏈條自動送進(jìn),前上壓輪輔助推進(jìn)木料,在大功率電動機(jī)帶動下高速旋轉(zhuǎn)的鋸片將木料進(jìn)行多片鋸切;加工出的木屑自動落入正下方木屑收集口,同時,后上壓輪將鋸出的木塊平穩(wěn)夾住并輔助出料架送出機(jī)床。試驗后收集并得到小徑木被切削后的木屑,如圖12所示。

圖12 長細(xì)木屑加工設(shè)備的試驗結(jié)果Fig.12 Experimental results of the long fine sawdust processing equipment

篩選收集到的木屑,獲得木屑的厚度都為1～2 mm,說明加工的木屑厚度與樹種無關(guān)。雖然木屑長度不一致,但也與樹種無關(guān)，其長度規(guī)格分布如表2所示。長度小于3 mm的木屑為鋸末狀,不符合適宜菌類培養(yǎng)長細(xì)木屑規(guī)格;長度在3～7 mm的木屑稍短,但也可滿足菌類培養(yǎng)要求;長度大于7 mm的木屑用于菌類培養(yǎng)是最佳的。由表2可知,試驗中不合格的木屑(長度<3 mm)達(dá)到28%,這是因為在切削過程中,部分木屑會被高速運轉(zhuǎn)的多鋸片二次打碎;而滿足長細(xì)木屑要求的木屑(長度>3 mm)占多數(shù),合格率達(dá)到70%以上。綜上所述,本試驗樣機(jī)的切削能力較好,可以滿足設(shè)計要求,達(dá)到設(shè)計目的。

表2 木屑長度分布Table 2 Sawdust length distribution

5 結(jié) 論

菌類培養(yǎng)長細(xì)木屑加工設(shè)備是針對我國菌類培養(yǎng)木屑的需求量大,但最適宜菌類培養(yǎng)的木屑較少,林間采伐和綠化植被剩余物較多等因素,設(shè)計的可針對小徑木切削加工的雙軸式多圓鋸片長細(xì)木屑加工設(shè)備。在對其進(jìn)行總體設(shè)計的基礎(chǔ)上,重點完成了核心零部件和主要系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計,為我國長細(xì)木屑加工設(shè)備研究提供了一種新的思路。通過對菌類培養(yǎng)長細(xì)木屑加工設(shè)備的研究,得出了以下結(jié)論:

1)分析并提出了長細(xì)木屑加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)方案,對進(jìn)料系統(tǒng)、主切削系統(tǒng)、出料系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計,為試制樣機(jī)做技術(shù)準(zhǔn)備。

2)通過對試驗樣機(jī)的試驗,獲得了適宜菌類培養(yǎng)的長細(xì)木屑,合格率達(dá)到70%以上,驗證了該菌類培養(yǎng)長細(xì)木屑加工設(shè)備具有足夠的切削能力,達(dá)到了設(shè)計目的。

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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

國家林業(yè)局 “948”項目 (2015-4-53)。

姜新波，男，副教授，研究方向為機(jī)械設(shè)計。E-mail：2435958392@qq.com