楊春梅，朱建楠，馬巖，吳全會，包玉瑩

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

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微纖絲制取實驗臺動磨盤固定座的有限元分析*

楊春梅，朱建楠，馬巖，吳全會，包玉瑩

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

摘要：微纖絲制取設備的設計是木材加工中的重要研究內容。本研究設計了一種微纖絲制取設備的主機，該主機是微纖絲制取實驗臺的核心部分，其采用楔形動壓高速磨盤研磨的方法制取木材微纖絲。微纖絲制取實驗臺的研磨室組件主要由靜磨盤、靜磨盤座、動磨盤、動磨盤座等密封裝置組成。本研究在對動磨盤固定形式進行分析的基礎上，對固定帳套的負載、扭矩進行計算，確保滿足工作要求。通過對動磨盤固定座進行靜態(tài)分析及在此基礎上的動磨盤座的建模，利用ANSYS軟件進行受力分析，驗證其強度和剛度的合理性，為微纖絲制取設備的設計提供了理論基礎。

關鍵詞：微纖絲；主機；研磨機構；動磨盤；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已經比較成熟，而木材作為唯一可以再生的材料，其結構卻始終很難達到微納米的尺度。在微納米尺度下，木材的尺寸效應、特異性質及變化機理將會發(fā)生顯著的改變，材料性能將會極大增強[1]。而隨著中國經濟的迅速發(fā)展，中國已經成為中密度人造板第一生產大國，如何制取微納米級的木材微纖絲成為木材加工領域中的重要內容。在20世紀30年代，瑞典順智(Sunds)公司的阿斯普魯?shù)?Asplund)發(fā)明了第一臺熱磨機來制取微纖絲。目前瑞典、德國、日本、芬蘭等國的熱磨機比較成熟，尤其是瑞典Defiberator公司的產品，在世界范圍內應用最廣泛。近些年國內的熱磨機發(fā)展速度較快，但和國外產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　微纖絲制取實驗臺主機

注：1為液壓油缸，2為楔形微調機構，3為蒸煮罐，4為靜磨盤機構，5為動磨盤機構，6為靜壓組合軸承，7為電主軸(主軸電機)，8為主機固定座，9為機架。

Fig.1The main engine of microfibril producing test bed

微纖絲制取實驗臺主機是微纖絲制取整機的核心部分[2～3]。微纖絲設備主機結構如圖1所示，微纖絲制取實驗臺主機包括液壓油缸1、楔形微調機構2、蒸煮罐3、靜磨盤機構4、動磨盤機構5、靜壓組合軸承6、電主軸7、主機固定座8和機架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，而對微纖絲制取設備進行設計和驗證報道不多，為此，本研究設計了一種以機械手段來制取木材微纖絲的主機，分析了研磨理論，并對其進行有限元分析，為新型微纖絲制取設備的制造提供了理論基礎。

1研磨機構

微纖絲制取實驗臺的研磨室組件見圖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、動磨盤5和動磨盤座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)構成，靜、動磨盤通過螺釘分別固定在靜、動磨盤座上。動、靜磨盤組成的研磨空間通過機械密封式密封，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，起到對研磨室內高壓密封的作用。

圖2研磨室結構

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為動磨盤，6為動磨盤座，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　研磨室內研磨理論分析

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

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

(a)木材碎片在磨區(qū)內研磨(b)原料研磨旋轉

圖3研磨原理示意圖

Fig.3The sketch of lapping principle

圖4　動磨盤座與主軸的夾緊結構

注：1為動磨盤座，2為動磨盤，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　動磨盤固定形式

電主軸和動磨盤座1直接相連接，動磨盤座1是由鑄鐵鑄造而成，同時在動磨盤座1鑄造出止推軸承環(huán)。在設計中出現(xiàn)動磨盤座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、應力集中等缺點[9]，不能滿足本設計實際高精度、高速度的工作要求。由于電主軸的主軸軸徑較小，傳動扭矩和應力時可能不易滿足強度要求，因此本次設計采用無鍵連接形式。主機采用2個脹套3將動磨盤座1和主軸9進行夾緊固定，這樣2個脹套能傳動足夠的扭矩和應力。安裝時要嚴格保證安裝精度，保證磨盤座在工作運動過程中的牢固；拆卸時只需擰松脹套上的螺釘，放松脹套進而將動磨盤座拆下。整個過程操作簡單、靈活穩(wěn)定、節(jié)約制造成本。夾緊結構見圖4。

選取的固定脹套外形和相關參數(shù)見圖5和表1。脹套使用預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、外錐面產生擠壓作用下， 使其外錐面與動盤固定座之間和內錐面的孔與電主軸的主軸之間產生很大的壓力，通過摩擦作用實現(xiàn)無鍵聯(lián)結，進而實現(xiàn)載荷的傳遞。與常用鍵聯(lián)結相比具有以下優(yōu)點：(1)輪轂部分和軸不用加工鍵槽，從而避免降低了應力集中問題；(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功能。

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

圖5　脹套

基本尺寸/mmdDdL0LL1L2D1D2內六角螺釘規(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大于電主軸產生的扭力M=7.958 N·m，同時，研磨室內腔產生的推力F可以由靜壓組合軸承克服，不會影響電主軸。

2動磨盤固定座靜態(tài)分析

動磨盤組件見圖6，包括動磨盤、動磨盤固定座和密封環(huán)等，其中動磨盤和動磨盤座是微纖絲制取實驗臺主機的研磨核心零件。動磨盤的轉速極高，達到了10 000 r/min以上。而動磨盤座是固定動磨盤的基體，其承受動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，所以其強度和剛度將直接影響著微纖絲制取實驗臺的研磨性能。若動磨盤座的強度和剛度不夠，則機器達不到所需要的精度，嚴重影響微纖絲制取的效果，甚至機床損壞或發(fā)生事故。因此，為了確保動磨盤座的材料選擇和結構設計達到實驗要求，在設計過程中，運用ANSYS軟件對動磨盤座進行靜態(tài)分析，檢測其在切削過程中的應力、應變與位移等參數(shù)是十分必要的。

圖6　動磨盤組件

注：1為動磨盤，2為內六角圓柱頭螺釘，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為動磨盤固定座，8為電主軸輸出軸。

Fig.6The assembly of dynamic grinding disk

2.1　動磨盤座建模與受力分析

實驗臺研磨室的動磨盤座是受力的主要零件，采用Solidwoks軟件對動磨盤固定座進行建模[10～11]，將Solidwoks建好的動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)格式文件導入ANSYS軟件，導入狀態(tài)見圖7。進行靜力分析，對其主要承受由動磨盤研磨時形成的推力F，同時承受到由供油系統(tǒng)提供的高壓壓力F'，在設計過程中我們已經進行推力F=14 130 N的計算，研磨過程中應保證供油油壓產生的壓力F'等于推力F，在動磨盤座旋轉過程中受到扭矩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驗臺的加工。

圖7　動磨盤固定座受力作用

2.2　動磨盤固定座網格劃分

動磨盤座有限元模型采用尺寸設定網格劃分的方法進行網格劃分。網格劃分的結構微小單元邊長為5 mm，并對動磨盤座的材料屬性進行設定[12]。在滿足使用要求包括零件強度和剛度，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)?？紤]到動磨盤固定盤在實際工作過程中是周期性運動，其結構屬于周期性對稱結構，結構相對比較簡單，比較容易對其進行網格劃分，并對網格密度進行了設置，動磨盤座有限元模型的網格劃分如圖8所示。對模型進行網格劃分后，動磨盤座有限元模型網格單元劃分結果為,43 451個節(jié)點，24 958個單元。這樣的網格劃分比較適合，較為準確地反映動磨盤固定座的實際情況，提高分析的可行性。

圖8　動磨盤固定底座網格劃分

2.3　動磨盤固定座施加約束與載荷

Solidworks軟件建立的模型導入ANSYS Workbench進行有限元分析[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果。根據動磨盤的受力情況，為模型添加的約束與載荷情況如下，在動磨盤座大端施加皮帶的拉力F=14 130 N，在動磨盤座止推軸環(huán)F'=14 130 N。

2.4　動磨盤固定座的靜態(tài)分析結果

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

(a)動磨盤固定座應力云圖(b)動磨盤固定座應變云圖(c)動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

通過軟件分析計算， 動磨盤固定座各點應力變化〔圖8(a)〕反映了動磨盤固定座的強度特性。動磨盤固定座的最大應力出現(xiàn)在軸承支撐端部和動磨盤座大端的連接處，最大應力為30.936 MPa，小于該材料的屈服極限，材料的屈服極限應力數(shù)值為200 MPa。這說明動磨盤座的強度足夠，在主機運轉過程中不會發(fā)生因強度不足造成的機床損壞。

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

圖8(c)中的顏色變化能反映動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，動磨盤固定座的最大變形量為0.019 386 mm/m，最大變形量遠小于材料規(guī)定最大變形量2.5 mm/m，工作過程中滿足實驗要求。

綜上所述，動磨盤固定座的模型結構是合理的，其強度和剛度完全能夠保證主機運轉過程中完成對原料的研磨磨削，同時能夠穩(wěn)定地控制動靜磨盤之間的變形，保證較高的研磨磨削精度。動磨盤的強度、剛度和產生的形變都滿足材料(HT200)的要求，可以達到微纖絲制取實驗所需要的效果。

3結論和討論

(1)本項目介紹了微纖絲制取實驗臺的主機結構，并介紹了研磨機構原理，通過動靜磨盤的運作將木材小碎片研磨形成最終理想的微纖絲。

(2)本項目對研磨機構中的動磨盤固定形式進行分析，同時對固定帳套的負載和扭矩進行計算，得出均滿足實驗要求。

(3)動磨盤是微纖絲設備的主要部分，基于此，本項目對動磨盤固定座進行靜態(tài)分析，并利用三維軟件進行實體建模，利用ANSYS軟件進行受力分析，其強度和剛度均符合實驗要求。

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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，主要從事木工機械的研究。E-mail:ycmnefu@126.com

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

*收稿日期：2015-05-19

中圖分類號：S 781

文獻標識碼：A

文章編號：1672-8246(2016)01-0042-06