姜新波 李博文 姜博文

（1.東北林業(yè)大學(xué) 黑龍江哈爾濱 150000；2.哈爾濱東安汽車動(dòng)力股份有限公司 黑龍江哈爾濱150066）

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化步伐的加快，全面建成小康社會(huì)的達(dá)成，人們對(duì)物質(zhì)生活的向往逐漸轉(zhuǎn)變成精神需求以及綠色健康的生活方式。中國(guó)“綠色現(xiàn)代化”三步走的戰(zhàn)略如今已進(jìn)行到二氧化碳大規(guī)模減排階段，封山育林的同時(shí)，城市綠化園林應(yīng)運(yùn)而生，各種城市氧吧快速崛起，既滿足城市居民的休閑需要，又在生態(tài)、景觀上作出了巨大貢獻(xiàn)。剪枝、間伐、枯木死樹處理等工序會(huì)產(chǎn)生大量的木質(zhì)廢料，多由環(huán)衛(wèi)工人裝車運(yùn)往固定地點(diǎn)焚燒或掩埋處理，在浪費(fèi)人力資源的同時(shí)，也增加了二氧化碳的排放。而對(duì)木制廢料加工利用，就地取材，制成標(biāo)準(zhǔn)粒度的木塊進(jìn)行坪地［1-4］，既減少了經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，又降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，因此，研發(fā)設(shè)計(jì)一臺(tái)專用于加工木制廢料的木塊切削機(jī)具有重要意義。切削機(jī)的機(jī)架作為各部件的裝配基礎(chǔ)，直接決定了設(shè)備的重量以及運(yùn)行的穩(wěn)定性，進(jìn)而決定了木塊的加工質(zhì)量，因此，本文對(duì)木塊切削機(jī)的機(jī)身進(jìn)行有限元分析。

1 木塊切削機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外木塊切削機(jī)研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)［5-7］，結(jié)合木材切削工藝分析，對(duì)木塊切削機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖1 所示，整機(jī)由機(jī)架、切削刀軸組件、液壓組件、動(dòng)力系統(tǒng)組件、篩網(wǎng)組成。

圖1 木塊切削機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖

在木塊切削機(jī)工作過程中，由一臺(tái)Y112M-4型三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)中的齒輪泵運(yùn)轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)聯(lián)軸器與切削刀軸組連接，將動(dòng)力傳送到刀軸組。木料由上方進(jìn)料口進(jìn)入，由下排刀具切削加工，符合粒度需求的木塊經(jīng)篩網(wǎng)漏下，經(jīng)出料口排出，未加工完成的木料由上排刀具復(fù)加工直至符合粒度需求，經(jīng)篩網(wǎng)落下。下排刀軸由齒輪傳動(dòng)，上排刀軸與下排刀軸為鏈傳動(dòng)。切削刀軸組件下方為可拆卸篩網(wǎng)，其主要作用是在要求加工不同粒度木塊時(shí)，更換不同大小篩孔的篩網(wǎng)以達(dá)到加工需求。下方出料口為斜板，方便處理加工完成的木塊。

2 切削機(jī)機(jī)架靜力學(xué)分析

機(jī)架是整臺(tái)機(jī)器的工作基礎(chǔ)和支撐單元，機(jī)架的結(jié)構(gòu)性能直接影響到木塊切削機(jī)的安全及加工性能［8］，其裝配有切削刀軸組，并承受工作荷載，機(jī)架產(chǎn)生較大的變形或震動(dòng)將直接影響其他裝配體的安裝，或?qū)δ緣K加工精度產(chǎn)生影響，如果對(duì)液壓油箱產(chǎn)生擠壓或破壞，可能會(huì)引起安全事故，檢驗(yàn)機(jī)架的強(qiáng)度和剛度對(duì)于機(jī)架的設(shè)計(jì)非常重要［9-11］。為了驗(yàn)證機(jī)架的強(qiáng)度，對(duì)其進(jìn)行有限元分析。

利用SOLIDWORKS2022建立機(jī)架三維模型，保存為Parasolid（*.x_t；*.x_b）格式文件，將該文件導(dǎo)入Workbench2022R1 中的靜態(tài)結(jié)構(gòu)模塊，并設(shè)置工程數(shù)據(jù)為Q235 結(jié)構(gòu)鋼材，對(duì)機(jī)架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分成非結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)置網(wǎng)格尺寸大小為5mm，更新并生成網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 機(jī)架模型網(wǎng)格劃分

完成網(wǎng)格劃分后，對(duì)機(jī)架進(jìn)行約束以及添加荷載。對(duì)機(jī)架底板進(jìn)行固定約束，機(jī)架主要荷載為刀具組、液壓泵站及其他零部件質(zhì)量，取540kg。利用SOLIDWORK 2022 評(píng)估測(cè)量功能，測(cè)量出受力總面積約為1.48×105mm2，假設(shè)機(jī)架受力均勻，通過計(jì)算得出機(jī)架受力面積應(yīng)力為0.0365MPa，如圖3所示。

圖3 機(jī)架約束及荷載

求解計(jì)算，評(píng)估所有結(jié)果，提取機(jī)架的應(yīng)力云圖、應(yīng)變?cè)茍D和總變形云圖，機(jī)架的應(yīng)力云圖如圖4所示、應(yīng)變?cè)茍D如圖5所示、總變形云圖如圖6所示。表1為機(jī)架的靜態(tài)分析結(jié)果。

表1 機(jī)架靜態(tài)分析結(jié)果

圖4 機(jī)架應(yīng)力云圖

圖5 機(jī)架應(yīng)變?cè)茍D

圖6 機(jī)架總變形云圖

由表1 可知，機(jī)架所受最大應(yīng)力為25.789MPa，機(jī)架槽鋼為Q235 結(jié)構(gòu)鋼，屈服強(qiáng)度σs=235MPa，查表可知Q235結(jié)構(gòu)鋼的安全系數(shù)S取2.5。

機(jī)架強(qiáng)度滿足工作需求。

3 切削機(jī)機(jī)架模態(tài)分析

對(duì)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算其固有頻率以防止木材切削過程中產(chǎn)生共振，影響機(jī)器加工精度以及機(jī)器使用壽命［12］。

在Workbench2022R1 中建立模態(tài)分析模態(tài)模塊，將前文靜態(tài)結(jié)構(gòu)模塊中的約束、荷載以及靜力學(xué)分析結(jié)果傳遞至模態(tài)分析模態(tài)模塊中，在機(jī)架受到預(yù)應(yīng)力的情況下求解其模態(tài)振型，求解獲得機(jī)架的前六階振型固有頻率，模態(tài)振型變形云圖如圖7所示。

圖7 機(jī)架模態(tài)圖

由表2可知，機(jī)架的前六階模態(tài)中一階模態(tài)頻率為86.48Hz，隨著模態(tài)階數(shù)增加，頻率也呈升高的趨勢(shì)，一階模態(tài)頻率最低。該機(jī)器振源為三相異步電機(jī)以及刀軸，電機(jī)轉(zhuǎn)速1440r/min，根據(jù)振源頻率公式f=n/60，可得該機(jī)器最大振源頻率為24Hz，遠(yuǎn)小于機(jī)器共振最小頻率86.48Hz，該機(jī)器不會(huì)發(fā)生共振，滿足設(shè)計(jì)需求。

表2 機(jī)架前六階固有頻率

4 結(jié)語

通過ANSYS Workbench 2022R1 對(duì)木塊切削機(jī)機(jī)架進(jìn)行有限元分析，木塊切削機(jī)機(jī)架所受的最大應(yīng)力約為26MPa，Q235槽鋼能滿足機(jī)身強(qiáng)度需求。對(duì)該機(jī)器的模態(tài)分析顯示，一階模態(tài)的固有頻率最低約為86.48Hz，遠(yuǎn)大于該機(jī)器工作時(shí)產(chǎn)生的24Hz振動(dòng)頻率，不會(huì)產(chǎn)生共振。