废旧木质材料切碎机的研发设计_刘强废旧木质材料切碎机的研发设计_刘强

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废旧木质材料切碎机的研发设计刘强1,朱典想1,郭东升2(1南京林业大学,江苏南京210037;2北京泛欧瑞得科技有限公司,北京101100)摘要针对多数废旧木质材料形状不规则的特点,设计了一种对原料具有广泛适用性的新型切碎机。简要阐述了切碎机的工作原理,重点介绍了液压推料装置、切削机构和出料装置的设计方法,同时对切碎机的主要技术性能参数进行了设计计算。关键词切碎机;废旧木质材料;回收;粉碎中图分类号TS64;S81712文献标识码A文章编号20952953(2013)01004304RESEARCHANDDEVELOPMENTDESIGNOFWASTEANDOLDWOODMATERIALSHREDDERSLIUQIANG1,ZHUDIANXIANG1,GUODONGSHENG2(1NANJINGFORESTRYUNIVERSITY,NANJINGJIANGSU210037,CHINA;2BEIJINGRIVERLANDSTCO,LTD,BEIJING101100,CHINA)ABSTRACTINVIEWOFTHECHARACTERISTICSOFVARIOUSIRREGULARSHAPESOFOLDANDWASTEWOODMATERIALS,ANEWSHREDDERFORVARIOUSKINDSOFRAWMATERIALSISDESIGNED,ANDTHEWORKINGPRINCIPLEOFTHISSHREDDERISBRIEFLYSTATED,WITHFOCUSPUTONTHEITSHYDRAULICPUSHERDEVICE,CUTTINGMECHANISMANDDISCHARGEUNITANDTHEDESIGNCALCULATIONOFITSMAINTECHNICALPERFORMANCEPARAMETERSCONDUCTEDKEYWORDSSHREDDER;OLDANDWASTEWOODMATERIALS;RECYCLE;CRUSHING我国森林资源匮乏,木材供需存在巨大缺口,同时作为世界上木材及木制品生产和消费大国,目前的木材综合利用率仅为60,木材浪费现象十分严重。据统计,每年产生的各类木材垃圾可达6000万T,折合材积约为8500万M3[1]。加快发展废旧木质材料回收利用技术已成为缓解木材工业供需矛盾、实现人造板工业可持续发展的重要举措,也是发展循环经济、建设节约型社会的必然要求。废旧木质材料种类多且形态各异,如何把这些形态各异的废旧木质材料粉碎加工成再生板或生物质燃料生产需要的尺寸,是废旧木质材料循环再利用首先要解决的问题。本文针对废旧木质材料形态多样性的特点,设计一种新型粉碎设备,其优点是通用性强、适用性广,可将各种木废料、托盘、板边、端头、树皮、废旧人造板、水泥模板、废单板、包装箱、椰子、棕榈等切碎,以便生产制造人造板、木煤燃料或为能源工厂以及锅炉燃烧使用,拓宽废旧木质材料的应用范围。1切碎机的基本结构及工作原理由于废旧木质材料多为韧性材料,本设计拟采用收稿日期2012-09-18通讯作者朱典想,南京林业大学教授,博士生导师第41卷第1期林业机械与木工设备VO141NO12013年1月FORESTRYMACHINERYWOODWORKINGEQUIPMENTJAN2013废旧木质材料切碎机的研发设计刘强,朱典想,郭东升(南京林业大学,江苏南京;北京泛欧瑞得科技有限公司,北京)摘要针对多数废旧木质材料形状不规则的特点,设计了一种对原料具有广泛适用性的新型切碎机简要阐述了切碎机的工作原理,重点介绍了液压推料装置能参数进行了设计计算关键词切碎机;废旧木质材料;回收;粉碎中图分类号TS64;S81712文献标识码文章编号20952953(2013)01004304()INVIEWOFTHECHARACTERISTICSOFVARIOUSIRREGULARSHAPESOFOLDANDWASTEWOODMATERIALS,ANEWSHREDDERFORVARIOUSKINDSOFRAWMATERIALSISDESIGNED,ANDTHEWORKINGPRINCIPLEOFTHISSHREDDERISBRIEFLYSTATED,WITHFOCUSPUTONTHEITSHYDRAULICPUSHERDEVICE,CUTTINGMECHANISMANDDISCHARGEUNITANDTHEDESIGNCALCULATIONOFITSMAINTECHNICALPERFORMANCEPARAMETERSCONDUCTEDSHREDDER;OLDANDWASTEWOODMATERIALS;RECYCLE;CRUSHING设计与计算厚度精度由01MM提高到006MM,精度提高40以上。该机自2010年底投放市场以来,已出口印尼、俄罗斯等多个国家,深受国内外用户好评。该产品2011年6月荣获山东省技术创新优秀成果一等奖、优秀新产品二等奖。注此文为2012年暑假大学生社会调研习作;指导老师许伟才(1967),山东百圣源集团有限公司董事长兼总经理,东北林业大学客座教授。作者简介宋睿婷(1990),厦门大学信息科学与技术学院电子工程系2009级学生。180图3刀片三维结构简图图2液压工作原理图B1B2接近开关油缸C1节流阀Y22DT电磁换向阀Y11DTABTP溢流阀Y3RP单向阀Y4OUT油泵P1MIN油箱F1回油过滤器F2同时剪切和挤压的方式进行粉碎。切碎机主要由切削机构、推料装置、传动皮带、电动机、出料螺旋等组成,如图1所示。主箱体内安装切削刀辊,多把可转位刀具按照一定规律分布在切削刀辊上;主箱体两侧安装带座轴承用于支撑刀辊;物料进入后,由液压油缸带动推料装置,将物料推向切削刀辊和固定底刀;充分切碎的物料通过多孔筛网落下,由出料螺旋送出;出料螺旋由切削刀辊带动链轮,通过链传动完成驱动;切削刀辊的旋转通过带传动和齿轮传动完成,传动机构主要由驱动电机、皮带轮、齿轮变速箱组成。2切碎机关键部件设计21液压推料装置结构设计考虑推料装置要满足急回特性要求,工作行程速度还要均匀,并且对切削刀辊的冲击不能过大,因此本机将推料装置设计成弧形摆臂状。推料摆臂主体结构由方管和钢板焊接而成,主要由推头、弧形板、轴承座、连接方管、耐磨板等组成。在推头的下侧和左右两侧打丝孔放置弹簧,依靠弹力挤压聚四氟乙烯耐磨板实现密封,防止粉碎腔内的物料进入推料滑道。液压缸带动推料装置将待碎物料推向切削单元,液压工作原理如图2所示,完成的动作过程如下。(1)打开开关,油泵P1启动,电磁换向阀Y1的电磁铁1DT得电,推动油缸C1前进。(2)油缸C1前进至接近开关B2时,电磁换向阀Y1的电磁铁1DT失电,电磁铁2DT得电,油缸C1返程(节流阀Y2限制流量,控制卸荷速度)。(3)当油缸C1后退至接近开关B1时,电磁换向阀Y1的电磁铁2DT失电,电磁铁1DT再次得电,油缸C1前进,重复(1)~(2)动作。22切削机构设计221可转位刀具设计刀片三维结构如图3所示,八边形刀体倾斜铣出一个向内凹陷的球面,两斜刃口短边作为主切削刃,两侧长边作为侧刃,以确保有足够切削前角;切削时,刀尖首先与物料接触,在刀尖切入一定深度后,刀片的两侧圆弧形刃口开始剪切物料,直至物料被切断;刀片有两个切削位置,一侧刀刃磨损后旋转180即可继续作业。12345678910111213141516图1切碎机结构示意图1主箱体;2切削刀辊;3筛网;4出料螺旋轴;5固定底刀;6液压缸;7驱动电机;8推料装置;9可转位刀具;10带座轴承;11链轮;12变速箱;13安全销轴;14调节丝杠;15皮带轮;16底板林业机械与木工设备44第41卷123456图5出料螺旋结构示意图1带座轴承;2定位套;3驱动链轮;4出料螺旋固定架;5螺旋输送轴;6实体螺旋叶片刀片除需具有足够的耐磨性和硬度外,还应具有一定的强度、刚度和韧性,因此刀具材料选用国际通用的钨钼系韧性高速钢SKH51,其特点是具有高红热硬度、高耐磨耗性与切削能力、高冲击韧性、晶粒细致均匀、韧性高等,该刀片热处理后性能优于T10和CR12MOV材料制造的刀片。刀座材料选用45钢,考虑到切削木质材料的特性,对刀座进行调质发黑处理以提高其耐磨、抗腐蚀和抗氧化性能。222切削刀辊及刀具分布切碎机新型刀辊结构主要包括辊轴、两侧方形边刀、多个可旋转刀具、刀具定位孔和边刀定位槽,如图4所示。辊轴两端部与箱体之间有一定空隙,被切碎的物料容易卡料,影响辊轴运转,为此在辊轴两侧铣定位槽安装边刀,通过紧定螺栓固定,这样可避免卡料。在辊轴1表面加工定位孔,安装可旋转刀具。辊轴上刀具排列方式需满足下面几点要求[2](1)空载旋转时刀辊受力均匀,每把转位刀具产生的离心力为零,即径向力必须平衡。(2)轴向相邻刀片等距分布,间距以不产生实际漏切割带为原则。(3)轴向相邻两刀片径向夹角要尽量大。(4)相继切削的刀片轴向距离越大越好,以免发生干扰和堵塞。(5)所有刀片沿刀辊周向尽量呈等角分布,以便工作平衡,刀辊负荷均匀。(6)尽量保证每次有一组刀片切削物料。(7)制造及装配方便。(8)功率消耗尽量小。在设计刀辊时,首先确定基准刀具位置,即将1号刀具设置在刀辊横向中心,其余多个刀具以1号刀具位置为基准,在辊轴表面周向等角、轴向等距、呈螺旋线向两侧对称分布,在切削时始终保证每一个切削面都有一把刀与固定刀具完成啮合切削,这样可有效地减小切削振动,降低设备能耗并防止热量产生。23出料螺旋设计本机采用螺旋输送出料,将出料螺旋水平布置在筛网下方,直接由旋转刀辊带动链轮驱动。出料螺旋主要由带座轴承、驱动链轮、驱动轴、螺旋叶片、导料槽、支架组成,其结构简图如图5所示。螺旋输送轴由实心轴和无缝钢管通过圆柱销配装后制成,外口焊接牢固。螺旋叶片采用实体螺旋型面,通常由多个断开薄钢板圆环拉伸焊接而成,可以实现快速连续推料。螺旋输送器不能将切碎后的物料挤压过紧,一般螺旋叶片与侧壁间隙为58MM,螺旋输送轴长为1055MM。参照运输机械设计手册,选择螺旋输送轴径48MM,叶片外径160MM,螺距160MM。3切削力和切削功率计算31单位切削力计算木材切削过程复杂,要建立精确的切削力计算公式是不现实的。目前在工程计算上大多采用经验公式计算切削力,其是以某种条件下单位切削力和单位切削功率为1的情况作基准,考虑各种影响因素修正系数综合而成的一种经验方法[3]。单位切削力K按以下经验公式计算K=KΦASAWAΔAVAHAFAT267N/MM2式中KΦ为木材不同方向的单位切削力,本样机切削时物料不规则放置,由推料摆臂强制推向旋转刀辊,各方向切削形式都存在,因此KΦ取端向切削时最大值22;AS为木材树种修正系数,取AS2;AW为木材含水率修正系数,考虑样机要对湿材原料有一定适应性,取AW085;AΔ为木材切削角修正系数,取AΔ28;AV为切削速度修正系数,样机的切削速度<10M/S,取AV1;AH为切削厚度修正系数,平均切削厚度>1MM,取AH1;AF为铣削时附加摩擦力修正系数,切削时刀刃最大深度为10MM,取AF17;AT为刀具变钝修正系数,取AT15。32切削功率计算按照刀辊上刀具排列方式,刀辊每旋转18将有一把刀处于切削状态,此时切削最大深度为B10MM,切12345图4切削刀辊结构示意图1辊轴;2边刀;3可转位刀具;4刀具定位孔;5边刀定位槽刘强,等废旧木质材料切碎机的研发设计45第1期技术参数产量/TH1粉碎物料尺寸/MM电机功率/KW液压功率/KW刀辊直径/MM刀辊转速/RMIN1刀片数量筛网孔径/MM外形尺寸/MM设备质量/T设计数值0315≤500300300185153001001986018501740134518削宽度可近似等于刀具两刃口最大宽度,按D40MM计算,切削面积近似为S=BD400MM2切削力为F=KS10680N切削阻力矩TR=FR1068003/21602NM式中R为刀具旋转半径。刀辊旋转周期为2Π,刀具的数量为19把,在刀辊的每个工作周期内,每转过01Π的角度即完成一次切削,在一个工作循环内,驱动力矩和阻力矩所做的功相等。力矩做功即力矩曲线对转角的积分,切削转角周期为2Π,则切削阻力矩做功为AR01Π0乙TRDΦ02Π01Π乙TRDΦ03Π02Π乙TRDΦ05Π04Π乙TRDΦ+19Π18Π乙TRDΦ2Π19Π乙TRDΦ驱动力矩做功为AD2Π0乙TDDΦ由ARAD计算的驱动力矩为TD1602NM驱动功率为PDTDΗW/9550168KW式中ΗW为刀辊转速,ΗW100R/MIN。33螺旋功率计算螺旋出料所需功率PL可由下式确定[4]PL=Q367(ΞLH)001KW式中L为螺旋输送机水平投影长度,根据生产实际需求,L1055MM;H为螺旋输送机垂直投影高度,H0;Ξ为物料阻力系数,取Ξ15。34电动机驱动功率PPDPLΗ188KW式中ΗΗV带Η齿轮Η轴承=093097099089。选择三相交流电机Y180M4,额定功率185KW。4主要技术参数切碎机产量根据不同工艺要求有所不同,在生物质块状成型燃料生产中,切碎后的物料可直接压块,筛网孔径一般为≤10MM的圆孔或长孔,产量为300500KG/H,可与目前国内大部分生物质燃料块状成型机配套使用;在木煤生产的粗粉碎工段,可与锤式高速细粉碎设备配套使用,筛网孔径较大,产量高;在中纤板、刨花板生产中,可用于将废旧木质材料切碎成木片,作为热磨纤维或刨花板原料。切碎机的主要技术参数见表1。5结束语本设备经吸收国外设备特点重新改进设计而成,具有广泛的原料适应性,专为切削形态复杂、密度变化较大的物料,干湿料均可完成切削;低转速设计,运行稳定且能耗较低;液压推进倾斜式进料,确保物料稳定进给;高耐磨转子和特殊材质切碎刀具,可保证切削锋利和耐磨性能;高耐磨筛网,螺旋自动出料;带有过载保护,当遇到硬物不能切碎时转子可适当反转,确保设备安全运行。该设备的研制有效地促进了废旧木质材料粉碎技术的进步,同时对我国木材的高效利用、人造板工业的可持续发展具有积极推动作用。参考文献[1]朱典想,郭东升木煤极具发展潜力的新型能源[J]林业机械与木工设备,2009(1)3740[2]TUJIANPING,XUXUEHONGTHESTUDYOFTHECUTTINGBLADEANDTHEOPTIMUMOFTHEKNIFEARRAYOFFIELDSTRAWCHOPPER[J]JOURNALOFAGRICULTURALMECHANIZATIONRESEARCH,2003(2)102104[3]李黎木材切削原理与刀具[M]北京中国林业出版社,20051838[4]黄学群运输机械选型设计手册下册[M]北京化学工业出版社,2011第一作者简介刘强,南京林业大学在读研究生,EMAILLVANLAU163COM。表1主要技术参数林业机械与木工设备46第41卷
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