（机械设计及理论专业论文）木片压缩打包机设计及木片压缩应力松弛研究.pdf

摘要 木片是人造板、造纸业的主要生产原料之一，本片在运输过程中。存在着体 积大，重量轻的问题，导致运输费用和仓储费用等成本加大，使木片原本不大的 利润空间下降得更低。因此，解决这一问题是十分迫切和必需的。针对这一问题， 本文设计了一种新型的木片压缩打包机。 本文介绍了木片压缩打包机的进料装置、压缩室结构和打包机构等各部分的 结构及原理；并从压缩费用和运输费用方面对木片压缩打包机做了经济分祈及效 益展望。 本文设计的木片压缩打包机，采用自动打包方式：自动地供绳、结扣和打包： 设计带式送料装置自动连续地送料。这不仅减少了工人的劳动强度，而且提高了 木片压缩打包机的打包效率。 在进行木片压缩打包机设计的同时，本文还对木片应力松弛作了一定的探讨， 优化了打包机的设计，对木片压缩打包机的设计及使用具有实际的指导意义。 关键字：木片；压缩；应力松弛；自动打包 a b s t r a c t w o o d c h i p si so n e o f r a wm a t e r i a l so f p a n e la n dp a p e r m a k i n gi n d u s t r y d u r i n gt h e t r a n s p o r t a t i o no f w o o dc h i p s ，t h e r ea r ei s s u e so fv o l u m ei n c r e a s i n ga n dl o s i n gw e i g h t s ot h ee x p e n s eo f t r a n s p o r t a t i o na n ds t o r a g eb e c o m el a r g e ra n d t h ep r o f i to f c h i p st u r n l o w e r t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r ya n du r g e n tt os o l v et h i si s s u e a i m m i n gt o t h i s p r o b l e m ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ea u t h o rd e s i g n af l e w t y p em a c h i n ef o rw o o d c h i p sc o m p r e s s i n g a n d p a c k i n g t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n dt h e o r yo ff e e d i n gd e v i c e ；c o m p r e s s i n gc h a m b e r a n d p a c k i n gm e c h a n i s m ，t h ea u t h o r m a k e se c o n o m i ca n a l y s i sa n db e n e f i tp e r s p e c t i v eo f t h ep a c k e r o i lt h ee x p e n s eo f t r a n s p o r t a t i o na n d s t o r a g e t h e p a c k e ra d o p t sa u t o m a t i cp a c k i n g ，k n o t t i n ga n db a l i n g t h ed e s i g n a t i o no f t h e f e e d i n g d e v i c eg a nf e e d sm a t e r i a lc o n t i n u a l l ya n da u t o m a t i c a l l y , w h i c hd e c r e a s e sl a b o r s t r e n g t ho f t h e w o r k e ra n de n c h a n c e se f f i c i e n c yo f t h e p a c k e n d u r i n gt h ed e s i g n a t i o no fp a c k e l t h ed i s s e r t a t i o na p p r o a c h e st h es t r e s ss l a c k n e s s o f c h i p t h a to p t i m i z e st h ed e s i g n a t i o no fp a c k e r , a n dg u i d ea c t u a ld e s i g n a t i o na n du s e k e y w o r d s ：w o o d c h i p s ；c o m p r e s s i n g ；s t r e s ss l a c k n e s s ；a u t o m a t i cp a c k i n g 爪片压缩打包机的设计及术片压缩应力松弛研究 1 综述 1 1 引言 根据第五次全国森林资源统计( 1 9 9 4 1 9 9 8 ) 结果，我国现有林业用地面积 2 5 7 亿公顷( 不含台湾和西藏控制线外) ，其中，有林地面积为1 5 4 亿公顷，占林 业用地面积的5 97 7 。现有用材林林分面积9 9 3 9 5 0 万公顷，占林分总面积的 7 6 9 3 。现有活立木总蓄积量1 2 4 9 亿立方米，其中，森林蓄积量1 1 2 7 亿立方米， 森林覆盖率为1 6 5 5 。由于我国的森林资源主要集中在东北、内蒙古国有林区和 南方集体林区，从而造成森林分布不均的现象，导致部分地区大量可供造纸用材， 包括人工林、中小径材和采伐及加工剩余物等不能充分利用，造成经济损失。相反， 另外一些地区因造纸用材供不应求而严重影响了林业的发展。我国是一个林业大 国，我国森林面积居世界第5 位，森林蓄积量列第7 位f 3 们。但我国的森林覆盖率只 相当于世界森林覆盖率的6 1 3 ，全国人均占有森林面积相当于世界人均占有量的 2 1 3 ，人均森林蓄量积只有世界人均蓄积量的1 8 【6 】o 但是长期以来，我国森林 资源未得到充分利用，尤其“三剩”( 即采伐、造材、加工剩余物) 利用率大大 低于工业发达国家水平。木材剩余物根据它的物理性质和所处的位置可分为：森林 采伐剩余物、运输剩余物和木材加工剩余物。森林采伐、运输剩余物和木材加工剩 余物都是生产工艺术片的原料，我国的采伐和运输剩余物资源极为丰富【3 9 】。 目前，林区”三剩物”和小径材可生产木片约1 5 0 0 万2 0 0 0 万干吨，而实际年产 木片只有约4 0 0 万干吨，包括出口的大约1 5 0 万干吨】。我国可供造纸用的”三剩 物”和小径级材供大于求。这种森林资源结构决定我国只有加快发展木材纤维利用 产业，才能有效地利用森林资源，减少资源的浪费。 随着科学技术的发展，人们对”三剩物”和小径级材等林业纤维物料资源重要性 的认识越来越深，采伐余物含皮率高、质量不如原木，但从纤维板的产品质量要求 看，木片中含皮率不超过1 5 时，板面的美观不受影响；不超过2 0 时，对板性 能也无大的影响】。采伐剩余物是生产纤维板、一般纸张和纸板的比较好原料。人 们渐渐对林业纤维物料资源的利用逐渐予以重视，而且在如何科学有效地开发利用 林业纤维物料资源上已经取得进展口1 。但发展速度较慢，这不仅与人们对开发利用 木片资源的认识程度有关，更重要的是与林业纤维物料开发利用设备的短缺和不完 善密切相关。 木片是制造木浆、纸张、中密度纤维板、刨花板的主要原料【2 5 1 。可以充分利用 东j 匕林业人学硕十学位沦文 森林资源，尤其可以充分利用林区短、小、次、细、弯的一些次材和梢头枝桠，以 及通过木材加工所剩的边角余料，用来加工木片，可以获得较高的经济效益。可以 促进森林抚育，通过透光伐和问伐，扰育下来的非规格材，用来加工木片，可以解 决因森林抚育收不抵支的状况。扩大了造纸原料，促进了造纸业的发展j 。 木片不仅可以解决国内的需求，在国际市场上也有广阔的发展前景。我国的周 边国家和地区的巨大的木片需求量是我国发展木片生产的动力。日本由于资源缺乏 每年要进口木片1 3 0 0 万绝干吨，韩国约7 0 万绝干吨，台湾约5 0 万绝干吨 1 0 】。由 于距离相对较近，因此运输费用同等条件下较低，可以增加我国木片的竞争力。 木片运输主要分为内部运输和外部运输两个组成部分。运输方式主要有铁路运 输、公路运输、船运、气力运输和机械运输等方式。船运是出口运输的主要方式之 一，而国内长途运输主要采用铁路运输方式，公路运输主要用于短途运输【2 5 】。 在木片的利用过程中，首先遇到的问题是木片松散、容积密度小、收集运输困 难、运输时亏吨现象严重、车厢占满却运量轻，使运输成本上升。木片生产中的运 输费用很高，约占木片运输总成本的2 0 2 5 t 3 到。林区木片生产点往往难以直接 铁路运输，须短途汽车运输一铁路运输一短途汽车运输，装卸环节多，装卸费用高 【4 1 】。尤其是近年来随着各方面运输标准的不断上调，使木片业的利润很低，这种情 况往往严重影响了木片生产企业的积极性。例如：湖南人造板厂1 9 9 6 年共收购木 片2 万m 3 ，到厂收购价为3 3 0 元m 3 ，木片生产点扣除各种费用，每m 3 利润仅2 0 2 5 元【2 】。解决此类问题的主要措施是设法科学合理地减少木片的松散体积、增大容 积密度，以便加速木片的商品化进程。为此，所采用的基本方法是压缩，即：利用 压缩设备在一定压缩条件下对木片施加压力，从而减少体积、增大容积密度，达到 一定形状和尺寸，减少运输成本，增加经济效益。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外压缩设备现状 随着人类文明的发展，作为纸张、人造板的重要原料之一一木片的消耗量猛 增。国内外市场对木片的需求量较大。但是木片的堆密度小，而且我国木片的主要 产区在边远的山区、林业局，这给木片的储运带来一定的困难，使木片生产受到很 大的影响【4 。为了提高袋装木片的堆密度，用相同的麻袋装更多的木片，使运输木 片的车辆均能达到铁路车辆的额定载运量，降低木片的生产成本，要对木片进行压 实打包，木片压缩打包机是解决我国木片储运的重要手段 3 3 】。 2 小片压缩打包机的没计及小片压缩虑力松弛研究 世界上一些林业发达的国家，利用专用车辆和集装箱运输木片。但是我国没有 配套的技术设备，资金也比较欠缺，不宜引用国外现有的技术i l “。 国内有很多种形式的打包机，主要用于棉花、化纤、金属屑等方面的打包，而 用于木片方面的很少p “。 1 2 2 现有压缩理论研究现状 1 9 3 8 年西德学者斯卡维特( s k a l w e i t ) 【2 2 】首次开始研究纤维物料在压缩过程中 的压缩机理。特通过在密闭容器内以低速压缩木片，来研究压缩力和压缩后木片容 积密度之问的关系，并得出了如下压缩力和压缩后物料容积密度之间的规律： p = c y “ 式中：卜压缩力k g c m 2 v 一压缩后物料的密度k g m 3 c ：匝 雕1 p o _ 初始压缩力k g m 2 y o _ 一物料的初始密度k g m 3 1 t i 是试验系数 1 9 5 9 年西德另一位学者麦威斯( m e w e s ) 【1 4 】 1 5 l 通过实验研究分析卡特威特所 得出的数学模型，根据分析研究，他对卡特维特( s k a l w e i t ) 的结论给予肯定，同 时，他认为纤维物料在压缩过程中压缩力与物料的初始密度有关，并分别提出了在 不同压缩条件下压缩力与物料密度之间的数学模型： p = c 6 ，一r p = c 咿“一坩j 式中：p 一压缩力k g c m 2 r 压缩后物料的密度k g m 3 y o _ 一物料的初始密度k g m 3 c 和n l 均为试验系数 1 9 6 4 年西德学者萨哈特( s a c h t ) 口1 利用小麦和燕麦秸秆以及苜蓿和牧草进行 试验研究，通过实验研究，他认为，斯卡维特的数学模型只有在压力小于2 0 0 n c m 2 时才成立，经分析研究提出如下数学表达式： 尔北林业人学硕+ 学位论文 p = 二v p 一压缩力 k g c m 2 式中：、_ 物料的湿度 y 一压缩后物料的密度k g m 3 c 和n l 均为试验系数 5 0 一6 0 年代苏联学者对纤维物料的压缩过程也进行了很对研究，如：奥索波夫 ( o s o b o v ) 1 9 1 通过实验和理论分析研究认为，纤维物料在压缩过程中压缩力仅取决 于被压缩物料的初始密度和压缩过程中的压缩程度，在此基础上提出： p = m 一】 式中：卜压缩后物料的密度k g m 3 y 0 _ 一物料的初始密度k g m 3 c 和a 均为试验系数 苏联的另一位学者赫拉帕奇( h u l a p a q i ) 【7 】研究认为，纤维物料在压缩过程中 压缩力不仅与压缩后压缩物的压缩程度有关，而且与压缩过程中的压缩速度以及物 料的湿度有关，通过分析研究他提出的以下表达式： p = c a p k y ” 式中；岱一物料的湿度系数 萨 1 一o 0 2 ( w - 1 5 3 0 ) 】 w 一物料的湿度 w b 卜压缩过程中的压缩系数 卜一压缩后物料的密度k g m 3 k 物料的强度系数 c 和m 均为试验系数 苏联学者普斯特金( p u s t e k y ) 【2 0 1 对纤维物料压缩过程中憋压缩物料的压缩量与 压缩力之间的关系进行了分析和研究，他用窄板条压缩未脱粒的小麦秸秆进行实验 研究得出了压缩力与被压缩物料压缩量之间的关系式： p ：a e 旦 j x 后来他又在密闭容器内对麦秸进行实验研究，并得出麦秸在密闭容器内压缩时，压 缩力与压缩量之间的关系： 4 p = a x ” 式中：卜压缩力k g c m 2 s 一物料的初始厚度m m x 一对物料的压缩量m m a 、n 和b 均是试验系数 此外，英国和美国等国的学者对不同纤维物料压缩过程作了大量的研究试验和 理论分析，如： 1 9 8 4 年英国学者多佛而奇( 0 d o g h e r t y ) 和威来尔( w h e l l e r ) 通过实验研 究和理论分析，并根据压缩过程中物料的容积密度范围提出两个模型： p = c l y ” p = c ( 1 n y l ” 式中：p 一压缩力k g ，c m 2 卜物料在压缩过程中的密度k g m 3 n 、m 均是试验系数 1 9 8 7 年英国学者法波若德( f a b o r o d e ) 和卡拉凡( 0 c a l l a g h a n ) 【1 q 考虑了被压 缩纤维物料的初始密度，提出如下的数学模型： p = 譬妒。1 ”一】 式中：p 一压缩力k g ，c m 2 丫一物料在压缩过程中的密度k g m 3 t o _ 物料的初始密度k g m 3 a 、b 均是试验系数 他们对其迸一步推导： 4 = 令：6 ：丛 儿 将公式( 1 1 1 ) 转化成压缩力与压缩活塞位移之间的关系： p = 舻一- 式中：k o 一物料的初始松散模量 丫。一物料的临界密度k g m 3 5 东北林业人学顾十学位论文 s 一压缩活塞的位移m m l 一压缩室长度m m 综观国内外学者对各种纤维物料压缩过程所作的各种实验研究和理论分析，主 要是从不同角度出发，采用不同的压缩方式和条件对不同的纤维物料进行试验和理 论研究，归纳起来主要是研究了纤维物料在压缩过程中压缩力与密度、压缩力与压 缩量等之间的关系，其中，西德、苏联和我国的学者主要是针对纤维物料压捆过程 进行研究，英国、美国、加拿大的学者主要是针对纤维物料的压块快和压饼过程( 密 度很高) 进行研究，日本学者主要是针对粉体纤维物料的模压成型进行研究，这些 研究成果在解决压缩力和压缩程度之间的问题中发挥了极其重要的作用。 随着流变学的兴起和迅速发展，流变学的应用领域在不断拓展，近年来国外一 些学者应用流变学理论对木片纤维物料进行宏观分析研究，英国学者瑞库戈勒尔 ( r e h k u g l e r ) 和巴克利( b u c h e l e ) 最早在木片压块生产过程中进行生物力学研究， 他们通过对装入一端密闭压模内的木片突然加载，研究其压缩应力与被压缩木片应 变之间的关系，并提出了表示木片在压缩过程中应变变化的本构流变方程： 式中：e 一木片压块膨胀的单位应变m m 一木片产生的单位永久应变m n l o 一作用在物料上的轴向压应力l b i n 2 一物料能量容量i n 1 b i n 2 ob 一物料间的粘合力l b i n 2 k 1 、k 2 一分别是两个弹簧的弹性模量l b i n 2 该流变本构方程在确定时考虑了压缩时间的影响。对物料压缩过程物料的特 性( 物料的弹性模量) 和压缩时间等对压缩过程的影响给予了考虑。在几个特定时 间下研究了相应的永久变形，在“闭式”压模内按施加一阶跃恒应力进行压缩来分 析研究的。 美国学者莫森宁( m o h s e n i n ) 【1 7 】、博科( b o c k ) 2 1 细皮可特伍( p i c t i a wc h e n ) ”副利用广义麦克斯维( g e n e r a l i z e dm a x w e l l ) 模型，分别使装入一端封闭压模内的 木片和农作物秸杆在瞬间达到某一恒应变后，对压缩力随时间变化的流变特性进行 了定性研究，其流变方程的形式是： 6 盯一心一下 尘 小片压缩打包机的i 5 2 汁及小片爪暂i _ i 麻力松弛研究 盯o ) = 式中： 隆印一怛1 l 仁- e ：e ? e | 4 + e ： e 。一第i 个弹簧的弹性模量k g m m 2 e 。一平衡弹簧的弹性模量k g m m 2 t i 一应力松弛时间s eo 在瞬间使被压缩物料所达到的恒应变k g m m 2 t 一维持恒应变的压缩时间s 该流变方程将压缩力、应变和时间统一起来进行研究，作者从宏观角度出发， 利用木片和农作物秸杆压缩过程中的广义麦克斯维模型，按照流变学定义给被压缩 物料施加一阶跃恒应力，使物料在瞬问达到一恒应变的情况进行分析的。 还有个别学者直接利用单个麦克斯维( m a x w e l l ) 模型或单个开尔文( k e l v i n ) 模型来描述木片纤维物料压缩过程中的应力松弛或蠕变等流变特性。 由以上分析可知，国外有些学者在木片纤维物料压缩过程中已经涉及到了木片 纤维物料压缩过程中的流变学问题，考虑到了木片纤维物料在压缩过程中的流变特 性。纵观国外学者对木片纤维物料在压缩过程中的流变特性所作的试验和理论分析 研究，大多数学者是采用一端封闭的压模( 简称闭式压模) ，在实验室条件下进行 研究的，对木片纾维物料在压缩过程中流变特性的研究，从宏观角度出发，直接利 用广泛用于分析粘弹性材料粘弹特性的麦克斯维( m a x w e l l ) 模型、广义麦克斯维 ( g e n e r a l i z e d m a x w e l l ) 模型，描述粘弹性材料延时特性的开尔文( k e l v i n ) 模型、 广义开尔文( g e n e r a l i z e dk e l v i n ) 模型，有的针对木材纤维物料压缩过程中被压 缩物料本身的特点，对上述有关模型适当修改和改进后，建立用于描述木材纤维物 料压缩流变特性的新模型，所有这些研究，对木片纤维物料压缩过程的理论分析， 压缩设备的设计研究和木片压缩物料压缩生产过程起到了指导作用，提供了的理论 依据。 1 3 本文研究的目的、意义和内容 1 3 ，1 问题的提出 由于木片纤维物料属于粘弹性物料，它的流变特性必然会影响压缩设备的性能 参数，影响压缩生产过程，特别是松弛时间和蠕变时间对其影响更大，而压缩设备 的压缩力及压缩设备的结构等又必然与木片纤维物料在压缩过程中的流变特性有 7 8 东，i l 林业人学硕十学位论文 密切联系。所以，在木片纤维物料压缩设备的设计研究和压缩生产中，应考虑木片 纤维物料的流变特性。由于木片被压缩时的残余应力较大，为了防止木片压缩后因 木片的膨胀而拉断捆绳，需要释放其残余应力。通过对木片在压缩过程中应力松弛 进行研究，计算出木片的应力松弛时间，合理地选择活塞压缩打包时间，从而释放 出木片的残余应力，进而优化了木片压缩打包机的设计。所以本文根据生产单位的 实际需求，结合被压缩木片纤维物料在压缩过程中的流变学特性，进行相应的实验 研究，为木片压缩打包机的结构设计，促进木片纤维物料压缩工程的发展，提供必 要的理论依据。 1 3 2 本文研究的目的、意义和内容 本论文研究的目的是为了解决生产单位的实际需要，提高打包机的打包效率， 本文设计了自动进料和自动打包的打包机。为了解决木片压缩生产和木片压缩打包 机设计制造中存在的问题，提高压缩设备的生产能力、改善压缩设备的性能、减少 压缩生产过程中的能量损耗，提高压缩后木片的质量，需要研究木片在压缩时的受 力和变形。因为木片在压缩过程中的应力松弛对木片的压缩工艺、压缩设备和压缩 后产品的质量等有很大的影响。所以通过实验对木片在压缩过程中应力松弛的研 究，对促进木片压缩工程的发展，可以提供必要的理论依据，进而优化设计木片压 缩打包机。 本论文研究的意义是木片压缩打包机的研制，解决了以往手动打包及打包后松 散的不足，而采用自动进料和自动打包。这不仅减少了工人的劳动强度，而且提高 了木片压缩打包的效率。 本论文研究的主要内容是： 1 木片压缩打包机的结构设计： 2 液压元件的计算选择。 3 流变学的应力松弛的理论基础； 小片压缩打包机的设计及小片压缩麻力松弛研究 2 木片压缩打包机的结构设计 2 1 引言 木片是制造木浆、纸张、中密度纤维板、刨花板的主要原料。我国2 0 0 1 年产 纸和纸板3 2 0 0 万吨，木浆消耗量仅占纸浆消耗总量的2 0 ，与国际上现代造纸工 业采用9 0 以上木浆造纸相比相差甚多。发展木片工业可以缓解造纸、非单板型人 造板原料供应紧张，为国家每年节约近1 0 亿美元外汇，同时对推动工业原料林基 地建设也具有现实意义【6 】。 木片在国际市场上也有广阔的发展前景。我国的周边国家和地区的巨大的木片 需求量是我国发展木片生产的动力。日本由于资源缺乏每年要进口木片1 3 0 0 万绝 干吨，韩国约7 0 万绝干吨，台湾约5 0 万绝于吨【l o 】。由于距离相对较近，因此运输 费用同等条件下较低，可以增加我国木片的竞争力。 在木片的利用过程中，首先遇到的问题是木片松散、容积密度小、车厢占满却 运量轻，使运输成本上升。由于运输效率低、运输成本高，加之木片出口价格上不 去，黑龙江等林区因运距较远而基本上停止了木片出口生产，这将影响我国林产工 业的发展和木片出口的前途口8 1 。解决此类问题的主要措施是设法科学合理地减少木 片的松散体积、增大容积密度，以便加速木片的商品化进程。为此，所采用的基本 方法是压缩，即：利用压缩设备在一定压缩条件下，在不破坏木纤维的情况下，对木 片施加压力，从而减少体积、 增大容积密度，达到一定形 状和尺寸，减少运输成本， 增加经济效益。木片压缩打 包机是解决我国木片储运的 重要手段。 2 2 打包机的结构 木片压缩打包机的结 构如图2 1 所示，它是由操 纵系统、油箱及液压系统、 进料装置、推料装置、压缩 室、打包机构等装置组成。 图2 一l 打包机的结构简图 1 基架2 模具3 穿针4 电机5 打结器 6 防护罩7 存储室8 压缩机构9 送料机构 l o 操纵系统1 1 推进机构 9 东北林业人学硕十学位论文 机架是本机的基础件，由型钢和钢板焊接而成，上梁的中部装有主油缸，活塞 杆的端部连接压头，用它对装在模具内的木片施加压力。机架的下梁上，对称装有 两个起模油缸，它们的功能是将模具举起或放下。压缩室由模具和防尘罩组成，模 具上面连接的是防尘罩，利用防尘罩的伸缩性，以便于模具的升起。在侧面和它连 接的是进料装置，在一端有侧油缸，活塞杆的端部连接有柱塞。柱塞的前进或后退 把木片从储料室推进模具内。储料室的木片由抽风机抽进。在模具侧面的机架上装 有自动打包装置，由穿针和打结器组成。穿针安装在机架上的管架上，制成半圆型， 尖部有一穿绳孔。穿针的运动是通过四杆机构实现的，并由打捆机构离合器加以控 制。 2 2 1 送料机构 送料机构由送料底板、连接片、连接轴和轴套等零件连接而成。送料带底板做 霍直 吝 吝 宜王 誊 土性 嚣弭 k 。# g l 省g g g 图2 2 送料机构部件简图 i 底板2 连接片3 连接轴4 轴套5 螺钉 2 2 2 推进机构 成带有凸起的横板，这 样在运送木片的过程中 可以防止木片下滑。由 单独的送料电机驱动装 在轴承座上的滚轮，滚 轮带动其上的送料带轴 套从而使送料带运动将 木片送至存储室，等待 压缩。这一过程是连续 的带宽：o 5 m ，送料带 倾角：4 0 。，带速： 0 4 m s ；电机型号： y 1 3 2 m 一8 ，减速器型号： n g w l 8 ，速比：1 ：4 1 8 。 进料装置是由存储室和推进器组成。当木片由送料机构进入到存储室后，推进 器( 见图2 - - 3 ) 将木片推入到压缩室内，同时推进机构的上端将存储室的进料口挡 住，当推进机构将木片完全推入进压缩室时，存储室开始继续抽木片，为下一个循 环做准备。 1 0 小片压缩打包机的设计及小片压缩庶力松弛研究 2 2 3 压缩室 图2 3 推进器部件简图 1 推进头2 连接螺栓3 推进杆 打包机几乎所有的部件均安装在压缩室及其侧面的机架上。因此，压缩室起着 机体的作用。同时打包主要在压缩室内进行。它是由上室、防尘罩、模具三部分组 成。上室是由1 0 r a m 厚的钢板焊接成的矩形筒状，上室侧壁留有进料口。上室下面 用螺钉连接防护罩，选用柔性风琴式压缩比为1 ：1 0 的防护罩，防护罩下边连接模 具。模具是由1 5 r a m 厚的钢板焊接成的矩形筒状，上无盖下无底，上部两侧用钢板 各焊接一根小梁，固连于起模油缸上，用于起模油缸拔模时支撑作用。为了使麻袋 顺利套在模具外侧，模具外侧棱边磨成圆角，在模具两侧板的适当位置，焊有凸块， 以便将套在模具外侧的麻袋涨住不至于滑下。 2 2 4 打包机构 打包机构是打包机的主要工作部分。它能 自动地供绳，结扣和打包。打包机构主要由 穿针，打结器，打包机构离合器等部分组成。 下面分别介绍它们的构造及工作过程。 2 2 4 1 穿针 穿针的主要作用是当活塞使木片处于 压缩状态时通过活塞表面的缝隙把捆绳送到 打结器处进行打结。如图2 4 所示，穿针安 装在机架上的管架上，制成半圆型，尖部有 一穿绳孔。打捆前，捆绳从绳箱出来后通过 压紧器和导绳器7 的孔，从穿针孔穿出最后 图2 4 穿针及传动部分 1 驱动链轮2 曲柄3 琏杆4 管架 5 穿针6 捆绳7 导绳器 、 _ |巨_ 东北林业人学硕 “乎位论文 央在打结器的央缝盘缺口内。穿针的运动是通过四计机构实现的，并由打捆机构离 合器加以控制。当活塞使木片处于压缩状态时离合器结合，扣结器轮丌始旋转，这 时固定在打结器轴外端的曲柄2 带动连杆3 和管架运动，从而使穿针向上提升， 绕过活塞缝隙把捆绳送到夹绳盘缺口与另一端捆绳并齐。捆绳割断打结完毕后。穿 针开始下降。这时，捆绳一端留在夹绳盘缺口内，为下次打捆作准备。 2 2 4 2 打结器 打结器是压捆机比较复杂的关用 部件。该打包机选用美国斯凯瑞公司 的打结器。主要包括打结嘴8 、夹绳 器7 、脱绳杆、9 割绳刀6 、复合齿 盘1 、夹绳器驱动盘2 和架体4 等( 图 2 5 ) 。架体4 通过轴孔套在打结器 轴3 。复合齿盘l 和夹绳器驱动盘2 则用键固定在打结器轴3 上。其他本 部件均安装在打结器架体4 上。 2 2 4 3 打包的形成 图2 5 打结器 1 复合齿盘2 夹绳器驱动盘3 打结器轴4 打结器 架体5 夹绳器传动齿轮6 岩0 绳刀7 夹绳器 8 打结器9 脱绳器l o 滚轮导板调整螺母 图2 6 打包的过程 打包的过程如图2 - 6 所示。捆绳从绳箱出来后通过绳箱压紧器，导绳器和穿 针绳孔，在经过压缩室，打结嘴上表面最后夹紧在夹绳器上。起模油缸下降时，模 具也下行，这时捆绳也被推向下方，捆绳不断从绳箱内拉出( 图2 - - 6 a ) ；当麻袋内 的木片被压缩活塞压实后，打捆机构控制器使打捆机构开始工作。随着打结器轴的 旋转，穿针在曲柄的带动下向上运动，把捆绳送到夹绳器与原来在打结嘴上表面和 夹蝇器缺口内的捆绳合并并被夹紧。打结嘴转动把两股绳打成绳环，当捆绳被切断 1 2 小片压缩扣包机的设计及水片压缩臆力松弛研究 后便形成绳结，把围在中问的麻袋打包( 图2 6 b ) ；然后，穿针丌始下降。捆绳端 部留在央绳器内，为形成下一个打包作准备( 图2 6 c ) 。 2 2 4 4 打结过程 如图2 7 所述，打结过程中穿针把捆绳送往夹绳器途中要经过打结嘴，以便 进行打结。这个程序在0 7 5 秒的时间内完成。打结基本上由八个动作完成，即：搭 绳，夹绳，绕环，张嘴，闭合，拉紧，割绳和脱扣，下面分别介绍之。 搭绳：当木片被压缩完后，控制器使打包离合器结合，打结器轴开始转动，最 先开始动作的是穿针，它在小曲柄的带动下向上运动，把捆绳通过压缩室腔体送到 压缩室上面，形成绳套，把被压缩木片围在其中，穿针上升当中，从活塞的槽中通 过。被送上去的捆绳经过打结钳咀的前侧和夹绳器的开口，穿针尖部超出夹绳器1 0 0 毫米左右。 拨绳：在穿针上升的途中，穿针尖端超过压缩室上面1 0 0 毫米左右时，拨绳板 开始摆动，它是从原来的位置向打结钳咀的下方运动，把送上来的一股捆绳紧紧地 压在打结钳咀的前侧，与已经在打结钳咀前侧的另一股绳合在一起，这样使得绳在 打结钳咀上处于正确的位置，而且在打结钳咀转动时绳不被推开，因为打结钳转动 速度很高，转一周只用0 1 5 秒，相当于5 8 0 转分，打结钳咀前侧是一个曲率很小 的曲面，为了打成绳结后退扣方便，这个曲率不能加大，所以如果压的不紧，在打 结钳咀转动时很容易把捆绳推开，捆绳与打结钳咀分开就无法打结了。 夹绳：当穿针上升接近最高点时，捆绳已经被穿针送到夹绳器的槽内，这时两 股绳在夹绳器的槽内合拢。这时夹绳器立即开始转动，转动1 8 周后，捆绳被送进 夹紧器内夹紧，夹绳动作完毕。 环绕：当夹绳器开始转动，但尚未停止时打结嘴开始转动。这时两股绳紧紧 压在打结钳咀上表面上。打结嘴顺时针方向转动，推动两股绳随之运动，转动开始 之后，打结钳咀上部的捆绳进入导向部分，导向部分是一个平滑曲面。打结钳转动 时，两股捆绳顺着曲面向下滑，这个曲面在打结钳咀的后侧延伸比较大一段，形成 一个很明显的凸起，没有这个凸起或这个凸起的高度不够，捆绳将缠绕在打结钳轴 上。 张嘴：打结钳转动l 8 周时，打结钳咀活动卡爪尾部滚轮与压块脱离，滚轮的 内侧与打结器架体上的半圆滑道接触，活动卡爪开始张开。当打结钳咀转动半周时 两股捆绳已经在打结钳咀上绕成一个圈。这时活动卡爪已经完全张开。打结钳咀继 续转动，打结钳咀上部的两股绳进入固定卡爪和活动卡爪之间，捆绳的位置、打结 1 3 东北林业人学硕士学位论文 钳咀的尺寸、活动卡爪张丌的角度保证了打结钳咀上部的两股绳能准确的进入两个 卡爪之间。没结扣之前捆绳已经处于张紧状态，经过打结钳咀的缠绕，捆绳已经被 拉得更紧。 图2 - - g 打结过程 闭合：当打结钳转动接近结束时，活动卡爪尾部滚轮内侧脱离了半圆滑道，它 的外侧又重新与滑块接触，使卡爪尖部向下运动，与固定卡爪相碰，呈闭合状态， 将抓取的两股捆绳夹在两卡爪之间。闭合时只是活动卡爪的尖端弯勾与固定卡爪接 1 4 小片压缩打包机的设计及卜片压缩戍力松弛研究 触，而中阳j 部分是有很大的问隙的，对抓取的绳没有压力。 拉紧：在钳咀闭合之后，脱绳杆马上丌始动作。脱绳杆在钳咀的下部，钳咀下 部的两股绳从脱绳杆的开口通过。当脱绳杆不动时，这个开口对绳起导向作用。脱 绳杆运动的方向是从打结钳咀的尾部向尖部，这就把缠绕在钳咀上的绳从尾部推向 尖部。钳咀闭合后外形是锥状的，这个锥状使绳在绳杆的推动下很容易从尾部向尖 部滑动。这时钳咀上部的两股绳仍夹在夹绳器内，绳在钳咀上滑动的同时被逐渐拉 紧，这时有活动卡爪尖部弯勾的阻挡，绳不会从钳咀尖部滑出。 割绳：绳环被拉紧到了一定程度后，已经被推到打结钳咀端部，脱绳杆继续往 前摆动，固定在脱绳杆上的割绳刀刀刃与捆绳接触，接触的位置是在靠近夹绳器的 地方。运动中刀刃将绳割断，割绳刀运动的速度较快，一般是1 2 米秒以上。 脱扣：捆绳被切断后，脱绳杆还在继续往前运动，继续推打结钳咀下部的两脱 绳，直到缠绕在钳咀尖部的捆绳从绳咀脱离，因为钳咀上部的绳不被割断，绕在钳 咀尖部的绳能在脱绳杆的推动下脱离钳咀。脱离的同时，被割断的那一头由于活动 卡爪弯勾的阻挡仍留在两卡爪之间，缠绕部分脱离后它才能被从卡爪之间拉出来。 这时绳结完成形状。 2 3 打包机的主要技术参数 主油缸型号为：y h g l 一g 一2 5 0 1 8 0 x 1 2 5 0 ： 起模油缸型号为：y h g l 一e 一1 0 0 7 0 8 0 0 ； 推进油缸型号为：s g l - - d s 0 x 1 2 0 0 s l ； 柱塞泵型号为：6 3 y c y l 4 1 b ； 电机：y 2 2 5 5 型，功率3 7 k w ，转速1 5 0 0 r r a i n ； 生产率：4 0 袋小时； 打包密度：0 4 1 吨m 3 ； 外形尺寸：7 2 0 r n m x 5 0 0 m m x 2 5 0 m m 。 2 4 打包机的工作循环 木片压缩打包机的工作循环： 1 ) 送料机构将木片从木片堆连续运送到存储室； 2 ) 起模油缸上升，在模具外侧套上麻袋，穿针开始侧移，捆绳端部留在夹绳器内， 为形成打包作准备，然后起模油缸下行： 3 ) 推进油缸前进，将存储室内已经进好的木片向前推进到压缩室。 1 5 东北林业人学硕十学位论文 4 ) 打丌侧门，放入一块木板。 5 ) 主油缸下行，压缩木片。 6 ) 起模油缸上升，模具从麻袋内拔起( 压头仍压住木片，此时木片就进入了麻袋， 等待打包) 7 ) 穿针通过活塞表面的缝隙把捆绳送到打结器处进行打结。 8 ) 主油缸上行，麻袋滚出，在模具外侧套上麻袋，起模油缸下行( 为下个循环做 准备) 。 2 5 经济分析 2 5 1 压缩费用 1 工资 本木片压缩打包机需工人2 人，每人每天工资2 0 元( 日+ 人) ，每班8 小时 工作制。每天共需付工资2 2 0 = 4 0 元 2 肩源费用 电费o 5 元度，功率约3 7 k w ，则每天电费为3 7 x 0 5 8 = 1 4 8 元日 3 设备投资 预计设备投资费用约为6 万元，1 0 年投资回收期，每年0 6 万元，则设备每天 的折旧费为o 6 + 3 6 5 = 1 6 4 元日 4 每袋压缩费用 日压缩( 6 0 1 5 ) 8 = 3 2 0 袋 则每袋压缩费用为( 1 6 4 + 4 0 + 1 4 8 ) + 3 2 0 = 0 6 4 元袋 2 5 2 运输费用 采用火车运输，根据2 0 0 1 年七月沈阳铁路局内部文件口6 1 ，查得木片运费发到 基价为5 4 元吨，运行基价为每吨0 0 2 4 3 元吨+ 公里。按c 6 0 火车的额定装载量 和尺寸计算。 每车皮运散装木片极限量为3 7 2 6 7 吨，而因包装工艺等因素的影响，设每m 3 木片2 8 0 k g ，每车实际装载散装木片最多为3 5 吨，实际散装木片每车皮约装1 0 5 0 袋，合1 2 3 5 m 3 ，约3 4 5 8 吨【1 3 】。如运输4 2 0 吨木片，散装时需4 2 0 + 3 5 ：1 2 车， 压实后需4 2 0 + 6 0 = 7 车。 ( 1 ) 散装时需装1 2 车 1 6 小片压缩打包机的漩计及小片压缩虑力松弛研究 麻袋费用为：1 2 1 0 5 0 4 2 = 2 5 2 0 0 兀 ( 2 ) 压实后需7 车，每车只需装8 4 1 袋 麻袋费用为：7 8 4 1 4 - - 2 = 1 1 7 7 4 元 压实费用为：7 8 4 1 o 6 4 = 3 7 6 7 6 8 元 设每1 t 1 3 木片2 8 0 k g ，原每车装1 2 3 5m 3 ，含3 4 5 8 吨；全车可装3 4 0 8 袋，每 袋装木片o 0 5 5 0 8 m 3 ( 0 1 8 0 6 0 5 1 ) 。今每车装1 8 7 7 1r n 3 ( 3 4 0 8 0 0 5 5 0 8 ) ，含 5 2 5 6 吨。每车多装1 8 吨，提高载运量5 2 ( 1 8 3 4 5 8 = 5 2 ) 。 总结：原需1 0 车运的木片，今用6 6 车运即可。 2 5 3 综合比较 运同样重量木片( 以4 2 0 吨为例) 节省费用： 麻袋费用节省：2 5 2 0 0 - - 11 7 7 4 = 1 3 4 2 6 元 扣除压实费用，实际省袋费用为：1 3 4 2 6 - - 3 7 6 7 6 8 = 9 6 5 3 3 2 元 运费基价节省： 1 2 6 0 ( 5 4 + 0 0 2 4 3 a ) - - 7 x 6 0 ( 5 4 + 0 0 2 4 3 a ) = 3 0 0 ( 5 4 + 0 0 2 4 3 a ) 元公里【3 4 】 其中a 为运输里程k m s 此运费节省价为发到基价节省费，如加其它方面的附加费用( 如税费、搬运费 等) ，实际上比此值要大得多。 这说明每运输4 2 0 吨木片，扣除压实费用，从麻袋和运费基价方面共应省： f 9 6 5 3 + 3 0 0 ( 5 4 + 0 0 2 4 3 a ) 1 元 则每吨木片总节省费用为： 9 6 5 3 + 3 0 0 ( 5 4 + 0 0 2 4 3 a ) 】+ 4 2 0 = 2 2 9 + 0 7 1( 5 4 + 0 0 2 4 3 a ) 元 ( 公式一) 例如：从牡丹江林业局运至跋鱼圈港平均距离为1 2 6 6 k m ，采用c 6 0 火车运输， 扣除费用，每吨木片可节省费用为： 2 2 9 + 0 7 1 ( 5 4 + 0 0 2 4 3 1 2 6 6 ) 】= 4 7 1 3 元 则每车可节省费用：6 0 4 7 1 3 = 2 8 2 7 8 元 从公式一中可以看出，运输木片重量越多，运输距离越远，节省费用越大。如 再考虑仓储费用、搬运费用等方面的费用，其经济效益会更高。 2 5 4 效益展望 采用火车运输，按c 6 0 火车的额定装载量和尺寸计算：每车运散装木片极限 1 7 东北林业人学硕十学位论文 量为3 7 2 6 7 吨，掘资料显示，因包装工艺等因素的影响，每车实际装散装木片 最多为3 5 吨，如运输4 2 0 吨木片，散装时需4 2 0 3 5 = 1 2 车，压实后需4 2 0 6 0 = 7 车，每袋木片压缩后的体积是原来的5 8 。 使用本文设计的木片压缩打包机，每台打包机按每天8 小时工作制，可压缩3 2 0 袋。每袋重0 0 4 4 吨，则一天可压缩3 2 0 x 0 0 4 4 = 1 3 9 9 7 吨，一年可压缩5 0 3 4 吨。 以牡丹江林管局下属的1 1 个林业局至跋鱼圈平均距离1 2 6 6 k m 为例，采用c 6 0 火 车运输，扣除各种费用，经计算，每吨木片可节省运费4 7 1 3 元，则每车可节省费 用6 0 x 4 7 1 3 = 2 8 2 7 8 元。则使用一台此打包机一年可节省运费 5 0 3 4 x 4 7 1 3 = 2 3 7 2 5 2 4 2 元，设备寿命1 0 年，平均每年大修用2 0 0 0 元，一共可创效 益： 2 3 7 2 5 2 4 2 x 1 0 - - 6 0 0 0 0 ( 打包机成本) - - 2 0 0 0 x 1 0 ( 大修费用) = 2 2 9 2 5 2 4 2 0 元， 即相当于十年间增收二百多万元，而且投资很少，设备简单，设计生产周期短，投 产见效快。如推广开来，其经济效益是十分可观的。 2 6 总结 木片压缩打包机的研制，解决了以往手动打包机打包及打包后松散的不足，而 采用自动进料和自动打包。这不仅减少了工人的劳动强度，而且提高了木片压缩打 包的效率。因此，该木片压缩打包机可以解决生产运输的实际需求，降低运输成本， 提高生产率，便于推广使用。 小片压缩打包机的没计及小片压缩府力松弛研究 3 液压元件的选择 根据试验可知，木片在本身无明显破损，不影响它的商品价值时，所能承受的最大 压力为5 5 6 8 m p a ，达到最佳经济的压缩比时，木片的内抗力为4 0 3 5 2m p a ，达到较 佳经济的压缩比时，木片的内抗力为4 4m p a 3 4 。 3 1 按较佳压缩比设计，取安全系数为1 1 木片的内抗力p = i 1 4 4 = 4 8 4m p a 模具的横截面面积a a = a b = 4 9 0 2 4 0 = i 1 7 6 1 0 5 m m 2 f = p a = 4 8 4 1 1 7 6 1 0 5 1 0 6 1 0 - 6 = 5 6 9 1 0 5 n 3 1 1 主油缸的设计及选择 1 油缸的推力f f ：p 生” 4 t 1 油缸的机械效率取1 1 = 0 9 5 油缸产生的推力要大于所需的压实力f f = ( 1 + 1 0 ) f = 1 1 5