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小型木材剥皮机设计-木材去皮机设计【三维SW模型】【含11张CAD图纸和文档资料】

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2齿轮.SLDPRT
套桶.SLDPRT
木材剥皮机.SLDASM
框架.SLDPRT
电机大.sldprt
出料组件
2V轮.SLDPRT
~$2V轮.SLDPRT
~$轴端端盖大.SLDPRT
~$进料滚子.SLDPRT
~$进料组件支架.SLDPRT
~$进料组件装配体.SLDASM
出料滚子.SLDPRT
出料组件装配体.SLDASM
轴端端盖大.SLDPRT
轴端端盖小.SLDPRT
进料组件支架.SLDPRT
切削组件
刀尖.SLDPRT
切削支撑支架.SLDPRT
切削组件.SLDASM
切皮刀体.SLDPRT
剥皮刀体.SLDPRT
支撑组件
支撑支架.SLDPRT
支撑滚子.SLDPRT
支撑组件.SLDASM
电机减速器
减速器.sldprt
电机.sldprt
电机减速器.SLDASM
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进料组件
进料滚子.SLDPRT
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内容简介:
毕业设计说明书小型木材剥皮机的设计学 院: 专 业: 学生姓名: 学 号: 指导教师: 二零一七年六月2摘 要木材剥皮在木材使用中是非常重要的一项工序,许多用材部门都需要在加工之前对原木进行剥皮处理。本次毕业设计在调研国内外木材剥皮机发展现状的基础上,根据导师的设计要求,分析了现有小型木材剥皮机的工作原理,在导师的精心指导下,设计了一种切削式小型木材剥皮机。该剥皮机主要由进给和切削两部分组成,主要通过移动进给支撑滚子适应不同直径的木材,实现高质量的剥皮处理此次设计主要是利用UG开发软件对剥皮机的机械结构进行了三维设计,之后利用AutoCAD软件绘制零部件的二维图纸及剥皮机的总装配图,使设计更方便指导实际生产。关键词:木材剥皮 计算机 三维设计 总装配图 IabstractABSTRACT Wood peeling is a very important step in the use of wood, and many woodworking departments require peeling of the logs before processing. The graduation design based on the research and development of the present situation of wood peeling machine at home and abroad. According to the design requirements of mentor, this paper analyzed the working principle of the existing small wood peeling machine, and designs a kind of cutting small wood under the careful guidance of the mentor. The peeling machine is mainly composed of two parts, feed and cutting, mainly through the movement of the feed roller to adapt to different diameter of the wood, to achieve high-quality peeling treatment. The design is mainly the use of UG development software on the mechanical structure of the peeling machine was a 3D design, and then use AutoCAD software to draw parts of the two-dimensional drawings and peeling machine assembly diagram, so that the design more convenient to guide the actual production.Key words: wood peeling computer 3D design assembly diagramII目录目录摘 要IABSTRACTII第一章 引言11.1木材剥皮机械化的意义11.2 剥皮机发展状况21.3 剥皮机种类31.4 国外剥皮机概况41.5 剥皮机发展趋势5第二章 小型木材剥皮机的结构及原理分析72.1 剥皮机整体设计72.1.1 剥皮机的整体结构72.1.2 剥皮机的工作原理82.1.3 剥皮机的操作过程92.1.4 如何确定滑块移动距离92.2 进给组件设计112.2.1 进给组件整体结构112.2.2 轴122.2.3 进给滚子132.3 切削组件设计162.3.1 切削组件整体结构162.3.2 切削部件172.3.3 剥皮部件182.4 支撑部件设计202.4.1切削组件支撑部件202.4.2 进给组件支撑部件212.4.3 主框架22第三章 组件校核233.1电动机的选择233.2 普通V带校核243.3 进给轴的校核263.4 键的选择与校核293.5 安全系数校核30第四章 总结与展望33参考文献35致 谢36IV第一章 引言第一章 引言1.1木材剥皮机械化的意义绝大部分地区的人们对木材剥皮机的了解并不多,因为人们平常见到的大部分木材都已经进行过剥皮处理。不过大家都知道木材的用途非常广泛,可以用来盖房子供人们居住,做高档家具供人们使用,另外还可以雕刻成工艺品供人们观赏把玩,剩下的边角料用木粉机粉碎便是造纸的材料。现如今树皮的作用也不仅仅局限在粉碎后成为造纸的原材料了,一些艺术家开启了树皮新的应用领域,将树皮进行稍微处理后做成树皮画供大家观赏,具有较高的收藏价值。但是,树皮与树木是结合在一起的,如何能够在保证工作效率情况下使它们分开,这时木材剥皮机就显得尤为重要,特别是灵活性强的小型木材剥皮机。 对于许多木材生产以及用材部门而言木材剥皮处理是一项非常重要的工序。例如:造纸厂、木材加工处理厂、铅笔板材生产厂、火柴加工厂、贮木厂等众多部门,它们所使用的木材都必须进行过剥皮处理。在实际情况中,木材剥皮处理具有许多不可缺少的实际性意义:1.便于木材贮存:树干主要由韧皮部和形成层两大部分组成,两者成分中都含有大量有机物质,这些有机物质为部分有害菌虫的快速繁殖创造了非常有利的生存条件。为了能够避免木材受到损坏,对新砍伐的原木直接进行剥皮处理能大大降低菌虫对木材的损坏度。在我国南方的许多林区就是在木材砍伐的同时进行剥皮处理,诸如:广西、云南、四川等。否则在南方那样潮湿的环境下,树木在伐倒后很短时间内就有可能被害虫蛀蚀,最终木材将会腐烂成废材。2.确保加工成品质量:对于需要使用的木材来说,原木进行剥皮处理后更容易发现木材是否存在缺陷以及缺陷的位置,从而能够更早更合理的做到量材下锯,以便更好地提高工厂的出材率。为了能够获得更高质量的纸张、单板和胶合板等木材加工品必须先进行木材剥皮处理。3.降低锯的磨损量:砍伐后的原木经过机械拖拉,搬运以及贮存后,树皮表面会积存许多泥沙等杂物,当直接用锯对这样的原木进行加工时,泥沙等杂物增加了锯齿磨损程度,容易造成锯齿变钝或蹦齿等现象。木材剥皮处理后,表面比较光滑,泥沙很难大量积存大大降低了对锯齿的损坏程度。4.降低劳动强度:由于提前对原木进行剥皮处理,除掉了约占整段木材重量10的树皮,大大地降低了装卸和搬运等过程对工人劳动力的损耗,降低了工人的劳动强度。同时,对于用材部门而言省去了加工前处理树皮的工序,改善工作厂区的卫生条件,节约了厂房空间,提高了工作效益。 随着用材部门对木材需求量的增加和剥皮质量要求的不断提升,原始手工剥皮已经不能满足用材部门的要求,机械化剥皮需求的呼吁声越来越高。主要原因是原始手工剥皮的方法劳动强度太大,而且生产效率和剥皮质量较低,仅剥皮这一个工序就会耗费大量劳动力,这必将导致相关产业的生产成本大大提高。如果采用机械式剥皮,十几人的工作量一两个人就可完成,而且工人的劳动强度大大降低,相关产业的成本也必然随之降低。因此,实现剥皮机械化对林木业的快速发展有着十分重要的意义。1.2 剥皮机发展状况 木材剥皮机属于对木材进行处理加工系列机械产品中的一类,主要由进料组件、切削组件、传动机构、出料组件以及底座等结构构成,适合对新砍伐的木材、部分冻材以及晾干后的木材进行剥皮处理。 国内外木材的剥皮处理都经历了从手工剥皮到半机械化剥皮最终实现机械化剥皮以及水力剥皮等几个阶段的演化,但是国外剥皮机的使用比国内要早几十年。国内剥皮机的剥皮质量和生产效率都要远低于美国、德国等部分发达国家制造的剥皮机。 国外某些发达国家正致力于剥皮机技术升级项目的开发运用,与国外相比在剥皮机的研制方面还是存在很大差距的。 1)手工剥皮阶段:在机械式剥皮还没有研究制造出来之前或仅仅小范围使用机械剥皮时,所有的原木剥皮工作都是工人们用弯刀、斧子、磨刀和铲刀等手持刀具进行剥皮和磨削,生产效率受工人体力、原料状态及工作环境等条件的限制,导致用材部门的工作计划很难如期完成,对该部门的生产效益产生较大影响。在好剥皮的时候(春夏两季),使用薄型铲或空心铲便能将树皮剥干净。在难剥皮或树皮厚的冬季,则要使用厚型铲或剥皮弯刀进行木材剥皮。铲刀刃口十分锋利,剥皮时对木质层的破坏很小。一般情况下,工人在工作时都会自带三、四把刀具以便根据所剥树皮的厚薄选择合适的刀具。2)半机械化剥皮:工人们手抱原木向运行的机械设备中推进,对原木进行剥皮处理;或工人手持运行的切削设备向原木推进从而完成剥皮工作,例如:简易小型铣刀式剥皮机。无论哪一种,剥皮设备均为小型的低动力驱动机器,剥皮的效率大约是手动剥皮的2-3倍。 3)机械化剥皮:机械化木材剥皮机的形式大多为铣刀式、环式以及滚筒式三种。滚筒式和环式剥皮机研发较早已形成固定系列,刚开始使用的滚筒式木材剥皮机为湿式,在剥皮的同时需要向木材进行洒水。这样的方式虽然剥皮方便了,但是对环境具有较大污染,浪费大量水资源而且冬天无法工作。为了改变这一状况,研发出现新的干式滚筒木材剥皮机。这种剥皮机生产效率高,对外界环境的适应性强。环式木材剥皮机在不断发展的过程中,运用了光电、液压以及气动等新型技术。1.3 剥皮机种类 用材部门对剥皮机主要有以下几点要求:剥皮效率要高,对木质的损坏要少,剥皮技术要先进,设备结构要可靠,具体操作要简单方便。在充分考虑以上要求以及原木的种类、直径、弯曲度等影响因素的情况下,发达国家研究制造出了适应各种环境的不同类型的木材剥皮机,到目前为止,已经批量生产并投入市场的大约有一百多种,其中90%左右的剥皮机为机械式剥皮机。所以,目前除了使用小部分水力等其他类型剥皮机,世界各国使用的剥皮机绝大部分是机械式。 剥皮机的种类根据其结构形式、安装情况、剥皮原理以及适用范围的不同可大致分为以下几种:1.按结构形式分为: 1)滚筒式木材剥皮机;2)环式木材剥皮机;3)铣刀式木材剥皮机;4)摩擦、锤击式木材剥皮机;5)水力式木材剥皮机6)非机械式剥皮装置。2.按安装情况分为: 1)移动型木材剥皮机:该类型的木材剥皮机主要具有设备重量轻、移动方便快捷以及设备机动性能强的特点,诸如:手提式剥皮机和其他广泛应用于伐区内的木材剥皮机械等。 2)固定型木材剥皮机:该类型的木材剥皮机主要是安装在需求量很大并且作业场地比较固定的生产厂中,一般为大型木材剥皮机。它的主要特点包括生产效率高,振动小,剥皮速度快以及木质损坏少。3.按剥皮原理分为: 1)机械式木材剥皮机(包括铣刀式木材剥皮机、滚刀式木材剥皮机以及摩擦式木材剥皮机等);2)水力式木材剥皮机;3)化学腐蚀式木材剥皮机;4)超高频声波式木材剥皮机;5)气力式木材剥皮机;6)电力水波式木材剥皮机。4. 按适用范围分为:1)普通式木材剥皮机;2)专用式木材剥皮机。1.4 国外剥皮机概况 国外的木材剥皮机无论是种类还是工作性能都发展的非常迅速,各个类型木材剥皮机的生产数量逐年增加,例如:早在1970年,日本滚筒式木材剥皮机就已经拥有1840多台,铣刀式木材剥皮机的数量就更多了,高达2800多台,合计拥有木材剥皮机4640多台。除此之外,日本还致力于环式木材剥皮机、水力式木材剥皮机等新种类的研制。美国、加拿大、西德、北欧等大多数发达国家都广泛使用环式木材剥皮机、滚筒式木材剥皮机、铣刀式木材剥皮机及各种专用式木材剥皮机。 国外研制的木材剥皮机主要包括以下几个特点: 1)对已经研制成功的并且在日常生产中得到广泛应用的木材剥皮机进行不断的结构升级改造,努力将现有的木材剥皮机的结构与先进技术相结合。诸如,芬兰研究制造的VK-16环式木材剥皮机,自五十年代问世至今已经进行过多次机构和技术的改进升级,原有的刀盘由离心配重式改进为液压式,剥皮机的进给部分全部升级改造成由液压控制,还结合了许多新技术,像光电控制等技术。大大提高了木材剥皮机的自动化程度。与此同时,VK-16木材剥皮机也进行了几种变形处理,以便能够适应更多种类的树木和具有更多地剥皮方式。到目前为止VK16型木材剥皮机已经发展的相当成熟,形成了一个独特的剥皮机系列,该系列剥皮机有20余种,在国际市场上拥有非常高的竞争能力,产品在世界50多个国家内都有销售。 2)致力于新结构、新用途以及新形式木材剥皮机的研制,积极向新技术、新工艺靠拢,争取在木材剥皮机的性能和种类方面有所突破和升级。同时,逐步淘汰生产效率低和剥皮质量差一些的旧机型。 3)对已经研制成功的木材剥皮机,国外专家支持在生产中大量使用,以便及时发现问题解决问题,对该类型的木材剥皮机进行更快的结构和技术升级。这也是国外木材剥皮机得以迅速发展的一个至关重要的原因。 4)在国外环式木材剥皮机、滚筒式木材剥皮机、铣刀式木材剥皮机以及水力式木材剥皮机得到最广泛的应用。对于芬兰、瑞士以及苏联等工业起步较早的国家而言环式木材剥皮机是它们的首选;对于日本、西德等二战后迅速发展的国家而言滚筒式木材剥皮机和铣刀式木材剥皮机是它们普遍的选择;而像美国、加拿大等水力技术比较先进的发达国家则大量使用水力剥皮机。 多年以来,机械式木材剥皮机一直是国外的研制重点,机械式木材剥皮机约占剥皮机总数的90。但是,近几年随着科学技术的发展以及运用越来越成熟,新型的非机械式木材剥皮机发展速度越来越快,在剥皮机的产业中所占比重也是逐渐增加。1.5 剥皮机发展趋势木材剥皮机的发展趋势可大概归纳成以下几个方面: 1)滚筒式木材剥皮机是机械式木材剥皮机种类中研制最早的,至今已有七十多年的使用历史。滚筒式木材剥皮机在七十多年的生产中彰显了它强大的生命力。滚筒式木材剥皮机为何能在这么多年以后依然在木材剥皮机的领域内占有一席之地主要是因为它能对弯曲的,甚至是带叉的原木或枝丫的木材进行剥皮处理,并且在一定程度上能够去朽,这些都是其他机械式木材剥皮机无法超越。此外,滚筒式木材剥皮机还具有工作效率高,使用寿命长,操作简单等优势。滚筒式木材剥皮机包括湿式和干式两种,湿式滚筒木材剥皮机比干式滚筒木材剥皮机对木质损坏少,不过干式滚筒木材剥皮机的生产效率比湿式的高,并且对环境没有污染,所以这两种滚筒式木材剥皮机各有各的优势,在今后较长的一段时间内将可能继续使用和发展。目前,滚筒式木材剥皮机应该会朝着大规格化的方向发展,以便进一步提高剥皮机的生产效率,从而降低厂家的加工成本。2)环式木材剥皮机是机械式木材剥皮机的另一种较好的机型,在使用过程中也得到了广泛的应用和不断的发展。该类木材剥皮机结构上采用了一些新的技术进行升级,促使该类型的木材剥皮机的自动化程度越来越高。目前,环式木材剥皮机正努力克服自身适用范围窄的弱点,朝着更广的适用范围发展。现在已经研制出了一批具有新型结构的环式木材剥皮机和专用木材剥皮机。3)铣刀式木材剥皮机的生产效率比环式和滚筒式木材剥皮机的要低一些,对木质损坏程度也要比它们高一些。但是,由于铣刀式木材剥皮机的机械结构非常简单,造价相对较低,在中小型原木剥皮机中应用依然比较广泛。现如今国外已经研制出生产效率较高、木质损失较小,甚至无木质损失的铣刀式木材剥皮机,促使铣刀式木材剥皮机得到进一步发展,占据了中小型木材剥皮机的绝大部分市场。4)水力式木材剥皮机是一种新研发的采用新型剥皮方式的机械式木材剥皮机,它剥皮过程不受原木的形状限制,剥皮效率高而且十分干净,最重要的是对木质没有任何损坏,到目前为止,已经有一些国家将大量的水力式木材剥皮机投入厂区使用,我们相信随着技术的逐渐成熟,新型剥皮方式的木材剥皮机必将会有进一步发展。在努力改造传统木材剥皮机的同时一些发达国家正致力于气力剥皮、木片去皮以及削片同时去皮等新技术的研究。在这个过程中,超高频剥皮法、电力水波剥皮法等一批新型剥皮方式不断出现,为木材剥皮机事业开辟了更广阔的发展前景。 虽然国外研制的各种类型的木材剥皮机的性能都十分优越,但是它们的价格昂贵,并不是最适合我国国情的木材剥皮产品。如何实现对木材剥皮的同时降低生产成本已经成为亟待解决的问题,本课题也正是基于此目的而开展的。38第二章 小型木材剥皮机的结构及原理分析第二章 小型木材剥皮机的结构及原理分析2.1 剥皮机整体设计此次设计的木材剥皮机外形尺寸(长*宽*高)控制在3000*2000*1600以内,主要由进料组件、切削组件、出料组件、驱动部分以及众多支撑部件等五大部分组成。各部分进行了合理的设计,各零部件与其他零部件之间配合紧密,组装后的剥皮机实现了机械结构坚固,安装方便合理,操作简单安全以及维修容易快捷等各项预期目标。该剥皮机能够实现木材自动进给,每台机器只需两名工人负责上料和下料即可,大大降低了工人的劳动强度。通过调节进料和出料组件中的支撑滚子部件上的底部滑块以及横臂支撑的传动滚子的高度实现对不同直径木材的固定。剥皮机加工木材的直径范围可以控制在8cm18cm,切削与剥皮相结合的切削组价部分设计,实现了去皮率高于90%,木材损失率控制在2%以内的加工要求。2.1.1 剥皮机的整体结构该剥皮机(除去顶部调节杆和皮带)整体结构的俯视图和斜视图如图2-1和图2-2所示。切削部分的电机安装在刀轴的底部通过皮带直接驱动刀轴,进料和出料部分的电机分别安装在位于传动滚子一侧的框架上,电机经过减速器减速后通过皮带作用在转轴上。顶部调节杆安装在顶板上通过螺母来控制横臂5的上下的转动。图2-1 木材剥皮机整体结构俯视图1底板、2进给支撑套筒、3木材支撑筒、4进料传动滚子、5带座外球面轴承、62V带轮、7横臂转轴、84V电机带轮、9减速器、10联轴器、11电机、12电机支撑框架、13带座外球面轴承、14进给传动轴、15出料传动滚子、16进给传动套筒、17进给支撑轴、18刀轴、19刀轴套筒、20切削刀部件、21剥皮刀部件图2-2 木材剥皮机整体结构斜视图22滑块、23进给支撑臂、24支撑角铁、25横臂、26传动竖臂、27L型支撑臂、28切削支撑臂、292V带轮、30左右支撑隔板、31底座支撑架2.1.2 剥皮机的工作原理假设此次设计的木材剥皮机的放置方式如图2-1所示,原木沿水平方向从右向左进给一次通过进料、切削和出料三个区域。在设备调试完成后,由工人甲将进行过侧枝预处理后的原木抱到剥皮机右侧通过进料木材支撑筒3推送到进料组件工作区内与进料滚子接触,电机驱动着进料传动滚子4绕轴逆时针转动,滚子上具有一定倾斜度的锥型凸起对木材同时施加转动和向左移动的力,在木材的树皮上留下螺旋式的划痕。支撑滚子和同侧的两个传动滚子把原木材夹在中间,并把原木顺时针转动着传送到切削组件工作区;切削组件工作区内的刀轴在电机的驱动下带动刀架顺时针转动,原木依次通过剥皮刀部件和切削刀部件;完成剥皮和切削工序后进入出料组件工作区,出料传动滚子15的表面覆盖一层有半球型凸起的橡胶,支撑滚子表面覆盖一层平滑的橡胶。在与剥皮后光滑的木材表面接触时,摩擦系数相对增大,橡胶具有一定的弹性,对木质的损坏程度较低,木材依然可以顺时针旋转着前进,切削结束的木材传送到出料支撑筒处后由工人乙搬走堆放,一次剥皮循环结束。2.1.3 剥皮机的操作过程此次设计的木材剥皮机加工木材范围为80mm180mm,这就要求该设备的各支撑臂要存在相对于地板能够前后移动的,以便能够保证原木直径变化的情况下进给组件部分能够对原木进行适当加紧固定。因此,具体操作主要分为以下三个阶段:准备阶段、调试阶段和运行阶段。1)准备阶段:在剥皮机开机工作之前或者当被加工的原木的直径发生变化时,工人们需要对剥皮机中存留的树皮进行清理,以便接下来的调试工作更加便捷。工人首先要根据接下来要加工的原木直径确定进料和出料组件中安装支撑滚子的支撑臂23的移动尺寸a(原木直径的变化对应的滑块移动的距离数值及依据,详见章节2.1.4);然后查找或测量出所要加工木材种类的树皮厚度d,通过调节滑块移动相应的尺寸c(c=a+d)。2)调试阶段:由于同种树皮厚度为近似值以及人工调节滑块移动距离时存在刻度尺读数时因角度不同产生误差以及其他的影响因素,所以在正式加工之前需要进行调试。工人启动机器后加工3-5根原木,观察剥皮效果对剥皮机的相应支撑臂再进行微调处理,直到加工好的木材符合剥皮后木材的要求。 3)运行阶段:调试接受后剥皮机可以正式运行了,如果加工批次较小可一次性加工完成,如果加工批次较大,下料工人需要根据木材的情况进行停机调整,以保证较高的去皮率和较低的木材损坏程度。2.1.4 如何确定滑块移动距离 该剥皮机设计的进料和出料组件的支撑臂23均安装在滑块上可前后移动,横臂25设计成可上下调节式。切削组件的支撑臂28也安装在滑块上,便于在调试阶段时进行微调以便更好地达到木材的剥皮要求。这样设计的目的是使木材的轴心随着直径变化沿着水平直线移动。如何实现木材直径变化轴心只是水平移动?这就需要木材直径与滑块移动尺寸的精确对应。 通过使用Auto CAD绘图软件直观精确地确定了木材直径变化与滑块移动距离的对应关系。我们设木材直径变化的单位量为10mm,测量发现进出料组件滑块的移动距离为d=(8.6+c)mm,横臂需要向左移动4.3mm,向下转动的高度为7mm。如图2-3所示:图2-3 木材直径与进出料支撑臂移动关系简图1支撑下臂、2支撑上臂、3木材、4横支撑臂、5进(出)料滚子、6传动滚子水平移动尺寸(43.3mm)、7传动滚子竖直移动尺寸(70.3mm)、8支撑滚子水平移动尺寸(86.6mm)、9支撑臂、10底部滑块剥皮机进料组件和出料组件部分结构相似,所以尺寸调节方式相同。如图2-3,在滑块10的中间刻有基准线,在底板的滑槽下表面安装特质刻度尺(如图2-4),当滑块基准线均与零刻度对齐时,加工木材为最大直径180mm。当木材直径为最小直径80mm时,支撑臂10需要向内侧移动86mm方可接触木材外表面。横臂需要向下转动的同时支撑臂2需要向外侧移动43.3mm。图2-4 特质刻度尺1110mm刻度处、2零刻度处、350mm刻度处、4180mm刻度处进料和出料组件按尺寸移动完毕后,启动设备进行尺寸调试确定最终尺寸,此时刀轴支撑板底部的滑块与进给部分的支撑滑块起着相同的作用,距离微调生产出符合要求的木材。2.2 进给组件设计进给部分在一部机器设备中起着至关重要的作用,进给部分设计不合理往往会导致整个机器无法正常运行,成为一件废品。在剥皮机中进给部分的作用更加突出,只有进给部分实现紧密配合,切削部分才能正常平稳的工作。2.2.1 进给组件整体结构进给部分除了要承担对木材支撑和固定任务,还要承担一项更加重要的任务就是让原木按顺时针绕轴旋转同时,在此期间既要保证原木的旋转又要使原木直线进给。如何保证原木的旋转?经过查阅资料和老师探讨后决定在进料传动滚子的外表面每隔30加工上五个锥型凸起,从而抓紧未加工的原木表面,再电机的驱动下带有凸起的两个传动滚子逆时针转动同时对木材施加力使其顺时针转动,凸起对表面产生一定的划痕;由于原木在刚剥去树皮的情况下木材比较滑,所以在出料滚子的外表面覆盖一层表面粗糙的橡胶,在与木材紧密接触带动其旋转的同时对已加工的表面起到保护作用;如何使木材实现直线进给?这主要依靠进给滚子的合理设计,将进料滚子外表面的锥型凸起设计成具有一定斜度,同时安装进给滚子的中心轴线与原木的轴线也倾斜一个较小的角度,使进料滚子作用在原木上的力可以分解出一个较大的且与原木进给方向相同的力。至于夹紧和支撑功能则由进给滚子和支撑滚子配合实现,整体结构如图2-5、图2-6所示,以便达到最佳效果。 图2-5进料组件整体结构 图2-6 出料组件整体结构进给部分按结构主要分为轴和滚子两部分,滚子又分为传动滚子和支撑滚子,还有轴承座及套筒等附属零部件。接下来将对进给部分主要零件结构的具体设计进行详细描述。2.2.2 轴轴是电机转矩传递的载体,进给系统的中心,滚子及其他零件都要安装在轴上,轴的结构尺寸直接决定其他部分的设计,对于轴的结构主要有以下两种选择方案:一种选择是将轴设计成芯轴,即轴并不转动,心轴的两端与支撑臂通过螺栓和螺母拧紧,两者紧紧固定在一起来提供克服滚子及轴上其他零件重力所需要的摩擦力。至于滚子如何的转动,可以将滚子与带轮固定在一起,然后在它们的圆柱孔内安装一对轴承。这样设计的优点在于结构简单,轴不用开键槽加工方便,也无需传动转矩使用寿命长而且进给部分调整其在支撑臂上的相对位置将更加方便。但是这种设计存在致命缺陷:芯轴不转而传动滚子转动,这样的话必须在滚子内部安装轴承,而轴承的内圈与芯轴和外圈与滚子内圆柱面必须是过盈配合或过渡配合,滚子和轴的连接仅仅依靠轴承进行摩擦,轴承需要承受滚子和带轮的重力。而轴承又属易损件,轴承一旦损坏整台机器就需要停机维修,而且这种安装方式很难更换,所以此种选择并不适用。另一种选择是将轴做成转轴,轴两端加轴承安装在支撑臂上,而并非将轴承安装在滚子内部,滚子和带轮用键与轴连接在一起,轴向方向利用轴肩、套筒和轴承座进行定位,并用螺钉固定在支撑臂上。结构如图2-7所示:图2-7 进给部分轴设计这种设计的优点就在于轴本身转动,而轴承所受的压力也比第一种设计小得很,且轴承容易维护和更换。滚子和轴的连接不用通过轴承而通过键连接,从工艺性上来讲要好得多。而缺点就是结构比较复杂,且螺钉拧紧后整个进给部分不能再调整及移动,应变能力不强。但是可以通过调节支撑臂来适应木材直径变化。出于综合考虑,最终设计采取第二种方案。2.2.3 进给滚子在木材剥皮机中,滚子的主要作用是压紧原木,使切削部分能够正常工作,并在压紧原木的同时保证其绕轴线旋转和沿轴线方向前进。根据安装位置剥皮机中设计的滚子分为进料滚子、支撑滚子和出料滚(分别位于切削部件的两侧),木材经过进料滚子时只进行分支处理还没有被剥皮,因此为了能够抓紧树皮,在进料滚子的表面镶有一排排倾斜的锥型突起,以便在木材经过时卡入木材的缝隙或树皮从而带动其转动着前进;而木材经过出料滚子时木材剥皮工作已经完成,为了保护已加工的表面和继续带动木材旋转着前进,故在出料滚表面覆盖一层表面粗糙的橡胶,因为橡胶具有一定的弹性,表面设计成具有一定斜度的半球型凸起,从而起到既带动木材转动着前进又不会对原木表面产生伤害的作用。支撑坚固作用主要依靠两个带凸起传动滚子和支撑滚子三者配合实现,支撑滚子不需要对木材起传动作用,所以表面覆盖光滑橡胶起保护作用即可。支撑紧固示意图如图2-8所示:图2-8 支撑紧固配合示意图1带凸起的传动滚子、2木材、3支撑滚子对于滚子的传动装置,主要有两种设计方案:链传动和带传动。链传动的主要优点是没有相对滑动,工况相同时尺寸配合比较紧凑,不需要很大的张紧力,作用在轴上的载荷小,传动效率高,适应比较恶劣的工作环境,轴与轴之间距离可以很大。但是,链传动也存在着不可避免的缺点,例如:瞬时传动速率不均匀,平稳性较差,对冲击振动的抵抗能力较差,而且造价较高。相对而言,带传动虽然传动效率较低,存在一定的打滑现象,传动比并不是很精确,作用在轴上的载荷较大,但其可以缓和载荷冲击,运行平稳且噪声低,制造和安装精度要求远低于链传动,且在过载情况下出现的打滑现象还可以起到保护零件的作用。木材剥皮的传动并不需要很精确,但是在加工过程中会有冲击和震荡,运动并不平稳,切削部分需要比较稳定的传输,故综合考虑后选择带传动作为传动方式。进料滚子如图2-9所示,未覆盖凸起橡胶时的出料滚子和光滑橡胶时的支撑滚子如图2-10所示: 图2-9 进料滚子 图2-10 出料和支撑滚子 装配后的进料组件如图2-11所示,出料组件如图2-12所示,支撑组件如图2-13所示:图2-11 进料组件装配图图2-12 出料组件装配图图2-13 支撑组件装配图2.3 切削组件设计切削组件是剥皮机的核心部分,该部分合理的刀具设计及安装分布将直接决定剥皮机的工作性能,切削组件安装后要实现木材去皮率高于90%,木材损失率控制在2%以内。这就要求切削部分的设计和安装更加合理。2.3.1 切削组件整体结构 为了实现这一加工要求将剥皮机的切削部分设计成先切削后剥皮的模式,进行单侧剥皮切削,电机直接安装在刀具下方,在木材直径发生变化切削组件微调时电机的位置无需调整。整体结构如图2-14所示:图2-14 切削组件整体结构单侧先切削后剥皮的滚刀剥皮机比直接进行剥皮的滚刀剥皮机工作效率更高,剥皮更干净,对木材的损伤也更少,设备的使用寿命更长。为了达到木材剥皮平稳且表面质量较好的要求,故将切削部件分成两块:切削部件和剥皮部件,如图2-15和图2-16所示。切削部件负责将木材坚硬表面以及一些节子、枝丫、伤疤等统统去除,为彻底剥皮做好准备。而剥皮部件负责将已经粗加工的木材进一步加工,从而加工成符合要求的木材。 图2-15 切削部件左视图 图2-16 剥皮部件右视图在切削和剥皮区域内将切削部件和剥皮部件安装在圆筒形刀架上,剥皮部件位于切削部件的左侧。刀架通过键安装在转轴上,轴安装在切削组件的支撑臂上,轴与支撑臂之间通过轴承座连接,轴向由轴肩和套筒实现轴向定位。2.3.2 切削部件切削部件的刀架上安装了十把高度不同的圆柱形切刀,分成两组在轴线方向上按一定间隔排成5排,径向上每两把切刀对称分布。每一组刀具按高度不同分成a-e五把刀。切削刀架右端安装的切削刀高度最短,向剥皮部件的方向逐渐增大,即5列刀齿a,b,c,d,e由低到高依次排列。每两把不同的刀具轴向间隔30毫米,径向角度间隔36度,而每一型号刀具有两把,从端面看为沿中心线对称分布,沿径向展开后排列为如图2-17所示:图2-17 切皮刀具展开图 从端面看如图2-18所示:图2-18 切皮刀端面图各刀的切削刃口向切削部件的轴线方向倾斜,也就是切刀有向左上方倾斜的切削刃口,依次类推。在切削部件的轴向凹槽内安装切削刀。切削刀从刀体的切线方向有锐利的刃口突出。切削刀利用从压紧板中形成的开口和长孔穿过的螺栓固定在刀体上。长孔用来调整刀具的伸出量。各切刀的切削刃口的关系是外侧齿的切削刃口的最高点同它相邻的内侧齿的最低点一样高,即刀a-c的切削刃口的倾斜大约是一致的,可是刀d和e的切削刃口倾斜度数比较大一些,这是考虑到木材在进给过程中被切除了一部分,直径减小,后面的刀具必须采用刀具半径递增的安排,才能继续剥皮。刀具的材料为硬质合金钢,刀具与刀体之间通过螺纹连接,这样做的优点在于刀具的伸出量在一定范围内是可调的,可以适应不同要求的剥皮厚度。因此,当原木沿着切削部件轴向运动时,左侧的切刀将节子和伤疤部分削去,剥皮刀c、d、e开始对原木进行剥皮,去除绝大部分树皮。从回转轴右端看,为防止木材急剧切削,在剥皮刀上设有过渡刃,切削刃的右端和刃口的左端一样高。剥皮刀的外端有向下倾斜的刃口。出料滚可对加工后的木材表面施以适当压力,以防刀具把从切削部分出来的原木表面削成环状刀迹。2.3.3 剥皮部件剥皮部分由四把剥皮刀组成,四把刀安装在刀架上,分成90度分布,安装刀具时通过压板固定,用螺钉联结,通过拧紧螺钉产生很大的切向力与切削力抵消从而保证刀片不会滑动。刀片上的孔稍微长出一部分,以此可以适当调整刀片的伸出量,和切皮刀一起从而实现适应不同剥皮厚度的要求。而且剥皮刀的伸出量要和切皮刀的e刀(即刀具伸出量最大的那个)平齐,以保证加工质量。在刀片的端面加过渡刃,以免崩刃。刀具端面图为如图2-19所示:图2-19 剥皮刀断面图 其侧面图为如图2-20所示:图2-20 剥皮刀侧面图 与切皮部分组合后为如图2-21所示:图2-21 切削部件侧面图2.4 支撑部件设计支撑部件也是一部机器中不可缺少的部分,起着支撑各部件,并将各个零部件有机的联系成一个整体的作用。支撑部件可以笼统的分成切削组件支撑部件、进给组件支撑部件、木材支撑筒和主框架四部分。2.4.1切削组件支撑部件切削组件支撑部件的主要功能就是支撑切削轴及其轴上的切削零部件,故切削部件支撑部件主要由两个支撑臂、两个套筒以及两个轴承座构成。支撑臂的作用是将整个切削部分支撑相应的高度,以便切削组件能够和进给组件更好的配合,其次,支撑臂可以缓解原木对刀具的压力,防止刀具受到过大的压力时,作用在轴上的载荷超越切削轴的刚度使轴发生变形。支撑臂的结构如图2-22所示,底部设计是为了更好的安装在滑块上,顶部设计成直径小于切削刀的最大直径,从而保证在起到支撑作用的同时避免影响刀具对木材进行切削和木材的轴向进给。套筒在支撑部件中起着轴向支撑的作用,两侧分别支撑在带轮和轴承座上,来保证切削轴在转动的过程中各零部件不会发生轴向移动。轴承座与支撑臂通过螺钉连接在一起,两者不发生任何相对移动。支撑臂、套筒以及轴承座三者支撑起整个切削组件的轴向定位,确保切削组件正常工作。图2-22 切削组件支撑臂2.4.2 进给组件支撑部件进给组件支撑部件的主要功能就是支撑进给系统,即进料组件和出料组件。相对于切削组件支撑部件而言,进给组件支撑部分设计的更加复杂,虽然它也是只包括支撑臂、套筒和轴承座三件,但是进给部分的支撑臂包括支撑传动滚子的横臂、竖臂和L型支撑臂以及支撑滚子的竖臂。进给组件支撑臂的底部设计跟切削支撑臂是一样的,能够根据剥皮原木直径的不同来进行调整并固定。横臂左侧与安装有滚子的传动轴配合,右侧与竖臂配合,两侧安装轴承座保证横臂可以上下调节。竖臂底部设计有滑槽,在横臂转动时,竖臂可以相对L型支撑臂前后微调来保证上传动滚子的位置调节。L型支撑臂和支撑滚子的竖臂底部都安装在滑块上可以比对刻度尺先后调节适当的距离。而调整之后上进给部分应保持该位置,以保证进料滚或出料滚在木材通过后不会由于重力下落而与机器发生不应该的碰撞。实现这一要求则需要在上下进给部分之间或上进给部分和主框架之间安装螺旋进给装置。一开始通过调整螺母来适应不同的原木直径,调整完毕后则利用螺母与螺杆间的摩擦力形成自锁保证上进给部分不会下落。因为上进给部件是绕铰链旋转,故其在垂直方向内不是直线运动,为了适应这一点,在螺旋装置中间的支撑板上开一长孔,以保证上进给部件在任何位置都可以被固定。具体结构如图2-23所示:图2-23 进给支撑结构1L型支撑臂、2竖臂、3横臂、4支撑滚子竖臂、5滑块连接2.4.3 主框架主框架的作用是将机器的各部分有机的统一起来,结构较其它部分而言比较随意,可根据其它部分尺寸进行设计。在主框架对应切削部件的部位开一通槽,使剥下的树皮可以漏至槽内而不只在切削部件周围堆积,影响加工效果。在进给组件和切削组件之间安装隔离挡板,防止树皮影响到进给组件的正常工作同时起着支撑引导的作用。在地板相应位置设置滑槽和安装刻度尺,以便更好的调整相应的位置。其结构如图2-24所示:图2-24 主框架轴侧图第三章 组件校核第三章 组件校核3.1电动机的选择本次设计的剥皮机使用3个电机,分别用于驱动进料组件、切削组件和出料组件,三者为同一类型Y2-100L1-4,驱动进料组件和出料组件的电机通过联轴器与型号均为为ZDY的减速器相连接后再通过皮带与进给传动组件连接,减速器的的公称传动比为2,带轮尺寸比为1:2;切削部分在电机上直接安装带轮与切削组件连接,带轮尺寸为1:2(电机带轮:切削部分带轮)。这样设计的原因是进给部分需要将木材固件夹紧后为其提供进给力,该部分转速不需要太高,所以需要安装减速器增大输出转矩;切削部分不需要对木材进行加紧,只需在其一侧对木材进行快速剥皮即可,所以切削部分转速需要高一些,转矩不需要太大,故只通过带轮传动比i对转速缩小一倍即可。根据剥皮机工作环境的特点电机需要能够防尘、防溅水等外壳防护。通过查阅资料选择Y2系列(IP54)封闭式三相异步电动机,该电机工作效率高,耗电少,性能好,噪声低,振动小,体积小,重量轻,运行可靠,维修方便,为B级绝缘,结构为全封闭,自扇冷式,能防止灰尘、铁屑等杂物侵入电动机内部,冷却方式为IC411。适用于灰尘多、土扬水溅的场所,如农业机械、矿山机械、搅拌机、剥皮机等,为一般用途电动机。因为切削部分电机对转矩要求较低接下来只对安装在进给组件部分的相关零件进行校核。进给组件选择的电机型号为Y2-100L1-4,参数如表3-1所示。配套减速器的型号为ZDY,参数如表3-2所示。联轴器选择了弹性套柱销联轴器,型号为TL5,弹性联轴器能够缓冲吸振,可以补偿较大的轴向位移,微量的径向位移和角位移。表3-1 进给电机的相关参数电机型号额定功率(KW)额定转矩(NM)转速(r/min)长度(mm)宽度(mm)高度(mm)Y2-100L1-42.22.31430340220200表3-2 减速器的相关参数减速器型号公称传动比公称输入转数n1(r/min)公称输出转数n2(r/min)长度(mm)宽度(mm)高度(mm)ZDY21500750150238210根据设计的进给组件结构的单位图测量数据知:进给滚子和带轮的体积和为3218cm,选用灰铸铁HT200为加工材料,密度为7.2-7.3g/cm。所以整体对键的压力约为114.7N,轴的直径为60mm,所以转轴需要的机械转矩T1约为3.4NM,电机额定转矩乘以效率得机械转矩,所以输出转矩约为4.3NM。电机的额定转矩为2.3NM,经过减速器后输出转矩约为4.6NM,满足机械要求,Y2-100L1-4型号的电机可以用于进给组件。3.2 普通V带校核计算项目 计算内容 计算结果 【定V带型号和带轮直径】工作情况系数 : KA=1.2计算功率: Pc=KAP=1.22.2 Pc=2.64选带型号: A型初选小带轮基准直径: 取d1=75mm大带轮直径: d2=(1-)d1n1/n2 =(1-0.01)751430/715 选d2=150mm 大带轮转速: n2=(1-) d1n1/d2 =(1-0.01)751430/150 n2=707.8r/min 验算带速v: v=3.14d1n1/(601000) =3.14751430/(601000) v=5.61m/s计算项目 计算内容 计算结果因为5m/sv25m/s,故带速合适。 【计算带长】 求Dm: Dm=(d1+d2)/2=(75+150)/2 Dm =112.5mm 求: =(d1-d2)/2=(150-75)/2 =37.5mm因为0.55(d1+d2)+ha2(d1+d2) 即131.7a450初取中心距: a=400mm带长: L=Dm+2a+/a =112.5+2400+37.5/400 基准长度: Ld=1400mm 【求实际中心距和包角】 中心距: a=+1/4 a=521.9mm 【求带根数】 带速: v=3.14d1n1/(601000) v=5.61m/s 传动比: i=2.02 计算项目 计算内容 计算结果 带根数: 由d1=75mm,n1=1430r/min 查表得P0=0.68KW K=0.97 KL=0.96 P0=0.17KW 取z=4根 【求轴上载荷】 最小张紧力: F0=95.8N 轴上载荷: FQ=2Z F0sin1/2=2495.8sin(/2) FQ=762.6N 3.3 进给轴的校核轴材料选用45钢调质,B=650Mpa,s=360 Mpa 图3-1 进给轴(a) 轴受转矩T=9550P/n2=95502.2/710=29.6NM (a)(b)轴受圆周力Ft=2T/d=229.6/0.06=986N(c)轴水平受力图 水平面反力 F1=F2=986/2=493N,方向和作用力相反(c)(d)轴垂直受力图 垂直面反力 F3=F4=200/2=100N,方向竖直向上 (d)(e)水平面弯矩图 (e)(f)垂直面受力图(f)(g)合成弯矩图 (g)(4)许用应力许用应力值 用插入法查得: 0b=102.5MPa -1b=60 MPa应力校正系数 =-1b/0b=60/102.5=0.59(5)画当量弯矩图当量转矩 T=0.5929.6=17.5 Nm当量弯矩 轴中间截面处 M=34.4 Nm当量弯矩图为: (h)3.4 键的选择与校核根据与键连接的轴的直径d=60mm,查机械设计手册知,选择平头的普通键,其参数为:bh为1811(mm),键槽深度:轴t1=,毂t2=,l=100mm,具体如图3-2所示。 图3-2 圆头平键的结构 选择普通平键,3.5 安全系数校核对称循环疲劳极限 -1b=0.44B=0.44650=286 MPa -1=0.30B=0.30650=195 MPa脉动循环疲劳极限 0b=1.7-1b=1.7286=486 MPa 0=1.6-1=1.6195=312 MPa等效系数=(2-1b-0b)/0b=(2286-486)/486=0.18=(2-1-0)/0=(2195-312)/312=0.25截面上的应力弯矩 M1=290133=38570Nmm弯曲应力幅a= M/W=38570/(0.140)=6.03 MPa弯曲平均应力 m=0扭转切应力 =T/WT=53.48/(0.240)=4.18 MPa扭转切应力幅和平均切应力 a=m=/2=4.18/2=2.09 MPa 有效应力集中系数 k=1.53,k=1.18 表面状态系数=0.92(Ra=3.2m, B=650 MPa) 尺寸系数 =0.88,=0.81 安全系数 弯曲安全系数 设为无限寿命,KN=1 S=kN-1b/( k/() a+ m) =1286/(1.53/(0.920.81) 6.03) =23.1 扭转安全系数 S=kN-1/( k /() a+ m) =1195/(1.18/(0.920.81) 2.09+0.252.09) =50.8 复合安全系数 S=23.150.8/=21S=1.5,故此轴安全。第四章 总结与展望第四章 总结与展望本文在在系统地了解CAD/CAM开发软件UG及原木剥皮原理的理论基础上,考虑原木剥皮过程中的木材的品种、干湿度及弯曲程度、两轧辊的旋转速度、线速度时间差、轧距、轧辊表面硬度等实际因素的影响,对简易小型木材剥皮机进
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