小徑材指接齊頭定寬機床關鍵結構動靜態分析*

戰 麗 劉一凡 張路路 楊春梅

(東北林業大學林業與木工機械工程技術中心，黑龍江 哈爾濱 150040)

自實施天然林資源保護工程以來，我國實行木材停伐減產政策[1]，因此生長速度快、來源廣泛的小徑材逐漸得到重視[2-4]。由于小徑材指接板材通常是形狀不規則的毛邊板材，需要進行齊頭定寬加工，以便大規模量產[5]。目前國內外對小徑材指接板材進行齊頭定寬加工的同類機床存在結構復雜，成本較高等問題，因此設計1臺專用于小徑材指接板齊頭定寬加工的機床很有必要[6-8]。本文通過ANSYS和ADAMS軟件對機床關鍵結構進行動靜態分析，為后續結構改進提供參考。

1 小徑材指接齊頭定寬機床總體結構及工作原理

如圖1所示，小徑材指接齊頭定寬機床由機架裝配組件、齊頭加工組件、定寬加工組件、送料組件和對中組件組成。送料組件上升并沿Y方向運送指接板至工作臺并下降，對中組件上升進行X、Y方向對中并下降，隨后壓緊氣缸壓緊板材，齊頭加工組件和定寬加工組件分別進行齊頭加工和定寬加工，加工組件復位后，送料組件再次上升出料并下降，一次加工結束。根據要求，所設計的小徑材指接齊頭定寬加工機床的主要參數如表1所示。

表1 小徑材指接齊頭定寬加工機床的主要參數

2 定寬加工組件靜力學分析

2.1 定寬加工組件總體結構

定寬加工組件主要對指接材進行定寬加工，總體結構如圖2所示，Y向步進電機組件驅動整個組件沿機架Y向移動，X向伺服電機組件驅動X向移動架帶動鋸片調整鋸切位置。由于定寬加工組件為兩端懸臂式結構，自身重力及切削進料力的作用產生的變形會累加到鋸片上，影響兩鋸片間的平行度，增大鋸路消耗，降低電機及鋸片使用壽命，故需要對定寬加工組件進行靜力學分析[9]。

2.2 進料力計算

定寬加工屬于縱向鋸切，為便于分析，考慮鋸片做主運動，指接板做進給運動時二者之間的作用力情況，如圖3所示，在進料力Ff的作用下，板材以Vf的進料速度向前運動，V為鋸片切削速度，Fn為鋸片所受的法向力，Ft為每齒切削力，選用型號為ATO300×2.9/2.0×30×60T的縱鋸片，鋸片的具體參數見表2，以小徑木常用樹種松木為例，進料力的具體計算過程如式(1)[10]。

表2 縱鋸片參數

(1)

式中：pt為過渡切削時的單位切削力，MPa；b為鋸路寬度，mm；θav為平均運動遇角；αλ為影響摩擦力變化強度的系數，取αλ=0.075×9.81；H為鋸路高度，mm；fZ為每齒進料量，mm；t為鋸片齒距，mm。

(2)

式中：C為鋸片中心到工作臺面高度，取70 mm；H為鋸路高度，取50 mm；R為鋸片半徑，mm。

(3)

式中：Vf為進料速度，取30 m/min；Z為縱鋸片齒數；n為鋸片轉速，取3 000 r/min。

(4)

式中：CP為變鈍系數，取1.0；ft=(0.4+0.003 6θav)×9.81；At、Bt、Ct均為修正系數，At=0.040 3×9.81 MPa，Bt=0.014 3×9.81 MPa，Ct=1.536×9.81 MPa；δ為切削角，取60°。

(5)

(6)

式中：S為鋸身厚度，mm；b為鋸路寬度。

(7)

Fta=(Cp-0.8)ftS

(8)

Ft=pt·fZ·b·sinθav

(9)

考慮摩擦與彈、塑性變形的系數μa=2，摩擦角β0=20°。

Ff=ΣFtcosθav-ΣFn·sinθav+

f(ΣFt·sinθav+ΣFncosθav)

(10)

已知f=0.3，計算得進料力Ff=62.84 N。

2.3 有限元模型建立及求解

本文利用ANSYS軟件對定寬加工組件進行靜力學分析，具體分析過程如下[11-12]。

2.3.1 前處理設置

為縮短模型求解時間，將導軌、滑塊和鋸片簡化，絲杠、連接螺栓與受力無關，也將其簡化，在Solid Works中建立簡化模型并直接導入ANSYS軟件中，設置材料，得到17 045個單元與67 852個節點，在橫梁底部滑塊底面添加固定約束，在兩個鋸片圓心處分別添加沿Y軸負方向的進料力63 N，處理后的有限元簡化模型如圖4所示。

2.3.2 有限元方程求解及結果分析

如圖5所示為定寬加工組件應力云圖，在自身重力、進料力的作用下，最大應力出現在X向移動架上部肋板處，數值為6.942 MPa，實際最大應力值小于許用應力值，說明X向移動架強度較好，可為電主軸提供可靠的安裝支撐。

如圖6所示為定寬加工組件應變云圖，最大應變出現在X向移動架肋板處與橫梁下方焊接的滑塊安裝板邊緣，這是由于橫梁承受垂直向下的重力作用，移動架較長且受到進料力的作用，數值為0.035 mm/m，最大應變遠小于材料許用撓度。

如圖7所示為定寬加工組件變形云圖，最大變形出現在鋸片邊緣，這與變形將累加到鋸片上的預期分析相符，表現為鋸片沿Z軸的扭轉變形，最大變形量為0.12 mm。這會增大鋸片側面磨損量，增大鋸路消耗，進而降低加工精度與鋸片使用壽命，雖然在高溫作用下鋸片會產生熱變形，左右波動會抵消部分影響，但為保證較高的加工精度，應改進結構，減小鋸片變形量。

2.4 定寬加工組件結構改進

鋸片的位置精度直接影響指接板材的加工質量，應當盡量減少鋸片位置的變形，保證較高的加工精度，因此需要減少X向移動架沿Z軸的扭轉變形量。可以從兩方面入手：一是增大移動架截面尺寸，考慮到如果在X方向上增大截面尺寸會使移動架移動行程減小，故應該在Y方向上增大移動架截面尺寸；二是增大肋板的尺寸，加強輔助支撐效果。

3 對中組件動力學仿真

3.1 對中組件總體結構

圖8為省略工作臺的對中組件內部結構。非工作狀態下，對中組件上表面與工作臺平齊，工作時，升降氣缸提升整個對中組件，限位氣缸縮回，拉伸彈簧收縮，帶動中間軸轉動，利用錐齒輪副傳動，使擺桿向內擺動，對中板材。由于板材尺寸不一致，為防止動力源損壞，采用彈簧作為柔性動力源，但擺桿端部與指接板會發生瞬時非循環的碰撞沖擊，可能導致輪齒折斷，因此需要對對中組件進行動力學仿真，校核齒輪靜強度并分析系統動力特性。

3.2 虛擬樣機前處理

本文利用ADAMS軟件對X向對中組件進行動力學仿真，具體分析過程如下[13]。

3.2.1材料屬性、仿真環境及碰撞參數設定

簡化模型，設置錐齒輪材料為45鋼，中間傳動軸、擺動軸及擺桿為Q235，指接板材料為木材，確定碰撞參數：剛度系數K=1×105N/mm、非線性指數e=1.5、阻尼系數C=1 010 N·s/mm、穿透深度d=0.1 mm、動摩擦系數為0.05，靜摩擦系數為0.08。

3.2.2 約束、驅動與負載添加

將工作臺面與大地之間添加固定副，中間傳動軸與其兩端的錐齒輪之間添加固定副，擺動軸與底端的錐齒輪和擺桿之間分別添加固定副，在擺動軸、中間傳動軸與ground之間添加轉動副。在中間軸上添加階躍函數驅動step(time,0,0,1,60d)模擬拉伸彈簧產生的轉速，在擺動軸上添加大小為step(time,0,0,1,0.048)由密封阻力產生的負載力矩，在指接板上施加垂直向下的預壓緊力6.945 N，前處理完成后的X向對中組件虛擬樣機如圖9所示。

3.3 仿真結果分析

將仿真類型設置為Dynamics，仿真時長設為1 s，步長為0.001，運行仿真。為避免輪齒折斷，對X向對中組件中8對錐齒輪副中切向力最大的一對進行靜強度校核。通過后處理得到8對錐齒輪副嚙合切向力即沿Z方向的接觸力變化曲線，如圖10所示。

8對錐齒輪嚙合切向力均表現為瞬時增大與減小，表示由于擺桿速度較大，其與指接板之間為短時間碰撞接觸，與預期分析相符，在對中過程中8對齒輪副并非同時與指接板碰撞，因此嚙合切向力不同，其中錐齒輪副1、4、5、8由于位于指接板兩端，對中過程中產生的變形量比其余4對錐齒輪副大，導致附加載荷大，所以嚙合切向力大，同時對中過程中指接板質心的位置變化也會加大錐齒輪副嚙合切向力的差異。非碰撞接觸時切向力在0.4 N左右波動，符合齒輪嚙合傳動規律。根據曲線整理出8對錐齒輪嚙合時的最大切向力如表3所示，由于力的正負僅代表其作用方向，故按絕對值大小統計。

表3 8對錐齒輪嚙合最大切向力

在0.8 s時，錐齒輪副4中出現了最大切向力2 248 N，已知錐齒輪傳動比為1∶1，分度圓直徑為90 mm，齒寬為20 mm，計算得靜強度最大齒面接觸應力為σHst=348.6 MPa，靜強度許用齒面接觸應力為σHPst=484 MPa，由于σHst<σHPst，錐齒輪副4滿足齒輪接觸靜強度條件；靜強度最大齒根彎曲應力為σFst=220.8 MPa，靜強度許用齒根彎曲應力為σFPst=1 000 MPa，由于σFst<σFPst，錐齒輪副4滿足齒輪彎曲靜強度條件，因此齒輪靜強度符合要求。

指接板在X向對中過程中質心位置沿坐標軸方向隨時間變化曲線如圖11所示。指接板質心位置沿X軸方向即機床Z軸方向在0.25 s內的變動量為0.003 mm，遠小于擺桿沿機床Z軸方向的高度55 mm，表明沒有出現擺桿擺動至指接板底面使對中失敗的現象。指接板質心位置沿Y軸方向即機床X軸方向的質心位置由恒定值迅速增大，最后穩定在0.676 2 mm附近，符合指接板沿X軸方向對中時由震蕩到穩定的運動規律，沿Z軸方向即機床Y軸方向質心有0.01 mm的位移，在指接板沿Y軸方向1 200 mm的可運動范圍之內，表明對中組件正常工作。

4 結語

(1)對定寬加工組件進行靜力學分析，得到最大應力、應變及變形數值均小于許用值，驗證了定寬加工組件結構設計的可行性與合理性。

(2)為保證定寬加工組件的較高加工精度，盡量減小鋸片位置的變形，提出了增大移動架在Y方向上的截面尺寸與增大肋板的尺寸兩種改進結構的方式。

(3)對對中組件進行動力學仿真，得到8對錐齒輪嚙合過程中的最大切向力和指接板質心位置變化規律，驗證齒輪強度和X向對中組件對中性能。