基于ANSYS的木塊切削機機架有限元分析

姜新波 李博文 姜博文

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

隨著我國城鎮化步伐的加快，全面建成小康社會的達成，人們對物質生活的向往逐漸轉變成精神需求以及綠色健康的生活方式。中國“綠色現代化”三步走的戰略如今已進行到二氧化碳大規模減排階段，封山育林的同時，城市綠化園林應運而生，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、景觀上作出了巨大貢獻。剪枝、間伐、枯木死樹處理等工序會產生大量的木質廢料，多由環衛工人裝車運往固定地點焚燒或掩埋處理，在浪費人力資源的同時，也增加了二氧化碳的排放。而對木制廢料加工利用，就地取材，制成標準粒度的木塊進行坪地［1-4］，既減少了經濟浪費，又降低工人的勞動強度，因此，研發設計一臺專用于加工木制廢料的木塊切削機具有重要意義。切削機的機架作為各部件的裝配基礎，直接決定了設備的重量以及運行的穩定性，進而決定了木塊的加工質量，因此，本文對木塊切削機的機身進行有限元分析。

1 木塊切削機整機結構與工作原理

通過對國內外木塊切削機研究現狀進行總結［5-7］，結合木材切削工藝分析，對木塊切削機的整機結構進行設計。如圖1 所示，整機由機架、切削刀軸組件、液壓組件、動力系統組件、篩網組成。

圖1 木塊切削機總體結構圖

在木塊切削機工作過程中，由一臺Y112M-4型三相異步電機驅動液壓系統中的齒輪泵運轉，從而驅動液壓馬達運轉，經聯軸器與切削刀軸組連接，將動力傳送到刀軸組。木料由上方進料口進入，由下排刀具切削加工，符合粒度需求的木塊經篩網漏下，經出料口排出，未加工完成的木料由上排刀具復加工直至符合粒度需求，經篩網落下。下排刀軸由齒輪傳動，上排刀軸與下排刀軸為鏈傳動。切削刀軸組件下方為可拆卸篩網，其主要作用是在要求加工不同粒度木塊時，更換不同大小篩孔的篩網以達到加工需求。下方出料口為斜板，方便處理加工完成的木塊。

2 切削機機架靜力學分析

機架是整臺機器的工作基礎和支撐單元，機架的結構性能直接影響到木塊切削機的安全及加工性能［8］，其裝配有切削刀軸組，并承受工作荷載，機架產生較大的變形或震動將直接影響其他裝配體的安裝，或對木塊加工精度產生影響，如果對液壓油箱產生擠壓或破壞，可能會引起安全事故，檢驗機架的強度和剛度對于機架的設計非常重要［9-11］。為了驗證機架的強度，對其進行有限元分析。

利用SOLIDWORKS2022建立機架三維模型，保存為Parasolid（*.x_t；*.x_b）格式文件，將該文件導入Workbench2022R1 中的靜態結構模塊，并設置工程數據為Q235 結構鋼材，對機架模型進行網格劃分，劃分成非結構型網格，對網格質量進行優化，設置網格尺寸大小為5mm，更新并生成網格，如圖2所示。

圖2 機架模型網格劃分

完成網格劃分后，對機架進行約束以及添加荷載。對機架底板進行固定約束，機架主要荷載為刀具組、液壓泵站及其他零部件質量，取540kg。利用SOLIDWORK 2022 評估測量功能，測量出受力總面積約為1.48×105mm2，假設機架受力均勻，通過計算得出機架受力面積應力為0.0365MPa，如圖3所示。

圖3 機架約束及荷載

求解計算，評估所有結果，提取機架的應力云圖、應變云圖和總變形云圖，機架的應力云圖如圖4所示、應變云圖如圖5所示、總變形云圖如圖6所示。表1為機架的靜態分析結果。

表1 機架靜態分析結果

圖4 機架應力云圖

圖5 機架應變云圖

圖6 機架總變形云圖

由表1 可知，機架所受最大應力為25.789MPa，機架槽鋼為Q235 結構鋼，屈服強度σs=235MPa，查表可知Q235結構鋼的安全系數S取2.5。

機架強度滿足工作需求。

3 切削機機架模態分析

對機架進行模態分析，計算其固有頻率以防止木材切削過程中產生共振，影響機器加工精度以及機器使用壽命［12］。

在Workbench2022R1 中建立模態分析模態模塊，將前文靜態結構模塊中的約束、荷載以及靜力學分析結果傳遞至模態分析模態模塊中，在機架受到預應力的情況下求解其模態振型，求解獲得機架的前六階振型固有頻率，模態振型變形云圖如圖7所示。

圖7 機架模態圖

由表2可知，機架的前六階模態中一階模態頻率為86.48Hz，隨著模態階數增加，頻率也呈升高的趨勢，一階模態頻率最低。該機器振源為三相異步電機以及刀軸，電機轉速1440r/min，根據振源頻率公式f=n/60，可得該機器最大振源頻率為24Hz，遠小于機器共振最小頻率86.48Hz，該機器不會發生共振，滿足設計需求。

表2 機架前六階固有頻率

4 結語

通過ANSYS Workbench 2022R1 對木塊切削機機架進行有限元分析，木塊切削機機架所受的最大應力約為26MPa，Q235槽鋼能滿足機身強度需求。對該機器的模態分析顯示，一階模態的固有頻率最低約為86.48Hz，遠大于該機器工作時產生的24Hz振動頻率，不會產生共振。