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畢業(yè)設計說明書
小型木材剝皮機的設計
學 院：
專 業(yè)：
學生姓名：
學 號：
指導教師：
二零一七年六月
2
摘 要
木材剝皮在木材使用中是非常重要的一項工序，許多用材部門都需要在加工之前對原木進行剝皮處理。
本次畢業(yè)設計在調研國內外木材剝皮機發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，根據導師的設計要求，分析了現(xiàn)有小型木材剝皮機的工作原理，在導師的精心指導下，設計了一種切削式小型木材剝皮機。該剝皮機主要由進給和切削兩部分組成，主要通過移動進給支撐滾子適應不同直徑的木材，實現(xiàn)高質量的剝皮處理
此次設計主要是利用UG開發(fā)軟件對剝皮機的機械結構進行了三維設計，之后利用AutoCAD軟件繪制零部件的二維圖紙及剝皮機的總裝配圖，使設計更方便指導實際生產。
關鍵詞：木材剝皮 計算機 三維設計 總裝配圖
I
abstract
ABSTRACT
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 diagram
II
目錄
目錄
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 引言 1
1.1木材剝皮機械化的意義 1
1.2 剝皮機發(fā)展狀況 2
1.3 剝皮機種類 3
1.4 國外剝皮機概況 4
1.5 剝皮機發(fā)展趨勢 5
第二章 小型木材剝皮機的結構及原理分析 7
2.1 剝皮機整體設計 7
2.1.1 剝皮機的整體結構 7
2.1.2 剝皮機的工作原理 8
2.1.3 剝皮機的操作過程 9
2.1.4 如何確定滑塊移動距離 9
2.2 進給組件設計 11
2.2.1 進給組件整體結構 11
2.2.2 軸 12
2.2.3 進給滾子 13
2.3 切削組件設計 16
2.3.1 切削組件整體結構 16
2.3.2 切削部件 17
2.3.3 剝皮部件 18
2.4 支撐部件設計 20
2.4.1切削組件支撐部件 20
2.4.2 進給組件支撐部件 21
2.4.3 主框架 22
第三章 組件校核 23
3.1電動機的選擇 23
3.2 普通V帶校核 24
3.3 進給軸的校核 26
3.4 鍵的選擇與校核 29
3.5 安全系數(shù)校核 30
第四章 總結與展望 33
參考文獻 35
致 謝 36
IV
第一章 引言
第一章 引言
1.1木材剝皮機械化的意義
絕大部分地區(qū)的人們對木材剝皮機的了解并不多，因為人們平常見到的大部分木材都已經進行過剝皮處理。不過大家都知道木材的用途非常廣泛，可以用來蓋房子供人們居住，做高檔家具供人們使用，另外還可以雕刻成工藝品供人們觀賞把玩，剩下的邊角料用木粉機粉碎便是造紙的材料?，F(xiàn)如今樹皮的作用也不僅僅局限在粉碎后成為造紙的原材料了，一些藝術家開啟了樹皮新的應用領域，將樹皮進行稍微處理后做成樹皮畫供大家觀賞，具有較高的收藏價值。但是，樹皮與樹木是結合在一起的，如何能夠在保證工作效率情況下使它們分開，這時木材剝皮機就顯得尤為重要，特別是靈活性強的小型木材剝皮機。
對于許多木材生產以及用材部門而言木材剝皮處理是一項非常重要的工序。例如：造紙廠、木材加工處理廠、鉛筆板材生產廠、火柴加工廠、貯木廠等眾多部門，它們所使用的木材都必須進行過剝皮處理。
在實際情況中，木材剝皮處理具有許多不可缺少的實際性意義：
1.便于木材貯存：樹干主要由韌皮部和形成層兩大部分組成，兩者成分中都含有大量有機物質，這些有機物質為部分有害菌蟲的快速繁殖創(chuàng)造了非常有利的生存條件。為了能夠避免木材受到損壞，對新砍伐的原木直接進行剝皮處理能大大降低菌蟲對木材的損壞度。在我國南方的許多林區(qū)就是在木材砍伐的同時進行剝皮處理，諸如：廣西、云南、四川等。否則在南方那樣潮濕的環(huán)境下，樹木在伐倒后很短時間內就有可能被害蟲蛀蝕，最終木材將會腐爛成廢材。
2.確保加工成品質量：對于需要使用的木材來說，原木進行剝皮處理后更容易發(fā)現(xiàn)木材是否存在缺陷以及缺陷的位置，從而能夠更早更合理的做到量材下鋸，以便更好地提高工廠的出材率。為了能夠獲得更高質量的紙張、單板和膠合板等木材加工品必須先進行木材剝皮處理。
3.降低鋸的磨損量：砍伐后的原木經過機械拖拉，搬運以及貯存后，樹皮表面會積存許多泥沙等雜物，當直接用鋸對這樣的原木進行加工時，泥沙等雜物增加了鋸齒磨損程度，容易造成鋸齒變鈍或蹦齒等現(xiàn)象。木材剝皮處理后，表面比較光滑，泥沙很難大量積存大大降低了對鋸齒的損壞程度。
4.降低勞動強度：由于提前對原木進行剝皮處理，除掉了約占整段木材重量10％的樹皮，大大地降低了裝卸和搬運等過程對工人勞動力的損耗，降低了工人的勞動強度。同時，對于用材部門而言省去了加工前處理樹皮的工序，改善工作廠區(qū)的衛(wèi)生條件，節(jié)約了廠房空間，提高了工作效益。
隨著用材部門對木材需求量的增加和剝皮質量要求的不斷提升，原始手工剝皮已經不能滿足用材部門的要求，機械化剝皮需求的呼吁聲越來越高。主要原因是原始手工剝皮的方法勞動強度太大，而且生產效率和剝皮質量較低，僅剝皮這一個工序就會耗費大量勞動力，這必將導致相關產業(yè)的生產成本大大提高。如果采用機械式剝皮，十幾人的工作量一兩個人就可完成，而且工人的勞動強度大大降低，相關產業(yè)的成本也必然隨之降低。因此，實現(xiàn)剝皮機械化對林木業(yè)的快速發(fā)展有著十分重要的意義。
1.2 剝皮機發(fā)展狀況
木材剝皮機屬于對木材進行處理加工系列機械產品中的一類，主要由進料組件、切削組件、傳動機構、出料組件以及底座等結構構成，適合對新砍伐的木材、部分凍材以及晾干后的木材進行剝皮處理。
國內外木材的剝皮處理都經歷了從手工剝皮到半機械化剝皮最終實現(xiàn)機械化剝皮以及水力剝皮等幾個階段的演化，但是國外剝皮機的使用比國內要早幾十年。國內剝皮機的剝皮質量和生產效率都要遠低于美國、德國等部分發(fā)達國家制造的剝皮機。 國外某些發(fā)達國家正致力于剝皮機技術升級項目的開發(fā)運用，與國外相比在剝皮機的研制方面還是存在很大差距的。
1）手工剝皮階段：在機械式剝皮還沒有研究制造出來之前或僅僅小范圍使用機械剝皮時，所有的原木剝皮工作都是工人們用彎刀、斧子、磨刀和鏟刀等手持刀具進行剝皮和磨削，生產效率受工人體力、原料狀態(tài)及工作環(huán)境等條件的限制，導致用材部門的工作計劃很難如期完成，對該部門的生產效益產生較大影響。在好剝皮的時候（春夏兩季），使用薄型鏟或空心鏟便能將樹皮剝干凈。在難剝皮或樹皮厚的冬季，則要使用厚型鏟或剝皮彎刀進行木材剝皮。鏟刀刃口十分鋒利，剝皮時對木質層的破壞很小。一般情況下，工人在工作時都會自帶三、四把刀具以便根據所剝樹皮的厚薄選擇合適的刀具。
2）半機械化剝皮：工人們手抱原木向運行的機械設備中推進，對原木進行剝皮處理；或工人手持運行的切削設備向原木推進從而完成剝皮工作，例如：簡易小型銑刀式剝皮機。無論哪一種，剝皮設備均為小型的低動力驅動機器，剝皮的效率大約是手動剝皮的2-3倍。
3）機械化剝皮：機械化木材剝皮機的形式大多為銑刀式、環(huán)式以及滾筒式三種。滾筒式和環(huán)式剝皮機研發(fā)較早已形成固定系列，剛開始使用的滾筒式木材剝皮機為濕式，在剝皮的同時需要向木材進行灑水。這樣的方式雖然剝皮方便了，但是對環(huán)境具有較大污染，浪費大量水資源而且冬天無法工作。為了改變這一狀況，研發(fā)出現(xiàn)新的干式滾筒木材剝皮機。這種剝皮機生產效率高，對外界環(huán)境的適應性強。環(huán)式木材剝皮機在不斷發(fā)展的過程中，運用了光電、液壓以及氣動等新型技術。
1.3 剝皮機種類
用材部門對剝皮機主要有以下幾點要求：剝皮效率要高，對木質的損壞要少，剝皮技術要先進，設備結構要可靠，具體操作要簡單方便。在充分考慮以上要求以及原木的種類、直徑、彎曲度等影響因素的情況下，發(fā)達國家研究制造出了適應各種環(huán)境的不同類型的木材剝皮機，到目前為止，已經批量生產并投入市場的大約有一百多種，其中90%左右的剝皮機為機械式剝皮機。所以，目前除了使用小部分水力等其他類型剝皮機，世界各國使用的剝皮機絕大部分是機械式。
剝皮機的種類根據其結構形式、安裝情況、剝皮原理以及適用范圍的不同可大致分為以下幾種：
1.按結構形式分為：
1）滾筒式木材剝皮機；2）環(huán)式木材剝皮機；3）銑刀式木材剝皮機；4）摩擦、錘擊式木材剝皮機；5）水力式木材剝皮機6）非機械式剝皮裝置。
2.按安裝情況分為：
1）移動型木材剝皮機：該類型的木材剝皮機主要具有設備重量輕、移動方便快捷以及設備機動性能強的特點，諸如：手提式剝皮機和其他廣泛應用于伐區(qū)內的木材剝皮機械等。
2）固定型木材剝皮機：該類型的木材剝皮機主要是安裝在需求量很大并且作業(yè)場地比較固定的生產廠中，一般為大型木材剝皮機。它的主要特點包括生產效率高，振動小，剝皮速度快以及木質損壞少。
3.按剝皮原理分為：
1）機械式木材剝皮機（包括銑刀式木材剝皮機、滾刀式木材剝皮機以及摩擦式木材剝皮機等）；2）水力式木材剝皮機；3）化學腐蝕式木材剝皮機；4）超高頻聲波式木材剝皮機；5）氣力式木材剝皮機；6）電力水波式木材剝皮機。
4. 按適用范圍分為：
1）普通式木材剝皮機；2）專用式木材剝皮機。
1.4 國外剝皮機概況
國外的木材剝皮機無論是種類還是工作性能都發(fā)展的非常迅速，各個類型木材剝皮機的生產數(shù)量逐年增加，例如：早在1970年，日本滾筒式木材剝皮機就已經擁有1840多臺，銑刀式木材剝皮機的數(shù)量就更多了，高達2800多臺，合計擁有木材剝皮機4640多臺。除此之外，日本還致力于環(huán)式木材剝皮機、水力式木材剝皮機等新種類的研制。美國、加拿大、西德、北歐等大多數(shù)發(fā)達國家都廣泛使用環(huán)式木材剝皮機、滾筒式木材剝皮機、銑刀式木材剝皮機及各種專用式木材剝皮機。
國外研制的木材剝皮機主要包括以下幾個特點：
1）對已經研制成功的并且在日常生產中得到廣泛應用的木材剝皮機進行不斷的結構升級改造，努力將現(xiàn)有的木材剝皮機的結構與先進技術相結合。諸如，芬蘭研究制造的VK-16環(huán)式木材剝皮機，自五十年代問世至今已經進行過多次機構和技術的改進升級，原有的刀盤由離心配重式改進為液壓式，剝皮機的進給部分全部升級改造成由液壓控制，還結合了許多新技術，像光電控制等技術。大大提高了木材剝皮機的自動化程度。與此同時，VK-16木材剝皮機也進行了幾種變形處理，以便能夠適應更多種類的樹木和具有更多地剝皮方式。到目前為止VK－16型木材剝皮機已經發(fā)展的相當成熟，形成了一個獨特的剝皮機系列，該系列剝皮機有20余種，在國際市場上擁有非常高的競爭能力，產品在世界50多個國家內都有銷售。
2）致力于新結構、新用途以及新形式木材剝皮機的研制，積極向新技術、新工藝靠攏，爭取在木材剝皮機的性能和種類方面有所突破和升級。同時，逐步淘汰生產效率低和剝皮質量差一些的舊機型。
3）對已經研制成功的木材剝皮機，國外專家支持在生產中大量使用，以便及時發(fā)現(xiàn)問題解決問題，對該類型的木材剝皮機進行更快的結構和技術升級。這也是國外木材剝皮機得以迅速發(fā)展的一個至關重要的原因。
4）在國外環(huán)式木材剝皮機、滾筒式木材剝皮機、銑刀式木材剝皮機以及水力式木材剝皮機得到最廣泛的應用。對于芬蘭、瑞士以及蘇聯(lián)等工業(yè)起步較早的國家而言環(huán)式木材剝皮機是它們的首選；對于日本、西德等二戰(zhàn)后迅速發(fā)展的國家而言滾筒式木材剝皮機和銑刀式木材剝皮機是它們普遍的選擇；而像美國、加拿大等水力技術比較先進的發(fā)達國家則大量使用水力剝皮機。
多年以來，機械式木材剝皮機一直是國外的研制重點，機械式木材剝皮機約占剝皮機總數(shù)的90％。但是，近幾年隨著科學技術的發(fā)展以及運用越來越成熟，新型的非機械式木材剝皮機發(fā)展速度越來越快，在剝皮機的產業(yè)中所占比重也是逐漸增加。
1.5 剝皮機發(fā)展趨勢
木材剝皮機的發(fā)展趨勢可大概歸納成以下幾個方面：
1）滾筒式木材剝皮機是機械式木材剝皮機種類中研制最早的，至今已有七十多年的使用歷史。滾筒式木材剝皮機在七十多年的生產中彰顯了它強大的生命力。滾筒式木材剝皮機為何能在這么多年以后依然在木材剝皮機的領域內占有一席之地主要是因為它能對彎曲的，甚至是帶叉的原木或枝丫的木材進行剝皮處理，并且在一定程度上能夠去朽，這些都是其他機械式木材剝皮機無法超越。此外，滾筒式木材剝皮機還具有工作效率高，使用壽命長，操作簡單等優(yōu)勢。
滾筒式木材剝皮機包括濕式和干式兩種，濕式滾筒木材剝皮機比干式滾筒木材剝皮機對木質損壞少，不過干式滾筒木材剝皮機的生產效率比濕式的高，并且對環(huán)境沒有污染，所以這兩種滾筒式木材剝皮機各有各的優(yōu)勢，在今后較長的一段時間內將可能繼續(xù)使用和發(fā)展。目前，滾筒式木材剝皮機應該會朝著大規(guī)格化的方向發(fā)展，以便進一步提高剝皮機的生產效率，從而降低廠家的加工成本。
2）環(huán)式木材剝皮機是機械式木材剝皮機的另一種較好的機型，在使用過程中也得到了廣泛的應用和不斷的發(fā)展。該類木材剝皮機結構上采用了一些新的技術進行升級，促使該類型的木材剝皮機的自動化程度越來越高。目前，環(huán)式木材剝皮機正努力克服自身適用范圍窄的弱點，朝著更廣的適用范圍發(fā)展?，F(xiàn)在已經研制出了一批具有新型結構的環(huán)式木材剝皮機和專用木材剝皮機。
3）銑刀式木材剝皮機的生產效率比環(huán)式和滾筒式木材剝皮機的要低一些，對木質損壞程度也要比它們高一些。但是，由于銑刀式木材剝皮機的機械結構非常簡單，造價相對較低，在中小型原木剝皮機中應用依然比較廣泛?，F(xiàn)如今國外已經研制出生產效率較高、木質損失較小，甚至無木質損失的銑刀式木材剝皮機，促使銑刀式木材剝皮機得到進一步發(fā)展，占據了中小型木材剝皮機的絕大部分市場。
4）水力式木材剝皮機是一種新研發(fā)的采用新型剝皮方式的機械式木材剝皮機，它剝皮過程不受原木的形狀限制，剝皮效率高而且十分干凈，最重要的是對木質沒有任何損壞，到目前為止，已經有一些國家將大量的水力式木材剝皮機投入廠區(qū)使用，我們相信隨著技術的逐漸成熟，新型剝皮方式的木材剝皮機必將會有進一步發(fā)展。
在努力改造傳統(tǒng)木材剝皮機的同時一些發(fā)達國家正致力于氣力剝皮、木片去皮以及削片同時去皮等新技術的研究。在這個過程中，超高頻剝皮法、電力水波剝皮法等一批新型剝皮方式不斷出現(xiàn)，為木材剝皮機事業(yè)開辟了更廣闊的發(fā)展前景。
雖然國外研制的各種類型的木材剝皮機的性能都十分優(yōu)越，但是它們的價格昂貴，并不是最適合我國國情的木材剝皮產品。如何實現(xiàn)對木材剝皮的同時降低生產成本已經成為亟待解決的問題，本課題也正是基于此目的而開展的。
38
第二章 小型木材剝皮機的結構及原理分析
第二章 小型木材剝皮機的結構及原理分析
2.1 剝皮機整體設計
此次設計的木材剝皮機外形尺寸（長*寬*高）控制在3000*2000*1600以內，主要由進料組件、切削組件、出料組件、驅動部分以及眾多支撐部件等五大部分組成。各部分進行了合理的設計，各零部件與其他零部件之間配合緊密，組裝后的剝皮機實現(xiàn)了機械結構堅固，安裝方便合理，操作簡單安全以及維修容易快捷等各項預期目標。該剝皮機能夠實現(xiàn)木材自動進給，每臺機器只需兩名工人負責上料和下料即可，大大降低了工人的勞動強度。通過調節(jié)進料和出料組件中的支撐滾子部件上的底部滑塊以及橫臂支撐的傳動滾子的高度實現(xiàn)對不同直徑木材的固定。剝皮機加工木材的直徑范圍可以控制在8cm—18cm，切削與剝皮相結合的切削組價部分設計，實現(xiàn)了去皮率高于90%，木材損失率控制在2%以內的加工要求。
2.1.1 剝皮機的整體結構
該剝皮機（除去頂部調節(jié)桿和皮帶）整體結構的俯視圖和斜視圖如圖2-1和圖2-2所示。切削部分的電機安裝在刀軸的底部通過皮帶直接驅動刀軸，進料和出料部分的電機分別安裝在位于傳動滾子一側的框架上，電機經過減速器減速后通過皮帶作用在轉軸上。頂部調節(jié)桿安裝在頂板上通過螺母來控制橫臂5的上下的轉動。
圖2-1 木材剝皮機整體結構俯視圖
1—底板、2—進給支撐套筒、3—木材支撐筒、4—進料傳動滾子、5—帶座外球面軸承、
6—2V帶輪、7—橫臂轉軸、8—4V電機帶輪、9—減速器、10—聯(lián)軸器、11—電機、12—電機支撐框架、13—帶座外球面軸承、14—進給傳動軸、15—出料傳動滾子、16—進給傳動套筒、17—進給支撐軸、18—刀軸、19—刀軸套筒、20—切削刀部件、21—剝皮刀部件
圖2-2 木材剝皮機整體結構斜視圖
22—滑塊、23—進給支撐臂、24—支撐角鐵、25—橫臂、26—傳動豎臂、27—L型支撐臂、28—切削支撐臂、29—2V帶輪、30—左右支撐隔板、31—底座支撐架
2.1.2 剝皮機的工作原理
假設此次設計的木材剝皮機的放置方式如圖2-1所示，原木沿水平方向從右向左進給一次通過進料、切削和出料三個區(qū)域。在設備調試完成后，由工人甲將進行過側枝預處理后的原木抱到剝皮機右側通過進料木材支撐筒3推送到進料組件工作區(qū)內與進料滾子接觸，電機驅動著進料傳動滾子4繞軸逆時針轉動，滾子上具有一定傾斜度的錐型凸起對木材同時施加轉動和向左移動的力，在木材的樹皮上留下螺旋式的劃痕。支撐滾子和同側的兩個傳動滾子把原木材夾在中間，并把原木順時針轉動著傳送到切削組件工作區(qū)；切削組件工作區(qū)內的刀軸在電機的驅動下帶動刀架順時針轉動，原木依次通過剝皮刀部件和切削刀部件；完成剝皮和切削工序后進入出料組件工作區(qū)，出料傳動滾子15的表面覆蓋一層有半球型凸起的橡膠，支撐滾子表面覆蓋一層平滑的橡膠。在與剝皮后光滑的木材表面接觸時，摩擦系數(shù)相對增大，橡膠具有一定的彈性，對木質的損壞程度較低，木材依然可以順時針旋轉著前進，切削結束的木材傳送到出料支撐筒處后由工人乙搬走堆放，一次剝皮循環(huán)結束。
2.1.3 剝皮機的操作過程
此次設計的木材剝皮機加工木材范圍為80mm—180mm，這就要求該設備的各支撐臂要存在相對于地板能夠前后移動的，以便能夠保證原木直徑變化的情況下進給組件部分能夠對原木進行適當加緊固定。因此，具體操作主要分為以下三個階段：準備階段、調試階段和運行階段。
1）準備階段：在剝皮機開機工作之前或者當被加工的原木的直徑發(fā)生變化時，工人們需要對剝皮機中存留的樹皮進行清理，以便接下來的調試工作更加便捷。工人首先要根據接下來要加工的原木直徑確定進料和出料組件中安裝支撐滾子的支撐臂23的移動尺寸a（原木直徑的變化對應的滑塊移動的距離數(shù)值及依據，詳見章節(jié)2.1.4）；然后查找或測量出所要加工木材種類的樹皮厚度d，通過調節(jié)滑塊移動相應的尺寸c（c=a+d）。
2）調試階段：由于同種樹皮厚度為近似值以及人工調節(jié)滑塊移動距離時存在刻度尺讀數(shù)時因角度不同產生誤差以及其他的影響因素，所以在正式加工之前需要進行調試。工人啟動機器后加工3-5根原木，觀察剝皮效果對剝皮機的相應支撐臂再進行微調處理，直到加工好的木材符合剝皮后木材的要求。
3）運行階段：調試接受后剝皮機可以正式運行了，如果加工批次較小可一次性加工完成，如果加工批次較大，下料工人需要根據木材的情況進行停機調整，以保證較高的去皮率和較低的木材損壞程度。
2.1.4 如何確定滑塊移動距離
該剝皮機設計的進料和出料組件的支撐臂23均安裝在滑塊上可前后移動，橫臂25設計成可上下調節(jié)式。切削組件的支撐臂28也安裝在滑塊上，便于在調試階段時進行微調以便更好地達到木材的剝皮要求。這樣設計的目的是使木材的軸心隨著直徑變化沿著水平直線移動。如何實現(xiàn)木材直徑變化軸心只是水平移動？這就需要木材直徑與滑塊移動尺寸的精確對應。
通過使用Auto CAD繪圖軟件直觀精確地確定了木材直徑變化與滑塊移動距離的對應關系。我們設木材直徑變化的單位量為10mm，測量發(fā)現(xiàn)進出料組件滑塊的移動距離為d=（8.6+c）mm，橫臂需要向左移動4.3mm，向下轉動的高度為7mm。如圖2-3所示:
圖2-3 木材直徑與進出料支撐臂移動關系簡圖
1—支撐下臂、2—支撐上臂、3—木材、4—橫支撐臂、5—進（出）料滾子、6—傳動滾子水平移動尺寸（43.3mm）、7—傳動滾子豎直移動尺寸（70.3mm）、8—支撐滾子水平移動尺寸（86.6mm）、9—支撐臂、10—底部滑塊
剝皮機進料組件和出料組件部分結構相似，所以尺寸調節(jié)方式相同。如圖2-3,在滑塊10的中間刻有基準線，在底板的滑槽下表面安裝特質刻度尺（如圖2-4），當滑塊基準線均與零刻度對齊時，加工木材為最大直徑φ180mm。當木材直徑為最小直徑φ80mm時，支撐臂10需要向內側移動86mm方可接觸木材外表面。橫臂需要向下轉動的同時支撐臂2需要向外側移動43.3mm。
圖2-4 特質刻度尺
1—110mm刻度處、2—零刻度處、3—50mm刻度處、4—180mm刻度處
進料和出料組件按尺寸移動完畢后，啟動設備進行尺寸調試確定最終尺寸，此時刀軸支撐板底部的滑塊與進給部分的支撐滑塊起著相同的作用，距離微調生產出符合要求的木材。
2.2 進給組件設計
進給部分在一部機器設備中起著至關重要的作用，進給部分設計不合理往往會導致整個機器無法正常運行，成為一件廢品。在剝皮機中進給部分的作用更加突出，只有進給部分實現(xiàn)緊密配合，切削部分才能正常平穩(wěn)的工作。
2.2.1 進給組件整體結構
進給部分除了要承擔對木材支撐和固定任務，還要承擔一項更加重要的任務就是讓原木按順時針繞軸旋轉同時，在此期間既要保證原木的旋轉又要使原木直線進給。
如何保證原木的旋轉？經過查閱資料和老師探討后決定在進料傳動滾子的外表面每隔30°加工上五個錐型凸起，從而抓緊未加工的原木表面，再電機的驅動下帶有凸起的兩個傳動滾子逆時針轉動同時對木材施加力使其順時針轉動，凸起對表面產生一定的劃痕;由于原木在剛剝去樹皮的情況下木材比較滑，所以在出料滾子的外表面覆蓋一層表面粗糙的橡膠，在與木材緊密接觸帶動其旋轉的同時對已加工的表面起到保護作用；如何使木材實現(xiàn)直線進給？這主要依靠進給滾子的合理設計，將進料滾子外表面的錐型凸起設計成具有一定斜度，同時安裝進給滾子的中心軸線與原木的軸線也傾斜一個較小的角度，使進料滾子作用在原木上的力可以分解出一個較大的且與原木進給方向相同的力。至于夾緊和支撐功能則由進給滾子和支撐滾子配合實現(xiàn)，整體結構如圖2-5、圖2-6所示，以便達到最佳效果。
圖2-5進料組件整體結構 圖2-6 出料組件整體結構
進給部分按結構主要分為軸和滾子兩部分，滾子又分為傳動滾子和支撐滾子，還有軸承座及套筒等附屬零部件。接下來將對進給部分主要零件結構的具體設計進行詳細描述。
2.2.2 軸
軸是電機轉矩傳遞的載體，進給系統(tǒng)的中心，滾子及其他零件都要安裝在軸上，軸的結構尺寸直接決定其他部分的設計，對于軸的結構主要有以下兩種選擇方案：
一種選擇是將軸設計成芯軸，即軸并不轉動，心軸的兩端與支撐臂通過螺栓和螺母擰緊，兩者緊緊固定在一起來提供克服滾子及軸上其他零件重力所需要的摩擦力。至于滾子如何的轉動，可以將滾子與帶輪固定在一起，然后在它們的圓柱孔內安裝一對軸承。這樣設計的優(yōu)點在于結構簡單，軸不用開鍵槽加工方便，也無需傳動轉矩使用壽命長而且進給部分調整其在支撐臂上的相對位置將更加方便。但是這種設計存在致命缺陷：芯軸不轉而傳動滾子轉動，這樣的話必須在滾子內部安裝軸承，而軸承的內圈與芯軸和外圈與滾子內圓柱面必須是過盈配合或過渡配合，滾子和軸的連接僅僅依靠軸承進行摩擦，軸承需要承受滾子和帶輪的重力。而軸承又屬易損件，軸承一旦損壞整臺機器就需要停機維修，而且這種安裝方式很難更換，所以此種選擇并不適用。
另一種選擇是將軸做成轉軸，軸兩端加軸承安裝在支撐臂上，而并非將軸承安裝在滾子內部，滾子和帶輪用鍵與軸連接在一起，軸向方向利用軸肩、套筒和軸承座進行定位，并用螺釘固定在支撐臂上。結構如圖2-7所示：
圖2-7 進給部分軸設計
這種設計的優(yōu)點就在于軸本身轉動，而軸承所受的壓力也比第一種設計小得很，且軸承容易維護和更換。滾子和軸的連接不用通過軸承而通過鍵連接，從工藝性上來講要好得多。而缺點就是結構比較復雜，且螺釘擰緊后整個進給部分不能再調整及移動，應變能力不強。但是可以通過調節(jié)支撐臂來適應木材直徑變化。出于綜合考慮，最終設計采取第二種方案。
2.2.3 進給滾子
在木材剝皮機中，滾子的主要作用是壓緊原木，使切削部分能夠正常工作，并在壓緊原木的同時保證其繞軸線旋轉和沿軸線方向前進。根據安裝位置剝皮機中設計的滾子分為進料滾子、支撐滾子和出料滾（分別位于切削部件的兩側），木材經過進料滾子時只進行分支處理還沒有被剝皮，因此為了能夠抓緊樹皮，在進料滾子的表面鑲有一排排傾斜的錐型突起，以便在木材經過時卡入木材的縫隙或樹皮從而帶動其轉動著前進；而木材經過出料滾子時木材剝皮工作已經完成，為了保護已加工的表面和繼續(xù)帶動木材旋轉著前進，故在出料滾表面覆蓋一層表面粗糙的橡膠，因為橡膠具有一定的彈性，表面設計成具有一定斜度的半球型凸起，從而起到既帶動木材轉動著前進又不會對原木表面產生傷害的作用。支撐堅固作用主要依靠兩個帶凸起傳動滾子和支撐滾子三者配合實現(xiàn)，支撐滾子不需要對木材起傳動作用，所以表面覆蓋光滑橡膠起保護作用即可。支撐緊固示意圖如圖2-8所示：
圖2-8 支撐緊固配合示意圖
1—帶凸起的傳動滾子、2—木材、3—支撐滾子
對于滾子的傳動裝置，主要有兩種設計方案：鏈傳動和帶傳動。鏈傳動的主要優(yōu)點是沒有相對滑動，工況相同時尺寸配合比較緊湊，不需要很大的張緊力，作用在軸上的載荷小，傳動效率高，適應比較惡劣的工作環(huán)境，軸與軸之間距離可以很大。但是，鏈傳動也存在著不可避免的缺點，例如：瞬時傳動速率不均勻，平穩(wěn)性較差，對沖擊振動的抵抗能力較差,而且造價較高。相對而言，帶傳動雖然傳動效率較低，存在一定的打滑現(xiàn)象，傳動比并不是很精確，作用在軸上的載荷較大，但其可以緩和載荷沖擊，運行平穩(wěn)且噪聲低，制造和安裝精度要求遠低于鏈傳動，且在過載情況下出現(xiàn)的打滑現(xiàn)象還可以起到保護零件的作用。木材剝皮的傳動并不需要很精確，但是在加工過程中會有沖擊和震蕩，運動并不平穩(wěn)，切削部分需要比較穩(wěn)定的傳輸，故綜合考慮后選擇帶傳動作為傳動方式。進料滾子如圖2-9所示，未覆蓋凸起橡膠時的出料滾子和光滑橡膠時的支撐滾子如圖2-10所示：
圖2-9 進料滾子 圖2-10 出料和支撐滾子
裝配后的進料組件如圖2-11所示，出料組件如圖2-12所示，支撐組件如圖2-13所示：
圖2-11 進料組件裝配圖
圖2-12 出料組件裝配圖
圖2-13 支撐組件裝配圖
2.3 切削組件設計
切削組件是剝皮機的核心部分，該部分合理的刀具設計及安裝分布將直接決定剝皮機的工作性能，切削組件安裝后要實現(xiàn)木材去皮率高于90%，木材損失率控制在2%以內。這就要求切削部分的設計和安裝更加合理。
2.3.1 切削組件整體結構
為了實現(xiàn)這一加工要求將剝皮機的切削部分設計成先切削后剝皮的模式，進行單側剝皮切削，電機直接安裝在刀具下方，在木材直徑發(fā)生變化切削組件微調時電機的位置無需調整。整體結構如圖2-14所示：
圖2-14 切削組件整體結構
單側先切削后剝皮的滾刀剝皮機比直接進行剝皮的滾刀剝皮機工作效率更高，剝皮更干凈，對木材的損傷也更少，設備的使用壽命更長。為了達到木材剝皮平穩(wěn)且表面質量較好的要求，故將切削部件分成兩塊：切削部件和剝皮部件，如圖2-15和圖2-16所示。切削部件負責將木材堅硬表面以及一些節(jié)子、枝丫、傷疤等統(tǒng)統(tǒng)去除，為徹底剝皮做好準備。而剝皮部件負責將已經粗加工的木材進一步加工，從而加工成符合要求的木材。
圖2-15 切削部件左視圖 圖2-16 剝皮部件右視圖
在切削和剝皮區(qū)域內將切削部件和剝皮部件安裝在圓筒形刀架上，剝皮部件位于切削部件的左側。刀架通過鍵安裝在轉軸上，軸安裝在切削組件的支撐臂上，軸與支撐臂之間通過軸承座連接，軸向由軸肩和套筒實現(xiàn)軸向定位。
2.3.2 切削部件
切削部件的刀架上安裝了十把高度不同的圓柱形切刀，分成兩組在軸線方向上按一定間隔排成5排，徑向上每兩把切刀對稱分布。每一組刀具按高度不同分成a-e五把刀。切削刀架右端安裝的切削刀高度最短，向剝皮部件的方向逐漸增大，即5列刀齒a，b，c，d，e由低到高依次排列。每兩把不同的刀具軸向間隔30毫米，徑向角度間隔36度，而每一型號刀具有兩把，從端面看為沿中心線對稱分布，沿徑向展開后排列為如圖2-17所示：
圖2-17 切皮刀具展開圖
從端面看如圖2-18所示：
圖2-18 切皮刀端面圖
各刀的切削刃口向切削部件的軸線方向傾斜，也就是切刀有向左上方傾斜的切削刃口，依次類推。在切削部件的軸向凹槽內安裝切削刀。切削刀從刀體的切線方向有銳利的刃口突出。切削刀利用從壓緊板中形成的開口和長孔穿過的螺栓固定在刀體上。長孔用來調整刀具的伸出量。各切刀的切削刃口的關系是外側齒的切削刃口的最高點同它相鄰的內側齒的最低點一樣高，即刀a-c的切削刃口的傾斜大約是一致的，可是刀d和e的切削刃口傾斜度數(shù)比較大一些，這是考慮到木材在進給過程中被切除了一部分，直徑減小，后面的刀具必須采用刀具半徑遞增的安排，才能繼續(xù)剝皮。刀具的材料為硬質合金鋼，刀具與刀體之間通過螺紋連接，這樣做的優(yōu)點在于刀具的伸出量在一定范圍內是可調的，可以適應不同要求的剝皮厚度。因此，當原木沿著切削部件軸向運動時，左側的切刀將節(jié)子和傷疤部分削去，剝皮刀c、d、e開始對原木進行剝皮，去除絕大部分樹皮。從回轉軸右端看，為防止木材急劇切削，在剝皮刀上設有過渡刃，切削刃的右端和刃口的左端一樣高。剝皮刀的外端有向下傾斜的刃口。出料滾可對加工后的木材表面施以適當壓力，以防刀具把從切削部分出來的原木表面削成環(huán)狀刀跡。
2.3.3 剝皮部件
剝皮部分由四把剝皮刀組成，四把刀安裝在刀架上，分成90度分布，安裝刀具時通過壓板固定，用螺釘聯(lián)結，通過擰緊螺釘產生很大的切向力與切削力抵消從而保證刀片不會滑動。刀片上的孔稍微長出一部分，以此可以適當調整刀片的伸出量，和切皮刀一起從而實現(xiàn)適應不同剝皮厚度的要求。而且剝皮刀的伸出量要和切皮刀的e刀（即刀具伸出量最大的那個）平齊，以保證加工質量。在刀片的端面加過渡刃，以免崩刃。
刀具端面圖為如圖2-19所示：
圖2-19 剝皮刀斷面圖
其側面圖為如圖2-20所示：
圖2-20 剝皮刀側面圖
與切皮部分組合后為如圖2-21所示：
圖2-21 切削部件側面圖
2.4 支撐部件設計
支撐部件也是一部機器中不可缺少的部分，起著支撐各部件，并將各個零部件有機的聯(lián)系成一個整體的作用。支撐部件可以籠統(tǒng)的分成切削組件支撐部件、進給組件支撐部件、木材支撐筒和主框架四部分。
2.4.1切削組件支撐部件
切削組件支撐部件的主要功能就是支撐切削軸及其軸上的切削零部件，故切削部件支撐部件主要由兩個支撐臂、兩個套筒以及兩個軸承座構成。支撐臂的作用是將整個切削部分支撐相應的高度，以便切削組件能夠和進給組件更好的配合，其次，支撐臂可以緩解原木對刀具的壓力，防止刀具受到過大的壓力時，作用在軸上的載荷超越切削軸的剛度使軸發(fā)生變形。支撐臂的結構如圖2-22所示，底部設計是為了更好的安裝在滑塊上，頂部設計成直徑小于切削刀的最大直徑，從而保證在起到支撐作用的同時避免影響刀具對木材進行切削和木材的軸向進給。套筒在支撐部件中起著軸向支撐的作用，兩側分別支撐在帶輪和軸承座上，來保證切削軸在轉動的過程中各零部件不會發(fā)生軸向移動。軸承座與支撐臂通過螺釘連接在一起，兩者不發(fā)生任何相對移動。支撐臂、套筒以及軸承座三者支撐起整個切削組件的軸向定位，確保切削組件正常工作。
圖2-22 切削組件支撐臂
2.4.2 進給組件支撐部件
進給組件支撐部件的主要功能就是支撐進給系統(tǒng)，即進料組件和出料組件。相對于切削組件支撐部件而言，進給組件支撐部分設計的更加復雜，雖然它也是只包括支撐臂、套筒和軸承座三件，但是進給部分的支撐臂包括支撐傳動滾子的橫臂、豎臂和L型支撐臂以及支撐滾子的豎臂。進給組件支撐臂的底部設計跟切削支撐臂是一樣的，能夠根據剝皮原木直徑的不同來進行調整并固定。橫臂左側與安裝有滾子的傳動軸配合，右側與豎臂配合，兩側安裝軸承座保證橫臂可以上下調節(jié)。豎臂底部設計有滑槽，在橫臂轉動時，豎臂可以相對L型支撐臂前后微調來保證上傳動滾子的位置調節(jié)。L型支撐臂和支撐滾子的豎臂底部都安裝在滑塊上可以比對刻度尺先后調節(jié)適當?shù)木嚯x。而調整之后上進給部分應保持該位置，以保證進料滾或出料滾在木材通過后不會由于重力下落而與機器發(fā)生不應該的碰撞。實現(xiàn)這一要求則需要在上下進給部分之間或上進給部分和主框架之間安裝螺旋進給裝置。一開始通過調整螺母來適應不同的原木直徑，調整完畢后則利用螺母與螺桿間的摩擦力形成自鎖保證上進給部分不會下落。因為上進給部件是繞鉸鏈旋轉，故其在垂直方向內不是直線運動，為了適應這一點，在螺旋裝置中間的支撐板上開一長孔,以保證上進給部件在任何位置都可以被固定。具體結構如圖2-23所示：
圖2-23 進給支撐結構
1—L型支撐臂、2—豎臂、3—橫臂、4—支撐滾子豎臂、5—滑塊連接
2.4.3 主框架
主框架的作用是將機器的各部分有機的統(tǒng)一起來，結構較其它部分而言比較隨意，可根據其它部分尺寸進行設計。在主框架對應切削部件的部位開一通槽，使剝下的樹皮可以漏至槽內而不只在切削部件周圍堆積，影響加工效果。在進給組件和切削組件之間安裝隔離擋板，防止樹皮影響到進給組件的正常工作同時起著支撐引導的作用。在地板相應位置設置滑槽和安裝刻度尺，以便更好的調整相應的位置。其結構如圖2-24所示：
圖2-24 主框架軸側圖
第三章 組件校核
第三章 組件校核
3.1電動機的選擇
本次設計的剝皮機使用3個電機，分別用于驅動進料組件、切削組件和出料組件，三者為同一類型Y2-100L1-4，驅動進料組件和出料組件的電機通過聯(lián)軸器與型號均為為ZDY的減速器相連接后再通過皮帶與進給傳動組件連接，減速器的的公稱傳動比為2，帶輪尺寸比為1:2；切削部分在電機上直接安裝帶輪與切削組件連接，帶輪尺寸為1:2（電機帶輪：切削部分帶輪）。這樣設計的原因是進給部分需要將木材固件夾緊后為其提供進給力，該部分轉速不需要太高，所以需要安裝減速器增大輸出轉矩；切削部分不需要對木材進行加緊，只需在其一側對木材進行快速剝皮即可，所以切削部分轉速需要高一些，轉矩不需要太大，故只通過帶輪傳動比i對轉速縮小一倍即可。
根據剝皮機工作環(huán)境的特點電機需要能夠防塵、防濺水等外殼防護。通過查閱資料選擇Y2系列（IP54）封閉式三相異步電動機，該電機工作效率高，耗電少，性能好，噪聲低，振動小，體積小，重量輕，運行可靠，維修方便，為B級絕緣，結構為全封閉，自扇冷式，能防止灰塵、鐵屑等雜物侵入電動機內部，冷卻方式為IC411。適用于灰塵多、土揚水濺的場所，如農業(yè)機械、礦山機械、攪拌機、剝皮機等，為一般用途電動機。因為切削部分電機對轉矩要求較低接下來只對安裝在進給組件部分的相關零件進行校核。
進給組件選擇的電機型號為Y2-100L1-4，參數(shù)如表3-1所示。配套減速器的型號為ZDY，參數(shù)如表3-2所示。聯(lián)軸器選擇了彈性套柱銷聯(lián)軸器，型號為TL5，彈性聯(lián)軸器能夠緩沖吸振，可以補償較大的軸向位移，微量的徑向位移和角位移。
表3-1 進給電機的相關參數(shù)
電機型號
額定功率（KW）
額定轉矩（N·M）
轉速（r/min）
長度（mm）
寬度（mm）
高度（mm）
Y2-100L1-4
2.2
2.3
1430
340
220
200
表3-2 減速器的相關參數(shù)
減速器型號
公稱傳動比
公稱輸入轉數(shù)n1（r/min）
公稱輸出轉數(shù)n2（r/min）
長度（mm）
寬度（mm）
高度（mm）
ZDY
2
1500
750
150
238
210
根據設計的進給組件結構的單位圖測量數(shù)據知：進給滾子和帶輪的體積和為3218cm3，選用灰鑄鐵HT200為加工材料，密度為7.2-7.3g/cm3。所以整體對鍵的壓力約為114.7N，軸的直徑為60mm，所以轉軸需要的機械轉矩T1約為3.4N·M，電機額定轉矩乘以效率η得機械轉矩，所以輸出轉矩約為4.3N·M。電機的額定轉矩為2.3N·M，經過減速器后輸出轉矩約為4.6N·M，滿足機械要求，Y2-100L1-4型號的電機可以用于進給組件。
3.2 普通V帶校核
計算項目 計算內容 計算結果
【定V帶型號和帶輪直徑】
工作情況系數(shù) ： KA=1.2
計算功率： Pc=KAP=1.2×2.2 Pc=2.64
選帶型號： A型
初選小帶輪基準直徑： 取d1=75mm
大帶輪直徑： d2=(1-ξ)d1n1/n2
=(1-0.01)×75×1430/715
選d2=150mm
大帶輪轉速： n2=(1-ξ) d1n1/d2
=(1-0.01)×75×1430/150
n2=707.8r/min
驗算帶速v： v=3.14×d1×n1/(60×1000)
=3.14×75×1430/(60×1000)
v=5.61m/s
計算項目 計算內容 計算結果
因為5m/s
【求帶根數(shù)】
帶速： v=3.14×d1×n1/(60×1000) v=5.61m/s
傳動比： i=2.02
計算項目 計算內容 計算結果
帶根數(shù)： 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
【求軸上載荷】
最小張緊力：
F0=95.8N
軸上載荷： FQ=2×Z F0sinα1/2
=2×4×95.8×sin(/2)
FQ=762.6N
3.3 進給軸的校核
軸材料選用45鋼調質，бB=650Mpa，бs=360 Mpa
Ⅰ
圖3-1 進給軸
(a) 軸受轉矩T=9550P/n2=9550×2.2/710=29.6N·M
（a）
(b)軸受圓周力Ft=2T/d=2×29.6/0.06=986N
(c)軸水平受力圖
水平面反力 F1=F2=986/2=493N，方向和作用力相反
(c)
(d)軸垂直受力圖
垂直面反力 F3=F4=200/2=100N，方向豎直向上
(d)
(e)水平面彎矩圖
(e)
(f)垂直面受力圖
(f)
(g)合成彎矩圖
（g）
（4）許用應力
許用應力值 用插入法查得： ［б0b］=102.5MPa
［б-1b］=60 MPa
應力校正系數(shù) α=［б-1b］/［б0b］=60/102.5=0.59
（5）畫當量彎矩圖
當量轉矩 αT=0.59×29.6=17.5 Nm
當量彎矩 軸中間截面處
M==34.4 Nm
當量彎矩圖為：
（h）
3.4 鍵的選擇與校核
根據與鍵連接的軸的直徑d=60mm，查機械設計手冊知，選擇平頭的普通鍵，其參數(shù)為：bh為1811（mm）,鍵槽深度：軸t1=，轂t2=，l=100mm，具體如圖3-2所示。
圖3-2 圓頭平鍵的結構
選擇普通平鍵，
3.5 安全系數(shù)校核
對稱循環(huán)疲勞極限
б-1b=0.44бB=0.44×650=286 MPa
τ-1=0.30бB=0.30×650=195 MPa
脈動循環(huán)疲勞極限
б0b=1.7б-1b=1.7×286=486 MPa
τ0=1.6τ-1=1.6×195=312 MPa
等效系數(shù)
ψб=（2б-1b-б0b）/б0b=（2×286-486）/486=0.18
ψτ=（2τ-1-τ0）/τ0=(2×195-312)/312=0.25
截面Ⅰ上的應力
彎矩
M1=290×133=38570Nmm
彎曲應力幅
бa=б= M/W= 38570/(0.1×40)=6.03 MPa
彎曲平均應力
бm=0
扭轉切應力
τ=T/WT=53.48/(0.2×40)=4.18 MPa
扭轉切應力幅和平均切應力
τa=τm