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差動分級式齒輥式破碎機
使用遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計
摘要：我們的差分級齒輥式破碎機結(jié)合了齒輥式破碎機，顎式破碎機的破碎比高，破碎效率高，多篩分的優(yōu)點，克服齒輥式破碎機的缺憾。動顎破碎機采用曲柄搖桿機制，從而優(yōu)化動態(tài)性能和改善破碎機的抗裂能力，我們建立了一個數(shù)學(xué)模型來優(yōu)化傳輸角ｒ，以盡量減少行程特性值m。使用遺傳算法優(yōu)化的破碎機曲柄搖桿機構(gòu)多對象的設(shè)計獲得最佳的結(jié)果。根據(jù)實驗，顯示出動顎式破碎機和裂解能力的性能得到改善。
關(guān)鍵詞：差分和分級齒輥式破碎機，曲柄搖桿機構(gòu)遺傳算法多目標(biāo)優(yōu)化。
1.引言
在許多行業(yè)中，物料粉碎過程是不可缺少的（如采礦，金屬
冶煉的，化工等行業(yè)）。傳統(tǒng)式破碎機（例如，顎式破碎機，沖擊式破碎機，回轉(zhuǎn)式破碎機，錘式粉碎機），實現(xiàn)物資的粉碎破碎能力，主要取決于工作沖擊壓力的部分。這些破碎機效率低，能耗高。我們已經(jīng)不能滿足傳統(tǒng)的破碎機。在最近幾年，一個英國MMD齒輥式破碎機大量被使用。但是，從平時的調(diào)查來看，我們發(fā)現(xiàn)在這些齒輥式破碎機的一些不足之處：1）通過齒嚙合來破碎物料。所有需要被粉碎的原料礦物被輸送到一個粉碎腔，通過標(biāo)準(zhǔn)嚙合齒粉碎成微粒排出。破碎機未能完成實際的分級破碎，不僅使用了大量的能量，而且效率低下，破碎齒還會迅速出現(xiàn)損壞和金屬疲勞。 2）兩種情況下發(fā)生堵塞現(xiàn)象。一個是一種高流動大塊的煤混有較小條的情況，另一種是濕潤的煤會導(dǎo)致堵塞。齒輥式破碎機由于沒有有效的分級機制，結(jié)果是不令人滿意的，我們不能單靠齒嚙合。根據(jù)使用MMD齒輥式破碎機的一些煤礦區(qū)的調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)，他們大多數(shù)煤礦沒有要求的干燥度。 3）MMD破碎機的破碎能力通過提高傳動部分的力來增加破碎的能力，從而導(dǎo)致高功耗和高成本?；谶@些考慮，并結(jié)合中國神華能源有限責(zé)任公司和神東煤炭分公司的需求，我們的研究團隊設(shè)計了一個新的，高效的差分和分級齒輥式破碎機，以彌補傳統(tǒng)破碎機的缺陷。
如圖1所示，破碎機破碎部分組成的牙齒和曲柄搖桿機構(gòu)。動顎曲柄搖桿機構(gòu)的草圖如圖2。在搜索的曲柄搖桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計中，
似乎有很多的文獻研究的目的只是在優(yōu)化的傳輸角度ｒ。例如，李等人只是選擇減少圖[2-3]中的行程特性值m。但是，在一個實際的和典型的破碎機設(shè)計中，動顎的破碎能力和傳動角，行程特性值m都有密切的聯(lián)系。我們已經(jīng)使用了GA（遺傳算法），以便優(yōu)化曲柄搖桿機構(gòu)的差動齒輥式破碎機的傳動角ｒ，和最小行程值m。
1．電機組裝篩分機制；2.齒輥屏軸; 3.傳動齒輪：4.粉碎齒; 5.動顎 6. 調(diào)整機制
7.機殼 8. 裝配曲軸 9. 齒輥軸電機
圖1齒輥式破碎機結(jié)構(gòu)圖
圖2 齒輥式破碎機斷裂機制示意圖
2．曲柄搖桿的動力學(xué)分析
一個鉸鏈四桿機構(gòu)的性能依賴其連桿相對長度。如果我們把搖臂?的長度等于1，那么相對長度的曲柄，連桿和身體幀分別為a，b和d。數(shù)學(xué)模型曲柄搖桿機構(gòu)的設(shè)計是獨立的的實際長度，這使得它更普遍。
2.1 最佳傳動角ｒ
曲柄搖桿機構(gòu)的傳輸力主要取決于傳動角ｒ。輸送傾角更大，就能更好的傳輸力。在傳輸過程中，傳輸角度時刻變化。每個組件的選擇具有合適的尺寸，可以優(yōu)化得到最小傳動角。因此，有必要增加傳輸角度，以提高傳輸力和破碎力。
兩個最小傳動角的可能位置如圖所示。
圖3.最小傳動角位置示意圖
2.3 行程特征值m
動顎的行程，被分成水平和垂直的兩個部分。水平部分的功能是粉碎材料，垂直行程不能幫助粉碎，但也可以加速粉碎。遞減m的值既可以降低能耗和耐磨耗，同時，可以提高生產(chǎn)效率和提高破碎比。應(yīng)采取一些措施，以減少m的值。為了簡化計算，C點被取出進行分析。幾何關(guān)系如圖所示。
圖4.曲軸和連桿路線圖
因此，行程特征值到C 點的距離是：m=h/s. 肘板的角度是:β=γ+α-90°，肘板的擺動角度：
傾角大小取決于連桿機制和動顎的力。它的取值范圍通常15°到20°之間。 s是水平行程，h是垂直行程。
3差分和分級齒輥式破碎機的動顎的數(shù)學(xué)模型
根據(jù)動力學(xué)分析，無論是傳動角γ和行程特性C點的值都可以表示為相對長度的曲柄，連桿和身體幀的曲柄搖桿機構(gòu)。設(shè)計變量是：
動顎的目標(biāo)函數(shù)最大化的最小傳動角γ：
動顎的目標(biāo)函數(shù)最小化的行程特征m值??是：
適用以下約束：
1） 設(shè)計變量的邊界約束條件：
其中aimax和bimax是設(shè)計變量的上限和下限設(shè)計變量。
2） 擁有一個曲柄的曲柄搖桿機構(gòu)的條件：
3） 約束的傳輸角度：增加傳輸角度可以提高傳輸效率和增強水平行程。但是，過多大傳動角具有相反的效果。
一種常見的情況是：
4）約束的行程特征值：根據(jù)經(jīng)驗，通常m的范圍是1.5和2.5之間。
5）動顎的水平行程S對生產(chǎn)力有明顯的影響。如果s是太小會降低生產(chǎn)率，但與此相反，它會加大破碎力，并導(dǎo)致過載損壞設(shè)備。水平行程的范圍：
其中dmin是排放口的最小尺寸。
6）肘板的角度約束。通常情況下，γ的范圍是18°至23°。綜上所述，優(yōu)化問題的可以歸結(jié)為曲柄搖桿機構(gòu)的問題：
其中
多目標(biāo)優(yōu)化問題的傳統(tǒng)解決方案，導(dǎo)致了低效率，并很容易導(dǎo)致一個明顯得局部問題。但遺傳算法的方法是迭代運行得到一個局部最優(yōu)解。通過可能的傳輸規(guī)則來指導(dǎo)搜索方向，GA搜索空間（如連通性，凸性等），并沒有特殊要求，不需要任何額外的信息。我們已應(yīng)用遺傳算法優(yōu)化了差分和分級齒輥式破碎機的
多對象設(shè)計的曲柄搖桿機構(gòu)。
4遺傳算法
遺傳算法是一種隨機搜索方法，它模仿自然演化規(guī)律。GA第一次是在1975年由荷蘭提出，它有以下主要特點：它直接運行在結(jié)構(gòu)化對象，沒有任何限制函數(shù)求導(dǎo)和連續(xù)性;它擁有隱式并行和改進的能力全局優(yōu)化;通過使用隨機優(yōu)化方法，它可以自動獲取和引導(dǎo)優(yōu)化的搜索空間，并且還可以調(diào)整沒有具體的自適應(yīng)搜索方向和規(guī)則。 GA具有的后期，一個重要技術(shù)OGY智能計算。主要方法是：1）編碼前的數(shù)據(jù)中搜索解空間，GA的數(shù)據(jù)表示，作為一個基因型表型的字符串結(jié)構(gòu)和各種組合獲得不同的點。 2）創(chuàng)建一個初始化的GE-菜單組：GA隨機生成N初始化字符串?dāng)?shù)據(jù)，其中每個數(shù)據(jù)被稱為一個單獨UAL和這些人形成一個屬組。 GA開始使用的字符串?dāng)?shù)據(jù)作為初始迭代點。 3）個體適應(yīng)值估計的適應(yīng)性函數(shù)表示的質(zhì)量個人或溶液。針對不同的問題，本一個適應(yīng)性函數(shù)的定義是不同的。 4）選擇：選擇的目的是選擇前CELLENT目前屬群和個人之間允許他們有機會繁殖后代的父母。選擇是這一思想的體現(xiàn)為GA。選擇的原則是，指示高適應(yīng)性viduals將有較大貢獻一個或多個后代的概率。 5）分頻點：這是最重要的操作GA。交叉操作可以生成新的屬具備的特點與前面的蒸發(fā)散一代。它體現(xiàn)了思想的信息交換。 6）基因突變：第一，GA隨機選擇個人從組屬。然后改變一個數(shù)據(jù)的值從字符串?dāng)?shù)據(jù)與給定的概率為選定的個人。類似生物宇宙，突變的概率GA是也很低，通常取值范圍為0.001至0.01，也就是說，突變提供了一個機會產(chǎn)生新的個體。
5基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化
我們采取了不同的曲柄搖桿機構(gòu)與差分和分級齒輥式破碎機我們的優(yōu)化對象壓榨能力為4000噸/小時。為了決定在曲軸的長度，濃度曲柄搖桿桿與主體框架的連接獲得機制，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)（9）的最大值，該值的條件下行程速比系數(shù)為1.25時，連桿行程300毫米，傾角18°。我們使用遺傳算法來解決這個問題，通過設(shè)置屬群規(guī)模等于50，交叉概率性為0.8，變異概率為0.005和數(shù)代的演變在1000。傳統(tǒng)的二進制編碼方法比較相對方便的使用時，在理論分析。但對于多維和高精度數(shù)值校準(zhǔn)的問題，它往往效率低，不準(zhǔn)確。我們用一個自然數(shù)編碼方法設(shè)置三個變量a，b和d的基因，有序的結(jié)合入染色體。例如
就包含在其中。
在初始化期間，GA將產(chǎn)生一個屬基團，其中50個個體上產(chǎn)生的根據(jù)一個變量的范圍。我們選擇了式（9）為總目標(biāo)函數(shù)的值表示個人適應(yīng)性。作為例子，我們把個人的p和q被取代的式（9），即，（P）=0.8145，F(xiàn)（Q）=0.7887，F(xiàn)（P）> F（Q）。這表明，指示的p適應(yīng)性比q的更好。
輪盤賭的方法用于在選擇操作中，在輪盤賭的游戲，我們模仿和計算的總的適應(yīng)性和在同一時間的相對并累計每一個人的適應(yīng)性。然后，輪盤變成為50倍，和一個隨機號0和1之間的每個時間。一個數(shù)比較，可以選擇由個人的累積，為每個單獨的適應(yīng)性。例如，如果我們讓r是一個隨機數(shù)，然后FC（I）累計適應(yīng)性個體iFC（i +1）的累計個體適應(yīng)性I +1。如果FC（I）<=γ<=（i +1）的話，那么個體i+1將選擇。依此類推，所有選定的個人我們可以組成一個新屬組，并開展交叉和變異操作。
單點雜交方法采用的是交叉操作，生成一個隨機數(shù)介于01時屬組。如果數(shù)少于交叉概率和個人選擇一個偶數(shù)，那么配對后，可以實現(xiàn)交叉操作隨機的。以個人的p和q為配對例如，我們的交叉點設(shè)置為2，這意味著我們選擇了第二個基因跨越。后交叉操作，個人成為
方法是通過一個統(tǒng)一的突變操作，生成一個隨機數(shù)介于0和1之間時屬組。如果的數(shù)量小于變異概率，當(dāng)前個人會發(fā)生變異。突變運算的方思是類似初始化我們重建設(shè)計的邊界中的一個單獨的基因變量。
經(jīng)過選擇，交叉和變異操作，評價函數(shù)被調(diào)用，以確保最好的個人可以被保存。優(yōu)化結(jié)果（轉(zhuǎn)換）示于表1。
最優(yōu)化的結(jié)果，這已被應(yīng)用于在生產(chǎn)實踐中，能滿足約束情況。鄭州長城冶金設(shè)備廠，與我們的合作廠家，產(chǎn)生了相應(yīng)的破碎機已經(jīng)在中國大量出售。根據(jù)實際工作情況，不同的差分和分級齒輥式破碎機具有破碎強度大的特點，高突破效率，穩(wěn)定的工作狀態(tài)，高能力清除堵塞和抗粘連和穩(wěn)定粒度破碎產(chǎn)品，所有這些都達(dá)到了他們預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。
6結(jié)論
我們已經(jīng)用遺傳算法進行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計。我們可以聲明如下：
1）我們的差分和分級齒輥式破碎機的優(yōu)點，具有很大的破碎比，破碎效率高。
2）由于它不同于傳統(tǒng)的優(yōu)化方法，GA可以開展啟發(fā)式全局優(yōu)化。這是一個并行，并發(fā)和逐漸進化搜索過程，在這過程中，避免局部最優(yōu)。
3）優(yōu)化的結(jié)果已在實踐中應(yīng)用的實際破碎機的工作狀態(tài)是穩(wěn)定的。工業(yè)上的應(yīng)用已被證明效果良好。也已表明，以優(yōu)化破碎機的曲柄搖桿機構(gòu)
多目標(biāo)設(shè)計與優(yōu)化傳動角γ和動顎m作為目標(biāo)函數(shù)最小化的行程特性，能獲得最佳效果。
致謝
作者向黃教授表達(dá)自己最真摯的感謝以及感謝嘉興集團提供的寶貴意見。編者還要感謝鄭州長城冶金設(shè)備廠免費提供的有用的材料。
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一．題目來源
生產(chǎn)實踐
二.研究的目的和意義
通常市面上出售的木材削片機分為鼓式和盤式兩種，它們都由機座、進料口、刀盤、機殼、削片刀片和電控組成。在進料方面，盤式木材削片機依靠木材自身重力進料，鼓式木材削片機通過進料輥進料，它們都沒有強制進料結(jié)構(gòu)，這樣，在切削木材時，木材容易打滑跳動，增加了切削的阻力，從而降低了切削效率，增加了功耗。在原料選擇方面，傳統(tǒng)的木材削片機只能切削剝皮后的小徑木、竹材、板皮材及采伐次薪材余料等。對于過粗（350mm以上）過細(xì)（30mm以下）過短（250mm以下）過?。?mm以下）及不規(guī)則原料（未分解的樹墩、枝杈等）不充分具有均勻切削的功能。
因此，本研究的目的是在原有的木材削片機模型上，增加一個具有強制喂料的齒輥結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以在進料時，通過輥齒，將木材牢牢的卡住，再通過齒輥的轉(zhuǎn)動，將木材輸送進去。這樣，就可以很好的防止木材在切削過程中的打滑跳動現(xiàn)象，從而降低了切削阻力，減小了功耗。在進料的過程中，齒輥還可以對木材進行擠壓，并向兩邊擴散，不僅能使木材變得更好切削，還能增大切削面積，大幅度提高效率；小塊的木材會被齒輥壓緊成塊進行切削，從而解決了傳統(tǒng)木材削片機不能很好的切削細(xì)碎料的問題。
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四．國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向
19世紀(jì)70年代，北歐、北美的林業(yè)發(fā)達(dá)國家首先生產(chǎn)并使用的削片機僅裝有3～4把切刀。20世紀(jì)40年代，出現(xiàn) 6把以上切刀的多刀削片機。50年代又出現(xiàn)新型螺旋面刀盤的多刀削片機，進一步改善了木材削片機的工作性能。中國林業(yè)部林業(yè)機械研究所于70年代研制成移動式聯(lián)合削片機，能同時完成削片、木片篩選和將合格木片風(fēng)送到裝料倉或運輸車中的作業(yè)，從而大大地提高了木材削片的生產(chǎn)率。
木材削片機有固定式和移動式兩大類。固定式多用于工廠；移動式一般用于林區(qū)山場。按工作部件的結(jié)構(gòu)形式分鼓式削片機和盤式削片機兩種，按進料方式分又有斜口進料和平口進料兩種型式。
① 鼓式削片機。主要用于切削直徑或厚度在 120毫米以下的枝椏、小徑木、
板皮、板條等，切削后的木片，用作纖維板、紙漿的原料。其切削機構(gòu)是一個旋轉(zhuǎn)的鼓輪，上面安裝若干把飛刀，飛刀旋轉(zhuǎn)時將木材加工成工藝木片。鼓輪外緣上有多個方形通孔，可使木片順利排出；進料機構(gòu)由進料接口、上下進料輥及進料調(diào)隙機構(gòu)組成，從進料接口進入的木料被上下進料輥壓住，并以一定的速度向切削機構(gòu)進給，控制切削木片的尺寸；在加工厚木料時，由進料調(diào)隙機構(gòu)進行調(diào)節(jié)。木片經(jīng)篩選后，較大的須再次進入刀片與檔板間粉碎（圖1）。這種削片機切削的木片質(zhì)量較低。
② 盤式削片機。由刀盤、切削刀、底刀、刀盤葉片等組成（圖 2）。刀盤正面有安裝切削刀片的溝槽，沿徑向偏10°～15°布置。刀片底部墊有楔形調(diào)整塊，用以調(diào)整刀片的伸出量；后部裝有調(diào)距墊塊，用以調(diào)整刃磨后刀片的補償長度。在刀盤上順著刀刃方向有貫通的縫隙，削好的木片可轉(zhuǎn)到刀盤的另一面。刀盤外緣均勻配置葉片，葉片產(chǎn)生的氣流將木片由出料口吹出，經(jīng)過篩選，過大的進入再碎機粉碎。該機有少刀、多刀和螺旋面刀3種類型，前兩種切削的木片均勻度都較差，螺旋面刀盤式削片機由于在切削過程中切削表面全部同刀盤接觸，單位壓力較小，木片切口整齊，碎木片少，刀盤磨損小，切削成的木片長度一致，切削木片合格率可達(dá)97%左右。 發(fā)展趨勢 世界各國木材削片機的制造現(xiàn)都注意于改進切削機構(gòu)、刀片的質(zhì)量和裝卡方法，以減少刃磨和換卡時間。世界性森林資源的減少促進了伐區(qū)移動式削片機的發(fā)展；而伐區(qū)聯(lián)合削片機和全樹削片聯(lián)合機的采用，將使經(jīng)濟效果進一步提高。
從國內(nèi)外木材削片機的使用情況來看，目前削片機存在以下幾個問題：一是木片質(zhì)量不穩(wěn)定，表現(xiàn)為超大片或碎小片比例高，木片合格率低；二是削片機的功率比較高，一般為幾十千瓦到幾百千瓦。統(tǒng)計資料表明，國產(chǎn)削片機動力配備相差很大，存在動力不足和大馬力拉小車的問題。使用情況也證明有的削片機功率過大，而有的卻不足。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是設(shè)計時僅靠經(jīng)驗和類比，缺少必要的原始資料，數(shù)據(jù)和設(shè)計計算，此外，削片機本身的切削特點也決定了切削功率過大；三是振動噪音大，在所有的木工機械中，削片機是噪音最嚴(yán)重的機械之一，其工作是噪音高達(dá)110dB，超標(biāo)12-20dB，空轉(zhuǎn)噪音高達(dá)102dB，超標(biāo)3-6dB，嚴(yán)重影響工人的身形健康。
國內(nèi)有關(guān)對木片質(zhì)量方面的研究較多也較全面，并已經(jīng)找出了影響木片質(zhì)量的諸多因素及影響規(guī)律，在生產(chǎn)實踐中已經(jīng)取得了比較好的效果。而對切削功率及振動噪音的研究較少，雖有一定進展但還不全面。
木材削片機在國外已經(jīng)成熟，我國削片工業(yè)的發(fā)展與之相比還有很大的差距。近10年來，隨著人造板和造紙工業(yè)的興旺，我國削片機的發(fā)展很快，數(shù)量，品種不斷的增加，并正形成系列產(chǎn)品。然而我國林區(qū)的削片機多數(shù)還都是60年代的產(chǎn)品，不定型，出片率低，質(zhì)量無保障，而且維修困難，削片機的設(shè)計方法落后，靠類比，憑經(jīng)驗的設(shè)計方法往往導(dǎo)致設(shè)計質(zhì)量不高，影響削片機的性能。針對我國削片機的現(xiàn)狀，應(yīng)采用一系列先進的測試手段，對削片機進行動態(tài)測試和理論分析，并在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計出適合我國國情的新型削片機。
五.主要研究內(nèi)容、重點研究的關(guān)鍵問題及解決思路
主要研究內(nèi)容：
1． 削片機的工作原理；
2． 齒輥的結(jié)構(gòu)及作用；
3． 齒輥結(jié)構(gòu)的成型設(shè)計。
重點研究的關(guān)鍵問題：
1．齒輥整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計；
2．齒輥齒形的設(shè)計。
解決思路：
1.查閱國內(nèi)外相關(guān)資料，了解基本的工作原理；
2.根據(jù)工作原理和工作方式確定結(jié)構(gòu)組成；
3.查閱國外削片機結(jié)構(gòu)相關(guān)文獻；
4.依據(jù)給定參數(shù)確定整體結(jié)構(gòu)的基本雛形；
5.根據(jù)參數(shù)進行計算分析確定結(jié)構(gòu)具體尺寸；
6.對齒輥進行設(shè)計計算；
六.工作的主要階段、進度與時間安排
畢業(yè)設(shè)計時間共計12周，具體安排如下：
第7周 查閱資料和翻譯外文資料
第8周 撰寫開題報告，準(zhǔn)備開題報告答辯
第9-10周 確定總體方案
第11-12周 木材削片機的設(shè)計
第13-14周 齒輥基本設(shè)計
第15-17周 齒輥齒形的設(shè)計
第18周 修改畢業(yè)設(shè)計
七.指導(dǎo)老師審查意見
本科畢業(yè)設(shè)計開題報告
課題名稱 木材削片機齒輥結(jié)構(gòu)設(shè)計
學(xué) 號 200903485
姓 名 姚夢川
專 業(yè) 過程裝備與控制
指導(dǎo)教師 張善彪
評閱教師
開題時間 2013 年 4 月 17 日
長江大學(xué)機械學(xué)院
畢業(yè)論文(設(shè)計)
題目名稱： 木材削片機齒輥結(jié)構(gòu)設(shè)計
題目類型： 畢業(yè)設(shè)計
學(xué)生姓名： 姚夢川
院 (系)： 機械工程學(xué)院
專業(yè)班級： 裝備10901班
指導(dǎo)教師： 張善彪
輔導(dǎo)教師：
時 間： 2013.3 至 2013.6
目 錄
長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書………………………………………………Ⅰ
長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)教師評審意見……………………………………………Ⅲ
長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計評閱教師評語…………………………………………………Ⅳ
長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計答辯記錄及成績評定…………………………………………Ⅴ
木材削片機齒輥結(jié)構(gòu)設(shè)計摘要……………………………………………………Ⅵ
1 前言 ………………………………………………………………………………1
1.1 課題的目的和意義…………………………………………………………1
1.2 研究概況……………………………………………………………………1
2 選題背景 …………………………………………………………………………2
2.1 題目來源……………………………………………………………………2
2.2 研究的目的和意義…………………………………………………………2
2.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢………………………………………………3
2.4 研究思路……………………………………………………………………7
3 削片機的總體設(shè)計 ………………………………………………………………7
3.1 削片機的方案設(shè)計…………………………………………………………7
3.2 削片機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ………………………………………………………10
3.3 本章小結(jié) …………………………………………………………………14
4 齒輥結(jié)構(gòu)的設(shè)計…………………………………………………………………14
4.1 齒輥的基本外形的設(shè)計 …………………………………………………14
4.2 齒輥滾筒厚度的計算 ……………………………………………………15
4.3 齒輥齒數(shù)的計算 …………………………………………………………16
4.4 齒輥齒形的設(shè)計 …………………………………………………………18
4.5 軸的設(shè)計 …………………………………………………………………19
4.6 軸的強度校核 ……………………………………………………………22
5 成型工藝…………………………………………………………………………26
6 結(jié)束語……………………………………………………………………………26
參考文獻 ……………………………………………………………………………27
致謝 …………………………………………………………………………………28
長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書
學(xué)院（系） 機械工程學(xué)院 專業(yè)過程裝備與控制 班級 裝備10901
學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師/職稱
1． 畢業(yè)設(shè)計(論文)題目：
木材削片機齒輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其成型工藝設(shè)計
2．畢業(yè)設(shè)計（論文）起止時間：
2013 年3月28日～2013年6月17日
3．畢業(yè)設(shè)計(論文)所需資料及原始數(shù)據(jù)（指導(dǎo)教師選定部分）
需要參考資料：
原始數(shù)據(jù)：
4．畢業(yè)設(shè)計(論文)應(yīng)完成的主要內(nèi)容
5．畢業(yè)設(shè)計(論文)的目標(biāo)及具體要求
畢業(yè)設(shè)計（論文）正文：字?jǐn)?shù)不少于1.2萬字；
翻譯：與研究課題有關(guān)的譯文不少于3千漢字（或2萬印刷字符的外文原文的翻譯）；
閱讀與研究課題有關(guān)的有代表性的參考文獻資料15篇以上。
繪圖：
（1）總裝圖1張
（2）零件圖3-4張
6、完成畢業(yè)設(shè)計(論文)所需的條件及上機時數(shù)要求
完成該畢業(yè)設(shè)計要求具有較強的設(shè)計、計算能力，并需要自學(xué)SolidWorks等工程軟件。
需上機120學(xué)時。
任務(wù)書批準(zhǔn)日期 2013 年 3 月 24 日教研室(系)主任(簽字)
任務(wù)書下達(dá)日期 2013年 3 月 28 日 指導(dǎo)教師(簽字)
完成任務(wù)日期 年 月 日 學(xué)生（簽名）
長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)教師評審意見
學(xué)生姓名
專業(yè)班級
畢業(yè)論文
(設(shè)計)題目
指導(dǎo)教師
職 稱
評審日期
評審參考內(nèi)容：畢業(yè)論文(設(shè)計)的研究內(nèi)容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平，存在的主要問題與不足。學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和組織紀(jì)律，學(xué)生掌握基礎(chǔ)和專業(yè)知識的情況，解決實際問題的能力，畢業(yè)論文(設(shè)計)是否完成規(guī)定任務(wù)，達(dá)到了學(xué)士學(xué)位論文的水平，是否同意參加答辯。
評審意見：
指導(dǎo)教師簽名： 評定成績（百分制）：_______分
長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計評閱教師評語
學(xué)生姓名
專業(yè)班級
畢業(yè)論文
(設(shè)計)題目
評閱教師
職 稱
評閱日期
評閱參考內(nèi)容：畢業(yè)論文(設(shè)計)的研究內(nèi)容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平，存在的主要問題與不足。學(xué)生掌握基礎(chǔ)和專業(yè)知識的情況，解決實際問題的能力，畢業(yè)論文(設(shè)計)是否完成規(guī)定任務(wù)，達(dá)到了學(xué)士學(xué)位論文的水平，是否同意參加答辯。
評語：
評閱教師簽名： 評定成績（百分制）：_______分
長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計答辯記錄及成績評定
學(xué)生姓名
專業(yè)班級
畢業(yè)論文
(設(shè)計)題目
答辯時間
年 月 日 ～ 時
答辯地點
一、答辯小組組成
答辯小組組長：
成 員：
二、答辯記錄摘要
答辯小組提問（分條摘要列舉）
學(xué)生回答情況評判
三、答辯小組對學(xué)生答辯成績的評定（百分制）：_______分
畢業(yè)論文(設(shè)計)最終成績評定(依據(jù)指導(dǎo)教師評分、評閱教師評分、答辯小組評分和學(xué)校關(guān)于畢業(yè)論文(設(shè)計)評分的相關(guān)規(guī)定)
等級(五級制)：_______
答辯小組組長(簽名) ： 秘書(簽名)： 年 月 日
院(系)答辯委員會主任(簽名)： 院(系)(蓋章)
木材削片機齒輥結(jié)構(gòu)設(shè)計摘要
學(xué)生：姚夢川，機械工程學(xué)院（過程裝備與控制）
指導(dǎo)教師：張善彪，機械工程學(xué)院
[摘要]
為了適應(yīng)我國木材資源嚴(yán)重不足且分布不均的特點，設(shè)計了這種體積小，生產(chǎn)能力大且切削木片合格率高的枝椏材用小型切片機，來滿足林區(qū)小型工廠的生產(chǎn)或木材家具廠的碎料加工，以節(jié)約木材資源。
在此次設(shè)計中，機架、左右上蓋都采用了焊接件，降低了整機的重心，有效地增強了機器的穩(wěn)定性；電機和軸之間通過皮帶傳動，緩和了載荷沖擊，防止過載給飛刀等主要部件帶來的損壞；軸承通過兩個圓錐滾子軸承與機架連接，防止軸產(chǎn)生較大的跳動影響木片合格率；刀盤和軸之間配合緊密；飛刀用壓塊夾緊，牢固穩(wěn)定，方便拆裝和更換。進料口的齒輥進行了改進，以更好的送料，壓緊木材，防止切削過程中的木材的跳動，提高木片合格率。
此削片機最適合加工枝椏和小徑級的原木，投資小，價格低廉且見效快，非常適合作坊式工廠和小型個體企業(yè)生產(chǎn)。
[關(guān)鍵詞]
削片機；木片；刀盤；飛刀；齒輥
Wood chipper tooth roller process design
[Abstract]
For adapting the characteristics of the serious shortage of the wood resources and bad-distributed condition, a kind of branch chipper is designed, which has small physical volume, high efficiency and the qualification rate to meet the needs of saving the wood resources and processing fragments in micro and furniture factory.
In this design, framework, the left cover and right cover are casting, which can lower the center of gravity of the whole machine and lager the stability of the whole machine. The motor is connected with the spindle by spindle by stalk belt, which can mollify the impact, prevent the damage which caused by overloading components such as the fly-cutter etc. The spindle is connected with framework by two cones rolls of sub-bearings prevents run out of operation process on the spindle. The stud bolts is used to press the fly-cutter. The method which is cone-shaped of connection is firm. It is convenient for dismounting and replacement.
This chipper is quite suitable to process branch and the log of the footpath class, which has a small investment and low price. It can be used in the small scaled individual business enterprise produces chip.
[Key Words]
Chipper; Chip; Cutting Dish; Fly-cutter; Roller
VIII
前言
木材削片機齒輥結(jié)構(gòu)設(shè)計
1 前言
1.1 課題的目的和意義
通常市面上出售的木材削片機分為鼓式和盤式兩種，它們都由機座、進料口、刀盤、機殼、削片刀片和電控組成。在進料方面，盤式木材削片機依靠木材自身重力進料，沒有強制進料結(jié)構(gòu)，這樣，在切削木材時，木材容易打滑跳動，增加了切削的阻力，從而降低了切削效率，增加了功耗。在原料選擇方面，傳統(tǒng)的木材削片機只能切削剝皮后的小徑木、竹材、板皮材及采伐次薪材余料等。對于過粗（350mm以上）過細(xì)（30mm以下）過短（250mm以下）過?。?mm以下）及不規(guī)則原料（未分解的樹墩、枝杈等）不充分具有均勻切削的功能。
因此，本研究的目的是在原有的木材削片機模型上，增加一個具有強制喂料的齒輥結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以在進料時，通過輥齒，將木材牢牢的卡住，再通過齒輥的轉(zhuǎn)動，將木材輸送進去。這樣，就可以很好的防止木材在切削過程中的打滑跳動現(xiàn)象，從而降低了切削阻力，減小了功耗。在進料的過程中，齒輥還可以對木材進行擠壓，并向兩邊擴散，不僅能使木材變得更好切削，還能增大切削面積，大幅度提高效率；小塊的木材會被齒輥壓緊成塊進行切削，從而解決了傳統(tǒng)木材削片機不能很好的切削細(xì)碎料的問題。
1.2 研究概況
國內(nèi)有關(guān)對木片質(zhì)量方面的研究較多也較全面，并已經(jīng)找出了影響木片質(zhì)量的諸多因素及影響規(guī)律，在生產(chǎn)實踐中已經(jīng)取得了比較好的效果。而對切削功率及振動噪音的研究較少，雖有一定進展但還不全面。
木材削片機在國外已經(jīng)成熟，我國削片工業(yè)的發(fā)展與之相比還有很大的差距。近10年來，隨著人造板和造紙工業(yè)的興旺，我國削片機的發(fā)展很快，數(shù)量，品種不斷的增加，并正形成系列產(chǎn)品。然而我國林區(qū)的削片機多數(shù)還都是60年代的產(chǎn)品，不定型，出片率低，質(zhì)量無保障，而且維修困難，削片機的設(shè)計方法
第2頁 共（28頁）
木材削片機的齒輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其成型工藝設(shè)計
落后，靠類比，憑經(jīng)驗的設(shè)計方法往往導(dǎo)致設(shè)計質(zhì)量不高，影響削片機的性能。針對我國削片機的現(xiàn)狀，應(yīng)采用一系列先進的測試手段，對削片機進行動態(tài)測試和理論分析，并在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計出適合我國國情的新型削片機。
2 選題背景
2.1 題目來源
題目來源于生產(chǎn)實踐
2.2 研究的目的及意義
我國是一個森林資源缺乏的國家，由于長期的過量采伐，使得原本就有限的可采森林資源急劇減少，尤其現(xiàn)在國家所實施的天然林保護工程及幾大重點林區(qū)封山育林，禁伐或限制采伐天然林木。但國家經(jīng)濟建設(shè)與人民生活仍需大量的木材和木制品，使得木材供需矛盾成為當(dāng)前林業(yè)說面臨的主要問題。
要解決這一矛盾，一方面要加強森林資源建設(shè)，經(jīng)營培育與保護；另一方面通過合理有效利用木材資源，從而緩解木材供需矛盾。
利用伐區(qū)剩余物的一個主要途徑是將伐區(qū)剩余物中的小徑枝椏進行削片加工，如此不僅可以提高森林資源利用率，還能改善林地衛(wèi)生狀況，防止森林病蟲害等，加工后的削片可用作制漿，造紙，生產(chǎn)人造板和燃料等。
木材削片機是生產(chǎn)木片的一種專用設(shè)備，木材削片機也叫做木材切片機，屬于木材加工系列設(shè)備之一。廣泛應(yīng)用于紡織，造紙，制漿，人造板等行業(yè)生產(chǎn)過程中的備料工程。該機的主要切削原料是剝皮后的小徑木，竹材，板皮材及采伐次薪柴余料等。但對于過粗（350mm以上） 過細(xì)（250mm以下） 過?。?mm以下）及不規(guī)則原料（未分解的樹墩，枝椏等）不充分具有均勻切削的功能，或只是將原料在原有的基礎(chǔ)上切斷，對壁厚低于5mm竹材的切片不充分具有分層切削的功能，將森林采伐和木材加工中的剩余物切削加工成工藝木片的林業(yè)機械。
然而目前生產(chǎn)的削片機在伐區(qū)的削片作業(yè)常受到條件和環(huán)境的限制，因此開發(fā)適用于伐區(qū)作業(yè)的小型削片機顯得迫切需要。再有，過去城市樹木修剪所產(chǎn)生的枝椏，基本上都作為廢棄物處理，并要支出不少運輸費用。隨著城市綠化的
第3頁 共（28頁）
選題背景
迅速發(fā)展，枝椏量越來越大，為減少消辣枝椏廢棄物的費用，提高枝椏的綜合利用率，變廢為寶，近年來城市對枝椏削片機的需求量在不斷上升；在山區(qū)，隨著林果業(yè)的迅速發(fā)展，撫育量大幅增加，枝椏削片機的作用更是日益突出。
所以針對我國林材資源嚴(yán)重不足且分布不均，為了滿足實際生產(chǎn)的需求，故設(shè)計一種體積小，重量輕，便于運輸?shù)男⌒椭坎挠孟髌瑱C，為減少木材浪費，實現(xiàn)木材的綜合利用。
本研究的目的是在原有的木材削片機模型上，增加一個具有強制喂料的齒輥結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以在進料時，通過輥齒，將木材牢牢的卡住，再通過齒輥的轉(zhuǎn)動，將木材輸送進去。這樣，就可以很好的防止木材在切削過程中的打滑跳動現(xiàn)象，從而降低了切削阻力，減小了功耗。在進料的過程中，齒輥還可以對木材進行擠壓，并向兩邊擴散，不僅能使木材變得更好切削，還能增大切削面積，大幅度提高效率；小塊的木材會被齒輥壓緊成塊進行切削，從而解決了傳統(tǒng)木材削片機不能很好的切削細(xì)碎料的問題。
2.3 國內(nèi)外研究狀況和發(fā)展趨勢
幾十年來，隨著木片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)已研制和生產(chǎn)了上百種型號的固定式和移動式削片機，固定式多用于工廠；移動式一般用于林區(qū)山場。按工作部件的結(jié)構(gòu)形式分鼓式削片機和盤式削片機兩種，按進料方式分又有斜口進料和平口進料兩種型式。其結(jié)構(gòu)和性能已日趨完美，在生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。
19世紀(jì)70年代，北歐，北美的林業(yè)發(fā)達(dá)國家首先生產(chǎn)并使用的削片機僅裝有3~4把切刀。20世紀(jì)40年代，出現(xiàn)6把以上切刀的多刀削片機。50年代又出現(xiàn)新型螺旋面刀盤的多刀削片機，進一步改善了木材削片機的工作性能。近年來，國外的削片機的研制有了進一步發(fā)展，并研制出多種新型的削片機，主要是改善進出料機構(gòu)，改進飛刀，底刀結(jié)構(gòu)及飛刀的裝夾方式，增設(shè)控制木片質(zhì)量的分離裝置，降低削片機的振動與噪音。增加輔助進料槽；增加進料槽的截面積；絞接式安裝進料槽；側(cè)面出料（木片）；減少飛刀尺寸和角度，并裝刀多刀化；飛刀夾裝在刀盤上，并呈螺旋線安裝；刀盤懸臂式裝配；降低削片機噪音；增設(shè)第二底刀及其多刃化；可調(diào)節(jié)生產(chǎn)率的削片機；改進切削機構(gòu)和進給方式以及適應(yīng)不同原料的削片機的專用，通用，以及削片機組和削片生產(chǎn)線。這些新型的削
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木材削片機齒輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其成型工藝設(shè)計
片機起到了提到生產(chǎn)率和木片質(zhì)量，木片合格率以及降低噪音，振動和減少能耗的作用，獲得了巨大的經(jīng)濟效益。
鼓式削片機。主要用于切削直徑或厚度在 120毫米以下的枝椏、小徑木、板皮、板條等，切削后的木片，用作纖維板、紙漿的原料。其切削機構(gòu)是一個旋轉(zhuǎn)的鼓輪，上面安裝若干把飛刀，飛刀旋轉(zhuǎn)時將木材加工成工藝木片。鼓輪外緣上有多個方形通孔，可使木順利排出；進料機構(gòu)由進料接口、上下進料輥及進料調(diào)隙機構(gòu)組成，從進料接口進入的木料被上下進料輥壓住，并以一定的速度向切削機構(gòu)進給，控制切削木片的尺寸；在加工厚木料時，由進料調(diào)隙機構(gòu)進行調(diào)節(jié)。木片經(jīng)篩選后，較大的須再次進入刀片與檔板間粉碎（圖1）。這種削片機切削的木片質(zhì)量較低。
盤式削片機。由刀盤、切削刀、底刀、刀盤葉片等組成（圖 2）。刀盤正面有安裝切削刀片的溝槽，沿徑向偏10°～15°布置。刀片底部墊有楔形調(diào)整塊，用以調(diào)整刀片的伸出量；后部裝有調(diào)距墊塊，用以調(diào)整刃磨后刀片的補償長度。在刀盤上順著刀刃方向有貫通的縫隙，削好的木片可轉(zhuǎn)到刀盤的另一面。刀盤外緣均勻配置葉片，葉片產(chǎn)生的氣流將木片由出料口吹出，經(jīng)過篩選，過大的進入再碎機粉碎。該機有少刀、多刀和螺旋面刀3種類型，前兩種切削的木片均勻度都較差，螺旋面刀盤式削片機由于在切削過程中切削表面全部同刀盤接觸，單位壓力較小，木片切口整齊，碎木片少，刀盤磨損小，切削成的木片長度一致，切削木片合格率可達(dá)97%左右。
國內(nèi)削片機的研制工作始于60年代，70年代中期開始研究伐木片生產(chǎn)工
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選題背景
藝與設(shè)備，中國林業(yè)部林業(yè)機械研究所于70年代研制成移動式聯(lián)合削片機，能同時完成削片，木片篩選和將合格木片送到裝料倉或運輸車中的作業(yè)，從而大大地提高了木材削片的生產(chǎn)率。80年代初，國家設(shè)立了“伐區(qū)枝椏木片生產(chǎn)設(shè)備及工藝的研究”攻關(guān)課題，進行了系統(tǒng)研究，取得了可喜的成果。從國內(nèi)外木材削片機的使用情況來看，目前削片機存在以下幾個問題：一是木片質(zhì)量不穩(wěn)定，表現(xiàn)為超大片或碎小片比例高，木片合格率低；二是削片機的功率比較高，一般為幾十千瓦到幾百千瓦。統(tǒng)計資料表明，國產(chǎn)削片機動力配備相差很大，存在動力不足和大馬力拉小車的問題。使用情況也證明有的削片機功率過大，而有的卻不足。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是設(shè)計時僅靠經(jīng)驗和類比，缺少必要的原始資料，數(shù)據(jù)和設(shè)計計算，此外，削片機本身的切削特點也決定了切削功率過大；三是振動噪音大，在所有的木工機械中，削片機是噪音最嚴(yán)重的機械之一，其工作是噪音高達(dá)110dB，超標(biāo)12-20dB，空轉(zhuǎn)噪音高達(dá)102dB，超標(biāo)3-6dB，嚴(yán)重影響工人的身形健康。
國內(nèi)有關(guān)對木片質(zhì)量方面的研究較多也較全面，并已經(jīng)找出了影響木片質(zhì)量的諸多因素及影響規(guī)律，在生產(chǎn)實踐中已經(jīng)取得了比較好的效果。而對切削功率及振動噪音的研究較少，雖有一定進展但還不全面。
木材削片機在國外已經(jīng)成熟，我國削片工業(yè)的發(fā)展與之相比還有很大的差距。近10年來，隨著人造板和造紙工業(yè)的興旺，我國削片機的發(fā)展很快，數(shù)量，品種不斷的增加，并正形成系列產(chǎn)品。然而我國林區(qū)的削片機多數(shù)還都是60年代的產(chǎn)品，不定型，出片率低，質(zhì)量無保障，而且維修困難，削片機的設(shè)計方法落后，靠類比，憑經(jīng)驗的設(shè)計方法往往導(dǎo)致設(shè)計質(zhì)量不高，影響削片機的性能。針對我國削片機的現(xiàn)狀，應(yīng)采用一系列先進的測試手段，對削片機進行動態(tài)測試和理論分析，并在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計出適合我國國情的新型削片機。
發(fā)展趨勢：世界各國木材削片機的制造現(xiàn)都注意于改進切削機構(gòu)，刀片的質(zhì)量和裝卡方式，以減少刃磨和換卡的時間。世界森林資源的減少促進了伐區(qū)移動式削片機的發(fā)展；而伐區(qū)聯(lián)合削片機和全樹削片機聯(lián)合機的采用，將使經(jīng)濟效果進一步提高。
以下列舉一些國內(nèi)現(xiàn)有的設(shè)備或資料：
1）BX117-4，福建林機廠生產(chǎn)，主要技術(shù)性能如下：
第6頁 共（28頁）
木材削片機齒輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其成型工藝設(shè)計
刀盤直徑 700mm
轉(zhuǎn)速 800r/min
飛刀數(shù)量 4把
最大切削原料直徑 130mm
木片長度 15-25mm
生產(chǎn)能力 10km3/h
電機 30kw
單位動力匹配 9kwh/m3
2)BX118-4,8451機械廠生產(chǎn)，主要技術(shù)性能如下：
刀盤直徑 750mm
進料口尺寸 160mm×170mm
飛刀數(shù)量 4把
木片長度 15-25mm
生產(chǎn)能力 4-6km3/h
電機 37kw
單位動力匹配 6.2-9.3kwh/m3
3)BX116A, 蘇福馬生產(chǎn)，主要技術(shù)性能如下：
刀盤直徑 630mm
轉(zhuǎn)速 800r/min
飛刀數(shù)量 3把
最大切削原料直徑 100mm
木片長度 15-25mm
生產(chǎn)能力 2-3km3/h
電機 22kw
目前，盤式削片機在我國造紙行業(yè)中占有非常重要的地位，然而我國對現(xiàn)在多數(shù)的盤式削片機都存在效率低和木片合格率差等缺點。由于我國是一個缺少木材的國家，所以每年都要從外國進口很多木材，尤其是近幾年，隨著木材工業(yè)和家具業(yè)在我國的迅猛發(fā)展，木材資源的缺乏日益嚴(yán)重，滿足不了木材需求量。
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選題背景
木片是造紙，生產(chǎn)人造板的原料，在國際市場上需求量很大，每年日本和南韓要從國外買進大量的木片，木片的制備顯得尤為重要。
2.4 研究思路
削片機是人造板，造紙行業(yè)中最基本的設(shè)備，用以制備工藝木片。自40年代以來，隨著森林資源的日益減少和伐區(qū)剩余物水平的不斷提高，以及全樹采伐利用新工藝的出現(xiàn)，工藝木片的原料已從利用原木轉(zhuǎn)向更多的利用枝椏材，小徑木，加工剩余物，劣質(zhì)材或進行全樹削片。工藝木片的生產(chǎn)也逐漸從制漿造紙，人造板企業(yè)轉(zhuǎn)向伐區(qū)，森林蔡赟企業(yè)。木材逐漸成為采運企業(yè)的一種重要輸出商品形態(tài)，并形成木片產(chǎn)業(yè)。此次設(shè)計主要是針對國內(nèi)外削片機的性能作出改進，并設(shè)計出一種能適應(yīng)現(xiàn)有的木材加工設(shè)備。
此次設(shè)計的主要目的是設(shè)計一臺結(jié)構(gòu)合理，功能完善且精度滿足要求的枝椏材用小型切片機。切削木片的質(zhì)量要求符合規(guī)格，木片長度10-20mm。根據(jù)設(shè)計要求，進料口有了改進，強制進料的齒輥結(jié)構(gòu)保證了刀片的順利切削和木片的均勻。確定了整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計后，對齒輥進行設(shè)計以保證不僅能很好的完成強制進料作用，而且成本最小化。齒輥的動力由切削刀主軸通過鏈傳動提供。
為適應(yīng)造紙，纖維板，刨花板行業(yè)對木片長度的不同需求，木片長度可在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。此削片機結(jié)構(gòu)緊湊、輕便合理，操作簡單，生產(chǎn)能力大，木材合格率高，單位木片產(chǎn)量能耗低，是國內(nèi)生產(chǎn)出口木片的理想設(shè)備。
3 削片機的總體設(shè)計
3.1 削片機的方案設(shè)計
根據(jù)此次木材削片機的技術(shù)要求，應(yīng)用功能設(shè)計法，對木材削片機的功能進行分解，并建立了木材削片機的形態(tài)學(xué)矩陣，以確定此次削片機的設(shè)計方案。
一般思路：“問題抽象-建立功能結(jié)構(gòu)（黑箱）-功能分析-尋找作用原理，以實現(xiàn)各分功能-進行組合尋求原理方案解-評價與決策”。
a建立木材削片機黑箱
木材削片機的設(shè)計要求為：把伐區(qū)剩余物如枝椏材、小徑木（直徑小于100mm
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木材削片機齒輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其成型工藝設(shè)計
的木材），保證穴處削出木片的長短，薄厚均勻，木片規(guī)格一般為：長10mm—20mm厚為3mm-5mm，寬度不需要控制，但是也不應(yīng)該超過20mm，木片的合格率在85%以上。
枝椏小徑
能量
信號
切削木材
合格木片
木材削片機黑箱表示
b 木材削片機功能分解
由于一般機器都是由原動機、傳動機構(gòu)、工作機構(gòu)、操作系統(tǒng)及制成部件等構(gòu)成，其技術(shù)過程通常是：“原動機→傳動機構(gòu)→控制操作→執(zhí)行機構(gòu)”。
并且以上這些機構(gòu)都裝在支撐件上，木材削片機功能的分解依據(jù)所設(shè)計的技術(shù)系統(tǒng)過程。
木材削片機的功能是完成伐區(qū)枝椏材削片，其功能可分解為:進料、切削、能量轉(zhuǎn)換、信號控制以及傳動方式、行走方式等幾個子功能，將功能與子功能、功能員之間的關(guān)系功能樹來表達(dá)有：
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削片機的方案設(shè)計
木材削片機
能量轉(zhuǎn)換
傳動方式
進料
切削
行走方式
帶傳動
齒輪減速器
人工進料
機械進料
切削原件
切削運動
木材削片機功能樹
c 功能元求解
經(jīng)查閱文獻及分析已有的技術(shù)系統(tǒng)并利用形態(tài)綜合法建立如下形態(tài)學(xué)矩陣：
功能元 功能元解
編號 名稱 1 2 3 4
A 能量轉(zhuǎn)換 汽油機 柴油機 電動機 液壓馬達(dá)
電機直接通過
B 傳動方式 帶傳動 聯(lián)軸器直接連 齒輪減速器
接
C 進料方式 機械進料 人工進料
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木材削片機齒輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其成型工藝設(shè)計
D 出料方式 上出料 下出料 側(cè)出料
E 切削原件 固定式刀 可調(diào)飛刀 圓形飛到
F 切削運動 回轉(zhuǎn)運動 往復(fù)直線運動
木材削片機的形態(tài)學(xué)矩陣
通過基本評價最終確定如下方案：
A3—B2—C1—D1—E1—F1
電動機—帶傳動—機械進料—上出料—固定式刀—回轉(zhuǎn)運動
3.2削片機的結(jié)構(gòu)設(shè)計
根據(jù)以上方案設(shè)計的結(jié)果，繪制削片機總體設(shè)計圖如下：
此削片機主要由進料系統(tǒng)、刀盤、出料口、傳動系統(tǒng)、箱體等部分組成。
1.切削系統(tǒng)
刀盤套在主軸上，主軸由裝在軸承座中的軸承支撐，由電動機通過皮帶傳動。
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削片機的結(jié)構(gòu)設(shè)計
刀盤除作為切削機構(gòu)切削木料外，還起飛輪作用，使飛刀在間斷切削時，速度波動不大，因此要求刀盤有較大質(zhì)量。大刀盤的材料一般采用30、35號鑄鋼：當(dāng)切削速度大于50m/s時采用A4、A5鍛鋼。鑄鋼件須退火處理，鍛鋼件需正火處理：粗加工后進行探傷檢查，在開口處不允許有降低使用性能的缺陷。主軸的毛胚應(yīng)為鍛件，不應(yīng)有降低使用性能的缺陷。
削片機的刀盤上裝有4把飛刀，飛刀在刀盤上的安裝一般使其刀刃相對刀盤半徑沿轉(zhuǎn)動方向向前傾斜8°-15°布置。飛刀通過刀蓋和刀架固定在刀盤上。飛刀材料一般采用鉻鎳合金工具鋼或優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，熱處理后刃口部分的硬度為HRC52-56.飛刀的刃磨角（楔角）取30°-40°，凍材、硬材取較大值。飛刀刃口突出刀盤平面高度稱為刀片的伸出量（又稱裝刀高度），其大小影響木片的長度，因此刀盤上所有飛刀刃口的伸出量必須相等。飛刀更換或刃磨后，應(yīng)保持伸出量不變。
鼓式削片機是由安裝在刀盤上的動刀和安裝在進料口下方的底刀形成剪切機構(gòu)來將木材削片。底刀的刃口有的是用硬質(zhì)合金堆焊而成。為防止有較大的沖擊力損壞刃口，底刀的刃磨角較大，一般為85-90°。
削片示意圖如下：
2.進料系統(tǒng)
木材通過皮帶傳送進進料口，再由上下喂料輥將木材拖拽進切削室進行切削。
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木材削片機齒輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其成型工藝設(shè)計
上喂料機構(gòu)（俗稱“擺”）由上喂料輥座、2個喂料輥、上喂料輥軸、擺軸、鎖緊裝置、鏈傳動裝置和減速器等組成。
喂料輥直徑較大，質(zhì)量較大且表面帶有粗齒，從而能壓緊原料，使原料以均衡的速度進入切削位置，保證木片的長度和質(zhì)量。上喂料輥通過鎖緊裝置與軸緊固，軸由球面滾子軸承支撐，軸承座固定在上喂料輥上。上喂料輥座通過擺軸裝在機座上，并能繞擺軸上下擺動，從而保證它能自動選擇進料高度。此削片機有兩個上喂料輥，由鏈傳動帶動，轉(zhuǎn)動方向與刀輥轉(zhuǎn)動方向一致。
下喂料輥機構(gòu)由2個喂料輥、喂料輥軸、支撐軸、鎖緊裝置、鏈傳動裝置和減速器等組成。
下喂料輥通過鎖緊裝置與軸承緊固，軸承座固定在機座上。減速器直接驅(qū)動其中一個喂料輥，通過鏈傳動裝置分別帶動其他喂料輥和主動皮帶輪的轉(zhuǎn)動，下喂料輥轉(zhuǎn)動方向與刀輥轉(zhuǎn)動方向相反。上下喂料輥齒相互錯開，使碎屑得到清理。
3.箱體
該削片機的箱體結(jié)構(gòu)組要是由內(nèi)外側(cè)板、輥刀箱蓋、上蓋板、下底板、輥刀軸承座和排風(fēng)管組成。如下圖所示：
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削片機的結(jié)構(gòu)設(shè)計
機座采用高強度的鋼板焊接而成，是整臺機器的支撐基礎(chǔ)。底刀座支撐和機座焊為一體，用于安防底刀座。底刀用特制的底刀螺栓通過底刀壓板固定在底刀座上。底刀座可通過機座墻側(cè)板的孔自由抽出和送進，它靠兩塊夾鍵將底刀鎖緊在機座上。飛刀削下來的木片通過氣流的作用從排風(fēng)管排出。
4.傳動系統(tǒng)
本設(shè)計的削片機刀輥主軸通過V帶大帶輪傳動，主軸的另一端裝有小帶輪，通過皮帶傳動帶動離合器和減速器。減速器最終通過鏈輪帶動齒輥轉(zhuǎn)動。離合器和減速器可以調(diào)節(jié)齒輥的轉(zhuǎn)速，一方面可以保證齒輥勻速轉(zhuǎn)動，保證木材進給量恒定，以確保切削木片的厚度一定且均勻；另一方面可以防止齒輪轉(zhuǎn)速過快，粘黏木材。鏈的連接示意圖如下：
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木材削片機齒輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其成型工藝設(shè)計
3.3 本章小結(jié)
本章中主要介紹了該設(shè)計的削片機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，所選材料，裝配的一些基本要求和工藝要求。
4 齒輥結(jié)構(gòu)的設(shè)計
4.1 齒輥的基本外形的設(shè)計
根據(jù)本設(shè)計的要求，所設(shè)計的削片機能切削的木材的最大直徑為100mm，且最多同時容納3根100mm的木材，齒輥轉(zhuǎn)速在200-250rad/min，預(yù)計產(chǎn)量為10t/h左右。因此，齒輥的長度應(yīng)該大于300mm?？紤]到在實際的生產(chǎn)過程中，存在大小木材混合進料的情況，齒輥長度應(yīng)遠(yuǎn)大于300mm。結(jié)合市面上的鼓式削片機和相關(guān)文獻資料，以及齒輥原料來源和加工過程，在本設(shè)計中，齒輥的長度選擇516mm。該長度并沒有實際的要求，結(jié)合實際情況取值任意，只要能滿足產(chǎn)量要求即可。
根據(jù)相關(guān)文獻可以知道，齒輥在喂料時，存在著一個最佳喂料角度，即在喂料效果相同的情況下，齒輥所受到的力最小。通過這個最佳喂料角可以估算出齒輥最佳的半徑。簡化示意圖如下：
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齒輥結(jié)構(gòu)的設(shè)計
假設(shè)齒輥的半徑為R，則可根據(jù)幾何關(guān)系計算出最佳喂料高度為R。再根據(jù)加工量計算出具體數(shù)值。已知產(chǎn)量為10-15t/h，考慮到木材間的間隙，再根據(jù)相關(guān)文獻估算出每小時進料的體積大約為30-45m3。建立出粗略的模型進行分析：
已知齒輥轉(zhuǎn)速為r=200-250rad/min，一小時進料的體積T需等于30-45m3。則：
T=516×60×2πRhn，n=200/2π，h=R
所以
R=
運算得R的大致范圍在70-105mm之間，這個值在這一范圍內(nèi)浮動。齒輥半徑的取值不能太小或太大，太小影響進料效果，太大則會增加力矩，降低效率。本設(shè)計中取用90mm。通過以上計算和分析得出齒輥的基本雛形。
4.2 齒輥滾筒厚度的計算
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木材削片機齒輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其成型工藝設(shè)計
在實際生產(chǎn)過程中，齒輥起到壓緊進料的作用，所受到的力并不大。為了方便加工和降低成本，齒輥的滾筒材料一般選用45號鋼或者65Mn。一下是材料的一些力學(xué)性能：
45號鋼：正火：850 淬火：840 回火：600 抗拉強度：不小于600MPa 屈服強度：不小于355MPa 伸長率：16% 收縮率：40% 沖擊功：39J 鋼材交貨狀態(tài)硬度：不大于 未處理：229HBS 退火鋼：197HBS
65Mn：抗拉強度σb (MPa)：≥980(100) 屈服強度σs (MPa)：≥784(80)伸長率δ10 (%)：≥8 斷面收縮率ψ (%)：≥30 硬度：熱軋,≤302HB;
冷軋+熱處理≤321HB
齒輥在送料時承受木材給與的外力P，可以將之簡化為承受外界壓力P作用的圓筒，則：
P=
R1為內(nèi)圓半徑，R2為外圓半徑，通過公式可以算出最小壁厚。實際中齒輥受力并不大，因此最小壁厚的值很小，從加工的方便和齒輥的輕便性等多方面考慮，本設(shè)計中的齒輥壁厚為14mm。
4.3 齒輥齒數(shù)的計算
齒輥在送料時，為了保證能有效的卡住木材送料，齒與齒之間的間距存在一個范圍值，約為l=50mm-100mm。根據(jù)之前算出的半徑R可以初步估算出在一個圓周上的齒數(shù)n。
n=
初步計算出齒數(shù)n在6-12個之間?？紤]另一種情況：齒輥在送料時應(yīng)保證
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齒輥齒數(shù)的優(yōu)化計算
壓緊木材的力不為0，則在齒輥對木材的作用力達(dá)到臨界時，前一個齒剛好離開木材，后一個齒剛好接觸木材。如圖所示：
h為齒高。可以將以上情況簡化成數(shù)學(xué)模型計算出最佳的齒數(shù)：
根據(jù)實際產(chǎn)品和相關(guān)文獻，齒輥的齒高影響進料效果，過短的齒不能很好的卡住木材，接觸時易打滑；過長的齒雖然進料效果好，但是力矩增加，齒頂受力變大，很容易出現(xiàn)崩齒現(xiàn)象。因此，齒高一般在15mm左右。本設(shè)計即選用15mm的齒高。
根據(jù)上述模型，可以得出：
將R與h的值帶入可以計算出α=31°。從而可以知道齒與齒之間的夾角為 62°，齒數(shù)n=5.8≈6個。根據(jù)經(jīng)驗，齒輪的齒數(shù)最好為奇數(shù)，已方便更好的嚙合。所以，最終齒數(shù)選用n=7個。
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木材削片機齒輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其成型工藝設(shè)計
4.4 齒輥齒形的設(shè)計
齒輥在轉(zhuǎn)動時，通過上面的齒將木材卡住并拖拽至切削室切削。因此，齒輥需要提供給木材一個水平方向的力來使木材能水平運動。我們可以通過計算如何使這個力的水平和豎直方向的分力最優(yōu)化的思路來優(yōu)化齒型。
以下是齒輥對木材的作用力的示意圖：
臨界條件：齒輥的齒在剛接觸刀木材時提供的力要在水平方向最優(yōu)化。通過上圖，我們可以將力F分解成水平方向和豎直方向的兩個分力F1和F2。水平方向的力使木材向切削室移動，豎直方向的力將木材夾緊。這兩個力缺一不可，都需要最優(yōu)，因此很容易得出，當(dāng)這兩個力相等時，既可以保證夾緊木材又能很好的送料。
解得α=45°。即，齒面對木材的作用力方向與水平夾角成45度角時，送料效果最好。再對齒單獨分析如下圖：
45度角為作用力與水平面的夾角，30度角為最佳喂入角，r為齒形的傾角。
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齒輥齒形的優(yōu)化
從圖中不難看出傾角r=15°。
齒形之所以不直接設(shè)計成底角為90度的矩形，是為了防止加工過程中的誤差，使齒與輥面間出現(xiàn)細(xì)小的縫隙，在使用過程中就很容易在縫隙出出現(xiàn)崩齒的可能，而且喂料角度會變大。設(shè)計一個15度的傾角不僅能方便加工，減少缺陷，三角形的設(shè)計也更加穩(wěn)固，同時還保證了喂入角的最優(yōu)化。齒的另一側(cè)傾角選擇的是45°，一是美觀，二是能起到很好的加固作用，具體原因?qū)⒃谙旅娴凝X形側(cè)面角度分析中說明。
齒形側(cè)面角度分析：
在實際生產(chǎn)中，兩個齒輥通過嚙合來卡緊木材，為了防止木材粘黏在齒輥的齒或齒槽中，通常將齒設(shè)計成對稱結(jié)構(gòu)。在木材與齒分離過程中，為了保證分離概率相等，將齒形側(cè)面設(shè)計成底角為45度的等腰梯形。這樣，齒與齒之間就可以形成90度的夾角，在分離過程中，上下兩輥的輥齒與木材的分離概率相等，以免粘黏木材。如果角度大或者小了，則，為了配合齒輥的嚙合，必然會出現(xiàn)一個齒輥的齒過大、寬或者齒槽過大，這樣，在分離木材時，木材很容易卡在齒槽中。上訴齒形的另一個傾角為45度也是同樣的道理。
4.5 軸的設(shè)計
齒輥1圖
齒輥1的軸連接有一個雙向鏈輪，兩個軸承、法蘭和一個換向齒輪。
1.初步確定軸的最小徑
按公式初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45號鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)相關(guān)表格，取A。=112，于是得
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木材削片機齒輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其成型工藝設(shè)計
軸的最小直徑顯然是安裝雙向鏈輪和換向齒輪的直徑。為了使所選的軸的直徑dⅠ-Ⅱ與鏈輪和齒輪的孔徑相適應(yīng)，故需同時選取型號。鏈輪選取短螺距滾柱鏈 ISO 606,鏈輪12A-1，齒數(shù)23；換向齒模數(shù)2.5，齒數(shù)88，壓力角20度。
2.軸的裝配方案：
3.根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度。
（1）選取dⅠ-Ⅱ=35mm，lⅠ-Ⅱ=49mm。因Ⅰ-Ⅱ軸右端需要制出一個定位軸肩，故取dⅡ-Ⅲ=40mm。
（2）初選滾動軸承。因軸承只受徑向力的作用，故選用深溝球軸承，參照工作要求，由軸知其工作要求并根據(jù)dⅡ-Ⅲ=40mm，選取圓錐滾子軸承，由機械設(shè)計手冊查得軸承參數(shù)：
軸承直徑：d=45mm；軸承寬度：B=31mm；D=115mm
所以，dⅢ-Ⅳ =45mm
(3)右端滾動軸承采用軸肩進行軸向定位，取軸承的定位高度h=2.5mm，因此，右端高度d=50mm。
（4）軸承端蓋的總寬度為20mm。根據(jù)軸承端蓋的裝拆及便于對軸承添加潤滑脂的要求，取端蓋的外端面與鏈輪右端面的距離l=16.25mm,故lⅡ-Ⅲ=36.25mm。
（5）軸上零件的周向定位
鏈輪、齒輪與軸的周向定位均采用平鍵連接。齒輪與軸連接選用平鍵為11mm×10mm×5mm，鍵槽用鍵槽銑刀加工，同時為了保證齒輪與軸配合有良好的對中性，故選用齒輪輪轂與軸的配合為；同樣，鏈輪與軸的連接，選用平鍵為35mm×10mm×5mm，鏈輪與軸的配合為。滾動軸承與軸的周向定位是由過度配合來保證的，此外選軸的直徑尺寸公差為m6。
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齒輥結(jié)構(gòu)設(shè)計
（6）確定軸上圓角和倒角尺寸
參考課本表15-2，取軸端倒角為1×45°，各軸肩處的圓角半徑為R=1.2mm
4.求軸上的載荷
首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖做出軸的計算簡圖。確定軸的支點位置大致在軸承寬度中間。
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木材削片機齒輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其成型工藝設(shè)計
故L1=73.75mm，L2=104mm,L3=207.5mm，L4=104mm
查閱文獻得齒輥壓緊木材的應(yīng)力約為1MP，則力F=258N。Ft=Fr=182N。鏈輪對軸的水平分力約為218N，垂直分力約為313N。
水平支反力：
水平方向ΣMB＝0
ΣF=0
垂直方向ΣMB＝0
ΣF=0
從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩圖中可以看出截面C是軸的危險截面。
計算截面C的彎矩：
總彎矩
轉(zhuǎn)矩 T=848900Nmm
4.6 軸的強度校核
1.按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度
進行校核時，通常只校核上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面B）的強度。根據(jù)書本上（15-5）的公式和上訴數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭切應(yīng)力為脈
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軸的強度校核
動循環(huán)變化，取α=0.6，軸的計算應(yīng)力
前已選軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由書上表15-1查得。因此，故安全。
2.精確校核軸的疲勞強度
（1）判斷危險截面
截面A，Ⅱ，Ⅲ，C只受扭矩作用，雖然鍵槽、軸肩及過度配合所引起的應(yīng)力集中均將削弱軸的疲勞強度，但由于軸的最小直徑是按扭轉(zhuǎn)強度較為寬裕確定的，所以截面A，Ⅱ，Ⅲ，C均無需校核。
從應(yīng)力集中對軸的疲勞強度的影響來看，截面Ⅳ和V處過盈配合引起的應(yīng)力集中最嚴(yán)重；從受載的情況來看，截面C上的應(yīng)力最大。截面V的應(yīng)力集中地影響和截面Ⅳ的相近，但截面V不受扭矩作用，同時軸徑也較大，故不必做強度校核。截面C上雖然應(yīng)力最大，但應(yīng)力集中不大（過盈配合及鍵槽引起的應(yīng)力集中均在兩端），而且這里軸的直徑最大，故截面C也不必校核。鍵槽的應(yīng)力集中系數(shù)比過盈配合小，因而改軸只需校核截面Ⅳ左右兩側(cè)即可。
（2）截面Ⅳ左側(cè)
抗彎截面系數(shù)
抗扭截面系數(shù)
截面Ⅳ左側(cè)的彎矩M為
截面Ⅳ上的扭矩為
截面上的彎曲應(yīng)力
截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力
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木材削片機齒輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其成型工藝設(shè)計
軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。由表查得，，。
截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)及按附表查取。因，=，經(jīng)插值后可查得
=2.0 =1.31
軸的材料的敏性系數(shù)為
=0.82 =0.85
故有效應(yīng)力集中系數(shù)為
由表查得尺寸系數(shù)；扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù)。
軸按磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)為
軸未經(jīng)表面強化處理，即，綜合系數(shù)為
碳素鋼的特征系數(shù)=0.1 =0.05
于是，計算安全系數(shù)的值，
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軸的強度校核
>>S=1.5
故可知安全。
（3）截面Ⅳ右側(cè)
抗彎截面系數(shù)W
抗扭截面系數(shù)
彎矩M及彎曲應(yīng)力為
扭矩T3及扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為
過盈配合處的，用插值法求出，并取，于是得
=3.16
軸按磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)為
故得綜合系數(shù)為
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木材削片機齒輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其成型工藝設(shè)計
所以軸在截面Ⅳ右側(cè)的安全系數(shù)為
>S=1.5
故該軸在截面Ⅳ右側(cè)的強度也是足夠的。本軸因無大的瞬間過載及嚴(yán)重的應(yīng)力循環(huán)不對稱性，故可略去靜強度校核。至此，軸的設(shè)計計算即告結(jié)束。
5 成型工藝
齒輥滾筒的生產(chǎn)直接采用離心澆鑄的方法。離心澆鑄可以對尺寸精度要求不高的產(chǎn)品，不需要任何機械加工，可直接成型產(chǎn)品，方便，生產(chǎn)效率高；且通過澆鑄生產(chǎn)的成品其表面大部分為馬氏體組織，硬度高。在產(chǎn)品成型后，為了消除滾筒的內(nèi)應(yīng)力，在澆鑄完成后需要將滾筒放置于戶外環(huán)境中一段時間，待其內(nèi)應(yīng)力自行消失。
6 結(jié)束語
本設(shè)計的木材削片機很大程度上參考了市面上出售的鼓式削片機，但是在進料口和出料口進行了改進。采用皮帶進料更加安全，出料口改為上出料，排風(fēng)管可自行調(diào)節(jié)高度調(diào)，更適合直接將木片排進貨車中，更加的方便。此外，整臺機器只需要一個電機驅(qū)動，功耗更底，因其結(jié)構(gòu)簡單，重量輕便，更適合在小型廠房和伐區(qū)進行木材碎料的加工，節(jié)約資源，更加環(huán)保。
此設(shè)計也有一些不完善的方面。例如，切削效率并不高，比不上市面上的大型鼓式木材削片機。出料時會存在偶爾木片不能通過排風(fēng)管排出，掉入出料口下側(cè)，雖然可以打開機箱清理，但是相比于下出料的削片機比較麻煩。
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參考文獻
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