微纤丝制取实验台动磨盘固定座的有限元分析*

杨春梅，朱建楠，马岩，吴全会，包玉莹

(东北林业大学 林业与木工机械工程技术中心，黑龙江　哈尔滨150040)



微纤丝制取实验台动磨盘固定座的有限元分析*

杨春梅，朱建楠，马岩，吴全会，包玉莹

(东北林业大学 林业与木工机械工程技术中心，黑龙江哈尔滨150040)

摘要：微纤丝制取设备的设计是木材加工中的重要研究内容。本研究设计了一种微纤丝制取设备的主机，该主机是微纤丝制取实验台的核心部分，其采用楔形动压高速磨盘研磨的方法制取木材微纤丝。微纤丝制取实验台的研磨室组件主要由静磨盘、静磨盘座、动磨盘、动磨盘座等密封装置组成。本研究在对动磨盘固定形式进行分析的基础上，对固定帐套的负载、扭矩进行计算，确保满足工作要求。通过对动磨盘固定座进行静态分析及在此基础上的动磨盘座的建模，利用ANSYS软件进行受力分析，验证其强度和刚度的合理性，为微纤丝制取设备的设计提供了理论基础。

关键词：微纤丝；主机；研磨机构；动磨盘；受力分析

四大常用工程材料包括钢铁、石材、塑料、木材。其中前3种材料的微纳米技术已经比较成熟，而木材作为唯一可以再生的材料，其结构却始终很难达到微纳米的尺度。在微纳米尺度下，木材的尺寸效应、特异性质及变化机理将会发生显著的改变，材料性能将会极大增强[1]。而随着中国经济的迅速发展，中国已经成为中密度人造板第一生产大国，如何制取微纳米级的木材微纤丝成为木材加工领域中的重要内容。在20世纪30年代，瑞典顺智(Sunds)公司的阿斯普鲁德(Asplund)发明了第一台热磨机来制取微纤丝。目前瑞典、德国、日本、芬兰等国的热磨机比较成熟，尤其是瑞典Defiberator公司的产品，在世界范围内应用最广泛。近些年国内的热磨机发展速度较快，但和国外产品比较仍然比较落后，精度、控制、可靠性上都有明显差距。

图1　微纤丝制取实验台主机

注：1为液压油缸，2为楔形微调机构，3为蒸煮罐，4为静磨盘机构，5为动磨盘机构，6为静压组合轴承，7为电主轴(主轴电机)，8为主机固定座，9为机架。

Fig.1The main engine of microfibril producing test bed

微纤丝制取实验台主机是微纤丝制取整机的核心部分[2～3]。微纤丝设备主机结构如图1所示，微纤丝制取实验台主机包括液压油缸1、楔形微调机构2、蒸煮罐3、静磨盘机构4、动磨盘机构5、静压组合轴承6、电主轴7、主机固定座8和机架9等零部件组成。洑香香等[1]介绍了木材微纤丝角研究的现状、发展趋势以及微纤丝角对木材性能的影响，而对微纤丝制取设备进行设计和验证报道不多，为此，本研究设计了一种以机械手段来制取木材微纤丝的主机，分析了研磨理论，并对其进行有限元分析，为新型微纤丝制取设备的制造提供了理论基础。

1研磨机构

微纤丝制取实验台的研磨室组件见图2所示。研磨室主要由静磨盘1、静磨盘座2、蒸煮罐3、排气压力阀4、动磨盘5和动磨盘座6等及其他密封装置(包括紫铜环一7，铜环座一8，密封环9，螺钉10，铜环座二11和紫铜环二12等)构成，静、动磨盘通过螺钉分别固定在静、动磨盘座上。动、静磨盘组成的研磨空间通过机械密封式密封，具体如图2(Ⅰ)所示，紫铜环一7镶嵌在铜环座一8上，铜环座一8通过螺钉固定在静磨盘座2上，紫铜环一7与铜环座二11紧密的配合，两者之间的距离直接影响着微纤丝制取的效果。紫铜环二12镶嵌在铜环座二11上，铜环座二11通过螺钉10紧固在动磨盘座6上，紫铜环二12与外壳紧密配合，起到对研磨室内高压密封的作用。

图2研磨室结构

注：1为静磨盘，2为静磨盘座，3为蒸煮罐，4为排气压力阀，5为动磨盘，6为动磨盘座，7为紫铜环一，8为铜环座一，9为密封环，10为螺钉，11为铜环座二，12为紫铜环二，Ⅰ为密封组件局部放大图。

Fig.2The grinding room structure

1.1　研磨室内研磨理论分析

原料经蒸煮罐蒸煮处理后，通过高压蒸汽将原料送入动、静磨盘研磨室内[4～5]。由于动磨盘座和电主轴直接相连接，电主轴带动磨盘高速旋转，动、静磨盘之间同时产生负压，两重压力叠加后轻松地将原料送入研磨室腔内。通入研磨室的原料在磨腔内在高速旋转的动磨盘带动下做离心运动，其研磨原理效果见图3。

主机研磨室在研磨细化蒸煮后的木材小碎片原料的过程中，动、静磨盘间控制很小的间隙。由于动磨盘磨面开有齿槽，木纤维团将沿齿槽轨迹运动。在运动的过程中由于大颗粒木纤维运动速度与旋转的动磨盘速度有差异，致使大颗粒的木纤维团在齿槽内产生撕裂和撞击，将木纤维团细化。原料颗粒与颗粒间产生剧烈高频的相互强力的撞击和剪切作用，经过反复撕裂撞击作用使得木材细胞壁破裂，支撑细胞的骨架纤维素将会被严重地破坏[6～7]。高速磨盘研磨作用下，木纤维团被高速甩出研磨区与外面的壳体相撞，木纤维团瞬间产生很大的能量损失，木纤维团瞬间爆破，最终得到理想的微纤丝[8]。

(a)木材碎片在磨区内研磨(b)原料研磨旋转

图3研磨原理示意图

Fig.3The sketch of lapping principle

图4　动磨盘座与主轴的夹紧结构

注：1为动磨盘座，2为动磨盘，3为胀套，4为左旋螺母端盖，5为上半背载环，6为径向轴承座，7为径向轴承，

8为上端盖，9为主轴，10为下端盖，11为螺钉，12为螺栓，13为输油嘴，14为油塞，15为下半背载环。

Fig.4The clamping structure of dynamic grinding

disk and spindle

1.2　动磨盘固定形式

电主轴和动磨盘座1直接相连接，动磨盘座1是由铸铁铸造而成，同时在动磨盘座1铸造出止推轴承环。在设计中出现动磨盘座1和主轴连接的轴毂联接问题，常用的键连接(平键、半圆键、楔键和切向键联接等多种形式)方式存在对中性差、应力集中等缺点[9]，不能满足本设计实际高精度、高速度的工作要求。由于电主轴的主轴轴径较小，传动扭矩和应力时可能不易满足强度要求，因此本次设计采用无键连接形式。主机采用2个胀套3将动磨盘座1和主轴9进行夹紧固定，这样2个胀套能传动足够的扭矩和应力。安装时要严格保证安装精度，保证磨盘座在工作运动过程中的牢固；拆卸时只需拧松胀套上的螺钉，放松胀套进而将动磨盘座拆下。整个过程操作简单、灵活稳定、节约制造成本。夹紧结构见图4。

选取的固定胀套外形和相关参数见图5和表1。胀套使用预紧是靠拧紧胀套法兰上的螺钉，通过法兰压紧使得胀套施加轴向夹紧力。胀套内、外锥面产生挤压作用下， 使其外锥面与动盘固定座之间和内锥面的孔与电主轴的主轴之间产生很大的压力，通过摩擦作用实现无键联结，进而实现载荷的传递。与常用键联结相比具有以下优点：(1)轮毂部分和轴不用加工键槽，从而避免降低了应力集中问题；(2)能承受一定的轴向力，能承受变、冲击载荷，耐疲劳强度高；(3)对轴和孔配合的加工精度要求不高， 便于加工制造，降低加工工序；(4)固定安装定心性好，同轴度有保证且易于装拆；(5)自身具有很好的过载保护功能。

本设计选取的电主轴参数见表2，胀套额定负载的确定见公式①，则电主轴的主轴传递的扭矩M计算见公式②。

图5　胀套

基本尺寸/mmdDdL0LL1L2D1D2内六角螺钉规格数量/只额定载荷Ft/kNFt/kN·m324351412548546559M6853.41.136

表2　电主轴参数表

电主轴的主轴在传递扭力时满足以下条件，传递的扭矩Mt≥M，式中,M为所需传递的扭矩；Mt为胀套的额定扭矩；承受的轴向力Ft≥Fx，式中Fx为所需承受的轴向力；Ft为胀套额定轴向力。Z11扭力Mt=1 136 N·m大于电主轴产生的扭力M=7.958 N·m，同时，研磨室内腔产生的推力F可以由静压组合轴承克服，不会影响电主轴。

2动磨盘固定座静态分析

动磨盘组件见图6，包括动磨盘、动磨盘固定座和密封环等，其中动磨盘和动磨盘座是微纤丝制取实验台主机的研磨核心零件。动磨盘的转速极高，达到了10 000 r/min以上。而动磨盘座是固定动磨盘的基体，其承受动磨盘所传递的巨大压力，并且受到静压系统提供的高压供油，所以其强度和刚度将直接影响着微纤丝制取实验台的研磨性能。若动磨盘座的强度和刚度不够，则机器达不到所需要的精度，严重影响微纤丝制取的效果，甚至机床损坏或发生事故。因此，为了确保动磨盘座的材料选择和结构设计达到实验要求，在设计过程中，运用ANSYS软件对动磨盘座进行静态分析，检测其在切削过程中的应力、应变与位移等参数是十分必要的。

图6　动磨盘组件

注：1为动磨盘，2为内六角圆柱头螺钉，3为弹簧垫片，

4为左旋螺纹端盖，5为胀套，6为密封环，7为动磨盘固定座，8为电主轴输出轴。

Fig.6The assembly of dynamic grinding disk

2.1　动磨盘座建模与受力分析

实验台研磨室的动磨盘座是受力的主要零件，采用Solidwoks软件对动磨盘固定座进行建模[10～11]，将Solidwoks建好的动磨盘固定座模型另存为Parasolid(*.x_t)格式(模型名字采用英文，ANSYS不能接受中文名字)，然后将另存为(*.x_t)格式文件导入ANSYS软件，导入状态见图7。进行静力分析，对其主要承受由动磨盘研磨时形成的推力F，同时承受到由供油系统提供的高压压力F'，在设计过程中我们已经进行推力F=14 130 N的计算，研磨过程中应保证供油油压产生的压力F'等于推力F，在动磨盘座旋转过程中受到扭矩M=7.958 N·m，施加在静力分析图，通过ANSYS静力分析，这样才能有效降低由于受力问题影响实验台的加工。

图7　动磨盘固定座受力作用

2.2　动磨盘固定座网格划分

动磨盘座有限元模型采用尺寸设定网格划分的方法进行网格划分。网格划分的结构微小单元边长为5 mm，并对动磨盘座的材料属性进行设定[12]。在满足使用要求包括零件强度和刚度，本磨盘固定座考虑到加工成本和减震效果等因素，采用的材料为HT200，查阅材料性质知铸铁HT200特性(密度ρ=7.2×103kg/m3，弹性模量E=1.48×105Mpa和泊松比μ=0.31)。考虑到动磨盘固定盘在实际工作过程中是周期性运动，其结构属于周期性对称结构，结构相对比较简单，比较容易对其进行网格划分，并对网格密度进行了设置，动磨盘座有限元模型的网格划分如图8所示。对模型进行网格划分后，动磨盘座有限元模型网格单元划分结果为,43 451个节点，24 958个单元。这样的网格划分比较适合，较为准确地反映动磨盘固定座的实际情况，提高分析的可行性。

图8　动磨盘固定底座网格划分

2.3　动磨盘固定座施加约束与载荷

Solidworks软件建立的模型导入ANSYS Workbench进行有限元分析[13]，建立有限元分析模型之后，模型上施加载荷。在有限元分析过程中，施加载荷的合适与否将直接决定有限元分析的结果。根据动磨盘的受力情况，为模型添加的约束与载荷情况如下，在动磨盘座大端施加皮带的拉力F=14 130 N，在动磨盘座止推轴环F'=14 130 N。

2.4　动磨盘固定座的静态分析结果

在Static Structual-Mechanical环境对动磨盘固定座进行施加载荷和约束固定，然后求解模型，单击工具栏中的Solve进行求解。对其应力、应变与变形情况进行有限元分析，获得动磨盘固定座的应力、应变和变形情况分别如图9(a)、(b)和(c)所示。

(a)动磨盘固定座应力云图(b)动磨盘固定座应变云图(c)动磨盘固定座变形云图

图9固定座静力分析图

Fig.9The static analysis contour figures

通过软件分析计算， 动磨盘固定座各点应力变化〔图8(a)〕反映了动磨盘固定座的强度特性。动磨盘固定座的最大应力出现在轴承支撑端部和动磨盘座大端的连接处，最大应力为30.936 MPa，小于该材料的屈服极限，材料的屈服极限应力数值为200 MPa。这说明动磨盘座的强度足够，在主机运转过程中不会发生因强度不足造成的机床损坏。

图8(b)可以反映出动磨盘固定座刚度特性。动磨盘固定座的最大变形也是发生在止推轴承位置和动磨盘座大端的连接处，这一点与应力云图完全相符，与实践工况环境十分的吻合，动磨盘固定座最大应变值为0.209 03 mm/m，远小于该材料的极限挠度2 mm/m。因此，动磨盘座的刚度是足够的，在主机研磨过程中不会出现刚度不足的情况。

图8(c)中的颜色变化能反映动磨盘固定座在各种载荷作用下的变形情况。最大变形发生在静压止推轴环的边沿，动磨盘固定座的最大变形量为0.019 386 mm/m，最大变形量远小于材料规定最大变形量2.5 mm/m，工作过程中满足实验要求。

综上所述，动磨盘固定座的模型结构是合理的，其强度和刚度完全能够保证主机运转过程中完成对原料的研磨磨削，同时能够稳定地控制动静磨盘之间的变形，保证较高的研磨磨削精度。动磨盘的强度、刚度和产生的形变都满足材料(HT200)的要求，可以达到微纤丝制取实验所需要的效果。

3结论和讨论

(1)本项目介绍了微纤丝制取实验台的主机结构，并介绍了研磨机构原理，通过动静磨盘的运作将木材小碎片研磨形成最终理想的微纤丝。

(2)本项目对研磨机构中的动磨盘固定形式进行分析，同时对固定帐套的负载和扭矩进行计算，得出均满足实验要求。

(3)动磨盘是微纤丝设备的主要部分，基于此，本项目对动磨盘固定座进行静态分析，并利用三维软件进行实体建模，利用ANSYS软件进行受力分析，其强度和刚度均符合实验要求。

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Finite Element Analysis of Dynamic Plates Holder of

the Microfibril Experiment Rig

YANG Chun-mei,ZHU Jian-nan,MA Yan,WU Quan-hui,BAO Yu-ying

(Forestry and Woodworking Machinery Engineering Centre，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，P.R.China)

Abstract:The design of the microfibril equipment is an important research content in wood processing，and a main engine of the microfibril equipment was designed in this study.The main engine is the core part of the microfibril preparation experiment rig，and it use the wedge method for high speed grinding for wood microfibril.The grinding components is mainly composed of static mill，static tower mill，moving mill and dynamic tower mill.Based on analyzing the fixed form of the moving mill and calculating a fixed set of load and the torque to ensure that meet the job requirements，and through making the vertical analysis and modeling ，ANSYS software was used for stress analysis to verify the rationality of its strength and rigidity.

Key words:microfibril;main engine ;grinding mechanism ;moving mill;stress analysis

作者简介：第一杨春梅(1977-)，女，副教授，博士，主要从事木工机械的研究。E-mail:ycmnefu@126.com

基金项目：国家自然科学基金项目(31070500)和黑龙江省自然科学基金重点项目(ZD201203)哈尔滨市科技创新人才研究专项资金项目(2012RFXXG010)共同资助。

*收稿日期：2015-05-19

中图分类号：S 781

文献标识码：A

文章编号：1672-8246(2016)01-0042-06