移动式林间剩余物盘式粉碎机切削功率的理论研究

移动式林间剩余物盘式粉碎机切削功率的理论研究∗王 慧 刘旭东 杨春梅 马 岩 刘 烁摘要：鉴于生物质发电对环境和能源的影响，提出设计一台移动式林间剩余物粉碎机；通过对比盘式粉碎机和鼓式粉碎机的优缺点以及两者对切削功率的影响，确定粉碎机构；对盘式粉碎机刀盘和飞刀的关键参数进行了分析，并建立刀盘与飞刀的三维模型；以松木为例，采用经验分析法，计算了盘式粉碎机从不同角度进料时的切削力和切削功率，为移动式林间剩余物盘式粉碎机的研究提供一定的理论依据。

关键词：林间剩余物； 盘式粉碎机； 刀盘； 切削功率中图分类号：TS64 文献标识码：A 文章编号：1001-5299 （2018） 12-0035-05DOI: 10.19531/j.issn1001-5299.201812007Theoretical Study on Cutting Power of Mobile Disk Chipper for Forestry ResiduesWANG Hui LIU Xu-dong YANG Chun-mei MA Yan LIU Shuo(Northeast Forestry University, Haerbin 150040, China)Abstract: Due to the influence of biomass power generation on environment and energy, authors of this paper propose to design a mobile forest residual crusher. The crushing mechanism was determined by comparing the merits and demerits of the disc chipper and the drum grinder and the influence of the two on the cutting power. The 3D model of cutter head and flying cutter was established, which is based on that the key parameters of disc cutter and flying cutter were analyzed. Taking the pine wood as an example, authors of this paper determine the cutting force and the cutting power of the disc mill from different angles through the experience analysis method, that provides a certain theoretical basis for the research of mobile forest residue disk chipper.Key words: Forest residue; Disk chipper; Cutter head; Cutting power能源和环境问题一直受到世界的广泛关注，特别是环境问题已成为制约人类社会进步的关键因素[1]。

由于生物质发电技术不但可以减少煤等能源的燃烧，更有助于改善环境问题，所以成为很多科研机构研究的课题[1]。

我国每年都有大量的林间剩余物产生，比如桠枝、枯树干，风折木等，这些剩余物是生物质发电原料的主要来源。

但是林间剩余物不能被直接挤压成生物质固体燃料，需要通过切削、粉碎等一系列重要工序预处理后,使原料的粒度、湿度达到固体燃料的使用要求[2]。

若直接通过成型机进行成型加工,一方面不仅不能满足成型要求,还会造成燃料成型机功耗过大、生产率低、刀片磨损严重甚至导致成型机损坏等后果。

另一方面,由于生物质压缩成型设备体积庞大且质量也大,故而很多木材粉碎机的用户在利用收购的木材进行粉碎时，都需要由人工将林木废弃枝桠等剩余物运输到生产加工的地方，然后再利用木材粉碎机对其进行加工、粉碎[2]。

这样的生产过程较为繁琐，不仅固体成型的周期长而且需要较多的人力参与，若能研制出一款适合于林间工作的高机动性林业枝桠剩余物加工设备，就可以同时实现对林业剩余物的实地削片和粉碎加工从而减少我国能源的损耗并促进我国生物质能资源的发展。

目前，我国现有的移动式林业剩余物粉碎机按结构形式可分为盘式粉碎机和鼓式粉碎机两种，切削刀装在圆盘上的是盘式林间剩余物粉碎机，切削刀装在圆柱形鼓上的是鼓式林间剩余物粉碎机[3-6]。

鼓式粉碎机产量高，但是在加工木材时对木材的作用力方向王 慧， 副教授/工学博士，东北林业大学马 岩(通讯作者)，教授，单位同第一作者，E-mail：myan@收稿日期:2018- 08-25 移动式林间剩余物盘式粉碎机切削功率的理论研究——王 慧 刘旭东 杨春梅 马 岩 刘 烁- 35 -- 36 -林产工业2018年第45卷第12期时刻在变化，不能形成较好的剪切效果，功率浪费得较多，并且鼓式粉碎机相比于盘式粉碎机体积较大，质量较大。

在功率需求方面，Raffaele Spinelli等人在同样的条件下，通过对盘式和鼓式削片设备功率需求进行比较，得出盘式削片设备的需求功率要远低于鼓式削片设备[7]。

并且移动式林间剩余物主要用于林间作业，要求体积小，功率小，功率利用率高，因此笔者选择盘式粉碎机为研究对象。

刀盘和飞刀的设计既是移动式林间粉碎机设计成功的因素也是决定粉碎机切削力与切削功率的主要因素。

1 刀盘和飞刀的设计与参数分析由盘式粉碎机的工作原理可知，由飞刀和底刀或飞刀和侧刀之间的剪切力对剩余物进行切削，飞刀安装在刀盘上，由刀盘高速旋转带动飞刀在平面内旋转，飞刀和底刀之间形成较好的剪切力来实现对剩余物的切削。

刀盘是盘式粉碎机的关键部件，也是影响切削力和切削功率的主要零件。

它有两方面的作用，一方面，飞刀需要安装在刀盘上，刀盘的高速转动带动飞刀对木材进行切削；另一方面，在盘式切削机构中刀盘的直径和重量相对较大，在切削木材时刀盘高速旋转，转动惯量和刀盘的最大盈亏功较大，所以可以起到飞轮的作用，在未进行切削时，刀盘储存动能以待切削，当切削时释放动能保证木材连续切削，可以做到缓冲能量和降低最大需求功率[8]。

刀盘的转动惯量和动能与转速有直接的关系。

本文研究的粉碎机为林间剩余物粉碎机，由于剩余物直径比较小，根据林间的实际情况林间剩余物一般最大直径d =110mm。

据调查：某机械制造公司生产的XTF600型木材粉碎机其动力配置为55 kW，生产量1~2 t/h；而荷兰某公司GTS1300S型树枝粉碎机配置动力13hp，生产量20 kg/h；郑州某机械制造公司的500型可移动的木材粉碎机配用动力为15 kW，生产量为0.8 t/h。

据上，设定林间剩余物粉碎机的生产量为1t/h，其中林间剩余物的密度为0.5t/m 3，所以生产能力为2 m 3/h。

通过公式（1）计算[9]刀盘的转速： 610Q nZlSK K K 8123#=- （1）式中：Q ——生产量,m 3/h ；n ——刀盘转速,r/min；Z ——飞刀总数,个；l ——木片长度,mm；S ——剩余物平均截断面积, mm 2；K 1——机器利用系数，取0.3~0.5；K 2——工作时间利用系数，取0.7~0.8；K 3——木材的形态影响系数，成捆木材形态取0.3~0.7，其他木材形态取1。

由于林间剩余物的直径不同，根据我国林区的实际情况取d =80mm，l =10mm。

K 1=0.3，K 2=0.7，K 3=0.5，Z =4，将这些参数代入公式得到n≈1 579 r/min，取整数n≈1 600 r/min。

在设计刀盘时，考虑其回转平衡，采用四把短刀两两对称布置在刀盘上，考虑到最大切削直径为110 mm 和两把刀刀刃长度必须大于进料口，因此进料口尺寸为220 mm，每把刀的刀刃长度为130 mm。

相邻的两把刀具离中心轴的距离是不一样的，离主轴较远的飞刀称之为远轴端飞刀，同理，另一把飞刀为近轴端飞刀。

由于远轴端飞刀的速度要大于近轴端的速度，所以远轴端的转动惯量、扭矩和储能都较大。

在设计刀盘时要使储能较大的远轴端飞刀多切削林间剩余物，不利于储能的少切削林间剩余物。

因此，当切削最大直径110 mm的剩余物时使用远轴端飞刀切削其2/3，近轴端切削其剩余部分，如图1。

从图1可知远轴端飞刀距离刀盘中心距离为190.528 m m ，取整数为190 mm。

取远轴端的飞刀端部距离刀盘边缘为30mm，整个刀盘的半径R=190+130+30=350 mm。

切刀安装在刀盘上不是径向的，而是有一定的角度，包括前倾和后倾两种安装法，如图2，前倾时切削点相较于后倾距离轴心更近，切削线速度小，故采用后倾法（图2b）。

取切刀的厚度为10 mm，则刀盘上的刀具安装槽最大深度为12 mm，飞刀的楔角b =37°，飞刀伸出量h通图1 切削示意图Fig.1 Cutting schematic- 37 -移动式林间剩余物盘式粉碎机切削功率的理论研究——王 慧 刘旭东 杨春梅 马 岩 刘 烁过公式： cos cos h l 12=f f （2）式中： l ——木片长度, mm；e 1——进料槽倾斜角，（°）；e 2——进料槽中心线在水平面投影与刀盘轴线的夹角 （°）。

取l =10 mm，当e 1=0，e 2=0时，h 取得最大值。

所以取伸长量h =10 mm。

安装飞刀后角e , e 需满足公式（3）： /_tan sin h L l 1H f f ^h （3）式中：L ——相邻两把刀的平均距离，L ≈2p R/Z ，mm；R ——飞刀刃口中心到刀盘中心的距离,mm；Z ——刀盘上飞刀总数，个。

通过计算，切刀的安装角e =7°，根据公式（3）可推导出飞刀的宽度为95mm，见式（4）： sin h B H H 12f =--^h （4）式中： B ——飞刀宽度,mm； H 1——刀槽最大深度,mm； H 2——飞刀厚度,mm。

飞刀的三维模型如图3所示。

 刀盘半径350 mm，飞刀长度130 mm，远轴端飞刀到刀盘边缘的距离为30 mm，取近轴端飞刀到刀盘中心的距离为100 mm，刀盘厚度为40mm，保证刀盘有足够的转动惯量。

刀具安装槽最大深度为12 mm、角度为7°，因此刀盘最终的三维模型如图4所示。

2 盘式剩余物粉碎机的切削力与切削功率2.1 单位切削力和切削功率的计算方法切削力是计算切削功率的前提。