液壓式新型木片打包壓縮機(jī)的設(shè)計研究

郭貴勇

（福建省計量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）

0 前言

木片壓縮機(jī)，是林業(yè)發(fā)展木片生產(chǎn)的重要工具，也是作為振興林區(qū)經(jīng)濟(jì)的重要支持設(shè)備。木片生產(chǎn)中存在的主要問題之一就是運(yùn)輸費用高，約占木片運(yùn)輸總成本的20%～25%[1]。然而，隨著現(xiàn)今鐵路公路等運(yùn)輸部門運(yùn)價不斷上調(diào)，原先運(yùn)輸?shù)哪酒衙芏刃?、裝載量少，而木片運(yùn)輸國內(nèi)以鐵路運(yùn)輸為主，由于袋裝木片未經(jīng)壓實處理，一輛C60的車箱僅能裝35t左右的木片(絕干噸為20t)，但是鐵路部門卻按額定載重量收費[2]。另外，目前已有的木片壓縮機(jī)中，設(shè)備所需的操作人員多，大約需要5人左右，而且很多設(shè)備相當(dāng)龐大，生產(chǎn)的自動化程度不高，大部分工序需要人員手工操作。這些都增加了木片的生產(chǎn)成本，導(dǎo)致一些遠(yuǎn)距離的木片生產(chǎn)基地生產(chǎn)萎縮甚至停產(chǎn)。世界上一些林業(yè)發(fā)達(dá)的國家，利用特別的車輛和集裝箱運(yùn)輸已經(jīng)進(jìn)行相關(guān)處理的木片，而我國卻沒有配套的技術(shù)裝備。因此，社會的發(fā)展需要高效率和高自動化的木片壓縮機(jī)，發(fā)展木片生產(chǎn)，必須從我國實際出發(fā)，根據(jù)我國現(xiàn)有的技術(shù)條件進(jìn)行設(shè)計制造，從而取得最佳效益。

1 工作原理

木片可以進(jìn)行壓縮，是因為它受壓時本身不會有明顯的破壞，不影響它的商品價值。木片自然堆放時每片之間的擺放是無規(guī)則的，由于其自重作用使其所處的狀態(tài)只是暫時的溫穩(wěn)定，而木片間有很多的空隙，堆積密度就顯得很小，如果向木片施加壓力，那么原來的暫時穩(wěn)定狀態(tài)將遭到破壞，木片就會向相互間的空隙移動，從而達(dá)到新的穩(wěn)定[2]。此時，木片之間的空隙將得到很大程度的減少，堆積密度得到增大。故可知對木片進(jìn)行的壓縮過程主要是木片相互填補(bǔ)空隙的過程，而木片本身的受壓縮則相對較少，因此對木片本身破壞不大。本文擬設(shè)計的新型木片壓縮打包機(jī)的工作流程由裝料、壓縮和包裝三個工序組成，其控制流程如圖1所示。

圖1 工作系統(tǒng)控制流程

壓縮機(jī)的三維示意圖如圖2所示，木片壓縮打包機(jī)組壓機(jī)由1個液壓油缸組成，額定液壓為30MPa，木片壓實模具截面為700mm×400mm，長1800mm，在液壓油缸的作用下壓頭最終將木片壓成不大于700mm×400mm×500mm的方塊。本設(shè)計采用一個液壓油缸目的在于節(jié)省成本和提高生產(chǎn)效率，可以通過對壓頭部分的力傳感器的載荷數(shù)據(jù)反饋對液壓油缸的工作進(jìn)行控制，這就需要在壓頭處安裝1個或1套由計量部門校準(zhǔn)過的力傳感器（準(zhǔn)確度不大于0.5級即可），而控制終端為液壓控制系統(tǒng)可提供持續(xù)穩(wěn)定的液壓油。此時在控制終端設(shè)定一目標(biāo)載荷值，當(dāng)力傳感器反饋的載荷達(dá)到該目標(biāo)載荷值時，液壓油缸即停止加載而讓壓頭持續(xù)保壓工作，直至將木片打包入筐。

收集—壓縮箱裝置的組成包括推移液壓油缸、推板和推出架等部分，用于將壓縮成塊的木片推上木片打包金屬框。推出液壓油缸固定于混凝土臺上，其活塞桿前部裝有推板，且活塞桿、推板和推出架3件固接，當(dāng)推動活塞桿向前運(yùn)動時，推板、推出架也同步向前運(yùn)動，直至把收集箱中的木片塊打包進(jìn)打包框中。為防止推卸過程中壓縮箱隨之運(yùn)動，應(yīng)把壓縮箱推入端一側(cè)的鐵鏈掛于導(dǎo)柱上的掛鉤上。木片壓縮裝置由液壓油缸、壓頭、機(jī)體支撐裝置等組成，用于對木片實現(xiàn)壓縮功能。液壓油缸固定在型鋼焊接成的機(jī)架上，其活塞桿軸的端部連接壓頭，壓頭由液壓油缸驅(qū)動升降。工序開始時，散裝木片整理好放入壓縮箱以后，液壓油缸即驅(qū)動壓頭伸入其中進(jìn)行壓縮木片，待壓縮載荷達(dá)到預(yù)置值時即壓縮完畢，接著移動木片塊，此時啟用推出裝置，但必須注意在安裝時壓縮箱的底板高度與打包框的入口高度一致，樣才能確保將木片推進(jìn)打包框中。另外，為了減少木片間的空隙，木片可經(jīng)2～3次的輪番壓縮，每次擠壓至一設(shè)定載荷時進(jìn)行保壓。當(dāng)壓縮箱推出打包時，應(yīng)先將壓縮箱兩側(cè)的掛鏈勾于壓頭上，這樣就可以防止壓縮箱在木片打包時跟著移動，從而確保木片打包壓縮工作的繼續(xù)進(jìn)行。

圖2 木片壓縮機(jī)立體圖

在壓縮之后就是對木片進(jìn)行打包。一般情況下打包木片是用麻包袋，但是麻袋包裝的抗脹力不大，因此，我們設(shè)計采用金屬網(wǎng)式可折疊包裝筐，便于包裝木片返回后重復(fù)使用，主要是在金屬的邊條上裝上可平時門板上所用到得可旋轉(zhuǎn)配件。一個金屬包裝筐可使用4年左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比麻袋包裝物的使用壽命長，而且環(huán)保衛(wèi)生。當(dāng)壓縮機(jī)將木片壓縮到位時，液壓油缸繼續(xù)工作保壓，將木片前移即可將其裝入金屬打包框中，打包工作也即完成。

如果包含包裝筐的每個木片壓縮塊重量為55kg，采用鐵路C60車運(yùn)輸壓縮木片，按每層裝120筐，一輛車可裝1320筐，總重72600kg。滿足了充分利用車輛額載量的要求，與麻袋散裝木片(35000kg左右)相比，增加了裝載量37600kg，即是提高了107.4%的裝載量，即比原來提高一倍多。使用該新型木片壓縮打包機(jī)，可使木片運(yùn)輸成本大大降低，裝車運(yùn)輸量節(jié)省了很大一部分的工作量。

2 壓縮機(jī)機(jī)體機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計

2.1 機(jī)體板的設(shè)計

圖2中工作平臺的板面即是機(jī)體板。機(jī)體板的具體結(jié)構(gòu)是：兩塊形狀和尺寸都相同的鋼板，中間設(shè)置一套筒連接液壓油缸，在鋼板的四個邊角都焊接上套筒來連接機(jī)柱，另外在兩個鋼板之間的外圍再焊接鋼帶，確保機(jī)體板的強(qiáng)度足夠，而且套筒與套筒之間利用焊接的鋼板進(jìn)行固定。機(jī)體板在木片壓縮機(jī)中連接機(jī)柱和液壓油缸，工作時液壓油缸通過它把載荷傳遞至機(jī)柱上，起到的橋梁作用相當(dāng)明顯重要，故在設(shè)計上采用工字鋼型材料結(jié)構(gòu)，把鋼板焊接成為工字造型來構(gòu)造筋板。其結(jié)構(gòu)和尺寸如圖3所示，其中間圓狀為軸套孔。

圖3 機(jī)體板的結(jié)構(gòu)尺寸圖

2.2 機(jī)柱的設(shè)計

上面提到，液壓機(jī)在工作時主液壓油缸通過機(jī)體板把載荷傳至機(jī)柱上，因此機(jī)柱在木片打包壓縮機(jī)中起支撐作用，其材料需選擇較高強(qiáng)度的無縫鋼管，初步選擇外徑為D=200mm，壁厚δ=12mm的45鋼無縫鋼管。木片壓縮機(jī)在木片壓縮過程中，液壓油缸產(chǎn)生的工作推力為8400 kN，由于機(jī)柱和筋板之間連接有8個支撐條，所以每根機(jī)柱承受的軸向力如圖4所示。

由圖4可以看出，機(jī)柱受到的最大軸力Fmax=1050kN，因此其所受到的的應(yīng)力大小為（取安全系數(shù)為ns=2）：

[3]，45 鋼的屈服極限 σs=333.2MPa，由于 σs>σmax，可知機(jī)柱是安全的。

圖4 四根機(jī)柱受軸力圖

2.3 壓頭的設(shè)計

壓頭直接與木片接觸而需要承受很大的壓力，因此必須具備一定的剛度。而所生產(chǎn)的部分木片會具有酸性等液汁而且比較粘稠，因此壓頭材料還要有一定的耐酸腐蝕性能，可以選擇壓頭材料為合金結(jié)構(gòu)鋼熱軋厚鋼板，化學(xué)成分應(yīng)符合GB/T3077—1999的規(guī)定，鋼板交貨狀態(tài)應(yīng)為正火組織。需要注意的是，在壓頭前端部位距離中心等距兩邊需要安裝力傳感器，目的是實現(xiàn)對液壓油缸的工作與否進(jìn)行預(yù)設(shè)定控制，力傳感器的安裝位置如圖5所示。

圖5 壓頭部位力傳感器的安裝位置

2.4 壓縮箱的設(shè)計

壓縮箱直接與木片接觸，其作用是將放置其中的木片快速推入壓頭下方，其材料需要具備一定的剛度和耐酸耐堿性，可選不銹鋼冷軋鋼板。要指出的是，由于對木片壓縮前后需要將木片裝進(jìn)和推出，因此推出箱的兩端應(yīng)敞開，而其推入端還額外安置導(dǎo)向軸進(jìn)行推動，并設(shè)置有鋼板門，門上配置門栓，在裝載和打包木片時將門打開，在壓縮木片時將門關(guān)閉，確保壓縮和打包工作的順利進(jìn)行。壓縮箱的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 壓縮箱的結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

本文通過對該新型木片打包壓縮機(jī)的性能分析，得到它與傳統(tǒng)的木片木片麻袋打包設(shè)備相比，具有以下特點：（1）木片打包壓縮機(jī)是集機(jī)、液、電三位一體的新型機(jī)械，自動化程度高，節(jié)省勞動力，便于推廣使用；（2）設(shè)備制造簡單，符合當(dāng)今我國生產(chǎn)廠家和用戶單位的技術(shù)水平，制造成本較低；（3）與傳統(tǒng)的麻包打包木片運(yùn)輸相比，同樣的一節(jié)C60車車廂的運(yùn)載量比原來的兩節(jié)車廂運(yùn)載量還多，極大地提高了運(yùn)輸量，節(jié)省了木片的運(yùn)輸費用，具有良好的應(yīng)用推廣價值。

【參考文獻(xiàn)】

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