小徑木雙面連續(xù)式薄木縱向刨切機的出材率分析*

馬巖,何惠彬

(東北林業(yè)大學(xué)林業(yè)與木工機械工程技術(shù)中心，黑龍江　哈爾濱150040)

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小徑木雙面連續(xù)式薄木縱向刨切機的出材率分析*

馬巖,何惠彬

(東北林業(yè)大學(xué)林業(yè)與木工機械工程技術(shù)中心，黑龍江哈爾濱150040)

針對新型纖維化單板重組木工藝，設(shè)計研發(fā)出單板刨切機，建立其在理想狀態(tài)下的小徑木數(shù)學(xué)模型。并且通過分析利用薄木刨切加工方式的小徑木橫截有效面積、實際測量及理論計算，得出在理論狀態(tài)下4組選定的薄木刨切出材率分別為52.6%、76.0%、84.8%和89.1%。利用實驗數(shù)據(jù)繪制出小徑木半徑與出材率關(guān)系曲線，計算出小徑木雙面連續(xù)式薄木刨切機的平均出材率為75.6%。

重組木；單板；小徑木；薄木刨切；出材率

重組木是20世紀80年代中期，由澳大利亞率先開發(fā)的一種新型木質(zhì)復(fù)合材料，以小徑級速生人工林的木材為主要原料[1～3]。繼澳大利亞之后，包括美國、日本以及中國在內(nèi)的多個國家也進行了各自的重組木研究，并取得了一定的成就。由于傳統(tǒng)重組木存在一些技術(shù)上的難題，澳大利亞于1991年7月關(guān)閉重組木生產(chǎn)的工廠，各個國家也相繼減少對重組木研究的支持力度。隨著技術(shù)的不斷進步，在繼承和吸收傳統(tǒng)重組木和現(xiàn)有重組竹、竹基纖維復(fù)合材料成功產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了先制備纖維化薄木、后重組的技術(shù)方案[4～6]。結(jié)合中國林齡結(jié)構(gòu)正朝著低齡化發(fā)展的現(xiàn)狀來看，將小徑木加工成一定規(guī)格的薄木，然后進行重組是中國重組木的主要發(fā)展方向。

薄木的制備可將小徑木通過旋切或刨切制成。旋切機體積大而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜；加之原木有彎曲、截面不規(guī)則和兩端有大小頭等缺陷，易旋切出碎薄木；當被旋切原木直徑減小到一定程度，就不能再繼續(xù)旋切，會造成木材浪費[7～8]。為解決上述問題，本文設(shè)計了小徑木雙面連續(xù)式薄木縱向刨切機，采用刨切形式制備薄木，以期為提高小徑木木材利用率提供參考。

1　刨切機連續(xù)刨切原理

確定好切削方式后，本文設(shè)計了小徑木雙面連續(xù)式薄木縱向刨切機。該設(shè)備由1動力組件、2機架組件、3上夾緊組件、4切削組件組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該刨切機的具體工作方式為：將待刨切的原木夾緊固定在工作位置，首先刀具進行對刀操作，然后根據(jù)輸入的刨切厚度，刀具沿原木徑向進給，待進給完成后，刀具在主電機的帶動下沿原木軸向移動進行刨切。當一次刨切完成后，刀具沿遠離原木的徑向方向移動讓刀，然后由回退電機驅(qū)動刀具快速回退至刨切起始點。循環(huán)這個“進給—刨切—讓刀—回退”過程，從而實現(xiàn)對原木的連續(xù)刨切工作。

圖1　縱向刨切機的結(jié)構(gòu)組成

2　　　　小徑木雙面連續(xù)式薄木縱向刨切機

出材率的計算

2.1薄木刨切出材率的計算

由于小徑木的長度是一定的，所以，在計算出材率的時候，不需要計算出合格薄木和消耗的小徑木的體積，只需計算出每根小徑木刨切出的合格薄木的橫截面積以及這根小徑木在刨切之前的截面積，二者的比值即為出材率。

薄木刨切出材率=單根小徑木產(chǎn)合格薄木橫截面積/單根小徑木截面積。

在實際刨切過程中，由于刨切角度存在誤差，刀具研磨角等參數(shù)的不同，會對薄木刨切質(zhì)量產(chǎn)生影響[9]，本文只從理論角度進行分析，對于以上因素造成的合格率誤差暫不討論。

2.2橫截面積的計算

小徑木的橫截面如圖2所示，圖2-a中上色區(qū)域為廢棄料截面。要計算出單板橫截面積，只要計算出廢棄料截面的面積，然后用小徑木截面積減去廢棄料截面積，即可得到單板總橫截面積。由于廢棄料橫截面不規(guī)則，可以轉(zhuǎn)化為求扇形和三角形的面積，如圖2-b所示。S1為扇形AOE的面積，S2為三角形AOC的面積，S3為邊料的面積，其具體計算過程如下。

圖2　小徑木橫截面

設(shè)小徑木的半徑為R，根據(jù)三角函數(shù)的關(guān)系，由圖2-b可得關(guān)系公式：

經(jīng)過轉(zhuǎn)換與推導(dǎo)可求得,

扇形AOE的面積S1為,

將公式(2)帶入公式(3)中得,

設(shè)AC的長度為a，根據(jù)勾股定理可求得,

三角形AOC的面積S2為，

將公式(5)帶入公式(6)得,

根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系，在直角三角形OGH中，可得關(guān)系式,

經(jīng)過轉(zhuǎn)換與推導(dǎo)可求得,

設(shè)FH的長度為b，根據(jù)勾股定理可求得,

區(qū)域S3的面積可通過扇形FOH的面積減去三角形FOH的面積求得,

將公式(9)和公式(10)帶入公式(11)，得S3面積為,

小徑木截面面積S為,

S=πR2(13)

設(shè)合格單板的總面積為S有效，小徑木截面積減去剩余材料面積即為合格單板的總面積，即,

S有效=S-2(S1+S2+S3)(14)

縱向刨切的出材率η為,

將公式(4)、(7)、(12)、(13)、(14)帶入公式(15)可得,

利用上述公式即可對縱向刨切機的薄木刨切出材率進行估算。

2.3結(jié)果與分析

通過對小徑木外形尺寸的實際測量，并通過計算獲得出材率計算公式中的相應(yīng)參數(shù)，從而計算出小徑木雙面連續(xù)式薄木縱向刨切機的出材率。小徑木的直徑范圍為60～180mm，最大直徑不超過250mm。現(xiàn)取以下4組具有代表性的小徑木直徑作為實驗對象，得到相關(guān)參數(shù)見表1。

表1　薄木刨切出材率相關(guān)數(shù)據(jù)

圖3　小徑木半徑與薄木刨切生產(chǎn)率關(guān)系曲線圖

實際中，每根小徑木并不是標準的圓柱形式，而是呈圓臺型，在實驗研究的過程中，近似的將其轉(zhuǎn)化為標準的圓柱，從而簡化研究計算過程。由表1可知，半徑為30.0mm、60.0mm、90.0mm、125.0mm的小徑木，其出材率計算結(jié)果分別為52.6%、76.0%、84.8%、89.1%。根據(jù)以上實驗數(shù)據(jù)，繪制曲線圖，計算出小徑木雙面連續(xù)式薄木刨切機的平均出材率達到了75.6%。由表1可知，隨著小徑木半徑的增加，其出材率也逐漸上升。究其原因，芯材剩余寬度為固定值20mm，當小徑木直徑較小時，剩余芯材的比重較多，致使薄木刨切的出材率較低。

3　結(jié)論

小徑木雙面連續(xù)式薄木刨切機的加工原材料直徑范圍在60～250mm之間，加工剩余物為兩側(cè)表皮和中間芯材，芯材寬度為20mm。通過上述實驗研究分析，計算出小徑木雙面連續(xù)式薄木刨切機的平均出材率達到了75.6%。從圖3的折線中可以得出，小徑材薄木刨切的出材率與小徑木半徑之間的關(guān)系呈一條平滑的曲線，當小徑木直徑較小時，隨著小徑木直徑的增大，其出材率增大趨勢明顯；當小徑木直徑較大時，隨著小徑木直徑的增大，其出材率增大趨勢緩慢增加；小徑木直徑越大，薄木刨切的出材率越高，這與中間剩余芯材的寬度密不可分。因此在實際生產(chǎn)中，盡量采用直徑較大的小徑木。另外，薄木刨切剩余的芯材可用于其他木制品的加工原材料，以進一步提高小徑木的利用率，減少木材資源的浪費。

[1]于文吉，余養(yǎng)倫.我國木、竹重組材產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀與前景[J].木材工業(yè),2013,27(1):5-8.

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The Outturn Analysis of Two-sided Continuous Longitudinal Veneer-slicing Machine of Small Diameter Wood

MA Yan，HE Hui-bin

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

For the new processing technology of reconstituted wood-made fibrosis veneer,this paper designs a veneer slicing device,and established a mathematical model of small diameter wood in the ideal state.By analyzing the effective cross-section area of the small diameter wood processed in veneer slicing way,actual measurement and theoretical calculation,the outturn of veneer slicing of four particular groups in the ideal state were 52.6%,76.0%,84.8%,89.1%.The average value of the outturn of the two-sided continuous longitudinal veneer-slicing machine of small diameter wood,that is 75.6%,were calculated by using experimental data and drawing the curve of the radius of the small wood and outturn.

reconstituted wood; veneer; small diameter wood; veneer slicing; outturn percentage

2015-09-06

林業(yè)公益性專項項目(201404503)和國家自然科學(xué)基金項目(30571455)共同資助。

馬巖(1955-)，男，教授，碩士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為機械設(shè)計。E-mail：myan@vip.163.com

TS 652

A

1672-8246(2016)04-0162-04

doi:10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.04.028