任意長重組竹木方料連續(xù)壓制設(shè)備的研發(fā)

穆國君 張亞慧 于文吉

(1 青島國森機(jī)械有限公司 青島平度 266700；2 中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所 北京 100091)

重組材料是木竹材應(yīng)用領(lǐng)域創(chuàng)新開發(fā)的一種全新復(fù)合材料，具有原料利用率高、生產(chǎn)效率高和產(chǎn)品附加值高的特點(diǎn)，重組材料的出現(xiàn)極大地拓寬了木竹材的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)了材料從室內(nèi)地板、家具、裝飾裝潢等家裝領(lǐng)域到高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用材、高耐候戶外材料等高附加值領(lǐng)域的跨越，有力促進(jìn)了木竹材加工產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級[1-2]。

重組材料作為一種高性能先進(jìn)材料，2020年入選國家發(fā)改委、科技部、工信部和自然資源部等四部委編寫的綠色技術(shù)推廣目錄。同時(shí)，2021 年11 月，國家林業(yè)和草原局、國家發(fā)展改革委、科技部等10 部門聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快推進(jìn)竹產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的意見》(以下簡稱《意見》) 指出，要構(gòu)建完備的現(xiàn)代竹產(chǎn)業(yè)體系，提升自主創(chuàng)新力，要全面推進(jìn)竹材建材化，推動(dòng)竹纖維復(fù)合材料、竹重組材、定向重組竹集成材、竹木復(fù)合等新型竹質(zhì)材料研發(fā)生產(chǎn)，因地制宜擴(kuò)大其在園林景觀、市政設(shè)施、裝飾裝潢和交通基建等領(lǐng)域的應(yīng)用，逐步推廣竹結(jié)構(gòu)建筑和竹質(zhì)建材，《意見》的出臺(tái)為重組材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來更大機(jī)遇。

目前木竹重組結(jié)構(gòu)材的長度，取決于壓制設(shè)備的長度。壓制設(shè)備的有效長度，就是木竹重組方料的最大長度。隨著大型木結(jié)構(gòu)建筑的興起和發(fā)展，對其梁柱長度的要求越來越高，其特點(diǎn):一是長度規(guī)格大小不一，二是對長度要求越來越大。例如，位于挪威小鎮(zhèn)布魯蒙德爾的當(dāng)今世界最高的木結(jié)構(gòu)建筑Mj?st?rnet 大樓高度為85.4 m。按照傳統(tǒng)的生產(chǎn)制作方法:一是制做長度規(guī)格大小不一的多臺(tái)套壓制設(shè)備，二是要制造出超長的壓制設(shè)備以滿足超長制品的需要。然而，隨之而來的問題是:一方面制品制造單位要購買長短不一的多臺(tái)套設(shè)備，花費(fèi)增多，占地面積增加，設(shè)備利用率大大降低；另一方面超長的大型設(shè)備也使得設(shè)備制造廠的制造難度增加和制造成本上升；更重要的是很低的設(shè)備利用率將造成社會(huì)資源的浪費(fèi)。所以當(dāng)前的竹木重組結(jié)構(gòu)材長度，是建造竹木建筑結(jié)構(gòu)遇到的最大瓶頸。

為解決上述問題，本研究設(shè)計(jì)了竹木重組材料連續(xù)壓制設(shè)備。該設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是進(jìn)口為契口式連續(xù)進(jìn)料，模腔由多個(gè)單向折合式履帶前后連接而成，環(huán)形連接，實(shí)現(xiàn)連續(xù)輥壓。

1 設(shè)備功能

竹木重組材料連續(xù)壓制設(shè)備的突出功能是定長的設(shè)備，能壓制出任意長度的竹木重組結(jié)構(gòu)材方料，以滿足各種竹木建筑結(jié)構(gòu)長度用材。

2 工藝流程

高性能重組竹木方料連續(xù)壓制生產(chǎn)線主要分為鋪料區(qū)和壓制區(qū)2 個(gè)部分。具體由U 型模放入工段、裝料工段、送料預(yù)熱、蓋板放置、預(yù)壓工段、主機(jī)連續(xù)壓制、定寬卡子置入U(xiǎn) 型模、定長鋸斷、連續(xù)式高溫固化、冷卻系統(tǒng)、自動(dòng)脫模等組成(圖1)。

圖1 竹木重組材料連續(xù)壓制生產(chǎn)線示意圖Fig.1 Structural diagram of continuous pressing production line for bamboo/wood scrimber

3 工作原理

3.1 U 型模放入

用車間行車或?qū)Ｓ玫蹙叩跗餟 型模(圖2)，放入設(shè)備軌道，U 型模底部的定位孔插入軌道托板的凸起定位塊中，此時(shí)U 型模會(huì)跟軌道同步勻速前進(jìn)。

圖2 U 型模Fig.2 U-shaped mould

3.2 裝料工段

裝料工段由進(jìn)料機(jī)、撥料輥等組成(圖3)。進(jìn)料機(jī)將已疏解浸膠烘干的竹木束輸送到輸送工段，撥料輥將多余竹木束撥回，保持定厚輸送，使得進(jìn)料均勻。該裝置并排多套，使得進(jìn)料更均勻。該裝置的另一個(gè)功能是能將竹木束經(jīng)整張化編織機(jī)編成的簾子，按工藝要求勻速地送進(jìn)料槽中。

圖3 重組材裝料工段示意圖Fig.3 Structural diagram of loading section for scrimber

竹木束由進(jìn)料設(shè)備輸送到輸送帶上后，跟隨輸送帶前進(jìn)，與后鋪上的竹木束搭接，可形成階梯狀鋪料。為保證鋪料厚度，故采用多個(gè)進(jìn)料機(jī)同時(shí)鋪料。

在輸送過程中同時(shí)對竹木束進(jìn)行過熱蒸汽噴蒸預(yù)熱，竹木束軟化的目的一是降低加壓成型壓力，二是縮短固化時(shí)間。

廢酸原液中含有CuSO4、PbSO4等雜質(zhì)，由于PbSO4雜質(zhì)是致密粘性顆粒，其影響了后續(xù)硫化反應(yīng)砷濾餅的含水率，分離出后，可以降低后續(xù)的銅砷濾餅含水率。提高閃速爐的電收塵能力，可直接降低進(jìn)入廢酸原液中的懸浮物含量，從而減少砷濾餅的發(fā)生量。在凈化區(qū)域也可利用過濾器將廢酸原液中的懸浮物含量降下來，從而在源頭處減少懸浮物進(jìn)入砷濾餅中。

3.4 蓋板放置

如圖所示，由該設(shè)備將蓋板自動(dòng)放到物料上面(圖4)。

圖4 蓋板放置裝置Fig.4 The placement device of cover plate

3.5 預(yù)壓工段

由預(yù)壓輥(圖5) 組成。預(yù)壓部分主要是運(yùn)用滾壓原理，對原材料進(jìn)行初步壓縮，使物料方便進(jìn)入壓機(jī)。

圖5 預(yù)壓裝置Fig.5 The prepressing device

3.6 連續(xù)壓機(jī)

壓機(jī)主要由單向折合式履帶、傳動(dòng)鏈輪、滾柱、背壓機(jī)架等組成(圖6)。

圖6 重組材連續(xù)壓機(jī)示意圖Fig.6 Structural diagram of continuous press for scrimber

竹木束由上下履帶傳送的動(dòng)力前進(jìn)，在前半部分上履帶有傾斜角，木竹束在行進(jìn)中會(huì)被陸續(xù)壓縮。后半部分，上履帶變?yōu)槠綁?，方料進(jìn)入U(xiǎn)型模內(nèi)，會(huì)跟隨傳動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)送出壓機(jī)。當(dāng)壓制前半部分壓縮達(dá)到一定高度時(shí)，設(shè)計(jì)了背壓機(jī)架，作用是為上下履帶提供足夠的壓力而不會(huì)變形。

自動(dòng)穿銷是在恒壓即將結(jié)束前，在U 型模勻速前進(jìn)過程中同步完成。

3.6.1 連續(xù)壓機(jī)結(jié)構(gòu)

壓機(jī)整機(jī)分為進(jìn)料段、預(yù)壓段、恒壓段、自動(dòng)穿銷、泄壓工段和出料端。

主要壓制零部件為單向折合式下履帶結(jié)構(gòu)，能保證在整個(gè)壓制過程中，雖為活絡(luò)式模腔，但始終保持其直線狀態(tài)而不會(huì)出現(xiàn)波浪狀，影響方料壓制質(zhì)量。模腔可在一定范圍內(nèi)壓制多種截面尺寸的產(chǎn)品。

3.6.2 連續(xù)壓機(jī)專用履帶的設(shè)計(jì)

單向折合式履帶，包括可相對壓合的單向折合上履帶和單向折合下履帶(圖7)。當(dāng)上履帶平直時(shí)履帶節(jié)與節(jié)的凸塊間實(shí)現(xiàn)無縫隙銜接，構(gòu)成連續(xù)凸塊壓模。上履帶的連續(xù)凸塊壓模可壓入下履帶的連續(xù)矩形模腔內(nèi)，上、下履帶將以面壓力方式相對施壓于二者間的竹木重組材料，實(shí)現(xiàn)壓制成型。

圖7 單向折合式履帶結(jié)構(gòu)Fig.7 The structure of one way folding track

3.7 定長鋸斷

根據(jù)預(yù)定要求的方料長度，由鋸斷機(jī)定長自動(dòng)鋸斷(圖8)。

圖8 重組材方料定長鋸斷機(jī)Fig.8 Fixed-length sawing machine for scrimber

3.8 連續(xù)式高溫固化

定長鋸斷后，成組排列的滿料模被送到連續(xù)式固化隧道中(圖9)，經(jīng)130～150 ℃溫度定時(shí)固化，浸漬到竹木束中的膠粘劑固化粘接。

圖9 連續(xù)式高溫固化隧道Fig.9 Continuous high temperature solidification tunnel

3.9 冷卻系統(tǒng)

從固化隧道出來的高溫滿料模，需在冷卻系統(tǒng)裝置上(圖10)強(qiáng)制風(fēng)冷或自然冷卻到50 ℃以下。

圖10 重組材方料冷卻系統(tǒng)Fig.10 The cooling system for scrimber

3.10 自動(dòng)脫模

自動(dòng)脫模設(shè)備(圖11) 的作用是卸掉卡子、拆掉銷釘、掀掉蓋板、從U 型模中取出方料。

圖11 自動(dòng)脫模機(jī)Fig.11 Automatic demoulding device

4 關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)

4.1 關(guān)鍵技術(shù)

恒壓裝置之恒壓，產(chǎn)生保持機(jī)構(gòu)為按限定位置設(shè)置于相壓合的上鏈?zhǔn)揭苿?dòng)施壓機(jī)構(gòu)與下鏈?zhǔn)揭苿?dòng)承壓機(jī)構(gòu)的固定壓塊，以及環(huán)繞固定壓塊依次排列滾動(dòng)的滾柱，迫使主動(dòng)運(yùn)行的上鏈?zhǔn)揭苿?dòng)施壓機(jī)構(gòu)和下鏈?zhǔn)揭苿?dòng)承壓機(jī)構(gòu)相對壓合的運(yùn)行通過，以確保二者彼此壓合產(chǎn)生預(yù)定壓力。

單向折合上履帶，履帶節(jié)的施壓面設(shè)有凸塊，當(dāng)履帶平直時(shí)履帶節(jié)與節(jié)的凸塊間實(shí)現(xiàn)無縫隙銜接，相銜接的凸塊構(gòu)成連續(xù)凸塊壓模。凸塊通過螺栓固定，可根據(jù)需要更換，壓制不同寬度的方料。

單向折合下履帶，當(dāng)履帶平直時(shí)履帶節(jié)與節(jié)的立板間實(shí)現(xiàn)無縫隙銜接，相銜接的矩形槽構(gòu)成連續(xù)矩形模腔。模腔內(nèi)可在一定范圍內(nèi)改變模腔寬度和高度，壓制不同寬度和高度的方料。

裝料裝置的上料輸送帶上方，設(shè)有一排與上料方向逆行轉(zhuǎn)動(dòng)的撥料輥，確保鋪料均勻性，保證產(chǎn)品尺寸和質(zhì)量。

4.2 創(chuàng)新點(diǎn)

將現(xiàn)有的間歇、定長、液壓機(jī)靜壓制，變成連續(xù)、移動(dòng)、鏈?zhǔn)絼?dòng)壓制，可連續(xù)壓制任意長的、不同厚度、不同寬度的竹木重組材方料。

滾柱、壓塊等組成預(yù)壓和保壓裝置；單向折合上履帶，可根據(jù)需要更換，壓制不同寬度的方料；單向折合下履帶，構(gòu)成連續(xù)矩形模腔。連續(xù)裝料處的撥料輥，確保鋪料均勻性，保證產(chǎn)品尺寸和質(zhì)量。

設(shè)備關(guān)鍵部位故障檢測診斷信息系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除故障，避免設(shè)備造成重大損壞，減少停機(jī)時(shí)間。

本生產(chǎn)線已授權(quán)的發(fā)明專利包括[3-8]:一種重組竹木集成材方料連續(xù)壓制生產(chǎn)線、一種重組竹木集成材方料連續(xù)模壓生產(chǎn)線、一種專用于連續(xù)壓制竹木集成材方料的單向折合履帶、一種用于速生林重組竹木成型設(shè)備的穿銷導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、重組竹木方料模壓生產(chǎn)線用U 型模、用于重組材壓制設(shè)備的自動(dòng)分穿銷裝置。

5 應(yīng)用前景

全面貫徹新發(fā)展理念，“不斷滿足人民對美好生活的向往”，建設(shè)美麗中國，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，走綠色發(fā)展道路，已被納入我國國家發(fā)展戰(zhàn)略。像以前單純的鋼筋水泥磚瓦建筑已無法滿足綠色發(fā)展的需要，將逐步被低碳、綠色、資源可再生，且別具風(fēng)格的竹木類建筑所替代。因此，本研究開發(fā)的竹木重組材料連續(xù)壓制設(shè)備一旦問世，將具有廣闊的市場前景和生命力。