削片機(jī)是人造板和造紙行業(yè)中用以制備工藝木片的最基本設(shè)備。隨著木片需求量的不斷增長，對削片機(jī)的需求也越來越多。國內(nèi)外已研制及生產(chǎn)的固定式和移動(dòng)式削片機(jī)雖然有上百種型號，但削片機(jī)本身的切削特性決定了其切削功率的利用極不合理，功率消耗和振動(dòng)噪聲都較大。在所有木工機(jī)械中，削片機(jī)是噪聲最嚴(yán)重的機(jī)械設(shè)備之一，嚴(yán)重影響了工人的身心健康。針對以上問題，本文在有限元理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行削片機(jī)動(dòng)載荷優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，通過對削片機(jī)進(jìn)行全面的動(dòng)態(tài)測試和理論分析，研究削片機(jī)動(dòng)載荷對切削功率、振動(dòng)和噪聲的影響因素，尋求一種更為完善的切削方式和設(shè)計(jì)方法，使削片機(jī)的工作狀況能夠達(dá)到切削比較平穩(wěn)、振動(dòng)噪聲較小、功率消耗較少的目的，為削片機(jī)的改進(jìn)以及新型削片機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
1、削片機(jī)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)
削片機(jī)是一個(gè)彈性系統(tǒng)，在一定條件下（例如當(dāng)旋轉(zhuǎn)件不平衡或切削力變化時(shí)）會(huì)產(chǎn)生激振力振動(dòng)。當(dāng)振幅超出允許的范圍時(shí)，將導(dǎo)致木材加工面粗糙，刀具磨損加劇，生產(chǎn)效率降低，嚴(yán)重時(shí)削片機(jī)甚至不能工作。所以只研究削片機(jī)的靜剛度是不夠的，還需研究其動(dòng)態(tài)特性。基礎(chǔ)振幅的變化與動(dòng)態(tài)載荷、切削刀具和木材相互作用的頻率有直接關(guān)系，可利用有限元法將無限多個(gè)自由度系統(tǒng)離散成有限多個(gè)自由系統(tǒng)。本文以ANSYS為支撐軟件，通過計(jì)算HR215型鼓式削片機(jī)床身的動(dòng)態(tài)特性固有頻率和振型，確定設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)或機(jī)器零部件的振動(dòng)特性。
本文設(shè)計(jì)變量初始確定的3個(gè)參數(shù)如下：B．(x)為主軸頻率、B2(x)為刀盤頻率和B3(x)為殼體頻率，各設(shè)計(jì)變量Bi(x)的優(yōu)化范圍為：150Hz≤Bi(x)≤700Hz(i=1，2，3)。各設(shè)計(jì)參數(shù)的變化將影響優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)值，參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)最小目標(biāo)函數(shù)的目的是降低噪聲，從而使削片機(jī)在承受沖擊載荷作用時(shí)能夠減小振動(dòng)，分析結(jié)果也可以作為下一步對參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)的理論依據(jù)。ANSYS參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過程。
2、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)后結(jié)構(gòu)動(dòng)載荷噪聲模態(tài)分析
優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)動(dòng)載荷固有頻率及噪聲計(jì)算結(jié)果見表1～3。從表中數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化后各設(shè)計(jì)變量Bi(x)的各階固有頻率均有明顯下降，其中主軸頻率降低較小，說明主軸頻率優(yōu)化響應(yīng)的敏度較低，同時(shí)優(yōu)化后噪聲響應(yīng)敏度也較低，由此可見單一參量優(yōu)化難以達(dá)到目標(biāo)函數(shù)的預(yù)期目的。隨著優(yōu)化階數(shù)的增加，優(yōu)化頻率響應(yīng)的敏度加大，后兩階優(yōu)化頻率明顯降低，表明結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能有明顯改善，其原因是由于參數(shù)優(yōu)化后頻率減小間接提高了結(jié)構(gòu)剛度。
從前兩階振型看出結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度的薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)在殼體部分。參數(shù)變量Bi(x)各階的固有頻率對噪聲影響程度均不同，前兩階影響較小，第3、4、5階影響較大。通過對優(yōu)化前后頻率值的對照可以看出，隨著階數(shù)的增加，敏度響應(yīng)靈敏的刀盤頻率和殼體頻率趨于穩(wěn)定，整體優(yōu)化后的頻率則隨著階數(shù)的增加數(shù)值逐漸分離，避免產(chǎn)生共振，振動(dòng)噪聲得到明顯降低。三個(gè)參數(shù)經(jīng)有限元優(yōu)化后噪聲模態(tài)分布曲線見圖2，從模態(tài)分布曲線可以看出優(yōu)化前后噪聲值降低10%左右。
3、結(jié)論
本文利用ANSYS的參數(shù)化模塊建模．并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)通過后處理模塊直觀反映設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量以及目標(biāo)函數(shù)三者隨迭代過程的變化關(guān)系，有效降低了削片機(jī)的振動(dòng)和噪聲，提高了生產(chǎn)率和木片質(zhì)量，使消耗功率、刀盤轉(zhuǎn)速、殼體振動(dòng)電壓、殼體振動(dòng)速率、主軸振動(dòng)位移等參數(shù)都得到了有效控制，取得了很好的優(yōu)化設(shè)計(jì)效果，同時(shí)也避免了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要對模態(tài)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算這一復(fù)雜過程，使設(shè)計(jì)工作變得簡單、高效，且保持良好的動(dòng)態(tài)性能。
