液压式新型木片打包压缩机的设计研究

【摘 要】本文介绍了目前木片生产压缩运输中存在的问题，说明了液压式新型木片压缩打包机的工作原理，阐述了压缩机的机体板、机柱、压头及压缩箱的结构设计。指出了与传统的麻包打包运输木片生产相比，该液压式新型木片打包压缩机使木片运输效率提高了一倍多，具有良好的应用推广价值。

【关键词】木片；压缩；打包；液压式；力传感器

0 前言

木片压缩机，是林业发展木片生产的重要工具，也是作为振兴林区经济的重要支持设备。木片生产中存在的主要问题之一就是运输费用高，约占木片运输总成本的20%～25%[1]。然而，随着现今铁路公路等运输部门运价不断上调，原先运输的木片堆密度小、装载量少，而木片运输国内以铁路运输为主，由于袋装木片未经压实处理，一辆C60的车箱仅能装35t左右的木片（绝干吨为20t），但是铁路部门却按额定载重量收费[2]。另外，目前已有的木片压缩机中，设备所需的操作人员多，大约需要5人左右，而且很多设备相当庞大，生产的自动化程度不高，大部分工序需要人员手工操作。这些都增加了木片的生产成本，导致一些远距离的木片生产基地生产萎缩甚至停产。世界上一些林业发达的国家，利用特别的车辆和集装箱运输已经进行相关处理的木片，而我国却没有配套的技术装备。因此，社会的发展需要高效率和高自动化的木片压缩机，发展木片生产，必须从我国实际出发，根据我国现有的技术条件进行设计制造，从而取得最佳效益。

1 工作原理

木片可以进行压缩，是因为它受压时本身不会有明显的破坏，不影响它的商品价值。木片自然堆放时每片之间的摆放是无规则的，由于其自重作用使其所处的状态只是暂时的温稳定，而木片间有很多的空隙，堆积密度就显得很小，如果向木片施加压力，那么原来的暂时稳定状态将遭到破坏，木片就会向相互间的空隙移动，从而达到新的稳定[2]。此时，木片之间的空隙将得到很大程度的减少，堆积密度得到增大。故可知对木片进行的压缩过程主要是木片相互填补空隙的过程，而木片本身的受压缩则相对较少，因此对木片本身破坏不大。本文拟设计的新型木片压缩打包机的工作流程由装料、压缩和包装三个工序组成，其控制流程如图1所示。

图1 工作系统控制流程

压缩机的三维示意图如图2所示，木片压缩打包机组压机由1个液压油缸组成，额定液压为30MPa，木片压实模具截面为700mm×400mm，长1800mm，在液压油缸的作用下压头最终将木片压成不大于700mm×400mm×500mm的方块。本设计采用一个液压油缸目的在于节省成本和提高生产效率，可以通过对压头部分的力传感器的载荷数据反馈对液压油缸的工作进行控制，这就需要在压头处安装1个或1套由计量部门校准过的力传感器（准确度不大于0.5级即可），而控制终端为液压控制系统可提供持续稳定的液压油。此时在控制终端设定一目标载荷值，当力传感器反馈的载荷达到该目标载荷值时，液压油缸即停止加载而让压头持续保压工作，直至将木片打包入筐。

收集―压缩箱装置的组成包括推移液压油缸、推板和推出架等部分，用于将压缩成块的木片推上木片打包金属框。推出液压油缸固定于混凝土台上，其活塞杆前部装有推板，且活塞杆、推板和推出架3件固接，当推动活塞杆向前运动时，推板、推出架也同步向前运动，直至把收集箱中的木片块打包进打包框中。为防止推卸过程中压缩箱随之运动，应把压缩箱推入端一侧的铁链挂于导柱上的挂钩上。木片压缩装置由液压油缸、压头、机体支撑装置等组成，用于对木片实现压缩功能。液压油缸固定在型钢焊接成的机架上，其活塞杆轴的端部连接压头，压头由液压油缸驱动升降。工序开始时，散装木片整理好放入压缩箱以后，液压油缸即驱动压头伸入其中进行压缩木片，待压缩载荷达到预置值时即压缩完毕，接着移动木片块，此时启用推出装置，但必须注意在安装时压缩箱的底板高度与打包框的入口高度一致，样才能确保将木片推进打包框中。另外，为了减少木片间的空隙，木片可经2～3次的轮番压缩，每次挤压至一设定载荷时进行保压。当压缩箱推出打包时，应先将压缩箱两侧的挂链勾于压头上，这样就可以防止压缩箱在木片打包时跟着移动，从而确保木片打包压缩工作的继续进行。

图2 木片压缩机立体图

在压缩之后就是对木片进行打包。一般情况下打包木片是用麻包袋，但是麻袋包装的抗胀力不大，因此，我们设计采用金属网式可折叠包装筐，便于包装木片返回后重复使用，主要是在金属的边条上装上可平时门板上所用到得可旋转配件。一个金属包装筐可使用4年左右，远远比麻袋包装物的使用寿命长，而且环保卫生。当压缩机将木片压缩到位时，液压油缸继续工作保压，将木片前移即可将其装入金属打包框中，打包工作也即完成。

如果包含包装筐的每个木片压缩块重量为55kg，采用铁路C60车运输压缩木片，按每层装120筐，一辆车可装1320筐，总重72600kg。满足了充分利用车辆额载量的要求，与麻袋散装木片（35000kg左右）相比，增加了装载量37600kg，即是提高了107.4%的装载量，即比原来提高一倍多。使用该新型木片压缩打包机，可使木片运输成本大大降低，装车运输量节省了很大一部分的工作量。

2 压缩机机体机械结构的设计

2.1 机体板的设计

图2中工作平台的板面即是机体板。机体板的具体结构是：两块形状和尺寸都相同的钢板，中间设置一套筒连接液压油缸，在钢板的四个边角都焊接上套筒来连接机柱，另外在两个钢板之间的再焊接钢带，确保机体板的强度足够，而且套筒与套筒之间利用焊接的钢板进行固定。机体板在木片压缩机中连接机柱和液压油缸，工作时液压油缸通过它把载荷传递至机柱上，起到的桥梁作用相当明显重要，故在设计上采用工字钢型材料结构，把钢板焊接成为工字造型来构造筋板。其结构和尺寸如图3所示，其中间圆状为轴套孔。

图3 机体板的结构尺寸图

2.2 机柱的设计

上面提到，液压机在工作时主液压油缸通过机体板把载荷传至机柱上，因此机柱在木片打包压缩机中起支撑作用，其材料需选择较高强度的无缝钢管，初步选择外径为D=200mm，壁厚δ=12mm的45钢无缝钢管。木片压缩机在木片压缩过程中，液压油缸产生的工作推力为8400 kN，由于机柱和筋板之间连接有8个支撑条，所以每根机柱承受的轴向力如图4所示。

由图4可以看出，机柱受到的最大轴力Fmax=1050kN，因此其所受到的的应力大小为（取安全系数为ns=2）：

σmax=■

=■

=296.3MPa

查参考文献[3]，45钢的屈服极限σs=333.2MPa，由于σs>σmax，可知机柱是安全的。

图4 四根机柱受轴力图

2.3 压头的设计

压头直接与木片接触而需要承受很大的压力，因此必须具备一定的刚度。而所生产的部分木片会具有酸性等液汁而且比较粘稠，因此压头材料还要有一定的耐酸腐蚀性能，可以选择压头材料为合金结构钢热轧厚钢板，化学成分应符合GB/T3077―1999的规定，钢板交货状态应为正火组织。需要注意的是，在压头前端部位距离中心等距两边需要安装力传感器，目的是实现对液压油缸的工作与否进行预设定控制，力传感器的安装位置如图5所示。

图5 压头部位力传感器的安装位置

2.4 压缩箱的设计

压缩箱直接与木片接触，其作用是将放置其中的木片快速推入压头下方，其材料需要具备一定的刚度和耐酸耐碱性，可选不锈钢冷轧钢板。要指出的是，由于对木片压缩前后需要将木片装进和推出，因此推出箱的两端应敞开，而其推入端还额外安置导向轴进行推动，并设置有钢板门，门上配置门栓，在装载和打包木片时将门打开，在压缩木片时将门关闭，确保压缩和打包工作的顺利进行。压缩箱的结构如图6所示。

图6 压缩箱的结构图

3 结论

本文通过对该新型木片打包压缩机的性能分析，得到它与传统的木片木片麻袋打包设备相比，具有以下特点：（1）木片打包压缩机是集机、液、电三位一体的新型机械，自动化程度高，节省劳动力，便于推广使用；（2）设备制造简单，符合当今我国生产厂家和用户单位的技术水平，制造成本较低；（3）与传统的麻包打包木片运输相比，同样的一节C60车车厢的运载量比原来的两节车厢运载量还多，极大地提高了运输量，节省了木片的运输费用，具有良好的应用推广价值。

【参考文献】

[1]鲍逸培.我国木片工业现状及其发展[J].林业机械与木工设备，1997，25（11）：4-7.

[2]常玉宏，钱昭国.小径木、枝桠材生产木片压缩打包的工艺设备[J].林产工业，1996，5：42-43.

[3]机械设计手册联合编写组.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，1987.