南京金順重工對雙動刀環(huán)式刨片機分料裝置結構設計與仿真分析

時間：2026/3/26

環(huán)式刨片機是刨花板制造過程中的備料裝備之一，在現(xiàn)階段人造板行業(yè)中扮演著重要的角色。自20世紀80年代環(huán)式刨片機實現(xiàn)國產化后，我國生產的環(huán)式刨片機正朝著刨切高速化，磨刀、調刀自動化方向發(fā)展。

環(huán)式刨片機主要結構包括振動給料器、磁選裝置、重物分離器、葉輪、刀環(huán)、主軸傳動機構、機座、液壓系統(tǒng)和制動機構^[6]。原材料在刀環(huán)的寬度和圓周上分布不均勻導致刀環(huán)磨損不均勻^[7]。不同結構形式的環(huán)式刨片機的磨損情況不同，固定刀環(huán)式刨片機由于刀環(huán)不可旋轉，在刀環(huán)寬度方向上和刀環(huán)圓周方向上都存在磨損不均的問題。雙動刀環(huán)式刨片機的刀環(huán)可旋轉，其旋轉方向與葉輪相反，通過刀環(huán)和葉輪的反向旋轉進行刨削，因此雙動刀環(huán)式刨片機可有效避免刀環(huán)圓周方向上磨損不均的問題；而在刀環(huán)寬度方向上，由于木片下落至葉輪后無法被二次撥料至整個刀環(huán)寬度方向，導致其存在木片在刀環(huán)寬度方向上分布不均勻的現(xiàn)象，進一步導致刀環(huán)在寬度方向上磨損不均勻。

對此，研究人員在環(huán)式刨片機內部安裝圓盤式分料裝置，通過圓盤旋轉改變木片軌跡來實現(xiàn)木片在葉輪上均勻分布，從而使刀環(huán)在寬度方向上磨損均勻^[8]。刨花板企業(yè)為提高環(huán)式刨片機的產能，同時為了滿足長刨花的生產需要，增加了環(huán)式刨片機的刀環(huán)寬度，部分型號環(huán)式刨片機的刀環(huán)寬度已經超過500 mm。早期圓盤式分料裝置已經不能滿足刀環(huán)寬度的環(huán)式刨片機的分料要求，需要研究人員改進設計新型刀環(huán)寬度方向上分布更均勻的分料裝置。

筆者團隊通過對雙動刀環(huán)式刨片機切削結構及物料在其內部運動規(guī)律的分析，在圓盤式分料裝置基礎上設計一種能夠將木片在刀環(huán)寬度方向上均勻分布的分料裝置?？紤]到實驗難度高和成本的問題，采用計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）對安裝分料裝置后的木片運動軌跡進行氣固二相流仿真分析^[9]，優(yōu)化分料裝置結構參數(shù)，使分料均勻度。研究結果可為雙動刀環(huán)式刨片機的結構改進提供理論依據(jù)與技術支撐。

1 雙動刀環(huán)式刨片機分料裝置結構設計方案

1.1　雙動刀環(huán)式刨片機的結構

本研究以BX4614/525型雙動刀環(huán)式刨片機為例，主要生產厚度為0.5~1.0 mm的刨花，其主要結構如圖1所示。

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圖1 BX4614/525型雙動刀環(huán)式刨片機Fig.1 BX4614/525 Double drum knife ring flaker

1 振動給料器；2 磁選裝置；3 重物分離器；4 葉輪；5 刀環(huán)；6 主軸傳動機構；7 機座。；a 木片輸入；b 空氣；c 石子、大木片等雜質；d 刨花。

振動給料器、磁選裝置以及重物分離器組成進料系統(tǒng)，用于去除原料中的金屬物、石子、大木片等雜質，保護內部切削系統(tǒng)。在進料系統(tǒng)中，木片受葉輪高速旋轉產生的氣流和輔助風機產生氣流的共同作用，被吸入切削室，并且在進入切削室時具有一定的初速度，同時在重力作用下做拋物線運動，當?shù)董h(huán)的寬度增加時，木片下落到葉輪后不能被二次撥料至整個刀環(huán)寬度方向，如圖2所示，大部分木片集中分布于葉輪的后部。這種木片不均勻分布的情況，容易導致刀環(huán)在寬度方向上磨損不均勻，縮短刀環(huán)的使用壽命，增加企業(yè)的生產成本。

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圖2 木片進入切削室后的軌跡Fig.2 Trajectory diagram of wood chips after entering the cutting chamber

1 進料口；2 葉輪葉片；3 木片軌跡。

1.2　分料裝置的結構

如圖3所示，出于分料裝置的設計需要，將刀環(huán)沿寬度方向劃分為葉輪前部、葉輪中部以及葉輪后部。葉輪后部為葉輪安裝和傳動裝置所處的區(qū)域，剩余的葉輪區(qū)域為分料裝置的工作區(qū)域，將該區(qū)域等分為葉輪前部和葉輪中部。根據(jù)阻擋分流原理，參考圓盤分料裝置的結構，可設計一種分料裝置，將進入的木料流相互錯開分成三份，分別落入葉輪前部、葉輪中部和葉輪后部。一次分料板將部分木片阻擋，使其落入葉片前部；二次分料板將另一部分木片阻擋，使其落入葉片中部；剩余木片則從葉片間的空隙穿過分料裝置，按照原軌跡落入葉片后部。分料裝置為旋轉結構，通過旋轉改變木片的撞擊位置，實現(xiàn)木片三種軌跡間的切換。該分料裝置完成分料無需過高的轉速，不能直接安裝在主軸上，而是安裝在雙動刀環(huán)式刨片機的切削室門上，采用單獨的驅動系統(tǒng)。

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圖3 葉輪區(qū)域劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of impeller region division

1 進料方向；2 葉輪葉片；3 葉輪前部；4 葉輪中部；5 葉輪后部。

1.2.1　基本結構

分料裝置由一次分料板、二次分料板、連接桿以及傳動軸組成；兩個分料板端部均安裝有兩個分料翼板，且具有一定的彎折角度，如圖4所示。兩個分料板與阿拉伯數(shù)字8相似，且相互垂直交錯布置，故將其命名為雙8字形分料裝置。

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圖4 雙8字形分料裝置結構Fig.4 Structure diagram of dividing device with the shape of double 8

a 左視圖 b 正視圖；1 一次分料板；2 二次分料板；3 連接桿；4 傳動軸；5~8 分料翼板。

1.2.2　參數(shù)確定

雙8字形分料裝置的外形結構尺寸列于表1。其中分料板的尺寸以及分料翼板彎折角度是影響分料效果的主要參數(shù)。

表1 雙8字形分料裝置基本結構參數(shù)Tab.1 Basic structure parameters of dividing device with the shape of double 8

分料板尺寸可根據(jù)葉輪前部、葉輪中部與葉輪后部的寬度比例進行確定。葉輪前部、葉輪中部與葉輪后部的寬度比例近似為7∶7∶11，則進入這三個區(qū)域的木片比例也應該為7∶7∶11。因此，一次分料板面積、二次分料板面積與空隙面積之間的比例為7∶7∶11。

分料翼板彎折角度的設計依據(jù)木片的運動軌跡。如圖5a所示為木片在理想情況下撞擊無彎折的一次分料板的分料翼板的軌跡分析圖，按照設計方案，該木片撞擊分料翼板后應該下落至葉輪前部。BX4614/525雙動刀環(huán)式刨片機的進料口的角度為25°，因此木片進入切削室后的初速度方向與水平方向的夾角也為25°，木片撞擊分料翼板的入射角β約為65°，則在理想情況下的反射角α也為65°，過大的反射角導致此時木片的反彈距離L也過大，木片未下落至葉輪前部，因此無彎折的分料葉片未滿足設計要求。為了減小反射角α，將分料翼板進行彎折，如圖5b為木片在理想情況下撞擊彎折的分料翼板的軌跡分析圖，此時木片在撞擊分料翼板后下落至葉輪前部，符合設計要求。分料翼板彎折角度δ的具體值可通過后續(xù)CFD仿真分析確定。

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圖5 木片撞擊分料翼板軌跡Fig.5 Trajectory diagram of wood chip impact on dividing wing

a 分料翼板無彎折 b 分料翼板有彎折；1 入射軌跡；2 反射軌跡；3 分料翼板；4 分料板；5 葉輪前部；6 葉輪中部；7 葉輪后部。

2 仿真分析與結果討論

2.1　CFD仿真分析

2.1.1　簡化模型與網(wǎng)格繪制

將整個雙動刀環(huán)式刨片機簡化成三個部分：葉輪、進料口和出料口，去除這三個部分的焊接處、螺栓以及器壁凹凸等連接處，簡化后的雙動刀環(huán)式刨片機如圖6所示?？刹捎肁NSYS ICEM CFD對簡化模型葉輪、進料口以及出料口建立流場網(wǎng)格，網(wǎng)格繪制結果如圖6所示^[10]。

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圖6 簡化模型與網(wǎng)格繪制Fig.6 Simplified model and grid rendering

1 葉輪；2 出料口；3 進料口；a 模型簡化；b 網(wǎng)格繪制；c 葉輪網(wǎng)格；d 出料口網(wǎng)格；e 進料口網(wǎng)格。

2.1.2　CFD仿真參數(shù)設置

使用Fluent軟件對雙動刀環(huán)式刨片機切削室內的木片軌跡進行氣固二相流CFD仿真^[11-13]。由于Fluent在做離散相分析時使用的顆粒為球形，因此需要將不規(guī)則木片等效成體積、質量以及密度相同的當量球體。該當量球體的直徑計算公式如下^{[9, 14-15]}：

（1）

式中：

為當量球體的直徑，m為木片質量，南京金順重工對雙動刀環(huán)式刨片機分料裝置結構設計與仿真分析

為木片密度。

由于CFD仿真的目的在于得出木片的分布規(guī)律，故為了獲得合適的當量球體直徑來減小誤差，與實際使用的木片相比，本研究使用的木片較短，其尺寸為30 mm×20 mm×20 mm，木片密度取800 kg/m³，根據(jù)當量球體的直徑計算公式得出當量球體的直徑約為28 mm。

如圖7a所示為雙動刀環(huán)式刨片機在無分料裝置時的離散顆粒軌跡CFD仿真結果，離散顆粒集中分布于葉輪后部，與本文1.1節(jié)中木片分析結果一致，進一步證實了雙動刀環(huán)式刨片機存在木片分布不均勻的現(xiàn)象。

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圖7 雙動刀環(huán)式刨片機在無分料裝置時的離散顆粒軌跡CFD仿真結果Fig.7 CFD simulation results of discrete particle trajectory for double drum knife ring flaker without dividing device

為了直觀地查看各葉片區(qū)域內的顆粒分布情況，如圖7b所示，將相鄰兩個葉片之間的區(qū)域定義為葉間區(qū)域，按順時針方向對其進行編號。需要指出的是，圖7b中離散顆粒在葉輪中間存在一個旋轉的過程，這是因為離散顆粒的軌跡以高速旋轉的葉輪為參考系繪制，若以地面為參考系，則不會出現(xiàn)該現(xiàn)象。因此仿真結果可以看成葉輪靜止，離散顆粒的軌跡是葉輪運動和離散顆粒本身運動的疊加。

2.2　CFD仿真結果討論

2.2.1　分料翼板彎折角度與分料均勻度關系

本研究分別對分料翼板彎折角度δ為25°、30°、35°以及40°時的雙8字形分料裝置進行CFD仿真，通過對比發(fā)現(xiàn)彎折角度為30°時的分料效果。

為了更詳細地分析雙8字形分料裝置（分料翼板彎折角度δ為30°）的分料過程，將雙8字形分料裝置旋轉一周的連續(xù)運動過程分解成三個離散狀態(tài)，分別為一次分料板正對進料口、分料板間空隙正對進料口以及二次分料板正對進料口，采用穩(wěn)態(tài)分析的方法分別對此三個狀態(tài)的離散顆粒軌跡進行仿真。在結果分析時，選取圖7b中01、06、11和16號葉間區(qū)域的顆粒軌跡進行對比，由于這四個葉間區(qū)域分別位于葉輪的上、下、左、右四個方位，因此這四個葉間區(qū)域的分析結果在一定程度上可視作整個葉輪的分析結果。為了更清楚地查看葉間區(qū)域的離散顆粒分布情況，在Fluent后處理時，將葉間區(qū)域的面設置成灰色，此時離散顆粒軌跡在葉間區(qū)域上以點的形式呈現(xiàn)，通過分析這些點的分布情況就可以了解離散顆粒的分布情況。

如圖8所示為01、06、11和16號葉間區(qū)域的顆粒軌跡對比圖，要指出的是，為了分析離散顆粒在葉間區(qū)域是否分布均勻，圖中定義葉片前部、葉片中部以及葉片后部的寬度一致，與1.2節(jié)的定義不同，后文中也是如此。對比圖8結果發(fā)現(xiàn)，在無分料裝置時，離散顆粒集中分布于葉輪后部，分布極其不均勻。在安裝雙8字形分料裝置后，離散顆粒在一次分料板正對進料口時集中分布于葉片前部，此時大部分離散顆粒被一次分料板阻擋，從而下落至葉落前部；當二次分料板正對進料口時，大部分離散顆粒被二次分料板阻擋，因此集中分布于葉輪中部；而在分料板間空隙正對進料口時，離散顆粒集中分布于葉輪后部，這是因為大部分離散顆粒從空隙穿過，直接下落至葉輪后部?？傮w上，不同狀態(tài)的分料裝置使離散顆粒進入不同的葉輪部分，與1.2節(jié)中解決方案的預期效果一致。

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圖8 各葉間區(qū)域離散顆粒分布情況對比Fig.8 Comparison of discrete particle distribution between blades

綜合分析，本研究提出的雙8字形分料裝置能較好地發(fā)揮均勻分料功能，在一定程度上解決雙動刀環(huán)式刨片機刀環(huán)在寬度方向上磨損不均勻的問題。

2.2.2　分料裝置旋轉速度與分料均勻度關系

為了研究雙8字形分料裝置轉速對分料均勻度的影響，對不同分料裝置轉速進行氣固二相流仿真分析，與前文分析方法一致，記錄01、06、11和16號葉間區(qū)域的顆粒分布情況進行對比。仿真分析時，分料翼板彎折角度為30°，葉輪轉速為800 r/min，分料裝置的轉速為20、30、40、50 r/min。

如圖9a所示，在分料轉速為20 r/min的情況下，離散顆粒在01號葉片后部出現(xiàn)了小程度的集中分布現(xiàn)象，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因為轉速較小，離散顆粒撞擊到分料板的幾率變小，導致直接穿過分料裝置落入葉片后部的離散顆粒占比較大。而從圖9c可以看出，離散顆粒在分料裝置轉速為40 r/min的情況下主要分布在葉片前部和中部，正好與圖9a結果相反，此時離散顆粒撞擊一次分料板和二次分料板的幾率較大，更多的離散顆粒會落入葉片前部和中部。圖9b中的離散顆粒分布均勻度處于圖9a和圖9c之間，沒有明顯集中分布情況，分料均勻度較

好。最后在圖9d中，此時分料裝置轉速為50 r/min，轉速較快，離散顆粒集中分布在葉片前部和中部的情況較之圖9c更為明顯。

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圖9 分料裝置不同轉速下的離散顆粒分布情況Fig.9 Discrete particle distribution under different speeds of dividing device

綜上所述，雙8字形分料裝置轉速對分料均勻度的影響較大，隨著分料裝置轉速的增加，撞擊一次分料板和二次分料板的離散顆粒的數(shù)量會增加，落入葉片前部和中部的離散顆粒也會變多，反之隨著分料裝置轉速的減少，更多的離散顆粒會落入葉片后部?？梢岳秒p8字形分料裝置這一特性去適應不同進料量，例如當進料量較大時，可適當提高轉速，提高分料效率。

3 結論

1）基于阻擋分流原理設計了一種雙8字形分料裝置，利用該裝置來解決木片在刀環(huán)寬度方向上磨損不均勻的問題，其主體結構由一次分料板、二次分料板、連接桿以及傳動軸組成。

2）通過CFD仿真對比分析雙8字形分料裝置安裝前后的木片軌跡，該分料裝置能夠有效地起到分料作用，使木片在刀環(huán)寬度方向上分布均勻，在一定程度上可解決刀環(huán)寬度方向上磨損不均勻的問題。

3）通過CFD仿真也確定了雙8字形分料裝置的分料翼板彎折角度為30°，其轉速對分料均勻度的影響也較大，在運行中需要根據(jù)進料量來調節(jié)轉速。

4）本研究提出的雙8字形分料裝置基于BX4614/525雙動刀環(huán)式刨片機設計，并未對其在其他型號的可適用性進行研究。另外，本研究采用CFD分析方法，雖然CFD仿真結果具有較高的可信度，但在模擬時進行了一定的假設和理想化處理，不可避免會存在誤差。因此，后續(xù)需要對雙8字形分料裝置的機型通用性以及實機運行情況進一步研究。

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