树枝粉碎机设计与动画模拟毕业设计

本科生毕业设计（论文）

题目：树枝粉碎机设计与动画模拟姓名：

学号：

系别：机械工程系

专业：机械工程及自动化年级：

指导教师：

2013 年5月31日

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

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指导教师评阅书

评阅教师评阅书

教研室（或答辩小组）及教学系意见

华侨大学厦门工学院毕业设计（论文）

树枝粉碎机设计与动画模拟

摘要

绿化一直以来都是城市建设不可缺少的一部分，但是在绿化的过程中难免会产生浪费。比如修剪下来的树枝没得到合理的利用，往往都是通过焚烧的方式处理。在这种情况下，树枝粉碎机就随之产生了。树枝粉碎机的研制对废弃树枝的处理以及资源化利用提供了保障，同时也能促进城市绿化工作的进行。

树枝粉碎机是通过对树枝进行切片及粉碎处理，为之后的树枝利用提供保障。本文根据现有树枝粉碎机的工作原理，分析了关键部件设计时考虑的力学因素，提出了若干设计要点，进一步的改进树枝粉碎机的设计方案。并运用三维建模软件Pro/Engineer对树枝粉碎机进行三维设计，利用Pro/Engineer软件进行运动仿真。

关键词：绿化，树枝，树枝粉碎机，切片粉碎，力学分析，Pro/Engineer

The design of the branch crusher and animated simulation

Abstract

Greening has always been an indispensable part of urban construction, but in the greening process will inevitably produce waste. Such as trim down the tree branches did not get reasonable use, often by incineration manner. In this case, the branch crusher was born. The development of the branch crusher was provide protection for the discard branches treatment and recycling used, at the same time also can promote the urban greening exercise.

The branch crusher is via sliced and smash the branches, for subsequent the branches to use to provide protection. This article according to the existing branch crusher's working principle, and analysis of the mechanical factors taken into account in the design of key components, made a number of design elements, further improvements the branch crusher design scheme. And use the three-dimensional modeling software Pro / Engineer to 3D design of the branch crusher, motion using Pro / Engineer software to animated simulation.

Key Words: Greening , The Branches, The Branch Crusher, Sliced And Smash, Mechanical Analysis, Pro / Engineer.

华侨大学厦门工学院毕业设计（论文）

目录

第1章绪论 (1)

1.1 研究的背景 (1)

1.2 研究的目的 (1)

1.3 研究的意义 (1)

1.4 国内外树枝粉碎机的发展现状和趋势 (1)

1.5 本次设计的任务 (2)

第2章树枝粉碎机的分类特点及其工作原理 (3)

2.1 树枝粉碎机的分类 (3)

2.1.1 盘式削片机 (3)

2.1.2 鼓式粉碎机 (4)

2.1.3 两种粉碎机的比较 (4)

2.2 树枝粉碎机的结构 (5)

2.2.1 削片部分 (5)

2.2.2 粉碎部分 (5)

2.2.3 筛选部分 (5)

第3章树枝粉碎机的设计方案 (6)

3.1 选题的思想和设计方法 (6)

3.2 树枝粉碎机的设计方案的确定 (6)

3.3 树枝削片是的切削力分析 (8)

3.4 轴承的选择 (10)

3.5 电动机的选择 (10)

3.6 传动方案的确定 (12)

3.6.1 带传动的特点 (12)

3.6.2 链传动的特点 (12)

3.6.3 齿轮传动的特点 (13)

3.6.4 蜗杆传动的特点 (13)

3.6.5 机械传动方案的选择 (13)

第4章树枝粉碎机的三维设计 (14)

4.1 运用Pro/Engineer对树枝粉碎机进行三维设计 (14)

4.2 树枝粉碎机零部件的结构设计 (14)

4.2.1 进料口的结构设计 (14)

4.2.2 刀盘与飞刀的结构设计 (15)

4.2.3 扇叶片与锤片的结构设计 (16)

4.2.4 主轴的结构设计 (17)

4.2.5 轴承座与轴承的结构设计 (18)

4.2.6 筛网的结构设计 (19)

4.2.7 外壳的结构设计 (19)

4.3 树枝粉碎机的三维装配 (20)

第5章树枝粉碎机操作事项 (24)

5.1 树枝粉碎机的安装 (24)

5.2 技术参数分析 (24)

5.3 树枝粉碎机的检修的三大点 (24)

5.4 树枝粉碎机的安全操作规程 (25)

结论 (26)

参考文献 (27)

谢辞 (28)

第1章绪论

1.1 研究背景

随着人们环境意识的日益增强，对环境的要求越来越高，城市废弃树枝的随意堆放及焚烧被逐渐禁止，废弃树枝的处理及综合利用成了城市园林及环卫部门亟待解决的问题[1]。目前采用的主要技术方案是将树枝粉碎后堆肥，用作城市植被、盆栽花卉及树苗移栽的底肥[1]。国内有些厂家及科研机构对树枝粉碎设备进行了研究和开射[1]。

1.2 研究目的

城市在绿化过程中，每次都要修剪大量的树枝以及树木移栽之后残留下的树根等。修剪下的树枝还有树根形状各异、大小不等、粗细也一样，收集整理起来十分不方便。因为树枝蓬松，运输不方便，所以效率低、费时又费力，而且这样运输起来安全性也比较差。而且运出的树枝、树根，有一部分会被送到垃圾场，还有一些是被烧掉。这样做树枝处理了，但污染却了环境，也浪费了人力物力。因此树枝处理不但是令相关部门头疼的问题，也是工厂、学校、小区、果园等每年都要面临的问题。

将树枝就地削片粉碎，不但可以节省运输的成本、减少树枝堆积的用地、净化环境，削片粉碎后的枝叶碎渣也可以用于生产有机堆肥，改良土壤，进行循环利用；或者加工成纸浆造纸和生产人造板所需要的工艺木板；或着进行粉碎后利用，制作成压缩燃料或作为裸露地覆盖物，这样就能够变废为宝。近年来，树枝削片粉碎处理已经悄然兴起，这不仅大大地改变了以前靠人力处理枯枝残根的模式，加快树枝树根处理的速度，并且节省了费用，还减轻了人员的劳动量，成了树枝处理必然的发展趋势。

1.3 研究意义

研制树枝粉碎机，对提高树枝处理的效率、扩大树枝的用途、提高树枝的利用率、节约资源、美化环境具有重要意义。

1.4 国内外树枝粉碎机的研究现状和发展趋势

我国对树枝粉碎机的研制工作由20世纪60年代开始，70年代中期开始研

究伐区木片生产工艺设备，80年代国家设立“伐区树枝木片生产设备及工艺的研究”攻关课题，进行了系统研究，取得了一定成果。进入90年代，木片生产得到了快速发展，木材削片机制造业也随之进一步发展。目前已至少有30多家生产削片机的厂家，生产20多种型号的木材削片机。我国目前所用的削片机主要有以下几种型号：（1）BX117C盘式削片机；(2)BX1107/4盘式削片机；(3)BX116盘式削片机；(4)BX1108/3盘式削片机；此外，还有极少量的BX1710B盘式削片机和BX1112盘式削片机等。至于树枝粉碎机，我国常州市林机厂及其它生产企业在90年代就曾研制过多种机型，功率一般为3-5kW，但都未推广，主要原因都是功率太小，只能削小树枝，径级到30~40mm就削不动，无法满足使用要求。在其他国家大规模的木片生产是从60年代开始，近些年来发展非常地快，不仅是产量上迅速地增加，而且在一些国家，比如日本、前苏联、美国等国已经发展成为了木材工业部门中的一个独立的体系。而在瑞典、芬兰等国却已经发展成为了木材加工企业中不可或缺的重要组成部分。而且国外树枝削片机的性能也比国内要好一些，这主要表现在其产品型号齐全，功率强劲，外形美观，操作方便，噪声低，人性化设计等。如美国的百莱玛设备公司的产品威猛系列切枝机。其中威猛BC600XL型就是一款高产量、大功率的切枝机，它具有独创的外观设计和驱动系统，具有同类产品中最大的进料口。从细小的树枝到直径150mm的树干，BC600XL型切枝机都能从容应付。其较大的动力和宽阔的进料口使其功效超卓，并可省去大量的对树枝的预先修理时间。

近年来，国外的树枝粉碎机研制有了进一步发展，主要是增加辅助进料口、增加进料口的截面积、铰接式安装进料口、侧面出料（木片）、减少飞刀尺寸和角度，并且装刀多刀化、飞刀夹装在刀盘上，并呈螺旋线安装、刀盘悬臂式装配；降低削片机噪声、增设第二底刀以及使其多刃化、可调节生产率的削片机、改进切削机构和进给方式以及适应不同原料的削片的专用、通用、以及削片机组和削片生产线。

1.5 本次设计的任务

本次设计主要是根据现有树枝粉碎机的工作原理，分析树枝粉碎机关键部件设计时考虑的力学因素，提出了设计要点，为进一步改进树枝粉碎机设计方案提供基础。并运用三维建模软件Pro/Engineer对树枝粉碎机进行三维设计，利用Pro/Engineer软件进行运动仿真。

第2章树枝粉碎机的分类特点及其工作原理

2.1 树枝粉碎机的分类

随着人造木板工业的发展和原生木财资源的日益匮乏，利用各种剩余木材制品制做工艺木片作为充分利用木材资源、提高木材的综合利用率的主要手段的观点，已经获得了人们的普遍赞同，粉碎机的种类也随之而日益增多。

树枝粉碎机按切削机构的形状主要可分为鼓式和盘式两种。

2.1.1 盘式削片机

盘式削片机的结构简图如下图2-1 所示：

1.轴承座

2.主轴

3.刀盘

4.压刀块

5.飞刀

6.侧刀

7.底刀

图2-1 盘式树枝粉碎机机结构简图

要把树枝加工成碎片，首先需要人工将树枝材放入进料口，木材在人力或进料机构的压力作用下进入了削片机，当木材的端面碰到飞刀刀盘端面时，进给就停止了，当飞刀的刀刃与树枝接触时，切削开始，因为飞刀具有一定的角度，当切入树枝一定深度的时时候，树枝受到飞刀切削面的分力、刀盘和进料口(或底刀)的阻碍作用，一部分沿着木材纤维的方向崩裂成木片，从前刀面飞出。在切削的过程中，树枝在压力和飞刀切削分力的共同作用下，向刀盘方向进给，使切削加工得以连续进行，完成整根木材的切削粉碎的加工。

2.1.2 鼓式粉碎机

鼓式粉碎机的结构简图如下图2-2 所示。

1.主轴

2.锁紧装置

3.飞刀

4.飞刀螺栓

5.压刀块

6.飞刀座

7.刀辊

8.上喂料辊

9.下喂料辊10.底刀

图2-2鼓式树枝粉碎机结构简图

鼓式树枝粉碎机机机座采用高腔度钢板焊接而成，这是整台机器的支承基础；刀辊上安装两把飞刀，然后用专门制造的飞刀螺栓，通过压力块，把飞刀固定在刀辊上；根据被切削原料的不同厚度，上喂料辊可以借助液压系统在一定范围内上下浮动；切削下来的合格木片通过网筛孔落下，有底部排处，大的片料将在机内再进行切削粉碎。

2.1.3 两种粉碎机的比较

一般而言，盘式树枝粉碎机因为刀盘上的飞刀运动时的切削平面固定不变，飞刀和底刀可以形成很好的剪切作用，因此盘式枝树枝碎机的木片比鼓式枝树枝碎机的木片质量好，而且生产率也高；适宜加工原木、劈木、木芯、较厚的板皮和成捆的树枝材，因其进料槽为方形或圆形，可充分发挥其生产能力，主要用于生产规模较大的人造板企业和造纸企业。鼓式树枝粉碎机由于飞刀的切削平面会随飞刀位置的变化而发生变化，削片过程中不能形成有利的剪切作用，其进料槽沿刀鼓方向为长方形，适用于加工板皮、板条、碎单板、小径木、树枝材等厚度较小、径级不大的木料和竹材，这种削片机主要用于中小型人造板企业；现在经改进的鼓式削片机的削片质量完全能够满足人造板生产的工艺要求。盘式树枝粉碎机大多数采用自由进料，而鼓式树枝粉碎机大多数采用强制进料，水平进料的适宜加工较长的原料，而加工较短的原料通常采用倾斜进料。总之，树枝粉碎机

的结构形式主要取决于原料的特征和对削片质量及生产率的要求。

对于中小型树枝粉碎机而言，因为其削制的原料大多数是树枝、树根等剩余物，材径较小，采用平面盘式机削片时，对平面盘式的削片长度的均匀性影响不大，而且制造成本比较低廉，方便推广。所以，中小型树枝粉碎机采用平面刀盘结构作为发展方向。

2.2 树枝粉碎机的结构

树枝粉碎机主要由切削部分、粉碎部分和筛选部分三部分组成。

2.2.1 削片部分

树枝由进料口投入，之后接触到旋转刀盘上的飞刀，飞刀将木材切削成一定规格木片，刀盘上的叶片转动，叶片直接推动木片，使木片作圆周运动形成了气流，木片就会沿着机壳切线方向，被送到下一工序进行粉碎[1]。刀盘的作用除不断切削木材外，还起到飞轮的储能作用，故要求刀盘有一定的重量[1]。

2.2.2 粉碎部分

粉碎室内装有扇叶片，它与转动的锤片配合工作[1]。木片与来自削片室的气流混合在一起，经过扇叶片区时，受到高速旋转锤片的锤击，以及锤片与扇叶片之间对物料的撞击、剪切搓擦的作用，木片反复的进行粉碎，粉碎后木片颗粒由筛孔排出[1]。

2.2.3 筛选部分

筛选板装在粉碎室，作用是筛选经过粉碎后的碎木片[1]。筛选板由钢板加工而成，板面均匀分布有一定直径的圆孔，阻拦大块木片从筛板通过，而留在室内继续粉碎。有部分小块木片无规则的贴伏在筛孔上，影响筛选效果[1]。经锤片一端将这部分木片刮到扇叶片区进行粉碎，加强了筛孔的畅通[1]。

第3章树枝粉碎机的设计方案

3.1 设计思想及设计方法

本次设计主要是针对树枝、树根、小直径木料等木材进行切片、粉碎加工,粉碎出的木屑也是用于制造肥料等,对削片质量要求不高。故对机器的主要要求是体积小,结构简单,移动方便和便于操作.针对这些要求,设计飞刀为对称分布的长刀,以满足最大切削直径和力矩平衡的要求。假设树枝粉碎机切削出的木片长度为8mm，根据设计要求，进料口和出料口有了改进，刀盘保持一定的厚度加大其转动惯量，以防止切削过程中刀盘转速波动太大。扇叶片上安装了三片风叶，扇叶片转动过程中产生风力将粉碎的木屑吹出。由发动机的功率要求确定树枝粉碎机的生产能力，确定合适的飞刀数量和切削功率以及切削力。飞刀的伸出量能够调整，保证切削质量。选用圆锥滚子轴承和主轴配合，利用皮带传动进行动力传递。故而本次设计采用盘式削片粉碎机作为设计方向，并且要求本树枝粉碎机方便移动，可以随着修剪的移动而移动粉碎地点。

由于进料方式为水平进料，故设计进料口为方形进料口，长度适中，保证树枝能够顺利进料。进料口的结构型式也比较简单，以使其安装方便，并便于加工。

3.2 树枝粉碎机设计方案的确定

树枝粉碎必须先将枝条削片切断，然后进行粉碎筛选达到规定的颗粒要求。根据木材削片机的原理，削片切断采用盘式削片的结构形式[2]（如图3-1所示）：

图3-1 盘式削片形式

盘式削片机的飞刀刀刃作平面运动，切削力的方向基本保持不变，因此在削

片过程中能很好的形成剪切作用，切削功率相对较小，不易产生碎料，生产出来的木片规格相对整齐。

在木材削片机和现有的树枝粉碎机中，采用的进料方式有两种：强制性进料和非强制性进料。进料通道的布置形式有水平进料和倾斜进料。绿化修剪下来的树枝直径较小，且树枝上还存在一些细小的分枝，粉碎加工时，为了保证生产率要求，喂料时可以多根一起进料。因为每根树枝的粗细都不一样，喂料时多根一起进入，如果采用水平强制性进料方式就很难保证多根树枝一起同步进入削片，所以在进料方式上选择非强制性倾斜进料方式比较合适。这样不但可以使机械结构简单，而且还可减少动力消耗[2]。

粉碎方法机械式粉碎机的粉碎方法主要有以下几种形式：锤片式、爪式还有对辊式等[2]。考虑到树枝的皮韧性很强，当削片飞刀不锋利，飞刀与底刀的间隙过大时树枝皮很难切断，其中一部分会缠绕在主轴上，而另一部分会进入粉碎室

[2]。另外树枝条分枝梗顶部直径很小，削片时经常将树枝尖部的一段直接带入到粉碎室，粉碎部分不仅要将削断的木片锤击，而且还需将未被切断的树皮及细小分枝粉碎，所以最合适的是采用锤片式粉碎的结构，这样不仅可使结构简单，而且还有好的粉碎效果[2]

。因此树枝枝粉碎机的结构形式是盘式削片非强制性倾斜进料，粉碎部分采用锤片式结构[2]。

假设绿化修剪是的树枝粉碎生产率为600kg/h ，折合成木屑实积约为

1.7m3/h ，参照削片机的生产效率计算公式，结合树枝粉碎多根进料的特点，拟定生产率计算公式：

)/(106321216h m K lfK Z nZ Q 实积-?= （3-1）

得

（3-2）

在上面的式子中：n —刀盘每分钟转速(r/min )；

Z 1 — 平均每次树枝进料根数(根)；

Z 2 — 飞刀的数量(把)；

l — 木片平均直径(mm )；

f — 被削片树枝平均断面积(cm2);

K 1 — 机器利用系数，取0.3-0.5；

K 2 — 工作时间利用系数，取0.7-0.8；

考虑生产效率及圆盘的动平衡取飞刀数Z 2=4把，平均一次进料树枝Z 1=1根，l =60mm ，f =1.0，Q =1.7，取K 1=0.4，K 2=0.8，计算得 n =3279r/min ，取n =3200r/min 。

根据以上拟定的方案设计出来的传动系统与结构示意图（如图3-2 所示）： 21216106K lfK Z Z Q

n -?=

图3-2 树枝削片粉碎机结构示意图

工作原理：刀盘与扇叶片以及扇叶上的锤刀采用同轴连接的方式，由电动机通过V带驱动，飞刀随着刀盘作平面运动[2]。当树枝放入进料口后，刀盘转动使飞刀与底刀形成剪切，将树枝削成片状，由刀盘顶部的倾斜刮板将木片带入粉碎室锤击[2]。粉碎之后木屑通过筛网清选，过筛的木屑在扇叶片产生的风力作用下飞出出料口[2]。而那些未被筛选的粗屑则留在粉碎室继续粉碎，直到小于筛网孔被筛出为止[2]。

3.3 树枝削片时的切削力分析

树枝切削的过程，实质上就是使被切下的木材层在刀具的作用下，发生剪切、挤压弯折等变形过程。根据刀刃相对木材纤维方向的不同，以及刀刃运动方向相对纤维方向的变化，木材直角自由切削可以分为纵向、横向和端向切削。在切削过程中，切削的变形受到树枝本身性质(树枝纤维、年轮方向、早晚材、含水率、度等)、刀具特性(角度、锋利程度等)、切削用量(切削厚度、宽度、切削速度等)等因素的影响。