小型力传感器在沙柳切削过程中的应用

　　0　引　言

　　沙柳,杨柳科大灌木[1]是我国沙荒地区造林面积最大的树种之一。由于其适应范围较广,发展很快,可作为木材奇缺的西北沙区发展纤维板的良好原料。目前,利用沙柳生产纤维板已经成为我国干旱、半干旱沙区农民增收的重要途径。但现有的生产用削片机普遍存在功率消耗大、振动噪声大等问题。本文根据木材切削的普遍规律和沙柳材的自身特点,设计并制造了小型力传感器,用于沙柳切削过程中切削力的实时检测。

　　1　木材切削理论

　　1.1　基本概念

　　木材的切削过程是被切下的木材层在刀具的作用下,发生剪切、挤压、弯折等变形的过程。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[2]

　　1)纵向切削:刀刃垂直于纤维,刀具在纤维平面内平行于纤维长度方向运动。

　　2)横向切削:刀刃平行于纤维方向,刀具在纤维平面内垂直于纤维方向运动。

　　3)端向切削:刀刃垂直于纤维方向,刀具在垂直于纤维的平面中运动。

　　2　切削力分析

　　在实际的木材切削过程中,刀具刃口不是绝对锋利的一条边,而是一个具有半径ρ的圆弧面,一般刀刃圆半径在刚磨过刀以后便有5~10μm,如图1。因此,刀具对木材的作用力,除了考虑前刀面对切削层木材和切屑的作用外,还不能忽略由于刃口变圆而导致的后刀面对切削表面木材的作用

　　图中,F_x为沿切削速度方向的分力,称主切削力,数值最大,方向永远为+。

　　F_y为垂直于切削速度的分力,称法向力,数值比主切削力小得多,方向+或-,‘+’者称压力;‘-’者称拉力。

　　2　实验装置的选择

　　由于削片机转速很高,所以,传感器不能直接安装在刀辊上,为了便于测量切削力,将飞刀的旋转运动简化为往复运动,在试验中用立式液压机作为动力源,将飞刀安装在液压机的活塞杆上,并把活塞杆与飞刀之间的连接部分(刀杆)做成传感器,利用液压机的往复运动切削沙柳,通过传感器测出切削力的数值。

　　3　组建切削力的测试系统

　　传感器是测试系统的始端,为了保证测量的准确性,首先,要保证传感器的设计满足使用要求。

　　3.1　传感器的设计

　　经简化后沙柳切削过程中力的变化可视为稳态过程,所以,电阻应变式测力传感器就能满足该要求。

　　3.1.1　弹性体的设计

　　由已知的数据可以预算出切削沙柳时的最大切削力F_x=5000N,F_y=150N。传感器的弹性元件设计成空心圆柱式,由现有材料选为45#钢,σ_s=355 MPa, E=2×10⁵MPa,许用应力为[σ]=186MPa,所以,杆件的最小横截面积为[3]