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南京金顺重工机械制造有限公司

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南京金顺重工对双动刀环式刨片机分料装置结构设计与仿真分析

来源：南京金顺重工机械制造有限公司 2026年03月26日 12:57

环式刨片机是刨花板制造过程中的备料装备之一，在现阶段人造板行业中扮演着重要的角色。自20世纪80年代环式刨片机实现国产化后，我国生产的环式刨片机正朝着刨切高速化，磨刀、调刀自动化方向发展。

环式刨片机主要结构包括振动给料器、磁选装置、重物分离器、叶轮、刀环、主轴传动机构、机座、液压系统和制动机构^[6]。原材料在刀环的宽度和圆周上分布不均匀导致刀环磨损不均匀^[7]。不同结构形式的环式刨片机的磨损情况不同，固定刀环式刨片机由于刀环不可旋转，在刀环宽度方向上和刀环圆周方向上都存在磨损不均的问题。双动刀环式刨片机的刀环可旋转，其旋转方向与叶轮相反，通过刀环和叶轮的反向旋转进行刨削，因此双动刀环式刨片机可有效避免刀环圆周方向上磨损不均的问题；而在刀环宽度方向上，由于木片下落至叶轮后无法被二次拨料至整个刀环宽度方向，导致其存在木片在刀环宽度方向上分布不均匀的现象，进一步导致刀环在宽度方向上磨损不均匀。

对此，研究人员在环式刨片机内部安装圆盘式分料装置，通过圆盘旋转改变木片轨迹来实现木片在叶轮上均匀分布，从而使刀环在宽度方向上磨损均匀^[8]。刨花板企业为提高环式刨片机的产能，同时为了满足长刨花的生产需要，增加了环式刨片机的刀环宽度，部分型号环式刨片机的刀环宽度已经超过500 mm。早期圆盘式分料装置已经不能满足刀环宽度的环式刨片机的分料要求，需要研究人员改进设计新型刀环宽度方向上分布更均匀的分料装置。

笔者团队通过对双动刀环式刨片机切削结构及物料在其内部运动规律的分析，在圆盘式分料装置基础上设计一种能够将木片在刀环宽度方向上均匀分布的分料装置。考虑到实验难度高和成本的问题，采用计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）对安装分料装置后的木片运动轨迹进行气固二相流仿真分析^[9]，优化分料装置结构参数，使分料均匀度。研究结果可为双动刀环式刨片机的结构改进提供理论依据与技术支撑。

1 双动刀环式刨片机分料装置结构设计方案

1.1　双动刀环式刨片机的结构

本研究以BX4614/525型双动刀环式刨片机为例，主要生产厚度为0.5~1.0 mm的刨花，其主要结构如图1所示。

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图1 BX4614/525型双动刀环式刨片机Fig.1 BX4614/525 Double drum knife ring flaker

1 振动给料器；2 磁选装置；3 重物分离器；4 叶轮；5 刀环；6 主轴传动机构；7 机座。；a 木片输入；b 空气；c 石子、大木片等杂质；d 刨花。

振动给料器、磁选装置以及重物分离器组成进料系统，用于去除原料中的金属物、石子、大木片等杂质，保护内部切削系统。在进料系统中，木片受叶轮高速旋转产生的气流和辅助风机产生气流的共同作用，被吸入切削室，并且在进入切削室时具有一定的初速度，同时在重力作用下做抛物线运动，当刀环的宽度增加时，木片下落到叶轮后不能被二次拨料至整个刀环宽度方向，如图2所示，大部分木片集中分布于叶轮的后部。这种木片不均匀分布的情况，容易导致刀环在宽度方向上磨损不均匀，缩短刀环的使用寿命，增加企业的生产成本。

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图2 木片进入切削室后的轨迹Fig.2 Trajectory diagram of wood chips after entering the cutting chamber

1 进料口；2 叶轮叶片；3 木片轨迹。

1.2　分料装置的结构

如图3所示，出于分料装置的设计需要，将刀环沿宽度方向划分为叶轮前部、叶轮中部以及叶轮后部。叶轮后部为叶轮安装和传动装置所处的区域，剩余的叶轮区域为分料装置的工作区域，将该区域等分为叶轮前部和叶轮中部。根据阻挡分流原理，参考圆盘分料装置的结构，可设计一种分料装置，将进入的木料流相互错开分成三份，分别落入叶轮前部、叶轮中部和叶轮后部。一次分料板将部分木片阻挡，使其落入叶片前部；二次分料板将另一部分木片阻挡，使其落入叶片中部；剩余木片则从叶片间的空隙穿过分料装置，按照原轨迹落入叶片后部。分料装置为旋转结构，通过旋转改变木片的撞击位置，实现木片三种轨迹间的切换。该分料装置完成分料无需过高的转速，不能直接安装在主轴上，而是安装在双动刀环式刨片机的切削室门上，采用单独的驱动系统。

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图3 叶轮区域划分示意图Fig.3 Schematic diagram of impeller region division

1 进料方向；2 叶轮叶片；3 叶轮前部；4 叶轮中部；5 叶轮后部。

1.2.1　基本结构

分料装置由一次分料板、二次分料板、连接杆以及传动轴组成；两个分料板端部均安装有两个分料翼板，且具有一定的弯折角度，如图4所示。两个分料板与阿拉伯数字8相似，且相互垂直交错布置，故将其命名为双8字形分料装置。

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图4 双8字形分料装置结构Fig.4 Structure diagram of dividing device with the shape of double 8

a 左视图 b 正视图；1 一次分料板；2 二次分料板；3 连接杆；4 传动轴；5~8 分料翼板。

1.2.2　参数确定

双8字形分料装置的外形结构尺寸列于表1。其中分料板的尺寸以及分料翼板弯折角度是影响分料效果的主要参数。

表1 双8字形分料装置基本结构参数Tab.1 Basic structure parameters of dividing device with the shape of double 8

分料板尺寸可根据叶轮前部、叶轮中部与叶轮后部的宽度比例进行确定。叶轮前部、叶轮中部与叶轮后部的宽度比例近似为7∶7∶11，则进入这三个区域的木片比例也应该为7∶7∶11。因此，一次分料板面积、二次分料板面积与空隙面积之间的比例为7∶7∶11。

分料翼板弯折角度的设计依据木片的运动轨迹。如图5a所示为木片在理想情况下撞击无弯折的一次分料板的分料翼板的轨迹分析图，按照设计方案，该木片撞击分料翼板后应该下落至叶轮前部。BX4614/525双动刀环式刨片机的进料口的角度为25°，因此木片进入切削室后的初速度方向与水平方向的夹角也为25°，木片撞击分料翼板的入射角β约为65°，则在理想情况下的反射角α也为65°，过大的反射角导致此时木片的反弹距离L也过大，木片未下落至叶轮前部，因此无弯折的分料叶片未满足设计要求。为了减小反射角α，将分料翼板进行弯折，如图5b为木片在理想情况下撞击弯折的分料翼板的轨迹分析图，此时木片在撞击分料翼板后下落至叶轮前部，符合设计要求。分料翼板弯折角度δ的具体值可通过后续CFD仿真分析确定。

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图5 木片撞击分料翼板轨迹Fig.5 Trajectory diagram of wood chip impact on dividing wing

a 分料翼板无弯折 b 分料翼板有弯折；1 入射轨迹；2 反射轨迹；3 分料翼板；4 分料板；5 叶轮前部；6 叶轮中部；7 叶轮后部。

2 仿真分析与结果讨论

2.1　CFD仿真分析

2.1.1　简化模型与网格绘制

将整个双动刀环式刨片机简化成三个部分：叶轮、进料口和出料口，去除这三个部分的焊接处、螺栓以及器壁凹凸等连接处，简化后的双动刀环式刨片机如图6所示。可采用ANSYS ICEM CFD对简化模型叶轮、进料口以及出料口建立流场网格，网格绘制结果如图6所示^[10]。

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图6 简化模型与网格绘制Fig.6 Simplified model and grid rendering

1 叶轮；2 出料口；3 进料口；a 模型简化；b 网格绘制；c 叶轮网格；d 出料口网格；e 进料口网格。

2.1.2　CFD仿真参数设置

使用Fluent软件对双动刀环式刨片机切削室内的木片轨迹进行气固二相流CFD仿真^[11-13]。由于Fluent在做离散相分析时使用的颗粒为球形，因此需要将不规则木片等效成体积、质量以及密度相同的当量球体。该当量球体的直径计算公式如下^{[9, 14-15]}：

（1）

式中：

为当量球体的直径，m为木片质量，南京金顺重工对双动刀环式刨片机分料装置结构设计与仿真分析

为木片密度。

由于CFD仿真的目的在于得出木片的分布规律，故为了获得合适的当量球体直径来减小误差，与实际使用的木片相比，本研究使用的木片较短，其尺寸为30 mm×20 mm×20 mm，木片密度取800 kg/m³，根据当量球体的直径计算公式得出当量球体的直径约为28 mm。

如图7a所示为双动刀环式刨片机在无分料装置时的离散颗粒轨迹CFD仿真结果，离散颗粒集中分布于叶轮后部，与本文1.1节中木片分析结果一致，进一步证实了双动刀环式刨片机存在木片分布不均匀的现象。

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图7 双动刀环式刨片机在无分料装置时的离散颗粒轨迹CFD仿真结果Fig.7 CFD simulation results of discrete particle trajectory for double drum knife ring flaker without dividing device

为了直观地查看各叶片区域内的颗粒分布情况，如图7b所示，将相邻两个叶片之间的区域定义为叶间区域，按顺时针方向对其进行编号。需要指出的是，图7b中离散颗粒在叶轮中间存在一个旋转的过程，这是因为离散颗粒的轨迹以高速旋转的叶轮为参考系绘制，若以地面为参考系，则不会出现该现象。因此仿真结果可以看成叶轮静止，离散颗粒的轨迹是叶轮运动和离散颗粒本身运动的叠加。

2.2　CFD仿真结果讨论

2.2.1　分料翼板弯折角度与分料均匀度关系

本研究分别对分料翼板弯折角度δ为25°、30°、35°以及40°时的双8字形分料装置进行CFD仿真，通过对比发现弯折角度为30°时的分料效果。

为了更详细地分析双8字形分料装置（分料翼板弯折角度δ为30°）的分料过程，将双8字形分料装置旋转一周的连续运动过程分解成三个离散状态，分别为一次分料板正对进料口、分料板间空隙正对进料口以及二次分料板正对进料口，采用稳态分析的方法分别对此三个状态的离散颗粒轨迹进行仿真。在结果分析时，选取图7b中01、06、11和16号叶间区域的颗粒轨迹进行对比，由于这四个叶间区域分别位于叶轮的上、下、左、右四个方位，因此这四个叶间区域的分析结果在一定程度上可视作整个叶轮的分析结果。为了更清楚地查看叶间区域的离散颗粒分布情况，在Fluent后处理时，将叶间区域的面设置成灰色，此时离散颗粒轨迹在叶间区域上以点的形式呈现，通过分析这些点的分布情况就可以了解离散颗粒的分布情况。

如图8所示为01、06、11和16号叶间区域的颗粒轨迹对比图，要指出的是，为了分析离散颗粒在叶间区域是否分布均匀，图中定义叶片前部、叶片中部以及叶片后部的宽度一致，与1.2节的定义不同，后文中也是如此。对比图8结果发现，在无分料装置时，离散颗粒集中分布于叶轮后部，分布极其不均匀。在安装双8字形分料装置后，离散颗粒在一次分料板正对进料口时集中分布于叶片前部，此时大部分离散颗粒被一次分料板阻挡，从而下落至叶落前部；当二次分料板正对进料口时，大部分离散颗粒被二次分料板阻挡，因此集中分布于叶轮中部；而在分料板间空隙正对进料口时，离散颗粒集中分布于叶轮后部，这是因为大部分离散颗粒从空隙穿过，直接下落至叶轮后部。总体上，不同状态的分料装置使离散颗粒进入不同的叶轮部分，与1.2节中解决方案的预期效果一致。

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图8 各叶间区域离散颗粒分布情况对比Fig.8 Comparison of discrete particle distribution between blades

综合分析，本研究提出的双8字形分料装置能较好地发挥均匀分料功能，在一定程度上解决双动刀环式刨片机刀环在宽度方向上磨损不均匀的问题。

2.2.2　分料装置旋转速度与分料均匀度关系

为了研究双8字形分料装置转速对分料均匀度的影响，对不同分料装置转速进行气固二相流仿真分析，与前文分析方法一致，记录01、06、11和16号叶间区域的颗粒分布情况进行对比。仿真分析时，分料翼板弯折角度为30°，叶轮转速为800 r/min，分料装置的转速为20、30、40、50 r/min。

如图9a所示，在分料转速为20 r/min的情况下，离散颗粒在01号叶片后部出现了小程度的集中分布现象，出现这种现象的原因为转速较小，离散颗粒撞击到分料板的几率变小，导致直接穿过分料装置落入叶片后部的离散颗粒占比较大。而从图9c可以看出，离散颗粒在分料装置转速为40 r/min的情况下主要分布在叶片前部和中部，正好与图9a结果相反，此时离散颗粒撞击一次分料板和二次分料板的几率较大，更多的离散颗粒会落入叶片前部和中部。图9b中的离散颗粒分布均匀度处于图9a和图9c之间，没有明显集中分布情况，分料均匀度较

好。最后在图9d中，此时分料装置转速为50 r/min，转速较快，离散颗粒集中分布在叶片前部和中部的情况较之图9c更为明显。

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图9 分料装置不同转速下的离散颗粒分布情况Fig.9 Discrete particle distribution under different speeds of dividing device

综上所述，双8字形分料装置转速对分料均匀度的影响较大，随着分料装置转速的增加，撞击一次分料板和二次分料板的离散颗粒的数量会增加，落入叶片前部和中部的离散颗粒也会变多，反之随着分料装置转速的减少，更多的离散颗粒会落入叶片后部。可以利用双8字形分料装置这一特性去适应不同进料量，例如当进料量较大时，可适当提高转速，提高分料效率。

3 结论

1）基于阻挡分流原理设计了一种双8字形分料装置，利用该装置来解决木片在刀环宽度方向上磨损不均匀的问题，其主体结构由一次分料板、二次分料板、连接杆以及传动轴组成。

2）通过CFD仿真对比分析双8字形分料装置安装前后的木片轨迹，该分料装置能够有效地起到分料作用，使木片在刀环宽度方向上分布均匀，在一定程度上可解决刀环宽度方向上磨损不均匀的问题。

3）通过CFD仿真也确定了双8字形分料装置的分料翼板弯折角度为30°，其转速对分料均匀度的影响也较大，在运行中需要根据进料量来调节转速。

4）本研究提出的双8字形分料装置基于BX4614/525双动刀环式刨片机设计，并未对其在其他型号的可适用性进行研究。另外，本研究采用CFD分析方法，虽然CFD仿真结果具有较高的可信度，但在模拟时进行了一定的假设和理想化处理，不可避免会存在误差。因此，后续需要对双8字形分料装置的机型通用性以及实机运行情况进一步研究。

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