多功能试验用木材干燥机的设计研究

文章编号：1002－6673（2010）06－039－03

机电产品开发与创新

Development＆InnovationofMachinery＆ElectricalProducts

Vol．23,No．6·产品与市场Nov．,2010·

多功能试验用木材干燥机的设计研究

李波1，任洪娥1，潘俊萍1，尹婧2

（1．东北林业大学，黑龙江哈尔滨150040；2．黑龙江东方学院，黑龙江哈尔滨150086）

摘要：木材干燥和改性处理在木材加工工业中的地位日益重要，国内木材处理科研单位缺少实验基础上的

理论研究，为此有必要设计一种具备多项功能的小型木材处理实验平台。该平台可进行应用较广泛的常规蒸汽干燥、高温干燥、真空干燥、木材改性和高温热处理等实验过程，得到所需相关数据，从而可为优化相应过程的程序、能耗、环境参数等提供参考。根据功能要求对试验机进行总体设计，设计包括罐体、加热、加湿、除湿、真空、电控等硬件系统的设计及其总体布置、功能参数设计、控制系统设计。采用模糊控制系统对干燥和热处理过程进行控制，提高了实验机的智能化程度。

关键词：多功能；木材处理；设计研究；模糊控制中图分类号：TH69

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2010.06.015

TheDesignofMulti-functionTestingMachinewithWoodDrier

LIBo1，RENHong-E1，PANJun-Ping1，YINJing2

（1.NortheastForestryUniversity，HarbinHeilongjiang150040，China；

2.HeilongjiangEastUniversity，HarbinHeilongjiang150086，China）

Abstract：Thisarticleanalysestheimportanceofthecurrentdomesticwooddryingandwoodmodificationandthelimitationsoftimberhandlinginthescientificresearchunits,whichproposethenecessityofdesigningadryerfortestingwhichismultifunctionbuteasytooper-ate.Featuressuchaswooddryingandmulti-functionalmodificationwhichthetestingmachinehasaredescribed,andthendesigniscarriedoutaccordingtothefunctionalrequirements.Designsincludestructuraldesignofdryingcan,thegenerallayoutdesignofrelatedcomponentsofheating,humidification,dehumidification,vacuum,andelectriccontrolsystem,thedesignoffunctionparametersandthedesignofcontrolsystem.Thedesignusesfuzzycontrolsystemtocontroltheprocessofdryingandheattreatmentwhichcanimprovetheintelligenceoftheexperimentalmachine.

Keywords：multifunctional；woodprocessing；design；fuzzycontrol

0引言

伴随着家具业在国内外市场上的快速稳定发展，木材加工业经历了一相对快速发展的历史阶段。改革开放以来，我国形成了以常规蒸汽干燥为主，常规炉气与热水干燥，除湿、真空干燥，微波与高频干燥及太阳能干燥等多种干燥方法同时发展的比较完整的产业体系[1]。但这并不能完全满足新形势下社会对干燥技术的要求，而且，干燥技术领域还存在着许多未知或知之不多的问

收稿日期：2010－10－03

基金项目：黑龙江省重点攻关项目（GB08A502）

作者简介:李波（1986-），男，在读硕士研究生。研究方向：机械设计及理论；任洪娥（1962-），女，教授，博士生导师。研究方向：模式识别与智能控制、现代信息技术与信息安全。

题。如今，提高干燥质量、减少木材降等、降低能耗、提高设备生产率、改善劳动环境和减少环境污染、降低干燥成本已成为木材干燥技术发展的主题

[2]

。为应对新

的干燥技术发展，作为研发主力军的高校科研单位和研究所等机构应更进一步增加在实验基础上的理论研究，但一台干燥设备造价不菲，而且实验可能需要不同类型的干燥机，所以研究一种多功能试验用干燥机是非常必要的。多功能试验用干燥机不仅可以为科研机构提供一个多种类型干燥的实验平台，而且可以实现各种干燥技术相互组合，综合利用各自的优点达到优化效果，从而为联合干燥技术的研究创造了条件。

1试验机的功能设计

因为干燥罐体结构上的限制，本设计木材干燥功能包括常规蒸汽干燥、高温干燥、真空干燥、自定义干燥

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等。试验机预实现的工艺流程为：首先选择某一干燥方式，然后设置干燥温度、终含水率等工艺参数，然后选择一干燥基准，设置基准参数，干燥机根据所选干燥方式自动提取干燥工艺流程，干燥机开始工作。试验机内部温度、湿度、压力等达到设置的工艺参数或基准参数时会自动控制蒸汽发生器、电加热管、真空泵、隔膜泵、电磁阀等设备的开启和关闭，从而控制各个流程的转换，当达到设置的终含水率要求后干燥机所有设备自动关闭。

本设计的多功能改性功能包括木材改性和热处理。木材改性包含防腐、防霉、染色、脱脂等。改性处理时先选择处理液进入木材的方式：压注法、浸泡法。通过这些改性方法可以改善一些材质较差木材的性能，增加这些木材原木不具备的性能，为社会提供低价格高性能的木材制品，甚至是特殊性能的木材制品，从而提高木材的利用价值

[3]

1.底座2.隔膜泵；3.真空泵4.干燥罐5.风扇电机6.除湿机7.蒸汽发生器8.电控柜9.水箱

图1试验机总体布置简图

Fig.1Generallayoutdiagramofthetestingmachine接触式机械密封机构。

（2）其它辅助系统设计。其它辅助系统包括真空系统、加湿系统、除湿系统、加热系统等

[5]

。真空系统采

用水环式真空泵抽取真空，并在其前处设有冷凝器，用以吸收汽化潜热防止真空泵叶片腐蚀，高温水汽经冷凝变为水进入储水罐；加湿系统包括蒸汽发生器、隔膜泵、水箱及喷头、阀门等配件。加湿包括喷湿和喷蒸两个各过程，喷湿是通过隔膜泵从水箱抽出水加压后喷到干燥罐内木材表面，喷蒸是经蒸汽发生器加热加压后的水蒸气喷到干燥罐内；除湿系统主要包括一台除湿机；加热系统有电加热和蒸汽加热两种方式，干燥罐体内部装有电加热管，可使罐内温度达到400℃，且各电加热管可分别控制，罐体外面连有18kW的蒸汽发生器，蒸汽可直接喷到罐内进行直接接触加热也可通过散热管间接加热。

（3）电控部

分设计。电控器接口5.压力传感器接口6.湿度传感器接口部分包含干湿7.喷湿除湿接口8.换气阀接口9.蒸汽接口球温度传感10.电加热管11.石棉12.出水口13.风扇器、压力传感

图2干燥罐结构示意图

。高温热处理木材时，选择高压或真空

环境条件，用160～230℃（常用180～212℃）的温度加热处理木材，改良木材的品质，降低木材的吸湿性和吸水性，提高尺寸稳定性、生物耐腐性和耐气候性，得到一种性能优良、颜色美观且环境友好的木材产品。

2试验机硬件系统设计与总体布置

为实现上述功能，多功能试验用干燥机需设有干燥罐、真空系统、加热系统、加湿系统、除湿系统、风机、电控部分、阀门及连接管道等部件，固定于底座上，总体布置如图1所示。

（1）干燥罐设计。干燥罐上设有安全阀口、真空接口、温度传感器接口、压力传感器接口、湿度传感器接口、喷湿除湿接口、换气阀接口、蒸汽接口、出水口等可分别通过管道或直接连接真空泵、传感器、隔膜泵、蒸汽发生器、阀门等，内部设有电加热管、风扇，外部有石棉保温层，干燥罐结构简图如图2所示。

干燥罐是对木材进行干燥和热处理的主要工作场所，因为要进行真空干燥和高温高压热处理等，所以干燥罐体要耐高压、耐高温、耐真空，且对密封的要求也很高。干燥罐体采用真空状态抵抗外界大气压力性能最佳的圆柱罐体形式，水平安装。为了保证干燥罐体的承压能力，罐体用一定厚度的钢板轻滚压、焊接制成，两端各有一曲率半径是连续变化、压力状态下应力分布比较均匀椭圆形封头

[4]

1.干燥罐体2.安全阀口3.真空接口4.温传感

器、湿度传感Fig.2Schematicdiagramofthedryingcan器、含水率测

量仪、水位传感器、电磁阀、电控柜等。木材干燥过程中各检测数值传送到控制柜，都与计算机输入设定值和干燥基准参数值相比较，然后控制器调节控制元件的启闭，使工作按预选程序进行。

，其中一个封头设计为可开关的大

门，大门固定在罐门支架上，支架与罐体法兰间通过左右一销连接，罐门封头上丝杠螺母机构用于锁紧罐体和罐门。罐体法兰与罐门法兰之间用双层耐热橡胶圈做密封垫。为解决罐体内部空间小不能安装轴流风机的问题，我们设计一风扇装进罐体内，外面连接带轮，带轮轴通过与封头连接的套筒与风扇相连，套筒内部装有一

3试验机的功能参数设计

在试验机进行工作之前，工作人员需向计算机输入预设功能参数和干燥基准参数，使蒸煮、干燥等作业按照定义要求进行。通过对各个过程分别进行实验，结合试验机承受能力，总结归纳出试验机预设功能参数范围。木材干燥预设参数及范围值见表1；多功能改性预设参

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数及范围值见表2。

表1木材干燥参数Tab.1Wooddrying

parameters

功能参数加热温度(℃)终含水率（%）真空上限(MPa)真空下限(MPa)喷湿时间（min）高压上限(MPa)风机转速(r/min)

可选范围

合的子集ei和ecj，再由ei、ecj以及模糊控制规则R

表2多功能改性参数Tab.2Modifiedparameter

function

功能参数热处理温度(℃)热处理时间(h)罐内压力(MPa)含水率(%)终含水率(%)液面高度(mm)

可选范围

（模糊关系）根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量U为：

U=∑（ei、ecj）誘R

式中：∑—对全部子集进行合并运算；x—集合的笛卡儿积；誘—集合的合成。将模糊语言集均分为7档，记为NB（负大），NM（负中），NS（负小），Z（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）。当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主；当误差小或较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出发点，总结出控制规则见表3。

表3模糊控制规则表Tab.3Fuzzycontrolruletable

UNBNMNSZPSPMPB

EC

NBPBPBPMPMPSPSZ

NMPBPBPMPMPSZZ

MSPMPMPMPSZNSNM

ZPMPSPSZNSNSNM

PSPSPSZNSNSNMNM

PMZZNSNMNMNMNB

PBZNSNSNMNMNBNB

50～4002～700.003～0.10.003～0.10～100.1～0.40～1500

50~4000~1000.003~0.40~1000~100~200

干燥基准是木材人工干燥过程中调节干燥介质温度和湿度变化的程序表，为干燥过程调节的依据。在实际干燥过程中，正确执行干燥基准表，就可以合理地控制木材的干燥过程，从而保证木材的干燥质量

[6]

。多功能

E

实验用干燥机可选的干燥基准有：含水率基准、时间干燥基准、连续升温干燥基准和干燥梯度基准。在试验机工作前选择某一干燥基准，输入干燥基准参数，使实验过程按照基准自动运行。本设计可通过多次实验来制定基准参数表存于计算机中，同时也为木材干燥厂家等提供基准参数依据。

通过表3的控制规则进行模糊推理，得到一模糊集合，通过所输入的控制量U的论域获得最终加到被控对象的设计控制量的精确值，并对其圆整优化，从而分别得出温度、压力、湿度的模糊控制表[7]。

多功能干燥机通过模糊控制系统的使用减少了人工复杂的操作，提高智能化水平的同时也提过了工作效率。

4试验机控制系统的设计

木材干燥的过程是一非线性系统，很难建立其准确的数学模型，但可以用模糊规则来描述这种复杂的对象。本文所设计的数控多功能实验用干燥机的模糊控制系统采用高性价比单片机，温度、压力、湿度分别对应一模糊控制系统，融合智能化控制思想中的模糊控制技术，大大提高了干燥过程的智能化水平。系统主要由模糊控制器、输入输出接口（A/D、D/A转换器）、检测对象、执行机构和被控对象五部分组成，如图3所示。

5结论

数控多功能试验用干燥机能够实现多种木材干燥方式，且能进行木材改性和热处理等功能。通过模糊控制，实现了干燥过程中温度、压力、湿度的精确控制，提高了木材干燥过程控制的智能化程度。具有自定义干燥功能，可多种干燥进行组合，从而进行创新性实验，可以广泛应用于高校研究所等科研单位的实验研究。参考文献：

[1]庄寿增.对我国木材干燥技术创新与发展问题的几点思考[J].林产工业,2008,2.

多功能干燥机中，检测对象为压力、温度、湿度等传感器，执行机构为真空泵、电加热管、隔膜泵、蒸汽发生器、除湿机及电磁阀等。计算机经过采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定量比较得到误差信号

[2]李文军,赵小矛,田勇臣.对我国木材干燥技术创新与发展问题的几点思考[J].北京林业大学学报,2000,3.

[3]雷得定,等.木材改性技术的现状与发展趋势[J].木材工业,2009,1.[4]刘湘秋.常用压力容器手册[M].北京:机械工业出版社,2004.[5]徐成海,张世伟,关奎之.真空干燥[M].北京:化学工业出版社,2003.[6]李梁,张璧光,伊松林.木材干燥基准的研究现状及展望[J].干燥技术与设备,2007,1.

E，同时，取E对时间的一阶导数EC，即误差变化率，

把E和EC的精确值进行模糊化后变成模糊量并用相应的模糊语言表示。至此，得到了E和EC的模糊语言集

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