全 文 ：第 51 卷 第 1 期
2 0 1 5 年 1 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 51，No. 1
Jan．，2 0 1 5
doi:10．11707 / j．1001-7488．20150113
收稿日期: 2014 － 01 － 25; 修回日期: 2014 － 04 － 08。
基金项目: 中央高校基本科研业务费专项资金(DL12C B05，2572014EB04 － 02) ;国家自然科学基金项目(31170517) ;黑龙江省自然科学
基金项目(C201209)。
* 杨春梅为通讯作者。
JN型微米木纤维减震器*
马 岩 张亚新 袁 旭 战 丽 杨春梅
(东北林业大学林业与木工机械工程技术中心 哈尔滨 150040)
摘 要: 【目的】利用微米木纤维为原材料代替难以降解的橡胶和塑料，制作出适用于机械设备或汽车减震装置
的 JN 型木纤维减震器，研究 JN 型木纤维减震器的选材、加工工艺及数学建模方法，为减震器数控加工机床和数控
系统的研制与开发提供理论依据。【方法】以密度为 0. 439 g·cm － 3、含水率为 12% ～ 15%、平均厚度可达到 52 μm
的红松微米木纤维为基材，利用冷硫化和复合材组构理论，采用热压模具定型方法制作出 JN 型微米木纤维减震器
样品，测量样品的质量、体积并观察样品浸泡在水中 24 h 后的外形状态。在基本假设的基础上，用包络法和规则几
何体建模法建立 JN 型微米木纤维减震器的数学模型，并利用 Matlab 软件对 JN 型微米木纤维减震器进行仿真分
析。【结果】JN 型微米木纤维减震器样品的密度在 0. 91 ～ 1. 36 g·cm － 3之间，质量在 1. 4 ～ 2. 0 kg 之间，在水中浸泡
24 h 不会变形。仿真分析结果证明 JN 型微米木纤维减震器数学模型具有一定的通用性和准确性。【结论】按规定
的加工工艺制备的 JN 型微米木纤维减震器样品符合密度、弹性要求，并且具有抗水性;JN 型木纤维减震器的建模
由底座和规则梯形台构成，模型参数具有通用性，直接将底座和规则梯形面相关尺寸参数输入模型方程，可获得 JN
型木纤维减震器的不同加工尺寸;为保证 JN 型木纤维减震器的实用尺寸和外观，降低生产成本，整个模压加工过
程必须在一套模具上完成。
关键词: 微米木纤维; 木橡胶; 减震器; 数学建模
中图分类号: TS65 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2015)01 － 0112 － 07
JN-Type Micron-Sized Wood Fiber Shock Absorber
Ma Yan Zhang Yaxin Yuan Xu Zhan Li Yang Chunmei
(Forestry and Woodworking Machinery Engineering Centre，Northeast Forestry University Harbin 150040)
Abstract: 【Objective】Producing wood-based rubber JN-type shock absorber is suitable for machinery equipment or
automotive shock absorber，by use micron wood fiber in place of rubber and plastics． Theoretical feasibility of wood-based
rubber JN-type shock absorber material selection， availability of manufacturing process method and the mechanical
properties of micron wood fiber absorber sample are studying． The specific content of study include: wood-based rubber
JN-type shock absorber mathematical modeling equations and simulation analysis and preparation of mold． 【Method】Using
cold vulcanized and composite materials fabric theory，pressing mold shaping method produces high elastic micron wood
fiber JN-type damper． Pine micron wood fiber with a density of 0. 439 g·cm － 3，a moisture content of 12% to 15%，with
an average thickness of up to 52 μm was chosen to make micron wood fiber JN-type damper sample，through the process of
preparation，selection，mixed plastic，molded，heat packing，unloading mode and verification． The quality and volume of
sample was measured，the shape state of sample was observed after immersion in water for 24 h． Micron wood fiber wood-
based rubber JN-type shock absorber mathematical model based on the assumption，that its shape is ideal shape． Its upper
seen as a standard trapezoidal station， the hole in the middle as standard cylinder; the base is a combination of
rectangular，semi-circular and ramp round hole in the middle． Assuming coordinates system of NC machining and micron
wood fiber JN-type damper mathematical model is parallel and in the same direction． Micron wood fiber JN-type damper
based center was selected for the origin of coordinates，and makes mathematical model with the envelope and geometry
modeling method，and carried out simulation by using Matlab． The driver of JN-type shock absorber various types and
sizes was stored inside CNC machine，its mold processing is done by positioning setup process once． 【Ｒesult】Using oil
sludge product mold，micron wood fiber JN-type damper sample was produced， though a series of processing and
第 1 期 马 岩等: JN 型微米木纤维减震器
production process． Sample density at 0. 91 － 1. 36 g·cm － 3，the quality at 1. 4 － 2. 0 kg，it’s not deformed when soaked
in water for 24 h． Matlab simulation results prove micron wood fiber JN-type wood-based rubber shock absorber
mathematical model has some versatility and accuracy． 【Conclusion】Micron wood fiber cell wall are elastic，the cell
structure of wood are destroyed，eliminating strength influence of cavity glue and knots． The wood fibers have mutually
attractive force，after the molding process，to form a high compression ratio and highly elastic material likes rubber． With
sample regulations preparing process，JN-type shock absorber was pressed by micron wood fiber is water resistant and
meets the requirement of density and elasticity． Wood-based rubber JN-type shock absorbers’modeling is consisted of a
base station and rule trapezoidal configured，model parameters has the practicality，versatility and accuracy． The molding
process is completed in a mold to ensure the practical size and appearance of wood-based rubber JN-type shock absorber．
Key words: micron-sized wood fiber; wood-based rubber; shock absorber; mathematical model
在现代木材加工技术中，改变木纤维的结构组
合形式构造高强度结构型木橡胶是工业生物材料研
究的一个重要方向(Konnerth et al．，2008)。木材细
胞壁具有很好的抗压性能，木材材料还具有各向异
性，是综合了相容性、弹性、高压缩比、透气性等特点
的多功能原材料(马岩，2005; 2002)。目前欧洲很
多国家仍然坚持使用木材作为铁轨枕木，火车运行
平稳而且能够减小噪音(Blach et al．，2004)。减震
过程中要求木材有一定强度和抗压性能，现在国内
外多采用人造橡胶和塑料泡沫代替木材进行缓震和
减震，同时也有利用金属橡胶代替天然橡胶的研究
(Maekawa et al．，1993)。马岩(2001)借用金属橡胶
制备的理念，用木材材料构思近似橡胶材料。木材
主要由纤维素、半纤维素、木质素基本分子链结构单
元组成，具有较高的刚性和柔性，具备橡胶材料的特
征(马岩，2003)。本研究以微米木纤维为基材，利
用冷硫化和复合材组构理论，采用热压模具定型加
工出具有高弹性的 JN 型微米木纤维减震器。
1 JN 型微米木纤维减震器选材与加工
近年来，人们逐渐意识到塑料对自然环境的危
害，加上天然橡胶的数量越来越少，因此，各种代替
塑料和橡胶材料的生产技术得到快速发展。在塑料
和橡胶诞生之前，木材就被广泛应用在阻尼震荡场
合(王晓伟等，2010)。本文提出的 JN 型微米木纤
维减震器采用的微米木纤维的厚度是微米级的，其
工艺过程如下: 以密度为 0. 439 g·cm － 3、含水率为
12%～ 15% 的小兴安岭红松 ( Pinus koraiensis) 作为
试验材料，选用东北林业大学林业与木工机械工程
中心的微米长细丝切削机为加工试验设备(任长清
等，2005)，切削出的微米长细丝厚度均在 90 μm 以
下，平均厚度可达到 52 μm，此时微米长细丝已达到
木纤维的形态，非常柔软(Yoshioka et al．，2003)，见
图 1 和图 2。此过程消除了木材细胞壁本身具有的
碟簧效应，去除木材细胞腔内物质，采用模具进行重
压缩，木纤维进一步被压缩时不会产生弹性恢复，而
且因木纤维间存在分子力，可相互吸附得更加紧密，
形成高压缩比和回弹特性的木橡胶 (杨冬霞等，
2012)。这种微米木纤维压制成的木橡胶承重性和
减震性优于原来木材料( Jge et al．，2011)。
图 1 加工后微米长细丝形态
Fig． 1 The forms of micron-sized long filaments after processing
图 2 粉碎后的微米木纤维形态
Fig． 2 The micron-sized wood fiber form after smashing
JN 型微米木纤维减震器研制的难点是模具的
加工(图 3)。为提高 JN 型微米木纤维减震器模具
311
林 业 科 学 51 卷
的合模精度，使其在数控机床上只由一次定位装夹
完成，在数控机床中存入 JN 型微米木纤维减震器的
各个型号和尺寸的程序，以相同的加工过程和加工
工艺制造出 JN 型微米木纤维减震器各型号、尺寸对
应的模具，实现同类 JN 型木橡胶减震器模具在数控
机床或数控加工中心上的加工(韩森和等，2008)。
采用 JN 型微米木纤维减震器模具的数控加工技术，
在同一机床上能够加工出不同尺寸、高精度的 JN 型
微米木纤维减震器产品的上下模具 (马岩等，
2013)。通过这种现代数控加工技术，开发出 JN 型
微米木纤维减震器的模具，实现 JN 型微米木纤维减
震器的大规模工业化生产。
图 3 JN 型微米木纤维减震器三维造型
Fig． 3 The three-dimensional modeling of JN-type
micron-sized wood fiber shock absorber
2 数学分析基本假设
在立体几何中，任何形状的几何体都是由点、
线、面 3 要素构成的。根据点、线、面的位置关系建
立空间坐标系，对于规则的形体可以通过空间解析
几何点、线、面的位置关系表达式进行数学描述，对
于不规则的形体可以通过微元化进行描述 (王文
波，2006)。JN 型微米木纤维减震器造型数学模型
建立在假设基础上，并利用适当的数学工具来刻划
各空间变量间的数学关系，建立相应的数学结构模
型(许海深，2005)。
1) 假设 JN 型微米木纤维减震器为理想形状
(图 4)，把此理想形状的上部近似地看作标准梯形
台，中间的圆孔为标准的圆柱，梯形台的数学模型由
包络面约束建立立体模型，中间圆柱形则可以借鉴
圆柱面数学模型方程进行建模。利用几何图形的相
关性，再利用 3D 绘出立体造型模型，然后可以根据
减震器的形状要求进行修正。
2) 假设 JN 型微米木纤维减震器的底座是矩形
与半圆弧的组合，中间有斜圆台形孔，此孔与上部梯
形台圆孔连接构成中间的通孔结构。这个模型的数
图 4 梯形台与标准圆柱孔的坐标系与三维造型
Fig． 4 The coordinate system and three-dimensional modeling of
trapezoidal platform and standard cylindrical hole
学建模很复杂，采用与假设相似的方法进行数学
建模。
3) 假设 JN 型微米木纤维减震器数控加工机床
坐标系、加工坐标系与 JN 型微米木纤维减震器数学
模型的坐标系、坐标轴相互平行方向一致，以简化数
学建模和加工参数的设定工作。
4) 根据 JN 型微米木纤维减震器的实际位置以
及刀具加工机构，设定主要加工方向，选取 JN 型微
米木纤维减震器下部底座中心为坐标原点(图 5)，
再利用三维建模软件给出立体造型模型。
图 5 底座的坐标系与三维造型
Fig． 5 The coordinate system and three-dimensional
modeling of the base
3 数学模型
一个 JN 型微米木纤维减震器由上部的梯形台
和下部的底座 2 部分组成，2 部分的造型差异很大。
减震器的上部分由规则的梯形台和标准的中心孔构
成，中心孔用标准的圆柱公式表达，而梯形台由外表
面包络法建立数学模型。底座由矩形和圆弧组成的
座和斜圆柱台孔构成，分别用包络法建立数学模型
(Yan et al．，2007)。JN 型微米木纤维减震器造型的
几个主要参数如下: 中心圆柱孔半径为 r，高度为
H － H; 梯形台上正方形边长一半为 a，下正方形边
长一半为 A，高为 H － h; 底座矩形台长的一半为 B，
411
第 1 期 马 岩等: JN 型微米木纤维减震器
宽的一半为 C，圆弧半径为 r，圆弧圆心到坐标原点
距离为 b，矩形台高 h; 斜圆柱台上表面圆的半径为
r，下表面圆的半径为 Ｒ，高为 H。由于其结构高度
对称，只需研究其 1 /4 外形，具体结构如图 6 所示。
图 6 JN 型微米木纤维减震器的坐标系与三维造型
Fig． 6 The coordinate system and three-dimensional modeling of JN-type micron-sized wood fiber shock absorber
3. 1 JN 型微米木纤维减震器梯形台数学模型
把 JN 型微米木纤维减震器的上部看作是规则
的梯形台与圆柱孔的组合，根据加工方向，设 JN 型
微米木纤维减震器的长度方向为 y 向，宽度方向为
x 向，高度方向为 z 向。由于整个模型的对称性，只
对第一象限的造型进行建模。
JN 型微米木纤维减震器梯形台的数学模型
如下:
z ≤ H － ha － A
y + ha － HA
a － A
，A ≥ y ≥ 0，H ≥ z ≥ h;
z ≤ H － ha － A
x + ha － HA
a － A
，A ≥ x ≥ 0，H ≥ z ≥ h。
式中: H 为 JN 型微米木纤维减震器整体高度;h 为
矩形台高; a 为梯形台上正方形边长; A 为下正方
形边长;x 为 JN 型微米木纤维减震器的宽度方向变
量;y 为 JN 型微米木纤维减震器的长度方向变量;z
为 JN 型微米木纤维减震器的高度方向变量。
JN 型微米木纤维减震器梯形台内部圆柱孔的
数学模型如下:
x2 + y2 － r2 ≥ 0，x ≥ 0，y ≥ 0，H ≥ z ≥ H。
式中: H 为 JN 型微米木纤维减震器整体高度;H为
斜圆柱孔的高度;r 为上圆柱孔的半径;x 为 JN 型微
米木纤维减震器的宽度方向变量;y 为 JN 型微米木
纤维减震器的长度方向变量;z 为 JN 型微米木纤维
减震器的高度方向变量。
上述 2 个模型表达式构成理想 JN 型微米木纤
维减震器上部包络空间，确定了 H，h，a，A，H，r 和
定位尺寸之间的关系，由曲面和平面组成的 7 个面，
包络形成 JN 型微米木纤维减震器上部分的数学
模型。
3. 2 JN 型微米木纤维减震器底座的数学模型
把 JN 型微米木纤维减震器的底座看作是矩形
台、半圆弧和倾斜的圆柱孔构成，根据加工方向，建
立与 3. 1 节所述相同的坐标系。
JN 型微米木纤维减震器底座矩形台的数学模
型如下:
0 ≤ x ≤ C;
0 ≤ y ≤ B;
0 ≤ z ≤ h
{ 。
式中: B 为底座矩形台长的一半; C 为宽的一半;h
为矩形台高。
JN 型微米木纤维减震器底座圆弧的数学模型
如下:
x2 + ( )y － b 2 ≥ r2
0 ≤ z ≤ h;
0 ≤ x ≤ C;
0 ≤ y ≤ B
{
。
JN 型微米木纤维减震器底座小矩形面的数学
模型如下:
C ≥ x ≥ 0，b ≥ y ≥ 0，h ≥ x ≥ 0。
式中: B 为底座矩形台长的一半; b 为圆弧圆心到
坐标原点距离;h 为矩形台高。
JN 型微米木纤维减震器底座斜圆柱孔的数学
模型如下:
x2 + y2 ≥ z( )r － Ｒ － H[ ]－ HＲ
2
;
x ≥ 0，y ≥ 0，H ≥ z ≥ 0。
511
林 业 科 学 51 卷
式中: r 为斜圆柱孔最上面圆的半径; Ｒ 为斜圆柱
孔最下面圆的半径;H为斜圆柱孔的高度。
综上所述，公式构成理想 JN 型微米木纤维减震
器底座的包络空间，确定了 B，C，h，b，r，Ｒ，H和定位
尺寸之间的关系，由曲面和平面组成的 9 个面，包络
形成 JN 型木橡胶减震器底座的数学模型。因此可
得到需要的 JN 型微米木纤维减震器数学模型。
4 JN 型微米木纤维减震器模具模型
JN 型微米木纤维减震模具由上下 2 个模具组
成，上下模具有截然不同的 2 个造型 (马岩等，
2008)，上模具由一个规则的梯形台凹模和一个标
准的中心圆柱凸模构成，下模具包含一个矩形与半
圆弧组成的凹模和一个斜圆柱台形的凸模 ( Gao，
2008)，如图 7 所示。根据 JN 型微米木纤维减震器
的外形得到模具的造型结构(田光辉等，2009)。JN
型微米木纤维减震器模具造型过程中主要有以下几
个参数控制: 中心圆柱孔直径为 r，高度为 H － H;
梯形台上正方形边长为 a，下正方形边长为 A，高为
H; 底座矩形台长的一半为 B，宽的一半为 C，圆弧
半径为 r，圆弧圆心到坐标原点距离为 b，矩形台高
h; 圆柱台上表面圆的半径为 r，下表面圆的半径为
Ｒ，高为 H。
图 7 JN 型微米木纤维模具上下模三维造型
Fig． 7 The three-dimensional modeling of the upper and lower
mold of JN-type micron-sized wood fiber mold
5 形状仿真及参数采集
5. 1 JN 型微米木纤维减震器形状仿真
利用 Matlab 软件对 JN 型微米木纤维减震器进
行仿真，生成 JN 型微米木纤维减震器的用户界面如
图 8 所示。将数学方程输入计算机，得到所示的图
像，仿真结果验证数学建模方程的通用性和准确性，
为 JN 型微米木纤维减震器模具的数控加工提供有
力的依据(杨明等，2004)。本项研究建立的通用仿
真模型，输入 JN 型微米木纤维减震器的尺寸参数
后，获得所需的仿真模型。可见，JN 型微米木纤维
减震器形状的仿真非常容易实现，所得到的仿真图
形符合减震器实用的要求，验证了所建立 JN 型微米
木纤维减震器数学模型具有通用性和精确性，为微
米木纤维减震器发展提供重要的理论依据。
图 8 JN 型微米木纤维减震器仿真系统用户界面
Fig． 8 The simulation system user interface figure of JN-type
micron-sized wood fiber shock absorber
5. 2 JN 型微米木纤维减震器参数采集
目前适用于各类机械设备的 JN 型橡胶减震器
是按照 JN-100，JN-130，JN-180 共 3 种型号供应的，
橡胶减震器使用者只能按 3 个不同的型号购买橡胶
减震器(Salmen et al．，2009)。本研究设计的仿真系
统可以增加消费者选择范围，只要能给出 JN 型微米
木纤维减震器的型号尺寸，本研究的系统就可以对
其外形进行仿真，并可经过加工得到一系列的减震
器，用户可以根据需要选择产品，在很大程度上降低
了选择的盲目性，既能保证 JN 型微米木纤维减震器
的工作要求，又可以减少资源的浪费。与此同时，木
橡胶将会被更多的人认可，离可再生资源替代化石
资源又进一步，达到了可持续发展的目的。因此，针
对不同消费者的选购特点，进行 JN 型微米木纤维减
震器参数的实测采集，依此制作 JN 型微米木纤维减
震器是有意义的。
计算机自动生成的表格计算出 JN 型微米木
纤维减震器的形状参数，计算机中那些数据的采
集是从试验数据得出的( Sun et al．，2004 )。通过
这些计算机辅助系统给出 JN 型微米木纤维减震
器外形的最大尺寸、最小尺寸、外形中心到上表面
尺寸、外形中心到底座下表面等尺寸，有了这些参
数就可以通过计算机仿真技术把它模拟出来，依
此制造作出满足消费者需求的 JN 型微米木纤维
减震器。
611
第 1 期 马 岩等: JN 型微米木纤维减震器
5. 3 JN 型微米木纤维减震器的试验研究
试验用油泥制作模具，经由备料—筛选—拌
胶—模压—加热保压—卸模—校验—成品过程制
作出简易的 JN 微米木纤维减震器成品(图 9)。试
验结果进一步证明了本研究理论的可行性。
图 9 微米木纤维减震器成品
Fig． 9 Micron-sized wood fiber shock absorber finished product
微米木纤维原材料的细胞壁是弹性的，外力
挤压下除去了木材细胞内部的空腔，木材细胞的
结构被破坏，消除了空腔内胶液和节子等对微米
木纤 维 减 震 器 强 度 的 影 响 ( Bergander et al．，
2000)。木纤维之间具有相互吸引力，经过模压过
程后，形成高压缩比、高弹性的近似于橡胶性能的
微米木纤维基材，为微米木纤维减震器的制造和
成型提供了有利条件。
试验结果表明，样品的密度在 0. 91 ～ 1. 36 g·
cm － 3之间，质量在 1. 4 ～ 2. 0 kg 之间，小于 1 kg 的
微米木纤维减震器密度太低，大于 2 kg 的微米木
纤维减震器密度达不到要求的柔软度，按规定工
艺的参数制备试验样品，易达到密度分布要求。
微米木纤维压制的减震器符合安全性的要求，并
且具有抗水性，在水中浸泡 24 h 不会变形。
同一个模具制备的 JN 型微米木纤维减震器，
在靠背尺寸上存在误差，主要是由于不同的模压
密度，导致卸模时不同的回弹体积，密度随体积变
大而减小，同时还与纤维形态、温度、保温时间等
因素有关，保压时间的加长会减小尺寸上的误差。
6 结论
1) 本文阐述了微米木纤维的加工方法及应用
前景，木材由于细胞的结构本身具有抗震性和缓
震性，由木材变为纤维再变为被压缩成体的减速
器后，其具有更高的压缩比、更高的弹性和更广泛
的使用范围。
2) JN 型微米木纤维减震器模具的生产由传
统加工改为数控机床或者数控加工中心加工，这
种加工方式提高了生产效率和加工精度，同时提
高了 JN 型微米木纤维减震器的精度，简化了模具
仿真数据处理，使 JN 型微米木纤维减震器模具投
入到规模化工业生产中成为可能。
3) 本文为 JN 型微米木纤维减震器的数控加
工提供了数学模型和仿真方法，用包络法和规则
几何体建模法对 JN 型微米木纤维减震器建立了
数学模型。通过对仿真效果的分析，可以确定数
学模型具有一定的通用性和准确性，适用于不同
尺寸型号 JN 型微米木纤维减震器的数学建模和
仿真。
4) JN 型微米木纤维减震器的研究，是木制品
行业木橡胶减震器数学描述加工过程的开始，通
过本项目研究，可以推进木橡胶减震器在减震器
行业研究的发展，为 JN 型微米木纤维减震器数控
加工机床及数控系统的研制与开发提供理论
依据。
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(责任编辑 石红青)
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