LQ－18型鋸鏈切削性能試驗(yàn)臺研制

甘英俊，許林云，林 石

(南京林業(yè)大學(xué)，南京 210037)

鋸鏈切削性能的優(yōu)劣對鏈鋸整機(jī)的生產(chǎn)率及單位生產(chǎn)成本影響極大。鋸鏈切削性能試驗(yàn)臺可用來檢驗(yàn)鋸鏈的鋒利性、進(jìn)鋸的輕便性、鋸鏈運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性和鋸切效率的高低，也可用于檢驗(yàn)鋸鏈、導(dǎo)板和驅(qū)動(dòng)鏈輪的高速適應(yīng)能力［1］。我國上世紀(jì)90年代初期研制出LQ11型鋸鏈切削性能試驗(yàn)臺，在近二十年內(nèi)一直保持先進(jìn)水平，未見其它鋸鏈切削性能試驗(yàn)臺的相關(guān)報(bào)道。LQ－18型鋸鏈切削性能試驗(yàn)臺在總結(jié)現(xiàn)有LQ－11型鋸鏈切削試驗(yàn)臺的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，增大了鏈輪轉(zhuǎn)速測試范圍，增加了鋸鏈進(jìn)給速度的無級調(diào)節(jié)，改善了三向測力傳感，采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，具有測定精度高，重復(fù)性好等特點(diǎn)，使整機(jī)的多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平［2］。

1 鋸鏈切削試驗(yàn)臺的主要測試參數(shù)

鋸鏈的切削性能主要包括鋒利性及進(jìn)鋸阻力的大小兩個(gè)方面［3］。鋸鏈切削試驗(yàn)臺必須圍繞這兩個(gè)因素進(jìn)行功能設(shè)計(jì)。

根據(jù)鏈鋸切削原理，反映在鋒利性及進(jìn)鋸阻力的最本質(zhì)的參數(shù)分別是單位鋸切功Ks及力比q，它們的定義為:

式中:Pc為凈切削功率，W;S為鋸切生產(chǎn)率，即單位切削面積與鋸切時(shí)間的比值，cm2/s;Fx為切向切削力;Fy為法向切削力。

由力學(xué)知識可知，由切削速度v(即鋸鏈的線速度)與切向切削力可求得凈切削功:

式中:P0為驅(qū)動(dòng)鏈輪的軸功率，其大小為軸扭矩與角速度之積。

一般為方便計(jì)算單位切削面積，被切材常采用方形木塊，單位切削面積即轉(zhuǎn)為切削進(jìn)給速度與被切材的高度 (即鋸口長度)之積，具體測試時(shí)，將鋸鏈的節(jié)距、驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)和被切材的高度等事先輸入計(jì)算機(jī)，作為已知參數(shù)。通過以上分析，鋸鏈切削試驗(yàn)臺應(yīng)具備測量出切向切削力、法向切削力、驅(qū)動(dòng)鏈輪軸扭矩、驅(qū)動(dòng)鏈輪軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度這5個(gè)主要參數(shù)的主要功能［4］。

2 LQ－18型鋸鏈切削性能試驗(yàn)臺工作原理

LQ－18型鋸鏈切削性能試驗(yàn)臺采用測量驅(qū)動(dòng)鏈輪軸轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的測量方案、使用平行八角環(huán)三向測力傳感器測量切削阻力，與LQ－11相比，擴(kuò)大了轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的測量范圍，提高了三向測力傳感器傳感器的測試精度［5，6］。

2.1 驅(qū)動(dòng)鏈輪軸轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的測量及切削力的測量

轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器安裝在驅(qū)動(dòng)鏈輪軸與驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間，可同時(shí)測量鏈輪軸轉(zhuǎn)矩及鏈輪軸的轉(zhuǎn)速。本試驗(yàn)臺采用NJG030型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，許用轉(zhuǎn)速高達(dá)30 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩可達(dá)30 Nm。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器在選型時(shí)應(yīng)注意具體使用中的負(fù)載對象，應(yīng)將其安裝在最后一級的輸出軸與負(fù)載之間，并按輸出軸的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩進(jìn)行選型。切削力測量傳感器采用整體式測力方式直接安裝在試材與承座之間，傳感器可承受全部切削力，通過加載標(biāo)定出切削力與輸出信號之間的關(guān)系常數(shù)。試驗(yàn)臺采用自制的交叉八角環(huán)形應(yīng)變式三向切削力整體式傳感器，傳感器本體由整塊鍛造鋼經(jīng)線切割加工成形，加工精度高，應(yīng)變片貼片細(xì)致，靈敏度高，測試范圍寬。

2.2 鋸鏈驅(qū)動(dòng)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

LQ－11型鋸鏈切削試驗(yàn)臺的輸出軸轉(zhuǎn)數(shù)范圍為3 200～9 000 r/min，對于一些高轉(zhuǎn)速鏈鋸來說是不夠的，特別是高速切削已成為當(dāng)現(xiàn)代鋸鏈的一種發(fā)展趨勢。作為試驗(yàn)臺，應(yīng)能適用于不同的鋸鏈產(chǎn)品，能模擬鋸鏈在不同切削速度下的實(shí)際工作狀態(tài)，LQ－18型鋸鏈切削性能試驗(yàn)臺采用增速齒輪傳動(dòng)和變頻調(diào)速相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)鏈輪高轉(zhuǎn)速、寬

切削速度v可由鋸鏈驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速、驅(qū)動(dòng)輪的齒數(shù)及鋸鏈的節(jié)距求得。

此外還應(yīng)計(jì)算鋸鏈的傳動(dòng)效率η，定義如下:范圍的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速范圍為0～15 000 r/min。試驗(yàn)臺主電機(jī)選用18.5 kW變頻電機(jī)，配合相應(yīng)變頻器，使用的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速在0～4100 r/min范圍內(nèi)可調(diào)。增速齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)固定傳動(dòng)比為1∶4，使輸出最大轉(zhuǎn)速滿足設(shè)計(jì)要求［6］。

2.3 進(jìn)給裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

LQ－18型鋸鏈切削性能試驗(yàn)臺采用導(dǎo)板固定木材水平進(jìn)給的方式，導(dǎo)板固定于垂直方向。要求木材夾持裝置和導(dǎo)軌有足夠精度和剛度。設(shè)計(jì)中選用普通車床的床身作基礎(chǔ)，床鞍作為木材夾持裝置的支承架，床身上的大導(dǎo)軌面作為木材夾持裝置的導(dǎo)軌。鋸鏈切削性能試驗(yàn)臺進(jìn)給運(yùn)動(dòng)速度可調(diào)范圍大，且只有一個(gè)沿導(dǎo)軌方向的縱向運(yùn)動(dòng)，將電動(dòng)機(jī)直接安裝在溜板箱上，相當(dāng)于車床的快進(jìn)快退電動(dòng)機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的無級調(diào)速，選用了變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，其頻率變化范圍為5～65 Hz，高低速之比為13倍滿足試驗(yàn)臺木材水平進(jìn)給速度的變化范圍為2.5～25 cm/s，高低速之比為10倍的要求［7］。

3 整機(jī)工作原理

LQ－18型鋸鏈切削試驗(yàn)臺的基本構(gòu)造如圖1所示。動(dòng)力由變頻電機(jī)1經(jīng)皮帶傳動(dòng)2送至增速齒輪箱3，增速后轉(zhuǎn)速達(dá)100～15 000 r/min，增速齒輪箱設(shè)有獨(dú)立的潤滑系統(tǒng)，以保證高速情況下齒輪的正常工作。增速齒輪箱的輸出通過齒輪花鍵聯(lián)軸器4與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器5相連。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的輸出軸也由齒輪花鍵聯(lián)軸器傳遞給鏈輪軸。導(dǎo)板支撐座6按具體不同規(guī)格的鋸鏈、導(dǎo)板及轉(zhuǎn)動(dòng)鏈輪而設(shè)計(jì)，兼顧了各種形式的鋸鏈、導(dǎo)板的測試要求。導(dǎo)板支撐座上設(shè)計(jì)有自重流油潤滑裝置，對鋸鏈進(jìn)行潤滑。導(dǎo)板7具有張緊裝置，可以將鋸鏈調(diào)節(jié)到所需的預(yù)緊狀態(tài)。規(guī)格化試材8緊固在八角環(huán)三向測力傳感器9的上臺板上。測力傳感器的切削力信號由線路傳導(dǎo)至動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀。八角環(huán)三向測力傳感器固定安裝在車床10的床鞍11上，由變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)床鞍進(jìn)給實(shí)現(xiàn)木材的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)［8］。床身10尾端裝有定滑輪及支架，可用砝碼及繩索加載標(biāo)定八角環(huán)三向測力傳感器。

轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器安裝在驅(qū)動(dòng)鏈輪軸與驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間，可同時(shí)測量鏈輪軸轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速。本試驗(yàn)臺采用NJG030型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，許用轉(zhuǎn)速高達(dá)30 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩可達(dá)30 Nm。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器安裝在最后一級的輸出軸與負(fù)載之間，最大限度地減少了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的影響。

圖1 LQ－18型鋸鏈切削性能試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of LQ－18 type saw－chain cutting performance test－bed

平行八角環(huán)三向測力傳感器由整塊鍛造鋼經(jīng)線切割加工成形，加工精度高，應(yīng)變片貼片可靠，互干擾度小，靈敏度高，測試范圍寬［9－11］。此測力傳感器屬整體測力方式，測試誤差項(xiàng)少，本身就是一種精度較高的測力傳感器。傳感器直接安裝在試材與承力座之間，可直接承受全部切削力，避免了中間環(huán)節(jié)的影響。測試時(shí)，通過實(shí)際工況下的加載標(biāo)定確定切削力與輸出信號之間的關(guān)系常數(shù)，消除了間接標(biāo)定的誤差。

LQ－18型鋸鏈切削性能試驗(yàn)臺采用導(dǎo)板固定木材水平進(jìn)給的方式，導(dǎo)板固定于垂直方向。要求木材夾持裝置和導(dǎo)軌有足夠精度和剛度。設(shè)計(jì)中選用普通車床的床身作基礎(chǔ)，床鞍作為木材夾持裝置的支承架，床身上的大導(dǎo)軌面作為木材夾持裝置的導(dǎo)軌。LQ－18型鋸鏈切削性能試驗(yàn)臺進(jìn)給運(yùn)動(dòng)速度可調(diào)范圍大，且只有一個(gè)沿導(dǎo)軌方向的縱向運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)直接安裝在溜板箱上，相當(dāng)于車床的快進(jìn)快退電動(dòng)機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的無級調(diào)速，選用了變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，其頻率變化范圍為5～65 Hz，高低速之比為13倍，滿足試驗(yàn)臺木材水平進(jìn)給速度的變化范圍為2.5～25 cm/s，高低速之比為10倍的要求。

4 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LQ－18型鋸鏈切削性能試驗(yàn)臺的測試系統(tǒng)大量應(yīng)用了虛擬儀器技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)化、智能化的引入提高了系統(tǒng)的先進(jìn)性。信號處理的核心是一臺工業(yè)計(jì)算機(jī)，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號連接在計(jì)算機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號處理卡上，八角環(huán)三向測力傳感器的應(yīng)變信號經(jīng)橋盒接成所需的橋路后，由USB接口的WS3811數(shù)字應(yīng)變儀處理，并將結(jié)果通過USB口與計(jì)算機(jī)相連。進(jìn)給速度信號采用光電脈沖傳感器，實(shí)現(xiàn)了長位移高精度的測量，光電脈沖傳感器的抗干擾能力突出，輸出信號為數(shù)字脈沖，筆者采用通過計(jì)算機(jī)的并行接口中的EPP模式，從輸入口讀得該TTL電平信號，節(jié)省了F/V變換及A/D板。實(shí)踐證明該方法簡單實(shí)用，也避免了信號轉(zhuǎn)換可能帶來的二次誤差。如圖2所示。

圖2 LQ－18型鋸鏈切削性能試驗(yàn)臺測試原理圖Fig.2 Test schematic of LQ－18 type saw－chain cutting performance test－bed

處理軟件由Visual Basic 6.0及LabView STUDIO 6.1發(fā)套件開發(fā)，軟件主要有標(biāo)定模塊、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定模塊、實(shí)時(shí)測試模塊、計(jì)算分析模塊、打印等輔助管理模塊組成。標(biāo)定模塊用于扭矩轉(zhuǎn)速傳感器的零點(diǎn)標(biāo)定及八角環(huán)三向測力傳感器的零點(diǎn)標(biāo)定及加載線性標(biāo)定。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定模塊設(shè)定所測試鋸鏈的型號、參數(shù)等信息。實(shí)時(shí)測試模塊用于同時(shí)記錄扭矩、轉(zhuǎn)速、切向力、法向力、側(cè)向力及進(jìn)給速度，并以曲線的形式顯示。計(jì)算分析模塊用于將記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，主要計(jì)算單位鋸切功、力比、鋸切效率及其它相關(guān)數(shù)據(jù)。

5 鋸鏈鋸切性能的測試實(shí)例

用于試驗(yàn)的鋸鏈為德國STIHL JL9d、美國OREGON JL9d、國產(chǎn)某JL9d型鋸鏈。3種鋸鏈的節(jié)距相同9.32 mm，驅(qū)動(dòng)鏈輪齒數(shù)z=6，試驗(yàn)用木材為楊木方材，鋸口長19.5 cm，含水率25%，使用同一根試驗(yàn)用木材，每條鋸鏈分別切削3次，測量、計(jì)算得平均測試結(jié)果，見表1。

表1 不同品牌JL9d鋸鏈對比測試結(jié)果Tab.1 Test results on comparison of JL9d saw-chain in different brands

從表1中可以看出，在基本相同的切削速度、主軸轉(zhuǎn)速下切削相同的試樣，STIHL與OREGON鋸鏈的鋸鏈傳動(dòng)效率都遠(yuǎn)高于國產(chǎn)鋸鏈，STIHL具有最高的單位鋸切生產(chǎn)率，國產(chǎn)鋸鏈最低。OREGON的Y側(cè)向力最大，使用時(shí)需較大的把持力以防跑偏。

6 結(jié)束語

LQ－18型鋸鏈切削性能試驗(yàn)臺在LQ－11型鋸鏈切削試驗(yàn)臺的基礎(chǔ)上改進(jìn)了驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其傳動(dòng)系統(tǒng)，采用無級變頻調(diào)速，增大了轉(zhuǎn)速范圍。試驗(yàn)臺優(yōu)化設(shè)計(jì)了進(jìn)給機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了無級調(diào)速的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。測試系統(tǒng)引入計(jì)算機(jī)技術(shù)及虛擬儀器技術(shù)，具有直接測量、顯示、計(jì)算測試數(shù)據(jù)，生成測試報(bào)告，提高了測量精度及測試效率。它的研制成功將為提高我國的鋸鏈制造水平發(fā)揮作用。

［1］尹遠(yuǎn)新，薛風(fēng)波，孟祥彬.影響動(dòng)力鏈鋸鋸木功率與鋸木生產(chǎn)率的主要因素［J］.林業(yè)科技，2004，29(2):62..

［2］林 石.LQ－11型鋸鏈切削試驗(yàn)臺研制 ［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，20(4):26－30.

［3］封曉強(qiáng)，林 石，李 萍.便攜式鏈鋸鋸切生產(chǎn)率試驗(yàn)臺的研制［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2000，28(11):15－17.

［4］林 石.鋸鏈的切削性能及其測定方法［J］.林業(yè)科技開發(fā)，1997，11(6):42－43.

［5］許林云，林 石，封曉強(qiáng).用新型試驗(yàn)方法測定鋸鏈的鋸切效率［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，27(11):141－145.

［6］許林云，劉 軍，李趙春.八角環(huán)式三向測力傳感器的研究［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，32(4):121－124.

［7］高燕秋.用非常規(guī)法設(shè)計(jì)鋸鏈切削試驗(yàn)臺增速傳動(dòng)裝置［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2001，29(9):13－15.

［8］張志惠，許林云，續(xù)開東.LQ－18型鋸鏈切削性能試驗(yàn)臺進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2006，34(4):31－32.

［9］許林云，劉 軍，周克寧，等.自制測力儀用于木材三向切削力的測定 ［J］.森林工程，2009，25(7):49－52.

［10］許林云，劉 軍，李趙春.八角環(huán)式三向測力傳感器的研究［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2008，32(7):121－124.

［11］潘一凡.鋸鏈傳動(dòng)片疲勞試驗(yàn)失效分析 ［J］.森林工程，2009，25(2):45－49.