移動(dòng)式枝椏材鋸末機(jī)切削原理及力學(xué)分析

姜新波，李晉哲

（東北林業(yè)大學(xué) 林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱150040）

我國(guó)木材資源豐富，據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2013年我國(guó)現(xiàn)有用材林7 000萬(wàn)hm2、經(jīng)濟(jì)林2 000萬(wàn)hm2、竹林720萬(wàn)hm2。森林年均采伐量3.34億m3。其中天然林年均采伐量1.79億m3，人工林年均采伐量1.55億m3［1］。然而在林間采伐以及城市綠化修剪過(guò)程中產(chǎn)生的大量樹枝、樹葉和小枝椏等木材剩余物卻不能有效回收和利用，導(dǎo)致了大量資源的浪費(fèi)［2-9］。木材粉碎機(jī)是包括鋸末粉碎機(jī)、削片機(jī)、木屑機(jī)等在內(nèi)的可以用來(lái)將木材粉碎成薄片、木屑等小型碎片的木材加工機(jī)械，是木材加工生產(chǎn)過(guò)程中重要的備料設(shè)備之一［10］。本文所述的移動(dòng)式枝椏材鋸末機(jī)是一種將木材切削成木材碎屑的機(jī)器，與木材鋸末粉碎機(jī)類似，也是粉碎機(jī)中的一種。

1 移動(dòng)式枝椏材鋸末機(jī)的組成結(jié)構(gòu)

本研究的移動(dòng)式枝椏材鋸末機(jī)安裝在拖拉機(jī)等林間行走式設(shè)備上，依靠拖拉機(jī)提供動(dòng)力，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1。其采用直刃鋸片切碎方式，鋸片數(shù)量為40片，均布放置在主軸上，每個(gè)鋸片之間旋轉(zhuǎn)2°～3°。進(jìn)料方式為自由進(jìn)料，通過(guò)進(jìn)料槽的傾斜布置，方便物料依靠自身重力向下進(jìn)給。通過(guò)手動(dòng)操作使壓緊機(jī)構(gòu)的壓頭將物料壓緊，使得物料能夠緊貼鋸片，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的粉碎。在林間作業(yè)過(guò)程中，為方便木材碎屑的收集與裝車，出料方式選擇下出料方式。采用這種方式出料，可以將木材碎屑直接排放到碎屑收集袋中，收集過(guò)程方便、快捷，而且收集效率高。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the machine

圖2 移動(dòng)式枝椏材鋸末機(jī)試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 The experimental results of the machine

2 切削原理分析

本研究的移動(dòng)式枝椏材鋸末機(jī)的切削過(guò)程由鋸切和剪切過(guò)程組成。其中，鋸切過(guò)程是通過(guò)手動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)將物料壓在鋸片上，鋸片在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中刀刃對(duì)物料表面產(chǎn)生鋸切力，將物料切下。剪切過(guò)程是鋸片組中相鄰鋸片之間對(duì)鋸切后的物料鋸屑進(jìn)行二次剪切和粉碎的過(guò)程。在切削過(guò)程中，鋸片的切削面不斷變化，因此導(dǎo)致遇角在一定范圍內(nèi)隨木材厚度而變化。在切削過(guò)程中，鋸片在接觸弧上任一點(diǎn)m 的遇角θ為［11］：

式中：B為鋸軸軸線到進(jìn)料槽底面的垂直距離，mm；Hm為接觸弧上任意一點(diǎn)m到進(jìn)料槽底面的垂直距離，mm；R為鋸片的切削圓半徑，mm。

對(duì)式（1）中Hm求導(dǎo)可知，隨著Hm的減小，遇角θ的增加越快，角度值越大。遇角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致進(jìn)料時(shí)切削力與木材纖維夾角接近90°，使切削力減小，出現(xiàn)切不動(dòng)木材的情況，同時(shí)影響之后的剪切作用。如圖2所示，經(jīng)實(shí)驗(yàn)得知，將鋸片與進(jìn)料槽底部之間的間隙調(diào)整為0.5～1mm，可以得到寬度為0.5～1mm的松木木屑。木材的切削原理如圖3所示。

圖3 切削原理示意Fig.3 Schematic diagram of cutting principle

3 切削力分析

單位切削力即為鋸片刀刃單位長(zhǎng)度上的切削力，是木材切削的最基本參數(shù)［12］。移動(dòng)式枝椏材鋸末機(jī)切削部分主要由進(jìn)料槽、鋸片和壓緊塊組成，在切削過(guò)程中，鋸片高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)壓緊塊壓緊物料，通過(guò)進(jìn)料槽進(jìn)料使物料與鋸片充分接觸，以保證切削質(zhì)量。切削粉碎機(jī)構(gòu)是該移動(dòng)式枝椏材鋸末機(jī)核心構(gòu)件，其工作性能直接決定物料的加工質(zhì)量，因此需對(duì)切削粉碎機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的切削力進(jìn)行分析校核。

鋸片上任意一點(diǎn)m對(duì)木材的總進(jìn)給力Fu可分解為鋸切力Fx和垂直分力Fy，鋸片縱向進(jìn)給時(shí)，總進(jìn)給力Fu分解為阻力Fu1、Fu2［13］：

式中：Fu1為總進(jìn)給力切向分力；Fu2為總進(jìn)給力法向分力；

其中Fu1為Fx和Fy在進(jìn)給方向上的分力，即

Fu2為Fx和Fy在垂直于進(jìn)給力方向上木材與工作臺(tái)之間產(chǎn)生的摩擦阻力，即

則總給力Fu：

鋸片上任一點(diǎn)m受力分析如圖4所示。

圖4 鋸片上任一點(diǎn)m受力分析Fig.4 A point mof the blade on the force analysis chart

移動(dòng)式枝椏材鋸末機(jī)利用傾斜進(jìn)料的方式，使物料依靠自身重力產(chǎn)生進(jìn)給時(shí)的動(dòng)力，同時(shí)鋸片旋轉(zhuǎn)方向與物料進(jìn)給方向相同，提高了生產(chǎn)量。本研究的移動(dòng)式枝椏材鋸末機(jī)的主切削機(jī)構(gòu)布置于進(jìn)料口前方，當(dāng)物料由進(jìn)料口進(jìn)入時(shí)，物料受到壓緊機(jī)構(gòu)與鋸片的作用而被切削。在整個(gè)切削過(guò)程中，鋸片作用在物料上的切削力的方向與物料進(jìn)給方向的遇角θ保持不變，不會(huì)隨物料徑級(jí)大小的不同而改變。

木材的切削過(guò)程較為復(fù)雜，切削功率的大小受木材特性、刀具特性和切削用量等條件的限制。木材特性包括木材纖維、木材徑向折斷、木材種類、木材含水率等；刀具特性包括刀具角度、刀刃銳利程度、刀具材質(zhì)等；切削用量包括切削深度、切削速度、進(jìn)給速度等。在本研究的分析過(guò)程中采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法，該方法是利用切削力與切削功率單位值在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上總結(jié)產(chǎn)生的，在工程計(jì)算中應(yīng)用廣泛。

對(duì)于傳統(tǒng)媒體的概念來(lái)說(shuō)，主要是電視、報(bào)紙、廣播以及期刊等。電視和廣播屬于流媒體，而報(bào)紙和期刊屬于紙質(zhì)媒體。傳統(tǒng)媒體也有其自身的優(yōu)點(diǎn)，例如報(bào)紙便于存放，方便閱讀，而期刊中的內(nèi)容相對(duì)來(lái)說(shuō)專業(yè)性會(huì)更強(qiáng)。報(bào)紙和期刊中的內(nèi)容更具有權(quán)威性與真實(shí)性，其缺點(diǎn)就是傳播的方式過(guò)于單一，不能滿足受眾持久性的關(guān)注。對(duì)于電視以及廣播來(lái)說(shuō)，其傳播的方式不再單一，能夠傳播聲音、圖像以及文字等，更容易吸引更多的受眾，但是這種方式的傳播，受眾一直處于被動(dòng)接收的狀態(tài)，受眾與媒體之間不能實(shí)現(xiàn)互動(dòng)。受到新媒體沖擊的傳統(tǒng)媒體，如果不能及時(shí)作出改變，將被這個(gè)時(shí)代淘汰。

單位時(shí)間內(nèi)鋸切的鋸屑體積V0［14］：

鋸切力Fx計(jì)算方法如下：

式中：K為單位鋸切力，N；b為鋸路寬度，mm；h0為鋸路高度，mm；uz為每齒進(jìn)給量，mm。

單片鋸片鋸切功率P與單位鋸切力K的關(guān)系：

單位切削力K：

由于該移動(dòng)式枝椏材鋸末機(jī)粉碎產(chǎn)生的鋸屑較厚，因此使用撥料齒厚鋸屑時(shí)的公式得到鋸切功率：

式中：b為鋸路寬度，mm；h0為鋸路高度，mm；u為進(jìn)給速度，m／s；H 為計(jì)算數(shù)值，取0.8；q為計(jì)算數(shù)值，取3.7；ab為修正系數(shù)，數(shù)值為1.10；ah為修正系數(shù)，數(shù)值為1.45；aq為修正系數(shù)，數(shù)值為1.10；aw為修正系數(shù)，數(shù)值為1.00。

則P≈0.24kW，由于該移動(dòng)式枝椏材鋸末機(jī)共裝有40片鋸片，所以該移動(dòng)式枝椏材鋸末機(jī)的切削功率為9.3kW。

式中：t為單位時(shí)間，s；uz為單位每齒進(jìn)給量，mm。

經(jīng)計(jì)算得出鋸切力約為140N，滿足切削粉碎條件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的粉碎。

Fy是垂直分力，是推力f2和拉力F2的代數(shù)和，即

式中：f2為推力，該力具有將刀具分開線以下的木材推離刀具的趨勢(shì)；F2為拉力，該力具有將刀具分開線以下的木材拉向刀具的趨勢(shì)。

其中φ為摩擦角，由于刀具與木材間的摩擦系數(shù)，μ=0.25～0.30，故φ=15°～17°。μ取0.30，x取0.5，δ=55°，則Fy=407N。

將所得Fx與Fy代入式（5）可得總進(jìn)給力Fu約為260N。通過(guò)以上對(duì)該移動(dòng)式枝椏材鋸末機(jī)鋸片的切削力的分析可知，該鋸末機(jī)的鋸片能夠?qū)ξ锪线M(jìn)行粉碎，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 小結(jié)

對(duì)移動(dòng)式枝椏材鋸末機(jī)切削原理的分析可知，將進(jìn)料槽底部與鋸片間的間隙保持在0.5～1mm可以保證切削遇角θ的穩(wěn)定，進(jìn)而提高物料的切削質(zhì)量。

根據(jù)切削力計(jì)算公式計(jì)算得到的總進(jìn)給力Fu約為260N，滿足針對(duì)松木樹枝樹葉、小枝椏等采伐殘余物的切削要求，這為移動(dòng)式枝椏材鋸末機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

［1］ 錢小瑜.中國(guó)林業(yè)資源與非木纖維供給分析［J］.中華紙業(yè)，2014（9）：23-27.

［2］ 張紹群，張西洋，王述洋，等.一種林間削片壓縮打包聯(lián)合機(jī)的設(shè)計(jì)方案［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（8）：2502-2504.

［3］ 朱思洪，付東荔，繆小紅，等.樹枝粉碎機(jī)的研制［J］.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（3）：111-113.ZHU S H，F(xiàn)U D L，MIAO X H，et al.Research and development of branch grinder［J］.Journal of Nanjing Agricultural U-niversity，2004（3）：111-113.（in Chinese）

［4］ 高銳.HLZFS430Q樹枝粉碎機(jī)的研制［J］.福建林業(yè)科技，2011（3）：82-84.

［5］ 姜雪松，張紅麗.樹枝枝丫粉碎機(jī)的研制［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（7）：154-157.JIANG X S，ZHANG H L.Research and development of branch chipper shredder［J］.Journal of Northeast Forestry U-niversity，2012（7）：154-157.（in Chinese）

［6］ 牛曉華，吳兆遷，樊濤.木質(zhì)物料粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.林業(yè)勞動(dòng)安全，2008（3）：14-17.

［7］ 王友林.樹枝粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及分析［J］.林業(yè)建設(shè)，2008（2）：31-33.

［8］ 佘雕，耿增超.農(nóng)業(yè)秸稈生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用的研究進(jìn)展［J］.西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，25（1）：157-161.SHE D，GENG Z C.Progress in biomass conversion and utilization of agricultural cereal straw［J］.Journal of Northwest Forestry University，2010，25（1）：157-161.

［9］ 劉志佳，李黎，鮑甫成，等.彎曲木構(gòu)件彈性恢復(fù)與終含水率的關(guān)系研究［J］.西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，24（4）：169-173.LIU Z J，LI L，BAO F C，et al.Relationship between elasticity deformation and final moisture content of bending woodensamples［J］.Journal of Northwest Forestry University，2009，24（4）：169-173.（in Chinese）

［10］ 張曉文，顧正平.木材削片機(jī)研究進(jìn)展［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，21（3）：64-70.ZHANG X W，GU Z P.Progress of the theoretical study on wood chippers［J］.Journal of Beijing Forestry University，1999，21（3）：64-70.（in Chinese）

［11］ 姜新波，南亦博.秸稈鋸切式粉碎機(jī)的研究與設(shè)計(jì)［J］.林業(yè)科技，2013，28（5）：31-33.

［12］ 顧正平，沈瑞珍.盤式短刀枝椏削片機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響因素［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24（5／6）：183-186.GU Z P，SHEN R Z.Factors affecting design parameters of disc branch chipper with short knives［J］.Journal of Beijing Forestry University，2002，24（5／6）：183-186.（in Chinese）

［13］ UWE HEISEL，JURGEN FRONIUS.木材加工精密刀具［J］.國(guó)際木材加工技術(shù)，1999，46（5）：44-47.

［14］ 金維洙，賈娜，馮莉.木材切削與木工刀具［M］.哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，2005：15-23.