人工林小型履帶采伐機(jī)切削力與切削功率的研究

楊春梅，楊 博，宋文龍

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

我國(guó)的人工林面積居世界首位［1］，但我國(guó)的人工林采伐裝備較歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還處于落后的地位［2］。履帶式采伐機(jī)(小型)是人工林間伐作業(yè)中重要的生產(chǎn)設(shè)備，伐木機(jī)構(gòu)是其中重要的組成部分。伐木機(jī)構(gòu)主要有鏈鋸式、剪式、鉆式、旋轉(zhuǎn)刀具式和高壓水式等機(jī)構(gòu)［3］。本文設(shè)計(jì)的人工林履帶式間伐采伐機(jī)的伐木機(jī)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)刀具的伐木機(jī)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)在于刀具比較堅(jiān)牢，不易損壞、伐木部位較低、切口平滑和無(wú)劈裂等損傷木材。

1 旋轉(zhuǎn)刀具伐木機(jī)構(gòu)的工作原理和組成

旋轉(zhuǎn)刀具式伐木機(jī)構(gòu)將大功率汽油機(jī)的動(dòng)力利用摩擦式離合器通過(guò)皮帶傳動(dòng)分配給切削主軸，實(shí)現(xiàn)了主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)刀具安裝在主軸上，隨著主軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)伐倒樹(shù)木的功能。由于立木的最大切削直徑在120 mm，避免旋轉(zhuǎn)刀具的直徑過(guò)大，與此同時(shí)考慮到切削間伐材小徑木時(shí)，要求旋轉(zhuǎn)刀具產(chǎn)生的切削力方向和伐木機(jī)構(gòu)的進(jìn)給方向相同，設(shè)計(jì)時(shí)旋轉(zhuǎn)刀具采用雙主軸反向旋轉(zhuǎn)。此時(shí)伐木機(jī)雙主軸的旋轉(zhuǎn)方向相反是一個(gè)難點(diǎn)，為了解決之一難點(diǎn)，在通過(guò)對(duì)不同機(jī)器的傳動(dòng)形式與布局方案的分析后，伐木機(jī)構(gòu)創(chuàng)造性的采用雙面V帶通過(guò)中間軸張緊輪的過(guò)渡去實(shí)現(xiàn)主軸反向。因此本設(shè)計(jì)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)組成形式，如圖1所示。

圖1 伐木機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Schematic diagram of the logging mechanism

2 旋轉(zhuǎn)刀具的技術(shù)參數(shù)

旋轉(zhuǎn)刀具是伐木機(jī)構(gòu)最重要的組成部分，其性能的好壞直接影響整個(gè)采伐機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。根據(jù)采伐的加工對(duì)象、切削方法、所選定的傳動(dòng)路線以及主軸的結(jié)構(gòu)形式，旋轉(zhuǎn)刀具采用實(shí)木橫切圓鋸片和雙端銑粉碎刀盤鋸片的組合形式，鋸片安裝方式如圖2所示。利用橫鋸切削的方法對(duì)木材進(jìn)行切削，旋轉(zhuǎn)刀具的尺寸參數(shù)，見(jiàn)表1。

圖2 鋸片安裝示意圖Fig．2 Schematic diagram of the saw blade installation

表1 采伐機(jī)組合刀具的參數(shù)值Tab．1 Parameter values of the harvester machine combination tool

3 旋轉(zhuǎn)刀具的切削力與切削功率的研究

旋轉(zhuǎn)刀具在采伐木材切削時(shí)，受到許多因素的影響，如切削厚度、樹(shù)種、含水率、切削速度、進(jìn)給速度、刃口的銳利程度、切削角和后角等，切削力與這種影響因素之間應(yīng)該具有一定的函數(shù)關(guān)系［4］。要想建立一個(gè)把所有影響因素都包括進(jìn)去的切削力計(jì)算公式，實(shí)際上是十分困難的。目前普遍采用的計(jì)算方法是建立在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算公式。這種方法在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。

圖3 橫鋸齒切削示意圖Fig．3 Schematic of cross serrated cutting

旋轉(zhuǎn)刀具采用橫鋸的方法對(duì)立木進(jìn)行切削，橫鋸齒切削時(shí)，如圖3所示，是進(jìn)給方向垂直于纖維平面的鋸切，橫鋸圓鋸片的切削角通常是采用的斜磨的橫截鋸齒切削木材，撥料的方法對(duì)木材進(jìn)行切削，齒刃切入木材初始，類似用小刀在木材上切出刀痕，相鄰兩個(gè)鋸齒先后在木材表面切出兩條平行的齒痕。隨著鋸齒深入木材，前齒面對(duì)鋸路內(nèi)木材的作用力的合力在垂直鋸路的方向上的分力，對(duì)兩側(cè)已被切開(kāi)的鋸路中間木材的擠壓，使其沿鋸路底順纖維方向剪切。當(dāng)鋸齒切入木材的深度足夠大時(shí)，分力超過(guò)木材的順紋抗剪極限時(shí)，鋸路內(nèi)的這部分木材被剪斷而形成鋸屑［5］。在鋸切的過(guò)程中側(cè)刃起主要的作用，橫切時(shí)的切削力與功率計(jì)算與縱切的切削有很大的不同。

橫鋸時(shí)單位切削力K根據(jù)(1)式來(lái)決定［6］:

式中:k為初單位切削力:

松木:k=6．2-1．6b+(0．042-0．0006γ)φ，

樺木:k=8-1．8b+(0．058-0．0008γ)φ，

櫟木:k=10-2．2b+(0．07-0．0010γ)φ;

Cp為變鈍系數(shù);p為系數(shù)，隨樹(shù)種而不同，見(jiàn)表2。

表2 樹(shù)種切削系數(shù)值Tab．2 coefficients of P

在斜磨角φ=45°的情況下，橫鋸時(shí)的進(jìn)給力Ff見(jiàn)表3。

表3 橫鋸時(shí)的進(jìn)給力Tab．3 Feed force for crosscutting

以選取橫鋸鋸片一為例，鋸板厚度均為2．5 mm，切削齒刃的寬度為3．5 mm，齒數(shù)為100。內(nèi)孔直徑均為d=30 mm，鋸切主軸的轉(zhuǎn)速為n=2 800 rpm，進(jìn)給速度vf=240mm/min。計(jì)算時(shí)選擇最大鋸切直徑350 mm作為計(jì)算參數(shù)，圓鋸片的齒形選擇斜磨齒，斜磨齒的特點(diǎn)在于:適當(dāng)減小斜銼角，鋸齒穩(wěn)定，耐磨性高，切削功率高，整個(gè)鋸切過(guò)程穩(wěn)定性好。并且對(duì)齒槽面積影響不大，并且可以提高鋸齒的強(qiáng)度，并且適用于鋸切軟硬的木材，完全符合采伐機(jī)設(shè)計(jì)的基本要求。根據(jù)選定的鋸切條件可以求得其的線速度為:

式中:D為鋸片直徑，mm;n為鋸片轉(zhuǎn)速，rpm;v為切削速度，m/s。

(1)求運(yùn)動(dòng)遇角 θav。

將數(shù)值帶入式(3)中得到 θav=44．8°。

sinθav=0．7。

(2)求變鈍系數(shù)Cp。

式中:Δγ為刃口圓半徑增量，其中Δγn=γΔ·L;γmm為刃口初始圓半徑，μm;通常取10μm;γΔ為每切削一米長(zhǎng)的木材后刃口圓半徑的增量，μm/m;其中根據(jù)不同的樹(shù)種γΔ的值也有所差異，見(jiàn)表4。

表4 增量系數(shù)γ4值Tab．4 coefficients of γ4

根據(jù)不同的鋸切情況，的計(jì)算方法不同。

橫鋸鋸切時(shí):

式中:H為鋸路高度，取95 mm;n為鋸片轉(zhuǎn)速(rpm)，取2 800 rpm;T為工作日時(shí)間，取T=2h=120 min;C1為工作日利用系數(shù)，C1=0．9;C2為采伐機(jī)的時(shí)間利用系數(shù)，C2=0．9;將公式(6)代入公式(5)中得到Δγn:

將數(shù)值帶入公式(4)、公式(7)中得到:Cp=1．91μm。

(3)求初單位切削力k。

當(dāng)斜磨角時(shí)φ=45°，選擇橫鋸鋸切松木，前角γ=90-δ=-25°。

k=6．2-1．4b+(0．042-0．000 6γ)φ (×9．81)。

式中:b為鋸路寬度，取3．5 mm;

k=6．2-1．4 ×3．5+(0．042-0．000 6 ×25)×45=2．515(×9．81)。

(4)求每齒進(jìn)給量fz。

式中:vf為切削時(shí)進(jìn)給速度，取5 m/min;Z為圓鋸片齒數(shù)，取96;n為鋸片轉(zhuǎn)速，取2 800 rpm;

將數(shù)值帶入式(8)中得到fz=0．1 mm/Z。

(5)求p。根據(jù)表2得，橫鋸鋸切松木時(shí)，p=0．10。

(6)求單位切削力K。

(7)求切削功率pc。

(8)求切削力Fc。

將數(shù)值帶入公式(10)中得到Fc=56 N。

(9)求進(jìn)給力Ff。

若要求進(jìn)料原動(dòng)機(jī)的功率和切削原動(dòng)機(jī)的功率，則必須考慮機(jī)床的傳動(dòng)效率。所以圓鋸片橫鋸直徑350 mm時(shí)切削力和切削功率參數(shù)，見(jiàn)表5。

表5 鋸片(350 mm)時(shí)參數(shù)值Tab．5 Parameter values of the blade(diameter=350 mm)

綜上所述，橫鋸鋸片鋸片三、粉碎鋸片一、粉碎鋸片二、粉碎鋸片三的計(jì)算方法同上，這里就不在過(guò)多的熬述了，其切削功率、切削力、進(jìn)給力的數(shù)值，見(jiàn)表6。

表6 切削性能參數(shù)值Tab．6 Cutting performance parameters

圖4 切削力示意圖Fig．4 Schematic of cutting force

在對(duì)木材橫切切削時(shí)，鋸片裝在鋸軸上等速旋轉(zhuǎn)，并且刀具以恒定的進(jìn)給速度向木材進(jìn)給。其中每一個(gè)橫切鋸片都會(huì)產(chǎn)生與進(jìn)給方向相同的切削力Fc，如圖4所示。那么雙主軸在旋轉(zhuǎn)切削的過(guò)程中對(duì)木材產(chǎn)生的切削力Fc合，在不考慮摩擦和夾鋸的情況下，F(xiàn)c合應(yīng)該是每個(gè)橫切鋸片產(chǎn)生的Fc的矢量和。主軸的切削功率Pc總是每個(gè)切削鋸片的切削功率Pc的矢代數(shù)和疊加。采伐機(jī)構(gòu)的進(jìn)給力Ff總應(yīng)該是克服每個(gè)鋸片所需的進(jìn)給力Ff的矢量和。

Fc合= ∑Fc=2FC1+2FC2+FC3+FC4+2FC5+FC6≈237 N。

Pc合= ∑Pc=2PC1+2PC2+PC3+PC4+2PC5+PC6≈10．2 kW。

Ff合= ∑Ff=2Ff1+2Ff2+Ff3+Ff4+2Ff5+Ff6≈118．6 N。

4 結(jié)論

根據(jù)人工林小型履帶式采伐機(jī)的設(shè)計(jì)要求，選擇旋轉(zhuǎn)刀具式的伐木機(jī)構(gòu)，詳細(xì)的介紹了伐木機(jī)構(gòu)的工作原理及其組成。根據(jù)刀具的技術(shù)參數(shù)，并計(jì)算出旋轉(zhuǎn)刀具的總切削力為237 N，總切削功率為10．2 kW。根據(jù)計(jì)算出來(lái)的切削參數(shù)，同時(shí)考慮到機(jī)械傳動(dòng)的效率，可以計(jì)算出整個(gè)采伐機(jī)構(gòu)所需要最大功率為13 kW，最大進(jìn)給力為120 N。

旋轉(zhuǎn)刀具的切削力和切削功率的研究，為整個(gè)伐木機(jī)構(gòu)具體功率參數(shù)的選擇、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真分析提供了夯實(shí)的理論基礎(chǔ)，也為實(shí)際樣機(jī)成產(chǎn)提供了可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，縮短了采伐機(jī)的研制周期，降低生產(chǎn)成本，對(duì)我國(guó)林業(yè)采伐裝備的研制具有一定的參考意義。

［1］彭舜磊，王得祥，趙 輝，等．我國(guó)人工林現(xiàn)狀與近自然經(jīng)營(yíng)途徑探討［J］．西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2008(2):184-188．

［2］汪振鳳，陸懷民．談采伐聯(lián)合機(jī)的階段性發(fā)展［J］．農(nóng)機(jī)使用與維修，2011(1):101-103．

［3］郭殿福．幾種型式的伐木機(jī)構(gòu)［J］．林業(yè)機(jī)械，1980(1):42-44．

［4］金維洙，花 軍．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．

［5］曹平祥，郭曉磊．木材切削原理與刀具［M］．北京:中國(guó)林業(yè)出版社，2010．

［6］李 黎．木材切削原理與刀具［M］．北京:中國(guó)林業(yè)出版社，2005．

［7］馬 巖．國(guó)外木材切削刀具設(shè)計(jì)理論研究新進(jìn)展［J］．林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2007(3):4-8

［8］ Wu Y，Ma Y．Finite-element analysis of arranging intermediate cuttings tool of circular saw web and wedge disc［J］．Advanced Materials Research，2013(631):1068-1072．

［9］李 黎．我國(guó)木工刀具的發(fā)展現(xiàn)狀及與國(guó)際先進(jìn)水平的差距［J］．木材加工機(jī)械，2009(S1):39-51．

［10］張占寬，彭曉瑞，李偉光，等．切削方向?qū)δ静那邢髁Φ挠绊懀跩］．木材工業(yè)，2011(6):7-9．

［11］高炳天，權(quán)富成．硬質(zhì)木材榫槽組合銑刀的設(shè)計(jì)［J］．制造技術(shù)與機(jī)床，2012(12):114-116．

［12］高炳天，權(quán)富成，林小軍．圓鋸片組合分塊切削木工成形刀具的設(shè)計(jì)［J］．中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2013(1):224-227．