沖氣式竹坯筒去節(jié)整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

季文靜，范雨杭，2，韋菲菲，李巖舟

（1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南寧 廣西 530000；2.廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化服務(wù)中心，南寧 廣西 530023）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大量砍伐林木，造成了森林資源嚴(yán)重緊缺。與生長較為緩慢的木材相比，竹材具有生長快、生長周期短等特性，高效利用竹材可以緩解我國木材短缺的問題，起到保護(hù)森林資源的作用[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)有竹林面積約720 萬hm2，占全球竹林面積的四分之一，對于竹材的應(yīng)用，在我們的生活中隨處可見[4]。在當(dāng)今木材短缺和低碳經(jīng)濟(jì)的背景下，竹材作為一項(xiàng)非木質(zhì)資源，日益彰顯其資源價(jià)值，竹材料的加工也備受關(guān)注[5]。竹稈包括節(jié)間和節(jié)兩部分，加工竹稈從斷料，開條，去節(jié)，壓刨，到成品等這一系列的工序中，大多工序都已有相應(yīng)的機(jī)器代替手工作業(yè)，但是具有去除竹節(jié)功能的機(jī)器少之又少，加之無論在建筑還是工藝等領(lǐng)域?qū)χ锌罩裢驳男枨罅吭絹碓酱?，所以針對這一情況，需要設(shè)計(jì)一款去除竹節(jié)的機(jī)器。目前市場上常見的去除竹節(jié)的方法基本可以分為兩類：一類為傳統(tǒng)方法，這種方法包括鏟刀鏟削法和鐵棒捅破法；另一類為利用旋刀式整竹去內(nèi)節(jié)機(jī)去節(jié)[6]。傳統(tǒng)方法勞動(dòng)強(qiáng)度極大，而且效率低。旋刀式整竹去內(nèi)節(jié)機(jī)能在不破壞竹壁情況下去除竹節(jié)。其最主要的工作部件為刀頭，其刀頭的結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。旋刀式整竹去內(nèi)節(jié)法存在刀頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，制造要求高；刀頭的旋轉(zhuǎn)速度難以調(diào)節(jié)；當(dāng)竹坯筒的“三度”較大時(shí)，刀頭不能適應(yīng)，無法進(jìn)行去節(jié)；無法加工內(nèi)徑小于80mm 的竹坯筒；加工前要人工對竹子按照直徑分類。由于存在這些缺陷，導(dǎo)致其使用范圍受到極大限制。為了解決這一問題提出設(shè)計(jì)一種利用高壓空氣進(jìn)行去節(jié)的沖氣式竹坯筒去節(jié)機(jī)。

圖1 去內(nèi)節(jié)銑刀頭結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic Diagram of the Structure of The Cutter Head to the Inner Section

2 工作原理及技術(shù)路線

2.1 工作原理

沖氣式竹坯筒去節(jié)機(jī)的初步設(shè)計(jì)方案，如圖2 所示。

圖2 去節(jié)機(jī)初步設(shè)計(jì)方案Fig.2 Preliminary Design Scheme of the Knot Extractor

該去節(jié)機(jī)由夾持機(jī)構(gòu)，沖氣機(jī)構(gòu)組成，夾持機(jī)構(gòu)由夾持板1、夾持板3、擋板2、擋板6 所組成，沖氣機(jī)構(gòu)由空氣壓縮機(jī)5、氣槍4 和擋板6 組成。夾持機(jī)構(gòu)中夾持板1 和夾持板3 上端為側(cè)V 形結(jié)構(gòu)，其側(cè)V 形結(jié)構(gòu)下端為交錯(cuò)布置的弧形齒狀結(jié)構(gòu)，擋板2 和擋板6 為簡單的方形鐵板。該機(jī)構(gòu)的工作原理為：開始工作時(shí)夾持板1 和夾持板3 下端齒狀結(jié)構(gòu)剛好接觸，以便放置竹坯筒，在竹坯筒放好后，兩個(gè)夾持板相互靠攏使竹坯筒夾緊，由于齒狀結(jié)構(gòu)的齒合具有伸縮性，所以可以使不同內(nèi)徑的竹坯筒在與其軸線垂直方向被夾緊，然后擋板2 和擋板6 互相靠攏壓住竹坯筒的兩端，使竹坯筒延其軸線方向被夾緊，如此竹坯筒各個(gè)方向皆被固定以便去節(jié)。沖氣機(jī)構(gòu)中空氣壓縮機(jī)5 的出氣口與氣槍4 連接，在擋板6 中心鉆一小圓孔，讓氣槍4 出氣口與擋板6 的小圓孔相連，使夾持機(jī)構(gòu)在夾緊竹坯筒之后，進(jìn)行沖節(jié)動(dòng)作。

2.2 技術(shù)路線

去節(jié)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)路線，如圖3 所示：（1）對竹坯筒進(jìn)行去節(jié)試驗(yàn)，以此試驗(yàn)確定竹節(jié)在高壓氣體作用下是否會(huì)先于竹坯筒壁被破壞，了解破除的效果如何，是否能滿足去節(jié)的要求，以證明用高壓氣體去除竹節(jié)的實(shí)用性，而且試驗(yàn)所獲取的數(shù)據(jù)，可作為設(shè)定傳動(dòng)軸負(fù)載值及空氣壓縮機(jī)選型的一個(gè)重要依據(jù)[7]；（2）夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使竹坯筒被夾緊，確定該去節(jié)機(jī)的傳動(dòng)需求；（3）根據(jù)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)和夾持機(jī)構(gòu)中所知的傳動(dòng)需求，進(jìn)行傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算；（4）進(jìn)行沖氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以達(dá)到便捷去節(jié)的目的；（5）設(shè)計(jì)主體框架；（6）把所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝配調(diào)試。

圖3 去節(jié)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)路線Fig.3 Technical Route of the Node Design

3 關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)

3.1 去節(jié)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析

用于去節(jié)試驗(yàn)的法蘭形式[8]的夾持裝置，其由兩塊圓形的鐵板（其中一塊圓心處有M10 的小孔），6 根直徑為8mm 兩頭帶螺紋的螺紋桿，12 個(gè)M8 的螺母，一張橡膠墊以及帶橡膠的汽車內(nèi)胎打氣嘴組成，如圖4 所示。通過把該試驗(yàn)裝置浸入水中進(jìn)行去節(jié)試驗(yàn)可知，此裝置能夠保證竹坯筒內(nèi)部的氣密性，在組裝完成后與空氣壓縮機(jī)的噴氣嘴連接，便可進(jìn)行竹坯筒去節(jié)的可行性試驗(yàn)，空氣壓縮機(jī)輸出氣壓值能夠從其壓力表中直接獲得，如圖5所示。通過多次試驗(yàn)獲得（單位：半徑r/mm，壓值P/MPa，壓力平均值Pi/MPa）數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行回歸分析，如表1 所示。

圖4 夾持裝置Fig.4 Clamping Device

圖5 試驗(yàn)裝置Fig.5 Experimental Device

表1 去除竹節(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Test Data of Impact Joints

根據(jù)表1 中數(shù)據(jù)繪制竹坯筒半徑和去節(jié)平均壓強(qiáng)關(guān)系散點(diǎn)圖，如圖6 所示。

圖6 竹坯筒半徑與去節(jié)壓強(qiáng)散點(diǎn)圖Fig.6 Scatterplot of the Blank Barrel Radius and the Deganging Pressure

從圖6 中可以看出所得點(diǎn)落在一條直線附近，說明竹坯筒半徑r 和破節(jié)壓力平均值pˉ應(yīng)該為直線關(guān)系，設(shè)其回歸方程為：pˉ=b0+br，為求b0和b 所用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表2 所示。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理Tab.2 Experimental Data Consolidation

根據(jù)表2 整理得到的數(shù)據(jù)可對竹坯筒半徑與去節(jié)壓強(qiáng)的關(guān)系進(jìn)行線性回歸計(jì)算。

式中：n—不同半徑竹坯筒的個(gè)數(shù)，n=6；m—相同半徑竹坯筒重復(fù)試驗(yàn)的次數(shù)，m=6。

所以：

所以回歸方程為：

方程（8）擬合度檢驗(yàn)：

總偏平方和：

次試驗(yàn)所得壓強(qiáng)和的平方。

回歸平方和：

其中，F(xiàn)0.01（4，30）可以從試驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表格中查出。

由式（13）可以看出檢驗(yàn)結(jié)果不顯著，說明S失擬基本上是由試驗(yàn)誤差引起的。從而進(jìn)一步檢驗(yàn)S回：

其中，F(xiàn)0.01（1，30）可以從試驗(yàn)數(shù)據(jù)表格查出。

由式（14）可以看出檢驗(yàn)結(jié)果顯著，說明回歸方程（8）擬合較好，p 關(guān)于r 的一次項(xiàng)是必須的。經(jīng)相關(guān)試驗(yàn)證明，當(dāng)竹節(jié)的半徑較小時(shí)，代入回歸方程中，方程依舊成立。

3.2 夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

夾持裝置由圖7 中的1、2、3、4 組成，固定擋板為一塊方形鐵板固定在主體框架上。夾持板為側(cè)V 型的鐵板，固定在主體框架上，如圖8 所示。活動(dòng)擋板為一塊方形鐵板，連接在傳動(dòng)軸上，隨傳動(dòng)軸往返運(yùn)動(dòng)。該夾持機(jī)構(gòu)主要工作原理：將竹坯筒放置在夾持板上，活動(dòng)擋板在傳動(dòng)軸的帶動(dòng)下向固定擋板靠攏，兩擋板逐漸壓住竹坯筒的兩端，從而在活動(dòng)擋板、固定擋板和夾持板的共同作用下使竹坯筒被夾緊，然后進(jìn)行沖氣去節(jié)工作，當(dāng)去節(jié)完成后，活動(dòng)擋板遠(yuǎn)離固定擋板，使竹坯筒放松，回收竹坯筒。該夾持機(jī)構(gòu)欲使竹坯筒實(shí)現(xiàn)從放松狀態(tài)到夾緊狀態(tài)再到放松狀態(tài)的循環(huán)，活動(dòng)擋板只需做行程較小的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，可取其運(yùn)動(dòng)行程為300mm。由前文可知傳動(dòng)軸只帶動(dòng)活動(dòng)擋板做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，且行程為300mm，可知有三種方案可以滿足活動(dòng)擋板的運(yùn)動(dòng)要求：液壓傳動(dòng)、齒輪齒條傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)。本設(shè)計(jì)的傳動(dòng)方案在這三種傳動(dòng)方案中進(jìn)行選取。

圖7 夾持機(jī)構(gòu)俯視圖Fig.7 Top View of the Clamping Mechanism

圖8 夾持板兩視圖Fig.8 Two Views of Clamping Plate

3.3 夾持裝置傳動(dòng)系統(tǒng)的選擇

各種傳動(dòng)方案對比分析：

（1）電機(jī)使用壽命：活動(dòng)擋板需要實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如果選用齒輪齒條、蝸輪蝸桿傳動(dòng)則要求電動(dòng)機(jī)不停地實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而頻繁讓電機(jī)做正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響電機(jī)的使用壽命；而采用液壓傳動(dòng)時(shí)，液壓系統(tǒng)易于對液體壓力、流量或流動(dòng)方向進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，所以從電機(jī)的使用壽命出發(fā)，應(yīng)選擇液壓傳動(dòng)方案[9]。

（2）制作難易程度：活動(dòng)擋板只需要做直線運(yùn)動(dòng)，液壓傳動(dòng)比機(jī)械傳動(dòng)簡單，所以從制作難易程度出發(fā)，選擇液壓傳動(dòng)為優(yōu)[9]。

（3）傳動(dòng)效率：齒輪齒條傳動(dòng)效率高，且穩(wěn)定，蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率低，液壓傳動(dòng)長距離傳動(dòng)時(shí)損失較大，但活動(dòng)擋板的運(yùn)動(dòng)行程為300mm 即可，所以從傳動(dòng)效率出發(fā)，選擇齒輪齒條和液壓傳動(dòng)皆可。

綜合以上分析可知選擇液壓傳動(dòng)為優(yōu)。

4 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

圖9 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖Fig.9 Flow Chart of Hydraulic System Design

4.1 液壓缸負(fù)載綜合分析

液壓缸有啟動(dòng)—快進(jìn)—夾緊—快退的工作循環(huán)，其每個(gè)動(dòng)作的負(fù)載值F 為：

液壓缸啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載為：F=Fm=0.3N

液壓缸快進(jìn)時(shí)的負(fù)載為：F=0N

液壓缸工作時(shí)（即夾緊時(shí)）負(fù)載為：F=2500N

液壓缸快退時(shí)的負(fù)載為：F=Fm=0.6N

由于液壓缸在啟動(dòng)、快進(jìn)、快退時(shí)的負(fù)載值太小，所以在表3中皆忽略不計(jì)。

表3 液壓缸在各工作階段的負(fù)載值及推力Tab.3 Load Value and Thrust of Hydraulic Cylinder in Each Working Stage

圖10 液壓缸的速度圖Fig.10 Velocity Diagram of Hydraulic Cylinder

圖11 液壓缸的負(fù)載圖Fig.11 Load Diagram of Hydraulic Cylinder

4.2 液壓缸主要參數(shù)的設(shè)定

表4 液壓缸不同工作階段壓力、流量和功率值Tab.4 Pressure，F(xiàn)low and Power Values of Hydraulic Cylinder at Different Working Stages

4.3 液壓回路的選擇

調(diào)速回路：液壓系統(tǒng)功率和載荷均較小，且要求能獲得穩(wěn)定低速運(yùn)動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)壓力控制，不需要承載負(fù)值負(fù)載的液壓系統(tǒng)，所以選擇進(jìn)油節(jié)流調(diào)速為優(yōu)[11]。

油源：液壓缸工況圖中數(shù)據(jù)顯示，液壓缸要求提供油液的流量和壓強(qiáng)變化很小，用單個(gè)定量泵作為油源可行，從經(jīng)濟(jì)性和機(jī)構(gòu)簡單化的角度出發(fā)，應(yīng)選擇用單個(gè)定量泵作為油源。

液壓回路換向：由于液壓缸要實(shí)現(xiàn)快進(jìn)—夾緊—快退動(dòng)作，所以液壓回路換向選用三位四通換向閥進(jìn)行換向[12]。

行程止點(diǎn)控制：要求在液壓缸快進(jìn)之后，其活塞上的擋板壓緊竹節(jié)后停止運(yùn)動(dòng)，而竹坯筒屬于剛性物體，所以在行程終點(diǎn)采用死擋鐵停留的控制方式，即液壓缸活塞上的擋板碰見竹坯筒后，系統(tǒng)的壓力升高，由壓力繼電器發(fā)出信號(hào)，使電磁換向閥切換，從而使液壓缸停止運(yùn)動(dòng)。各個(gè)回路的工作原理，如圖12 所示。

圖12 液壓回路中的各個(gè)回路Fig.12 Each Loop in The Hydraulic Circuit

根據(jù)上述對于液壓回路中各個(gè)回路的選擇，整合得到完整的液壓回路，如圖13 所示。它在各個(gè)方面都相對較為完善。

圖13 液壓回路圖Fig.13 Hydraulic Circuit Diagram

4.4 液壓元件的選擇

液壓泵與電機(jī)：經(jīng)計(jì)算，泵的最大工作壓力為：Pp=（0.55+0.5）=1.05MPa，泵能提供的流量為：Q=14×1.1=15.4L/min，根據(jù)Pp和Q，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》，最后選取型號(hào)為CB-B-16 型齒輪泵，其排量為16ml/r，額定壓力p=2.5MPa，額定轉(zhuǎn)速為1450r/min，容積率取ηv=0.9；液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需要的功率為：

據(jù)此查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》，選擇型號(hào)為Y2-711-4 三相異步電動(dòng)機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為1380r/min，額定功率0.25kW，效率65%。

閥類零件和輔助零件：所選零件和規(guī)格，如表5 所示。

表5 元件的型號(hào)及規(guī)格Tab.5 Models and Specifications of Components

油管：依據(jù)相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》選擇公稱內(nèi)徑為6.3 的I 型軟管可滿足液壓缸流量流速的要求。

油箱：查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》，油箱有效容積應(yīng)為泵每分鐘流量（3～7）倍，取5 倍，則油箱容積為：v=20.88×4=104.4L，所以可以選取工作容積為125L 的油箱。

4.5 液壓系統(tǒng)的性能驗(yàn)算

油液溫升驗(yàn)算：

查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》可知油箱中的溫度一般在（30～50）℃時(shí)最適宜，其最大值應(yīng)高于60℃，所以由上式可知該系統(tǒng)在常溫25℃時(shí)不需要冷卻處理。

4.6 液壓系統(tǒng)的控制電路設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)的控制電路，如圖14 所示。

圖14 液壓系統(tǒng)的控制電路Fig.14 Control Circuit of Hydraulic System

圖中：QS—空氣開關(guān)；FU—保險(xiǎn)絲；KM1—交流接觸器；LN.24v—開關(guān)電源；XK—行程開關(guān)；YJ—壓力繼電器；KM2、KM3—中間繼電器；KT—延時(shí)繼電器；DT1—換向閥左位線圈；DT2—換向閥右位線圈；SB1—啟動(dòng)按鈕；SB2—停止按鈕。其工作原理：關(guān)閉空氣開關(guān)QS，按下啟動(dòng)按鈕SB1，交流接觸器的線圈KM1 通電使交流接觸器的常開開關(guān)KM1 閉合，使電機(jī)通電，整套設(shè)備便開始運(yùn)行，控制液壓缸做快進(jìn)-夾緊-快退動(dòng)作。

5 去節(jié)機(jī)其他機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

5.1 沖氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

沖氣機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，主要由空氣壓縮機(jī)，固定擋板和帶橡膠的汽車內(nèi)胎打氣嘴組成。固定擋板上開有10mm 的圓孔，使汽車內(nèi)胎打氣嘴穿過該圓孔，即氣嘴的進(jìn)氣口和帶橡膠的一端分別處于固定擋板的兩端，這樣設(shè)計(jì)的目的：（1）使用車胎打氣氣嘴，便于和空氣壓縮機(jī)的氣槍相連接；（2）氣嘴一端的橡膠會(huì)夾在竹坯筒與擋板中間，從而保證竹坯筒的氣密性；（3）固定擋板是平的且車胎氣嘴直徑很小，這樣能使該去節(jié)機(jī)基本不受竹坯筒直徑變化的影響。

空氣壓縮機(jī)的選取，由前文可知設(shè)計(jì)需要空氣壓縮機(jī)提供的最大壓力為1.11MPa，所以可以選擇型號(hào)為FB-0.2/12.5 的上海捷豹空氣壓縮機(jī)，其額定電壓為220V，額定排氣壓力為12.5MPa。

5.2 主體框架設(shè)計(jì)

主體框架采用角鋼固定搭建而成，采用角鋼制作框架不僅能達(dá)到去節(jié)工作所需強(qiáng)度，且具有經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的優(yōu)點(diǎn)。

將所設(shè)計(jì)的各個(gè)機(jī)構(gòu)按竹坯筒去節(jié)機(jī)裝配圖中的要求裝配，完成整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)搭建。

該去節(jié)機(jī)三維示意圖，如圖15 所示。其中液壓系統(tǒng)由圖15中的2、3、7、9、10、11 組成，控制電路由圖15 中的1 組成，沖氣機(jī)構(gòu)由圖15 中的6、8 組成，夾持機(jī)構(gòu)由圖15 中的4、5、6 組成。

圖15 去節(jié)機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.15 Overall Structure Diagram of the Stripper

6 結(jié)論

6.1 去節(jié)機(jī)特點(diǎn)

（1）由于電動(dòng)機(jī)不需正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且使用功率小，所以其使用壽命較長；

（2）由于該去節(jié)機(jī)的去節(jié)工具為空氣壓縮機(jī)提供的高壓氣體，所以該去節(jié)機(jī)受竹坯筒“三度”的影響??；

（3）操作簡單，實(shí)用性強(qiáng)，適于推廣，有利于廣西、貴州等產(chǎn)竹大省更好地推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化效果[13]；可以填補(bǔ)目前市場上竹材去節(jié)機(jī)的空缺，廣泛得到推廣應(yīng)用。

6.2 對去節(jié)機(jī)的展望

該去節(jié)機(jī)在設(shè)計(jì)及樣機(jī)使用過程中，存在一些不足之處：

（1）該去節(jié)機(jī)適用于單節(jié)竹坯筒去節(jié)，其加工對象長度較短，在這方面需要進(jìn)一步優(yōu)化；

（2）該去節(jié)機(jī)回收加工后的竹坯桶為人工回收，要做到自動(dòng)回收還需進(jìn)一步添加、完善設(shè)備設(shè)計(jì)，使之從去節(jié)到回收過程都能做到自動(dòng)化控制。

總之，在如今良好的竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展大環(huán)境背景下，隨著對該沖氣式竹坯筒去節(jié)設(shè)備設(shè)計(jì)的不斷完善，該去節(jié)機(jī)能夠得到很好的推廣和認(rèn)可。