電鏈鋸鋸切試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)及影響鋸切性能因素的遴選1)

劉九慶 張駿杰 朱斌海

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

鏈鋸作為森林采伐、造材、打枝等綜合作業(yè)中不可缺少的優(yōu)良器械，在園林綠化、森林防火、木材加工、家具制造、建筑工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。鏈鋸以汽油機(jī)為動(dòng)力，消耗汽油且易造成污染，以電能作為動(dòng)力的電鏈鋸成為今后發(fā)展的主要研究和發(fā)展方向[1]。

在2000年以前，國(guó)內(nèi)測(cè)定油鋸的鋸切效率一致采用手工操作油鋸的方法，其測(cè)定結(jié)果受人為因素影響較大，測(cè)試精度不能達(dá)到應(yīng)有的要求。許林云等[2]于2000年設(shè)計(jì)了一種上下直線(xiàn)往復(fù)進(jìn)給機(jī)構(gòu)，進(jìn)行了油鋸鋸切效率的測(cè)定。2003年，許林云等[3]依據(jù)先前研究，提出了一種新型試驗(yàn)方法和專(zhuān)用鋸切試驗(yàn)機(jī)，采用了恒進(jìn)鋸力進(jìn)鋸方式。2010年，甘英俊等[4]設(shè)計(jì)了LQ-18型鋸鏈切削性能試驗(yàn)臺(tái)，采用了進(jìn)給速度及鏈輪軸無(wú)級(jí)調(diào)速的運(yùn)動(dòng)形式，能夠同時(shí)測(cè)量三向切削力、轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度。國(guó)外一些學(xué)者，針對(duì)鏈鋸的鋸切性能也進(jìn)行了測(cè)定與研究[5-11]；國(guó)內(nèi)一些學(xué)者，測(cè)定了鏈鋸的鋸切性能，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析[12-16]。

綜合已有研究結(jié)果，國(guó)內(nèi)鏈鋸試驗(yàn)臺(tái)的研究停滯在2010年，且目前最新的LQ-18型鋸鏈切削性能試驗(yàn)臺(tái)，主要是針對(duì)油鋸鋸切性能的測(cè)定而設(shè)計(jì)的；國(guó)內(nèi)針對(duì)電鏈鋸鋸切試驗(yàn)臺(tái)的研究與試驗(yàn)較少。為此，本研究根據(jù)電鏈鋸鋸切過(guò)程，以鋸切比功為鋸切性能主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，以切削力、進(jìn)給力、進(jìn)給速度、鏈輪輪軸扭矩、鏈輪輪軸轉(zhuǎn)速為電鏈鋸鋸切試驗(yàn)臺(tái)的主要功能參數(shù)，在借鑒已有研究成果基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了電鏈鋸鋸切試驗(yàn)臺(tái)。以紅松、楊木兩個(gè)樹(shù)種木材作為試材，采用3種不同的鋸鏈對(duì)試材進(jìn)行鋸切試驗(yàn)，應(yīng)用多因素正交試驗(yàn)、單因素試驗(yàn)對(duì)電鏈鋸鋸切指標(biāo)影響因素進(jìn)行分析，檢測(cè)電鏈鋸鋸切試驗(yàn)臺(tái)性能。旨在為拓寬電鏈鋸的使用范圍和使用率、替代油鋸提供參考。

1 電鏈鋸鋸切試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

根據(jù)鏈鋸切削原理可知，電鏈鋸的鋸切性能主要依據(jù)鋸切比功(K)評(píng)價(jià)，鋸切比功主要反映了電鏈鋸鋸切木材的速度，鋸切比功越小，鏈鋸的工作效率越高，鋸切速度越快。鋸切比功(K)計(jì)算公式：K=N/(bLu)、N=FCV。式中：K為鋸切比功；N為鋸切功率；b為鋸口寬度；L為木材直徑；u為進(jìn)給速度；FC為切削力；V為切削速度。

切削速度(V)，可以通過(guò)鋸鏈鏈輪的轉(zhuǎn)速(n)、鏈輪齒數(shù)(Z)、鋸鏈的節(jié)距(t)求得，V=Z·t·n/(3×104)；木材直徑、鋸口寬度、鏈輪齒數(shù)、鋸鏈節(jié)距，在具體測(cè)試過(guò)程中均作為已知參數(shù)。因此，為了掌握電鏈鋸鋸切性能的各項(xiàng)指標(biāo)，試驗(yàn)臺(tái)需要檢測(cè)切削力、進(jìn)給速度、鏈輪輪軸扭矩、鏈輪輪軸轉(zhuǎn)速4個(gè)主要參數(shù)。

1.2 試驗(yàn)臺(tái)組成結(jié)構(gòu)

本研究設(shè)計(jì)的鋸切試驗(yàn)臺(tái)，主要由試驗(yàn)臺(tái)框架、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、工件固定系統(tǒng)5個(gè)部分組成，三維結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1、實(shí)物圖見(jiàn)圖2、主要設(shè)備核心型號(hào)見(jiàn)表1。

表1 電鏈鋸鋸切試驗(yàn)臺(tái)主要設(shè)備核心型號(hào)

1為試驗(yàn)臺(tái)架體；2為電源箱；3為液壓站；4為液壓缸；5為激光對(duì)射光電開(kāi)關(guān)；6為S型傳感器(徑向力)；7為底部滑塊；8為紅外測(cè)溫傳感器；9為交流電機(jī)；10為轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器；11為變頻驅(qū)動(dòng)器；12為鏈鋸導(dǎo)板；13為頂部導(dǎo)軌；14為頂部滑塊；15為擋板；16為底部導(dǎo)軌；17為S型傳感器(切向力)；18為夾具。

圖2 電鏈鋸鋸切試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

1.3 試驗(yàn)臺(tái)工作原理

將待測(cè)鋸鏈安裝至導(dǎo)板上，動(dòng)力由功率為1.5 kW的交流電機(jī)經(jīng)過(guò)變頻驅(qū)動(dòng)器，調(diào)速范圍為100～8 000 r/min。可控硅調(diào)速器的輸出，通過(guò)聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器相連，即可通過(guò)扭矩傳感器測(cè)出試驗(yàn)過(guò)程中的鏈輪扭矩。扭矩傳感器的輸出軸，通過(guò)聯(lián)軸器傳遞給鏈輪軸，帶動(dòng)鋸鏈工作。導(dǎo)板，可根據(jù)試驗(yàn)中采用的不同型號(hào)的鋸鏈，進(jìn)行調(diào)節(jié)拆卸，以滿(mǎn)足不同的試驗(yàn)測(cè)試需求。

液壓站提供液壓動(dòng)力，控制液壓缸的推進(jìn)。液壓缸前端，通過(guò)S型傳感器與工件固定平臺(tái)相連接，因而能夠在推進(jìn)過(guò)程中測(cè)出進(jìn)給力，即等效為電鏈鋸的徑向力。在電鏈鋸鋸切工件時(shí)，工件會(huì)受到鏈鋸切向力的影響，通過(guò)工件夾具下方導(dǎo)軌尾部的S型傳感器可以檢測(cè)出切向力。液壓缸推動(dòng)木材工件安裝平臺(tái)，通過(guò)鋸鏈完成切削作業(yè)流程。在移動(dòng)過(guò)程中，安裝平臺(tái)經(jīng)過(guò)激光對(duì)射開(kāi)關(guān)時(shí)，會(huì)阻斷激光光線(xiàn)。此時(shí)，對(duì)射開(kāi)關(guān)會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)放大后傳輸至控制器，控制器開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)安裝平臺(tái)徹底通過(guò)對(duì)射開(kāi)關(guān)之后，即整個(gè)鋸切流程結(jié)束，計(jì)時(shí)結(jié)束，得出的時(shí)間即為鋸切時(shí)間(t)。根據(jù)公式即可計(jì)算出進(jìn)給速度u=L/t，L為木材直徑、t為鋸切時(shí)間。

試驗(yàn)臺(tái)控制以及數(shù)據(jù)采集，采用可編程控制器完成，在每個(gè)試驗(yàn)流程結(jié)束后將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)上，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與分析。

2 電鏈鋸鋸切試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用試驗(yàn)

采用紅松、楊木兩個(gè)樹(shù)種木材作為試驗(yàn)用材(見(jiàn)表2)；試驗(yàn)采用3種不同的鋸鏈(節(jié)距分別為8.255、9.525、10.26 mm)對(duì)試材進(jìn)行鋸切試驗(yàn)，3種不同鋸鏈節(jié)數(shù)均為64、中導(dǎo)齒數(shù)量均為32、刀齒形狀均為直角、中導(dǎo)齒厚度均為1.09 cm。

表2 試材主要參數(shù)

2.1 鋸切試驗(yàn)方法

①將鋸鏈安裝至導(dǎo)板上，使用螺絲調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)鏈條張力，并涂抹鋸鏈潤(rùn)滑油，啟動(dòng)電源使鏈鋸運(yùn)轉(zhuǎn)，確保其能夠正常轉(zhuǎn)動(dòng)。

②檢查相關(guān)元件安裝無(wú)誤，打開(kāi)傳感器、可編程控制器、計(jì)算機(jī)電源，啟動(dòng)keil uvision5軟件，導(dǎo)入編寫(xiě)好的程序并調(diào)試。

③將試材固定在夾具上，打開(kāi)試驗(yàn)臺(tái)電源開(kāi)關(guān)，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，等待電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定之后調(diào)零，啟動(dòng)液壓缸進(jìn)給裝置，移動(dòng)至鋸鏈，進(jìn)行鋸切。

④鋸切過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器采集鏈輪實(shí)時(shí)扭矩、轉(zhuǎn)速，3個(gè)S型傳感器分別采集進(jìn)給力、切削力，4個(gè)參數(shù)采集間隔為0.1 s，激光對(duì)射光電開(kāi)關(guān)采集鋸切時(shí)間，然后通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)傳輸至可編程控制器，經(jīng)由信號(hào)轉(zhuǎn)換之后再傳輸至計(jì)算機(jī)中。

⑤每組試驗(yàn)采用上述試驗(yàn)步驟改變變量，進(jìn)行正交和單因素試驗(yàn)。

2.2 影響切削力的多因素正交試驗(yàn)

試驗(yàn)選取對(duì)電鏈鋸鋸切指標(biāo)影響較大的含水率、切削速度、鋸切深度、鋸口長(zhǎng)度(即木材直徑)為試驗(yàn)因素，每個(gè)因素取3個(gè)梯度(見(jiàn)表3)，以L(fǎng)27(34)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，分析各因素對(duì)電鏈鋸切削力、鋸切比功的影響。切削速度，由變頻控制器控制，由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)定；含水率，利用烘干法控制，通過(guò)水分測(cè)定儀測(cè)定；鋸切深度，通過(guò)改變鋸鏈尺寸控制，即改變鋸鏈護(hù)刀齒長(zhǎng)度；鋸口長(zhǎng)度，通過(guò)改變?cè)嚥闹睆娇刂啤?/p>

表3 對(duì)電鏈鋸切削力和鋸切比功影響因素的梯度設(shè)計(jì)

在研制的電鏈鋸鋸切試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行鋸切試驗(yàn)，按照上述試驗(yàn)步驟重復(fù)試驗(yàn)3次，以3次試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值為依據(jù)計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表4)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析(見(jiàn)表5)。由各組極差分析可得，各因素對(duì)切削力的影響，由大到小依次為鋸口長(zhǎng)度、鋸切深度、含水率、切削速度；各因素對(duì)鋸切比功的影響，由大到小依次為鋸口長(zhǎng)度、含水率、切削速度、鋸切深度。

表4 4個(gè)因素對(duì)電鏈鋸切削力和鋸切比功影響的正交試驗(yàn)結(jié)果

表5 4個(gè)因素對(duì)電鏈鋸切削力和鋸切比功影響的正交試驗(yàn)結(jié)果極差

2.3 單因素對(duì)鋸切指標(biāo)的影響

保持其余因素不變，改變某一因素，分析鋸口長(zhǎng)度、含水率、切削速度、鋸切深度4個(gè)因素單因素對(duì)切削力和鋸切比功的影響(見(jiàn)表6)。由表6可見(jiàn)：

表6 單因素對(duì)鋸切指標(biāo)影響的試驗(yàn)結(jié)果

鋸口長(zhǎng)度/mm切削力/N進(jìn)給力/N鋸切比功/kg·mm-2鋸切深度/mm切削力/N進(jìn)給力/N鋸切比功/kg·mm-210107.6121.320.956235.8261.547.2413128.1141.917.617271.2298.142.4815152.5170.314.928311.9345.837.2618181.4197.512.699358.6398.333.2820215.9241.110.7610412.5459.330.25

①在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的試材含水率范圍內(nèi)(10%～30%)，隨著含水率增加，切削力、進(jìn)給力、鋸切比功隨即增大。這是由于在試材到達(dá)其纖維飽和點(diǎn)含水率之前，隨著含水率的增加，木材纖維的強(qiáng)度以及韌性也隨即增加，導(dǎo)致電鏈鋸鋸切過(guò)程中所需要的切削力也增大，進(jìn)給力即切削阻力也會(huì)隨之增加。在切削力增加時(shí)，鋸切比功隨之增加，鋸切效率會(huì)下降。因此，在使用電鏈鋸進(jìn)行鋸切作業(yè)時(shí)，盡量選擇干燥的天氣，避免在雨中或者雨后進(jìn)行作業(yè)。

②在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的切削速度范圍內(nèi)(6～14 m/s)，隨著切削速度增加，切削力、進(jìn)給力、鋸切比功均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)相對(duì)于其他因素較緩。隨著切削速度提高，木材的變形減小，導(dǎo)致鋸切過(guò)程中所需要的切削力變小。但由于切削速度的變化對(duì)于切削力影響不大，要獲得最佳的切削效率，主要取決于電鏈鋸的電動(dòng)機(jī)提供足夠的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而非動(dòng)力。

③在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的鋸口長(zhǎng)度范圍內(nèi)(10～20 cm)，隨著鋸口長(zhǎng)度的增加，切削力、進(jìn)給力增加，鋸切比功減小。鋸口長(zhǎng)度，一方面取決于試材的直徑，一方面取決于電鏈鋸鋸鏈的長(zhǎng)度；當(dāng)試材直徑大于鋸鏈長(zhǎng)度時(shí)，鋸鏈越長(zhǎng)，表明參與鋸切的刀齒越多，則切削力越大。因此，為了獲得較大的鋸切效率，在一定范圍內(nèi)選用較長(zhǎng)的鋸鏈進(jìn)行鋸切作業(yè)。

④在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的鋸切深度范圍內(nèi)(6～10 mm)，隨著鋸切深度的增加，切削力、進(jìn)給力增加，鋸切比功減小。鋸切深度，由電鏈鋸鋸鏈上的護(hù)刀齒的長(zhǎng)度決定；護(hù)刀齒越長(zhǎng)，則鋸切深度越大，產(chǎn)生的切屑的厚度也越大。在鋸切過(guò)程中，主要會(huì)產(chǎn)生三部分阻力，分別為鋸齒鋸切木材的阻力、摩擦阻力、輸送切屑阻力。隨著鋸切深度的增加，切屑厚度變大，導(dǎo)致鋸齒與切屑的接觸面積變大、切屑體積變大，隨即鋸切阻力、摩擦阻力、輸送切屑的阻力變大，因而切削力、進(jìn)給力均會(huì)變大。

3 結(jié)論

針對(duì)電鏈鋸鋸切性能的研究，設(shè)計(jì)了一種電鏈鋸鋸切試驗(yàn)臺(tái)，能夠檢測(cè)電鏈鋸鋸切過(guò)程中的切削力、進(jìn)給力、進(jìn)給速度、鏈輪輪軸扭矩、鏈輪輪軸轉(zhuǎn)速。

應(yīng)用正交試驗(yàn)分析4個(gè)因素對(duì)電鏈鋸鋸切性能的影響，各因素對(duì)切削力的影響，由大到小依次為鋸口長(zhǎng)度、鋸切深度、含水率、切削速度；各因素對(duì)鋸切比功的影響，由大到小依次為鋸口長(zhǎng)度、含水率、切削速度、鋸切深度。鋸口長(zhǎng)度影響最大。

在單因素影響試驗(yàn)中，木材含水率、鋸口長(zhǎng)度、鋸切深度的增加，均會(huì)導(dǎo)致電鏈鋸鋸切過(guò)程中切削力、進(jìn)給力的增加；切削速度對(duì)切削力、進(jìn)給力的影響較小；鋸口長(zhǎng)度、鋸切深度的增加，會(huì)導(dǎo)致鋸切比功降低；含水率、切削速度的增加，會(huì)導(dǎo)致鋸切比功增加。

為了獲得更高的鋸切效率，應(yīng)保持較低的木材含水率、較高的電機(jī)轉(zhuǎn)矩、較大的鋸口長(zhǎng)度、較大的鋸切深度。本研究中，當(dāng)含水率為10%、鋸口長(zhǎng)度為20 cm、鋸切深度為10 mm、切削速度為14 m/s時(shí)，電鏈鋸取得最優(yōu)鋸切效率。