面向東北人工林的輥式清林切削裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

關(guān)鍵詞：東北人工林； 清林裝置； 參數(shù)設(shè)計(jì)； 應(yīng)力應(yīng)變； 仿真分析

中圖分類號(hào)：S225；S776. 21+1；TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10. 7525/j. issn. 1006-8023. 2024. 06. 013

0引言

森林砍伐時(shí)，雜草等非目標(biāo)植物大量存在于森林中。這些雜灌會(huì)影響采伐人員的視線，對(duì)造林、采伐作業(yè)造成干擾，嚴(yán)重時(shí)還可能造成工作停滯，甚至出現(xiàn)不可預(yù)料的意外情況［1-3］。因此，研究設(shè)計(jì)一種清林裝置［4］，在伐木前對(duì)雜灌進(jìn)行切削處理，以更好地控制伐根高度，同時(shí)對(duì)保護(hù)工人的生命安全具有重要意義。

對(duì)清林裝置的設(shè)計(jì)，根據(jù)工作頭結(jié)構(gòu)形式的不同，主要分2種，一種為盤(pán)式，一種為輥式［4］。盤(pán)式工作頭主要是以Machine Division 生產(chǎn)的Slash-Buster系列盤(pán)式清林裝置為代表的［5-6］。該系列產(chǎn)品具有多種型號(hào)，以HD422為例，這款產(chǎn)品的額定轉(zhuǎn)速為350～450r/min，可以通過(guò)自身攜帶的快速裝配頭掛裝到小型挖掘機(jī)，并通過(guò)挖掘機(jī)的液壓裝置進(jìn)行工作，額定工作油壓可達(dá)25 MPa，通過(guò)刀盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)相應(yīng)的工作對(duì)象完成清理工作。類似的工作裝置還有RDM系列高性能清林割灌機(jī)［7-8］，該裝置由美國(guó)Advanced Forest Equipment公司開(kāi)發(fā)。盤(pán)式清林裝置的單次清理面積較小，功率和適用的切割直徑也不大，一般在工況不太惡劣且工作量不大的場(chǎng)所。并且為了應(yīng)對(duì)大面積、環(huán)境惡劣地帶的清林工作，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和公司研制出了輥式清林裝置，輥式清林裝置以PrimeTech公司研制的PT系列為代表。但現(xiàn)有輥式清林裝置，其工作頭一般較大、功耗較高，具有較大可切削徑級(jí)的特點(diǎn)［9-10］。

我國(guó)的清林裝置包括手持油鋸、斧頭和手鋸和背負(fù)式割灌機(jī)。相對(duì)來(lái)說(shuō)背負(fù)式割灌機(jī)的工作效率更高，但僅適用于雜草和細(xì)小枝條的小范圍處理。同時(shí)，工人在作業(yè)時(shí)需要長(zhǎng)時(shí)間攜帶設(shè)備，使得工人具有勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，且易受傷，安全系數(shù)低的工作特點(diǎn)［3，10-11］。我國(guó)東北地區(qū)人工林灌木數(shù)量較少，樹(shù)叢間隔較小且固定不變，林中堆積有少量土石堆。由于盤(pán)式清林裝置切削覆蓋面積較小，若清林機(jī)往復(fù)行走切割，則降低了工作效率［12］。以PT系列為代表的輥式清林裝置因?yàn)榍邢鞑糠殖叽绾颓邢髁α窟^(guò)大、無(wú)法實(shí)現(xiàn)節(jié)油，容易造成能源浪費(fèi)［13-14］。不適用于我國(guó)東北人工林區(qū)，所以為了更好地實(shí)現(xiàn)清林工作，針對(duì)東北地區(qū)人工林的相關(guān)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種面向東北人工林的清林裝置已經(jīng)迫在眉睫。

本研究提出一種輥式清林切削裝置，供東北地區(qū)使用。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，首先，對(duì)東北地區(qū)的典型人工林進(jìn)行樣地調(diào)查，對(duì)得到的數(shù)據(jù)展開(kāi)詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)分析；然后，根據(jù)得出的相關(guān)結(jié)論，選擇結(jié)構(gòu)形式與清林工作相適應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了確定；最后，進(jìn)行3D建模，并對(duì)關(guān)鍵部件開(kāi)展了模擬分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

調(diào)查范圍為黑龍江省美溪林業(yè)局，美溪林業(yè)局地處湯旺河中上游，小興安嶺南麓附近。地理坐標(biāo)位于47°41′～48°04′N， 128°48′～129°09′E，東南距伊春市區(qū)約20. 5km，北接五營(yíng)、紅星、新青3個(gè)林業(yè)局，南與南岔、西林區(qū)接壤，東與金山屯、鶴崗相鄰，西與烏馬河搭界。以紅松、落葉松等珍貴林木為主［15］，屬溫帶針闊葉混交林區(qū)［16］。

本次調(diào)研需要測(cè)量的數(shù)據(jù)有橫向林木間距、縱向林木間距、1 m²內(nèi)灌木數(shù)量頻率分布、灌木直徑及雜灌間距等?，F(xiàn)選取多塊樣地進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量并計(jì)算，其林木間距、灌木直徑和1 m2內(nèi)灌木頻率分布分別見(jiàn)表1—表4。

橫向和縱向林木間距的測(cè)量樣本數(shù)都是100，由表1和表2可知，最小林木間距小于1 600 mm的分別占4%和7%。由表3可知，灌木直徑較小，尺寸在20 mm 以內(nèi)的高達(dá)98. 7%。由表4可知，1 m2 內(nèi)灌木數(shù)量少于5根的概率達(dá)到了97%。且經(jīng)測(cè)量，雜灌間距都在50 mm以上。

2整機(jī)結(jié)構(gòu)確定及其工作原理

2. 1清林裝置結(jié)構(gòu)確定

盤(pán)式作業(yè)頭剛性好，振動(dòng)小，運(yùn)轉(zhuǎn)順暢，適于切削一般喬灌木，但因?yàn)楣ゎ^覆蓋面積較小，且強(qiáng)度低，不適合大面積作業(yè)及不能用于直徑較大的喬灌木切削。輥式作業(yè)裝置的優(yōu)勢(shì)在于可以有多個(gè)切削刀具同時(shí)作業(yè)，刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，且刀輥、刀座和刀間的安裝方式，使其的強(qiáng)度和剛度都能達(dá)到一個(gè)較良好的狀態(tài)，更適合對(duì)功率和強(qiáng)度有較高要求的東北人工林區(qū)進(jìn)行大面積作業(yè)。

2. 2整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

輥式清林裝置主要機(jī)架、刀輥等組成，如圖 1所示。用于切削的刀具通過(guò)刀座安裝在刀輥上，刀輥安裝在機(jī)架上，同時(shí)保證刀輥能自由滾動(dòng)。由螺栓連接從動(dòng)帶輪與刀輥，通過(guò)皮帶將主動(dòng)帶輪的運(yùn)動(dòng)傳遞到從動(dòng)帶輪，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)帶輪。在工作時(shí)，機(jī)架帶動(dòng)裝置按照設(shè)定的進(jìn)給速度整體前移，主從動(dòng)帶輪驅(qū)動(dòng)刀輥進(jìn)行滾動(dòng)，使雜灌在裝置前移過(guò)程中得以切削。推擋桿在碰到較高的灌木叢時(shí)，為方便切削裝置工作，會(huì)在切削前將其推倒；為了將雜灌切削后作為肥料，切削過(guò)程中會(huì)直接讓雜灌撒到地面。

3關(guān)鍵參數(shù)分析確定

3. 1關(guān)鍵部件尺寸參數(shù)分析

刀座和刀具的轉(zhuǎn)動(dòng)都依賴刀輥，且刀輥要傳遞帶輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，若刀輥尺寸過(guò)大，不利于安裝。經(jīng)調(diào)查得知，不論是橫向還是縱向林木間距小于1600 mm 的僅占很小的一部分，平均在5%，據(jù)此可以設(shè)計(jì)刀輥軸向長(zhǎng)度W=1600 mm，徑向直徑D=300 mm，刀輥壁厚d=10 mm，如圖2所示，故在工作過(guò)程中切屑機(jī)構(gòu)的工作寬度不小于1600 mm，即使有少量殘留，也不會(huì)影響以后的采伐撫育作業(yè)。

采用的刀座是對(duì)稱錯(cuò)位的布置方式，以減輕刀座和刀的重量，減少刀輥的振動(dòng)幅度和工作噪聲。在刀輥上按照規(guī)律設(shè)置4組對(duì)稱錯(cuò)位的刀具，將間隔的2組設(shè)置為相同的安裝方向，并設(shè)置其中一組為15柄刀具，另一組為14柄刀具，4組總計(jì)58刀，相關(guān)的刀座結(jié)構(gòu)和平面設(shè)計(jì)安裝如圖3所示，根據(jù)計(jì)算可得刀座的需求寬度W ≥160/14+15 =5. 52cm，為了保證在對(duì)雜灌的切削過(guò)程中不存在間隙，取W=6cm。

刀具作為清林裝置的核心部件在工作過(guò)程中直接對(duì)雜灌進(jìn)行切削打碎。通過(guò)將刀具安裝在刀座上，可以提高刀具的安全性，增強(qiáng)切削過(guò)程中刀具的穩(wěn)定性［17-18］。分析調(diào)查數(shù)據(jù)，伐區(qū)內(nèi)的灌木直徑最大可達(dá)20 mm，考慮切削需求要保證刀具的高度hgt;2cm，為了充分發(fā)揮刀具的切削功能，初步設(shè)計(jì)刀具高度h_刀具= 50 mm?？紤]到切削時(shí)刀具的強(qiáng)度要求以及在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性，同時(shí)希望刀座對(duì)刀具起到保護(hù)作用，設(shè)計(jì)刀具寬度W_刀具= W_刀座=60mm。根據(jù)查閱資料確定的刀具其他參數(shù)有前角、后角和厚度，分別確定為前角γ₀= 10°，后角α₀ = 15°，刀具厚度t = 20 mm，根據(jù)上述設(shè)計(jì)得出的刀具模型及傾角如圖4所示［19-20］。

3. 2刀輥轉(zhuǎn)速的確定

3. 2. 1轉(zhuǎn)速分析

按照刀輥旋轉(zhuǎn)一圈，同一刀具組對(duì)同一雜灌切削2次進(jìn)行設(shè)計(jì)，在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，進(jìn)給方向相鄰灌木的間隔距離不小于50 mm，此處取相鄰灌木最小間距S = 50 mm，根據(jù)清林機(jī)械的相關(guān)性能參數(shù)確定的進(jìn)給速度約V_m = 1 m/s，則可以計(jì)算在清林切削過(guò)程中進(jìn)給最小間隔的時(shí)間t = S/V_m =0. 05 s ≥ T/2，式中T 為刀輥的滾動(dòng)周期，計(jì)算的T ≤0. 1 s。由轉(zhuǎn)速n = 1/T 計(jì)算得n ≥ 600 r/min，取刀輥轉(zhuǎn)速n = 600 r/min。

3. 2. 2轉(zhuǎn)速臨界驗(yàn)證分析

系統(tǒng)的壽命嚴(yán)重依賴與刀輥的壽命，而刀輥的壽命又受制于刀輥的轉(zhuǎn)速大小。如果刀輥在接近系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速的情況下工作，刀輥的回轉(zhuǎn)速度會(huì)瞬間提高系統(tǒng)的噪聲、加劇振動(dòng)、降低系統(tǒng)的壽命，甚至對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)造成危害。

根據(jù)前面的分析可以得出，輥式清林裝置的切削體系主要包括刀輥、刀座和安裝在刀座上的切削刀具。為了建立數(shù)學(xué)分析模型，現(xiàn)在假設(shè)每個(gè)安裝截面上的刀座和刀具的質(zhì)量都集中到所在截面的刀輥上，從而實(shí)現(xiàn)將切削機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁體系，得到了如圖5所示的簡(jiǎn)化系統(tǒng)，可視為多圓盤(pán)轉(zhuǎn)子的簡(jiǎn)支模型，根據(jù)假設(shè)可知，圓盤(pán)轉(zhuǎn)子的數(shù)量為N，等于截面數(shù)量，此處的系統(tǒng)最小臨界角速度設(shè)定為對(duì)應(yīng)的圓頻率ω_c1 （rad/s）。

根據(jù)設(shè)計(jì)，切削工作時(shí)，刀具承受最大負(fù)載。對(duì)刀具分析可知，刀具的極限工作狀態(tài)為對(duì)3根灌木進(jìn)行同時(shí)切削，此時(shí)刀具是極限負(fù)荷，刀前部和主切削尖部承受 4593.75 N，切削時(shí)長(zhǎng)1. 6×10^-3 s。選擇刀具與刀座接觸面邊界條件“沿Z 軸方向的位移約束（軟件命令為UZ）”，選擇螺紋孔邊界條件“將節(jié)點(diǎn)在所有自由度（即所有方向和旋轉(zhuǎn)）上進(jìn)行約束（軟件命令為ALL DOF）”，設(shè)置單元類型為“三維20 節(jié)點(diǎn)的高階實(shí)體單元（軟件命令為SOLID186”）。設(shè)定好數(shù)據(jù)后再進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，1）在Y 方向上，刀具的模擬應(yīng)變量基本呈現(xiàn)出左右對(duì)稱的規(guī)律。但后刀面變形量大于前刀面。根據(jù)分析可知，刀具的壓縮變形是刀具變形的主要形式，但在模擬中顯示主切削刃的變形量為正數(shù)，這是因?yàn)樵诠ぷ鬟^(guò)程中，前刀刃受到切削對(duì)象的壓縮。2）在Z 方向上，刀具以壓縮變形為主，且隨著靠近主切削刃，變形量也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但是在非接觸工作區(qū)，刀具的變形量則不顯著。3）對(duì)于總變形，隨著靠近主切削刃，變形量逐漸增加，且在Y 方向上表現(xiàn)為階梯分布，顯示的刀具應(yīng)變極值為0. 78×10^-9 m，可以忽略不計(jì)。

4. 2刀輥仿真分析

4. 2. 1刀輥模態(tài)分析

在前面的設(shè)計(jì)中，雖然已經(jīng)校核了刀輥的轉(zhuǎn)速，但是沒(méi)有考慮階梯軸和帶輪等對(duì)轉(zhuǎn)速的影響。為了驗(yàn)證理論校核的可靠性，將對(duì)刀輥系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，刀輥系統(tǒng)采用45#鋼，相應(yīng)的參數(shù)見(jiàn)表6。

刀輥邊界條件定義SOLID，20 NODE 186 單元類型，選擇5階分析階數(shù)校核轉(zhuǎn)速，并提取1階振動(dòng)頻率，分析結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，f=216. 02，根據(jù)n=60f 分析得出n=12 961. 2 r/min。在理論校核階段采用簡(jiǎn)化模型，在模態(tài)分析中增加了階梯軸、帶輪，這是模態(tài)分析得出的數(shù)值小于理論校核值的主要原因。刀輥1階臨界轉(zhuǎn)速為n=12 961. 2 r/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，所以刀輥在正常工作過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)劇烈振動(dòng)。

4. 2. 2基于Adams刀輥動(dòng)平衡分析

如果切削裝置在工作過(guò)程中產(chǎn)生不平衡，不僅會(huì)影響切削效果，嚴(yán)重情況下甚至危及刀輥、刀座和刀具等的安全，甚至出現(xiàn)設(shè)備損壞，因此需要進(jìn)行動(dòng)平衡分析。

將通3D模型導(dǎo)入Adams軟件，如圖9（a）所示。在刀輥的兩端分別施加約束，并根據(jù)設(shè)計(jì)的刀輥轉(zhuǎn)速創(chuàng)建轉(zhuǎn)速為n=600r/min的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)施加轉(zhuǎn)矩Me=194.7N·m，仿真結(jié)果如圖9（b）和圖9（c）所示。

通過(guò)分析圖9可得，切削裝置在工作過(guò)程產(chǎn)生約±0. 35 mm 的徑向振幅，而軸向振動(dòng)約為0，由此得出結(jié)論，刀輥在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中并未發(fā)生失衡現(xiàn)象。

4. 3基于ANSYS的刀座應(yīng)力分析

刀座是安裝和承載刀具的一種重要部件，并位于刀輥上。刀座的工作環(huán)境相對(duì)于刀具來(lái)說(shuō)比較友好，所以在刀座的制作上選用45#鋼。工作期間刀座受力4593.75N，持續(xù)1. 6×10^-3s。設(shè)置好參數(shù)后，進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖10所示。

由圖10的模擬結(jié)果可知，1）刀座以承受刀具的壓力為主，在Y 方向產(chǎn)生的應(yīng)力集中明顯比X 方向產(chǎn)生的應(yīng)力集中嚴(yán)重。2）分析可得刀座產(chǎn)生的應(yīng)力最大為47 862. 7Pa，形變量最大為0. 769×10^-8 m，小于鋼的許用應(yīng)力，因此刀座符合要求。

5試驗(yàn)驗(yàn)證

5. 1刀輥動(dòng)平衡測(cè)試

試驗(yàn)儀器：YYW-2000kg萬(wàn)向節(jié)平衡機(jī)。將刀輥固定在平衡機(jī)上，其中，將有帶輪一端固定在平衡機(jī)左側(cè)，無(wú)帶輪一端固定在平衡機(jī)右端。測(cè)量?jī)啥溯S承處振動(dòng)速度有效值，重復(fù)試驗(yàn)5次，并用噪聲檢測(cè)儀測(cè)量每次試驗(yàn)時(shí)的噪聲，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

設(shè)計(jì)的最大功率為12. 23 kW，小于15 kW，由ISO-2373設(shè)備振動(dòng)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)可知，裝置為Ⅰ類機(jī)械設(shè)備，兩側(cè)振動(dòng)速度有效值在0. 71～1. 8 mm/s，屬于B級(jí)允許型振動(dòng)，最大噪聲94. 2 dB，小于97 dB，屬于A級(jí)良好型振動(dòng)，所以裝備整體符合該振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。帶輪安裝側(cè)即（左側(cè)）振動(dòng)速度有效值要略小于凸軸安裝側(cè)（右側(cè)）振動(dòng)速度有效值的有效值。這主要是因?yàn)橛袔л喬庂|(zhì)量偏大，所以轉(zhuǎn)動(dòng)比無(wú)帶輪處更加平穩(wěn)。

5. 2樣機(jī)的切削性能測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證切削裝置的性能，現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的樣機(jī)進(jìn)行相關(guān)切削試驗(yàn)。首先選擇合適的試驗(yàn)樣地，依次選擇每平方米內(nèi)雜灌密度為6～14根，直徑約為20mm的試驗(yàn)測(cè)試環(huán)境，然后進(jìn)行切削試驗(yàn)，除此之外還行了主干和枝條切削試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置刀輥轉(zhuǎn)速n= 600 r/min，進(jìn)給速度為1m/s。試驗(yàn)測(cè)試如圖11所示，分別進(jìn)行3組試驗(yàn)，切削成功記“+”，失敗記“-”，試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。

由表8可知，單位面積內(nèi)灌木數(shù)量保持在11根以內(nèi)，基本可以成功完成切削試驗(yàn)。按照需求設(shè)定為切削能力≥5根/m²，在6～11根范圍內(nèi)裝置仍能對(duì)灌木進(jìn)行成功切削主要是因?yàn)椋?）裝置在設(shè)計(jì)時(shí)為防備有地區(qū)灌木過(guò)密而留有一定的儲(chǔ)備功率；2）刀輥、刀座質(zhì)量較大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也較大，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣性也可對(duì)灌木構(gòu)成沖擊和切削。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證切削裝置的性能，現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的樣機(jī)進(jìn)行相關(guān)切削試驗(yàn)，設(shè)置刀輥轉(zhuǎn)速n =600 r/min，進(jìn)給速度為0.1m/s，對(duì)樣地伐根進(jìn)行清理，選擇伐根的直徑為100～150mm，試驗(yàn)如圖12所示。

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，針對(duì)直徑小于160 mm的伐根，所設(shè)計(jì)的輥式清林裝置可以完成伐根清理工作，具有實(shí)際應(yīng)用意義。

6結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)得到的樣地調(diào)查數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一種適用于東北人工林區(qū)的輥式切削裝置，設(shè)計(jì)了輥式切削裝置的結(jié)構(gòu)形式和切削方式，并對(duì)關(guān)鍵部件如刀輥、刀座和刀具的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了確定，同時(shí)分析了切削裝置的工作參數(shù)，計(jì)算了切削需求功率：刀輥軸向長(zhǎng)度尺寸W=160cm，刀輥直徑D=30 cm，刀輥壁厚d=1 cm；刀座數(shù)量為58，刀座寬度W _寬=6cm，刀具高度h_刀具=5cm，刀具寬度W_刀具=6 cm，刀具前角γ₀=10°，刀具后角α₀=15°，刀具厚度t=2cm，刀輥轉(zhuǎn)速n=600r/min，切削總功率為P_總=12. 23 kW。

2）基于ANSYS對(duì)刀具切削過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變及刀輥振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行了分析；基于ADAMS對(duì)刀輥的滾動(dòng)動(dòng)平衡進(jìn)行了分析。上述分析結(jié)果表明設(shè)計(jì)的切削裝置滿足工作要求，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

3）刀輥動(dòng)平衡試驗(yàn)結(jié)果表明，刀輥振動(dòng)速度有效值和噪聲都符合ISO-2373振動(dòng)評(píng)定允許標(biāo)準(zhǔn)；樣機(jī)切削性能測(cè)試結(jié)果表明，樣機(jī)能成功完成雜灌切削工作，為裝置理論設(shè)計(jì)計(jì)算提供了證明，也證明了本次雜灌切削裝置的設(shè)計(jì)是成功的。