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液压传动(或气动)如果需要复杂的运动,则需要较多的控制阀,一般与机械传动混合使用。
考虑到设计简单起见,整枝机传动部分的设计采用纯机械式的传动机构,如齿轮、蜗轮、蜗杆传动,直接驱动整枝机轮胎、锯切机构来进行工作[10]。
上升、下降、速度控制均采用机械控制的方式,如变速杆、拨叉控制的方式.变速杆与拨叉的工作则通过两个小型电机来进行操作.整枝机的切削部分在整枝上升到达树枝前,应当与树干脱离,以避免刀具与树干表面突出物的接触,因此应当设计结合、脱离的机构.使上升不锯切时切削机构脱离树干;
需要切削树枝时,切削机构贴近树干,锯切遇到的树枝。
在整枝机的切削机构上面还应当设计必要的避让机构,使锯链在不适于切削的时候避开树枝,在下一个工作循环再进行切削。
第2章整枝机工作参数的确定及锯切机构工作特点
2.1树木直径
通过大量的调查发现需要通过机械整枝的树木直径大多在7—22cm之间,其中大多在10~18cm之间[11]。
对于用材林来说一般需要整枝的树木直径在10—15cm之间,对于园林部门来说需要整枝的树木直径的范围则比较大,一般在10~20cm之间。
因此将整枝机可以工作的树木直径限定在7.2cm至7.3cm之间是比较合理的[12]。
可以整枝的树木直径将决定整枝机机架、夹紧机构、锯切机构等系统的设计。
2.2工作高度
整枝机的工作高度,取决于树木的种类、树木的高度。
常规的整枝强度不能超过树木高度的2/3,一般为1/4、1/3、l/2,因此一般30m高的树木整枝高度不应超过20m。
对于树木的不同生长时期,整枝作业的高度也不相同。
大多数情况下整枝的高度都在10m以下。
树冠的直径一般不超过20m,因此在距离树木中心10m以外应该是很安全的[13]。
整枝的最大高度按20m计算,因此遥控的距离应大于~/102+202=22.36m.
2.3整枝机可用锯切机构切削的最大枝丫的直径与形态
树枝的尺寸与形态将决定整枝机参数的设计,根据对北京林业大学西山林场、北安河村用材林基地、塞罕坝机械林场的油松、侧柏、华北落叶松、白杨的调查[14]。
胸径在10~20cm的油松树枝直径一般在2.0~5.0cm之间;
胸径在10~20cm的侧柏树枝直径一般在1.0~4.9cm之间;
胸径在10~20cm的华北落叶松树枝直径一般在1.0~5.0cm之间,其中1~3cm的树枝直径占89%,1~4cm的占97.7%,大于4cm的只占总数的2.3%,胸径在10~20cm的华北落叶松的树枝直径相对较小。
因此,整枝机可以切削的最大枝丫直径可以定为6cm.树枝与树干的角度也将影响到整枝机的结构与有关参数的设计,通过调查,不同类型的树木,其树枝生长的角度差异是比较大的,整枝机设计时应当进行考虑[15]。
油松的树枝与树干的平均角度比较大,65°
以上的占80%以上。
毛白杨的树枝与树干的平均角度比较小,一般在40°
一60°
。
侧柏的树枝角度分布范围比较宽,从30°
到90°
以上都有,600以上的占总数的2/3以上。
对于华北落叶松,树枝的角度大部分在50°
以上。
因此整枝机设计时,不同树种的整枝作业应当有不同的设计,尽量使设计的整枝机的切削机构适应面比较宽,同时整枝机的避让机构的设计应当可以适应树枝角度的变化。
对于不同的树种,切削机构、避让机构的部件也应当可以进行适当的调节,以适应树种以及树枝角度的变化.对于整枝机的切削机构来说,不同的树枝角度,如果按照统一的模式使刀具贴近树干将树枝锯下[16],那么切削以后的创面将有所不同,角度为90°
时切削面为圆形,角度减小时,切削面的形状将变为椭圆形,椭圆的长轴随角度减小而增大,椭圆的短轴不变,等于树枝的直径。
根据计算对于直径为20mm、锥度为1。
树枝来说,角度为50°
、60°
、70°
、80°
时切削面积为900时的1.3、1.15、1.063、1.015倍。
理论上来说,锯切切削面积的越小越好,将有利于树枝切口处的愈合,但是对于整枝机的设计来说,如果使刀具垂直于树枝的轴线方向,那么不同的树枝就要做不同的调整,让整枝机进行智能化的调整,是非常困难的。
另外调整刀具角度,锯切树枝以后,将有露出树干的树枝残留,给整枝机的上升运动带来一定的困难.对于整枝机的刀具来说,调整刀具角度后,就必须减小刀具的尺寸,否则可能与树干接触,或留的茬较大。
因此对于整枝机的设计来说,调整整枝机切削刀具的角度弊大于利,设计时可以不考虑树枝角度的变化,有利于整枝机的设计[17]。
对于整枝机的锯切机构来说,树枝角度的变化将影响传感器的动作临界点的位置,对于不同的树种,整枝机的锯切机构的位置可以做适当的调整。
另外不同树种的树枝分布也不一样,例如侧柏的树枝没有明显的节的概念,什么位置都有可能长出树枝,这就要求切削机构的尺寸应当尽可能小,不能同时切削不同的树枝.对于华北落叶松,树枝是分层的,一层树枝一般都有4~6个树枝,树枝的直径都在1~5cm之间,同一层树枝之间的树枝,一般都有一定的角度和空间。
对于整枝机来说,如果要适应所有的树种和树枝形态,其切削机构的布置应当采用竖直方向,即与树干方向基本一致,不能采用较大尺寸圆锯片等结构,因此应该采用导板、锯链式结构,且导板宽度应尽量小[18]。
2.4轮胎及参数选择对锯切的影响
考虑到整枝机需要通过车轮来驱动整个机器上升和下降,还需要克服切削时的工作阻力,整枝机上升的动力全部来自于车轮与树木的摩擦反力[19]。
因此选择的轮胎应当具有较大的摩擦系数,轮胎的表面尽量带有花纹,选择比较宽的低压轮胎.轮胎的工作压力在2~3kg/cm2比较合理.
由于整枝机在上升时,轮胎还应当可以越过树干表面不平的凸起部分,因此轮胎的直径不应当太小,选择直径20cm的橡胶、带有花纹的轮胎比较合适.考虑到树木的不圆性,驱动轮胎不能只布置在一侧,应该在左右、上下均有驱动轮,以便有不能可靠接触树木的轮胎驱动空转时,仍能获得足够的驱动力,驱动整枝机上升和克服锯切时产生的锯切阻力。
夹紧轮的直径与驱动轮的直径不一定相同,可以取的较小,但也不能太小,应能灵活越过树干上的凸起部分。
因此选择夹紧轮的直径为16cm,宽度小于驱动轮的宽度,以减小摩擦阻力。
第三章锯切机构设计与运动分析
3.1立木整枝机锯切机构
立木整枝机锯切机构的工作部分由两个铰链固定的锯切结构组成,分别位于回转大盘上呈180°
的对称位置上。
该锯切机构通过铰链与回转大盘连接,在大盘回转过程中通过导向杆与大盘下方曲线导轨的配合使得锯切机构能在0°
-20°
范围内转动,以保证在锯切过程中锯片保持与管材的进给方向相垂直,使得切口平直,避免夹锯现象发生[20]。
由交流电机驱动垂直的主轴,通过锥齿轮改变运动方向后将运动传递给锯片。
为了保证锯片的运动传递能够在整个锯切机构变角度运动的过程中不受影响,特别使用了两个位于锯片传动轴两端的等速万向节来实现变角度等速运动的传递。
整个回转大盘通过伺服电机带动,按照计算好的运动曲线实现变速运动,从而实现对管材按预计的位置切割。
由回转大盘带动锯切机构1和锯切机构2交替实现切割运动。
结构简图如图3-1所示。
图3-1锯切机构结构简图
1.回转大盘2.等速万向节3.传功辆4.曲线导轨5.铰链固定锯切机构16.导向杆7.锯片28.交流伺服电机9.导向轮10.接近开关11.被切管材12.光带开关13.测速辊14.回转方向15.主轴选择箱16.交流电机17.锯片118.锯片轴19.锯片轴20.铰链固定锯切机构
3.2锯切运动过程分析
整个锯切机构在工作工程中的运动主要由三部分组成:
一是大盘的变速回转运动,即回转大盘在交流伺服电机带动下做的变速回转运动;
二是锯切机构变角度运动,即锯切机构在回转过程中受导向杆沿曲线导轨运动引导而做的变角度运动;
三是锯片的回转运动,即锯片绕锯片轴的回转运动[21]。
大盘的变速回转运动:
假设大盘的当前位置如图1所示,为了使锯切机构1能够完成一次切削,回转大盘的运动应分为四段,运动曲线如图2所示。
AB为等待段,即锯切机构1在初始位置等待控制系统发出运动指令的阶段;
BC为追踪段,在这个过程中,控制系统发出运动指令,伺服电机带动转盘以sin2A曲线正向加速(经计算验证sin2A曲线既无刚性冲击又无柔性冲击),使锯切机构1到达切入点时,其沿管材进给方向的速度与被切管材运动速度相等;
CE为同步段,锯切机构1在这一过程中始与管材同步同速运动,其中C点是锯切机构1切入时刻,D点为切出时刻。
切出后,为了使锯片1与管材不干涉,锯切机构1仍要与管材保持同速运行一段时间至E点;
DE为正向减速段,通过大盘制动减速,使锯切机构1按等减速运动直到停止。
当一个切削过程结束时,锯切机构2与锯切机构1位置互换,由锯切机构2按照图2的速度曲线完成下一个切削过程,实现双锯片的交替切削。
如图3-2所示
图3-2单次切削中回转大盘的速度曲线
锯切机构变角度运动:
假设锯片回转中心和大盘回转中心的连线与锯片的夹角为A,如图3所示,锯切机构位置如图1所示。
在大盘处于图2曲线的AB段时,A为0b。
当大盘启动运行进入BC段时,随着曲线导轨的变化,导向杆使A由0b开始增加,到切入点(见图3b)时为最大值16b。
当大盘运动进入CD段时,A逐渐变小,至切出点(见图3a)时为0b,通过A角的变化使得锯片始终与被锯切树木的进给方向保持垂直,锯片沿管材进给方向的速度始终与被切管材的进给速度保持相等,以保证被切树木的切口平直。
在回转大盘的等减速过程中,A保持为0°
,直至回到平衡位置等待下一次切割。
(a)(b)
图3-3锯片切入切出过程中角度变化示意图
在随大盘回转过程中曲线导轨起到了改变锯切机构与直径方向夹角的重要作用,因此导轨的精度决定了切割精度,在以回转大盘圆心为原点的极坐标系中曲线导轨的方程为
其中,P为极坐标中极径;
H为锯片与所在位置极角;
以上公式由于设计结构不同会略有不同。
锯片的回转运动:
锯片的回转运动由三相交流异步电机通过两组锥齿轮传递,在切削过程中始终保持匀速圆周运动,从而使锯切过程能够顺利完成。
3.4结语
通过以上分析可知,立木整枝机锯切机的切削运动是由回转大盘的变速运动和锯切机构的变角度运动合成实现的。
两种运动的合成保证了切削过程中不夹锯,不出现斜口。
同时由于双锯片锯切机是由两组锯切机构交替切削,减少了累积误差,提高了锯切精度。
第四章立木整枝机及锯切机构的设计要点
4.1锯齿材料研究
锯齿材料研究主要围绕提高锯齿的耐用度而展开,不断有新型刀具材料和锯齿增强技术问世,如聚晶金刚石刀具(PCD),加工人造板时,其耐用度为同条件下硬质合金刀具的100~300倍。
此外,锯齿涂层技术的应用也日益广泛。
4.2减小锯路损失研究
在带锯方面,相继开发了高张紧力锯条、控制锯口偏斜技术、空气静压导向装置等。
同时,还对圆锯片和带锯条的稳定性进行了理论分析,运用有限元方法计算圆锯片的固有频率,找出影响锯身稳定性的相关因素,以期减少锯路宽度,并研制超薄锯片。
4.3提高锯切表面质量研究
弧线侧刃锯齿最大的优点是明显改善了锯切表面质量,工件边棱没有崩茬,且锯切表面粗糙度明显好于传统的直线侧刃锯齿锯切表面。
但该种锯齿有三点不足:
一是切削阻力大于传统直线侧刃锯齿;
二是锯片振动大;
三是锯料量大于传统直线锯齿,所以锯路损失大[22]。
金属锯片表面粗糙度最大数值为
=26μm。
但由于齿侧刃是一条折线,所以不便于制造和维修。
另外,作为硬质合金锯片,其锯切的表面粗糙度数值还是比较大。
我们初次试验的零锯料角硬质合金锯片,其锯材粗糙度为
=10μm。
4.4锯切表面粗糙度影响因素研究
前苏联专家全面研究了圆锯的锯痕形成机理。
在给出4种齿型的4个锯痕深度公式中原来含有锯料角,但在锯痕深度值近似公式中,用锯料量与锯料高度之比替代了锯料角。
由此可见前苏联专家对锯料角的忽视,事实也证明了这一点,在带锯、圆锯每齿进给量与表面粗糙度的关系表中也没有考虑锯料角。
欧洲学者直接用每齿进给量描述锯切表面粗糙度,根本没有把锯料角作为一个影响粗糙度的因素。
如英国标准BS4411:
1969《整枝锯条技术条件》中连锯料角的名称都没有就是有力的佐证。
甚至到2006年,波兰学者在德文杂志发表的《框锯机锯切表面洗衣板现象的研究》论文中有6个公式也都忽略了锯料角对锯切表面粗糙度的影响。
日本学者在锯痕形成机理研究方面各具特色,其中野口昌巳先生给出了圆锯的锯痕理论值计算公式,指出锯料角是影响锯痕深度的因素之一,福井尚教授的圆锯片锯痕深度公式中除了锯料角外还包含了齿刃摆动量。
我国专家习保田教授也指出,锯料角是影响锯痕深度的因素之一。
总之,传统的木材锯切理论认为,每齿进给量和锯切表面粗糙度相互矛盾,即锯切效率与锯切质量相互矛盾。
4.5降低噪声研究
该研究主要以圆锯片为研究对象,研究成果很多。
对圆锯片来说,已找出了锯片振动作用力的频率与转数以及齿数的关系为
=
·
Z。
式中
为作用频率;
为锯片转数;
Z为锯片齿数。
研究表明,减少齿数可以降低噪声。
同时,开发了降低噪声的细缝锯片。
其中,德国
工业大学设计的夹层锯片可降低噪声10dB(A)。
4.6安全圆锯片研究
根据锯子锯齿数少锯切功率小、切削力也小的木材锯切理论,开发了安全锯片。
在同样的条件下,减小锯切功率25%~35%,安全性好。
4.7锯切功率影响因素研究
各国专家主要是围绕锯齿角度参数、齿距、齿室面积、锯料量、锯料角等因素与锯切功率的关系开展研究,提出了如下重要理论。
1、当其它锯切条件相同时,齿距大,锯切功率小。
2、齿室面积一般与锯切功率成正比。
3、锯料量过大、过小都会引起锯切功率的增加。
4、锯料角在一定范围内增加,锯切功率下降。
4.8低噪声、低切削力、高锯切表面质量圆锯片研究
日本监房刀具株式会社开发出了低噪声、低切削力、高切削表面质量的圆锯片,如图19所示。
该锯齿型特殊,尤其是齿前面为尾折面,切削阻力小;
锯身开有消声槽及形状、长度不同的热膨胀槽。
但该锯片齿型过于复杂,维护成本高。
图4-1低噪声、低切削力、高锯切表面质量圆锯片
4.9带锯条插装锯齿技术研究
插装锯齿的特点如下:
1、用10s的时间就可以拆装一个锯齿;
使用专用工具拆装一根锯条约用40min。
2、可以根据木材的软硬选择锯齿的红硬性。
3、锯齿材料为工具钢,采用金属粉末注射模塑成型技术(MIM)制成,利用等离子技术处理锯齿齿面,锋利性好,锯料量公差±
0.02mm。
4、插装锯齿不用加热,不降低硬度。
使用此锯齿加工锯材表面光滑、缺陷少、弯曲变形小。
该锯齿寿命是司太立合金的2倍,提高了锯材效率和修锯效率,改善了作业环境,适用于月产100m3的锯材生产。
4.10零锯料角木工锯子技术
根据零锯料角木工锯子理论设计的零锯料角木工锯子锯切木材可以在高质量、高效率的基础上实现高效益锯切。
1、零锯料角木工锯子的锯口窄。
2、零锯料角木工锯子锯齿的耐用度高。
传统锯齿
的耐用度随着锯料角的减小而增大,但锯料角不能小于10°
否则锯切功率增大。
零锯料角木工锯子的锯料角为0°
故其锯齿耐用度高于传统锯齿而节省了锯子的维护费用,增加了经济效益。
3、锯齿数少,结构简单。
零锯料角木工锯子结构简单,与其它木工锯子不同,该锯子每个锯齿都是刨削齿,无须另设刨削锯齿,由于齿距大(齿数少),从而节省了锯子的制造和维护费用。
4、零锯料角木工锯子的锯切功率小,节省能源。
由木材切削原理可知,在其它切削条件相同时,增大齿距或减少齿数能使锯切功率降低,而且切削力随着锯料量的减小而减小。
实验结果也证明了这一点,齿距增大一倍后切削功率降低7%以上,齿距增大二倍时锯切功率减少幅度超过15%。
因此说,零锯料角木工锯子能耗小。
另外,对圆锯片来说,减少锯齿数不仅可以降低噪声,而且锯子的安全性能也得到提高。
综上所述,零锯料角木工锯子具有9大特点:
①锯切表面粗糙度数值小,锯切质量高;
②每齿进给量大,锯切效率高;
③锯口窄,锯料量小;
④锯齿数少;
⑤锯切功率小;
⑥锯齿耐用度高;
⑦结构简单;
⑧安全性好(仅限圆锯);
⑨噪声低(仅限圆锯)。
零锯料角木工锯子的整体性能是现有木工锯子根本无法相比的。
可以说,到目前为止,只有零锯料角木工锯子才是我们追求的高质量、高效率和高效益的木材加工的理想木工刀具。
参考文献
[1]黄冶,袁玉峰,孔红娃,等。
修枝对红松人工林林木生长和木材力学性质影响[J]。
东北林业大学学报,2002,30
(1):
76—77.
[2]邹绍荣:
杉木无节材人工修枝培育技术[J]。
林业实用技术,2005(3):
19。
[3]肖祥希:
修枝对福建柏林分生长及无节材形成的影响[J]。
林业科学研究2005,18
(1):
22—26。
[4]王乃康,茅也冰,赵平,现代园林机械[M]。
北京:
中国林业出版社,2001:
157—158。
[5]方升佐,徐锡增,严相进,等。
修枝强度和季节对杨树人工林生长的影响[J]。
南京林业大学学报,2000,24(6):
6—10。
[6]宋宝昌,许忠海,程力杰,等,人工林修枝装置的研究[J]。
木材加工机械,2003,14(4):
14一15。
[7]中国林业机械协会编,当代林木机械博览2007/2008[M],中国林业出版社,2009.01。
[8]李瑞琴编著,机构系统创新设计[M].国防工业出版社,2008.4P175。
[9]刘延俊主编,液压与气压传动[M],机械工业出版社,2006.12,P3-P5,P203
[10]马龙滨,森林采伐机械与工具(第2版)[M].中国林业出版社,1991年03月第1版。
[11]肖正福刘淑琴胡宜萱。
木材切削刀具学[M].哈尔滨:
东北林业大学出版社,1993.3832387。
[12]张俊梅等,人工工业用材林整枝机器人无线电遥控系统的研制,2003,31(9):
7-10
[13]谢旋新,抚育机械化的发展趋势和我国实现途径,林业建设,2003,(3):
22-24
[14]刘学龙,5ZDB-185A型便携式电动园林整枝机,林业机械与木工设备,2000,28(8):
32-33
[15]刘鑫源,毛白杨的整形与修枝,林业科技通讯,1998,
(2):
41
[16]张海涛等,人工红松林整枝强度与枝干生长关系研究,林业科技通讯,2000,(8):
28-29
[17]陈明微.PLC控制气动定尺飞锯[J]。
焊管,1999,22
(2):
28-31。
[18]杨盛,徐键等,PLC在焊管飞锯定尺控制中的运用[J]。
电器传动自动化,2003,25
(2):
48-49。
[19]代丹:
气动飞锯上应用可编程控制器(PLC)[J]。
现代机械,2002(4):
78-79。
[20]付东翔,刘吉和。
直线电机驱动飞锯及其控制系统[J],焊管,2002,25
(1):
51-53。
[21]张齐生:
中国的木材工业与国民经济的可持续发展[J]。
林产工业,2003(3):
11-14。
[22]苟宏:
金融危机下我国木工机械市场现状及应对措施[J]。
林业机械与木工设备,2009,37
(2):
9-12。
致
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