马 岩， 程森杰， 杨春梅， 任长清， 路 遥

(东北林业大学林业与木工机械工程技术中心，黑龙江 哈尔滨150040)

研究与设计

移动式灌木扦插条截段机截段机构的设计

马 岩， 程森杰， 杨春梅， 任长清， 路 遥

(东北林业大学林业与木工机械工程技术中心，黑龙江 哈尔滨150040)

根据目前人工灌木林抚育及营造林机械较少的现状，提出了一款移动式灌木扦插条截段机截段机构的设计方案。按设计要求确定了截断机构的结构组成，利用三维软件SolidWorks对截段机构进行三维建模，完成摆臂组件及凸轮机构的结构设计。以切削松木为例，通过计算得出截段机构圆锯片的切削功率为2.1 kW，带传动应传递的功率为3.67 kW，并完成3 kW三相交流同步发电机、10马力(7.35 kW)柴油机的选择。截段机构的设计可为后续的仿真分析及样机的制备提供充实的理论依据，可缩短研制周期及降低生产成本，具有一定的经济效益和社会效益。

灌木截段；结构设计；三维建模；切削功率

沙棘、沙柳等灌木的生存能力极强，由于其独特的生理特性，对环境条件具有较为广泛的适应能力，不仅成为防沙治沙、营林造林的优良植被，更是人造板生产的优质原料，因此得到了大面积的推广种植[1-3]。根据第八次全国森林资源清查结果，我国人工林面积达0.69亿hm2，灌木林达0.56亿hm2，随着人工乔灌木林的规模化种植以及早期营造速生丰产林的陆续成熟，我国林业将走向以采收人工林为主的轮伐经营时期，但为保证其良好的生长态势，促进生物量的积累，保证在2020年实现全国森林覆盖率达到23 %的目标，在采收轮伐的同时，还需进行抚育及营造林作业，因此相应的技术装备需求也会随之不断增加。

传统的灌木扦插条截段主要通过手柄控制的圆锯上下进给锯切，结构简单，锯切机构大多安装在固定机架上，驱动电机等受供电线路限制，不易移动；锯切的同时还需人工压料，其自动化程度不高，锯切效率低，且人工手动操作时，操作人员离锯片较近，容易发生危险。因此，设计一款移动式人工及次生林灌木扦插条截段机，整机能够实现灵活移动，适应多种不同地形环境，实现灌木平茬后就地进行扦插条截段、收获，对推动我国林业产业的发展、转变林业生产方式及节约劳动成本等具有重大意义[4-5]。

1 移动式灌木扦插条截段机截段机构的结构要求

本文设计的截段机构既要结构简单、方便移动，还要保证工作过程的平稳可靠，截段效率高，具体设计要求应满足以下几点[6-7]：①整机操作简单，方便移动，可适应不同地形环境的作业；②不同种苗和枝条长度是影响扦插条育苗成活率的关键，一般应选用1或2年生直径在10～30 mm之间的枝条，截段枝条长度为100～200 mm，槎口倾斜角度为30°或45°；③为避免切削过程中槎口被锯片打裂，保证槎口表面光滑整齐无毛刺，应优先采用普通细齿圆锯片，锯片切削速度应不低于1 800 r/min；④灌木枝条上的侧枝、树叶经简单处理，每3～4根打成一捆，便于截段[8-9]。

另外，由于人工及次生林林间地形的特点多为松软、崎岖不平的路段，经常出现各种突发状况，而且林间采伐抚育机械的行走机构长期处于恶劣条件下工作，这些都要求移动式灌木扦插条截段机底盘要具有较高的爬坡越障能力，选择承载底盘时应着重考虑底盘的地面附着力、减振性，以及在复杂地形上的通过能力等要素[10-11]。由于橡胶履带具有减振性能优异、耐腐蚀、在复杂地形上通过能力强等特点，加之考虑到作业时设备的稳定性、附着力等因素，本文所设计的截段机构选择一种小型橡胶履带底盘。

2 截段机构的组成与工作原理

截段机构是移动式灌木扦插条截段机的核心部件，是保证扦插条质量的关键。木工圆锯机的许多结构形式都是锯切主轴固定在机架上不动，再通过动力传递实现圆锯片高速转动锯切被加工件，这种动力传递方式依靠的是内燃机或电机直接进行驱动或通过带传动带动锯切轴旋转。本文设计的移动式灌木扦插条截段机主要是在林间作业，设计时选用的动力为柴油机[12-13]。

为达到截段目的，依据设计要求，该机截段机构采用的锯切形式为带传动带动锯切主轴旋转，锯切主轴安装在摆臂上，摆臂另一端固定铰接，利用凸轮机构作为摆臂的驱动机构实现锯切主轴随摆臂摆动，凸轮机构的动力源为普通三相异步电机。三相异步电机由一台三相交流同步发电机供电，利用SolidWorks建模后的截段机构如图1所示。

图1 截段机构1.电瓶；2.柴油机；3.三相交流同步发电机；4.蜗轮蜗杆减速电机；5.摆臂；6.凸轮；7.行程开关；8.集条斗；9.圆锯片；10.安装架

截段机构的工作原理为：柴油机作为移动式灌木扦插条截段机动力传动机构的动力源，经皮带传动将动力分别传递给锯切主轴和三相交流同步发电机；三相交流同步电机将柴油机的一部分动力转化为电能，驱动电机转动，再经蜗轮蜗杆减速器减速，蜗轮蜗杆减速器上的凸轮与锯切摆臂接触组成平面高副，进而将旋转运动转化为上下摆动；圆锯片安装在锯切主轴的一端，锯切主轴的另一端装有带轮，在柴油机的驱动下，主轴随锯切摆臂上下摆动实现对灌木枝条的间歇式锯切[14-15]。

3 截段机构关键部件设计与计算

3.1 摆臂组件结构设计

扦插条的截段主要由摆臂组件实现。锯切主轴安装在摆臂上，为悬臂结构，锯切主轴套在轴承内，由轴承座固定在摆臂自由端，该轴系选用成对密封深沟球轴承，在主要承受径向力的同时，也能够承受一定量的轴向载荷，成对的轴承套在自制的轴承座内，可以承受较大的力，轴承座通过焊接方式固定在摆臂上，轴承座两端设有轴承端盖起密封作用，同时也便于轴系的润滑及拆卸。圆锯片、皮带轮安装在锯切主轴上，保证锯切主轴受力均匀。摆臂固定端与摆臂支撑座铰接，由于摆臂上下往复摆动，为保证其摆动顺畅，减少销轴在工作过程中的磨损，摆臂固定端同样嵌有轴承。摆臂组件如图2所示。

图2 摆臂组件

根据锯片切削功率及对摆臂组件的结构分析可知，在扦插条的截段过程中，为了保证扦插条的加工效率和加工质量，锯片不仅需要具备较大的切削力，还要具有一定的恒定转速。因此，锯片的动力传递采用普通窄V带，并通过与柴油机皮带轮匹配(两个带轮的直径比为1∶1.44)来达到锯片1 800 r/min的转速，保证锯片正常工作[16]。另外，在摆臂自由端装有弹簧压座，其在灌木枝条进入锯口前起压持作用。摆臂组件结构布置如图3所示。

图3 摆臂组件结构布置1.摆臂支撑座；2.滚子；3.圆锯片；4.锯切主轴；5.轴承端盖；6.弹簧压座；7.轴承座；8.大带轮；9.摆臂；10.张紧轮

3.2 切削功率计算

由于受切削量、刀具以及被加工木材材质等多种因素的影响，木材的切削加工计算是一个非常复杂的过程，因此要得到一个将所有影响因子都包含在内的精确锯切计算公式很难实现。一般情况下，木工锯机的切削计算多以实验数据为基础，在不考虑特殊条件的情况下推导出经验计算公式。

根据加工对象、加工方法及所设计的锯切结构，设定截段机构的切削条件为：选取厚度2 mm、内孔直径25.4 mm、外径300 mm、齿刃宽度3.2 mm、齿数96的细齿圆锯片，锯片以设定转速1 800 r/min来锯切灌木枝条。依据已设计完成自动进料机构的进料节拍以及截段要求，取锯片进给速度vf=2 m/min。

在林区作业时，为方便参数的选择与计算，以硬质木的松木为例，进行锯片切削参数计算。

根据上述指定参数求得刀具的线速度为：

(1)

式中：D为锯片直径，D=300 mm；n为锯片转速，n=1 800 r/min。

(1)运动遇角θav：

(2)

式中：C为锯片中心到锯切最低点的高度，C=100 mm；R为锯片半径，R=150 mm；H为锯切最大高度，设定要截段的灌木枝条经简单处理后，每根枝条最大直径30 mm，每捆4根，如图4所示，则锯切的最大高度为：

(3)

图4 锯切最大高度示意图

(2)变钝系数Cp：

(4)

式中：rnm为刃口初始圆半径，此处取10 μm；L为切削长度(m)；rΔ为切削单位长度木材后的刃口圆半径增量，此处取0.001 μm/m。

L的计算方法因切削条件不同而有所改变，横锯锯切时：

(5)

式中：T为工作日连续工作时间，T=120 min；C1为工作日利用系数，C1=0.9；C2为截段机的时间利用系数，此处取0.9。

最后将数值代入式(4)，得：Cp=1.60。

(3)初单位切削力k[17]：

当选择的锯片斜磨角φ=45°时，取前角γ=-25°，则根据经验公式计算得：

k=[6.2-1.4b+(0.042-0.0006γ)φ]

(×9.81 MPa)=2.515(×9.81 MPa)

(6)

(4)每齿进给量fz：

(7)

式中：Z为锯片齿数，Z=96。

(5)单位切削力K：

(8)

式中：当选择横锯锯切时，p=0.10。

(6)切削功率Pc：

(9)

传动效率η=0.7～0.85，取η=0.8；安全系数K=1.2～1.8，取K=1.4。则为圆锯片提供动力的带传动需传递的功率为：

3.3 凸轮结构设计

通过以上分析可知，锯片进给速度vf=2 m/min(约0.03 m/s)，锯切加工过程中摆臂组件的上下进给要求平稳。摆臂组件的运动属于低速轻载，考虑到凸轮机构简单可靠、容易设计，多用于受力较小的控制机构，能够实现从动件的预期运动，因此选择凸轮机构作为摆臂动力机构来控制摆臂组件的上下进给运动。为了实现截段机构整体紧凑，本设计采用盘形凸轮机构，为减少运动过程中的摩擦损耗，避免受到较大作用力，选用滚子作为从动件。另外，为尽量减少凸轮及滚子在工作过程中的磨损，提高使用寿命，在保证接触应力符合要求的情况下，对加工后的表面应进行化学热处理，并在装配完成后进行跑合，从而提高接触表面硬度。摆臂动力机构如图5所示。

图5 摆臂动力机构1.电机；2.蜗轮蜗杆减速器；3.盘型凸轮

根据以上分析，对滚子从动件盘形凸轮机构的设计如下：盘形凸轮以等角速回转运动时，与滚子固定连接的摆臂组焊件相应地做上下往复摆动，从而保证了锯切过程中的切削稳定性。经打捆后的灌木枝条单捆直径最大约为72 mm，本文选用直径300 mm的细齿圆锯片，为在锯切过程中一次完成木料的切断，防止灌木枝条侧枝阻碍进料，摆臂的行程选定为98 mm。为了实现摆臂摆动频率与送料速度的匹配以完成锯切，送料机构的送料时间与锯切时间之和应为凸轮的一个转动周期。基于摆臂行程及锯片的进给速度，并考虑到传动装置的位置关系，设定盘形凸轮的基圆半径r=60 mm，由于盘形凸轮做等速回转运动，最终可得到如图6所示的凸轮轮廓曲线及从动件位移曲线，再依据凸轮的设计方法进行分配设计[18]。

图6 凸轮轮廓及从动件位移曲线

3.4 截段机构外购件型号选择

在选择盘形凸轮机构动力方面，采用常规的三相异步电机为其提供充足动力已不现实，但采用柴油机为其提供动力又会提高截段机构的复杂程度，本设计根据两种动力方式的结构特点，采用三相交流同步发电机为电动机提供电力，再经蜗轮蜗杆减速器减速的形式为盘形凸轮机构提供动力。另外，已设计完成的自动上料机构采用与凸轮机构相同的结构形式获取动力，最终选用功率为3 kW、STC系列的三相同步交流发电机。

已知皮带传动的效率约为η=90%，则柴油机为三相交流同步发电机提供的功率至少应为3.34 kW，同时，柴油机传递到锯切主轴的锯切功率为3.67 kW，因此，本设计最终选用某公司生产的功率为10马力(7.35 kW)、转速为2 600 r/min的柴油机作为截段机构的动力源。

4 小 结

移动式灌木扦插条截段机主要针对的是目前灌木营造林机械少、移动不方便等问题而设计的。本文依据移动式灌木扦插条截段机截段机构的设计要求，确定其基本结构，详细介绍了该机工作原理及组成。并以松木为例，计算出截段机构圆锯片的切削功率为2.1 kW，带传动应传递的功率为3.67 kW，并完成了摆臂组件、凸轮机构的结构设计以及3 kW三相交流同步发电机、10马力(7.35 kW)柴油机的选择。本设计结构紧凑，操作方便，为截段机构的合理设计及后续样机的制备提供了理论依据。

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(责任编辑 张雅芳)

Design and Research on the Cutting Structureof Mobile Bush Cuttings Cutters

MA Yan， CHENG Sen-jie， YANG Chun-mei， REN Chang-qing， LU Yao

(Forestry and Woodworking Machinery Engineering Technology Center，Northeast Forestry University， Harbin Heilongjiang 150040，China)

Based on the current situation in which there are fewer machines intended for artificial shrub tending or afforestation，a design scheme for mobile bush cuttings cutter is put forward.According to the design requirements，structure composition of the cutting structure is determined and 3D software SolidWorks is used for 3D modeling of the cutting structure，with the structural design of the swing arm assembly，cam and other key parts completed.Taking pine cutting for example，based on calculation，the cutting power of the cutting structure circular saw blades is 2.1 kW and the power of that the belt drive should transfer is 3.67 kW，with the selection of 3 kW three-phase AC synchronous generators and 10HP(about 7.35 kW)diesel engines completed.The design of the cutting structure can provide a substantial theoretical basis for the subsequent simulation analysis and prototype preparation，while shortening the development cycle and reducing production costs，with certain economic and social benefits.

bush cutting；structure design；3D modeling；cutting power

2016-09-09

国家林业行业公益专项项目(201504508)

马 岩(1954-)，男，教授，博士生导师，硕士，主要从事机械设计及理论的研究，E-mail：myan@vip.163.com。

S776.2

A

2095-2953(2017)01-0008-04