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竹材切割试验台的设计 于 航1,2, 傅万四2, 张长青1,2, 朱斌海3, 李长威3

发布者: 顺畅 | 发布时间: 2020-1-8 10:02| 查看数: 50| 评论数: 0|帖子模式

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竹材切割试验台的设计
于 航1,2, 傅万四2, 张长青1,2, 朱斌海3, 李长威3
(1.中国林业科学研究院林业新技术研究所,北京100091;2.国家林业和草原局北京林业机械研究所,北京100029;3.哈尔滨华德学院,黑龙江 哈尔滨150025)
摘 要:为解决我国目前缺乏竹材切割机械设备而导致的竹材采伐困难、成本较高等问题,研发出一种基于往复锯锯切方式的竹材切割测试试验台,其为研制竹材切割机械提供了理论依据及试验基础。试验台主要由液压动力系统、切割系统、数据采集系统及机架等组成,可在不同切割方式、刀刃角、切割速度、进给速度的工况下针对物理力学特性和结构特征不同的竹材进行切割测试和数据采集,分析研究不同切割工况下切割阻力、进给力的变化规律以及建立相应数学模型,为竹材切割机械设计提供数据支撑。
关键词:往复式切割器;竹材;切割阻力;进给力;试验台

[size=1em]当前我国林业发展存在分布不均、存量小及结构不合理等问题,伴随木材需求量的日益増加,导致木材的供需矛盾比较突出[1-2],如何同时满足木材需求和生态环境需求是目前学者们急待研究的问题。我国竹材资源丰富,竹林面积约占世界的1/4[3]。竹材与木材有着相似的质感,在热工性能、质强比和抗弯强度等方面还具有优于木材的优势[4-5]。合理开发利用竹材可缓解国内木材的供需矛盾,具有十分重要的经济、社会和环境效益[6]。目前我国竹材砍伐方式仍然以人工刀砍为主,成本不断上升,且无法实现竹材的产业化利用[7-8],高效竹子采伐机械装备的研发是一个亟待解决的难题。

[size=1em]竹材切削在竹材机械化生产中占有非常重要的位置,而合适的切削刀具参数和切削方式,有利于提高产品的切削质量和生产效率,进而促进资源的优化利用和质量提升。在目前的研究中,竹材切削采用的刀具有圆锯片[9]、圆柱铣刀[10]、往复锯等。竹材切削阻力为刀具与竹材之间的相互作用力,其是刀具强度、刚度及动力设计的依据。竹材的物理性质和切割器参数是影响竹材切割阻力的主要因素,而在往复式竹材切割器试验中又以切割方式、刀刃角、滑切角、切割速度和竹材含水率的影响比较显著。针对不同物理力学特性和结构特征的竹材,设计了一种竹材切割测试试验台,为设计研发竹材切割及相应的采伐机械提供理论基础,具有一定的理论意义和实际应用价值。

1 竹材切割试验台总体结构设计1.1 设计要求

[size=1em]1.1.1 竹材切割阻力

[size=1em]由木材切削理论可知,木材切削受切屑厚度、切削方向相对于纤维方向、刀具角度、木材材性、切削速度等因素的影响[11]。考虑到竹材与木材质感相似,本试验通过分析木材的切割理论进行竹材切割阻力试验的设计。在竹材切割过程中,往复式切割属于无屑切割,故不需考虑切割厚度的影响。

[size=1em](1)切割方式。竹材的切割方式主要分为正切和斜切,不同的切割方式所产生的切割功率消耗和切割阻力不同,切割方式是影响竹材切割阻力的因素之一。适宜的切割方式可在竹材不脱离切割器刀刃的情况下实现最小功率消耗。本试验通过改变夹持机构上的竹材安装方向来调节竹材与切割器的切割方式(切割角度)。

[size=1em](2)刀刃角。根据往复式切割器刀片的一般形式,刀刃角越大,前角越小。根据木材切削原理可知若刀刃角越大,切割过程切削变形越大,相应产生的切割阻力大。同时,刀刃角的增大还会导致竹材沿前刀面法线方向的弯曲程度增大,从而更容易使竹材内部纤维组织发生屈服变形而被拉断[12-13]。故在竹材切割阻力试验中,需重视往复切割器刀刃角的影响。试验中,可通过更换切割器的刀具实现不同刀刃角的变化。

[size=1em](3)含水率。木材往复式切割的微观过程描述如下:切割过程中,茎秆纤维被刃口压弯,曲率半径最小处的纤维产生的拉应力最大,若拉应力大于木材茎秆的屈服极限,则该处纤维就会被拉断;另一方面,茎秆纤维在弯曲的同时受到刀体的挤压作用,使得弯曲部分无法及时复原,同时发生进一步的挤压弯曲,导致纤维层之间发生相对滑移,进而发生剪切破坏[14]。在切割过程中,切割阻力受纤维刚度的影响,纤维刚度主要受竹材含水率的影响,因此竹材的含水率对切割阻力有一定的影响。

[size=1em](4)切割速度。根据木材切削理论,切削速度通过改变切屑保持原有形态的惯性力而影响切削力。由于往复式切割器的切割过程属于无屑切削,因此所产的惯性力可忽略。同时,往复式切割器作业时的往复速度远大于一般切削刀片的速度,其动刀因曲柄转速的增大而使其往复惯性力增大,冲击能量也随之增大[15],故高速切割时,竹材纤维容易在瞬间发生冲击断裂,使切割力降低。因此,适宜的切割速度需通过试验进行分析确定。在竹材切割阻力试验中切割速度的调节可通过切割器部分的作业速度进行控制。

[size=1em]1.1.2 竹材进给力

[size=1em]竹材切割的过程可以等同为竹材和往复式切割器之间的相对运动。本试验中的这一相对运动是通过液压油缸带动竹材前进完成的。竹材进给力在试验中为切割过程中竹材受到的水平方向上的推力,该推力过大容易产生碰撞往复切割器的现象,过小则又会导致竹材的切割率下降,产生不必要的功率损耗,本试验通过控制液压油缸的前进速度来调控竹材的进给速度。竹材所在夹持机构的端部安装有S型拉力传感器,在竹材切割过程中可对竹材的进给力进行实时数据监测。

1.2 总体结构设计

[size=1em]试验台主要由液压动力系统、往复式切割机构、数据采集系统以及机架等组成。液压动力系统为试验台提供动力源,试验台的切割机构采用往复式锯切方式,数据采集系统包括计算机、拉压力传感器、手持显示设备、光栅尺以及数据处理软件等。本试验台可实现在不同切割方式、刀刃角、切割速度、进给速度的工况下针对不同物理力学特性和结构特征的竹材进行切割测试和数据采集。竹材切割试验台结构简图如图1所示,主要装置如图2所示。

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[size=0.8em]图1 竹材切割试验台结构简图
1.机架;2.液压动力系统;3.防撞击透明安全防护罩;4.切割机构;5.夹持机构;6.数据采集系统;7.液压油缸

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[size=0.8em]图2 竹材切割试验台主要装置

2 关键零部件设计2.1 试验台机架

[size=1em]因此,普洱茶醇化技术对普洱茶品质转化起着决定性的作用,从保证普洱茶感官风味品质和营养保健功能品质的良性发展需要出发,从“看茶制茶,因茶而异”的制茶技术金标准出发,都必须深入研究普洱茶的醇化过程,特别是不同类型普洱茶的醇化规律,普洱茶的醇化必然也必须成为一道专业的加工工艺,由专业厂家来实施完成。

2.2 动力源

[size=1em]试验台采用液压站作为液压传动装置的动力源。根据试验目的和反复调试,确定的液压系统最大压力、最大流量及液压油缸的最大行程,见表1。在本液压系统中设置调速阀一个,用于对油路进行节流调速从而改变液压油缸的工作速度,即控制竹材的进给速度。另外,本液压系统还配有压力表,便于显示液压站的工作压力,有利于试验操作人员控制液压系统压力。

[size=0.8em]表1 液压系统技术参数
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2.3 切割机构

[size=1em]试验台的切割机构由往复式切割器及夹持机构组成。本试验采用220 V交流电往复锯作为试验台调试阶段的切削刀具,电压220 V,电源频率50 Hz,输入功率1 100 W,空载往复频率为0~2 900次/min,往复行程(冲程)30 mm,最大切削深度120 mm,可满足试验台的常规操作要求。

2.4 数据采集系统

[size=1em]试验台数据采集系统的主要作用是通过虚拟仪器技术对试验过程中的切割阻力进行实时监控测量。该测试硬件系统由虚拟仪器硬件平台、S型拉压力传感器、测试程序三部分组成。切割进给力信号由S型拉压力传感器采集并将数据传入计算机平台,通过测试程序进行信号的处理和分析,得到试验中的切割进给力值。本试验台S型拉力传感器(TJL-1,蚌埠天光传感器有限公司生产)由合金钢材质制成,测量范围为0~200 N。S型拉力传感器通过螺栓固定在夹持机构的端部,传感器通过信号采集器连接到计算机上,工作过程中获得的进给力数据储存到计算机上。试验台数据采集系统另配有一台手持数显设备,可对试验过程中的切割进给力进行实时数据监测。

3 试验过程

[size=1em]操作人员首先将不同直径、不同含水率的竹材固定在夹持机构上,通过控制液压系统控制竹材的进给运动,速度调节由液压调速阀完成。试材接触高速运动状态下的刀具从而进行切割作业,计算机平台将实时显示数据曲线及峰值等参数,同时在手持数显设备上监测刀具的进给力。进给力仪表形式数值显示如图3所示,进给力曲线形式显示如图4所示。

4 小结

[size=1em]研发了一种基于往复式切割方式的竹材切割测试试验台。该试验台主要由液压动力系统、切割机构、数据采集系统及机架等组成,该试验台可分析研究在不同切割方式、刀刃角、切割速度、进给速度工况下,不同物理力学特性和结构特征竹材的切割特性,可为研究开发竹材切割机械提供理论依据。

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[size=0.8em]图3 进给力仪表形式数值显示

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[size=0.8em]图4 进给力曲线形式显示

[size=1em]参考文献:

[size=1em][1] 张鼎华,林卿.南方山地林业经营中的生态经济问题探析[J].生态经济,2001(7):22-25.

[size=1em][2] 尤利.我国林业资源现状及造林技术探讨[J].南方农业,2016,10(15):105-105.

[size=1em][3] 叶忠华.毛竹材特性及工业利用分析[J].林业科技,2002,27(3):39-42.

[size=1em][4] 李延军,许斌,张齐生,等.我国竹材加工产业现状与对策分析[J].林业工程学报,2016,1(1):2-7.

[size=1em][5] 洪弋珩,曾立.竹材的基本性能及应用现状[J].产业与科技论坛,2018(13):85-86.

[size=1em][6] 赵方,徐正东,张亚卓,等.竹结构材料在建筑领域的应用前景[J].建设科技,2012(3):47-49.

[size=1em][7] 刘星雨,傅万四,周建波.我国竹工机械区域布局及未来走势分析[J].木材加工机械,2012,23(1):22-25.

[size=1em][8] 杨健,朱志建,杨倩倩,等.毛竹林机械化生产装备的开发与应用[J].世界竹藤通讯,2013,11(5):22-26.

[size=1em][9] 杨文龙.小型竹材间伐机系统设计与仿真[D].哈尔滨:东北林业大学,2015:8-10.

[size=1em][10] 王金鹏,于灵,周宏平,等.伐竹用V形双圆柱铣刀切割方式研究[J].林业工程学报,2016,1(6):124-129.

[size=1em][11] 金维洙,木材切削与木工刀具[M].哈尔滨:东北林业大学出版社,2005.

[size=1em][12] 陈诚,往复切割器式灌木平茬机切割力的研究[D].北京:北京林业大学,2011.

[size=1em][13] 安珍,杨永福.沙柳材端向切削特性的研究[J].林产工业,2007,34(1):27-30+54.

[size=1em][14] 龙魁,往复式葡萄修剪机的设计与试验研究[D].乌鲁木齐:新疆农业大学,2014.

[size=1em][15] 宋占华,肖静,张世福,等.曲柄连杆式棉秆切割试验台设计与试验[J].农业机械学报,2011(S1):162-167.


Design of a Bamboo Cutting Test Bench
[size=1em]YU Hang1,2, FU Wan-si2, ZHANG Chang-qing1,2, ZHU Bin-hai3, LI Chang-wei3
[size=1em](1.Forestry New Technology Research Institute,Chinese Academy of Forestry,Beijing 100091,China;2.Beijing Forestry Machinery Research Institute,the State Forestry and Grassland Administration,Beijing 100029,China;3.Harbin Huade University,Harbin Heilongjiang 150025,China)

[size=1em]Abstract:In order to solve the problem that bamboo cutting is difficult and costly due to the lack of bamboo cutting machinery and equipment in China,a bamboo cutting test bench based on reciprocating saw sawing method has been developed which can provide a theoretical basis and test basis for the research and development of bamboo cutting machinery.The test bench is mainly composed of a hydraulic power system,a cutting system,a data acquisition system and a rack,able to conduct cutting testing and data collection for bamboo with different physical and mechanical characteristics and structural characteristics under different cutting method,blade angle,cutting speed and feeding speed conditions,analyze and study the variation rule of cutting force under different cutting conditions and establish its mathematical model,thereby providing a data support for the design of bamboo cutting equipment.

[size=1em]Key words:reciprocating cutter;bamboo;cutting resistance;feeding force;test bench


[size=1em]中图分类号:S776.31

[size=1em]文献标识码:A

[size=1em]文章编号:2095-2953(2019)03-0041-04

[size=1em]收稿日期:2018-11-29

[size=1em]基金项目:中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(CAFYBB2017SY040)

[size=1em]第一作者简介:于 航(1982-),女,助理研究员,博士,研究方向为林业机械,E-mail:yuki_yh@sina.com



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