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竹材间伐机的设计思考

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《林业科技杂志》2014年第六期

1伐竹设计方案的确定

本小型竹材间伐机主要是针对在竹林间从事间伐作业而设计的。竹林生长的地形比较复杂,并且竹材虽然具有高强度、刚性好、耐磨性高等特点,但存在直径小、壁薄中空、易劈裂、易虫蛀、易腐蚀等缺陷,直接影响了本小型竹材间伐机的砍伐作业,即对本机器的伐竹刀具和切削速度有一定的要求,这就需要伐竹器械在砍伐过程中具有较高的切削速度和较小的切削力。伐竹时选择的毛竹一般竹龄在3~5年,直径在60~200mm。竹龄太短的毛竹发育尚未成熟,木质化程度比较低,含水率过高,虽切削性能比较好,但是竹材本身的物理力学性能较差;竹龄过长的竹材,不仅砍伐周期长,竹材利用率低,而且竹材的加工性能也不理想。本研究选择直径为550mm的锯片。竹材可利用的部分是杆茎,为了最大程度地提高竹材的利用率,伐竹机的锯片距离毛竹根部部位越近越好。

同时,新砍伐毛竹的含水率大都在80%~100%,一般不需要存放和处理便可以加工,因为竹材在含水率较高的时候,切削性能比较好。直径为60mm的竹材一般高度不足4m,因此选用竹龄在3~5年的新毛竹砍伐,其直径一般在200mm左右,高度不足7m,尖削度大约为10∶1,竹材密度约为0.8g/cm3,壁厚一般为0.5~1.5cm。式中,V为毛竹的体积,cm3;D为毛竹大头外径,mm;D1为毛竹大头内径,mm;d为毛竹小头外径,mm;d1为毛竹小头内径,mm;H为竹材高度,m。

把壁厚及长度代入(1)式,可以得出最大竹径为200mm、最小竹径为60mm毛竹的体积分别。从上面的数据分析可知,竹材胸径在60~200mm时重量都相对比较大,考虑到本机器设计的目的是在林间作业,应该以小型、轻便、灵活为主,因此不适宜进行夹紧作业(图2)。设计的基本技术路线是:汽油发动机输出轴带轮由v带直接带动执行轴带轮,实现高速旋转切削;锯片设计离地较近,以便最大程度地提高竹材的利用率,上面设置一个由v块组成的对中推倒机构,由操作者来推动把手与汽油发动机一起沿导轨做直线运动。通过对切削系统锯切能力的计算可知,该小型伐竹机的锯片能够很好地对竹材进行高速切削,达到了设计目的。从上面的数据计算得出,d的最小直径为8.5mm,本设计选取切削主轴的最小直径为40mm,大于计算出的最小直径,故满足设计要求。

2结论

2.1本机器对竹材特性进行研究分析,在现有伐木机械的基础之上进行创新模拟设计,理论设计出一套适合在竹林砍伐作业的小型机器,取代人工砍伐作业,提高了生产效率。

2.2对毛竹的密度、体积与重量进行了理论分析,得出不同毛竹直径的重量,为小型伐竹机器的整体设计研究提供了理论基础[5]。

2.3在虚拟的可视化环境中,建立竹材间伐机三维Solidworks模型,在此基础上进行模型参数设计和结构设计,对结构设计中的缺陷进行重新设计,这种机械设计方法并不需要制造出机械样机出来,通过对虚拟样机的分析和修改,便可以完成对一个机器的整台设计和定型,最终达到缩短机械产品开发时间和降低伐竹成本的目的。

作者:杨家武杨文龙单位:东北林业大学

林业科技杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次

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