姚遠(yuǎn)東，柴澤雨，何玉林＊，黃仕明，龐嘉裕，王 冕

（桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

竹子作為一種低碳環(huán)保、易再生、可降解的生物質(zhì)材料，對氣候變化、減少地區(qū)貧困等有著重要的意義[1-2]。并且，我國地處世界竹林分布中心，素有“竹子王國”之美譽(yù)。截止到2010年我國的竹林面積達(dá)540萬公頃，約占世界竹林資源的1/3，因此是世界上竹林資源最豐富的國家[3]。因?yàn)橹褡拥纳L周期短、種類多樣、生長量多等特點(diǎn)，所以其帶來的經(jīng)濟(jì)效益高、社會效益大、市場潛力深，有利于建成“綠色經(jīng)濟(jì)”。其中2009年，我國竹林資源產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值高達(dá)700億人民幣，出口上百個國家[3]。由此可見，竹林產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶動了地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也有利于以竹代木，實(shí)現(xiàn)退耕還林的措施。

目前竹林產(chǎn)業(yè)市場前景廣闊并且每年的伐竹量巨大，用傳統(tǒng)的伐竹工具不僅效率低下、勞動強(qiáng)度大，長時間工作也易對勞動者的手腕造成損傷；市面上常用的現(xiàn)代伐竹工具，例如電鋸等等其他耗油設(shè)備，這些工具存在著重量較大、耗油量多、污染環(huán)境、易誤傷勞動者的問題。再比如目前一些電動伐竹設(shè)備，因價(jià)格較高、對竹材損傷較大的問題實(shí)際應(yīng)用時未能達(dá)到較好的效果。并且，國內(nèi)對于伐竹工具的研究較少[4-9]。

為了有效解決上述問題，設(shè)計(jì)了一款新型的電動伐竹工具，用直流電機(jī)驅(qū)動齒輪，再由齒輪帶動曲柄轉(zhuǎn)盤和往復(fù)軸，達(dá)到反復(fù)切割竹子的作用。相較于其他伐竹工具，該伐竹據(jù)適用于個人對密集型竹林的采伐，使用時更為高效、安全、環(huán)保。同時，也進(jìn)一步響應(yīng)了國家號召節(jié)能減排、低碳環(huán)保的措施。

1 電動伐竹鋸的工作原理

電動伐竹據(jù)是通過反復(fù)切割的原理將竹子據(jù)斷，工作原理與曲柄滑塊類似。電動伐竹據(jù)的工作原理的示意如圖1所示。首先將整個機(jī)構(gòu)圖的結(jié)構(gòu)看作一個二維坐標(biāo)軸，根據(jù)α的角度大小則相應(yīng)的分為第一象限、第二象限、第三象限和第四象限。

假設(shè)整個運(yùn)動過程曲柄做逆時針運(yùn)動，具體的工作原理為：首先曲柄位于圖1（a）第一象限位置處并且與軸線所成角度0＜α＜90°。當(dāng)曲柄逆時針轉(zhuǎn)動時，曲柄對軸上的滑槽產(chǎn)生一個向左的力F，使得曲柄帶動軸向左運(yùn)動。

當(dāng)90°＜α＜180°時，曲柄運(yùn)動到圖1（b）第二象限位置處，曲柄帶動軸繼續(xù)向左運(yùn)動。當(dāng)α=180°時，曲柄與軸線平行，軸向后運(yùn)動到最末端的位置。

當(dāng)180°＜α＜270°時，曲柄運(yùn)動到圖1（c）第三象限位置處。此時，曲柄對滑槽產(chǎn)生一個向前的推力F，帶動軸開始向右運(yùn)動。

270°＜α＜360°時，曲柄運(yùn)動到圖1（d）第四象限位置處，曲柄帶動軸繼續(xù)向右運(yùn)動。當(dāng)α=360°時，曲柄與軸線再次平行，軸向前運(yùn)動到最前端的位置。如此來回反復(fù)運(yùn)動便可實(shí)現(xiàn)切割效果。

圖1 機(jī)構(gòu)的工作原理示意圖

2 電動伐竹鋸的結(jié)構(gòu)組成

基于上述機(jī)構(gòu)工作原理，設(shè)計(jì)的電動伐竹據(jù)主要由驅(qū)動、切割、供能、保護(hù)、散熱等部分組成。其中，圖2為整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，圖3為切割及驅(qū)動部分結(jié)構(gòu)圖，圖4為背負(fù)式鋰電池外觀結(jié)構(gòu)。

圖2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 切割部分及驅(qū)動部分結(jié)構(gòu)

圖4 背負(fù)式鋰電池

驅(qū)動部分由電機(jī)和減速齒輪組組成。電動伐竹鋸在工作時，通過電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動減速齒輪組轉(zhuǎn)動，再由齒輪組帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動往復(fù)軸來回移動。

切割部分主要包括曲柄轉(zhuǎn)盤、往復(fù)軸、自鎖夾頭以及鋸條。減速齒輪組由電機(jī)驅(qū)動后，其帶動曲柄轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，曲柄轉(zhuǎn)盤再帶動往復(fù)軸、自鎖夾頭和鋸條進(jìn)行反復(fù)切割的運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)伐竹的工作原理。

供能部分主要為鋰電池組、電線防斷裝置、變檔器、開關(guān)按鍵、開關(guān)外殼。其中鋰電池對整個電動伐竹據(jù)提供電能。變檔器可在使用時改變擋位，以便適應(yīng)不同的工作需要。電線防斷裝置用以保護(hù)電動伐竹據(jù)所連接的電源線，提高了整套裝置的可行性。開關(guān)按鍵與開關(guān)外殼可以實(shí)現(xiàn)即開即用、即關(guān)即停的功能，從而得以節(jié)省電能。

保護(hù)裝置是通過在往復(fù)軸的上方安裝一塊擋片，用于切割時防止竹子與切割部分的部件相撞，避免造成切割零部件的損壞，有效保護(hù)鋸條的使用壽命。

散熱裝置主要用來疏散電機(jī)在轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的熱量，保護(hù)內(nèi)部線路裝置的安全性，通過安裝一個DC直流風(fēng)扇來實(shí)現(xiàn)。

3 性能分析

基于上述原理以及模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，需要對所設(shè)計(jì)的運(yùn)動機(jī)構(gòu)的核心部件進(jìn)行性能。曲柄轉(zhuǎn)盤與往復(fù)軸是電動伐竹機(jī)的主要核心部件，這兩個部件的受力和強(qiáng)度直接關(guān)系到伐竹機(jī)的使用壽命。

3.1 往復(fù)軸與曲柄轉(zhuǎn)盤分析

3.1.1 受力分析

本設(shè)計(jì)的電動伐竹機(jī)使用的是60 V永磁直流電機(jī)，電機(jī)所提供的額定功率為1000 W，電機(jī)扭矩為n=2.89 N·m，轉(zhuǎn)速為w1=3271 r/min。減速齒輪組中小齒輪的半徑為r1=6.4 mm，齒數(shù)為16；大齒輪的半徑為r2=16 mm，齒數(shù)為40，電機(jī)提供給小齒輪的力為F1=1849.6 N。

因此，通過齒輪傳動的公式（1）計(jì)算得到大齒輪的轉(zhuǎn)速為w2=1308.4 r/min，通過公式（2）計(jì)算得到大齒輪傳遞給曲柄轉(zhuǎn)盤的力為F2=739.84 N。通過公式（3）計(jì)算得到大齒輪傳遞給曲柄轉(zhuǎn)盤的扭矩為T2=7.225 N·m。

曲柄轉(zhuǎn)盤是通過軸承作用在往復(fù)軸上的滑槽上。因此，由作用力與反作用力的關(guān)系可以得知，往復(fù)軸所受到的力F3與曲柄提供的力F2相同，即F3=F2=738.94 N。

3.1.2 強(qiáng)度分析

假設(shè)曲柄轉(zhuǎn)盤與往復(fù)軸都采用合金鋼材料，此合金鋼彈性模量為2.11011 N/m2，泊松比為0.28，屈服強(qiáng)度為200～500 MPa?；谏鲜龅氖芰Ψ治?，用有限元軟件Solidworks 2020 Simulation對曲柄轉(zhuǎn)盤和往復(fù)軸進(jìn)行有限元仿真，分析部位為圖5所示曲柄轉(zhuǎn)盤與往復(fù)軸連接部分。當(dāng)曲柄處于往復(fù)軸最大位移量時，得到往復(fù)軸應(yīng)力分析和位移結(jié)果分別為圖6和圖7所示，曲柄轉(zhuǎn)盤的應(yīng)力和位移結(jié)果分別如圖8和圖9所示。從圖中的分析結(jié)果可以看出，曲柄轉(zhuǎn)盤和往復(fù)軸在相互作用時，往復(fù)軸和曲柄所承受的最大應(yīng)力分別為322.8 MPa和223.6 MPa，遠(yuǎn)小于材料的極限應(yīng)力620.4 MPa。往復(fù)軸和曲柄轉(zhuǎn)盤變形時產(chǎn)生的最大的總位移為0.1045 mm和0.00742mm。

圖5 往復(fù)軸與曲柄轉(zhuǎn)盤

圖6 往復(fù)軸應(yīng)力分析

圖7 往復(fù)軸位移分析

圖8 曲柄轉(zhuǎn)盤應(yīng)力分析

圖9 曲柄轉(zhuǎn)盤位移分析

式中，σlim為材料屈服應(yīng)力，MPa；[S]為材料安全系數(shù)，σmax為計(jì)算得出最大應(yīng)力，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)材料塑性形變設(shè)計(jì)要求，安全系數(shù)一般不小于1.5。經(jīng)計(jì)算往復(fù)軸和曲柄轉(zhuǎn)盤安全系數(shù)分別為1.92和2.77，因此這兩個材料屬于安全使用范圍內(nèi)。

3.2 伐竹鋸可行性分析

3.2.1 可行性計(jì)算與分析

我國竹子資源豐富，其中毛竹數(shù)量最多具備代表性，本次分析使用毛竹的各項(xiàng)參數(shù)作為參考。竹子抗彎曲能力和拉伸強(qiáng)度相比木材高，但是剪切強(qiáng)度大致范圍為3～6 MPa，密度0.855 g/cm3，含水率30%，適用于此伐竹鋸的工作范圍的竹子直徑多為20～100 mm，選取直徑100 mm的竹材進(jìn)行計(jì)算。伐竹鋸采用梯形直線往復(fù)鋸片，鋸片長度為130 mm，刃厚b=1.2 mm，鋸片齒數(shù)Z=43，鋸路高度H=15 mm，大齒輪的轉(zhuǎn)速w2=1308.4 r/min，鋸片線速度0.44 m/s?？紤]上述參數(shù)參照文獻(xiàn)[9]中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出每齒切削量fZ=0.035 mm/z，每齒切削力K=16.63 N，切削功率PC=78.23 W。

由上述結(jié)論可得鋸斷直徑100 mm的竹子需要2.1 s左右。伐竹鋸切削功率為78.23 W，由設(shè)計(jì)齒輪系減速效率為2.5，計(jì)算得出實(shí)際功率為195.57 W，伐竹鋸電機(jī)的額定功率為1000 W，最低檔位超過200 w即可滿足切割要求。

3.2.2 動態(tài)仿真

假設(shè)鋸片采用合金鋼材料，彈性模量為2.1×1011N/m2，泊松比為0.28，屈服強(qiáng)度為6.204×108N/m2。竹子的彈性模量為2.9×109N/m2，泊松比為0.29，屈服強(qiáng)度為2×107N/m2?；谏鲜龅氖芰Ψ治觯瑢︿徠椭褡舆M(jìn)行有限元仿真，伐竹過程中往復(fù)軸傳遞到鋸片的力F3=738.94 N。圖10-13是仿真得到的結(jié)果，從圖10、圖11中可以看出，初始和結(jié)束時，在鋸片的鋸齒和竹子接觸點(diǎn)最大應(yīng)力達(dá)到5.568108 N/m2、7.907107 N/m2，遠(yuǎn)超過竹子的屈服強(qiáng)度。從圖12、圖13可以看出，應(yīng)變集中分布于竹子切口處，可以完成伐竹工作，具備伐竹可行性。

圖10 伐竹起始鋸片應(yīng)力分析

圖11 伐竹結(jié)束鋸片應(yīng)力分析

圖12 伐竹起始竹子應(yīng)力分析

圖13 伐竹結(jié)束竹子應(yīng)變分析

綜上結(jié)果表明，通過理論計(jì)算和有限元分析，曲柄轉(zhuǎn)盤和往復(fù)軸、伐竹鋸的力學(xué)性能符合設(shè)計(jì)要求。同時該伐竹鋸具備切割竹子的實(shí)際可行性且切割速度較快以及鋸條切割力度較大，滿足實(shí)際工作中對密集型竹林的切割。同時也能使竹子的切割面較為平整，不會發(fā)生斷裂現(xiàn)象以至于對采伐人員造成傷害。設(shè)計(jì)得到的電動伐竹機(jī)構(gòu)三維虛擬產(chǎn)品如圖14所示。

圖14 伐竹機(jī)的三維模型圖

4 結(jié)語

在分析現(xiàn)有的伐竹裝備以及目前我國的竹林狀況下，設(shè)計(jì)了一款新型的手持式伐竹鋸，該伐竹鋸的主要通過用直流電機(jī)驅(qū)動減速齒輪，再由減速齒輪帶動曲柄轉(zhuǎn)盤和往復(fù)軸，從而實(shí)現(xiàn)了反復(fù)切割竹子的功能。文本設(shè)計(jì)的電動伐竹據(jù)與傳統(tǒng)的伐竹工具和市面上其他的一些現(xiàn)代化伐竹機(jī)器相比，能有效保護(hù)勞動者的手腕和使用安全，節(jié)省體力，提高效率，降低對竹材的損壞。因此，能夠較好地適用于南方丘陵地帶的密集型竹林。同時也考慮了產(chǎn)品的高效性、可靠性、安全性和環(huán)保性，為未來伐竹裝備的更新以及竹林行業(yè)的發(fā)展提供了新的思路和借鑒。