劉九慶 張駿杰 朱斌海

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

鏈鋸作為森林采伐、造材、打枝等綜合作業(yè)中不可缺少的優(yōu)良器械，在園林綠化、森林防火、木材加工、家具制造、建筑工程等領域得到了廣泛應用。鏈鋸以汽油機為動力，消耗汽油且易造成污染，以電能作為動力的電鏈鋸成為今后發(fā)展的主要研究和發(fā)展方向[1]。

在2000年以前，國內測定油鋸的鋸切效率一致采用手工操作油鋸的方法，其測定結果受人為因素影響較大，測試精度不能達到應有的要求。許林云等[2]于2000年設計了一種上下直線往復進給機構，進行了油鋸鋸切效率的測定。2003年，許林云等[3]依據先前研究，提出了一種新型試驗方法和專用鋸切試驗機，采用了恒進鋸力進鋸方式。2010年，甘英俊等[4]設計了LQ-18型鋸鏈切削性能試驗臺，采用了進給速度及鏈輪軸無級調速的運動形式，能夠同時測量三向切削力、轉速、進給速度。國外一些學者，針對鏈鋸的鋸切性能也進行了測定與研究[5-11]；國內一些學者，測定了鏈鋸的鋸切性能，同時對其進行了動力學分析[12-16]。

綜合已有研究結果，國內鏈鋸試驗臺的研究停滯在2010年，且目前最新的LQ-18型鋸鏈切削性能試驗臺，主要是針對油鋸鋸切性能的測定而設計的；國內針對電鏈鋸鋸切試驗臺的研究與試驗較少。為此，本研究根據電鏈鋸鋸切過程，以鋸切比功為鋸切性能主要評價指標，以切削力、進給力、進給速度、鏈輪輪軸扭矩、鏈輪輪軸轉速為電鏈鋸鋸切試驗臺的主要功能參數，在借鑒已有研究成果基礎上，設計了電鏈鋸鋸切試驗臺。以紅松、楊木兩個樹種木材作為試材，采用3種不同的鋸鏈對試材進行鋸切試驗，應用多因素正交試驗、單因素試驗對電鏈鋸鋸切指標影響因素進行分析，檢測電鏈鋸鋸切試驗臺性能。旨在為拓寬電鏈鋸的使用范圍和使用率、替代油鋸提供參考。

1 電鏈鋸鋸切試驗臺設計

1.1 設計依據

根據鏈鋸切削原理可知，電鏈鋸的鋸切性能主要依據鋸切比功(K)評價，鋸切比功主要反映了電鏈鋸鋸切木材的速度，鋸切比功越小，鏈鋸的工作效率越高，鋸切速度越快。鋸切比功(K)計算公式：K=N/(bLu)、N=FCV。式中：K為鋸切比功；N為鋸切功率；b為鋸口寬度；L為木材直徑；u為進給速度；FC為切削力；V為切削速度。

切削速度(V)，可以通過鋸鏈鏈輪的轉速(n)、鏈輪齒數(Z)、鋸鏈的節(jié)距(t)求得，V=Z·t·n/(3×104)；木材直徑、鋸口寬度、鏈輪齒數、鋸鏈節(jié)距，在具體測試過程中均作為已知參數。因此，為了掌握電鏈鋸鋸切性能的各項指標，試驗臺需要檢測切削力、進給速度、鏈輪輪軸扭矩、鏈輪輪軸轉速4個主要參數。

1.2 試驗臺組成結構

本研究設計的鋸切試驗臺，主要由試驗臺框架、數據采集系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、工件固定系統(tǒng)5個部分組成，三維結構見圖1、實物圖見圖2、主要設備核心型號見表1。

表1 電鏈鋸鋸切試驗臺主要設備核心型號

1為試驗臺架體；2為電源箱；3為液壓站；4為液壓缸；5為激光對射光電開關；6為S型傳感器(徑向力)；7為底部滑塊；8為紅外測溫傳感器；9為交流電機；10為轉矩轉速傳感器；11為變頻驅動器；12為鏈鋸導板；13為頂部導軌；14為頂部滑塊；15為擋板；16為底部導軌；17為S型傳感器(切向力)；18為夾具。

圖2 電鏈鋸鋸切試驗臺實物圖

1.3 試驗臺工作原理

將待測鋸鏈安裝至導板上，動力由功率為1.5 kW的交流電機經過變頻驅動器，調速范圍為100～8 000 r/min?？煽毓枵{速器的輸出，通過聯軸器與轉矩轉速傳感器相連，即可通過扭矩傳感器測出試驗過程中的鏈輪扭矩。扭矩傳感器的輸出軸，通過聯軸器傳遞給鏈輪軸，帶動鋸鏈工作。導板，可根據試驗中采用的不同型號的鋸鏈，進行調節(jié)拆卸，以滿足不同的試驗測試需求。

液壓站提供液壓動力，控制液壓缸的推進。液壓缸前端，通過S型傳感器與工件固定平臺相連接，因而能夠在推進過程中測出進給力，即等效為電鏈鋸的徑向力。在電鏈鋸鋸切工件時，工件會受到鏈鋸切向力的影響，通過工件夾具下方導軌尾部的S型傳感器可以檢測出切向力。液壓缸推動木材工件安裝平臺，通過鋸鏈完成切削作業(yè)流程。在移動過程中，安裝平臺經過激光對射開關時，會阻斷激光光線。此時，對射開關會產生開關信號，信號經過運算放大器進行信號放大后傳輸至控制器，控制器開始計時。當安裝平臺徹底通過對射開關之后，即整個鋸切流程結束，計時結束，得出的時間即為鋸切時間(t)。根據公式即可計算出進給速度u=L/t，L為木材直徑、t為鋸切時間。

試驗臺控制以及數據采集，采用可編程控制器完成，在每個試驗流程結束后將數據傳送到計算機上，然后進行數據整理與分析。

2 電鏈鋸鋸切試驗臺應用試驗

采用紅松、楊木兩個樹種木材作為試驗用材(見表2)；試驗采用3種不同的鋸鏈(節(jié)距分別為8.255、9.525、10.26 mm)對試材進行鋸切試驗，3種不同鋸鏈節(jié)數均為64、中導齒數量均為32、刀齒形狀均為直角、中導齒厚度均為1.09 cm。

表2 試材主要參數

2.1 鋸切試驗方法

①將鋸鏈安裝至導板上，使用螺絲調節(jié)器調節(jié)鏈條張力，并涂抹鋸鏈潤滑油，啟動電源使鏈鋸運轉，確保其能夠正常轉動。

②檢查相關元件安裝無誤，打開傳感器、可編程控制器、計算機電源，啟動keil uvision5軟件，導入編寫好的程序并調試。

③將試材固定在夾具上，打開試驗臺電源開關，通過調節(jié)變頻控制器控制電機轉速，等待電機轉動穩(wěn)定之后調零，啟動液壓缸進給裝置，移動至鋸鏈，進行鋸切。

④鋸切過程中，轉矩轉速傳感器采集鏈輪實時扭矩、轉速，3個S型傳感器分別采集進給力、切削力，4個參數采集間隔為0.1 s，激光對射光電開關采集鋸切時間，然后通過數據線傳輸至可編程控制器，經由信號轉換之后再傳輸至計算機中。

⑤每組試驗采用上述試驗步驟改變變量，進行正交和單因素試驗。

2.2 影響切削力的多因素正交試驗

試驗選取對電鏈鋸鋸切指標影響較大的含水率、切削速度、鋸切深度、鋸口長度(即木材直徑)為試驗因素，每個因素取3個梯度(見表3)，以L27(34)設計正交試驗，分析各因素對電鏈鋸切削力、鋸切比功的影響。切削速度，由變頻控制器控制，由轉矩轉速傳感器測定；含水率，利用烘干法控制，通過水分測定儀測定；鋸切深度，通過改變鋸鏈尺寸控制，即改變鋸鏈護刀齒長度；鋸口長度，通過改變試材直徑控制。

表3 對電鏈鋸切削力和鋸切比功影響因素的梯度設計

在研制的電鏈鋸鋸切試驗臺上進行鋸切試驗，按照上述試驗步驟重復試驗3次，以3次試驗的測試數據的平均值為依據計算試驗結果(見表4)，對試驗結果進行極差分析(見表5)。由各組極差分析可得，各因素對切削力的影響，由大到小依次為鋸口長度、鋸切深度、含水率、切削速度；各因素對鋸切比功的影響，由大到小依次為鋸口長度、含水率、切削速度、鋸切深度。

表4 4個因素對電鏈鋸切削力和鋸切比功影響的正交試驗結果

表5 4個因素對電鏈鋸切削力和鋸切比功影響的正交試驗結果極差

2.3 單因素對鋸切指標的影響

保持其余因素不變，改變某一因素，分析鋸口長度、含水率、切削速度、鋸切深度4個因素單因素對切削力和鋸切比功的影響(見表6)。由表6可見：

表6 單因素對鋸切指標影響的試驗結果

鋸口長度/mm切削力/N進給力/N鋸切比功/kg·mm-2鋸切深度/mm切削力/N進給力/N鋸切比功/kg·mm-210107.6121.320.956235.8261.547.2413128.1141.917.617271.2298.142.4815152.5170.314.928311.9345.837.2618181.4197.512.699358.6398.333.2820215.9241.110.7610412.5459.330.25

①在試驗設計的試材含水率范圍內(10%～30%)，隨著含水率增加，切削力、進給力、鋸切比功隨即增大。這是由于在試材到達其纖維飽和點含水率之前，隨著含水率的增加，木材纖維的強度以及韌性也隨即增加，導致電鏈鋸鋸切過程中所需要的切削力也增大，進給力即切削阻力也會隨之增加。在切削力增加時，鋸切比功隨之增加，鋸切效率會下降。因此，在使用電鏈鋸進行鋸切作業(yè)時，盡量選擇干燥的天氣，避免在雨中或者雨后進行作業(yè)。

②在試驗設計的切削速度范圍內(6～14 m/s)，隨著切削速度增加，切削力、進給力、鋸切比功均呈現下降趨勢，但變化趨勢相對于其他因素較緩。隨著切削速度提高，木材的變形減小，導致鋸切過程中所需要的切削力變小。但由于切削速度的變化對于切削力影響不大，要獲得最佳的切削效率，主要取決于電鏈鋸的電動機提供足夠的驅動轉矩，而非動力。

③在試驗設計的鋸口長度范圍內(10～20 cm)，隨著鋸口長度的增加，切削力、進給力增加，鋸切比功減小。鋸口長度，一方面取決于試材的直徑，一方面取決于電鏈鋸鋸鏈的長度；當試材直徑大于鋸鏈長度時，鋸鏈越長，表明參與鋸切的刀齒越多，則切削力越大。因此，為了獲得較大的鋸切效率，在一定范圍內選用較長的鋸鏈進行鋸切作業(yè)。

④在試驗設計的鋸切深度范圍內(6～10 mm)，隨著鋸切深度的增加，切削力、進給力增加，鋸切比功減小。鋸切深度，由電鏈鋸鋸鏈上的護刀齒的長度決定；護刀齒越長，則鋸切深度越大，產生的切屑的厚度也越大。在鋸切過程中，主要會產生三部分阻力，分別為鋸齒鋸切木材的阻力、摩擦阻力、輸送切屑阻力。隨著鋸切深度的增加，切屑厚度變大，導致鋸齒與切屑的接觸面積變大、切屑體積變大，隨即鋸切阻力、摩擦阻力、輸送切屑的阻力變大，因而切削力、進給力均會變大。

3 結論

針對電鏈鋸鋸切性能的研究，設計了一種電鏈鋸鋸切試驗臺，能夠檢測電鏈鋸鋸切過程中的切削力、進給力、進給速度、鏈輪輪軸扭矩、鏈輪輪軸轉速。

應用正交試驗分析4個因素對電鏈鋸鋸切性能的影響，各因素對切削力的影響，由大到小依次為鋸口長度、鋸切深度、含水率、切削速度；各因素對鋸切比功的影響，由大到小依次為鋸口長度、含水率、切削速度、鋸切深度。鋸口長度影響最大。

在單因素影響試驗中，木材含水率、鋸口長度、鋸切深度的增加，均會導致電鏈鋸鋸切過程中切削力、進給力的增加；切削速度對切削力、進給力的影響較??；鋸口長度、鋸切深度的增加，會導致鋸切比功降低；含水率、切削速度的增加，會導致鋸切比功增加。

為了獲得更高的鋸切效率，應保持較低的木材含水率、較高的電機轉矩、較大的鋸口長度、較大的鋸切深度。本研究中，當含水率為10%、鋸口長度為20 cm、鋸切深度為10 mm、切削速度為14 m/s時，電鏈鋸取得最優(yōu)鋸切效率。