LQ－18型鋸鏈切削性能試驗臺研制

甘英俊，許林云，林 石

(南京林業大學，南京 210037)

鋸鏈切削性能的優劣對鏈鋸整機的生產率及單位生產成本影響極大。鋸鏈切削性能試驗臺可用來檢驗鋸鏈的鋒利性、進鋸的輕便性、鋸鏈運轉的平穩性和鋸切效率的高低，也可用于檢驗鋸鏈、導板和驅動鏈輪的高速適應能力［1］。我國上世紀90年代初期研制出LQ11型鋸鏈切削性能試驗臺，在近二十年內一直保持先進水平，未見其它鋸鏈切削性能試驗臺的相關報道。LQ－18型鋸鏈切削性能試驗臺在總結現有LQ－11型鋸鏈切削試驗臺的基礎上，進一步優化設計，增大了鏈輪轉速測試范圍，增加了鋸鏈進給速度的無級調節，改善了三向測力傳感，采用先進的計算機技術，具有測定精度高，重復性好等特點，使整機的多項技術指標達到了國內領先水平［2］。

1 鋸鏈切削試驗臺的主要測試參數

鋸鏈的切削性能主要包括鋒利性及進鋸阻力的大小兩個方面［3］。鋸鏈切削試驗臺必須圍繞這兩個因素進行功能設計。

根據鏈鋸切削原理，反映在鋒利性及進鋸阻力的最本質的參數分別是單位鋸切功Ks及力比q，它們的定義為:

式中:Pc為凈切削功率，W;S為鋸切生產率，即單位切削面積與鋸切時間的比值，cm2/s;Fx為切向切削力;Fy為法向切削力。

由力學知識可知，由切削速度v(即鋸鏈的線速度)與切向切削力可求得凈切削功:

式中:P0為驅動鏈輪的軸功率，其大小為軸扭矩與角速度之積。

一般為方便計算單位切削面積，被切材常采用方形木塊，單位切削面積即轉為切削進給速度與被切材的高度 (即鋸口長度)之積，具體測試時，將鋸鏈的節距、驅動輪齒數和被切材的高度等事先輸入計算機，作為已知參數。通過以上分析，鋸鏈切削試驗臺應具備測量出切向切削力、法向切削力、驅動鏈輪軸扭矩、驅動鏈輪軸轉速和進給速度這5個主要參數的主要功能［4］。

2 LQ－18型鋸鏈切削性能試驗臺工作原理

LQ－18型鋸鏈切削性能試驗臺采用測量驅動鏈輪軸轉矩轉速的測量方案、使用平行八角環三向測力傳感器測量切削阻力，與LQ－11相比，擴大了轉矩轉速的測量范圍，提高了三向測力傳感器傳感器的測試精度［5，6］。

2.1 驅動鏈輪軸轉矩轉速的測量及切削力的測量

轉速轉矩傳感器安裝在驅動鏈輪軸與驅動電機之間，可同時測量鏈輪軸轉矩及鏈輪軸的轉速。本試驗臺采用NJG030型轉矩轉速傳感器，許用轉速高達30 000 r/min，額定轉矩可達30 Nm。轉速轉矩傳感器在選型時應注意具體使用中的負載對象，應將其安裝在最后一級的輸出軸與負載之間，并按輸出軸的轉速與轉矩進行選型。切削力測量傳感器采用整體式測力方式直接安裝在試材與承座之間，傳感器可承受全部切削力，通過加載標定出切削力與輸出信號之間的關系常數。試驗臺采用自制的交叉八角環形應變式三向切削力整體式傳感器，傳感器本體由整塊鍛造鋼經線切割加工成形，加工精度高，應變片貼片細致，靈敏度高，測試范圍寬。

2.2 鋸鏈驅動裝置的優化設計

LQ－11型鋸鏈切削試驗臺的輸出軸轉數范圍為3 200～9 000 r/min，對于一些高轉速鏈鋸來說是不夠的，特別是高速切削已成為當現代鋸鏈的一種發展趨勢。作為試驗臺，應能適用于不同的鋸鏈產品，能模擬鋸鏈在不同切削速度下的實際工作狀態，LQ－18型鋸鏈切削性能試驗臺采用增速齒輪傳動和變頻調速相結合的方法實現鏈輪高轉速、寬

切削速度v可由鋸鏈驅動輪的轉速、驅動輪的齒數及鋸鏈的節距求得。

此外還應計算鋸鏈的傳動效率η，定義如下:范圍的調節，轉速范圍為0～15 000 r/min。試驗臺主電機選用18.5 kW變頻電機，配合相應變頻器，使用的電機輸出轉速在0～4100 r/min范圍內可調。增速齒輪傳動機構固定傳動比為1∶4，使輸出最大轉速滿足設計要求［6］。

2.3 進給裝置優化設計

LQ－18型鋸鏈切削性能試驗臺采用導板固定木材水平進給的方式，導板固定于垂直方向。要求木材夾持裝置和導軌有足夠精度和剛度。設計中選用普通車床的床身作基礎，床鞍作為木材夾持裝置的支承架，床身上的大導軌面作為木材夾持裝置的導軌。鋸鏈切削性能試驗臺進給運動速度可調范圍大，且只有一個沿導軌方向的縱向運動，將電動機直接安裝在溜板箱上，相當于車床的快進快退電動機。為了實現進給運動的無級調速，選用了變頻調速電動機，其頻率變化范圍為5～65 Hz，高低速之比為13倍滿足試驗臺木材水平進給速度的變化范圍為2.5～25 cm/s，高低速之比為10倍的要求［7］。

3 整機工作原理

LQ－18型鋸鏈切削試驗臺的基本構造如圖1所示。動力由變頻電機1經皮帶傳動2送至增速齒輪箱3，增速后轉速達100～15 000 r/min，增速齒輪箱設有獨立的潤滑系統，以保證高速情況下齒輪的正常工作。增速齒輪箱的輸出通過齒輪花鍵聯軸器4與轉矩轉速傳感器5相連。轉矩轉速傳感器的輸出軸也由齒輪花鍵聯軸器傳遞給鏈輪軸。導板支撐座6按具體不同規格的鋸鏈、導板及轉動鏈輪而設計，兼顧了各種形式的鋸鏈、導板的測試要求。導板支撐座上設計有自重流油潤滑裝置，對鋸鏈進行潤滑。導板7具有張緊裝置，可以將鋸鏈調節到所需的預緊狀態。規格化試材8緊固在八角環三向測力傳感器9的上臺板上。測力傳感器的切削力信號由線路傳導至動態應變儀。八角環三向測力傳感器固定安裝在車床10的床鞍11上，由變頻調速電動機驅動床鞍進給實現木材的進給運動［8］。床身10尾端裝有定滑輪及支架，可用砝碼及繩索加載標定八角環三向測力傳感器。

轉速轉矩傳感器安裝在驅動鏈輪軸與驅動電機之間，可同時測量鏈輪軸轉矩及轉速。本試驗臺采用NJG030型轉矩轉速傳感器，許用轉速高達30 000 r/min，額定轉矩可達30 Nm。轉速轉矩傳感器安裝在最后一級的輸出軸與負載之間，最大限度地減少了中間傳動環節的影響。

圖1 LQ－18型鋸鏈切削性能試驗臺結構圖Fig.1 Structure chart of LQ－18 type saw－chain cutting performance test－bed

平行八角環三向測力傳感器由整塊鍛造鋼經線切割加工成形，加工精度高，應變片貼片可靠，互干擾度小，靈敏度高，測試范圍寬［9－11］。此測力傳感器屬整體測力方式，測試誤差項少，本身就是一種精度較高的測力傳感器。傳感器直接安裝在試材與承力座之間，可直接承受全部切削力，避免了中間環節的影響。測試時，通過實際工況下的加載標定確定切削力與輸出信號之間的關系常數，消除了間接標定的誤差。

LQ－18型鋸鏈切削性能試驗臺采用導板固定木材水平進給的方式，導板固定于垂直方向。要求木材夾持裝置和導軌有足夠精度和剛度。設計中選用普通車床的床身作基礎，床鞍作為木材夾持裝置的支承架，床身上的大導軌面作為木材夾持裝置的導軌。LQ－18型鋸鏈切削性能試驗臺進給運動速度可調范圍大，且只有一個沿導軌方向的縱向運動，電動機直接安裝在溜板箱上，相當于車床的快進快退電動機。為了實現進給運動的無級調速，選用了變頻調速電動機，其頻率變化范圍為5～65 Hz，高低速之比為13倍，滿足試驗臺木材水平進給速度的變化范圍為2.5～25 cm/s，高低速之比為10倍的要求。

4 測試系統設計

LQ－18型鋸鏈切削性能試驗臺的測試系統大量應用了虛擬儀器技術及計算機技術，自動化、智能化的引入提高了系統的先進性。信號處理的核心是一臺工業計算機，轉矩轉速信號連接在計算機的轉矩轉速信號處理卡上，八角環三向測力傳感器的應變信號經橋盒接成所需的橋路后，由USB接口的WS3811數字應變儀處理，并將結果通過USB口與計算機相連。進給速度信號采用光電脈沖傳感器，實現了長位移高精度的測量，光電脈沖傳感器的抗干擾能力突出，輸出信號為數字脈沖，筆者采用通過計算機的并行接口中的EPP模式，從輸入口讀得該TTL電平信號，節省了F/V變換及A/D板。實踐證明該方法簡單實用，也避免了信號轉換可能帶來的二次誤差。如圖2所示。

圖2 LQ－18型鋸鏈切削性能試驗臺測試原理圖Fig.2 Test schematic of LQ－18 type saw－chain cutting performance test－bed

處理軟件由Visual Basic 6.0及LabView STUDIO 6.1發套件開發，軟件主要有標定模塊、系統參數設定模塊、實時測試模塊、計算分析模塊、打印等輔助管理模塊組成。標定模塊用于扭矩轉速傳感器的零點標定及八角環三向測力傳感器的零點標定及加載線性標定。系統參數設定模塊設定所測試鋸鏈的型號、參數等信息。實時測試模塊用于同時記錄扭矩、轉速、切向力、法向力、側向力及進給速度，并以曲線的形式顯示。計算分析模塊用于將記錄的數據進行分析計算，主要計算單位鋸切功、力比、鋸切效率及其它相關數據。

5 鋸鏈鋸切性能的測試實例

用于試驗的鋸鏈為德國STIHL JL9d、美國OREGON JL9d、國產某JL9d型鋸鏈。3種鋸鏈的節距相同9.32 mm，驅動鏈輪齒數z=6，試驗用木材為楊木方材，鋸口長19.5 cm，含水率25%，使用同一根試驗用木材，每條鋸鏈分別切削3次，測量、計算得平均測試結果，見表1。

表1 不同品牌JL9d鋸鏈對比測試結果Tab.1 Test results on comparison of JL9d saw-chain in different brands

從表1中可以看出，在基本相同的切削速度、主軸轉速下切削相同的試樣，STIHL與OREGON鋸鏈的鋸鏈傳動效率都遠高于國產鋸鏈，STIHL具有最高的單位鋸切生產率，國產鋸鏈最低。OREGON的Y側向力最大，使用時需較大的把持力以防跑偏。

6 結束語

LQ－18型鋸鏈切削性能試驗臺在LQ－11型鋸鏈切削試驗臺的基礎上改進了驅動電機及其傳動系統，采用無級變頻調速，增大了轉速范圍。試驗臺優化設計了進給機構，實現了無級調速的進給運動。測試系統引入計算機技術及虛擬儀器技術，具有直接測量、顯示、計算測試數據，生成測試報告，提高了測量精度及測試效率。它的研制成功將為提高我國的鋸鏈制造水平發揮作用。

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