鏈式原條造材機輸送裝置設計

王博文，李 洋，劉瑞偉，候朋杰

(東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

貯木場是集原木生產、原木繳庫驗收、支撥監督等職能于一體的生產單位，其中原木生產是貯木場生產作業最重要的環節之一[1-2]，因此降低人工勞動強度，提高原木生產作業技術水平，實現自動控制的機械化原木生產，是提高原木生產效率和經濟運行質量的重要措施[3-5]。東北林區處于高緯度地區，常年氣候寒冷，戶外工作環境較差，我國目前還沒有適合低溫戶外作業的造材機。常將帶式輸送機用于低溫環境下作業，但其在工作中存在跑偏、皮帶打滑、皮帶斷裂、減速器斷軸等問題，這會影響造材機加工木材的精度[6]。因此，應用鏈傳動可以保證造材機輸送裝置傳動的穩定及加工的精確，鏈式輸送裝置輸送能力大，可承載較大的載荷；輸送速度準確穩定，能保證精確的同步輸送；易于實現積放輸送，可用做裝配生產線或作為物料的儲存輸送；可在各種惡劣的環境下工作，性能可靠[7-8]。AutoCAD集平面作圖、三維造型、數據庫管理、渲染著色、互聯網等功能于一體，在全球各領域得到廣泛的使用[9]。因此本文采用AutoCAD建模針對原條造材機鏈式輸送裝置進行設計。

1 輸送裝置的工作原理

鏈式原條造材機輸送裝置如圖1所示，其生產加工木材的工作過程為：由抓取裝置將待加工原條抓取并放置在輸送裝置的滾筒的“V”型槽中，啟動電機，帶動傳動裝置，使待加工原條在滾筒的轉動下向前輸送。輸送至檢測點，進行材質檢測，檢測原條中節子、缺陷、傷疤等情況，確定合理的下鋸切割位置。然后進行紅外量材，量出所要鋸截原條的尺寸。關閉電機，使原條停止輸送，夾緊裝置閉合，將原條固定，下鋸進行切割造材，夾緊裝置松開，開動電機，將原條被截下的部分輸送到合適的位置，進行拋木卸材，原條剩余部分繼續行進，重復上述動作。

圖1 輸送裝置結構圖(單位：mm)

2 輸送裝置各組成部分選擇及計算

2.1 滾筒部分的設計及計算過程

造材機輸送的原條主要依靠的是滾子表面所提供的摩擦力，并且滾子還要能承受住原條的壓力(即原條的重力)。因此，在設計滾筒結構時不僅要考慮到滾子表面所提供的摩擦力，還要考慮到制造滾筒材料對原條的支撐能力以及制作加工的難度。

在開始滾筒結構方案設計之前，需要對一般的原條進行一個大致了解，通過查閱相關書籍，可以得知，東北林區內林木的直徑d=80～500 mm，因此可將滾軸或滾筒的長度定為l=600 mm。林區內一般樹木密度為ρ=0.44～0.57 g/cm3，本文取平均密度為ρ=0.54 g/cm3同時，原條表面的摩擦系數μ=0.4～0.6，為了計算方面，確定μ=0.4[10]。

林區內的林木一般都能良好的生長，故經過砍伐所得到的原條長度大都較長，這里取原條的長度l=20 m進行重量的計算。同時，還需要考慮不同直徑的原條所對應不同的質量，分別計算最小與最大直徑原條的質量：

Mmin=ρVmin=ρlSmin=πρlrmin2=54.26 kg。

Mmax=ρVmax=ρlSmax=πρlrmax2=2119.5 kg。

通過初步的設計，可以得知一根原條在輸送過程中，承載原條的滾筒個數為20個，因此可以計算出每個滾筒在重力方向上對原條所產生的支持力。取g=9.8 N/kg，每個滾筒產生的最小支持力：Nmin=gMmin/20=26.59 N；每個滾筒產生的最大支持力：Nmax=gMmax/20=1 038.6 N。

根據滾筒提供的穩定性以及制造加工滾筒時的難度，可以將其設計成沿被加工原條的送料進給方向多組平行均勻分布，每組均為一對同軸連接的、其錐度小端相對的錐形滾子，其中被輸送的原條在滾子所形成的“V”型中實現運輸。

下面對該滾筒結構產生的摩擦力進行計算。以較大直徑的原條作為研究對象，根據力學中對滾筒側壁摩擦力的分析中可以得知：f=Mgcosα·μ(α為滾筒側壁與滾筒軸的夾角)，其中α角越小，滾筒側壁所提供的摩擦力也就越大。考慮到加工精度的問題，選取10°的α角，再分別對最小摩擦力和最大摩擦力進行計算。

滾筒側壁產生的最小摩擦力：

fmin=μNmincosα=10.48 N。

滾筒側壁產生的最大摩擦力：

fmax=μNmaxcosα=409.12 N。

通過計算可知，滾筒側壁產生的摩擦力滿足輸送要求，同時該結構滾筒節省材料、體積小，便于加工。由旋轉的滾子驅動送料，為增大摩擦力，滾子與被加工木材接觸的表面上設有多組凸點，如圖2所示。

圖2 滾筒結構圖

2.2 滾筒軸的選擇

滾筒軸是穿插在兩個軸承中間的圓柱形物件，是支撐轉動零件并與之一起回轉以傳遞扭矩或彎矩、運動的機械零件。裝置中回轉的零件就裝在滾筒軸上。根據軸上滾筒的長度可確定滾筒軸的長度為876 mm。同時根據強度確定最小直徑為30 mm的梯度軸。如圖3所示為滾筒軸的結構圖。

圖3 滾筒軸結構(單位：mm)

2.3 鏈條和鏈輪的選擇

鏈條是由眾多相同或相間相同的構件(即鏈節)用鉸鏈連接起來的撓性件。在選擇鏈條的問題上，只需考慮鏈條能傳遞動力即可，故根據機械設計手冊，選取型號為10A的鏈條[11]，表1是10A鏈條的具體數據。

表1 10A鏈條規格

鏈輪是與鏈條相嚙合的帶齒的輪形機械零件，因此鏈輪的選擇是根據鏈條而定的。根據機械設計手冊，選取的鏈輪規格見表2。

表2 鏈輪的規格

注：19齒的鏈輪一般用于中高轉速、正常工作條件下的主動鏈輪。

根據以上數據，可以得出如下結論：

鏈輪齒寬b0=(1～1.6)b=8.7 mm～13.9 mm；

齒根圓dg=dj-d==86 mm。

2.4 軸承與軸承座的選擇

軸承是在機械傳動過程中起固定和減小載荷摩擦系數的部件。簡而言之，當其它機件在軸上彼此產生相對運動時，它是用來降低動力傳遞過程中的摩擦系數和保持軸中心位置固定的機件。軸承座是用來支撐軸承的一種構件，在本設計中，它還起到了承載滾筒和連接床身的作用。軸承座的型號選擇是與軸承同時進行的。根據機械設計手冊選取，選擇軸承型號為206。表3是206型號軸承的相關數據。

表3 206型號軸承規格

為了與206型號的軸承配套，選擇軸承座型號為Z2506Y/Z2506M，表4為該型號軸承座的規格。圖4為軸承座的三視圖。

表4 Z2506Y/Z2506M型號軸承座規格

注：表中兩種結構的軸承座僅質量上有區別，Y型為2.1 kg，M型為2 kg。

2.5 輸送平臺結構用料的選擇

輸送機的平臺部分作為滾筒載體的形式出現，并起到連接車輪、滾筒以及固定零部件的作用，可以說起到承上啟下的作用。因此床身結構的設計不僅要考慮到了輸送機的穩定性，而且還需注意運輸的便利性。裝置的輸送平臺是整個裝置的框架，因此選用適當的型鋼能夠保證裝置的穩定性以及承載能力。輸送平臺的框架部分主要考慮穩定性、運輸便利性和零件裝配的因素，選用槽鋼作為滾筒的軸承座固定材料，選用方管作為裝置的梁。通過查閱機械手冊，選用50*50厚度為5 mm的方管以及型號為6.5*的槽鋼，如圖5和圖6所示。表5是6.5*型號槽鋼的相關數據。

圖4 軸承座的三視圖

圖5 方管的結構圖

圖6 槽鋼的結構圖

表5 6.5*型號槽鋼的規格

2.6 車輪、車軸、軸承和軸承座的選擇

對于選取車輪的選取只需能進行正常運輸即可。為了控制裝置的整體高度，這里選取的是直徑500 mm的車輪，車胎使用一般的車輪即可。車輪軸也未有特殊的要求，根據實際情況選取直徑為50 mm的軸。通過查閱機械設計手冊選定型號為210的軸承，軸承座的型號為Z2510Y/Z2510M。表6、表7分別是軸承和軸承座的相關數據。圖7是車輪軸的結構圖。

表6 201型號軸承的規格

表7 Z2510Y/Z2510M型號軸承座的規格 mm

圖7 車輪軸結構圖(單位：mm)

2.7 支腳的選擇

為了能讓裝置在作業地點進行正常的作業，需要收起車輪，放下穩定的支腳來固定裝置。為保證原條運輸機在林地環境下工作平穩，牢靠，在機架上設計8個支腳，高低可通過旋轉軸進行調整。圖8是支腳的結構圖。

圖8 支腳結構圖

3 結束語

本文通過對鏈式原條造材機輸送裝置工作原理的描述以及各組成部分的選擇與計算，并用AutoCAD進行建模，完成了輸送裝置的設計。其中，滾筒的結構如圖2所示，滾筒軸的結構如圖3所示，鏈條選用型號為10A的鏈條，鏈輪選用為齒數19的普通鏈輪，滾筒的軸承選用206型號的軸承，軸承座的型號為Z2506Y/Z2506M，輸送平臺上的框架材料選用厚度為5 mm的方管以及型號為6.5*的槽鋼，選用型號210的軸承以及型號為Z2510Y/Z2510M的軸承座，車輪選直徑為500 mm的普通車輪，支撐輸送平臺的支腿選用普通的支撐支腿。該設計能夠滿足原條造材時的輸送要求，保證輸送的效率及穩定性，提高了林業生產的自動化程度和原條造材的生產效率，從而提高貯木場的經濟效益。

【參 考 文 獻】

[1]戴春田.談貯木場技術改造[J].林業科技，2000(51)：57-59.

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[3]張佩劍，楊慧敏，楊學春，等.貯木場自動化原木生產實驗教學系統建設[J].森林工程，2011，27(6)：40-41.

[4]周云舉.強化山場原木生產質量管理提高木材生產的經濟效益[J].吉林林業科技，1997(4)：54-57.

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[6]王洪明，程世曉.帶式運輸機跑偏的改進[J].中國井礦鹽，1994(2)：42-43.

[7]姜銀花，郭宏，陳勤賢.關于貯木場原木縱向輸送機的類型分析[J].森林工程，1996，12(1)：29-30.

[8]劉建華.機械設計課程設計[M].北京：電子工業出版社，2011.

[9]吳永進，林美櫻.AutoCAD2006中文版實用教程——基礎篇[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[10]徐有明.木材學[M].北京：中國林業出版社，2006.

[11]吳宗澤.機械零件設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2006.