“伐木機工作裝置設計”在森林工程專業本科教學中的實踐

楊鐵濱 孟 春 邢 濤

（東北林業大學工程技術學院 黑龍江·哈爾濱 150040）

森工機械與裝備設計是林業院校森林工程專業培養本科生掌握森工生產中常用裝備設計方法的實踐性課程。使學生掌握森工機械的組成和構建方法，綜合運用機械設計與制造、計算機輔助設計、木材生產技術與管理、工程測試技術等先修課程的知識，結合木材生產實際，進行采伐裝備總體方案的分析與設計。多樣化的設計選題和合理的設計任務是學生掌握設計方法、提高設計能力的重要保證。森工機械與裝備設計選題應能與生產實踐相結合，為學生提供較大的創新設計空間,以學習解決復雜工程問題。

自行式采伐機械進行伐木的工作裝置稱為伐木頭，伐木頭要在野外工作條件下完成伐木、打枝、造材等復雜工序。伐木頭的機械系統由鋸切機構和夾抱機構兩部分構成。鋸切機構包括鋸鏈、鋸板、液壓馬達和控制裝置。夾抱機構包括抱爪、液壓缸、驅動滾筒等。整個伐木頭的設計包括了金屬結構、機械機構、液壓執行機構、測量與控制機構。由于伐木頭結構的復雜性及其在國內應用的限制性，目前還沒有國內設計制造的產品。伐木頭設計的這些特點對于提高學生想象力和設計思維能力，鍛煉學生創新能力有很大作用。

把建模仿真技術和課程設計結合起來，可以促進學生掌握相關建模仿真軟件的應用技巧與方法，使學生學會靈活應用系統建模與仿真的相關理論，為學生提供思考、實踐與驗證的平臺，提升實踐意識。

1 伐木頭設計任務

1.1 設計要求

伐木頭能在原始森林中，利用伐木機的動力和起重臂提供的支撐完成伐木、打枝、造材多種工序。伐木的直徑<400mm，樹高<30m，伐倒部分重量<4t，伐倒方式為橫倒。打枝方式為切刀切削，伐木頭自動進料，打枝方向從大頭到小頭，打枝與造材同時進行，造材長度6m，能自動進料。在伐木、打枝、造材過程中，需要夾抱機構固定伐倒木，伐木頭總重量<2t。

1.2 設計任務

伐木機工作裝置設計內容包括選擇裝載機（代伐木機）型號和起重臂形式；設計起重臂與伐木頭的連接形式、伐木頭的作業流程；設計伐木頭的夾抱機構、鋸切機構和支撐結構和驅動形式；應用實體建模軟件建立伐木機三維模型，進行運動學仿真，計算伐木頭工作范圍。

2 教學過程與設計實例

2.1 教學過程

森工機械與裝備設計在第6學期期末進行，此時學生已經學完了森工機械與裝備課程和進行課程設計所必須的先修課程，能夠獨立地根據設計要求和任務進行設計。為提高學生的創新能力和合作精神，我們要求學生獨自進行方案設計，然后將學生分組，每組組內討論、分析、優化設計方案。確定方案后學生自主劃分設計內容和建模零件，最后進行裝配和仿真。自由討論、文獻分析、報告撰寫和教師指導貫穿于課程設計始終。這種方法促進了學生對理論知識的理解、實踐技能的應用和創新能力的提高。

2.2 學生建模實例

學生設計的伐木機總體結構由裝載機、伐木頭和起重臂三部分組成，設計重點是伐木頭。在總體方案設計的同時確定作業要求，描述作業流程。伐木頭機械結構包括U型吊架、機架、夾抱機構和鋸木機構。夾抱機構設計包括夾抱機構、進料機構和液壓缸驅動部件設計，鋸切機構設計包括鏈鋸導板、鋸鏈和液壓馬達驅動部件設計。在這個結構概念下，學生根據伐木頭的主要參數，利用實體建模軟件建立機架、夾抱除枝刀、大圓弧夾抱除枝刀、液壓缸、傳動片、鋸鏈、液壓馬達、連軸件、連板件、鋸導板等一系列零部件的模型，并采用適當的配合裝配成整體。最后完成伐木頭、起重臂和裝載機的裝配，為運動仿真分析和結構優化做好準備。學生建立的各種伐木頭模型如圖1所示。

圖1：伐木頭裝配圖實例

2.3 運動仿真

學生應用建好的整機實體模型，通過運動仿真觀察裝配體的運動特性，檢驗裝配體在運動仿真中是否會發生干涉，并進行位置和運動分析，得出仿真過程中特定點的運動軌跡，計算出伐木頭在運動過程中的位置、速度、加速度等數據。

3 實施效果與項目拓展

森工機械與裝備課程設計是與該課程教學相配合的實踐教學環節，對調動學生自主學習的積極性，深入掌握課程知識有很大幫助。在課程體系框架內挖掘新的課程設計題目是專業課教師推進教學改革，鍛煉學生創新思維的有效手段。在這一實踐教學項目的實施過程中，學生對森工裝備結構有了更細致的了解，明確了如何著手分步解決復雜系統設計問題，消除了對創新設計任務的“恐懼感”。在課程設計過程中，學生綜合運用了機械設計基礎、三維實體建模與仿真、起重輸送機械、電工電子學等多門專業基礎課和專業課知識；鍛煉了分工合作能力和用工程技術語言進行森工裝備結構與功能的表達能力。

工程教育專業認證要求森林工程專業本科生能夠綜合運用所學知識，分析和解決森林工程領域復雜問題并提出解決方案；設計開發出應用于森林工程領域的系統和工藝流程，并能夠在設計環節中體現創新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環境等因素；能夠使用恰當的技術、資源和工具，解決復雜工程問題；具有良好的團隊合作能力和組織協調能力；具有自主學習和終身學習的意識和能力。實施效果表明“伐木機工作裝置設計”這一課程設計項目完全契合上述專業認證要求。

教學實踐表明，“伐木機工作裝置設計”為學生提供了開放、實用的學習內容，對培養學生解決復雜工程問題起到了積極的作用。