一種新型電動伐竹鋸的設(shè)計

姚遠東，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。截止到2010年我國的竹林面積達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]。因為竹子的生長周期短、種類多樣、生長量多等特點，所以其帶來的經(jīng)濟效益高、社會效益大、市場潛力深，有利于建成“綠色經(jīng)濟”。其中2009年，我國竹林資源產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值高達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)濟的發(fā)展，也有利于以竹代木，實現(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，因價格較高、對竹材損傷較大的問題實際應(yīng)用時未能達到較好的效果。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)計了一款新型的電動伐竹工具，用直流電機驅(qū)動齒輪，再由齒輪帶動曲柄轉(zhuǎn)盤和往復(fù)軸，達到反復(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。首先將整個機構(gòu)圖的結(jié)構(gòu)看作一個二維坐標軸，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)整個運動過程曲柄做逆時針運動，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動。

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

當180°＜α＜270°時，曲柄運動到圖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，帶動軸開始向右運動。

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

圖1 機構(gòu)的工作原理示意圖

2 電動伐竹鋸的結(jié)構(gòu)組成

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

圖2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3 切割部分及驅(qū)動部分結(jié)構(gòu)

圖4 背負式鋰電池

驅(qū)動部分由電機和減速齒輪組組成。電動伐竹鋸在工作時，通過電機轉(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、自鎖夾頭和鋸條進行反復(fù)切割的運動，從而實現(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，有效保護鋸條的使用壽命。

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

3 性能分析

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

3.1 往復(fù)軸與曲柄轉(zhuǎn)盤分析

3.1.1 受力分析

本設(shè)計的電動伐竹機使用的是60 V永磁直流電機，電機所提供的額定功率為1000 W，電機扭矩為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）計算得到大齒輪的轉(zhuǎn)速為w2=1308.4 r/min，通過公式（2）計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，屈服強度為200～500 MPa。基于上述的受力分析，用有限元軟件Solidworks 2020 Simulation對曲柄轉(zhuǎn)盤和往復(fù)軸進行有限元仿真，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為計算得出最大應(yīng)力，根據(jù)機械設(shè)計材料塑性形變設(shè)計要求，安全系數(shù)一般不小于1.5。經(jīng)計算往復(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參數(shù)作為參考。竹子抗彎曲能力和拉伸強度相比木材高，但是剪切強度大致范圍為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的竹材進行計算。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。考慮上述參數(shù)參照文獻[9]中經(jīng)驗公式計算出每齒切削量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)計齒輪系減速效率為2.5，計算得出實際功率為195.57 W，伐竹鋸電機的額定功率為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，屈服強度為2×107N/m2。基于上述的受力分析，對鋸片和竹子進行有限元仿真，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最大應(yīng)力達到5.568108 N/m2、7.907107 N/m2，遠超過竹子的屈服強度。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)計要求。同時該伐竹鋸具備切割竹子的實際可行性且切割速度較快以及鋸條切割力度較大，滿足實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)計得到的電動伐竹機構(gòu)三維虛擬產(chǎn)品如圖14所示。

圖14 伐竹機的三維模型圖

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，從而實現(xiàn)了反復(fù)切割竹子的功能。文本設(shè)計的電動伐竹據(jù)與傳統(tǒng)的伐竹工具和市面上其他的一些現(xiàn)代化伐竹機器相比，能有效保護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。