液壓式枝丫材打捆機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王執(zhí)煜，齊永峰，楊樹平，劉鐵男

(黑龍江省森林工程與環(huán)境研究所、黑龍江省森林生態(tài)與林業(yè)生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080)

枝丫材、藤條灌木等是林業(yè)生物質(zhì)資源的重要組成部分，是重要的可再生資源，其可利用潛力巨大，開發(fā)利用前景十分廣闊[1-2]。枝丫材等森林剩余物的再利用對(duì)實(shí)現(xiàn)我國森林可持續(xù)發(fā)展、改善森林生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)林業(yè)生物質(zhì)能源建設(shè)具有重要意義，但由于枝丫材堆積密度小、運(yùn)輸儲(chǔ)存占用空間大、運(yùn)輸成本高、林農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，使作業(yè)成果經(jīng)濟(jì)效益差、競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)，制約了其規(guī)模發(fā)展。國外在枝丫材打捆工藝及設(shè)備方面的研究從20世紀(jì)70年代就已開展，并有成型設(shè)備應(yīng)用，如美國約翰.迪爾公司研發(fā)的1490D型全自動(dòng)液壓式枝丫打捆機(jī)[3]等。國內(nèi)也有科研院所、生產(chǎn)企業(yè)等研究在集材拖拉等設(shè)備上安裝繩索式、液壓爪式等枝丫材打捆設(shè)備，但由于技術(shù)落后、作業(yè)效率低、成本高等問題沒能在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。

為解決這一瓶頸問題，本研究借鑒國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)[4-5]，結(jié)合我國林業(yè)生產(chǎn)作業(yè)條件及現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備使用狀況，研究開發(fā)了一種新型液壓式枝丫材打捆機(jī)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理及作業(yè)流程

新型液壓式枝丫材打捆機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1。

1.牽引鉤；2.小型發(fā)電機(jī)；3.打帶機(jī)；4.控制箱；5.拖車；6.機(jī)架；7.導(dǎo)軌；8.進(jìn)給油缸；9.上料斗；10.移動(dòng)橫梁；11.二次壓縮料倉；12.二次壓縮油缸；13.截鋸；14.下料托板；15.電控閥體；16.一次壓縮油缸；17.擺壓棍；18.擺壓馬達(dá)；19.一次壓縮料倉；20.鋸截進(jìn)給電機(jī)；21.直齒條圖1 枝丫材打捆機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

該液壓式枝丫材打捆機(jī)為牽引式結(jié)構(gòu)，主要由拖車、機(jī)架、擺壓輥、一次壓縮油缸、一次壓縮料倉、二次壓縮油缸、二次壓縮料倉、導(dǎo)軌、進(jìn)給油缸、截鋸、上下料托板、發(fā)電機(jī)、電控箱、液壓系統(tǒng)等組成。牽引主機(jī)為輪式或履帶式拖拉機(jī)并要有滿足一定參數(shù)要求的液壓動(dòng)力輸出，有山地越障、爬坡等能力。打捆機(jī)液壓系統(tǒng)動(dòng)力由牽引主機(jī)液壓系統(tǒng)提供，液壓動(dòng)作控制由PLC程控執(zhí)行，發(fā)電機(jī)為打帶機(jī)、鋸截電機(jī)及清潔保護(hù)裝置等提供電力。

1.2 工作原理及作業(yè)流程

上料口處由人工或機(jī)械添加枝丫材，在擺動(dòng)輥及一次料倉完成一次壓縮；在上下進(jìn)料輥?zhàn)饔孟聦⒅ρ静耐茢D到二次壓縮料倉，當(dāng)二次料倉滿載后，在壓縮油缸作用力下，壓縮爪閉合完成二次壓縮；在推進(jìn)油缸作用力下，將枝丫捆推進(jìn)到打帶口處由自動(dòng)打帶機(jī)完成打帶，二次壓縮料倉張開返回初始位置狀態(tài)，完成一次壓縮循環(huán)作業(yè)；當(dāng)壓縮后的枝丫捆達(dá)到定長(zhǎng)度值時(shí)，啟動(dòng)鋸截按扭，油鋸由怠速加速至工作轉(zhuǎn)速，并在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下橫截枝丫捆材，完成鋸截程序。

枝丫材打捆機(jī)作業(yè)流程見圖2。

圖2 打捆機(jī)作業(yè)流程圖

2 主要參數(shù)的設(shè)計(jì)

2.1 枝丫捆尺寸

由樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件確定的枝丫捆尺寸參數(shù)為：枝丫捆直徑460 mm，枝丫捆長(zhǎng)度1800、2400、3000 mm。

2.2 壓縮率

物料的可壓縮性是指物料在外界壓力的作用下被壓實(shí)后體積減小或密度增大的性能或能力，一般用物料體積減小的百分率(即壓縮率)[6]。壓縮率：C=ΔV/V×100%，式中：C為物料的壓縮率(%)；V為物料的體積(mm3)；ΔV為體積變化量(mm3)。

本樣機(jī)中枝丫材的壓縮為連續(xù)進(jìn)料壓縮，其物料體積的變化僅在橫截面積上的變化，長(zhǎng)度方向沒有變化，故壓縮率可寫為：C=ΔS/S×100%，式中：ΔS為枝丫材壓縮前截面積(mm2)；ΔS為枝丫材壓縮后截面積減少量(mm2)。樣機(jī)枝丫材壓縮前后截面積計(jì)算見圖3。S=kS1+S2，式中：S1為壓縮過程中有壓縮變化的區(qū)域；S2為壓縮過程中沒有壓縮變化的區(qū)域；k為枝丫材裝載系數(shù)，與載量及壓縮能力相關(guān)，一般k=3～5，取k值為4計(jì)算。S=4×380×282+237870=666510 mm2，S3=166100 mm2(壓縮后按料倉幾何尺寸計(jì)算給出，圖3)。所以，ΔS=S-S3=666510-166100=500410 mm2。故枝丫材壓縮率：C=ΔS/S×100%=500410/666510×100%=75%。

圖3 壓縮前后截面積計(jì)算

2.3 最大壓縮力確定

A為閉合時(shí)壓縮力的作用點(diǎn)；B為啟始時(shí)壓縮力的作用點(diǎn)；F為壓縮力(kg)；F′為物料集合抗壓作用力(kg)；L為壓縮力作用力臂(mm)；L′為物料集合抗壓縮作用力臂(mm)；O為壓縮板轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn) 圖4 壓縮力分析計(jì)算

壓縮力是枝丫材打捆機(jī)重要參數(shù)之一，其數(shù)值大小對(duì)枝捆的壓縮率、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、動(dòng)力匹配等有直接影響。國內(nèi)已有相關(guān)學(xué)者開展了枝丫材壓縮特性試驗(yàn)與分析研究[6-7]，建立了枝丫材在被壓縮過程中所受的壓強(qiáng)與壓縮位移、壓強(qiáng)與壓縮密度及壓縮密度與體積模量關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。雖然本樣機(jī)與上述試驗(yàn)中的初始條件和壓縮方式有所不同，但研究結(jié)論對(duì)本樣機(jī)壓縮力的確定有重要的參考價(jià)值。

在作業(yè)程序中，對(duì)枝丫材的二次壓縮是本樣機(jī)的主要壓縮過程，并有最大壓縮力發(fā)生，應(yīng)以此計(jì)算最大壓縮力(圖4)。

從圖4可知，A點(diǎn)是壓縮力最大發(fā)生點(diǎn)，借鑒相關(guān)研究結(jié)論及相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)[8-9]，當(dāng)枝丫材壓縮率達(dá)40%～60%，枝丫材最大徑級(jí)不大于60 mm，含水率不大于31%時(shí)，枝丫材的集合抗壓作用力(F′)取值為5500 kg，列力矩平衡方程求出最大壓力：F×L=F′×L′，F(xiàn)=F′×L′/L=5500×275/387=3908(kg)。

根據(jù)整體設(shè)計(jì)要求，當(dāng)選取壓縮缸直徑63 mm時(shí)，則主壓力油缸壓力P：P=F/S，式中：S為壓縮油缸面積(cm2)。P=3908/[(6.3/2)2×3.14]=125(kg·cm-2)=12.5 MPa?？紤]系統(tǒng)液壓管路、聯(lián)合閥體、控管閥等壓力損耗及其它液壓設(shè)備的使用，選則系統(tǒng)總壓力參數(shù)16 MPa為計(jì)算依據(jù)。

3 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 壓縮系統(tǒng)

枝丫材打捆機(jī)壓縮系統(tǒng)由一次壓縮、二次壓縮2次完成。

3.1.1 一次壓縮結(jié)構(gòu) 枝丫材置入料倉后，由滾動(dòng)及擺動(dòng)壓料輥進(jìn)行間歇式壓縮，實(shí)現(xiàn)對(duì)枝丫材的調(diào)順、初壓實(shí)目的。該系統(tǒng)主要由一次壓縮料倉、驅(qū)動(dòng)輥、擺壓輥、馬達(dá)、傳動(dòng)鏈條、機(jī)架等部件組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5。

1.一次壓縮料倉；2.驅(qū)動(dòng)輥馬達(dá)；3.固定驅(qū)動(dòng)輥；4.擺壓輥；5.機(jī)架；6.壓縮油缸；7.傳動(dòng)鏈條；8.擺壓馬達(dá)；9.擺臂；10.定轉(zhuǎn)輥圖5 一次壓縮機(jī)構(gòu)

3.1.2 二次壓縮結(jié)構(gòu) 在完成一次壓縮后，枝丫材捆被間歇式帶入二次壓縮料倉中，再由二次壓縮機(jī)構(gòu)對(duì)枝丫材進(jìn)行二次壓縮，完成枝丫材的整體壓縮成型程序，并為下步的打捆程序做好準(zhǔn)備。該系統(tǒng)主要由半圓型壓板、二次壓縮油缸、機(jī)架、移動(dòng)橫梁、轉(zhuǎn)軸等部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖6。

3.2 液壓控制系統(tǒng)

液壓控制系統(tǒng)主要完成滾動(dòng)進(jìn)料、一次壓縮、二次壓縮、枝丫捆間歇進(jìn)給等程序動(dòng)作。系統(tǒng)主要由液壓站(牽引機(jī)液壓系統(tǒng))、組合電磁多路閥體、液壓控制原件、液壓執(zhí)行原件等組成。本機(jī)液壓控制系統(tǒng)原理見圖7。

1.半圓壓縮板;2.二次壓縮油缸;3.機(jī)架;4.移動(dòng)橫梁;5.轉(zhuǎn)軸;6.導(dǎo)軌圖6 二次壓縮機(jī)構(gòu)1.牽引機(jī)液壓系統(tǒng);2.手動(dòng)換向閥;3.快速聯(lián)接閥;4.壓力閥;5.電磁溢流閥;6.電磁換向閥;7.疊加式單向節(jié)流閥;8.分流閥;9.壓料輥轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá);10.進(jìn)料定輥轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá);11.一次壓縮油缸;12.二次壓縮油缸;13.進(jìn)料往返油缸圖7 液壓控制系統(tǒng)原理

3.3 自動(dòng)打帶機(jī)

自動(dòng)打帶機(jī)功能是在DBA-150型全自動(dòng)打包機(jī)基礎(chǔ)上，通過減少平臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸、增加機(jī)芯防塵處理，新開調(diào)整孔、機(jī)架安裝固定等措施改制而成。打帶機(jī)使用220 V電源(隨車小型發(fā)電機(jī)提供)作業(yè)。打捆帶采用PP帶(聚丙烯帶)熱熔接方式，捆扎力、熱熔溫度可根據(jù)作業(yè)條件調(diào)整，設(shè)備適應(yīng)環(huán)境溫度-20～40 ℃范圍。DBA型全自動(dòng)打包機(jī)見圖8。

3.4 鋸截系統(tǒng)

鋸截裝置主要由鏈鋸、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、齒輪、齒條、機(jī)架、調(diào)速控制器、行程開關(guān)及其它電器控制部件等組成，結(jié)構(gòu)見圖9。作業(yè)時(shí)按鋸截啟動(dòng)鍵，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪、齒條的傳動(dòng)，帶動(dòng)已鋸切狀態(tài)鏈鋸橫向進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)切割枝丫捆作業(yè)，當(dāng)完成切割后，且行程擋塊達(dá)接近開關(guān)(6#)后，電動(dòng)機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈鋸及機(jī)架等返回運(yùn)動(dòng)，達(dá)行程擋塊達(dá)接近開關(guān)(7#)后停止運(yùn)動(dòng)，鏈鋸改為怠速狀態(tài)。

圖8 自動(dòng)打帶機(jī)圖9 鋸截結(jié)構(gòu)示意圖

3.5 PLC控制

采用德國西門子PLC公司生產(chǎn)的S7200 CPU22X系列產(chǎn)品，其可靠性、擴(kuò)展性、維護(hù)性等功能良好[10]，實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)電磁閥的控制及各設(shè)備操作程序要求功能。系統(tǒng)由接近開關(guān)傳感器、電磁閥、調(diào)壓電源、電器控制柜等組成了硬件控制電路，軟件設(shè)計(jì)包括輸入/輸出分配表、程序流程圖的編寫等，最后結(jié)合硬件進(jìn)行調(diào)試。PLC程控電路見圖10。

圖10 PLC樣機(jī)程控電路

3.6 牽引主機(jī)配置

依據(jù)對(duì)液壓系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)要求、山地作業(yè)環(huán)境及森林撫育剩余收集模式[11]，并借鑒森林工程機(jī)械相關(guān)研究[12]，選取山東萊工機(jī)械制造公司生產(chǎn)的ZL920型鉸接輪式裝載機(jī)為樣機(jī)的牽引主機(jī)設(shè)備。該類型機(jī)在國內(nèi)使用較為普及，在林業(yè)生產(chǎn)中已廣泛采用，如原木裝車、歸楞、修路及其它輔助生產(chǎn)等。由于是鉸接結(jié)構(gòu)及大輪式胎，并具有爬坡、轉(zhuǎn)彎靈活及越野性好特性，適合于山地條件作業(yè)。

4 整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

5 試驗(yàn)?zāi)康呐c設(shè)計(jì)

5.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過樣機(jī)作業(yè)試驗(yàn)，對(duì)樣機(jī)壓縮、進(jìn)料、打帶、鋸截等系統(tǒng)功能進(jìn)行測(cè)試，檢驗(yàn)各項(xiàng)功能與設(shè)計(jì)要求達(dá)標(biāo)情況；檢驗(yàn)液壓控制系統(tǒng)及操控系統(tǒng)的響應(yīng)性、穩(wěn)定性、可靠性；對(duì)樣機(jī)山地行駛性能進(jìn)行測(cè)試；對(duì)枝丫材捆產(chǎn)品質(zhì)量及性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試分析；體驗(yàn)人工勞動(dòng)強(qiáng)度，計(jì)算作業(yè)效率。

表1 整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖11 試驗(yàn)場(chǎng)地

5.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

樣機(jī)試驗(yàn)地點(diǎn)在黑龍江省綏棱國有林場(chǎng)管理局閣山林場(chǎng)37、38林班(175縣道路42 km附近)。試驗(yàn)場(chǎng)地是樟子松人工林小面積更新皆伐地(圖11)。

堆積后測(cè)量枝丫材密度在90～120 kg·m-3，平均含水率31%左右，直徑小于65 mm；試驗(yàn)地平均坡度5°。試驗(yàn)中采用2人負(fù)責(zé)上料(枝丫材已事先擇選傳堆)，1人負(fù)責(zé)程序監(jiān)控及操作。累計(jì)試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)40 h，打捆數(shù)量100捆，樣機(jī)牽引行駛了65 km。

6 試驗(yàn)結(jié)果與分析

6.1 行駛試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果與分析

行駛速度：公路牽引最大行駛速度25 km·h-1，伐區(qū)道行駛速度3～5 km·h-1。爬坡越障能力：樣機(jī)適合于坡度≤15°、較開闊的山地條件，垂直越障能力0.3 m，越溝能力1.2 m。行駛穩(wěn)定性：樣機(jī)在行駛中橫向、縱向穩(wěn)定性良好，操作控制響應(yīng)正常，沒有傾斜、失控等現(xiàn)象發(fā)生。轉(zhuǎn)彎半徑≤15 m。

6.2 性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

準(zhǔn)備作業(yè)：牽引鉤解鎖、車架支腿、液壓聯(lián)接、發(fā)電機(jī)啟動(dòng)正常，截鏈鋸啟動(dòng)器位置偏高，啟動(dòng)困難。一次壓縮系統(tǒng)：料倉、擺壓輥、壓縮油缸、轉(zhuǎn)輥等功能正常，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對(duì)枝丫材直徑≥8 cm及支叉較多或彎曲度較大時(shí)需進(jìn)行先處理后上料。二次壓縮系統(tǒng)：二次壓縮的壓力、壓縮時(shí)間、機(jī)架結(jié)構(gòu)等功能正常，達(dá)到設(shè)計(jì)要求；但有時(shí)在壓縮過程中有漏料、卡料現(xiàn)象。進(jìn)給系統(tǒng)：進(jìn)給及返回動(dòng)作迅速、響應(yīng)快，機(jī)架、導(dǎo)輪、導(dǎo)軌正常，無阻停、卡住等問題，機(jī)架強(qiáng)度及穩(wěn)定性可靠。打帶機(jī)：性能齊全、操作簡(jiǎn)單，帶的強(qiáng)度、捆扎速度及粘接力滿足使用要求；對(duì)機(jī)芯及帶道防塵、防護(hù)要求較高，環(huán)境溫度使用范圍-20～40 ℃。自動(dòng)鋸截：鋸截速度、鋸截力滿足要求，進(jìn)給、返回、調(diào)速實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；鋸鏈外露防護(hù)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)。液壓及控制系統(tǒng)：多路閥體、換向閥、溢流閥、液壓缸、馬達(dá)、液壓管線等功能正常；系統(tǒng)應(yīng)用PLC控制，具有自動(dòng)化程度高、動(dòng)作響應(yīng)快、可靠性好、擴(kuò)展性強(qiáng)、維護(hù)性好等特點(diǎn)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求?？刂泼姘骞δ埽嚎刂泼姘逯懈靼粹o及指示功能正常。

6.3 枝丫材捆主要技術(shù)參數(shù)

枝丫材捆主要技術(shù)參數(shù)見表2。單捆枝丫材及傳堆枝丫材捆見圖12、圖13。

表2 枝丫材捆主要參數(shù)測(cè)量值

圖12 單捆枝丫材

圖13 傳堆枝丫材捆

7 結(jié)論

液壓式枝丫材打捆機(jī)的設(shè)計(jì)借鑒了國內(nèi)外同類產(chǎn)品技術(shù)，并結(jié)合我國林業(yè)生產(chǎn)作業(yè)條件而研發(fā)的一款全新型的林機(jī)設(shè)備。它以拖車牽引作業(yè)方式實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，以液壓、PLC自動(dòng)控制及機(jī)電控制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)枝丫材的上料、壓縮、自動(dòng)打捆、定長(zhǎng)鋸截等功能。整機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，自動(dòng)控制準(zhǔn)確性高，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，硬件選用性價(jià)比適宜，軟件設(shè)計(jì)科學(xué)合理，在減少勞動(dòng)力的同時(shí)也提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，提高作業(yè)效率。試驗(yàn)表明，對(duì)含水率31%的樟子松枝丫材，捆的壓縮率75%，壓縮密度311 kg·m-3，作業(yè)效率18～20捆·h-1(捆長(zhǎng)1.8 m)，捆的外形及捆帶強(qiáng)度等均能滿足運(yùn)輸、儲(chǔ)運(yùn)條件，樣機(jī)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。樣機(jī)的研發(fā)為我國營林機(jī)械設(shè)備的研究提供了一種新的借鑒，也為我國林業(yè)機(jī)械裝備體系的發(fā)展提供了新產(chǎn)品。