链式原条造材机输送装置设计

王博文，李 洋，刘瑞伟，候朋杰

(东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040)

贮木场是集原木生产、原木缴库验收、支拨监督等职能于一体的生产单位，其中原木生产是贮木场生产作业最重要的环节之一[1-2]，因此降低人工劳动强度，提高原木生产作业技术水平，实现自动控制的机械化原木生产，是提高原木生产效率和经济运行质量的重要措施[3-5]。东北林区处于高纬度地区，常年气候寒冷，户外工作环境较差，我国目前还没有适合低温户外作业的造材机。常将带式输送机用于低温环境下作业，但其在工作中存在跑偏、皮带打滑、皮带断裂、减速器断轴等问题，这会影响造材机加工木材的精度[6]。因此，应用链传动可以保证造材机输送装置传动的稳定及加工的精确，链式输送装置输送能力大，可承载较大的载荷；输送速度准确稳定，能保证精确的同步输送；易于实现积放输送，可用做装配生产线或作为物料的储存输送；可在各种恶劣的环境下工作，性能可靠[7-8]。AutoCAD集平面作图、三维造型、数据库管理、渲染着色、互联网等功能于一体，在全球各领域得到广泛的使用[9]。因此本文采用AutoCAD建模针对原条造材机链式输送装置进行设计。

1 输送装置的工作原理

链式原条造材机输送装置如图1所示，其生产加工木材的工作过程为：由抓取装置将待加工原条抓取并放置在输送装置的滚筒的“V”型槽中，启动电机，带动传动装置，使待加工原条在滚筒的转动下向前输送。输送至检测点，进行材质检测，检测原条中节子、缺陷、伤疤等情况，确定合理的下锯切割位置。然后进行红外量材，量出所要锯截原条的尺寸。关闭电机，使原条停止输送，夹紧装置闭合，将原条固定，下锯进行切割造材，夹紧装置松开，开动电机，将原条被截下的部分输送到合适的位置，进行抛木卸材，原条剩余部分继续行进，重复上述动作。

图1 输送装置结构图(单位：mm)

2 输送装置各组成部分选择及计算

2.1 滚筒部分的设计及计算过程

造材机输送的原条主要依靠的是滚子表面所提供的摩擦力，并且滚子还要能承受住原条的压力(即原条的重力)。因此，在设计滚筒结构时不仅要考虑到滚子表面所提供的摩擦力，还要考虑到制造滚筒材料对原条的支撑能力以及制作加工的难度。

在开始滚筒结构方案设计之前，需要对一般的原条进行一个大致了解，通过查阅相关书籍，可以得知，东北林区内林木的直径d=80～500 mm，因此可将滚轴或滚筒的长度定为l=600 mm。林区内一般树木密度为ρ=0.44～0.57 g/cm3，本文取平均密度为ρ=0.54 g/cm3同时，原条表面的摩擦系数μ=0.4～0.6，为了计算方面，确定μ=0.4[10]。

林区内的林木一般都能良好的生长，故经过砍伐所得到的原条长度大都较长，这里取原条的长度l=20 m进行重量的计算。同时，还需要考虑不同直径的原条所对应不同的质量，分别计算最小与最大直径原条的质量：

Mmin=ρVmin=ρlSmin=πρlrmin2=54.26 kg。

Mmax=ρVmax=ρlSmax=πρlrmax2=2119.5 kg。

通过初步的设计，可以得知一根原条在输送过程中，承载原条的滚筒个数为20个，因此可以计算出每个滚筒在重力方向上对原条所产生的支持力。取g=9.8 N/kg，每个滚筒产生的最小支持力：Nmin=gMmin/20=26.59 N；每个滚筒产生的最大支持力：Nmax=gMmax/20=1 038.6 N。

根据滚筒提供的稳定性以及制造加工滚筒时的难度，可以将其设计成沿被加工原条的送料进给方向多组平行均匀分布，每组均为一对同轴连接的、其锥度小端相对的锥形滚子，其中被输送的原条在滚子所形成的“V”型中实现运输。

下面对该滚筒结构产生的摩擦力进行计算。以较大直径的原条作为研究对象，根据力学中对滚筒侧壁摩擦力的分析中可以得知：f=Mgcosα·μ(α为滚筒侧壁与滚筒轴的夹角)，其中α角越小，滚筒侧壁所提供的摩擦力也就越大。考虑到加工精度的问题，选取10°的α角，再分别对最小摩擦力和最大摩擦力进行计算。

滚筒侧壁产生的最小摩擦力：

fmin=μNmincosα=10.48 N。

滚筒侧壁产生的最大摩擦力：

fmax=μNmaxcosα=409.12 N。

通过计算可知，滚筒侧壁产生的摩擦力满足输送要求，同时该结构滚筒节省材料、体积小，便于加工。由旋转的滚子驱动送料，为增大摩擦力，滚子与被加工木材接触的表面上设有多组凸点，如图2所示。

图2 滚筒结构图

2.2 滚筒轴的选择

滚筒轴是穿插在两个轴承中间的圆柱形物件，是支撑转动零件并与之一起回转以传递扭矩或弯矩、运动的机械零件。装置中回转的零件就装在滚筒轴上。根据轴上滚筒的长度可确定滚筒轴的长度为876 mm。同时根据强度确定最小直径为30 mm的梯度轴。如图3所示为滚筒轴的结构图。

图3 滚筒轴结构(单位：mm)

2.3 链条和链轮的选择

链条是由众多相同或相间相同的构件(即链节)用铰链连接起来的挠性件。在选择链条的问题上，只需考虑链条能传递动力即可，故根据机械设计手册，选取型号为10A的链条[11]，表1是10A链条的具体数据。

表1 10A链条规格

链轮是与链条相啮合的带齿的轮形机械零件，因此链轮的选择是根据链条而定的。根据机械设计手册，选取的链轮规格见表2。

表2 链轮的规格

注：19齿的链轮一般用于中高转速、正常工作条件下的主动链轮。

根据以上数据，可以得出如下结论：

链轮齿宽b0=(1～1.6)b=8.7 mm～13.9 mm；

齿根圆dg=dj-d==86 mm。

2.4 轴承与轴承座的选择

轴承是在机械传动过程中起固定和减小载荷摩擦系数的部件。简而言之，当其它机件在轴上彼此产生相对运动时，它是用来降低动力传递过程中的摩擦系数和保持轴中心位置固定的机件。轴承座是用来支撑轴承的一种构件，在本设计中，它还起到了承载滚筒和连接床身的作用。轴承座的型号选择是与轴承同时进行的。根据机械设计手册选取，选择轴承型号为206。表3是206型号轴承的相关数据。

表3 206型号轴承规格

为了与206型号的轴承配套，选择轴承座型号为Z2506Y/Z2506M，表4为该型号轴承座的规格。图4为轴承座的三视图。

表4 Z2506Y/Z2506M型号轴承座规格

注：表中两种结构的轴承座仅质量上有区别，Y型为2.1 kg，M型为2 kg。

2.5 输送平台结构用料的选择

输送机的平台部分作为滚筒载体的形式出现，并起到连接车轮、滚筒以及固定零部件的作用，可以说起到承上启下的作用。因此床身结构的设计不仅要考虑到了输送机的稳定性，而且还需注意运输的便利性。装置的输送平台是整个装置的框架，因此选用适当的型钢能够保证装置的稳定性以及承载能力。输送平台的框架部分主要考虑稳定性、运输便利性和零件装配的因素，选用槽钢作为滚筒的轴承座固定材料，选用方管作为装置的梁。通过查阅机械手册，选用50*50厚度为5 mm的方管以及型号为6.5*的槽钢，如图5和图6所示。表5是6.5*型号槽钢的相关数据。

图4 轴承座的三视图

图5 方管的结构图

图6 槽钢的结构图

表5 6.5*型号槽钢的规格

2.6 车轮、车轴、轴承和轴承座的选择

对于选取车轮的选取只需能进行正常运输即可。为了控制装置的整体高度，这里选取的是直径500 mm的车轮，车胎使用一般的车轮即可。车轮轴也未有特殊的要求，根据实际情况选取直径为50 mm的轴。通过查阅机械设计手册选定型号为210的轴承，轴承座的型号为Z2510Y/Z2510M。表6、表7分别是轴承和轴承座的相关数据。图7是车轮轴的结构图。

表6 201型号轴承的规格

表7 Z2510Y/Z2510M型号轴承座的规格 mm

图7 车轮轴结构图(单位：mm)

2.7 支脚的选择

为了能让装置在作业地点进行正常的作业，需要收起车轮，放下稳定的支脚来固定装置。为保证原条运输机在林地环境下工作平稳，牢靠，在机架上设计8个支脚，高低可通过旋转轴进行调整。图8是支脚的结构图。

图8 支脚结构图

3 结束语

本文通过对链式原条造材机输送装置工作原理的描述以及各组成部分的选择与计算，并用AutoCAD进行建模，完成了输送装置的设计。其中，滚筒的结构如图2所示，滚筒轴的结构如图3所示，链条选用型号为10A的链条，链轮选用为齿数19的普通链轮，滚筒的轴承选用206型号的轴承，轴承座的型号为Z2506Y/Z2506M，输送平台上的框架材料选用厚度为5 mm的方管以及型号为6.5*的槽钢，选用型号210的轴承以及型号为Z2510Y/Z2510M的轴承座，车轮选直径为500 mm的普通车轮，支撑输送平台的支腿选用普通的支撑支腿。该设计能够满足原条造材时的输送要求，保证输送的效率及稳定性，提高了林业生产的自动化程度和原条造材的生产效率，从而提高贮木场的经济效益。

【参 考 文 献】

[1]戴春田.谈贮木场技术改造[J].林业科技，2000(51)：57-59.

[2]史济彦.贮木场生产工艺学原理[M].北京：中国林业出版社，1989.

[3]张佩剑，杨慧敏，杨学春，等.贮木场自动化原木生产实验教学系统建设[J].森林工程，2011，27(6)：40-41.

[4]周云举.强化山场原木生产质量管理提高木材生产的经济效益[J].吉林林业科技，1997(4)：54-57.

[5]王立海.木材生产技术与管理[M].北京：中国财政经济出版社，2001

[6]王洪明，程世晓.带式运输机跑偏的改进[J].中国井矿盐，1994(2)：42-43.

[7]姜银花，郭宏，陈勤贤.关于贮木场原木纵向输送机的类型分析[J].森林工程，1996，12(1)：29-30.

[8]刘建华.机械设计课程设计[M].北京：电子工业出版社，2011.

[9]吴永进，林美樱.AutoCAD2006中文版实用教程——基础篇[M].北京：人民邮电出版社，2006.

[10]徐有明.木材学[M].北京：中国林业出版社，2006.

[11]吴宗泽.机械零件设计手册[M].北京：机械工业出版社，2006.