便携式木材绞盘机新型卷筒离合器设计

刘富万，周成军，周新年，吴传宇，巫志龙，张正雄

(福建农林大学交通与土木工程学院，福建 福州 350002)

我国山地人工林间伐与择伐集材机械化存在一定的难度，对集材机械提出了更高的要求，要求集材机械在作业过程中要有效地防止需保留的活立木受伤及植被破坏[1-3]。大中型采集机与绞盘机难以适应小规模的间伐与择伐作业，因而绝大多数地区的集材作业，依然采用肩扛人抬的集材方式，不仅劳动强度大且生产效率低，而且存在着生产安全隐患[4]。高山陡坡地区，常用索道集材，由于收集范围小，故拆转频繁，成本高难以推广[5]。针对上述问题，本课题组研制一种新型便携式木材绞盘机，具有重量轻、体积小的优势，可充分代替人力进行集材作业，同时可为索道运材作辅助的抽集作业，将索道周围的木材抽集到承载索两侧横向小集中，扩大收集范围，提高索道运材效率，减少拆转次数，降低运材效率。

便携式木材绞盘机在工作时，卷筒离合器根据需要可以随时控制动力的分离和接合，同时可用作安全装置，是防止机器过载的装置。当前通用的离合器包括剪切式、牙嵌式、滚珠式和摩擦式4种，小型机械设备多采用牙嵌式离合器。绞盘机在伐区生产性试验过程中，拖行的木材遇到巨大的石块或茂密的灌木丛时发生卡阻，致使其承受的荷载大于额定拉力，同时增大牙嵌式卷筒离合器的主动盘和从动盘的咬合力，造成离合器分离困难。目前，市面上流行的卷筒离合器解决这一问题的效果不理想，本研究运用Solid Works软件辅助设计一种新型卷筒离合器，可提高便携式木材绞盘机的集材效率[6]。

1 整体设计

原设计的牙嵌式离合器如图1所示，它由两个端面上有牙的半离合器组成，其中一个半离合器固定在主动轴上，另一半离合器用导向平键(或花键)与从动轴联接，并通过操纵机构轴向移动滑块使其做轴向移动，从而起到离合作用。

在试验过程中，牙嵌式离合器在工作转矩作用下存在主从动嵌牙之间打滑或咬合过紧，停止工作时复位困难等缺点。常见的嵌合式离合器分为转键嵌合式离合器、齿式离合器和牙嵌式离合器3种类型。转键嵌合式离合器通过键来传递动力适用于轴与传动件连接，主、从动部分在离合过程不需要轴向移动；齿式离合器利用一对可沿着轴向离合并具有相同齿数的内外齿轮组成嵌合副来传递动力适宜用于转速差不大，带荷载进行结合，且传递转矩较大的机械主传动或变速机械的传动轴系；牙嵌式离合器通过两个端面上有牙的半离合器传递动力适合于静止接合，或转速差较小时接合，主要用于低速机械。设想综合3类嵌式离合器的优缺点设计新型的卷筒离合器，转键嵌合式离合器通过键传递动力，主从动部分需要轴向移动；齿式离合器利用可轴向移动的内外齿轮啮合来传递动力[7]。结合牙嵌式离合器的结构及工作原理，寻找一种合理的结构来代替牙嵌式离合器核心部件：牙嵌轴与牙嵌套。参考转键离合器的特点，用圆柱销和圆孔的嵌合代替牙嵌式离合器牙嵌轴与牙嵌套的嵌合，新型结构如图2所示。

注：1.牙嵌轴；2.牙嵌套；3.推杆；4.拨杆。

新型卷筒离合器(图2)由卷筒1、从动孔盘2、离合器套3、主动圆柱销盘4、支架5和拨杆6所组成。动力输出轴穿过卷筒1、从动孔盘2与离合器套3通过平键固定。从动孔盘2与卷筒焊接；离合器套3设有内定位槽与外定位槽与主动圆柱销盘4设置的定位滚珠，进行离合器分离与接合的定位；支架5固定卷筒离合器；拨杆6实现离合器主动圆柱销盘4轴向滑动；圆柱销盘上的圆柱销为单独的零件通过过盈配合装配在圆柱销盘上。

(a)平面图Ichnograph (b)剖面图Profile chart

新型卷筒离合器工作时，拨杆6带动主动圆柱销盘4进行轴向滑动，卷筒旋转带动从动孔盘旋转，低速运转下主动盘的圆柱销进入从动盘销孔内实现离合器接合，从而将动力传递至卷筒。绞盘机进行卸材时，拨杆6带动主动圆柱销盘4进行轴向滑动，主动盘的圆柱销脱离从动盘销孔实现离合器分离。当载荷超过额定拉力时，通过皮带轮打滑或发动机熄火进行过载保护。

1.1 三维建模

利用Solid Works软件分别对新型卷筒离合器的核心零部件从动盘、圆柱销盘和离合器套进行建模,卷筒离合器核心零件三维图如图3所示，新型离合器拨叉与支架的三维图如图4(a)和图4(b)所示，新型卷筒离合器装配图如图4(c)所示。

(a)从动盘Slave-driven disk (b)圆柱销盘Cylinder pin disk (c)离合器套Clutch sleeve

(a)拨叉Shifting fork (b)支架Bracket (c)新型卷筒离合器装配图New reel clutch

1.2 强度校核

新型卷筒离合器的主要承载部分是焊接在卷筒侧壁板上的从动盘，以及套装在动力输出轴上的主动圆柱销盘和离合器套。利用Solid Works中的仿真(Simulation)插件对其结构进行有限元分析，校核其强度是否符合绞盘机工作要求[8-10]。根据绞盘机的工作特性，发动机的输出功率达到最大时，牵引力也达到最大。当发动机的输出功率达到最大，此时外界荷载仍大于绞盘机的额定牵引力时，皮带轮发生打滑来自动切断动力输出，所以卷筒离合器工作的最不利状态为发动机输出功率达到最大时。

1.2.1 荷载计算 先计算动力由发动机传递至卷筒离合器的效率η；在已知绞盘机的发动机输出最大功率(p)为2.6 kW，最大转速(n)为6 000 r·min-1的条件下，计算经过皮带轮传动以及减速器减速后传递至卷筒离合器的转速(n离)；然后计算最大转矩T，最后计算转矩Tc。

η=η1η24η32η4η5

(1)

式中：η1为三角带传动效率；η2为传动轴承的传动效率；η3为圆柱齿轮传动效率；η4为联轴器的传动效率；η5为卷筒传递效率。

n离=n/i总

(2)

式中：n为发动机的最大转速(r·min-1)；i总为绞盘机总传动比。

T=9.55×106·p离/n离

(3)

式中：p离=pη。

Tc=KT

(4)

式中：T为稳定运转的最大转矩；K为工况系数。

1.2.2 定义参数 当卷筒离合器接合时，离合器套与主动销盘的受力是一致的，因此不分析主动销盘的圆柱销和离合器套接合部分的受力；圆柱销与从动盘接合部分，以及从动盘为易损坏构件，着重对其进行受力分析。

利用Solid Works的Simulation插件，建立新算法，定义材料，添加材料为45号钢(转速不高且荷载不大的离合器)弹性模量2.09×105MPa、泊松比0.269、密度7.89×103kg·m-3，屈服极限355 MPa。

设置边界条件，进行网格划分及载荷添加，生成有限元模型如图5(a)所示，单元大小为1.692 mm，单元总数为81 068，节总数为54 110。最后运算模型获得变形比例因子为真实比例1∶1的应力图[图5(b)]和位移图[图5(c)][8-10]。由图5(b)可知，从动盘受到的最大应力为182.8 MPa，远小于材料的屈服强度355 MPa，同时小于材料的许用应力236.7 MPa(安全系数为1.5)；从图5(c)可知，从动盘的最大变形位移为4.96×10-3mm，变形可以忽略不计，所以从动盘的设计符合强度和刚度要求。

(a)有限元模型Finite element model (b)应力图Stress diagram (c)位移图Displacement diagram

同理，对圆柱销与从动盘接合部分进行有限元分析。定义圆柱销的材料为45CrNiMoV，弹性模量2.14×105MPa、泊松比0.29、密度7.83×103kg·m-3，屈服极限1 374 MPa。其余操作参照从动盘的分析步骤，得出有限元模型[图6(a)]：单元大小为1.817 mm，单元总数为54 210，节总数为82 017。

从圆柱销盘与从动盘接合部分受力图[图6(b)]可知，圆柱销与从动盘接合部分受到最大应力为878.7 MPa，远小于材料屈服强度1 374 MPa，同时小于材料的许用应力916 MPa(安全系数为1.5)；从圆柱销盘与从动盘接合部分位移图[图6(c)]可知，圆柱销与从动盘接合部分的最大变形位移为2.326×10-2mm，变形可以忽略不计，所以圆柱销的设计符合强度和刚度要求。圆柱销盘的材料和从动盘均选用45号钢，所以圆柱销盘的设计符合强度和刚度要求。通过上述分析得出：从动盘和圆柱销盘的设计符合要求。

(a)有限元模型Finite element model (b)应力图Stress diagram (c)位移图Displacement diagram

2 改进设计

将新型卷筒离合器安装在便携式木材绞盘机中进行试验，发现当绞盘机发生卡阻时，由于圆柱销与销孔之间接触应力过大导致轴向滑动的摩擦阻力较大，造成离合器分离困难，操作费力且不便，同时，圆柱销和从动盘的孔对中不够顺畅。根据便携式绞盘机卷筒离合器的工作特点，其承受的是单向荷载，绞盘机工作时圆柱销盘是按一个固定方向旋转的，通过拔叉带动圆柱销盘轴向移动和静止的从动盘接合，考虑到这种接合类似齿轮啮合，齿轮啮合是主动齿轮的齿顶先与从动齿轮的齿顶接触再与齿根接触完成啮合。齿轮啮合是一个由松到紧的过程，根据这一特性，考虑该卷筒离合器参照这种接合模式，将从动孔盘中相间的孔直径加大2 mm，做两个圆的内切圆和外切圆变为从动多孔旋转盘，通过Solid Works建模如图7(a)，与主动销盘配合如图7(b)。根据卷筒离合器的结构特点命名为“多孔旋转圆柱式卷筒离合器”。

(a)从动多孔旋转盘 (b)主动与从动盘配合

多孔旋转圆柱式卷筒离合器工作时，拨杆带动主动多圆柱销盘进行轴向滑动，卷筒旋转带动从动多旋转孔盘旋转，大孔至小孔方向实现离合器接合，小孔至大孔方向实现离合器分离。圆柱销和大孔或小孔这种半开放式的接合方式，减少了圆柱销和旋转孔之间的接触面积，从而减小轴向滑动的摩擦阻力；圆柱销从大孔到小孔之间的旋转距离，对离合器的接合起到一定的缓冲作用；圆柱销从小孔旋转至大孔，圆柱销和旋转孔之间的接触面积逐渐减小，摩擦阻力逐渐变小，离合器分离越发容易。

3 试验验证

3.1 试验设备

试验使用3台便携式绞盘机如图8所示，3种机型的动力相同，分别安装旋转柱销式卷筒离合器、传统型牙嵌式卷筒离合器和柱销式卷筒离合器。

(a)旋转柱销式卷筒离合器 (b)牙嵌式卷筒离合器 (c)柱销式卷筒离合器

3.2 试验设计

模拟卡阻现象，记录卡阻情况下分离卷筒离合器的最快时间和最大拉力，重复10组试验。试验设计如图9所示，将便携式木材绞盘机四端固定，启动运行至卡阻熄火，通过数显拉力机记录此时的最大拉力，同时用秒表记录卷筒离合器的分离时间(人力分离)。

3.3 数据分析

3台木材绞盘机10组试验平均最大拉力分别为：4.03、4.02和4.09kN，分离的平均时长为：14.63、10.34和6.63s。从表1的数据看，3台木材绞盘机的平均最大拉力比例为1∶1∶0.98，表明3台木材绞盘机的平均最大拉力基本一致；旋转柱销式卷筒离合器平均分离时间比柱销式卷筒离合器节省3.71s、比牙嵌式卷筒离合器节省8s。试验结果表明，在同等试验条件下，旋转柱销式卷筒离合器的分离性能优于柱销式卷筒离合器和牙嵌式卷筒离合器。

图9 卷筒离合器卡阻试验Figure 9 Jamming test of the reel clutch

表1 不同类型便携式绞盘机实测数据Table 1 Measured data of different types of portable winch

4 小结

利用便携式木材绞盘机进行木材生产试验的过程中，卷筒离合器在分离与接合时容易出现卡阻现象，从而影响集材生产效率。基于Solid Works软件构建卷筒离合器三维模型，利用有限元分析方法验证其强度和刚度是否达到设计要求，该方法可有效缩短了卷筒离合器设计的设计周期。现场试验分析结果表明，3台便携式木材绞盘机在相同卡阻条件下，旋转柱销式卷筒离合器平均分离时间比柱销式卷筒离合器节省3.71 s、比牙嵌式卷筒离合器节省8 s，表明新设计的多孔旋转圆柱式卷筒离合器能有效提升绞盘机在卡阻情况下卷筒离合器的分离速度，提高便携式木材绞盘机的适用性和生产效率。