甘英俊，許林云，林 石

(南京林業(yè)大學(xué)，南京 210037)

鋸鏈切削性能的優(yōu)劣對鏈鋸整機的生產(chǎn)率及單位生產(chǎn)成本影響極大。鋸鏈切削性能試驗臺可用來檢驗鋸鏈的鋒利性、進鋸的輕便性、鋸鏈運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性和鋸切效率的高低，也可用于檢驗鋸鏈、導(dǎo)板和驅(qū)動鏈輪的高速適應(yīng)能力［1］。我國上世紀(jì)90年代初期研制出LQ11型鋸鏈切削性能試驗臺，在近二十年內(nèi)一直保持先進水平，未見其它鋸鏈切削性能試驗臺的相關(guān)報道。LQ－18型鋸鏈切削性能試驗臺在總結(jié)現(xiàn)有LQ－11型鋸鏈切削試驗臺的基礎(chǔ)上，進一步優(yōu)化設(shè)計，增大了鏈輪轉(zhuǎn)速測試范圍，增加了鋸鏈進給速度的無級調(diào)節(jié)，改善了三向測力傳感，采用先進的計算機技術(shù)，具有測定精度高，重復(fù)性好等特點，使整機的多項技術(shù)指標(biāo)達到了國內(nèi)領(lǐng)先水平［2］。

1 鋸鏈切削試驗臺的主要測試參數(shù)

鋸鏈的切削性能主要包括鋒利性及進鋸阻力的大小兩個方面［3］。鋸鏈切削試驗臺必須圍繞這兩個因素進行功能設(shè)計。

根據(jù)鏈鋸切削原理，反映在鋒利性及進鋸阻力的最本質(zhì)的參數(shù)分別是單位鋸切功Ks及力比q，它們的定義為:

式中:Pc為凈切削功率，W;S為鋸切生產(chǎn)率，即單位切削面積與鋸切時間的比值，cm2/s;Fx為切向切削力;Fy為法向切削力。

由力學(xué)知識可知，由切削速度v(即鋸鏈的線速度)與切向切削力可求得凈切削功:

式中:P0為驅(qū)動鏈輪的軸功率，其大小為軸扭矩與角速度之積。

一般為方便計算單位切削面積，被切材常采用方形木塊，單位切削面積即轉(zhuǎn)為切削進給速度與被切材的高度 (即鋸口長度)之積，具體測試時，將鋸鏈的節(jié)距、驅(qū)動輪齒數(shù)和被切材的高度等事先輸入計算機，作為已知參數(shù)。通過以上分析，鋸鏈切削試驗臺應(yīng)具備測量出切向切削力、法向切削力、驅(qū)動鏈輪軸扭矩、驅(qū)動鏈輪軸轉(zhuǎn)速和進給速度這5個主要參數(shù)的主要功能［4］。

2 LQ－18型鋸鏈切削性能試驗臺工作原理

LQ－18型鋸鏈切削性能試驗臺采用測量驅(qū)動鏈輪軸轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的測量方案、使用平行八角環(huán)三向測力傳感器測量切削阻力，與LQ－11相比，擴大了轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的測量范圍，提高了三向測力傳感器傳感器的測試精度［5，6］。

2.1 驅(qū)動鏈輪軸轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的測量及切削力的測量

轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器安裝在驅(qū)動鏈輪軸與驅(qū)動電機之間，可同時測量鏈輪軸轉(zhuǎn)矩及鏈輪軸的轉(zhuǎn)速。本試驗臺采用NJG030型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，許用轉(zhuǎn)速高達30 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩可達30 Nm。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器在選型時應(yīng)注意具體使用中的負載對象，應(yīng)將其安裝在最后一級的輸出軸與負載之間，并按輸出軸的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩進行選型。切削力測量傳感器采用整體式測力方式直接安裝在試材與承座之間，傳感器可承受全部切削力，通過加載標(biāo)定出切削力與輸出信號之間的關(guān)系常數(shù)。試驗臺采用自制的交叉八角環(huán)形應(yīng)變式三向切削力整體式傳感器，傳感器本體由整塊鍛造鋼經(jīng)線切割加工成形，加工精度高，應(yīng)變片貼片細致，靈敏度高，測試范圍寬。

2.2 鋸鏈驅(qū)動裝置的優(yōu)化設(shè)計

LQ－11型鋸鏈切削試驗臺的輸出軸轉(zhuǎn)數(shù)范圍為3 200～9 000 r/min，對于一些高轉(zhuǎn)速鏈鋸來說是不夠的，特別是高速切削已成為當(dāng)現(xiàn)代鋸鏈的一種發(fā)展趨勢。作為試驗臺，應(yīng)能適用于不同的鋸鏈產(chǎn)品，能模擬鋸鏈在不同切削速度下的實際工作狀態(tài)，LQ－18型鋸鏈切削性能試驗臺采用增速齒輪傳動和變頻調(diào)速相結(jié)合的方法實現(xiàn)鏈輪高轉(zhuǎn)速、寬

切削速度v可由鋸鏈驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速、驅(qū)動輪的齒數(shù)及鋸鏈的節(jié)距求得。

此外還應(yīng)計算鋸鏈的傳動效率η，定義如下:范圍的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速范圍為0～15 000 r/min。試驗臺主電機選用18.5 kW變頻電機，配合相應(yīng)變頻器，使用的電機輸出轉(zhuǎn)速在0～4100 r/min范圍內(nèi)可調(diào)。增速齒輪傳動機構(gòu)固定傳動比為1∶4，使輸出最大轉(zhuǎn)速滿足設(shè)計要求［6］。

2.3 進給裝置優(yōu)化設(shè)計

LQ－18型鋸鏈切削性能試驗臺采用導(dǎo)板固定木材水平進給的方式，導(dǎo)板固定于垂直方向。要求木材夾持裝置和導(dǎo)軌有足夠精度和剛度。設(shè)計中選用普通車床的床身作基礎(chǔ)，床鞍作為木材夾持裝置的支承架，床身上的大導(dǎo)軌面作為木材夾持裝置的導(dǎo)軌。鋸鏈切削性能試驗臺進給運動速度可調(diào)范圍大，且只有一個沿導(dǎo)軌方向的縱向運動，將電動機直接安裝在溜板箱上，相當(dāng)于車床的快進快退電動機。為了實現(xiàn)進給運動的無級調(diào)速，選用了變頻調(diào)速電動機，其頻率變化范圍為5～65 Hz，高低速之比為13倍滿足試驗臺木材水平進給速度的變化范圍為2.5～25 cm/s，高低速之比為10倍的要求［7］。

3 整機工作原理

LQ－18型鋸鏈切削試驗臺的基本構(gòu)造如圖1所示。動力由變頻電機1經(jīng)皮帶傳動2送至增速齒輪箱3，增速后轉(zhuǎn)速達100～15 000 r/min，增速齒輪箱設(shè)有獨立的潤滑系統(tǒng)，以保證高速情況下齒輪的正常工作。增速齒輪箱的輸出通過齒輪花鍵聯(lián)軸器4與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器5相連。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的輸出軸也由齒輪花鍵聯(lián)軸器傳遞給鏈輪軸。導(dǎo)板支撐座6按具體不同規(guī)格的鋸鏈、導(dǎo)板及轉(zhuǎn)動鏈輪而設(shè)計，兼顧了各種形式的鋸鏈、導(dǎo)板的測試要求。導(dǎo)板支撐座上設(shè)計有自重流油潤滑裝置，對鋸鏈進行潤滑。導(dǎo)板7具有張緊裝置，可以將鋸鏈調(diào)節(jié)到所需的預(yù)緊狀態(tài)。規(guī)格化試材8緊固在八角環(huán)三向測力傳感器9的上臺板上。測力傳感器的切削力信號由線路傳導(dǎo)至動態(tài)應(yīng)變儀。八角環(huán)三向測力傳感器固定安裝在車床10的床鞍11上，由變頻調(diào)速電動機驅(qū)動床鞍進給實現(xiàn)木材的進給運動［8］。床身10尾端裝有定滑輪及支架，可用砝碼及繩索加載標(biāo)定八角環(huán)三向測力傳感器。

轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器安裝在驅(qū)動鏈輪軸與驅(qū)動電機之間，可同時測量鏈輪軸轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速。本試驗臺采用NJG030型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，許用轉(zhuǎn)速高達30 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩可達30 Nm。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器安裝在最后一級的輸出軸與負載之間，最大限度地減少了中間傳動環(huán)節(jié)的影響。

圖1 LQ－18型鋸鏈切削性能試驗臺結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of LQ－18 type saw－chain cutting performance test－bed

平行八角環(huán)三向測力傳感器由整塊鍛造鋼經(jīng)線切割加工成形，加工精度高，應(yīng)變片貼片可靠，互干擾度小，靈敏度高，測試范圍寬［9－11］。此測力傳感器屬整體測力方式，測試誤差項少，本身就是一種精度較高的測力傳感器。傳感器直接安裝在試材與承力座之間，可直接承受全部切削力，避免了中間環(huán)節(jié)的影響。測試時，通過實際工況下的加載標(biāo)定確定切削力與輸出信號之間的關(guān)系常數(shù)，消除了間接標(biāo)定的誤差。

LQ－18型鋸鏈切削性能試驗臺采用導(dǎo)板固定木材水平進給的方式，導(dǎo)板固定于垂直方向。要求木材夾持裝置和導(dǎo)軌有足夠精度和剛度。設(shè)計中選用普通車床的床身作基礎(chǔ)，床鞍作為木材夾持裝置的支承架，床身上的大導(dǎo)軌面作為木材夾持裝置的導(dǎo)軌。LQ－18型鋸鏈切削性能試驗臺進給運動速度可調(diào)范圍大，且只有一個沿導(dǎo)軌方向的縱向運動，電動機直接安裝在溜板箱上，相當(dāng)于車床的快進快退電動機。為了實現(xiàn)進給運動的無級調(diào)速，選用了變頻調(diào)速電動機，其頻率變化范圍為5～65 Hz，高低速之比為13倍，滿足試驗臺木材水平進給速度的變化范圍為2.5～25 cm/s，高低速之比為10倍的要求。

4 測試系統(tǒng)設(shè)計

LQ－18型鋸鏈切削性能試驗臺的測試系統(tǒng)大量應(yīng)用了虛擬儀器技術(shù)及計算機技術(shù)，自動化、智能化的引入提高了系統(tǒng)的先進性。信號處理的核心是一臺工業(yè)計算機，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號連接在計算機的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號處理卡上，八角環(huán)三向測力傳感器的應(yīng)變信號經(jīng)橋盒接成所需的橋路后，由USB接口的WS3811數(shù)字應(yīng)變儀處理，并將結(jié)果通過USB口與計算機相連。進給速度信號采用光電脈沖傳感器，實現(xiàn)了長位移高精度的測量，光電脈沖傳感器的抗干擾能力突出，輸出信號為數(shù)字脈沖，筆者采用通過計算機的并行接口中的EPP模式，從輸入口讀得該TTL電平信號，節(jié)省了F/V變換及A/D板。實踐證明該方法簡單實用，也避免了信號轉(zhuǎn)換可能帶來的二次誤差。如圖2所示。

圖2 LQ－18型鋸鏈切削性能試驗臺測試原理圖Fig.2 Test schematic of LQ－18 type saw－chain cutting performance test－bed

處理軟件由Visual Basic 6.0及LabView STUDIO 6.1發(fā)套件開發(fā)，軟件主要有標(biāo)定模塊、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定模塊、實時測試模塊、計算分析模塊、打印等輔助管理模塊組成。標(biāo)定模塊用于扭矩轉(zhuǎn)速傳感器的零點標(biāo)定及八角環(huán)三向測力傳感器的零點標(biāo)定及加載線性標(biāo)定。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定模塊設(shè)定所測試鋸鏈的型號、參數(shù)等信息。實時測試模塊用于同時記錄扭矩、轉(zhuǎn)速、切向力、法向力、側(cè)向力及進給速度，并以曲線的形式顯示。計算分析模塊用于將記錄的數(shù)據(jù)進行分析計算，主要計算單位鋸切功、力比、鋸切效率及其它相關(guān)數(shù)據(jù)。

5 鋸鏈鋸切性能的測試實例

用于試驗的鋸鏈為德國STIHL JL9d、美國OREGON JL9d、國產(chǎn)某JL9d型鋸鏈。3種鋸鏈的節(jié)距相同9.32 mm，驅(qū)動鏈輪齒數(shù)z=6，試驗用木材為楊木方材，鋸口長19.5 cm，含水率25%，使用同一根試驗用木材，每條鋸鏈分別切削3次，測量、計算得平均測試結(jié)果，見表1。

表1 不同品牌JL9d鋸鏈對比測試結(jié)果Tab.1 Test results on comparison of JL9d saw-chain in different brands

從表1中可以看出，在基本相同的切削速度、主軸轉(zhuǎn)速下切削相同的試樣，STIHL與OREGON鋸鏈的鋸鏈傳動效率都遠高于國產(chǎn)鋸鏈，STIHL具有最高的單位鋸切生產(chǎn)率，國產(chǎn)鋸鏈最低。OREGON的Y側(cè)向力最大，使用時需較大的把持力以防跑偏。

6 結(jié)束語

LQ－18型鋸鏈切削性能試驗臺在LQ－11型鋸鏈切削試驗臺的基礎(chǔ)上改進了驅(qū)動電機及其傳動系統(tǒng)，采用無級變頻調(diào)速，增大了轉(zhuǎn)速范圍。試驗臺優(yōu)化設(shè)計了進給機構(gòu)，實現(xiàn)了無級調(diào)速的進給運動。測試系統(tǒng)引入計算機技術(shù)及虛擬儀器技術(shù)，具有直接測量、顯示、計算測試數(shù)據(jù)，生成測試報告，提高了測量精度及測試效率。它的研制成功將為提高我國的鋸鏈制造水平發(fā)揮作用。

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