“伐木機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)”在森林工程專(zhuān)業(yè)本科教學(xué)中的實(shí)踐

楊鐵濱 孟 春 邢 濤

（東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 黑龍江·哈爾濱 150040）

森工機(jī)械與裝備設(shè)計(jì)是林業(yè)院校森林工程專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)本科生掌握森工生產(chǎn)中常用裝備設(shè)計(jì)方法的實(shí)踐性課程。使學(xué)生掌握森工機(jī)械的組成和構(gòu)建方法，綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、木材生產(chǎn)技術(shù)與管理、工程測(cè)試技術(shù)等先修課程的知識(shí)，結(jié)合木材生產(chǎn)實(shí)際，進(jìn)行采伐裝備總體方案的分析與設(shè)計(jì)。多樣化的設(shè)計(jì)選題和合理的設(shè)計(jì)任務(wù)是學(xué)生掌握設(shè)計(jì)方法、提高設(shè)計(jì)能力的重要保證。森工機(jī)械與裝備設(shè)計(jì)選題應(yīng)能與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，為學(xué)生提供較大的創(chuàng)新設(shè)計(jì)空間,以學(xué)習(xí)解決復(fù)雜工程問(wèn)題。

自行式采伐機(jī)械進(jìn)行伐木的工作裝置稱(chēng)為伐木頭，伐木頭要在野外工作條件下完成伐木、打枝、造材等復(fù)雜工序。伐木頭的機(jī)械系統(tǒng)由鋸切機(jī)構(gòu)和夾抱機(jī)構(gòu)兩部分構(gòu)成。鋸切機(jī)構(gòu)包括鋸鏈、鋸板、液壓馬達(dá)和控制裝置。夾抱機(jī)構(gòu)包括抱爪、液壓缸、驅(qū)動(dòng)滾筒等。整個(gè)伐木頭的設(shè)計(jì)包括了金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)械機(jī)構(gòu)、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測(cè)量與控制機(jī)構(gòu)。由于伐木頭結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及其在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的限制性，目前還沒(méi)有國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)品。伐木頭設(shè)計(jì)的這些特點(diǎn)對(duì)于提高學(xué)生想象力和設(shè)計(jì)思維能力，鍛煉學(xué)生創(chuàng)新能力有很大作用。

把建模仿真技術(shù)和課程設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，可以促進(jìn)學(xué)生掌握相關(guān)建模仿真軟件的應(yīng)用技巧與方法，使學(xué)生學(xué)會(huì)靈活應(yīng)用系統(tǒng)建模與仿真的相關(guān)理論，為學(xué)生提供思考、實(shí)踐與驗(yàn)證的平臺(tái)，提升實(shí)踐意識(shí)。

1 伐木頭設(shè)計(jì)任務(wù)

1.1 設(shè)計(jì)要求

伐木頭能在原始森林中，利用伐木機(jī)的動(dòng)力和起重臂提供的支撐完成伐木、打枝、造材多種工序。伐木的直徑<400mm，樹(shù)高<30m，伐倒部分重量<4t，伐倒方式為橫倒。打枝方式為切刀切削，伐木頭自動(dòng)進(jìn)料，打枝方向從大頭到小頭，打枝與造材同時(shí)進(jìn)行，造材長(zhǎng)度6m，能自動(dòng)進(jìn)料。在伐木、打枝、造材過(guò)程中，需要夾抱機(jī)構(gòu)固定伐倒木，伐木頭總重量<2t。

1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)

伐木機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)內(nèi)容包括選擇裝載機(jī)（代伐木機(jī)）型號(hào)和起重臂形式；設(shè)計(jì)起重臂與伐木頭的連接形式、伐木頭的作業(yè)流程；設(shè)計(jì)伐木頭的夾抱機(jī)構(gòu)、鋸切機(jī)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)形式；應(yīng)用實(shí)體建模軟件建立伐木機(jī)三維模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，計(jì)算伐木頭工作范圍。

2 教學(xué)過(guò)程與設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 教學(xué)過(guò)程

森工機(jī)械與裝備設(shè)計(jì)在第6學(xué)期期末進(jìn)行，此時(shí)學(xué)生已經(jīng)學(xué)完了森工機(jī)械與裝備課程和進(jìn)行課程設(shè)計(jì)所必須的先修課程，能夠獨(dú)立地根據(jù)設(shè)計(jì)要求和任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和合作精神，我們要求學(xué)生獨(dú)自進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，然后將學(xué)生分組，每組組內(nèi)討論、分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。確定方案后學(xué)生自主劃分設(shè)計(jì)內(nèi)容和建模零件，最后進(jìn)行裝配和仿真。自由討論、文獻(xiàn)分析、報(bào)告撰寫(xiě)和教師指導(dǎo)貫穿于課程設(shè)計(jì)始終。這種方法促進(jìn)了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解、實(shí)踐技能的應(yīng)用和創(chuàng)新能力的提高。

2.2 學(xué)生建模實(shí)例

學(xué)生設(shè)計(jì)的伐木機(jī)總體結(jié)構(gòu)由裝載機(jī)、伐木頭和起重臂三部分組成，設(shè)計(jì)重點(diǎn)是伐木頭。在總體方案設(shè)計(jì)的同時(shí)確定作業(yè)要求，描述作業(yè)流程。伐木頭機(jī)械結(jié)構(gòu)包括U型吊架、機(jī)架、夾抱機(jī)構(gòu)和鋸木機(jī)構(gòu)。夾抱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)包括夾抱機(jī)構(gòu)、進(jìn)料機(jī)構(gòu)和液壓缸驅(qū)動(dòng)部件設(shè)計(jì)，鋸切機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)包括鏈鋸導(dǎo)板、鋸鏈和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)部件設(shè)計(jì)。在這個(gè)結(jié)構(gòu)概念下，學(xué)生根據(jù)伐木頭的主要參數(shù)，利用實(shí)體建模軟件建立機(jī)架、夾抱除枝刀、大圓弧夾抱除枝刀、液壓缸、傳動(dòng)片、鋸鏈、液壓馬達(dá)、連軸件、連板件、鋸導(dǎo)板等一系列零部件的模型，并采用適當(dāng)?shù)呐浜涎b配成整體。最后完成伐木頭、起重臂和裝載機(jī)的裝配，為運(yùn)動(dòng)仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化做好準(zhǔn)備。學(xué)生建立的各種伐木頭模型如圖1所示。

圖1：伐木頭裝配圖實(shí)例

2.3 運(yùn)動(dòng)仿真

學(xué)生應(yīng)用建好的整機(jī)實(shí)體模型，通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真觀(guān)察裝配體的運(yùn)動(dòng)特性，檢驗(yàn)裝配體在運(yùn)動(dòng)仿真中是否會(huì)發(fā)生干涉，并進(jìn)行位置和運(yùn)動(dòng)分析，得出仿真過(guò)程中特定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算出伐木頭在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位置、速度、加速度等數(shù)據(jù)。

3 實(shí)施效果與項(xiàng)目拓展

森工機(jī)械與裝備課程設(shè)計(jì)是與該課程教學(xué)相配合的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，深入掌握課程知識(shí)有很大幫助。在課程體系框架內(nèi)挖掘新的課程設(shè)計(jì)題目是專(zhuān)業(yè)課教師推進(jìn)教學(xué)改革，鍛煉學(xué)生創(chuàng)新思維的有效手段。在這一實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生對(duì)森工裝備結(jié)構(gòu)有了更細(xì)致的了解，明確了如何著手分步解決復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，消除了對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)任務(wù)的“恐懼感”。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生綜合運(yùn)用了機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、三維實(shí)體建模與仿真、起重輸送機(jī)械、電工電子學(xué)等多門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)課知識(shí)；鍛煉了分工合作能力和用工程技術(shù)語(yǔ)言進(jìn)行森工裝備結(jié)構(gòu)與功能的表達(dá)能力。

工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證要求森林工程專(zhuān)業(yè)本科生能夠綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，分析和解決森林工程領(lǐng)域復(fù)雜問(wèn)題并提出解決方案；設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出應(yīng)用于森林工程領(lǐng)域的系統(tǒng)和工藝流程，并能夠在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)，考慮社會(huì)、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素；能夠使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源和工具，解決復(fù)雜工程問(wèn)題；具有良好的團(tuán)隊(duì)合作能力和組織協(xié)調(diào)能力；具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識(shí)和能力。實(shí)施效果表明“伐木機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)”這一課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目完全契合上述專(zhuān)業(yè)認(rèn)證要求。

教學(xué)實(shí)踐表明，“伐木機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)”為學(xué)生提供了開(kāi)放、實(shí)用的學(xué)習(xí)內(nèi)容，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題起到了積極的作用。