沖氣式竹坯筒去節整機結構設計

季文靜，范雨杭，2，韋菲菲，李巖舟

（1.廣西大學機械工程學院，南寧 廣西 530000；2.廣西壯族自治區農業機械化服務中心，南寧 廣西 530023）

1 引言

隨著經濟的高速發展，大量砍伐林木，造成了森林資源嚴重緊缺。與生長較為緩慢的木材相比，竹材具有生長快、生長周期短等特性，高效利用竹材可以緩解我國木材短缺的問題，起到保護森林資源的作用[1-3]。據統計，我國現有竹林面積約720 萬hm2，占全球竹林面積的四分之一，對于竹材的應用，在我們的生活中隨處可見[4]。在當今木材短缺和低碳經濟的背景下，竹材作為一項非木質資源，日益彰顯其資源價值，竹材料的加工也備受關注[5]。竹稈包括節間和節兩部分，加工竹稈從斷料，開條，去節，壓刨，到成品等這一系列的工序中，大多工序都已有相應的機器代替手工作業，但是具有去除竹節功能的機器少之又少，加之無論在建筑還是工藝等領域對中空竹筒的需求量越來越大，所以針對這一情況，需要設計一款去除竹節的機器。目前市場上常見的去除竹節的方法基本可以分為兩類：一類為傳統方法，這種方法包括鏟刀鏟削法和鐵棒捅破法；另一類為利用旋刀式整竹去內節機去節[6]。傳統方法勞動強度極大，而且效率低。旋刀式整竹去內節機能在不破壞竹壁情況下去除竹節。其最主要的工作部件為刀頭，其刀頭的結構，如圖1 所示。旋刀式整竹去內節法存在刀頭結構復雜，加工難度大，制造要求高；刀頭的旋轉速度難以調節；當竹坯筒的“三度”較大時，刀頭不能適應，無法進行去節；無法加工內徑小于80mm 的竹坯筒；加工前要人工對竹子按照直徑分類。由于存在這些缺陷，導致其使用范圍受到極大限制。為了解決這一問題提出設計一種利用高壓空氣進行去節的沖氣式竹坯筒去節機。

圖1 去內節銑刀頭結構簡圖Fig.1 Schematic Diagram of the Structure of The Cutter Head to the Inner Section

2 工作原理及技術路線

2.1 工作原理

沖氣式竹坯筒去節機的初步設計方案，如圖2 所示。

圖2 去節機初步設計方案Fig.2 Preliminary Design Scheme of the Knot Extractor

該去節機由夾持機構，沖氣機構組成，夾持機構由夾持板1、夾持板3、擋板2、擋板6 所組成，沖氣機構由空氣壓縮機5、氣槍4 和擋板6 組成。夾持機構中夾持板1 和夾持板3 上端為側V 形結構，其側V 形結構下端為交錯布置的弧形齒狀結構，擋板2 和擋板6 為簡單的方形鐵板。該機構的工作原理為：開始工作時夾持板1 和夾持板3 下端齒狀結構剛好接觸，以便放置竹坯筒，在竹坯筒放好后，兩個夾持板相互靠攏使竹坯筒夾緊，由于齒狀結構的齒合具有伸縮性，所以可以使不同內徑的竹坯筒在與其軸線垂直方向被夾緊，然后擋板2 和擋板6 互相靠攏壓住竹坯筒的兩端，使竹坯筒延其軸線方向被夾緊，如此竹坯筒各個方向皆被固定以便去節。沖氣機構中空氣壓縮機5 的出氣口與氣槍4 連接，在擋板6 中心鉆一小圓孔，讓氣槍4 出氣口與擋板6 的小圓孔相連，使夾持機構在夾緊竹坯筒之后，進行沖節動作。

2.2 技術路線

去節機設計技術路線，如圖3 所示：（1）對竹坯筒進行去節試驗，以此試驗確定竹節在高壓氣體作用下是否會先于竹坯筒壁被破壞，了解破除的效果如何，是否能滿足去節的要求，以證明用高壓氣體去除竹節的實用性，而且試驗所獲取的數據，可作為設定傳動軸負載值及空氣壓縮機選型的一個重要依據[7]；（2）夾持機構的設計，使竹坯筒被夾緊，確定該去節機的傳動需求；（3）根據所得試驗數據和夾持機構中所知的傳動需求，進行傳動機構的設計和計算；（4）進行沖氣機構的設計，以達到便捷去節的目的；（5）設計主體框架；（6）把所設計的機構進行裝配調試。

圖3 去節機設計技術路線Fig.3 Technical Route of the Node Design

3 關鍵部分的設計

3.1 去節實驗設計分析

用于去節試驗的法蘭形式[8]的夾持裝置，其由兩塊圓形的鐵板（其中一塊圓心處有M10 的小孔），6 根直徑為8mm 兩頭帶螺紋的螺紋桿，12 個M8 的螺母，一張橡膠墊以及帶橡膠的汽車內胎打氣嘴組成，如圖4 所示。通過把該試驗裝置浸入水中進行去節試驗可知，此裝置能夠保證竹坯筒內部的氣密性，在組裝完成后與空氣壓縮機的噴氣嘴連接，便可進行竹坯筒去節的可行性試驗，空氣壓縮機輸出氣壓值能夠從其壓力表中直接獲得，如圖5所示。通過多次試驗獲得（單位：半徑r/mm，壓值P/MPa，壓力平均值Pi/MPa）數據，并對其進行回歸分析，如表1 所示。

圖4 夾持裝置Fig.4 Clamping Device

圖5 試驗裝置Fig.5 Experimental Device

表1 去除竹節試驗數據Tab.1 Test Data of Impact Joints

根據表1 中數據繪制竹坯筒半徑和去節平均壓強關系散點圖，如圖6 所示。

圖6 竹坯筒半徑與去節壓強散點圖Fig.6 Scatterplot of the Blank Barrel Radius and the Deganging Pressure

從圖6 中可以看出所得點落在一條直線附近，說明竹坯筒半徑r 和破節壓力平均值pˉ應該為直線關系，設其回歸方程為：pˉ=b0+br，為求b0和b 所用試驗數據，如表2 所示。

表2 試驗數據整理Tab.2 Experimental Data Consolidation

根據表2 整理得到的數據可對竹坯筒半徑與去節壓強的關系進行線性回歸計算。

式中：n—不同半徑竹坯筒的個數，n=6；m—相同半徑竹坯筒重復試驗的次數，m=6。

所以：

所以回歸方程為：

方程（8）擬合度檢驗：

總偏平方和：

次試驗所得壓強和的平方。

回歸平方和：

其中，F0.01（4，30）可以從試驗設計數據表格中查出。

由式（13）可以看出檢驗結果不顯著，說明S失擬基本上是由試驗誤差引起的。從而進一步檢驗S回：

其中，F0.01（1，30）可以從試驗數據表格查出。

由式（14）可以看出檢驗結果顯著，說明回歸方程（8）擬合較好，p 關于r 的一次項是必須的。經相關試驗證明，當竹節的半徑較小時，代入回歸方程中，方程依舊成立。

3.2 夾持機構的設計

夾持裝置由圖7 中的1、2、3、4 組成，固定擋板為一塊方形鐵板固定在主體框架上。夾持板為側V 型的鐵板，固定在主體框架上，如圖8 所示。活動擋板為一塊方形鐵板，連接在傳動軸上，隨傳動軸往返運動。該夾持機構主要工作原理：將竹坯筒放置在夾持板上，活動擋板在傳動軸的帶動下向固定擋板靠攏，兩擋板逐漸壓住竹坯筒的兩端，從而在活動擋板、固定擋板和夾持板的共同作用下使竹坯筒被夾緊，然后進行沖氣去節工作，當去節完成后，活動擋板遠離固定擋板，使竹坯筒放松，回收竹坯筒。該夾持機構欲使竹坯筒實現從放松狀態到夾緊狀態再到放松狀態的循環，活動擋板只需做行程較小的往復直線運動，可取其運動行程為300mm。由前文可知傳動軸只帶動活動擋板做往復直線運動，且行程為300mm，可知有三種方案可以滿足活動擋板的運動要求：液壓傳動、齒輪齒條傳動、蝸輪蝸桿傳動。本設計的傳動方案在這三種傳動方案中進行選取。

圖7 夾持機構俯視圖Fig.7 Top View of the Clamping Mechanism

圖8 夾持板兩視圖Fig.8 Two Views of Clamping Plate

3.3 夾持裝置傳動系統的選擇

各種傳動方案對比分析：

（1）電機使用壽命：活動擋板需要實現往復運動，如果選用齒輪齒條、蝸輪蝸桿傳動則要求電動機不停地實現正反轉運動，而頻繁讓電機做正反轉運動會嚴重影響電機的使用壽命；而采用液壓傳動時，液壓系統易于對液體壓力、流量或流動方向進行調節和控制，所以從電機的使用壽命出發，應選擇液壓傳動方案[9]。

（2）制作難易程度：活動擋板只需要做直線運動，液壓傳動比機械傳動簡單，所以從制作難易程度出發，選擇液壓傳動為優[9]。

（3）傳動效率：齒輪齒條傳動效率高，且穩定，蝸輪蝸桿傳動效率低，液壓傳動長距離傳動時損失較大，但活動擋板的運動行程為300mm 即可，所以從傳動效率出發，選擇齒輪齒條和液壓傳動皆可。

綜合以上分析可知選擇液壓傳動為優。

4 液壓系統的設計計算

圖9 液壓系統設計流程圖Fig.9 Flow Chart of Hydraulic System Design

4.1 液壓缸負載綜合分析

液壓缸有啟動—快進—夾緊—快退的工作循環，其每個動作的負載值F 為：

液壓缸啟動時的負載為：F=Fm=0.3N

液壓缸快進時的負載為：F=0N

液壓缸工作時（即夾緊時）負載為：F=2500N

液壓缸快退時的負載為：F=Fm=0.6N

由于液壓缸在啟動、快進、快退時的負載值太小，所以在表3中皆忽略不計。

表3 液壓缸在各工作階段的負載值及推力Tab.3 Load Value and Thrust of Hydraulic Cylinder in Each Working Stage

圖10 液壓缸的速度圖Fig.10 Velocity Diagram of Hydraulic Cylinder

圖11 液壓缸的負載圖Fig.11 Load Diagram of Hydraulic Cylinder

4.2 液壓缸主要參數的設定

表4 液壓缸不同工作階段壓力、流量和功率值Tab.4 Pressure，Flow and Power Values of Hydraulic Cylinder at Different Working Stages

4.3 液壓回路的選擇

調速回路：液壓系統功率和載荷均較小，且要求能獲得穩定低速運動，能實現壓力控制，不需要承載負值負載的液壓系統，所以選擇進油節流調速為優[11]。

油源：液壓缸工況圖中數據顯示，液壓缸要求提供油液的流量和壓強變化很小，用單個定量泵作為油源可行，從經濟性和機構簡單化的角度出發，應選擇用單個定量泵作為油源。

液壓回路換向：由于液壓缸要實現快進—夾緊—快退動作，所以液壓回路換向選用三位四通換向閥進行換向[12]。

行程止點控制：要求在液壓缸快進之后，其活塞上的擋板壓緊竹節后停止運動，而竹坯筒屬于剛性物體，所以在行程終點采用死擋鐵停留的控制方式，即液壓缸活塞上的擋板碰見竹坯筒后，系統的壓力升高，由壓力繼電器發出信號，使電磁換向閥切換，從而使液壓缸停止運動。各個回路的工作原理，如圖12 所示。

圖12 液壓回路中的各個回路Fig.12 Each Loop in The Hydraulic Circuit

根據上述對于液壓回路中各個回路的選擇，整合得到完整的液壓回路，如圖13 所示。它在各個方面都相對較為完善。

圖13 液壓回路圖Fig.13 Hydraulic Circuit Diagram

4.4 液壓元件的選擇

液壓泵與電機：經計算，泵的最大工作壓力為：Pp=（0.55+0.5）=1.05MPa，泵能提供的流量為：Q=14×1.1=15.4L/min，根據Pp和Q，查閱《機械設計手冊》，最后選取型號為CB-B-16 型齒輪泵，其排量為16ml/r，額定壓力p=2.5MPa，額定轉速為1450r/min，容積率取ηv=0.9；液壓泵驅動電機所需要的功率為：

據此查閱《機械設計手冊》，選擇型號為Y2-711-4 三相異步電動機，其額定轉速為1380r/min，額定功率0.25kW，效率65%。

閥類零件和輔助零件：所選零件和規格，如表5 所示。

表5 元件的型號及規格Tab.5 Models and Specifications of Components

油管：依據相關計算數據，查閱《機械設計手冊》選擇公稱內徑為6.3 的I 型軟管可滿足液壓缸流量流速的要求。

油箱：查閱《機械設計手冊》，油箱有效容積應為泵每分鐘流量（3～7）倍，取5 倍，則油箱容積為：v=20.88×4=104.4L，所以可以選取工作容積為125L 的油箱。

4.5 液壓系統的性能驗算

油液溫升驗算：

查閱《機械設計手冊》可知油箱中的溫度一般在（30～50）℃時最適宜，其最大值應高于60℃，所以由上式可知該系統在常溫25℃時不需要冷卻處理。

4.6 液壓系統的控制電路設計

液壓系統的控制電路，如圖14 所示。

圖14 液壓系統的控制電路Fig.14 Control Circuit of Hydraulic System

圖中：QS—空氣開關；FU—保險絲；KM1—交流接觸器；LN.24v—開關電源；XK—行程開關；YJ—壓力繼電器；KM2、KM3—中間繼電器；KT—延時繼電器；DT1—換向閥左位線圈；DT2—換向閥右位線圈；SB1—啟動按鈕；SB2—停止按鈕。其工作原理：關閉空氣開關QS，按下啟動按鈕SB1，交流接觸器的線圈KM1 通電使交流接觸器的常開開關KM1 閉合，使電機通電，整套設備便開始運行，控制液壓缸做快進-夾緊-快退動作。

5 去節機其他機構的設計

5.1 沖氣機構設計

沖氣機構結構簡單，主要由空氣壓縮機，固定擋板和帶橡膠的汽車內胎打氣嘴組成。固定擋板上開有10mm 的圓孔，使汽車內胎打氣嘴穿過該圓孔，即氣嘴的進氣口和帶橡膠的一端分別處于固定擋板的兩端，這樣設計的目的：（1）使用車胎打氣氣嘴，便于和空氣壓縮機的氣槍相連接；（2）氣嘴一端的橡膠會夾在竹坯筒與擋板中間，從而保證竹坯筒的氣密性；（3）固定擋板是平的且車胎氣嘴直徑很小，這樣能使該去節機基本不受竹坯筒直徑變化的影響。

空氣壓縮機的選取，由前文可知設計需要空氣壓縮機提供的最大壓力為1.11MPa，所以可以選擇型號為FB-0.2/12.5 的上海捷豹空氣壓縮機，其額定電壓為220V，額定排氣壓力為12.5MPa。

5.2 主體框架設計

主體框架采用角鋼固定搭建而成，采用角鋼制作框架不僅能達到去節工作所需強度，且具有經濟實惠的優點。

將所設計的各個機構按竹坯筒去節機裝配圖中的要求裝配，完成整體結構設計搭建。

該去節機三維示意圖，如圖15 所示。其中液壓系統由圖15中的2、3、7、9、10、11 組成，控制電路由圖15 中的1 組成，沖氣機構由圖15 中的6、8 組成，夾持機構由圖15 中的4、5、6 組成。

圖15 去節機整體結構示意圖Fig.15 Overall Structure Diagram of the Stripper

6 結論

6.1 去節機特點

（1）由于電動機不需正反轉運動，且使用功率小，所以其使用壽命較長；

（2）由于該去節機的去節工具為空氣壓縮機提供的高壓氣體，所以該去節機受竹坯筒“三度”的影響小；

（3）操作簡單，實用性強，適于推廣，有利于廣西、貴州等產竹大省更好地推進農業機械化效果[13]；可以填補目前市場上竹材去節機的空缺，廣泛得到推廣應用。

6.2 對去節機的展望

該去節機在設計及樣機使用過程中，存在一些不足之處：

（1）該去節機適用于單節竹坯筒去節，其加工對象長度較短，在這方面需要進一步優化；

（2）該去節機回收加工后的竹坯桶為人工回收，要做到自動回收還需進一步添加、完善設備設計，使之從去節到回收過程都能做到自動化控制。

總之，在如今良好的竹產業發展大環境背景下，隨著對該沖氣式竹坯筒去節設備設計的不斷完善，該去節機能夠得到很好的推廣和認可。