林业科学  2003, Vol. 39 Issue (6): 141-145   PDF    
0

文章信息

许林云, 林石, 封晓强.
Xu Linyun, Lin Shi, Feng Xiaoqiang.
用新型试验方法测定锯链的锯切效率
CUTTING-RATE MEASUREMENT OF SAW-CHAINS THROUGH NEW TESTING METHOD
林业科学, 2003, 39(6): 141-145.
Scientia Silvae Sinicae, 2003, 39(6): 141-145.

文章历史

收稿日期:2002-05-08

作者相关文章

许林云
林石
封晓强

用新型试验方法测定锯链的锯切效率
许林云, 林石, 封晓强     
南京林业大学 南京 210037
摘要: 介绍了用于测定油锯锯切效率的一种新型试验方法和专用锯切试验机,并用该专用锯切试验机对德国STIHL锯链、美国OREGON锯链及国产JL10型锯链的锯切效率进行测定。该专用试验机采用恒进锯力进锯方式,且锯口面积的取值与锯切时间的测量保持了良好的一致性,从而提高了锯切效率的计算精度。该专用锯切试验机结构紧凑、进锯机构摩擦阻力小,测定精度高,重复性好,适用范围广。采用这种试验机测定不同锯链的锯切效率,可比性强。
关键词: 油锯    锯链    专用锯切试验机    锯切效率    
CUTTING-RATE MEASUREMENT OF SAW-CHAINS THROUGH NEW TESTING METHOD
Xu Linyun, Lin Shi, Feng Xiaoqiang     
Nanjing Forestry University Nanjing 210037
Abstract: The paper presented a new testing method and a special testing device for measuring cutting-rate of saw-chains. The cutting-rates of German STIHL saw-chain, American OREGON saw-chain and domestic JL10 saw-chain were measured through operating the device. The force in the vertical forward movement orientation was kept equal when a chain saw was operated in the device. It kept a good coherency between the cutting area determining and the cutting time measuring. So it can improve the measuring precision of cutting-rate of saw-chains. The special testing device was noted for compact structure and small friction resistance to vertical forward movement with a high measuring precision, a good repetitiveness and a wide applicable range. So a good contrast could be obtained in measuring the cutting-rate of saw-chains through the special testing device.
Key words: Chain saw    Saw-chain    Special testing device    Cutting-rate    

长期以来,国内测定油锯锯切效率一直采用手工操作油锯的方法,其测定结果受人为因素影响较大,测试精度不能达到应有的要求。本文中用于测定几种类型锯链锯切效率的试验装置,为国家重点合同标准项目“油锯锯切试验方法——工程法”中所研制的专用锯切试验机。该专用锯切试验机采用恒进锯力方式进锯,具有结构紧凑、进锯阻力小、测试精度高、重复性好、操作简便、适用范围广等优点。

1 锯切效率的测定方法1)(盛大德,1989;林石等,1991)

1) 封晓强.油锯锯切生产率测试方法的研究.南京林业大学硕士学位论文,2000

当油锯直线运动垂直进给锯切等宽度试材时,油锯锯切效率的计算公式为

式中:S为锯切效率,cm2·s-1A为锯口面积,cm2T为对应锯切锯口面积A的锯切时间,s;L为试材宽度,cm;Hm为锯口取值区间高度,cm。

由上式可知,要测定油锯的锯切效率,就是要求试验装置能测定试材宽度L、锯口取值区间高度Hm和锯切时间T的值。

影响油锯锯切效率的因素很多。为了获得具有代表性的测定结果,对试验用油锯的技术状态、木材材种和材性有较严格的规定,同时,锯切时油锯的调整状态、转速、机体温度等因素也有严格的限制。正是对以上诸多方面的改进,使锯切效率测试结果的精度超过了国外同类试验机。

1.1 锯切试验装置

图 1为测定油锯锯切效率的专用锯切试验机结构简图。

图 1 专用锯切试验机 Fig. 1 Special testing device 1.机架Frame of the device; 2.移动框架Vertical moveable rack; 3.绳轮Steel cable wheel; 4.钢丝绳Steel cable; 5.导轨Slideway; 6.油锯Chain saw; 7.砝码Poise; 8.动触点Moving touch contact; 9.定触点Fixed touch contact; 10.三向八角环测力仪Three direction force sensor; 11.油锯固定装置Fixing unit for chain saw; 12.滚轮Ball bearing.

测定油锯锯切效率时的进锯方式很多,有摆动式进锯、人力进锯、恒速进锯等方式。摆动式进锯方式的摆臂长度大,试验台架结构笨重,占地面积大;对于恒速进锯方式,由于锯链切削的不连续性和木材材性的不均匀性,使得切削阻力波动较大。在这种情况下,发动机容易失去稳定而导致离合器打滑,不能充分发挥发动机的功率,因而也不能正确地测定油锯的锯切效率;人力进锯方式受人为因素较大,也不能充分发挥发动机的功率(LY/T1198- 1996)。

如果采用重力进锯的恒进锯力机构,就能保持发动机具有较稳定的转速,从而充分发挥发动机的功率,有效地测定油锯锯切效率。图 1中,由移动框架2、钢丝绳4、绳轮3和砝码7组成重力进锯机构。钢丝绳4一端的力为移动框架2及油锯6的重力之和,钢丝绳4另一端的力为砝码7的重力,进锯力为钢丝绳4两端力之差,改变砝码7的重力就可改变进锯力。绳轮3支承在滚动轴承上,并采用直径很小的钢丝绳4,使钢丝绳4绕过绳轮3的阻力降至最低。移动框架2上的滚轮12与导轨5之间的间隙可调节。在调整正常后,移动框架2上下运动的总摩擦阻力(总摩擦阻力包括导轨摩擦阻力及绳轮阻力,绳轮阻力含轴承阻力及钢丝绳僵直阻力等)可小于5N,朝一个方向运动时的阻力波动可小于1N,使进锯力的测试精度控制在±1N范围内。

1.2 锯口面积的测定

测定锯口面积A(A=L×Hm),即为测定试材宽度L和锯口取值区间高度Hm

本锯切试验方法中,选用横截面为矩形的试材,上下两面也可为圆柱面,如图 2所示。试材宽度L应为导板有效长度的75%左右。当整块试材达不到应有宽度L时,可用2~3块试材拼合而成。为了减小锯切初始阶段和锯切终了时不稳定性因素的影响,取值区间高度Hm约为试材高度H中部的2/3。视试材横截面的情况,Hm的大小和上下位置可有所调整,以便减少试材缺陷的影响。在图 1专用锯切试验机上,Hm值是由固定在机架1上的两个定触点9之间的距离来保证的。两个定触点可在机架上上、下调节,以获得所需的Hm值和锯链切齿齿尖轨迹在试材中的上下位置。

图 2 试材横截面 Fig. 2 Cross section of testing timber A:锯口面积Cutting area;H:木材高度Height of the timber;Hm:有效高度Effective height.
1.3 锯切时间的测定方法

图 3图 2专用锯切试验机上测试系统简图。安装在机架上的上、下两个定触点5和安装在移动框架上的一个动触点4,两个定触点之间的距离即为取值区间高度Hm。试验锯切时,随着移动框架向下移动,动触点与上、下定触点相继接触,获得两次信号,通过转换电路6,控制时间记录仪7的走与停,以此测定在取值区间Hm内的锯切时间T,这种自动计时方法的精度可提高到±0.01 s。

图 3 测定系统简图 Fig. 3 Testing system diagram 1.转速传感器Rotate speed sensor;2.调理电路Modulating circuits;3.转速表Tachometer;4.动触点Moving touch contact;5.定触点Fixed touch contact;6.转换电路Transform circuit;7.时间记录仪Chronometer;8.油箱Gas tank;9.计量管Metric tube to measure gas volume;10.电磁三通阀Three-channel solenoid valve;11.开关Switch.

本专用锯切试验机还可测定耗油率,即可直接测定油锯锯切时的混合油消耗量Q。在图 3中,安装在移动框架上的动触点4及固定在机架上的两个定触点5在控制转换电路6和控制时间记录仪7走与停的同时,还控制电磁三通阀10油路的切换。实现在锯切高度Hm内,对应锯切时间T内的锯切混合油消耗量Q。再根据机油与燃油混合比,计算得到油锯锯切耗油率。这种测试系统实现了锯切耗油率和锯切效率的同步测量。混合油消耗量Q的测定精度可达到±0.1 cm3(许林云等,2000)。

2 锯链锯切效率的测试实例

参加试验的锯链为德国STIHL 0.404″半方齿锯链、美国OREGON52型方齿锯链和某国产JL10型半方齿锯链。3种锯链的节距都是10.26mm,齿数均相同。切齿的主要几何参数列于表 1中。每种锯链均锋利。试验用油锯为YJ-4型油锯。试验用木材为水曲柳方材,锯口顺序从树梢至树根方向顺序锯切。试验时,进锯力从小到大,再从大到小,测定对应的锯链锯切效率值。并循环重复3次计算得平均值。测试结果见表 2图 4

表 1 锯齿的主要几何参数 Tab.1 Main geometry parameter of cutting tooth
表 2 不同锯链锯切效率的测定值 Tab.2 Cutting-rate of some saw-chains
图 4 几种锯链的锯切效率 Fig. 4 Cutting-rate of some saw-chains ◆OREGON52锯链OREGON52 saw-chain; ■国产JL10型锯链Domestic JL10 saw-chain; ▲STIHL锯链STIHL saw-chain.
3 测试结果的初步分析

锯链是链锯的切削部件。它是由切齿链片、传动链片、连接片和链轴组合而成的环状封闭链条。在驱动链轮的驱动下,锯链沿着锯导板的导槽作高速回转运动进行锯木。

图 5所示,切齿有两个切削刃,即侧刃和顶刃。横向锯木时,切齿的侧刃进行端向切削,形成锯口的侧壁。顶刃进行横向切削,形成锯口的底面。切齿的前端为进给量限制器。它的作用是控制切齿切入木材的深度,以使屑片的厚度保持在一定的范围内。切齿的几何参数很多,其中尤以限料量m、侧刃的切削角δ1、侧刃外形前角γ以及顶刃的切削角δ2等几何参数对锯切效率的影响最大。

图 5 切齿的几何参数 Fig. 5 Geometry parameter of cutting tooth β1:侧刃楔角Wedge angle of vertical blade;α1:侧刃后角Clearance angle of vertical blade;δ1:侧刃切削角Cutting angle of vertical blade;γ:侧刃外形前角Hook angle of vertical blade;α2:顶刃后角Clearance angle of horizontal blade;β2:顶刃楔角Wedge angle of horizontal blade;δ2:顶刃切削角Cutting angle of horizontal blade;ψ1:顶刃偏斜角Oblique angle of horizontal blade;m:限料量Confined cutting thickness.

侧刃切削角δ1对锯切效率有显著的影响。δ1增大时,侧刃的锋利程度降低,导致单位锯切功上升。反之,δ1也不是越小越好。δ1过小引起顶刃偏斜角ψ1的增大和锯齿上受到的侧向分力的增大,锯链容易失去侧向稳定而使锯切过程恶化。本试验中所用的国产JL10型锯链是一种结构特殊的获得专利申请号的侧平衡锯链,可以采用较小的侧刃切削角δ1及较大的顶刃偏斜角ψ1而仍能保持侧向稳定,因而获得了较高的锯切效率。

侧刃外形前角γ对油锯的锯切效率的影响也较大。随着前角γ的增大,导致总的进给阻力减小。适当增大前角γ可以较大程度地降低锯链的进给阻力,减轻操作者的劳动强度。由于顶刃楔角β2与前角γ密切相关,随着γ的增大,β2减小。这使顶刃刨起屑片的阻力下降,从而降低了锯切阻力,提高了锯切效率。有人曾对国产JL10型锯链作过试验,发现当γ从-6°55′增加至9°32′时,单位锯切功下降了6%,锯切效率上升了6%。但γ也不是越大越好,γ过大反而会使单位锯切功增大,这是由于过大的γ角将导致锯切过程的不稳定。

限料量m增大时,限料齿上所受到的法向推出力减小,使总的进锯阻力减小。这说明在一定的驱动功率和链速条件下,增大m值可以明显地减小进锯阻力。与此同时,在一定的进锯力条件下,m的增大导致切削力的增大和锯切效率的提高,但这受到油锯发动机输出功率的限制。m的增大在使限料齿上所受到的法向阻力减小的同时,也使限料齿上所受到的切向摩擦阻力减小。这会使单位锯切功变小。但m大于一定值以后,会使屑片厚度过大, 引起锯链停转。

本试验中JL10型锯链采用较小的顶刃楔角β2,提高了顶刃的锋利性,从而提高了锯切效率(如图 4所示)。在这同时,采用适当的限料量m值,保证了切齿切削时的法向稳定性。

切齿齿形有圆弧形齿、半方型齿和方型齿三种形状。一般认为,圆弧形齿锯链的锯切效率最低,方型齿锯链的锯切效率最高,半方型齿锯链的锯切效率介于两者之间。但实际情况要复杂得多。在切齿角参数相同情况下,方齿锯链因无重复切削而锯切阻力最小。然而切齿的诸多角参数之间存在着一定的制约关系。由于齿尖强度的限制,方齿锯链的切削角β1β2不能太小,前角γ不能太大。而半方齿锯链实际上无齿尖,而是一段过渡刃。因此,半方齿锯链可以采用比方齿锯链更小的β1β2,更大的γ。这样,半方齿锯链的切削阻力不一定比方齿锯链大。这一点,我们在以前的测试中早已被证实。

综合以上分析及图 4中的测试结果可以看出,在实现有效锯切的有限进锯力范围内,三种锯链中国产JL10型半方齿锯链的锯切效率最高,德国STIHL型半方齿锯链其次,美国OREGON52型方齿锯链最低,且前两者的锯切效率比较接近。即国产JL10型锯链和德国STIHL型锯链这两种半方齿锯链的锯切效率反而高于美国OREGON52型方齿锯链的锯切效率。因此锯链的锯切效率不仅与切齿齿形有关,还受许多因素的影响。由于国产JL10型锯链的侧刃切削角δ1、侧刃楔角β1、顶刃楔角β2在三种锯链中最小,侧刃外形前角γ最大,从而减小了切削阻力,有利于增大锯切效率。同时,该锯链采用了特殊的结构,可以平衡锯切过程中产生的侧向力,并选用适当的限料量m值,因而获得了较高的锯切效率。美国OREGON52型锯链尽管是方齿型锯链,但因其侧刃切削角δ1和顶刃楔角δ2均较大,所以锯切效率反而最低。

参考文献(References)
林石, 殷德顺. 1991. 油锯伐木的生产率和耗油率. 林业机械, (5): 18-21.
盛大德. 1987. 锯木生产率和锯切油耗率之研讨. 林业机械, (5): 13-16.
许林云, 林石, 封晓强. 2000. 油锯锯切效率和锯切耗油率测定的基本方法. 森林工程, 16(6): 43-45. DOI:10.3969/j.issn.1001-005X.2000.06.020
LY/T1198-1996.油锯锯切试验方法——简易法.北京: 中国标准出版社