农业工程论文
近年来，我国木材蓄积量不断下降，竹林面积却每年递增[1],我国人工竹林面积在世界上排第一位，湖南、福建、江西、浙江4省的竹林面积占到全国的1/2[2].竹产业蓬勃发展对竹加工机械也提出了新的要求。由于受技术和成本等因素的影响，现有竹工机械大多是把木工机械经简单改造后得来。然而，竹材与木材的特性相差较大[3],加之人们对竹产品的质量要求越来越高，因此，现行竹工装备及工艺越来越不能适应现代竹产业的发展需求，装备老化和加工精度低，导致原材料利用率低，生产成本高，利润低，产品竞争力不强，在一定程度上阻碍了我国竹产业的发展[4,6],发展现代竹工机械对我国竹材加工业乃至我国现代林业的发展具有重要意义。
1 技术背景及要解决的技术问题
竹产品中，绝大多数是用竹条、竹片、竹篾按一定规律编织而成。因此，竹制品加工工艺中，第一道工序往往是用破竹机（如图1所示）将一定长度的竹筒剖分成宽度相等的竹片。现有破竹机一般由机架、推进装置、驱动装置、链条链轮、夹持定心装置及回转刀盘等部分组成。
驱动装置安装在机架下部，其动力可以以不同的旋向输出；机架上有两条相互平行的水平导轨，驱动装置的动力通过链轮链条传递给推进装置，使其沿水平导轨作往复运动；以实现工作进给和退回；在机架的一端安装有破竹刀（如图2 所示）。同组破竹刀（一般6~8 把） 中，每把刀的刀片数量不同，相互均匀分布，以适应不同直径的竹筒和片宽。破竹时，推进装置在电机的驱动下不停地做往复运动，操作者必须在推进装置背离破竹刀运动的间歇中使竹筒小头对准破竹刀，并保证竹筒的中心与破竹刀的中心对中；等推进装置向破竹刀运动时，竹筒在推进装置的推力下插入破竹刀，沿着竹筒纵向纤维方向被剖分成数条。
由此可见，要使竹筒等分成规定宽度的竹条，竹筒的中心必须与破竹刀的中心对中。然而，目前国内使用的破竹刀基本上没有准确的竹筒定心机构，破竹时需靠操作者人工将竹筒套在破竹刀前端定心锥上，而定心锥的大小是根据破竹刀中不同刀片数相适应的竹筒内径范围中最小的直径确定的，所以这种机构无法对选定刀具适应范围中较大的竹筒准确定心。这一方面增加了工人的操作难度和安全隐患，另一方面如果操作者人工定心不准，会导致被剖分的竹条宽度不相等，造成材料浪费。为能对竹产业相关装备进行创新、升级，本文针对上述技术问题，提出解决方案，设计了一种能自动定心，加工效率高、结构简单、操作方便的破竹刀，为进一步在生产中大量推广奠定基础。
2 设计方案
在实际调研的基础上，伞状自定心剖竹刀具的初步设计方案如图3所示，自定心剖竹刀具由剖竹刀、定心条、扭簧、铰接座、销轴、心轴等零部件组成。心轴前端做成圆锥状，其主要目的有二：一方面可以在剖竹的同时去除竹隔，另一方面对定心条等定位组件起保护作用，避免了剖竹过程中竹隔直接冲击定心条而造成破坏，也有利于实现定心。心轴后端与剖竹刀轮毂采用孔轴配合。铰接座实际上与心轴是一体的。用销轴分别将定心条铰接在铰接座上，定心条的铰接处安装有扭簧，扭簧的一端压在定心条的内表面，另一端压在心轴上，由于心轴后锥面的限位作用，定心条组合形成前小后大的一个圆锥体，并与剖竹刀和心轴同心；定心条在受到竹筒内壁挤压时可绕销轴摆动，以适应不同竹筒小头内径的变化并在剖竹前支承竹筒。但是该方案受扭簧质量影响较大，如果其中的某个弹簧失效，容易因扭簧弹性不均导致“偏心”现象。从而会丧失定心的功能。为了防止扭簧因为使用时间不同或其他原因导致的扭力不一致而造成定心不准，用连杆将定心条和滑动套连接起来，保证定心条实现同步定心。经改进后自定心结构的最终设计方案如图4所示。
为了获得等宽度的竹片，需使竹筒中心与剖竹刀中心重合；为提高竹材的利用率、减少等宽加工的切削量，内径范围不同的竹筒需更换不同刀片数的剖竹刀。剖竹前，只需将竹筒套在剖竹刀具心轴的前锥面上即可，剖竹时随着推进装置将竹筒推向剖竹刀，竹筒的内壁开始与定心条接触；当定心条全部与竹筒内壁接触时，竹筒内壁会迫使定心条绕着销轴同步摆动，直到定心条完全进入到竹筒时，定心条停止摆动，此时竹筒与剖竹刀具已经同心，随着推进装置继续前行，竹筒被推至剖竹刀的刀刃上，剖竹开始，当推进装置行至剖竹刀的最近端时，剖竹刀沿着竹筒纵向纤维方向将竹筒等分成数条，至此完成单根竹筒的等宽剖分，推进装置反向运行，进入下一循环……
3 结束语
本文针对现有技术剖竹过程中定心困难或定心不准等问题，提出了改进方案，从理论上设计了伞状自定心剖竹刀，该设计已于2014年11月由国家知识产权局授予专利权（专利号为：CN 204172154U），其主要特点如下：
1） 适应性强。该自定心破竹刀能满足多种情况下的定心要求：无论竹筒是否弯曲、竹筒端面是否为规则圆形都能实现竹筒与破竹刀的自动对中；与现有破竹机采用定心机构相比，定心精度大大提高，有利于实现等分剖开。
2） 容易推广。该自定心破竹刀与现有破竹机能较好匹配，使用时只需对原有设备推进装置加工一个允许心轴通过，但孔径小于竹筒直径的中心孔，便可直接安装在现有破竹设备上作业，易于推广。
[参考文献]
[1] 邱尔发，洪伟，郑郁善。中国竹子多样性及其利用评述[J].竹子研究汇刊四，2010.
[2] 傅万四。竹质 OSB 削片技术及工艺学研究[D].东北林业大学，2012.
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[4] 张齐生。中国竹材工业化利用[M].北京：中国林业出版社，2009.
[5] 周建波，傅万四。我国竹工机械发展现状及未来趋势[J].木材加工机械，2008.
[6] 李志仁。木工机床结构[M].哈尔滨：东北林业大学出版社，2007.