CN110843030B - 基于负泊松比结构的林木联合采育机进料辊 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于负泊松比结构的林木联合采育机进料辊，沿径向由外向内依次为进料辊齿、进料辊外蒙圈、双V附耳型负泊松比填充层材料和进料辊轮毂；所述双V附耳型负泊松比填充层材料位于进料辊轮毂与进料辊外蒙圈之间，双V附耳型负泊松比填充层材料固结于进料辊轮毂，进料辊齿底座阵列设在各组相连的负泊松比胞元的附耳连接处。本发明的进料辊通过结合负泊松比材料与胞元结构，使进料辊在径向与轴向都具备负泊松比特性、可压缩性、强度与刚度受压增强特性，进而增大进料辊圆周工作面与伐倒木之间的接触面积，在工作面内增加若干对进料辊齿，提高林木联合采育机生产效率。

Description

基于负泊松比结构的林木联合采育机进料辊

技术领域

本发明涉及林业采伐机械领域，特别涉及一种基于负泊松比结构的林木联合采育机进料辊。

背景技术

目前广泛使用的林木联合采育机进料辊是联合伐木机在工作过程中代替人力，提高生产效率的综合实施方案，但现有的林木联合采育机进料辊的圆周工作面为直齿结构，在加工伐倒木过程中，由于圆周工作面与伐倒木的接触面较少与伐倒木直径不一而导致伐倒木加工表面加工不均匀甚至损坏。另外由于传统林木联合采育机进料辊由刚性材料制作且内部不设有减震缓冲部件，从而导致进料障碍、进料不稳定、加工效率降低、加快进料辊或者联合伐木机其他部件磨损甚至发生安全事故，存在安全隐患。

中国大陆专利申请第CN201420178943.9号公开了一种联合伐木机伐木头进料辊，包括辊轴本体，齿轮辊套，压缩弹簧，圆环固定片，垫片和螺钉，辊轴本体圆周阵列有多个凹形槽，凹形槽内设有两个沿辊轴本体轴向均匀分布的弹簧定位孔，弹簧定位孔内设有压缩弹簧，齿轮辊套内壁对应凹形槽圆周阵列有定位凸台，定位凸台两侧的径向平面与凹形槽两侧的径向平面相对应，定位凸台中间设有宽度与压缩弹簧外径等长的凹形槽，压缩弹簧两端分别与弹簧定位孔底面和凹形槽底面相抵触，从一定程度上减少了进给伐倒木时产生的振动，提高了进料稳定性。

但是中国大陆专利申请第CN201420178943.9号所公开的联合伐木机发木头进料辊结构，单纯为机械结构式的减震缓冲构造，受制于压缩弹簧行程与弹簧刚度的影响，减震缓冲作用十分有限；其在传统进料辊结构基础上增加机械减震缓冲部件的方案，在一定程度上削弱了进料辊的整体强度与刚度，同时其机械减震结构需要定期维护，进一步影响了进料辊的工作寿命。且该进料辊施加的弹性力使得进料辊受力环境更为复杂，进料辊与伐倒木会受到更加严重的冲击。而且该专利并没有从根本上解决加工过程中进料辊与伐倒木的接触面较少的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于负泊松比结构的林木联合采育机进料辊，凭借其在径向与侧向的负泊松比效应显著改善进料辊在圆周工作面上与伐倒木之间的强度刚度与接触性，同时进料辊结构稳定、整体性较好，减震缓冲性能突出，抗震性能好，负泊松比胞元结构自身的几何-性能关系也为本新型进料辊提供了良好的功能导向设计。

为了实现以上目的，本发明提供一种基于负泊松比结构的林木联合采育机进料辊，沿径向由外向内依次包括进料辊齿、进料辊外蒙圈、双V附耳型负泊松比填充材料层和进料辊轮毂；所述进料辊齿固定在双V附耳型负泊松比填充材料层上，进料辊外蒙圈对进料辊齿起着限位与固定作用，双V附耳型负泊松比填充材料层位于进料辊外蒙圈与进料辊轮毂之间。

进一步，所每个负泊松比胞元结构呈左右对称的V字型结构，在V型结构两端分别设有两只附耳结构。。

进一步，双V附耳型负泊松比胞元通过各负泊松比附耳周向连接，在圆周方向均匀分布，构成一个圆环状的结构。

进一步，双V附耳型负泊松比填充材料层由若干层直径不同同心圆环状负泊松比胞元组构成，所述圆环状负泊松比胞元组在双V附耳型负泊松比填充材料层中从内圈到外圈呈放射状延伸分布。

进一步，所述各圆环状负泊松比胞元组中负泊松比胞元数随着进料辊尺寸与用途而改变。

进一步，用来制造进料辊齿的材料可以是金属、陶瓷、聚合物材料、有机或无机材料等；制造方法可以是铸造、冲压、3D打印等。

进一步，进料辊齿通过焊接、铆接、粘接或者其他方式连接固定在双V附耳型负泊松比填充材料层的进料辊齿底座上。

此外，所述进料辊齿底座位于圆环状负泊松比胞元组的附耳连接平台上且数量若干。

而且，各层圆环状负泊松比胞元组附耳径向尺寸n决定该层圆环状负泊松比胞元组的直径。

而且，进料辊外蒙圈具备柔性与韧性，可随着负泊松比填充材料层形变而发生形变并贴合。

本发明与现有技术相比，其优点和积极效果在于：

1、本发明的双V附耳型负泊松比胞元周期性排列呈圆周阵列式分布，能有效进行减震缓冲与变形贴合伐倒木，该结构能够满足受力压缩时，其与力垂直方向同时进行收缩，进料辊圆周工作面曲率降低，致使更多压缩后的负泊松比结构受力，进而增大了进料辊圆周工作面与伐倒木之间的接触面积，在工作面内增加若干对进料辊齿，提高林木联合采育机生产效率。

2、本发明的双V附耳型负泊松比胞元组受力收缩后，受力区域周围的材料向受力点方向聚集，使得该负泊松比结构受压之后密度变大，抵抗剪切变形的能力增强，同时提高了进料辊整体的刚度与强度，满足进料辊工作时的受力特性、进一步提升了进料辊工作的整体性与稳定性。

3、本发明的进料辊齿通过焊接、铆接、粘接或者其他方式连接固定在双V附耳型负泊松比填充材料层的进料辊齿底座上，进料辊齿底座设在相连的负泊松比胞元的附耳连接处，使得负泊松比结构组受力更加均匀稳定、进料辊齿与负泊松比结构组运动随动性强，可在加工伐倒木工作中为进料辊齿提供更强的支撑力。

4、本发明的进料辊外蒙圈在保证强度的范围内，兼具柔性与韧性，可随着负泊松比填充材料层形变而发生形变并贴合，通过对进料辊外蒙圈的进料辊齿限位孔进行切向支撑与加强处理，进料辊齿限位孔可在发生形变的过程中始终为进料辊齿提供充足的切向支撑力，并准确限位定位。

5、本发明的双V附耳型填充材料层、进料辊外蒙圈等部件采用新型有机或复合材料，且大量镂空中空结构代替传统实心金属结构，可大大减轻进料辊的重量、减少环境污染、降低进料辊转动惯量，减少工作能耗，通过进一步的模块化设计与拓扑优化，其效能将更为显著。

附图说明

图1为本发明基于负泊松比结构的林木联合采育机进料辊的结构示意图；

图2为本发明的双V附耳型负泊松比内结构示意图；

图3为本发明的外蒙圈示意图；

图4为本发明的双V附耳型负泊松比胞元结构正视图；

图5为本发明的双V附耳型负泊松比胞元结构示意图；

图6为本发明的双V附耳型负泊松比结构变形机理示意图；

图7为本发明的伐木作业过程轴测图；

图8为本发明的伐木作业过程主视图；

附图标记说明：

1、进料辊内结构，2、进料辊外蒙圈，3、进料辊齿，4、进料辊轮毂，5、双V附耳型负泊松比填充材料层，6、进料辊齿底座，7、进料辊齿限位孔，8、进料辊蒙圈毂。

具体实施方式

下面结合附图、通过具体实施例对本发明作进一步详述。以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，附图中的沿进料辊轴方向为轴向，圆周方向为周向，沿半径的方向为径向，内圈直径小于外圈直径，“上”、“底部”等方位或位置描述性词语，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或零件必须具有的特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参见图1-3，如图1-3为本发明请求保护的一种基于负泊松比结构的林木联合采育机进料辊，沿径向由外向内依次包括进料辊齿(3)、进料辊外蒙圈(2)、双V附耳型负泊松比填充材料层(5)和进料辊轴(4)；所述双V附耳型负泊松比填充材料层(5)位于进料辊轴(4)与进料辊外蒙圈(2)之间，为两层环状结构之间的夹层，双V附耳型负泊松比填充材料层(5)刚性固结于进料辊轴(4)，且两者连接处不会发生相对位移，进料辊齿底座(6)按轴向阵列设在各组相连的负泊松比胞元的附耳连接处，若干排进料辊齿限位孔(7)按圆周阵列均匀分布在进料辊蒙圈毂(8)，且对进料辊外蒙圈(2)的进料辊齿限位孔(7)进行必要的切向支撑与加强处理，形成完整的支撑结构。

进料辊外蒙圈毂(8)在保证强度的范围内，兼具柔性与韧性，可随着负泊松比填充材料层(5)形变而发生形变并贴合，通过对进料辊外蒙圈(2)的进料辊齿限位孔(7)进行切向支撑与加强处理，进料辊齿限位孔(7)可在发生形变的过程中始终为进料辊齿(3)提供充足的切向支撑力，并准确限位定位。

参见图4，图4为双V附耳型负泊松比胞元结构正视图，所述结构胞元有六个结点，分别用A、B、C、D、E、F来表示，其中AB、BC、CD、CF、AD、AE称为该结构的支撑体，各支撑体通过结点连接构成负泊松比胞元结构。长度l描述负泊松比胞元结构AC跨度距离，长度n描述附耳结构AE、CF的长度，厚度t描述所述结构壁厚，角度α定义支撑体AB、BC之间的夹角，角度β定义支撑体AD、CD之间的夹角，由此通过已定义的设计变量，经计算该平面内所有变量都可求出。

参见图5，图5为双V附耳型负泊松比胞元结构示意图，其中长度L表示所述负泊松比结构胞元的轴向长度，高度h定义结点D至结点B的直线长度。结合负泊松比结构胞元二维、三维设计变量，个体负泊松比结构胞元基础设计变量定义完全，各设计变量数据可根据具体进料辊产品性能要求与特性进行定义、模拟、实验与具体实用。

参见图6，图6显示的是将图4所示的双V附耳型负泊松比胞元结构应用到一个典型的局部受力的材料中，通过计算机模拟结构图像呈现出该材料所拥有特性的收缩变形机理；如图6所示，在垂直方向外力的作用下，由于负泊松比结构材料的特性，受力范围内的材料向受力点聚集集中，附耳结构放大了材料本身的聚集效应，受力区域内的材料的密度进而变大，负泊松比结构有较高的可压缩性同时较难发生剪切变形，从而能有效吸收冲击、增强自身结构刚性与强度。

双V附耳型负泊松比胞元结构在圆周方向通过附耳结构彼此两两相连，形成单个圆周状负泊松比结构胞元组，多个圆周状负泊松比结构胞元组在径向呈放射状延伸分布，所述负泊松比胞元结构在径向方向，所述胞元上凹点D连接外圈相邻胞元下凸点B，形成多层负泊松比多胞元结构。所述双V附耳型负泊松比填充材料层(5)在圆周方向单圈的负泊松比结构胞元数记为周期，径向胞元数记为圈数，所述双V附耳型负泊松比填充材料层(5)的周期、圈数、单胞结构的几何尺寸根据进料辊不同实际工况需求而有所变化。

参见图7-8，如图7-8为本发明在伐木作业过程的轴测图与主视图，伐木作业过程中进料辊旋转运动对伐倒木表面施加径向压力与圆周剪力，同时伐倒木也对进料辊施加相同性质的反力。所述进料辊收到垂直压力的影响，由于负泊松比材料的受力特性，受力区域的材料向受力点聚集，致使进料辊内双V附耳型负泊松比填充材料层整体径向与横向范围内收缩，进料辊圆周工作面曲率降低，增大进料辊与伐倒木的工作面积与工作接触进料辊齿数。进料辊外蒙圈具有良好的柔性与韧性，随着负泊松比填充材料层形变而发生形变并贴合，借助于经过切向支撑与加强的进料辊齿限位孔与进料辊齿底座，也包括双V附耳型负泊松比结构收缩后剪切强度与抗挤压强度的增加，使得进料辊齿始终能在适宜的工作面内工作。同时负泊松比结构的可收缩性使得加工伐倒木工作面受力更加均匀稳定，起到保护伐倒木表面质量，缓冲减震的作用。对于伐倒木在一定范围内的弯曲、出现树结的情况，基于负泊松比材料的变形特性，本发明可进行一定程度上的修正与改造，同时也可通过本发明进料辊设计变量参数的优化设定，限定加工后的伐倒木材直径等。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附加权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (7)

1.一种基于负泊松比结构的林木联合采育机进料辊，其特征在于，沿径向由外向内依次包括进料辊齿(3)、进料辊外蒙圈(2)、双V附耳型负泊松比填充材料层(5)和进料辊轮毂(4)；所述进料辊齿(3)固定在双V附耳型负泊松比填充材料层(5)上，进料辊外蒙圈(2)对进料辊齿起着限位与固定作用，双V附耳型负泊松比填充材料层(5)位于进料辊外蒙圈(2)与进料辊轮毂(4)之间，每个负泊松比胞元结构呈左右对称的V字型结构，在V型结构两端分别设有两只附耳结构，双V附耳型负泊松比胞元通过各附耳周向连接，在圆周方向均匀分布，构成一个圆环状的结构，进料辊外蒙圈具备柔性与韧性，可随着负泊松比填充层材料形变而发生形变并贴合。

2.如权利要求1所述的基于负泊松比结构的林木联合采育机进料辊，其特征在于，双V带耳型负泊松比填充材料层(5)由若干层直径不同同心圆环状负泊松比胞元组构成，所述圆环状负泊松比胞元组在双V带耳型负泊松比填充材料层(5)中从内圈到外圈呈放射状延伸分布。

3.如权利要求2所述的基于负泊松比结构的林木联合采育机进料辊，其特征在于，所述各圆环状负泊松比胞元组中负泊松比胞元数随着进料辊尺寸与用途而改变。

4.如权利要求1所述的基于负泊松比结构的林木联合采育机进料辊，其特征在于，用来制造进料辊齿的材料可以是金属、陶瓷、聚合物材料、有机或无机材料；制造方法可以是铸造、冲压、3D打印。

5.如权利要求1所述的基于负泊松比结构的林木联合采育机进料辊，其特征在于，进料辊齿通过焊接、铆接、粘接或者其他方式连接固定在双V带耳型负泊松比填充材料层(5)的进料辊齿底座(6)上。

6.如权利要求5所述的基于负泊松比结构的林木联合采育机进料辊，其特征在于，所述进料辊齿底座(6)位于圆环状负泊松比胞元组的附耳连接平台上且数量若干。

7.如权利要求1所述的基于负泊松比结构的林木联合采育机进料辊，其特征在于，各层圆环状负泊松比胞元组附耳径向尺寸n决定该层圆环状负泊松比胞元组的直径。

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