“伐木机工作装置设计”在森林工程专业本科教学中的实践

杨铁滨 孟 春 邢 涛

（东北林业大学工程技术学院 黑龙江·哈尔滨 150040）

森工机械与装备设计是林业院校森林工程专业培养本科生掌握森工生产中常用装备设计方法的实践性课程。使学生掌握森工机械的组成和构建方法，综合运用机械设计与制造、计算机辅助设计、木材生产技术与管理、工程测试技术等先修课程的知识，结合木材生产实际，进行采伐装备总体方案的分析与设计。多样化的设计选题和合理的设计任务是学生掌握设计方法、提高设计能力的重要保证。森工机械与装备设计选题应能与生产实践相结合，为学生提供较大的创新设计空间,以学习解决复杂工程问题。

自行式采伐机械进行伐木的工作装置称为伐木头，伐木头要在野外工作条件下完成伐木、打枝、造材等复杂工序。伐木头的机械系统由锯切机构和夹抱机构两部分构成。锯切机构包括锯链、锯板、液压马达和控制装置。夹抱机构包括抱爪、液压缸、驱动滚筒等。整个伐木头的设计包括了金属结构、机械机构、液压执行机构、测量与控制机构。由于伐木头结构的复杂性及其在国内应用的限制性，目前还没有国内设计制造的产品。伐木头设计的这些特点对于提高学生想象力和设计思维能力，锻炼学生创新能力有很大作用。

把建模仿真技术和课程设计结合起来，可以促进学生掌握相关建模仿真软件的应用技巧与方法，使学生学会灵活应用系统建模与仿真的相关理论，为学生提供思考、实践与验证的平台，提升实践意识。

1 伐木头设计任务

1.1 设计要求

伐木头能在原始森林中，利用伐木机的动力和起重臂提供的支撑完成伐木、打枝、造材多种工序。伐木的直径<400mm，树高<30m，伐倒部分重量<4t，伐倒方式为横倒。打枝方式为切刀切削，伐木头自动进料，打枝方向从大头到小头，打枝与造材同时进行，造材长度6m，能自动进料。在伐木、打枝、造材过程中，需要夹抱机构固定伐倒木，伐木头总重量<2t。

1.2 设计任务

伐木机工作装置设计内容包括选择装载机（代伐木机）型号和起重臂形式；设计起重臂与伐木头的连接形式、伐木头的作业流程；设计伐木头的夹抱机构、锯切机构和支撑结构和驱动形式；应用实体建模软件建立伐木机三维模型，进行运动学仿真，计算伐木头工作范围。

2 教学过程与设计实例

2.1 教学过程

森工机械与装备设计在第6学期期末进行，此时学生已经学完了森工机械与装备课程和进行课程设计所必须的先修课程，能够独立地根据设计要求和任务进行设计。为提高学生的创新能力和合作精神，我们要求学生独自进行方案设计，然后将学生分组，每组组内讨论、分析、优化设计方案。确定方案后学生自主划分设计内容和建模零件，最后进行装配和仿真。自由讨论、文献分析、报告撰写和教师指导贯穿于课程设计始终。这种方法促进了学生对理论知识的理解、实践技能的应用和创新能力的提高。

2.2 学生建模实例

学生设计的伐木机总体结构由装载机、伐木头和起重臂三部分组成，设计重点是伐木头。在总体方案设计的同时确定作业要求，描述作业流程。伐木头机械结构包括U型吊架、机架、夹抱机构和锯木机构。夹抱机构设计包括夹抱机构、进料机构和液压缸驱动部件设计，锯切机构设计包括链锯导板、锯链和液压马达驱动部件设计。在这个结构概念下，学生根据伐木头的主要参数，利用实体建模软件建立机架、夹抱除枝刀、大圆弧夹抱除枝刀、液压缸、传动片、锯链、液压马达、连轴件、连板件、锯导板等一系列零部件的模型，并采用适当的配合装配成整体。最后完成伐木头、起重臂和装载机的装配，为运动仿真分析和结构优化做好准备。学生建立的各种伐木头模型如图1所示。

图1：伐木头装配图实例

2.3 运动仿真

学生应用建好的整机实体模型，通过运动仿真观察装配体的运动特性，检验装配体在运动仿真中是否会发生干涉，并进行位置和运动分析，得出仿真过程中特定点的运动轨迹，计算出伐木头在运动过程中的位置、速度、加速度等数据。

3 实施效果与项目拓展

森工机械与装备课程设计是与该课程教学相配合的实践教学环节，对调动学生自主学习的积极性，深入掌握课程知识有很大帮助。在课程体系框架内挖掘新的课程设计题目是专业课教师推进教学改革，锻炼学生创新思维的有效手段。在这一实践教学项目的实施过程中，学生对森工装备结构有了更细致的了解，明确了如何着手分步解决复杂系统设计问题，消除了对创新设计任务的“恐惧感”。在课程设计过程中，学生综合运用了机械设计基础、三维实体建模与仿真、起重输送机械、电工电子学等多门专业基础课和专业课知识；锻炼了分工合作能力和用工程技术语言进行森工装备结构与功能的表达能力。

工程教育专业认证要求森林工程专业本科生能够综合运用所学知识，分析和解决森林工程领域复杂问题并提出解决方案；设计开发出应用于森林工程领域的系统和工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素；能够使用恰当的技术、资源和工具，解决复杂工程问题；具有良好的团队合作能力和组织协调能力；具有自主学习和终身学习的意识和能力。实施效果表明“伐木机工作装置设计”这一课程设计项目完全契合上述专业认证要求。

教学实践表明，“伐木机工作装置设计”为学生提供了开放、实用的学习内容，对培养学生解决复杂工程问题起到了积极的作用。