楊惠姣， 俞國勝， 陳忠加， 袁湘月

(北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

研究與設(shè)計(jì)

防火帶開設(shè)機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)

楊惠姣， 俞國勝*， 陳忠加， 袁湘月

(北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

根據(jù)我國現(xiàn)有開設(shè)防火隔離帶設(shè)備的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了防火帶開設(shè)機(jī)工作裝置。該裝置為液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)刀輥，刀具為雙刃結(jié)構(gòu)、45°刀刃角，螺旋排列在刀盤及間隔板上。工作裝置采用三點(diǎn)懸掛的方式與通過性能良好的液壓履帶底盤相連，擺動(dòng)角度范圍為0～60.17°。防火帶開設(shè)機(jī)可對(duì)雜草灌木進(jìn)行切削及掩埋，耕深為35～71.27 mm。

防火帶開設(shè)機(jī)；防火隔離帶；工作裝置；設(shè)計(jì)

20世紀(jì)50年代至21世紀(jì)，我國年均發(fā)生森林火災(zāi)1.36萬次，年均森林受災(zāi)面積達(dá)75.8萬hm2。由于發(fā)生火災(zāi)后撲救極其困難，所以火災(zāi)預(yù)防成為森林防火的首要任務(wù)。防火隔離帶可把森林分割成小塊狀，而且在森林之間，以及森林與村莊、學(xué)校、工廠之間可通過防火隔離帶設(shè)置空曠地帶。常用防火隔離帶的開設(shè)方法有人工割打法、機(jī)耕法、火燒法，以及使用化學(xué)藥劑或炸藥開設(shè)等方法。其中，機(jī)耕法安全性能好，不需要預(yù)先反復(fù)試驗(yàn)，勞動(dòng)強(qiáng)度低，是比較常用的方法。

國內(nèi)外林區(qū)廣泛使用防火推土機(jī)開設(shè)防火隔離帶，通過推倒、推走樹干及樹樁等方式來開辟防火帶。我國針對(duì)使用農(nóng)用鏵式犁開設(shè)防火帶存在效果差、效率低的問題，2003年首次提出采用懸掛式鏵式犁。防火耙切斷雜草、樹根、樹茬的能力較強(qiáng)，不易被雜草堵塞，遇到粗根時(shí)可以滾過；切割式割灌機(jī)只能切割灌木及雜草；Slashbuster系列、DAH系列清林割灌機(jī)可對(duì)林地進(jìn)行刨銑作業(yè)。鑒于上述特點(diǎn)及國內(nèi)森林消防主要使用便攜式割灌機(jī)的現(xiàn)狀，筆者設(shè)計(jì)了一種新型適用于現(xiàn)有液壓履帶底盤的防火帶開設(shè)機(jī)工作裝置[1-3]。

1 防火帶開設(shè)機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)

森林防火隔離帶每間隔一段時(shí)間需要對(duì)重新生長(zhǎng)出來的灌木、雜草進(jìn)行切割，為減少工作量，確定維護(hù)工作的周期為半年[4]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，灌木生長(zhǎng)半年后其平均直徑約為8 mm，平均離地高度約為500 mm。在維護(hù)工作中產(chǎn)生的剩余物可能造成火災(zāi)在水平及垂直方向的蔓延，為防止這種情況的發(fā)生需要對(duì)剩余物進(jìn)行掩埋，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，確定掩埋深度至少為30 mm。

1.1 工作裝置整體結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

防火帶開設(shè)設(shè)備由液壓履帶底盤和工作頭兩部分組成，工作頭的斜視和左視圖如圖1、圖2所示。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)液壓泵工作，液壓泵分別驅(qū)動(dòng)履帶底盤的行走、液壓缸的伸縮，以及刀輥的旋轉(zhuǎn)。工作頭通過三點(diǎn)懸掛的方式安裝在液壓履帶底盤的前部。通過液壓缸的伸縮可以控制工作頭繞連接軸旋轉(zhuǎn)，工作頭允許擺動(dòng)的范圍為0～60.17°。

圖1 工作頭斜視圖

圖2 工作頭左視圖

①防火帶開設(shè)設(shè)備不工作時(shí)液壓缸完全收縮，工作頭抬起，以防止損傷刀具。

②防火帶開設(shè)設(shè)備工作時(shí)，通過調(diào)節(jié)控制液壓缸伸縮的多路換向閥可滿足不同耕深切削及掩埋要求，當(dāng)工作頭擺動(dòng)至60.17°時(shí)其最大耕深為71.27 mm。

③設(shè)備工作時(shí)安裝架的主梁可將灌木叢壓倒，理想狀態(tài)下灌木與地面夾角約為45.78°，這時(shí)刀具剛好與灌木相切，刀具切削角約為44.22°。

④當(dāng)設(shè)備的刀具被灌木、根莖纏繞時(shí)，可通過調(diào)節(jié)控制液壓馬達(dá)的多路換向閥來實(shí)現(xiàn)刀輥反轉(zhuǎn)，切削纏繞的灌木和根莖，并將滯留在刀輥上的土壤甩出，防止刀輥卡死。

防火帶開設(shè)機(jī)工作裝置主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 防火帶開設(shè)機(jī)工作裝置主要技術(shù)參數(shù)

項(xiàng) 目參數(shù)值驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)的齒輪泵CB-Fc32驅(qū)動(dòng)液壓油缸的齒輪泵CB-Fc25刀軸轉(zhuǎn)速/r·min-1277工作幅寬/mm1740耕深/mm30～71.27前進(jìn)速度/m·min-1≤0.5工作頭離地高度/mm352.47刀片數(shù)量/把12(長(zhǎng)),13(短)功率/kW13.60

1.2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.2.1 刀輥設(shè)計(jì)

刀輥由刀輥軸、刀盤(12塊)、間隔板(4塊)、刀具(25把)等組成。其中，刀輥軸由驅(qū)動(dòng)軸、無縫鋼管、支撐軸焊接而成，液壓馬達(dá)通過平鍵直接驅(qū)動(dòng)刀輥軸轉(zhuǎn)動(dòng)。刀盤焊接在刀輥軸上，間隔板焊接在刀盤上，12把長(zhǎng)刀用螺栓固定在刀盤上，13把短刀用螺栓固定在間隔板上。所有刀具按螺旋線的方式安裝在刀盤及間隔板上，如圖3所示。

圖3 刀輥

往復(fù)切割式灌木平茬機(jī)的定刀與動(dòng)刀都有刃口，且灌木直徑普遍較小，不同刀刃角切割厚度相差較小，所以刀刃角的增大對(duì)最大切割力影響很小。為提高刀體強(qiáng)度，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明45°刀刃角比較合適，且滑切角為0～5°時(shí)比較好。根據(jù)實(shí)驗(yàn)推測(cè)：當(dāng)灌木直徑>10 mm時(shí)，合適的參數(shù)為轉(zhuǎn)速120 r/min，滑切角0°。

本設(shè)計(jì)的刀具刀刃角為45°，長(zhǎng)刀、短刀采用相近結(jié)構(gòu)，如圖4所示。為避免刀具被灌木、根莖纏繞，將刀具設(shè)計(jì)成雙面刀刃結(jié)構(gòu)。當(dāng)灌木、根莖纏繞刀具時(shí)可調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)中的多路換向閥實(shí)現(xiàn)刀輥反轉(zhuǎn)，以反向切割灌木、根莖，并將刀具上滯留的土壤甩出。

圖4 刀具結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 安裝架設(shè)計(jì)

安裝架如圖5所示，其以三點(diǎn)懸掛的方式安裝在液壓履帶底盤的前端，參考拖拉機(jī)上的三點(diǎn)懸掛，上懸掛點(diǎn)寬度確定為44.5 mm。防火帶開設(shè)機(jī)工作時(shí)，安裝架的主梁可將灌木壓倒，理想狀態(tài)為刀具剛好與灌木相切時(shí)灌木與地面夾角約為45.78°。

圖5 安裝架

1.2.3 液壓元件選型

根據(jù)木材切削的相關(guān)特性研究，若切削刃刃口法線方向與切割方向重合，當(dāng)切割方向與切削刃都垂直于木材軸線時(shí)，木材受到的切割阻力最大；當(dāng)切割方向垂直于木材軸線，刀刃不垂直木材軸線時(shí)受到的切割阻力為橫切所受阻力的60%～70%；當(dāng)切割方向不垂直木材軸線，刀刃垂直于木材軸線時(shí)受到的切割阻力為橫切所受阻力的40%[5]。

滑切完成切割所需要的切割力比正切少，但滑切切割行程要比正切大，所以消耗功率不能直接判斷是否比正切少。當(dāng)灌木莖干直徑較小時(shí)，滑切與正切的有效切割行程相差很小，所以此時(shí)滑切可以降低完成驅(qū)動(dòng)切割作業(yè)的最大功率。當(dāng)?shù)度薪菫?5°、曲柄轉(zhuǎn)速為120 r/min時(shí)，最大切割力距為110.25 N·m[6]。

土壤機(jī)械組成越簡(jiǎn)單，比阻越小。在結(jié)構(gòu)性較好的土壤中，耕作層的結(jié)構(gòu)性和緊密度的影響要大于機(jī)械組成的影響。土壤濕度直接影響土壤的基本物理力學(xué)性質(zhì)(如外摩擦力、黏著力等)及土粒的團(tuán)聚作用。隨著濕度的增加，比阻逐漸減小到最低值，之后濕度繼續(xù)增加，比阻逐漸增大。土壤濕度在一定范圍，即在土壤適耕范圍內(nèi)，土壤的比阻較小。比阻隨耕深的增加而減小，當(dāng)耕至犁底層時(shí)比阻會(huì)突然增加，但當(dāng)耕至更深層時(shí)比阻又會(huì)稍稍減小。耕作阻力隨耕速的增加而增加。土壤相對(duì)濕度為27.6%～86.4%，比阻最大值為0.450 kg/cm2(此時(shí)的相對(duì)濕度為27.6%)；耕深為0～19.9 cm，比阻最大值為0.308 kg/cm2[7]。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇切割灌木的最大切割力矩為110.25 N·m，切削土壤的比阻為0.5 kg/cm2。本設(shè)計(jì)切割灌木的切削力矩T=0.40×F，切削土壤受力F長(zhǎng)=0.50×A長(zhǎng)，F(xiàn)短=0.50×A短，T長(zhǎng)=F長(zhǎng)×sinα×R，T短=F短×sinα×R。根據(jù)刀輥刀具排列方式以及液壓缸的運(yùn)動(dòng)，工作狀態(tài)為兩排刀切削土壤，一排刀切割灌木。Tmax=max{(4×T短+3×T長(zhǎng))，(4×T短+3×T長(zhǎng)+3×T)，(3×T短+3×T長(zhǎng)+4×T)}，Tmax=254.64 N·m。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，選擇CB-Fc32(CB-Fc31.5)液壓泵，其參數(shù)見表2；選擇BMR-200液壓馬達(dá)，其參數(shù)見表3；刀具受力如圖6所示。

表2 液壓泵CB-Fc32(CB-Fc31.5)參數(shù)

型號(hào)理論排量/mL·r-1壓力/MPa額定最高轉(zhuǎn)速/r·min-1額定最高最低容積效率/%總效率/%驅(qū)動(dòng)功率(額定工作狀況)/kWCB-Fc31.532.02162020002500600≥91≥8219.60

表3 液壓馬達(dá)BMR-200參數(shù)

型號(hào)實(shí)際排量/mL·r-1工作壓差/MPa連續(xù)間斷尖峰扭矩/N·m連續(xù)間斷尖峰轉(zhuǎn)速范圍/r·min-1最大流量/L·min-1最大輸出功率/kW重量/kgBMR-200200.91417203183825095～3006088

圖6 刀具受力分析

根據(jù)液壓泵CB-Fc32的參數(shù)，ηv≥91%。Q泵=qo泵×n×ηv/60，Po泵=p額定×Q泵。根據(jù)液壓馬達(dá)BMR-200參數(shù)，η總≥68%。Qi馬達(dá)=Q泵，Pi馬達(dá)=p連續(xù)×Qi馬達(dá)，Po馬達(dá)=2 πnT額/60=Pi馬達(dá)×η總， 計(jì)算得出n=277.665 r/min(取n=277 r/min)。 儲(chǔ)備系數(shù)取1.25，T額≈Tmax×1.25。

2 防火帶開設(shè)機(jī)工作裝置剛度校核

假設(shè)設(shè)備在理想狀態(tài)下工作，刀體只受土壤切削力及灌木、雜草刨削阻力的作用，根據(jù)工作裝置整體結(jié)構(gòu)，對(duì)其剛度進(jìn)行分析。工作裝置材料參數(shù)見表4。

仿真結(jié)果的總位移如圖7所示。X軸位移變形分量以t1表示，指向紙外(分位移圖略)；Y軸位移變形分量以t2表示，方向?yàn)檩S向向右；Z軸位移變形分量以t3表示，方向豎直向上。為保證刀輥刀具的正常工作，對(duì)刀盤的t2方向及間隔板t1、t3方向的變形量與許用撓度進(jìn)行對(duì)比分析。

表4 工作裝置材料參數(shù)

名稱材料楊氏模量E/Pa泊松比μ密度ρ/kg·m-3屈服極限σs/Pa強(qiáng)度極限σb/Pa刀盤352.12×10110.317.85×103320540間隔板352.12×10110.317.85×103320540刀452.09×10110.2697.89×103355600驅(qū)動(dòng)軸352.12×10110.317.85×103320540支撐軸352.12×10110.317.85×103320540無縫鋼管Q2352.00×10110.307.85×103235375

圖7 仿真結(jié)果-總位移

測(cè)量可得：最大總位移為0.030 90 mm，位置在右側(cè)短刀最外側(cè)。刀盤最大總位移約為0.007 73 mm，t2位移約為0.007 58 mm。間隔板最大總位移約為0.028 36 mm，t1位移約為0.001 17 mm，t3位移約為0.000 65 mm。

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的防火帶開設(shè)機(jī)工作裝置，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力來源為CB-Fc32、CB-Fc25齒輪泵，執(zhí)行元件為BMR-200液壓馬達(dá)、HSG-70/28液壓油缸。刀輥由液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)，沒有中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊。刀具為雙刀刃結(jié)構(gòu)，可更換。工作頭以三點(diǎn)懸掛的方式安裝在液壓履帶底盤的前端，其擺動(dòng)角度范圍為0～60.17°，最大耕深為71.27 mm。經(jīng)校核工作頭的剛度滿足要求。

[1] 姜晨龍，叢靜華，汪東.地面大型森林消防裝備發(fā)展現(xiàn)狀研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42(12)：3595-3597.

[2] 馬勇健，馬大和.提高我國森林消防裝備使用效益的探討[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2015，43(4)：7-9.

[3] 周雨松.林區(qū)防火工作的分析及對(duì)策——以鐵力林業(yè)局為例[J].森林工程，2015，31(2)：81-83.

[4] 馬永康.檸條切割機(jī)理及收割機(jī)切割器設(shè)計(jì)研究[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26(6)：119-122.

[5] 樸永守，王平，佟曉平.中國主要工業(yè)用材的單位切削阻力[J].木工機(jī)床，1994(3)：21-25.

[6] 陳誠.往復(fù)切割器式灌木平茬機(jī)切割力的研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2011.

[7] 方正三，張鐘先，單明亮.西北黃土區(qū)阻力的初步研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1958，2(1)：89-107.

(責(zé)任編輯 張雅芳)

Design of the Working Device of Fire Belt Making Equipment

YANG Hui-jiao， YU Guo-sheng*， CHEN Zhong-jia， YUAN Xiang-yue

(School of Technology，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China)

The working device of fire belt making equipment is design based on the characteristics of domestic existing fire belt equipment.This device involves hydraulic motor directly driving a cutter roller，with the knives having a double-edged structure with 45 ° cutting edge angle，spirally arranged on the cutter disc and spacer plate.The working device adopts three-point suspension mode and connects with a hydraulic crawler chassis with good passing performance，with its swing angle ranging from 0 to 60.17 °.The fire belt making equipment can be used for cutting and buryig grass and brush，with tilling depth of 35～71.27 mm.

fire belt making equipment；fire belt；working device；design

2016-09-30

楊惠姣(1992-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)榱謽I(yè)與木工機(jī)械，E-mail：yx1518484935@163.com。

*通訊作者：俞國勝(1956-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事林木生物質(zhì)能加工利用裝備和機(jī)械造林防止沙漠化等方面的研究，E-mail：sgyzh@bjfu.edu.cn。

S776.29

A

2095-2953(2017)02-0020-05