輕便型履帶式風(fēng)力滅火機(jī)行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計及爬坡實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

馬 巖，楊春梅，張明松，孫 奇

(東北林業(yè)大學(xué) 林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心 哈爾濱 150040)

1 理論依據(jù)

目前，我國的履帶行走機(jī)構(gòu)主要有兩種結(jié)構(gòu)形式，分別為單車架式和雙(多)車架式結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有的履帶行走機(jī)構(gòu)普遍體積大，且具有牽引力大、越野通過性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)等性能。但是，這些大型履帶行走機(jī)構(gòu)多用于開闊地區(qū)滅火，不適應(yīng)林間工作。

為了解決這一問題，我國的林間履帶行走機(jī)構(gòu)開始趨于小型化發(fā)展，多選用“緊湊型”的焊接整體式車架的履帶行走機(jī)構(gòu)，它具有整體尺寸小、設(shè)備重心低、質(zhì)量輕、穩(wěn)定性好、作業(yè)機(jī)動靈活、剛性好等優(yōu)點(diǎn)，這種履帶行走機(jī)構(gòu)在大中小型林場工作中都具有較大優(yōu)勢。本設(shè)計中的履帶行走機(jī)構(gòu)，在滿足功率的情況下盡可能地縮小外形尺寸，并且放棄了傳統(tǒng)的“倒梯形”結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用三角式的輪系布置設(shè)計。在這一設(shè)計中，由于要盡量縮小機(jī)器體積，還要保證在運(yùn)動時的平穩(wěn)性，所以，就要放棄原本的履帶設(shè)計方法，放棄原本的運(yùn)動獨(dú)立性。在本設(shè)計中，所有運(yùn)動輪之間都要保證具有相關(guān)性，以便在運(yùn)動和靜止時都能具有較好的平穩(wěn)性。

2 建 模

履帶式風(fēng)力滅火機(jī)工作環(huán)境為高溫狀態(tài)，所以履帶式行走機(jī)構(gòu)應(yīng)選用金屬材料的履帶。裝配有履帶行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械能夠憑借其較大的摩擦系數(shù)在泥濘的林間快速行駛，即使在冬季也能克服冰雪的阻礙正常行駛，為進(jìn)一步增大行駛時的抓地能力，履帶板設(shè)計出鉤狀結(jié)構(gòu)[1-4]。

2.1 主要參數(shù)的確定

2.1.1 行駛速度

目前，為了縮短林間履帶行走機(jī)構(gòu)在林區(qū)內(nèi)行駛的時間，提高林間履帶行走機(jī)構(gòu)的實(shí)際效率，已將林間履帶行走機(jī)構(gòu)的最大行走速度v提高到3～5 km/h，其低速一般為2.0～3.5 km/h。

履帶形式機(jī)構(gòu)在林區(qū)內(nèi)行駛的過程中需要能夠?qū)π旭偹俣冗M(jìn)行調(diào)解，故而將行進(jìn)速度設(shè)成高、低兩個檔位，如此一來，就可以在奔赴火場的過程中采用高速檔，縮減時間提高效率，在其他時間根據(jù)路面情況采用相對合適的低速檔，減少工作人員的工作負(fù)擔(dān)。本設(shè)計底盤重量是190 kg，確定高速為3～5 km/h，低速為2～3 km/h。

2.1.2 爬坡能力

林間履帶行走機(jī)構(gòu)一個顯著的特點(diǎn)就是爬坡能力強(qiáng)，一般小型挖掘機(jī)的爬坡度α通常取30°或35°，相應(yīng)的爬坡能力是58%或70%[5-6]。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法選定了爬坡角度，為了證明該角度在合理范圍內(nèi)，根據(jù)爬坡理論對該角度進(jìn)行驗(yàn)證計算。履帶行走機(jī)構(gòu)行駛在上坡過程中需要克服的阻力有：

(1)林間移動式機(jī)械自重在斜坡方向的分力。

WD=Gsinα。

(1)

式中：G為林間移動式機(jī)械自重，N；α為坡度角。

(2)行駛阻力。

Wv=0.12Gcosα。

(2)

式中：0.12為運(yùn)行阻力系數(shù)。

則最大牽引力T應(yīng)該大于等于這些阻力的和，即

T≥WD+Wv。

(3)

此外還要確保履帶行走機(jī)構(gòu)爬坡時不發(fā)生打滑現(xiàn)象，即：

φGcosα≥T。

(4)

式中：φ為履帶與地面的附著系數(shù)，見表2。

表2 履帶與地面的附著系數(shù)

2.1.3 接地比壓

林間履帶行走機(jī)構(gòu)的承載能力主要由其通過性及工作穩(wěn)定性決定[7-9]。如果履帶和土壤完全接觸，并且林間履帶行走機(jī)構(gòu)的重心近似的位于支撐面重心，履帶對地面的壓力為均勻分布，如圖1所示。

則有：

(5)

或

(6)

式中：P為履帶平均接地比壓，Pa；m為林間履帶行走機(jī)構(gòu)質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；L為履帶接地長度，m；b為履帶寬度，m；h0為履帶高度，m。

圖1 履帶對地面的壓力為均勻分布

表3 履帶主要參數(shù)

在計算平均接地比壓時，應(yīng)該綜合實(shí)際外形尺寸和履帶形式機(jī)構(gòu)的附著性能還有路面種類等情況[10]。

2.1.4 最大牽引力

履帶行走機(jī)構(gòu)在林區(qū)內(nèi)行駛時的牽引力應(yīng)大于等于各個阻力之和，小于等于履帶相對于地面的附著力[11-14]。一般情況下，林間履帶式行走機(jī)構(gòu)不同時進(jìn)行爬坡與轉(zhuǎn)彎，本設(shè)計中的履帶行走機(jī)構(gòu)行駛速度比較低，因此在行駛過程中受到的空氣阻力比較小，故忽略不計。在確定最大牽引力時僅考慮履帶式行走機(jī)構(gòu)的最大設(shè)計爬坡能力，忽略轉(zhuǎn)彎阻力。計算履帶行走機(jī)構(gòu)最大牽引力T的公式為：

T=Tf+Tt=fG+sinαG。

(7)

式中：Tf為滾動阻力，N；Tt為坡道阻力，N；f為滾動阻力系數(shù)，見表4；α為最大設(shè)計坡度角；G為為整機(jī)重量，kg。

表4 滾動阻力系數(shù)f

另外，根據(jù)目前計算履帶式機(jī)械的最大牽引力常用的經(jīng)驗(yàn)法，通常按整機(jī)質(zhì)量的比例來選取，即

T=(7.0～8.5)m。

(8)

式中：T為整機(jī)最大牽引力，N；m為為整機(jī)質(zhì)量，kg。

考慮到林間履帶行走機(jī)構(gòu)需要有良好的轉(zhuǎn)彎、爬坡等性能，最大牽引力可根據(jù)最大牽引力與整機(jī)質(zhì)量關(guān)系式解出：

T=5.7+14 454。

(9)

式中：T為整機(jī)最大牽引力，N；m為整機(jī)質(zhì)量，kg。

由公式(9)得：

T=5.7m+14 454=5.7×190+14 454 kN。

2.2 主要零件的選擇

林間履帶行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計思想主要是通過設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和使用要求來制定的，首先根據(jù)公式確定三輪一帶。

(1)履帶寬度b。履帶的接地長度l，軌距B和履帶寬度b之間應(yīng)該合理匹配，是接地比壓，轉(zhuǎn)彎性能和附著性能等符合設(shè)計要求。通過分析本機(jī)的設(shè)計參數(shù)得出履帶的主要影響參數(shù)是整機(jī)重量。本機(jī)初定整機(jī)重量為190 kg。

假設(shè)A表示驅(qū)動輪和導(dǎo)向輪輪距，單位為m；b表示履帶的寬度，單位為m；M表示整機(jī)重量，單位為kg。則有經(jīng)驗(yàn)公式：

(10)

(11)

(12)

由公式(10)、公式(11)和公式(12)得：

(2)驅(qū)動輪節(jié)圓直徑Dq。

(13)

式中：z為驅(qū)動輪齒數(shù)，取8；t為履帶節(jié)距，取68 mm。

由公式(13)得：

(3)導(dǎo)向輪工作面直徑Dd。

Dd=(0.8～0.9)Dq。

(14)

由公式(14)得：

Dd(0.8～0.9)Dq=0.8×96=76.8mm。

(4)托鏈輪踏面直徑。

Dt<(1.5～1.7)t。

(15)

由公式(15)得：

Dt<(1.5～1.7)=1.5×68=102mm。

(5)支重輪踏面直徑。

Dz(1.5～1.7)t。

(16)

由公式(16)得：

Dz≤(1.5～1.7)t=1.6×68=108.8mm。

托鏈輪的數(shù)目過多容易造成不必要的摩擦損失，又由于本次設(shè)計履帶較短，所以每側(cè)托鏈輪為一個；分析接地比壓的均勻性和滾動阻力的大小，林間履帶式行走機(jī)構(gòu)每側(cè)支重輪通常為2～3個，具體數(shù)量隨機(jī)器的重量改變而調(diào)整，本次設(shè)計每側(cè)采用2個支重輪。

3 仿真及分析

根據(jù)履帶式風(fēng)力滅火機(jī)的運(yùn)動仿真結(jié)果，對履帶式風(fēng)力滅火機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并且進(jìn)行試制。為了對設(shè)計的履帶式風(fēng)力滅火機(jī)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)的滅火性能進(jìn)行驗(yàn)證，看其能否達(dá)到設(shè)計要求，最終對履帶式風(fēng)力滅火機(jī)的滅火性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

為了檢驗(yàn)履帶式風(fēng)力滅火機(jī)的滅火能力，虛擬了兩個森林火場場景，針對不同規(guī)模和不同燃燒物引發(fā)的火災(zāi)，進(jìn)行了滅火實(shí)驗(yàn)。

通過在不同水平路面上以相同功率行駛，實(shí)驗(yàn)得出樣機(jī)在土路和林間路面的行走速度。

實(shí)驗(yàn)的具體步驟：選擇土路和林間路兩種實(shí)驗(yàn)環(huán)境，行駛路程為200 m，測量出試制樣機(jī)在這些模擬路程上行駛時所需的時間，從而計算得出平坡行走速度。獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5，本機(jī)在林間行駛的最大速度約達(dá)150 m/min。

為了測試本文設(shè)計的樣機(jī)在坡度不同的坡面上行駛的速度進(jìn)行爬坡行走實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)選取坡度為15°、30°、45°的坡面測試，在測量樣機(jī)行走的距離及時間后，通過相應(yīng)的公式計算得到不同坡度樣機(jī)行走的平均速度。實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)見表6，本機(jī)的爬坡角度可以達(dá)到30°以上。

表5 平坡行走實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表6 爬坡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由試制樣機(jī)的行走速度和滅火效率表明，本文設(shè)計的履帶式風(fēng)力滅火機(jī)在坡度小于15°的林間道路具有比較高的行進(jìn)速度，行進(jìn)速度隨著坡度的增大而減小。履帶式風(fēng)力滅火機(jī)在滅火工作中的效率較高。

從試驗(yàn)情況來看，履帶式風(fēng)力滅火機(jī)順利地完成了針對不同規(guī)模和燃燒物引起火災(zāi)的滅火工作。從滅火效果上，可以看出履帶式風(fēng)力滅火機(jī)達(dá)到了設(shè)計要求。

4 結(jié) 論

本研究設(shè)計的履帶式風(fēng)力滅火機(jī)的整機(jī)重190 kg，最大牽引力為15 537 kN，因其履帶不長，因此其行走機(jī)構(gòu)采用每側(cè)一個鏈輪和兩支重輪的形式。通過對該樣機(jī)進(jìn)行爬坡實(shí)驗(yàn)后可知，該樣機(jī)在林間最大行駛速度約能達(dá)到150 m/min；在坡度為15°的路面上行駛時，其最大速度約可達(dá)到140 m/min；而在坡度為45°時，其最大速度約可達(dá)到70 m/min，由這些數(shù)據(jù)可以看出，該樣機(jī)速度較快，而且速度變化是隨著坡度的增加而減小。從整體效果來看，該樣機(jī)能達(dá)到減少現(xiàn)場作業(yè)的移動時間的要求，既提高滅火效率。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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