6FD-2100型防火隔離開(kāi)帶機(jī)緩沖越障機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

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(1.國(guó)家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091；3.國(guó)家林業(yè)局林業(yè)機(jī)電工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150086)

研究與設(shè)計(jì)

6FD-2100型防火隔離開(kāi)帶機(jī)緩沖越障機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

曹曦明1，3，李芝茹1，2，吳曉峰1，2，3*，李全罡1，2，張北航1，2，韓立志1

(1.國(guó)家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091；3.國(guó)家林業(yè)局林業(yè)機(jī)電工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150086)

介紹了6FD-2100型防火隔離開(kāi)帶機(jī)的整體組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重點(diǎn)闡述其緩沖越障機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路、工作原理及關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)，減振器和蓄能器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用使整機(jī)具有較強(qiáng)的越障能力，進(jìn)而降低了牽引阻力，提高了設(shè)備翻土性能。

開(kāi)帶機(jī)；越障機(jī)構(gòu)；減振器；蓄能器

森林火災(zāi)的發(fā)生除了直接損失活立木、減少木材蓄積量以外，對(duì)過(guò)火林區(qū)的土壤、地表生物、大氣、森林碳庫(kù)和碳循環(huán)、貯木場(chǎng)、周邊居民等的影響也非常嚴(yán)重[1-4]。林火過(guò)后易發(fā)生森林病蟲(chóng)害，火燒跡地生態(tài)恢復(fù)較難，需對(duì)形成的低質(zhì)低產(chǎn)林進(jìn)行長(zhǎng)期的養(yǎng)護(hù)和改造[5-8]。林火從多方面嚴(yán)重破壞了森林的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，林區(qū)防火已成為國(guó)內(nèi)外各地區(qū)營(yíng)林工作的重點(diǎn)，因此各種林火監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速[9-10]，各類(lèi)林火撲救設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生[11-12]。在做好林火監(jiān)測(cè)和撲救工作的同時(shí)，針對(duì)林區(qū)道路特點(diǎn)和人工開(kāi)設(shè)防火阻隔帶的作業(yè)需要，研究出一款越障能力強(qiáng)、翻土效果好、各項(xiàng)性能指標(biāo)高的防火開(kāi)帶機(jī)，其對(duì)有效阻隔林火、增強(qiáng)林區(qū)滅火消防作戰(zhàn)能力等均具有重要意義。

1 6FD-2100型防火隔離開(kāi)帶機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

本研究設(shè)計(jì)的林火阻隔設(shè)備6FD-2100型防火隔離開(kāi)帶機(jī)，主要針對(duì)林區(qū)火燒跡地、采伐跡地、荒地、草地等坡度≤15°的林地，以100～200馬力(73.5～147 kW)拖拉機(jī)作為牽引機(jī)，單程可開(kāi)設(shè)深度15～35 cm、寬度350～400 cm的生土帶，通過(guò)往返作業(yè)可加寬生土帶，以阻隔地表火與林冠火的蔓延。該機(jī)具有翻土效果好、牽引阻力小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、強(qiáng)度可靠、成本低廉、易于維修和調(diào)整等特點(diǎn)。

圖1 防火隔離開(kāi)帶機(jī)的總體結(jié)構(gòu)1.安裝架；2.油缸；3.左順梁；4.左內(nèi)翻犁片；5.左外翻犁片；6.彈簧減振器；7.蓄能器；8.右順梁；9.右外翻犁片；10.右內(nèi)翻犁片

6FD-2100型防火隔離開(kāi)帶機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該機(jī)主要由安裝架、左右順梁、圓盤(pán)犁片、彈簧緩沖減振器、液壓彈簧蓄能器、絲杠調(diào)整裝置和刮土裝置等組成。在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為保證其翻土性能，采用了縱向?qū)ΨQ(chēng)結(jié)構(gòu)，設(shè)有左右兩個(gè)單獨(dú)動(dòng)作的順梁，每個(gè)順梁上均裝有兩個(gè)凹向相反的圓盤(pán)犁體，圓盤(pán)犁體采用滾動(dòng)方式可大大提高越障能力。通過(guò)順梁上兩個(gè)液壓油缸控制圓盤(pán)犁體相對(duì)地面的高度，從而確定圓盤(pán)犁的翻土深度；通過(guò)絲杠來(lái)調(diào)整圓盤(pán)翻土角度和開(kāi)帶寬度。另外針對(duì)農(nóng)林用圓盤(pán)犁體凹面粘土問(wèn)題，本研究獨(dú)特設(shè)計(jì)了圓盤(pán)犁刮土裝置，即通過(guò)刮土針與圓盤(pán)犁作相對(duì)運(yùn)動(dòng)去除犁體凹面附著的粘土，降低犁體翻地阻力，提高整機(jī)作業(yè)效率。

設(shè)備的緩沖越障機(jī)構(gòu)是本研究設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，下面就其設(shè)計(jì)思路、工作原理和關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)作進(jìn)一步論述。

2 6FD-2100型防火隔離開(kāi)帶機(jī)緩沖越障機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1緩沖越障機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)的緩沖越障機(jī)構(gòu)主要由彈簧緩沖減振器和液壓彈簧蓄能器兩部分組成，其中彈簧緩沖減振器獨(dú)立安裝在每個(gè)犁體上，液壓彈簧蓄能器安裝在順梁升降油缸的液壓回路上。由于每個(gè)圓盤(pán)犁片上分別獨(dú)立安裝了彈簧緩沖減振器，使得設(shè)備能夠更靈活地適應(yīng)林地環(huán)境，從而提高整機(jī)的越障能力。當(dāng)圓盤(pán)犁片接觸到過(guò)大的障礙物時(shí)，彈簧減振器本身的彈性結(jié)構(gòu)不能使犁片越過(guò)障礙物，但液壓蓄能緩沖裝置的蓄能緩沖功能允許順梁升降油缸回油，順梁向上擺動(dòng)，從而使裝在順梁頂端的圓盤(pán)隨之抬高，以越過(guò)過(guò)大的障礙物。蓄能器工作原理如圖2所示。

圖2 蓄能器工作原理1.液壓彈簧蓄能器；2.換向閥；3.液壓油泵；4.液壓油箱；5.液壓油缸

2.2 緩沖越障機(jī)構(gòu)工作原理

當(dāng)圓盤(pán)犁片通過(guò)較大障礙物時(shí)，彈簧緩沖減振器的彈簧已達(dá)到極限位置，此時(shí)順梁隨犁片的抬高而繼續(xù)上升，使油缸5小腔的壓力高于系統(tǒng)壓力(見(jiàn)圖2)，油缸活塞處于非穩(wěn)定狀態(tài)，迫使油缸5大腔的液壓油回流到液壓彈簧蓄能器的儲(chǔ)油腔內(nèi)，液壓系統(tǒng)處于短暫的平衡；當(dāng)越過(guò)較大的障礙物后，犁片下落，使順梁上的油缸活塞回到正常位置，此時(shí)液壓緩沖器油腔壓力下降，緩沖器油腔里的彈簧推動(dòng)活塞回到原來(lái)位置。在緩沖及圓盤(pán)彈性結(jié)構(gòu)的共同作用下，滾動(dòng)的圓盤(pán)始終具有越障時(shí)的地面仿形功能?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，這一機(jī)構(gòu)的緩沖越障效果明顯，各項(xiàng)性能指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.3 液壓彈簧蓄能器的設(shè)計(jì)

液壓彈簧蓄能器為緩沖越障機(jī)構(gòu)的重要部件，由聯(lián)成一個(gè)整體的液壓油缸及彈簧腔組成(見(jiàn)圖2)。

2.3.1 蓄能器油缸直徑確定

為使蓄能器油缸里的活塞處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，必須滿足下式：

φ1≥φ2

式中：φ1為蓄能器油缸直徑；φ2為順梁油缸直徑。

本設(shè)計(jì)選用φ1=80 mm，蓄能器油缸活塞對(duì)蓄能器彈簧的最大推力為：

G=πR2f

式中：R為蓄能器油缸活塞半徑；f為液壓系統(tǒng)一般工作壓力。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)得：

G=3.14×42×80=4 019(kgf)

2.3.2 蓄能器彈簧設(shè)計(jì)

為使結(jié)構(gòu)緊湊，將彈簧設(shè)計(jì)成由內(nèi)外兩個(gè)彈簧組成的彈簧組。設(shè)計(jì)外彈簧承受60%的工作壓力，內(nèi)彈簧承受40%的工作壓力。最大工作壓力P1=0.6G=0.6×4 019=2 411(kgf)，按Ⅱ類(lèi)工作特性，選60 Si2Mn彈簧，其2級(jí)精度應(yīng)力[τ]=60kgf/mm2，[τi]=75kgf/mm2，采用強(qiáng)壓處理可提高應(yīng)力20%。

[τ]=60×(1+20%)=72kgf/mm2

[τi]=75×(1+20%)=90kgf/mm2

式中：τ1為最大負(fù)荷產(chǎn)生的切應(yīng)力，τ1=1.25[τ]=1.25×90=112.5kgf/mm2，1.25為安全系數(shù)；K為曲度系數(shù)，K=1.35；D1為彈簧中徑，D1=147 mm。

代入數(shù)據(jù)：

同理，內(nèi)彈簧承受最大工作壓力P2=0.4×4 019=1 607kgf，以此可計(jì)算出內(nèi)彈簧鋼絲直徑d2=20 mm，中徑D2=96 mm。

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的防火隔離開(kāi)帶機(jī)緩沖越障機(jī)構(gòu)主要由彈簧緩沖減振器和液壓彈簧蓄能器兩部分組成，每個(gè)圓盤(pán)犁片上都獨(dú)立安裝有彈簧緩沖減振器，可使設(shè)備能平穩(wěn)地越過(guò)林地中的較小障礙物，如遇到較大障礙物彈簧減振器本身的彈性結(jié)構(gòu)不足以使犁片越過(guò)時(shí)，其蓄能緩沖裝置即發(fā)揮作用，使裝在順梁頂端的圓盤(pán)隨之抬高越過(guò)障礙物。

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DesignofBufferObstacle-CrossingMechanismof6FD-2100FireproofBeltMaker

CAOXi-ming1，3，LIZhi-ru1，2，WUXiao-feng1，2，3*，LIQuan-gang1，2，ZHANGBei-hang1，2，HANLi-zhi1

(1.Harbin Research Institute of Forestry Machinery，the State Forestry Administration，Harbin Heilongjiang 150086，China；2.Forestry New Technology Research Institute，the Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China；3.Key Lab of Forestry Electromechanical Engineering，State Forestry Administration，Harbin Heilongjiang 150086，China)

The overall composition and structural features for 6FD-2100 fireproof belt maker are introduced，with emphasis placed on the design thought，operating principle and the key component design of it buffer obstacle crossing mechanism.The design and application of a damper and an energy accumulator contributes to stronger obstacle crossing ability，thereby reducing drag resistance and improving the ripping performance of the equipment.

belt maker；obstacle crossing mechanism；damper；energy accumulator

S762.3

A

2095-2953(2017)11-0031-03

2017-08-28

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目“林業(yè)用防火隔離開(kāi)帶機(jī)的研制”(CAFYBB2016SY031)

曹曦明(1959-)，男，黑龍江哈爾濱人，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事機(jī)械的設(shè)計(jì)研究，E-mail：zgx1958@163.com。

*通訊作者：吳曉峰(1967-)，男，黑龍江哈爾濱人，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事林業(yè)機(jī)械的研究，E-mail：286710269@qq.com。

(責(zé)任編輯 張雅芳)