自走引流式森林風力滅火機設計與試驗

楊春梅 馬亞強 王成 劉彤彬 劉九慶

摘要：為提高森林火災初期滅火的效率，設計一種應用于森林火災初期快速滅火的新型自走引流式森林風力滅火機。首先對滅火機的整體結構、工作原理進行闡述，對風筒等關鍵部件進行設計計算。其次利用UG對滅火機的結構進行設計，用ANSYS靜力學、模態(tài)分析模塊對整機機架進行仿真分析，驗證整機機架設計的合理性與工作特性。最后對樣機進行試制，與我國常見的6MF-32便攜式滅火機作對比試驗，自走引流式森林風力滅火機距可燃物5m，手持式6MF-32滅火機距可燃物2.5m。試驗結果表明，在7次對比試驗中，當可燃物量大于2.5kg時，6MF-32便攜式滅火機出現滅火后復燃現象；當可燃物的質量達到3.5kg時，風力滅火機會出現滅火后復燃現象。試驗中，自走引流式森林風力滅火機的滅火時間比6MF-32便攜式滅火機短，因此可以看出自走引流式森林風力滅火機在滅火距離、效率上的優(yōu)越性。

關鍵詞：森林風力滅火機；結構設計；風筒；仿真分析；對比試驗

中圖分類號：S776.294

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 05-0056-08

收稿日期： 2022年9月17日? 修回日期：2022年11月19日*基金項目：國家林業(yè)科學技術推廣項目（2019［10］）；黑龍江省自然科學基金項目（TD2020C001）

第一作者：楊春梅，女，1977年生，黑龍江鐵力人，博士，教授；研究方向為農林智能裝備。E-mail： Ycmnefu@126.com

通訊作者：劉九慶，男，1971年生，哈爾濱人，博士，教授；研究方向為林業(yè)智能裝備。E-mail： 727485313@qq.com

Design and experiment on self-propelled forest wind extinguisher

Yang Chunmei1， Ma Yaqiang1， Wang Cheng1， 2， Liu Tongbin1， Liu Jiuqing1

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin， 150006， China;

2. College of Mechanical and Electrical Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin， 150040， China）

Abstract：

In order to improve the efficiency of fire extinguishing in the early stage of forest fires， a novel forest wind extinguisher with self-guided flow is designed. Firstly， the overall structure type and specific implementation mode of the extinguisher are analyzed and described， and the structure design and calculation of the key components such as air ducts are carried out. Secondly， the structure of the extinguisher is designed using UG， and the statics analysis and modal analysis modules in ANSYS software are used for simulation analysis of the machine frame to verify the rationality of the design of the machine frame. Finally， the prototype is trial-produced. Compared with the hand-held 6MF-32 extinguisher commonly used in China， the distance between the pneumatic extinguisher and the 6MF-32 extinguisher is 5 m and 2.5 m， respectively. The experimental results show that in seven comparative trials， when the combustible weight is greater than 2.5 kg， the 6MF-32 extinguisher not only takes a long time to extinguish the fire， but also appears reignition after extinguishing. When the combustible weight reaches 3.5 kg， the wind extinguisher appears reignition after extinguishing. But in all comparison tests， the fire extinguishing time designed in this paper is less than that of the hand-held 6MF-32 fire extinguisher， so it can be seen that the designed wind extinguisher has advantages in extinguishing distance and efficiency.

Keywords：

forest wind extinguisher; the structure design; air ducts; simulation analysis; comparative trials

0 引言

森林火災的發(fā)生具有突發(fā)性和隱蔽性［1， 2］，著火初期，一般以地表火為主，一般遵循由點到面的規(guī)律，森林火災發(fā)生初期，火源向四周蔓延，蔓延速度很慢（順風時0.1～0.7m/min，逆風時0.1～0.4 m/min），火焰小，火勢弱，這時是火焰撲救的最佳時機［3-5］，此時可以利用熱成像技術、風險評估模型等及時發(fā)現［6， 7］，使用合理的手段及時處理?，F在對于森林滅火的方式基本可以劃分為三種：風力滅火、水力滅火和化學藥劑滅火［8， 9］。由于原料是空氣，風力滅火裝備輕便、速度快，當發(fā)生火災時可以在第一時間趕赴現場進行滅火作業(yè)，缺點是風力滅火的方式只能用于撲滅中、低程度的地表火和一定高度的樹冠火，當火焰高度超過2m時，風力滅火反而會起到反作用［10， 11］，此時需要其他專業(yè)滅火設備進行滅火工作，因此在滅火初期及時控制住火勢具有很重要的意義。姜晨龍［12］、韓亞輝［13］等對國內外森林防火機器人研究現狀進行總結闡述，提出森林防火機器人智能化的發(fā)展趨勢。李林書等［14］通過仿真與試驗，提出通過空氣引射增大出口流量，減緩風力滅火機風速的衰減。楊春梅等［15］設計一種履帶式遙控風力滅火機行走機構，縮短滅火距離，提高滅火效率。Wang等［16］對6MF-30風力滅火機的運動特性進行符合人機工程學的評估。當前風力滅火是我國森林滅火的主要方式之一，具有良好的滅火效果［17］。隨著整個滅火機行業(yè)向智能化、電子化的方向發(fā)展，研究出一種專門針對森林滅火的風力滅火機具有很重要的意義。

針對森林火災處于初期時，風力滅火機輕便、速度快、無原料來源的限制，可以作為森林火災初期滅火的最佳方式，因此本文設計一種新型的自走引流式森林風力滅火機（以下簡稱滅火機），由于采用的是引流式的風機風筒結構，同時采用三級變徑風筒，風筒可實現可前后上下俯仰運動等，和一般的風力滅火機相比，會擴大風力滅火機的滅火區(qū)間，使其能夠更加有效地進行滅火作業(yè)。

1 自走式風力滅火機結構與工作原理

1.1 整機結構

為提高滅火效率，采取雙風筒進行滅火，而且引流式風筒的設計可以增加進氣口風量和風壓，同時通過調節(jié)風筒和離心風機之間的相對距離提高滅火風筒出風口風速和風壓，這些結構設計可以有效提升滅火效率。森林火災的走向瞬息萬變，消防人員進行滅火工作時，存在著很大的安全隱患，因此，采取遠程遙控技術對裝備進行實時滅火，火災撲救人員可利用遙控器遠程操控滅火機進行實時操作，即可實現遠程操控滅火機的行駛、轉向、滅火等功能。滅火機還可以實現一機多用，平時沒有參與滅火工作時，可以成為一個小型的運輸和巡視機在林間使用。

綜合上述總體結構的基本要求，確定自走引流式森林風力滅火機的總體結構布局，由履帶式底盤、推動機架臺、離心風機系統(tǒng)、變徑滅火風筒系統(tǒng)、叉行機構、操縱臺、動力系統(tǒng)組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

滅火機的工作原理為：當森林某一地點發(fā)生火災時，消防人員可站在遠離滅火機50～100m的位置利用遙控操縱臺操縱滅火機。首先滅火機的動力系統(tǒng)開始工作，動力由單缸柴油機提供，一部分動力傳遞給履帶行走底盤機構的驅動輪，為履帶式底盤行走機構提供動力，帶動滅火機直行、轉彎、上下坡等及時的到達火災現場；另一部分轉矩傳遞給推動機架臺，進而傳遞給與推動機架臺固定的高壓離心風機的主軸，帶動高壓離心風機葉輪旋轉產生高速高壓氣流，通過出風口產生滅火氣流，同時通過遙控對推動機架臺的導軌絲杠推動機構和叉行機構進行實時控制，實現變徑滅火風筒前后移動、上下左右擺動，以調整到最佳的滅火點和滅火角度進行滅火。

2 關鍵部件設計

2.1 推動機架臺設計

2.1.1 結構及工作原理

推動機架臺主要由導軌、滑塊、方形管底座、加強肋板、絲杠安裝板、絲杠螺母、絲杠減速箱、伺服電機、滾珠絲杠等組成，具體結構圖如圖2所示。

推動機架臺位于整個滅火機的中間部分，固定風機龍門支撐架和操縱臺底座，除此之外推動機架臺上設置有導軌絲杠裝置，可以推動離心風機系統(tǒng)和滅火風筒系統(tǒng)一起前后移動。伺服電機帶動滾珠絲杠順時針或逆時針轉動，從而驅動整個推動機架臺在導軌滑塊的作用下沿履帶行走方向前后滑動。

2.1.2 滾珠絲杠伺服電機選型設計

推動機架臺上離心風機系統(tǒng)和滅火風筒系統(tǒng)的前后移動主要是靠推動機架臺上的伺服電機驅動滾珠來實現。設計滾珠絲杠時，設置滾珠絲杠的直徑、長度分別為Bd=35mm，Bl=1900mm，滾珠絲杠的螺距Bp=20mm，滾珠絲杠的密度ρ=7.9×103kg/m3，負載質量Gl=50kg，摩擦系數μ=0.1，機械效率η=0.9，減速比δ=0.5，安全系數λ=0.9，減速部件慣量Jc≈10×10-6kg·m2。

本研究預設的方形管底座的移動速度與時間的關系如圖3所示。

結合上述計算，選擇4-68型離心風機，該風機的具體參數如表1所示。

該滅火機第三節(jié)滅火風筒的直徑為80mm，參考設計要求對變徑滅火風筒進行設計，得到變徑滅火風筒技術參數，如表2所示。

3 整機機架力學性能分析

3.1 靜力學分析

利用UG軟件對整機機架進行三維建模，然后將模型導入到ANSYS軟件中的Static Structural模塊中，導入ANSYS中的三維模型如圖7所示。

滅火機整體機架主要由方形管和鋼板焊接而成，材料為Q235鋼，在Static Structural模塊的Engineering Data中新建一個Q235鋼材料，設置材料的密度為7.85×103kg/m3，楊氏模量為2×105MPa，泊松比為0.3，并設定相應的單位制（mm、kg、N、s）。從整機機架的整體結構看，整個結構比較簡單，為了提高計算結果的準確性，劃分網格時選擇為六面體網格（圖8），并設置網格大小為10mm，網格質量是影響有限元分析結果準確性和可靠性的關鍵因素之一［23］。

首先對模型施加約束，整機機架下表面通過四個支撐板與滑塊進行螺栓連接，四個支撐板與滑塊之間沒有相對移動，因此在四個支撐板的下表面設置固定約束；整機機架兩側的龍門要承受兩個離心風機系統(tǒng)的重力和操縱臺的重力，單個離心風機系統(tǒng)的總重力為875N，操縱臺的重力為200N，因此施加在單個龍門上表面的力為975N，滾珠絲杠安裝座會受到滾珠絲杠的轉矩影響，滾珠絲杠的轉矩為124N·m，除此之外，整機機架還受自身重力的作用，圖9為整機機架約束和載荷的示意圖。

整機機架作為整個滅火機的載體，在各種外部載荷和約束的作用下必須具有足夠的強度和剛度來適應其工作的要求，因此必須要求整機機架各部分的應力值要低于材料的許用應力，并且機架的形變應該要在材料形變允許的最大范圍之下，滿足上述剛度和強度要求的機架才能初步符合設計要求［23］。

圖10為機架性能云圖，因為整機機架的材料為Q235鋼，查閱相關資料可知，Q235鋼的強度極限為σb=420MPa，在機架類零部件中安全系數［S］=2，因此求得Q235鋼的許用應力為［σ］=σb÷［S］=210MPa，從圖中可以看出，最大等效應力為25.09MPa，小于Q235鋼材料的許用應力，所以整機機架的強度滿足設計要求，最大變形出現在左側龍門壁的中央位置，最大變形量為0.16087mm，在允許的誤差范圍內，整機機架的最大變形量處于設計要求范圍內，剛度也滿足設計要求。

3.2 模態(tài)分析

在實際工程中，各種結構的相互連接，工作時低階頻率很容易被激發(fā)，當結構件的低階頻率被激發(fā)后，會導致整體結構產生共振，將會使結構不穩(wěn)定或損壞，對于高階頻率而言，其頻率超過結構的低階固有頻率，不會對實際的工作系統(tǒng)產生影響［24］，因此模態(tài)分析需要在零部件加載狀態(tài)下進行。文中在約束條件下對整機機架進行模態(tài)分析，如圖11所示為前六階模態(tài)的振型云圖。

根據圖11分析出，第一階模態(tài)整機機架的左、右龍門臂在Z軸方向左右振動；第二階模態(tài)整機機架的左、右龍門臂在Z軸方向左右振動，最大變形比一階模態(tài)大；第三階模態(tài)整機機架的左、右龍門臂在Z軸方向右振動；第四階模態(tài)整機機架的左龍門臂在Z軸方向右振動，右龍門臂在Z軸方向左振動；第五階模態(tài)整機機架的左右龍門臂在X、Y方向振動，并沿Z方向扭轉振動；第六階模態(tài)整機機架的右龍門臂在X、Y方向振動，并沿Z方向扭轉振動。表3為整機機架前六階模態(tài)的分析結果表，已知滅火機在進行工作時的電機最大轉速為2500r/min，履帶式底盤傳動最大轉速為1500r/min，離心風機系統(tǒng)滅火時的最大轉速為2900r/min，三者對應的振源頻率分別為41.67Hz、25Hz、48.3Hz，與整機機架前六階模態(tài)的固有頻率進行對比得出，整機機架和其他部件不會發(fā)生共振現象。

4 樣機試制與試驗

根據上述設計計算與關鍵零部件的仿真分析對滅火機的樣機進行制造，圖12為制造出的樣機示意圖。

按照GB/T 10280—2008對滅火機整機性能進行評測，評測結果如表4所示。

為模擬森林滅火，滅火實驗場地選用東北林業(yè)大學的一處空地進行滅火試驗，并與6MF-32便攜式風力滅火機進行滅火效果的對比，實驗方法為：在空地中心劃分出一個1m×1m的正方形作為滅火的試驗區(qū)域，取干燥的固體可燃物（干草、枯枝等）放入滅火區(qū)域中，為了與空氣充分接觸，選用一個帶有空隙的平臺充當滅火的邊界，利用等量的汽油進行點燃，當可燃物燃燒旺盛穩(wěn)定時，滅火機距滅火區(qū)域中心5m、6MF-32便攜式風力滅火機距滅火中心2.5m分別進行滅火試驗，統(tǒng)計每次滅火的時間，當明火完全熄滅時停止計時，并觀察可燃區(qū)域是否發(fā)生復燃現象，滅火機的滅火過程如圖13所示，圖14為6MF-32滅火機的滅火過程。

試驗對比結果如表5所示，從表5中可以看出，對于相同密度的可燃物，滅火機的有效距離為5m，6MF-32風力滅火機的有效距離為2.5m，7組試驗中走引流式森林風力滅火機的滅火時間均小于6MF-32風力滅火機，并且滅火機在火源熄滅后不易復燃，這是由于滅火機比6MF-32便攜式風力滅火機的風壓、風速、風量大，因而會增加滅火機的滅火效率。

5 結論

1） 針對國內森林滅火初期現狀設計一臺自走引流式森林風力滅火機，對其工作原理和基本機構進行概述，對推動臺機架、風機風筒關鍵部件進行設計。

2） 為驗證整機機架的強度，使用ANSYS Static Structural分析模塊整機機架進行靜力學分析，使用Modal分析模塊驗證其約束模態(tài)下的低階固有頻率，判斷其工作時是否與整機其他部件發(fā)生共振，結果表明整機機架的強度、剛度符合設計要求，在工作時不會與其他部件發(fā)生共振現象。

3） 最后對樣機進行試制，與6MF-32便攜式風力滅火機作對比試驗，自走引流式風力滅火機、6MF-32便攜式風力滅火機距可燃物的距離分別是5m、3m。試驗結果表明，可燃物的質量在2kg以下時，兩者都不會出現滅火后復燃現象，當可燃物質量為2.5kg及以上時，6F-32出現了滅火后復燃現象；當可燃物質量為3.5kg及以上時，自走引流式風力滅火機出現了滅火后復燃現象，但所有組別的滅火時間比6MF-32便攜式風力滅火機短，距離火源更遠，綜上可得自走引流式風力滅火機在滅火時間和距離上優(yōu)于6MF-32便攜式風力滅火機。

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