防火带开设机工作装置设计

杨惠姣， 俞国胜， 陈忠加， 袁湘月

(北京林业大学工学院，北京 100083)

研究与设计

防火带开设机工作装置设计

杨惠姣， 俞国胜*， 陈忠加， 袁湘月

(北京林业大学工学院，北京 100083)

根据我国现有开设防火隔离带设备的特点设计了防火带开设机工作装置。该装置为液压马达直接驱动刀辊，刀具为双刃结构、45°刀刃角，螺旋排列在刀盘及间隔板上。工作装置采用三点悬挂的方式与通过性能良好的液压履带底盘相连，摆动角度范围为0～60.17°。防火带开设机可对杂草灌木进行切削及掩埋，耕深为35～71.27 mm。

防火带开设机；防火隔离带；工作装置；设计

20世纪50年代至21世纪，我国年均发生森林火灾1.36万次，年均森林受灾面积达75.8万hm2。由于发生火灾后扑救极其困难，所以火灾预防成为森林防火的首要任务。防火隔离带可把森林分割成小块状，而且在森林之间，以及森林与村庄、学校、工厂之间可通过防火隔离带设置空旷地带。常用防火隔离带的开设方法有人工割打法、机耕法、火烧法，以及使用化学药剂或炸药开设等方法。其中，机耕法安全性能好，不需要预先反复试验，劳动强度低，是比较常用的方法。

国内外林区广泛使用防火推土机开设防火隔离带，通过推倒、推走树干及树桩等方式来开辟防火带。我国针对使用农用铧式犁开设防火带存在效果差、效率低的问题，2003年首次提出采用悬挂式铧式犁。防火耙切断杂草、树根、树茬的能力较强，不易被杂草堵塞，遇到粗根时可以滚过；切割式割灌机只能切割灌木及杂草；Slashbuster系列、DAH系列清林割灌机可对林地进行刨铣作业。鉴于上述特点及国内森林消防主要使用便携式割灌机的现状，笔者设计了一种新型适用于现有液压履带底盘的防火带开设机工作装置[1-3]。

1 防火带开设机工作装置设计

森林防火隔离带每间隔一段时间需要对重新生长出来的灌木、杂草进行切割，为减少工作量，确定维护工作的周期为半年[4]。根据经验及统计数据，灌木生长半年后其平均直径约为8 mm，平均离地高度约为500 mm。在维护工作中产生的剩余物可能造成火灾在水平及垂直方向的蔓延，为防止这种情况的发生需要对剩余物进行掩埋，根据经验及统计数据，确定掩埋深度至少为30 mm。

1.1 工作装置整体结构及主要技术参数

防火带开设设备由液压履带底盘和工作头两部分组成，工作头的斜视和左视图如图1、图2所示。柴油发动机驱动两个液压泵工作，液压泵分别驱动履带底盘的行走、液压缸的伸缩，以及刀辊的旋转。工作头通过三点悬挂的方式安装在液压履带底盘的前部。通过液压缸的伸缩可以控制工作头绕连接轴旋转，工作头允许摆动的范围为0～60.17°。

图1 工作头斜视图

图2 工作头左视图

①防火带开设设备不工作时液压缸完全收缩，工作头抬起，以防止损伤刀具。

②防火带开设设备工作时，通过调节控制液压缸伸缩的多路换向阀可满足不同耕深切削及掩埋要求，当工作头摆动至60.17°时其最大耕深为71.27 mm。

③设备工作时安装架的主梁可将灌木丛压倒，理想状态下灌木与地面夹角约为45.78°，这时刀具刚好与灌木相切，刀具切削角约为44.22°。

④当设备的刀具被灌木、根茎缠绕时，可通过调节控制液压马达的多路换向阀来实现刀辊反转，切削缠绕的灌木和根茎，并将滞留在刀辊上的土壤甩出，防止刀辊卡死。

防火带开设机工作装置主要技术参数见表1。

表1 防火带开设机工作装置主要技术参数

项 目参数值驱动液压马达的齿轮泵CB-Fc32驱动液压油缸的齿轮泵CB-Fc25刀轴转速/r·min-1277工作幅宽/mm1740耕深/mm30～71.27前进速度/m·min-1≤0.5工作头离地高度/mm352.47刀片数量/把12(长),13(短)功率/kW13.60

1.2 关键部件设计

1.2.1 刀辊设计

刀辊由刀辊轴、刀盘(12块)、间隔板(4块)、刀具(25把)等组成。其中，刀辊轴由驱动轴、无缝钢管、支撑轴焊接而成，液压马达通过平键直接驱动刀辊轴转动。刀盘焊接在刀辊轴上，间隔板焊接在刀盘上，12把长刀用螺栓固定在刀盘上，13把短刀用螺栓固定在间隔板上。所有刀具按螺旋线的方式安装在刀盘及间隔板上，如图3所示。

图3 刀辊

往复切割式灌木平茬机的定刀与动刀都有刃口，且灌木直径普遍较小，不同刀刃角切割厚度相差较小，所以刀刃角的增大对最大切割力影响很小。为提高刀体强度，经实验证明45°刀刃角比较合适，且滑切角为0～5°时比较好。根据实验推测：当灌木直径>10 mm时，合适的参数为转速120 r/min，滑切角0°。

本设计的刀具刀刃角为45°，长刀、短刀采用相近结构，如图4所示。为避免刀具被灌木、根茎缠绕，将刀具设计成双面刀刃结构。当灌木、根茎缠绕刀具时可调节液压系统中的多路换向阀实现刀辊反转，以反向切割灌木、根茎，并将刀具上滞留的土壤甩出。

图4 刀具结构图

1.2.2 安装架设计

安装架如图5所示，其以三点悬挂的方式安装在液压履带底盘的前端，参考拖拉机上的三点悬挂，上悬挂点宽度确定为44.5 mm。防火带开设机工作时，安装架的主梁可将灌木压倒，理想状态为刀具刚好与灌木相切时灌木与地面夹角约为45.78°。

图5 安装架

1.2.3 液压元件选型

根据木材切削的相关特性研究，若切削刃刃口法线方向与切割方向重合，当切割方向与切削刃都垂直于木材轴线时，木材受到的切割阻力最大；当切割方向垂直于木材轴线，刀刃不垂直木材轴线时受到的切割阻力为横切所受阻力的60%～70%；当切割方向不垂直木材轴线，刀刃垂直于木材轴线时受到的切割阻力为横切所受阻力的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断是否比正切少。当灌木茎干直径较小时，滑切与正切的有效切割行程相差很小，所以此时滑切可以降低完成驱动切割作业的最大功率。当刀刃角为45°、曲柄转速为120 r/min时，最大切割力距为110.25 N·m[6]。

土壤机械组成越简单，比阻越小。在结构性较好的土壤中，耕作层的结构性和紧密度的影响要大于机械组成的影响。土壤湿度直接影响土壤的基本物理力学性质(如外摩擦力、黏着力等)及土粒的团聚作用。随着湿度的增加，比阻逐渐减小到最低值，之后湿度继续增加，比阻逐渐增大。土壤湿度在一定范围，即在土壤适耕范围内，土壤的比阻较小。比阻随耕深的增加而减小，当耕至犁底层时比阻会突然增加，但当耕至更深层时比阻又会稍稍减小。耕作阻力随耕速的增加而增加。土壤相对湿度为27.6%～86.4%，比阻最大值为0.450 kg/cm2(此时的相对湿度为27.6%)；耕深为0～19.9 cm，比阻最大值为0.308 kg/cm2[7]。

根据设计要求，选择切割灌木的最大切割力矩为110.25 N·m，切削土壤的比阻为0.5 kg/cm2。本设计切割灌木的切削力矩T=0.40×F，切削土壤受力F长=0.50×A长，F短=0.50×A短，T长=F长×sinα×R，T短=F短×sinα×R。根据刀辊刀具排列方式以及液压缸的运动，工作状态为两排刀切削土壤，一排刀切割灌木。Tmax=max{(4×T短+3×T长)，(4×T短+3×T长+3×T)，(3×T短+3×T长+4×T)}，Tmax=254.64 N·m。根据以上数据，选择CB-Fc32(CB-Fc31.5)液压泵，其参数见表2；选择BMR-200液压马达，其参数见表3；刀具受力如图6所示。

表2 液压泵CB-Fc32(CB-Fc31.5)参数

型号理论排量/mL·r-1压力/MPa额定最高转速/r·min-1额定最高最低容积效率/%总效率/%驱动功率(额定工作状况)/kWCB-Fc31.532.02162020002500600≥91≥8219.60

表3 液压马达BMR-200参数

型号实际排量/mL·r-1工作压差/MPa连续间断尖峰扭矩/N·m连续间断尖峰转速范围/r·min-1最大流量/L·min-1最大输出功率/kW重量/kgBMR-200200.91417203183825095～3006088

图6 刀具受力分析

根据液压泵CB-Fc32的参数，ηv≥91%。Q泵=qo泵×n×ηv/60，Po泵=p额定×Q泵。根据液压马达BMR-200参数，η总≥68%。Qi马达=Q泵，Pi马达=p连续×Qi马达，Po马达=2 πnT额/60=Pi马达×η总， 计算得出n=277.665 r/min(取n=277 r/min)。 储备系数取1.25，T额≈Tmax×1.25。

2 防火带开设机工作装置刚度校核

假设设备在理想状态下工作，刀体只受土壤切削力及灌木、杂草刨削阻力的作用，根据工作装置整体结构，对其刚度进行分析。工作装置材料参数见表4。

仿真结果的总位移如图7所示。X轴位移变形分量以t1表示，指向纸外(分位移图略)；Y轴位移变形分量以t2表示，方向为轴向向右；Z轴位移变形分量以t3表示，方向竖直向上。为保证刀辊刀具的正常工作，对刀盘的t2方向及间隔板t1、t3方向的变形量与许用挠度进行对比分析。

表4 工作装置材料参数

名称材料杨氏模量E/Pa泊松比μ密度ρ/kg·m-3屈服极限σs/Pa强度极限σb/Pa刀盘352.12×10110.317.85×103320540间隔板352.12×10110.317.85×103320540刀452.09×10110.2697.89×103355600驱动轴352.12×10110.317.85×103320540支撑轴352.12×10110.317.85×103320540无缝钢管Q2352.00×10110.307.85×103235375

图7 仿真结果-总位移

测量可得：最大总位移为0.030 90 mm，位置在右侧短刀最外侧。刀盘最大总位移约为0.007 73 mm，t2位移约为0.007 58 mm。间隔板最大总位移约为0.028 36 mm，t1位移约为0.001 17 mm，t3位移约为0.000 65 mm。

3 结束语

设计的防火带开设机工作装置，驱动动力来源为CB-Fc32、CB-Fc25齿轮泵，执行元件为BMR-200液压马达、HSG-70/28液压油缸。刀辊由液压马达直接驱动，没有中间传动机构，结构紧凑。刀具为双刀刃结构，可更换。工作头以三点悬挂的方式安装在液压履带底盘的前端，其摆动角度范围为0～60.17°，最大耕深为71.27 mm。经校核工作头的刚度满足要求。

[1] 姜晨龙，丛静华，汪东.地面大型森林消防装备发展现状研究[J].安徽农业科学，2014，42(12)：3595-3597.

[2] 马勇健，马大和.提高我国森林消防装备使用效益的探讨[J].林业机械与木工设备，2015，43(4)：7-9.

[3] 周雨松.林区防火工作的分析及对策——以铁力林业局为例[J].森林工程，2015，31(2)：81-83.

[4] 马永康.柠条切割机理及收割机切割器设计研究[J].山西农业大学学报，2006，26(6)：119-122.

[5] 朴永守，王平，佟晓平.中国主要工业用材的单位切削阻力[J].木工机床，1994(3)：21-25.

[6] 陈诚.往复切割器式灌木平茬机切割力的研究[D].北京：北京林业大学，2011.

[7] 方正三，张钟先，單明亮.西北黄土区阻力的初步研究[J].农业机械学报，1958，2(1)：89-107.

(责任编辑 张雅芳)

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

杨惠姣(1992-)，女，硕士研究生，研究方向为林业与木工机械，E-mail：yx1518484935@163.com。

*通讯作者：俞国胜(1956-)，男，教授，博士生导师，主要从事林木生物质能加工利用装备和机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