6FD-2100型防火隔离开带机缓冲越障机构的设计

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(1.国家林业局哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；2.中国林业科学研究院林业新技术研究所，北京 100091；3.国家林业局林业机电工程重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150086)

研究与设计

6FD-2100型防火隔离开带机缓冲越障机构的设计

曹曦明1，3，李芝茹1，2，吴晓峰1，2，3*，李全罡1，2，张北航1，2，韩立志1

(1.国家林业局哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；2.中国林业科学研究院林业新技术研究所，北京 100091；3.国家林业局林业机电工程重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150086)

介绍了6FD-2100型防火隔离开带机的整体组成和结构特点，重点阐述其缓冲越障机构的设计思路、工作原理及关键部件设计，减振器和蓄能器的设计和应用使整机具有较强的越障能力，进而降低了牵引阻力，提高了设备翻土性能。

开带机；越障机构；减振器；蓄能器

森林火灾的发生除了直接损失活立木、减少木材蓄积量以外，对过火林区的土壤、地表生物、大气、森林碳库和碳循环、贮木场、周边居民等的影响也非常严重[1-4]。林火过后易发生森林病虫害，火烧迹地生态恢复较难，需对形成的低质低产林进行长期的养护和改造[5-8]。林火从多方面严重破坏了森林的生态效益、经济效益和社会效益，林区防火已成为国内外各地区营林工作的重点，因此各种林火监测技术发展迅速[9-10]，各类林火扑救设备应运而生[11-12]。在做好林火监测和扑救工作的同时，针对林区道路特点和人工开设防火阻隔带的作业需要，研究出一款越障能力强、翻土效果好、各项性能指标高的防火开带机，其对有效阻隔林火、增强林区灭火消防作战能力等均具有重要意义。

1 6FD-2100型防火隔离开带机的总体结构

本研究设计的林火阻隔设备6FD-2100型防火隔离开带机，主要针对林区火烧迹地、采伐迹地、荒地、草地等坡度≤15°的林地，以100～200马力(73.5～147 kW)拖拉机作为牵引机，单程可开设深度15～35 cm、宽度350～400 cm的生土带，通过往返作业可加宽生土带，以阻隔地表火与林冠火的蔓延。该机具有翻土效果好、牵引阻力小、结构简单、强度可靠、成本低廉、易于维修和调整等特点。

图1 防火隔离开带机的总体结构1.安装架；2.油缸；3.左顺梁；4.左内翻犁片；5.左外翻犁片；6.弹簧减振器；7.蓄能器；8.右顺梁；9.右外翻犁片；10.右内翻犁片

6FD-2100型防火隔离开带机总体结构如图1所示，该机主要由安装架、左右顺梁、圆盘犁片、弹簧缓冲减振器、液压弹簧蓄能器、丝杠调整装置和刮土装置等组成。在总体结构设计中，为保证其翻土性能，采用了纵向对称结构，设有左右两个单独动作的顺梁，每个顺梁上均装有两个凹向相反的圆盘犁体，圆盘犁体采用滚动方式可大大提高越障能力。通过顺梁上两个液压油缸控制圆盘犁体相对地面的高度，从而确定圆盘犁的翻土深度；通过丝杠来调整圆盘翻土角度和开带宽度。另外针对农林用圆盘犁体凹面粘土问题，本研究独特设计了圆盘犁刮土装置，即通过刮土针与圆盘犁作相对运动去除犁体凹面附着的粘土，降低犁体翻地阻力，提高整机作业效率。

设备的缓冲越障机构是本研究设计的关键部分，下面就其设计思路、工作原理和关键部件设计作进一步论述。

2 6FD-2100型防火隔离开带机缓冲越障机构的设计

2.1缓冲越障机构设计思路

设计的缓冲越障机构主要由弹簧缓冲减振器和液压弹簧蓄能器两部分组成，其中弹簧缓冲减振器独立安装在每个犁体上，液压弹簧蓄能器安装在顺梁升降油缸的液压回路上。由于每个圆盘犁片上分别独立安装了弹簧缓冲减振器，使得设备能够更灵活地适应林地环境，从而提高整机的越障能力。当圆盘犁片接触到过大的障碍物时，弹簧减振器本身的弹性结构不能使犁片越过障碍物，但液压蓄能缓冲装置的蓄能缓冲功能允许顺梁升降油缸回油，顺梁向上摆动，从而使装在顺梁顶端的圆盘随之抬高，以越过过大的障碍物。蓄能器工作原理如图2所示。

图2 蓄能器工作原理1.液压弹簧蓄能器；2.换向阀；3.液压油泵；4.液压油箱；5.液压油缸

2.2 缓冲越障机构工作原理

当圆盘犁片通过较大障碍物时，弹簧缓冲减振器的弹簧已达到极限位置，此时顺梁随犁片的抬高而继续上升，使油缸5小腔的压力高于系统压力(见图2)，油缸活塞处于非稳定状态，迫使油缸5大腔的液压油回流到液压弹簧蓄能器的储油腔内，液压系统处于短暂的平衡；当越过较大的障碍物后，犁片下落，使顺梁上的油缸活塞回到正常位置，此时液压缓冲器油腔压力下降，缓冲器油腔里的弹簧推动活塞回到原来位置。在缓冲及圆盘弹性结构的共同作用下，滚动的圆盘始终具有越障时的地面仿形功能。现场试验表明，这一机构的缓冲越障效果明显，各项性能指标均能达到设计要求。

2.3 液压弹簧蓄能器的设计

液压弹簧蓄能器为缓冲越障机构的重要部件，由联成一个整体的液压油缸及弹簧腔组成(见图2)。

2.3.1 蓄能器油缸直径确定

为使蓄能器油缸里的活塞处于相对稳定状态，必须满足下式：

φ1≥φ2

式中：φ1为蓄能器油缸直径；φ2为顺梁油缸直径。

本设计选用φ1=80 mm，蓄能器油缸活塞对蓄能器弹簧的最大推力为：

G=πR2f

式中：R为蓄能器油缸活塞半径；f为液压系统一般工作压力。

代入相关数据得：

G=3.14×42×80=4 019(kgf)

2.3.2 蓄能器弹簧设计

为使结构紧凑，将弹簧设计成由内外两个弹簧组成的弹簧组。设计外弹簧承受60%的工作压力，内弹簧承受40%的工作压力。最大工作压力P1=0.6G=0.6×4 019=2 411(kgf)，按Ⅱ类工作特性，选60 Si2Mn弹簧，其2级精度应力[τ]=60kgf/mm2，[τi]=75kgf/mm2，采用强压处理可提高应力20%。

[τ]=60×(1+20%)=72kgf/mm2

[τi]=75×(1+20%)=90kgf/mm2

式中：τ1为最大负荷产生的切应力，τ1=1.25[τ]=1.25×90=112.5kgf/mm2，1.25为安全系数；K为曲度系数，K=1.35；D1为弹簧中径，D1=147 mm。

代入数据：

同理，内弹簧承受最大工作压力P2=0.4×4 019=1 607kgf，以此可计算出内弹簧钢丝直径d2=20 mm，中径D2=96 mm。

3 结束语

设计的防火隔离开带机缓冲越障机构主要由弹簧缓冲减振器和液压弹簧蓄能器两部分组成，每个圆盘犁片上都独立安装有弹簧缓冲减振器，可使设备能平稳地越过林地中的较小障碍物，如遇到较大障碍物弹簧减振器本身的弹性结构不足以使犁片越过时，其蓄能缓冲装置即发挥作用，使装在顺梁顶端的圆盘随之抬高越过障碍物。

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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

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项项目“林业用防火隔离开带机的研制”(CAFYBB2016SY031)

曹曦明(1959-)，男，黑龙江哈尔滨人，高级工程师，学士，主要从事机械的设计研究，E-mail：zgx1958@163.com。

*通讯作者：吴晓峰(1967-)，男，黑龙江哈尔滨人，高级工程师，学士，主要从事林业机械的研究，E-mail：286710269@qq.com。

(责任编辑 张雅芳)