履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

楊春梅，楊 博，馬 巖，經(jīng)鳳明，孫 奇，孟德宇，潘云峰，申景博

(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 履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)的工作原理

履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)是將履帶式工程機(jī)械與無(wú)線遙控技術(shù)、電子控制技術(shù)與液壓相結(jié)合的產(chǎn)物。其基本構(gòu)成包括遙控發(fā)射裝置、遙控接收裝置(安裝在履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)上)和整機(jī)機(jī)械系統(tǒng)[1-2，7]。遙控器將指令發(fā)送給安裝在履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)上的接收裝置，經(jīng)調(diào)解、譯碼和驅(qū)動(dòng)后，傳給輸出電路，安裝在整機(jī)上的電—液(機(jī)械)轉(zhuǎn)換元件，在電路系統(tǒng)的作用下分別驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與執(zhí)行元件，最終完成相應(yīng)功能部件的預(yù)定動(dòng)作，如發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火、熄火和油門控制，風(fēng)管擺動(dòng)控制，制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和檔位控制等，如圖1所示為遙控履帶式風(fēng)力滅火機(jī)工作的原理圖。

2 履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)總布局的確定

根據(jù)履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)總體布局的基本要求和工作原理，可確定滅火機(jī)的總體布局，如圖2所示為本設(shè)計(jì)的三維總裝配圖。本設(shè)計(jì)采用左右對(duì)稱布置的雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，主要工作過(guò)程為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，一部分傳遞給主軸，主軸帶動(dòng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)；同時(shí)，另一部分傳遞給底盤驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)底盤行駛。操作人員根據(jù)火勢(shì)發(fā)展實(shí)時(shí)遙控風(fēng)管擺動(dòng)進(jìn)行滅火并遙控底盤的移動(dòng)和轉(zhuǎn)彎。初步確定履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)由動(dòng)力分配系統(tǒng)，履帶底盤系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和電—液系統(tǒng)等組成。

履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)的底盤與風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于柴油機(jī)，柴油機(jī)啟動(dòng)后，經(jīng)過(guò)動(dòng)力分配系統(tǒng)后，分別傳遞給底盤系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)在風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)形成高速高壓氣流，經(jīng)風(fēng)管甩出進(jìn)行滅火，整機(jī)的移動(dòng)與風(fēng)管的擺動(dòng)由遙控裝置分別控制。

圖1 遙控履帶式風(fēng)力滅火機(jī)工作原理圖

圖2 履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)三維模型

3 履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 行走機(jī)構(gòu)的構(gòu)造

遙控風(fēng)力滅火機(jī)的行走機(jī)構(gòu)，即履帶底盤，主要由履帶、驅(qū)動(dòng)輪、托帶輪、支重輪、履帶張緊裝置、導(dǎo)向輪和機(jī)架等組成。行走系的作用是：一方面支撐整機(jī)的全部重量；另一方面將發(fā)動(dòng)機(jī)傳給驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)扭矩轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)力，并將輪子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為整機(jī)的水平移動(dòng)[3-4]。與輪式行走系比較，履帶式行走系具有支承面積大，滾動(dòng)阻力小、牽引附著性能好等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

履帶底盤是遙控風(fēng)力滅火機(jī)的行駛機(jī)構(gòu)，其性能直接影響遙控風(fēng)力滅火機(jī)在林間移動(dòng)的性能，所以在行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，需要合理的設(shè)計(jì)與之相關(guān)的參數(shù)。遙控風(fēng)力滅火機(jī)的行走機(jī)構(gòu)需要具備較強(qiáng)的爬坡越障能力，并且適合行駛于復(fù)雜的森林地形與路況環(huán)境。遙控風(fēng)力滅火機(jī)在行駛過(guò)程中，需同時(shí)承受自身的重力與工作時(shí)的外力作用，故行走機(jī)構(gòu)必須保證整機(jī)的穩(wěn)定性和安全性[5-8]。遙控風(fēng)力滅火機(jī)在進(jìn)行草原森林滅火時(shí)，路況復(fù)雜，履帶底盤占整機(jī)的比重大，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，同時(shí)要求其在火災(zāi)撲救過(guò)程中靈活移動(dòng)，因此，合理設(shè)計(jì)遙控風(fēng)力滅火機(jī)履帶底盤可提高工作效率。

行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)履帶式機(jī)械的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及要求，滿足以下4點(diǎn)要求：

(1)較強(qiáng)越障、爬坡能力(能爬35°陡坡)與較大驅(qū)動(dòng)力，保證遙控風(fēng)力滅火機(jī)在復(fù)雜林地與路況中平順地行駛。

(2)確保在有坡度的路面工作時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)打滑、溜坡及超速等現(xiàn)象。

(3)履帶與地面的接觸面積充足，保證遙控風(fēng)力滅火機(jī)在松散路況中穩(wěn)定行走。

(4)履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)在不滅火時(shí)可作為交通運(yùn)輸工具，底盤的外形尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)符合道路運(yùn)輸設(shè)計(jì)要求。

4 確定行走機(jī)構(gòu)的主要性能參數(shù)

4.1 行駛速度

履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)可由大型運(yùn)輸工具載運(yùn)或工作人員駕駛至森林火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)。在進(jìn)行撲救工作時(shí)，履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)在林區(qū)中行駛，并不是作恒定的等直線運(yùn)動(dòng)。由于行駛系中的履帶在驅(qū)動(dòng)輪的作用下作卷繞運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度并不是常數(shù)，所以常用平均速度來(lái)表示行駛速度，則：

(1)

式中：v為平均速度，m/s；ωk為驅(qū)動(dòng)輪角速度，s-1；lt為履帶鏈軌節(jié)距，m；nk為驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，r/min；Zk為驅(qū)動(dòng)輪有效嚙合齒數(shù)。

由于實(shí)際的行駛過(guò)程中，履帶與地面存在著一定的滑轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)際行駛速度由臺(tái)車架相對(duì)鏈軌的相對(duì)速度vT與履帶的滑轉(zhuǎn)速度vi進(jìn)行合成，則

v=vT-vi。

(2)

式中：v為實(shí)際行駛速度，m/s；vT為理論行駛速度，m/s；vi為履帶相對(duì)地面的滑轉(zhuǎn)速度，m/s。

針對(duì)履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)的工作特點(diǎn)并參考小型履帶式機(jī)械的行駛速度，選定最低檔和最高檔的理論行走速度：vTmin=1.5～2 km/h，vTmax=8.5～10.5 km/h。履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)設(shè)置2個(gè)工作檔、1個(gè)運(yùn)輸檔和1個(gè)倒檔，以便適應(yīng)不同的工況。履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)整機(jī)的凈重量為515 kg，選定最低檔理論速度為1.5 km/h，最高檔理論速度為10 km/h，倒檔理論速度為1.5 km/h。

4.2 爬坡能力

履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)的工作環(huán)境要求其行走系有較強(qiáng)的爬坡能力，即整機(jī)的靜穩(wěn)定性。參考小型履帶式機(jī)械的爬坡能力，初步選定爬坡角度α的區(qū)間為30°～35°，即58%～70%。初步確定爬坡角的范圍后，通過(guò)理論分析計(jì)算法確定爬坡角α的具體數(shù)值。行走系爬坡時(shí)遇到幾種阻力，即：

履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)自重在斜坡方向的分力

Wp=Gsinα。

(3)

式中：G為履帶式風(fēng)力滅火機(jī)自重，N；α為坡度角。

履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)的運(yùn)行阻力：

Wy=0.2Gcosα。

(4)

式中：0.2為運(yùn)行阻力系數(shù)。

則最大牽引力T應(yīng)不小于這些阻力之和，即：

T≥Wp+Wy。

(5)

此外還要確保履帶底盤在爬坡時(shí)不發(fā)生打滑，即：

φGcosα≥T。

(6)

式中：φ為履帶與地面的附著系數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 履帶與地面的附著系數(shù)

求解公式(5)和公式(6)即可求得最大的坡度角α=35°，表示履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)的最大爬坡能力。

4.3 通過(guò)能力(接地比壓)

行走底盤的通過(guò)能力將直接影響整機(jī)的承載能力與工作效率，它是指整機(jī)在不同路面上作業(yè)與行駛的能力，用接地比壓P衡量。若兩條履帶與土壤完全接觸，履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)的重心位于其機(jī)械中心，如圖3所示。

圖3 履帶對(duì)地面的壓力為均勻分布

則有：

(7)

或

(8)

式中：P為履帶平均接地比壓，Pa；m為履帶式風(fēng)力滅火機(jī)工作質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；b為履帶板寬度，m；L為履帶接地長(zhǎng)度，m；h0為履帶高度，m。

履帶的主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 履帶主要參數(shù)

求解公式(7)，得：

平均接地比壓P是履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)的一個(gè)重要指標(biāo)，因此在總體布置時(shí)盡可能 是整機(jī)的垂直載荷均勻、對(duì)稱地分布在履帶的接地區(qū)段，才能確保整機(jī)工作時(shí)具有良好的通過(guò)性與穩(wěn)定性。

4.4 最大牽引力

履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)底盤的牽引力要比各種外部阻力大，并且要比地面的附著力小。

假設(shè)履帶式風(fēng)力滅火機(jī)底盤爬坡時(shí)不進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，其最大牽引力即為其最大爬坡能力，不考慮轉(zhuǎn)彎的情況下計(jì)算，則整機(jī)最大牽引力T計(jì)算公式為：

T=Tf+Tt=fG+sinαG。

(9)

式中：Tf為滾動(dòng)阻力；Tt為坡道阻力；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，見(jiàn)表3；α為最大設(shè)計(jì)坡度角；G為整機(jī)所受重力。

表3 滾動(dòng)阻力系數(shù)f

根據(jù)履帶式行走機(jī)構(gòu)最大牽引力的經(jīng)驗(yàn)公式，最大牽引力也可以通過(guò)整機(jī)質(zhì)量的比例進(jìn)行計(jì)算，如公式：

T=(7.0～8.5)m。

(10)

式中：T為最大牽引力，N；m為整機(jī)質(zhì)量，kg。

針對(duì)履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)底盤要求的轉(zhuǎn)彎、爬坡的能力比較高，行走機(jī)構(gòu)的最大牽引力計(jì)算可根據(jù)如下公式：

T=5.7m+14454。

(11)

式中：T為最大牽引力，N；m為整機(jī)質(zhì)量，kg。

求解公式(11)，得最大牽引力：

T=5.7×515+14454=17.4kN。

5 行駛機(jī)構(gòu)的主要外形尺寸分析

5.1 履帶底盤的接地長(zhǎng)度和軌距

履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)底盤的接近角和離開角數(shù)值都不大，則軸距A(即導(dǎo)向輪與驅(qū)動(dòng)輪兩輪的輪距)近似等于接地長(zhǎng)度L。接地長(zhǎng)度L和軌距B是影響行走系性能的重要參數(shù)。合理選取L和B能使行走系的性能得到很大提高，其中包含轉(zhuǎn)彎能力的增加。

接地長(zhǎng)度L、軌距B與整機(jī)質(zhì)量m關(guān)系式為

L=0.2m+860。

(12)

B=0.112m+574。

(13)

式中：L為接地長(zhǎng)度，10-3m；B為軌距，10-3m；m為整機(jī)質(zhì)量，kg。

求解公式(12)和公式(13)，得接地長(zhǎng)度L=963 mm，軌距B=636 mm。

在復(fù)雜的路況行駛時(shí)，由于履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)重心不穩(wěn)定以及路面崎嶇不平，行駛機(jī)構(gòu)的接地比壓不是常數(shù)，行駛過(guò)程中將出現(xiàn)最大接地比壓Pmax，其公式為：

(14)

從公式(14)得出，L/B應(yīng)該較大，以防止Pmax值增大，避免降低行駛機(jī)構(gòu)的通過(guò)性。

行駛機(jī)構(gòu)在進(jìn)行原地轉(zhuǎn)彎時(shí)受到多個(gè)外部力，其中轉(zhuǎn)彎阻力Tz可以根據(jù)以下公式解得[9]：

(15)

式中：μ為履帶板與地面的摩擦系數(shù)。

從公式(15)得出，L/B應(yīng)該較小，以防止Tz值增大，避免降低行駛機(jī)構(gòu)原地轉(zhuǎn)彎的能力，因此應(yīng)恰當(dāng)?shù)倪x擇L/B的比值。

L/B比值初步確定后，可以使用理論分析計(jì)算法來(lái)選定[10]：

(16)

式中：α為履帶板修正系數(shù)，α=(b/500)1/3；b為履帶板寬度，10-3m；G為整機(jī)機(jī)重，N；T為行走最大牽引力，N。

S<2.1時(shí)，原地轉(zhuǎn)彎的性能良好；2.12.3時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。所以L/B的值應(yīng)滿足：

(17)

5.2 履帶底盤最小離地間隙

最小離地間隙h是履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)行駛機(jī)構(gòu)的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，它直接影響到整機(jī)的重心位置以及穩(wěn)定性，取h>0.13 m1/3，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可得最小離地間隙與整機(jī)質(zhì)量關(guān)系式

h=0.0162m+254。

(18)

式中：h為最小離地間隙，10-3m；m為整機(jī)質(zhì)量，kg。

求解公式(18)，得h=262 mm。

根據(jù)以上計(jì)算分析，可知履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)行走系的最大爬坡角α=35°，平均接地比壓

P=28.04×103Pa，最小離地間隙h=262 mm，說(shuō)明履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)行走機(jī)構(gòu)具有較強(qiáng)的通過(guò)性和爬坡能力，可確保整機(jī)在工作過(guò)程中安全和穩(wěn)定地移動(dòng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)最大的特點(diǎn)是采用了雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，并將雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)對(duì)稱安裝在小型履帶式行走系的兩側(cè)上方，運(yùn)用遠(yuǎn)程遙控技術(shù)對(duì)整機(jī)的移動(dòng)和風(fēng)管的擺動(dòng)進(jìn)行控制，在進(jìn)行火災(zāi)撲救時(shí)，操作者站在距離履帶式遙控風(fēng)力滅火機(jī)100 m外的安全位置，通過(guò)操縱獨(dú)立的遙控按鈕控制整機(jī)的行駛與風(fēng)管的左右、上下擺動(dòng)。相比傳統(tǒng)的純機(jī)械傳動(dòng)而言，電子控制技術(shù)與液壓傳動(dòng)技術(shù)的結(jié)合，可簡(jiǎn)化這個(gè)設(shè)備的復(fù)雜程度，降低整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，維修保養(yǎng)更加方便。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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