輕便型履帶式風力滅火機行走機構的設計及爬坡實驗驗證

馬 巖，楊春梅，張明松，孫 奇

(東北林業(yè)大學 林業(yè)與木工機械工程技術中心 哈爾濱 150040)

1 理論依據

目前，我國的履帶行走機構主要有兩種結構形式，分別為單車架式和雙(多)車架式結構。現有的履帶行走機構普遍體積大，且具有牽引力大、越野通過性強、適應性強等性能。但是，這些大型履帶行走機構多用于開闊地區(qū)滅火，不適應林間工作。

為了解決這一問題，我國的林間履帶行走機構開始趨于小型化發(fā)展，多選用“緊湊型”的焊接整體式車架的履帶行走機構，它具有整體尺寸小、設備重心低、質量輕、穩(wěn)定性好、作業(yè)機動靈活、剛性好等優(yōu)點，這種履帶行走機構在大中小型林場工作中都具有較大優(yōu)勢。本設計中的履帶行走機構，在滿足功率的情況下盡可能地縮小外形尺寸，并且放棄了傳統(tǒng)的“倒梯形”結構設計，采用三角式的輪系布置設計。在這一設計中，由于要盡量縮小機器體積，還要保證在運動時的平穩(wěn)性，所以，就要放棄原本的履帶設計方法，放棄原本的運動獨立性。在本設計中，所有運動輪之間都要保證具有相關性，以便在運動和靜止時都能具有較好的平穩(wěn)性。

2 建 模

履帶式風力滅火機工作環(huán)境為高溫狀態(tài)，所以履帶式行走機構應選用金屬材料的履帶。裝配有履帶行走機構的機械能夠憑借其較大的摩擦系數在泥濘的林間快速行駛，即使在冬季也能克服冰雪的阻礙正常行駛，為進一步增大行駛時的抓地能力，履帶板設計出鉤狀結構[1-4]。

2.1 主要參數的確定

2.1.1 行駛速度

目前，為了縮短林間履帶行走機構在林區(qū)內行駛的時間，提高林間履帶行走機構的實際效率，已將林間履帶行走機構的最大行走速度v提高到3～5 km/h，其低速一般為2.0～3.5 km/h。

履帶形式機構在林區(qū)內行駛的過程中需要能夠對行駛速度進行調解，故而將行進速度設成高、低兩個檔位，如此一來，就可以在奔赴火場的過程中采用高速檔，縮減時間提高效率，在其他時間根據路面情況采用相對合適的低速檔，減少工作人員的工作負擔。本設計底盤重量是190 kg，確定高速為3～5 km/h，低速為2～3 km/h。

2.1.2 爬坡能力

林間履帶行走機構一個顯著的特點就是爬坡能力強，一般小型挖掘機的爬坡度α通常取30°或35°，相應的爬坡能力是58%或70%[5-6]。

根據經驗法選定了爬坡角度，為了證明該角度在合理范圍內，根據爬坡理論對該角度進行驗證計算。履帶行走機構行駛在上坡過程中需要克服的阻力有：

(1)林間移動式機械自重在斜坡方向的分力。

WD=Gsinα。

(1)

式中：G為林間移動式機械自重，N；α為坡度角。

(2)行駛阻力。

Wv=0.12Gcosα。

(2)

式中：0.12為運行阻力系數。

則最大牽引力T應該大于等于這些阻力的和，即

T≥WD+Wv。

(3)

此外還要確保履帶行走機構爬坡時不發(fā)生打滑現象，即：

φGcosα≥T。

(4)

式中：φ為履帶與地面的附著系數，見表2。

表2 履帶與地面的附著系數

2.1.3 接地比壓

林間履帶行走機構的承載能力主要由其通過性及工作穩(wěn)定性決定[7-9]。如果履帶和土壤完全接觸，并且林間履帶行走機構的重心近似的位于支撐面重心，履帶對地面的壓力為均勻分布，如圖1所示。

則有：

(5)

或

(6)

式中：P為履帶平均接地比壓，Pa；m為林間履帶行走機構質量，kg；g為重力加速度，m/s2；L為履帶接地長度，m；b為履帶寬度，m；h0為履帶高度，m。

圖1 履帶對地面的壓力為均勻分布

表3 履帶主要參數

在計算平均接地比壓時，應該綜合實際外形尺寸和履帶形式機構的附著性能還有路面種類等情況[10]。

2.1.4 最大牽引力

履帶行走機構在林區(qū)內行駛時的牽引力應大于等于各個阻力之和，小于等于履帶相對于地面的附著力[11-14]。一般情況下，林間履帶式行走機構不同時進行爬坡與轉彎，本設計中的履帶行走機構行駛速度比較低，因此在行駛過程中受到的空氣阻力比較小，故忽略不計。在確定最大牽引力時僅考慮履帶式行走機構的最大設計爬坡能力，忽略轉彎阻力。計算履帶行走機構最大牽引力T的公式為：

T=Tf+Tt=fG+sinαG。

(7)

式中：Tf為滾動阻力，N；Tt為坡道阻力，N；f為滾動阻力系數，見表4；α為最大設計坡度角；G為為整機重量，kg。

表4 滾動阻力系數f

另外，根據目前計算履帶式機械的最大牽引力常用的經驗法，通常按整機質量的比例來選取，即

T=(7.0～8.5)m。

(8)

式中：T為整機最大牽引力，N；m為為整機質量，kg。

考慮到林間履帶行走機構需要有良好的轉彎、爬坡等性能，最大牽引力可根據最大牽引力與整機質量關系式解出：

T=5.7+14 454。

(9)

式中：T為整機最大牽引力，N；m為整機質量，kg。

由公式(9)得：

T=5.7m+14 454=5.7×190+14 454 kN。

2.2 主要零件的選擇

林間履帶行走機構的設計思想主要是通過設計經驗和使用要求來制定的，首先根據公式確定三輪一帶。

(1)履帶寬度b。履帶的接地長度l，軌距B和履帶寬度b之間應該合理匹配，是接地比壓，轉彎性能和附著性能等符合設計要求。通過分析本機的設計參數得出履帶的主要影響參數是整機重量。本機初定整機重量為190 kg。

假設A表示驅動輪和導向輪輪距，單位為m；b表示履帶的寬度，單位為m；M表示整機重量，單位為kg。則有經驗公式：

(10)

(11)

(12)

由公式(10)、公式(11)和公式(12)得：

(2)驅動輪節(jié)圓直徑Dq。

(13)

式中：z為驅動輪齒數，取8；t為履帶節(jié)距，取68 mm。

由公式(13)得：

(3)導向輪工作面直徑Dd。

Dd=(0.8～0.9)Dq。

(14)

由公式(14)得：

Dd(0.8～0.9)Dq=0.8×96=76.8mm。

(4)托鏈輪踏面直徑。

Dt<(1.5～1.7)t。

(15)

由公式(15)得：

Dt<(1.5～1.7)=1.5×68=102mm。

(5)支重輪踏面直徑。

Dz(1.5～1.7)t。

(16)

由公式(16)得：

Dz≤(1.5～1.7)t=1.6×68=108.8mm。

托鏈輪的數目過多容易造成不必要的摩擦損失，又由于本次設計履帶較短，所以每側托鏈輪為一個；分析接地比壓的均勻性和滾動阻力的大小，林間履帶式行走機構每側支重輪通常為2～3個，具體數量隨機器的重量改變而調整，本次設計每側采用2個支重輪。

3 仿真及分析

根據履帶式風力滅火機的運動仿真結果，對履帶式風力滅火機進行優(yōu)化設計，并且進行試制。為了對設計的履帶式風力滅火機樣機實驗的滅火性能進行驗證，看其能否達到設計要求，最終對履帶式風力滅火機的滅火性能進行實驗。

為了檢驗履帶式風力滅火機的滅火能力，虛擬了兩個森林火場場景，針對不同規(guī)模和不同燃燒物引發(fā)的火災，進行了滅火實驗。

通過在不同水平路面上以相同功率行駛，實驗得出樣機在土路和林間路面的行走速度。

實驗的具體步驟：選擇土路和林間路兩種實驗環(huán)境，行駛路程為200 m，測量出試制樣機在這些模擬路程上行駛時所需的時間，從而計算得出平坡行走速度。獲得的實驗數據見表5，本機在林間行駛的最大速度約達150 m/min。

為了測試本文設計的樣機在坡度不同的坡面上行駛的速度進行爬坡行走實驗，實驗選取坡度為15°、30°、45°的坡面測試，在測量樣機行走的距離及時間后，通過相應的公式計算得到不同坡度樣機行走的平均速度。實驗測量數據見表6，本機的爬坡角度可以達到30°以上。

表5 平坡行走實驗數據

表6 爬坡實驗數據

由試制樣機的行走速度和滅火效率表明，本文設計的履帶式風力滅火機在坡度小于15°的林間道路具有比較高的行進速度，行進速度隨著坡度的增大而減小。履帶式風力滅火機在滅火工作中的效率較高。

從試驗情況來看，履帶式風力滅火機順利地完成了針對不同規(guī)模和燃燒物引起火災的滅火工作。從滅火效果上，可以看出履帶式風力滅火機達到了設計要求。

4 結 論

本研究設計的履帶式風力滅火機的整機重190 kg，最大牽引力為15 537 kN，因其履帶不長，因此其行走機構采用每側一個鏈輪和兩支重輪的形式。通過對該樣機進行爬坡實驗后可知，該樣機在林間最大行駛速度約能達到150 m/min；在坡度為15°的路面上行駛時，其最大速度約可達到140 m/min；而在坡度為45°時，其最大速度約可達到70 m/min，由這些數據可以看出，該樣機速度較快，而且速度變化是隨著坡度的增加而減小。從整體效果來看，該樣機能達到減少現場作業(yè)的移動時間的要求，既提高滅火效率。

【參 考 文 獻】

[1]牛曉華，吳兆遷，臧敬艷.自走式苗木換床機底盤的設計[J].林業(yè)機械與木工設備，2006，34(8)：30-32.

[2]劉長生，趙 青，朱洪前.林用履帶機器人自動跟蹤預定行走路徑控制[J].制造業(yè)自動化，2009，31(8)：93-94.

[3]潘玉霞.地面移動機器人的建模與研究仿真[D].南京：南京理工大學，2007.

[4]鞏青松，董阿忠，陳靖芯，等.履帶式車輛關鍵機構分析與設計[J].農業(yè)裝備與車輛工程，2008(5)：10-14.

[5]Tian L，Yang X，Zhao J，et al.Structure and control system design of a wall climbing robot foroil can testing [ J].Robot，2004，26(5)：385 390.(in Chinese).

[6]Ji M，Sun Z，Wang J，et al.Robust back stepping control of tracked mobile robot [A].Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering.United States[C]，Newton，MA，2001，4573：235-243.

[7]彭光明.淺談森林火災的危害及預防措施[J].科技創(chuàng)新與應用，2012(9)：227-228.

[8]巴樹桓.森林防撲火概論[M].北京：中國林業(yè)出版社，2007.

[9]謝美堂.風力滅火機的撲火技術[J].廣西林業(yè)，1990，9(5)：32-33.

[10]姚樹人，韓煥金.安全撲救森林火災常識[M].北京：中國林業(yè)出版社，2009.

[11]王振東，趙大偉，魏 娜.風力滅火機優(yōu)化設計研究[J].林業(yè)機械與木工設備，2007，35(7)：45-47.

[12]李軍求，孫逢春，張承寧，等.用CAD技術進行汽車底盤總布置設計方法的研究[J].車輛與動力技術，2004，25(2)：30-45.

[13]戰(zhàn) 麗，經風明，楊春梅，等.履帶式風力滅火機機架的有限元分析[J].森林工程，2013，29(6)：77-79.

[14]楊春梅，吳 楠.BCH糾錯編碼技術在滅火機遙控系統(tǒng)中的應用[J].林業(yè)科技，2013，38(3)：41-44.