履帶式遙控風力滅火機的設計與研究

楊春梅，楊 博，馬 巖，經鳳明，孫 奇，孟德宇，潘云峰，申景博

(東北林業大學 林業與木工機械工程技術中心，哈爾濱 150040)

1 履帶式遙控風力滅火機的工作原理

履帶式遙控風力滅火機是將履帶式工程機械與無線遙控技術、電子控制技術與液壓相結合的產物。其基本構成包括遙控發射裝置、遙控接收裝置(安裝在履帶式遙控風力滅火機上)和整機機械系統[1-2，7]。遙控器將指令發送給安裝在履帶式遙控風力滅火機上的接收裝置，經調解、譯碼和驅動后，傳給輸出電路，安裝在整機上的電—液(機械)轉換元件，在電路系統的作用下分別驅動相應的傳動機構與執行元件，最終完成相應功能部件的預定動作，如發動機的點火、熄火和油門控制，風管擺動控制，制動、轉向和檔位控制等，如圖1所示為遙控履帶式風力滅火機工作的原理圖。

2 履帶式遙控風力滅火機總布局的確定

根據履帶式遙控風力滅火機總體布局的基本要求和工作原理，可確定滅火機的總體布局，如圖2所示為本設計的三維總裝配圖。本設計采用左右對稱布置的雙風機系統，主要工作過程為發動機輸出轉矩，一部分傳遞給主軸，主軸帶動風機旋轉；同時，另一部分傳遞給底盤驅動輪，驅動輪驅動底盤行駛。操作人員根據火勢發展實時遙控風管擺動進行滅火并遙控底盤的移動和轉彎。初步確定履帶式遙控風力滅火機由動力分配系統，履帶底盤系統，風機系統和電—液系統等組成。

履帶式遙控風力滅火機的底盤與風機的驅動力來自于柴油機，柴油機啟動后，經過動力分配系統后，分別傳遞給底盤系統和風機系統，風機旋轉在風機蝸殼內形成高速高壓氣流，經風管甩出進行滅火，整機的移動與風管的擺動由遙控裝置分別控制。

圖1 遙控履帶式風力滅火機工作原理圖

圖2 履帶式遙控風力滅火機三維模型

3 履帶式遙控風力滅火機行走機構設計

3.1 行走機構的構造

遙控風力滅火機的行走機構，即履帶底盤，主要由履帶、驅動輪、托帶輪、支重輪、履帶張緊裝置、導向輪和機架等組成。行走系的作用是：一方面支撐整機的全部重量；另一方面將發動機傳給驅動輪的驅動扭矩轉化為驅動力，并將輪子的旋轉運動轉化為整機的水平移動[3-4]。與輪式行走系比較，履帶式行走系具有支承面積大，滾動阻力小、牽引附著性能好等優點。

3.2 行走機構的設計要求

履帶底盤是遙控風力滅火機的行駛機構，其性能直接影響遙控風力滅火機在林間移動的性能，所以在行走機構的設計中，需要合理的設計與之相關的參數。遙控風力滅火機的行走機構需要具備較強的爬坡越障能力，并且適合行駛于復雜的森林地形與路況環境。遙控風力滅火機在行駛過程中，需同時承受自身的重力與工作時的外力作用，故行走機構必須保證整機的穩定性和安全性[5-8]。遙控風力滅火機在進行草原森林滅火時，路況復雜，履帶底盤占整機的比重大，結構比較復雜，同時要求其在火災撲救過程中靈活移動，因此，合理設計遙控風力滅火機履帶底盤可提高工作效率。

行走機構的設計應根據履帶式機械的設計準則及要求，滿足以下4點要求：

(1)較強越障、爬坡能力(能爬35°陡坡)與較大驅動力，保證遙控風力滅火機在復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，不會出現打滑、溜坡及超速等現象。

(3)履帶與地面的接觸面積充足，保證遙控風力滅火機在松散路況中穩定行走。

(4)履帶式遙控風力滅火機在不滅火時可作為交通運輸工具，底盤的外形尺寸設計應符合道路運輸設計要求。

4 確定行走機構的主要性能參數

4.1 行駛速度

履帶式遙控風力滅火機可由大型運輸工具載運或工作人員駕駛至森林火災現場。在進行撲救工作時，履帶式遙控風力滅火機在林區中行駛，并不是作恒定的等直線運動。由于行駛系中的履帶在驅動輪的作用下作卷繞運動，運動速度并不是常數，所以常用平均速度來表示行駛速度，則：

(1)

式中：v為平均速度，m/s；ωk為驅動輪角速度，s-1；lt為履帶鏈軌節距，m；nk為驅動輪轉速，r/min；Zk為驅動輪有效嚙合齒數。

由于實際的行駛過程中，履帶與地面存在著一定的滑轉運動，實際行駛速度由臺車架相對鏈軌的相對速度vT與履帶的滑轉速度vi進行合成，則

v=vT-vi。

(2)

式中：v為實際行駛速度，m/s；vT為理論行駛速度，m/s；vi為履帶相對地面的滑轉速度，m/s。

針對履帶式遙控風力滅火機的工作特點并參考小型履帶式機械的行駛速度，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。履帶式遙控風力滅火機設置2個工作檔、1個運輸檔和1個倒檔，以便適應不同的工況。履帶式遙控風力滅火機整機的凈重量為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

履帶式遙控風力滅火機的工作環境要求其行走系有較強的爬坡能力，即整機的靜穩定性。參考小型履帶式機械的爬坡能力，初步選定爬坡角度α的區間為30°～35°，即58%～70%。初步確定爬坡角的范圍后，通過理論分析計算法確定爬坡角α的具體數值。行走系爬坡時遇到幾種阻力，即：

履帶式遙控風力滅火機自重在斜坡方向的分力

Wp=Gsinα。

(3)

式中：G為履帶式風力滅火機自重，N；α為坡度角。

履帶式遙控風力滅火機的運行阻力：

Wy=0.2Gcosα。

(4)

式中：0.2為運行阻力系數。

則最大牽引力T應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不發生打滑，即：

φGcosα≥T。

(6)

式中：φ為履帶與地面的附著系數，見表1。

表1 履帶與地面的附著系數

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

4.3 通過能力(接地比壓)

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

圖3 履帶對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為履帶式風力滅火機工作質量，kg；g為重力加速度，m/s2；b為履帶板寬度，m；L為履帶接地長度，m；h0為履帶高度，m。

履帶的主要參數見表2。

表2 履帶主要參數

求解公式(7)，得：

平均接地比壓P是履帶式遙控風力滅火機的一個重要指標，因此在總體布置時盡可能 是整機的垂直載荷均勻、對稱地分布在履帶的接地區段，才能確保整機工作時具有良好的通過性與穩定性。

4.4 最大牽引力

履帶式遙控風力滅火機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。

假設履帶式風力滅火機底盤爬坡時不進行轉彎，其最大牽引力即為其最大爬坡能力，不考慮轉彎的情況下計算，則整機最大牽引力T計算公式為：

T=Tf+Tt=fG+sinαG。

(9)

式中：Tf為滾動阻力；Tt為坡道阻力；f為滾動阻力系數，見表3；α為最大設計坡度角；G為整機所受重力。

表3 滾動阻力系數f

根據履帶式行走機構最大牽引力的經驗公式，最大牽引力也可以通過整機質量的比例進行計算，如公式：

T=(7.0～8.5)m。

(10)

式中：T為最大牽引力，N；m為整機質量，kg。

針對履帶式遙控風力滅火機底盤要求的轉彎、爬坡的能力比較高，行走機構的最大牽引力計算可根據如下公式：

T=5.7m+14454。

(11)

式中：T為最大牽引力，N；m為整機質量，kg。

求解公式(11)，得最大牽引力：

T=5.7×515+14454=17.4kN。

5 行駛機構的主要外形尺寸分析

5.1 履帶底盤的接地長度和軌距

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

接地長度L、軌距B與整機質量m關系式為

L=0.2m+860。

(12)

B=0.112m+574。

(13)

式中：L為接地長度，10-3m；B為軌距，10-3m；m為整機質量，kg。

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

在復雜的路況行駛時，由于履帶式遙控風力滅火機重心不穩定以及路面崎嶇不平，行駛機構的接地比壓不是常數，行駛過程中將出現最大接地比壓Pmax，其公式為：

(14)

從公式(14)得出，L/B應該較大，以防止Pmax值增大，避免降低行駛機構的通過性。

行駛機構在進行原地轉彎時受到多個外部力，其中轉彎阻力Tz可以根據以下公式解得[9]：

(15)

式中：μ為履帶板與地面的摩擦系數。

從公式(15)得出，L/B應該較小，以防止Tz值增大，避免降低行駛機構原地轉彎的能力，因此應恰當的選擇L/B的比值。

L/B比值初步確定后，可以使用理論分析計算法來選定[10]：

(16)

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

S<2.1時，原地轉彎的性能良好；2.12.3時，不能實現原地轉彎。所以L/B的值應滿足：

(17)

5.2 履帶底盤最小離地間隙

最小離地間隙h是履帶式遙控風力滅火機行駛機構的重要設計參數，它直接影響到整機的重心位置以及穩定性，取h>0.13 m1/3，根據經驗可得最小離地間隙與整機質量關系式

h=0.0162m+254。

(18)

式中：h為最小離地間隙，10-3m；m為整機質量，kg。

求解公式(18)，得h=262 mm。

根據以上計算分析，可知履帶式遙控風力滅火機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，說明履帶式遙控風力滅火機行走機構具有較強的通過性和爬坡能力，可確保整機在工作過程中安全和穩定地移動。

6 結束語

本設計最大的特點是采用了雙風機系統，并將雙風機系統對稱安裝在小型履帶式行走系的兩側上方，運用遠程遙控技術對整機的移動和風管的擺動進行控制，在進行火災撲救時，操作者站在距離履帶式遙控風力滅火機100 m外的安全位置，通過操縱獨立的遙控按鈕控制整機的行駛與風管的左右、上下擺動。相比傳統的純機械傳動而言，電子控制技術與液壓傳動技術的結合，可簡化這個設備的復雜程度，降低整個產品的生產成本，維修保養更加方便。

【參 考 文 獻】

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