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綠籬修剪機旋轉刀片安全措施設計探討
2021.11.22

      綠籬修剪機是一種修剪綠籬和綠墻的機械,通過修剪控制灌木的高度和藤本植物的厚度,并進行造型,使綠籬和綠墻成為理想的景觀。綠籬修剪機的應用跟它的旋轉刀片安全措施設計有很大的關系,所以我們對這方面信息進行探討:


     1、修剪刀片應用分析
     綠籬修剪機刀片市場上通用一般有3種,依次為鏈條鋸片、圓盤鋸片、飛刀。鏈條鋸片一般用于樹木砍伐,城市灌木修剪等電鋸或油鋸機械。由人工手持操作,修剪速度、修剪對象清晰可控,安全系數較高,城市綠籬修剪工作中,更為通用。圓盤鋸片使用范圍更適合木材加工廠,用于分解木材。由于切割物料一般固定,受力方向明確,一般不會崩裂。
      以上兩種鋸片用在公路行業,作業效率明顯不足,飛刀式結構修剪速度快、效率高、使用成本低,修剪直徑可大于50mm。盡管修剪精度不高,不能滿足景觀、市政精細化修剪作業要求,但已足夠滿足公路行業修剪需求。
     飛刀式修剪機更大的缺點是作業安全隱患較大,綠籬修剪過程中,其工況非常差,尤其是修剪邊坡,邊坡內存在大量大件垃圾、包括道路、排水溝等修建過程中會有水泥塊、石頭、遺棄的廢舊輪胎、衣物等各種大件垃圾。在使用過程中,高速旋轉的飛刀,有一定概率被折斷,使得施工人員及附近的行車人員非常易受到重傷、甚至致死。使人聞之色變。下圖為飛刀式綠籬修剪機作業圖。
      2、飛刀作業安全隱患分析
     飛刀結構安全使用,成為綠籬修剪機一個關重點。為了解決此問題,從以下幾個方面做出詳細設計及驗證:
      2.1飛刀材料選型及設計:為了提高作業效率及飛刀使用壽命,傳統用于制作刀片的鋼材料不再適合此設備的復雜工況。經反復對比,選擇一款進口HSS高速鋼用作飛刀制造材質,充分保證刀片強度、耐磨與韌性三特性的平衡。為了提高刀片使用壽命及使用安全性,每一塊刀片精加工后均做高轉速動平衡。此外刀刃的設計厚度也是關重點,我公司經過反復設計、仿真、實驗驗證,已確認一個較優的刀片切削厚度。
刀片是易損件,一般好的刀片使用壽命超過6個月,較差刀片壽命甚至不足3個月,刀片使用壽命和材質以及刀刃厚度有非常大關系。
       2.2刀片固定方式:刀片的固定方式也成為一個關鍵點,固定結構需要簡單、易拆卸且牢固,沖擊載荷下不易松動。刀片在作業過程中,反復收到不同載荷的沖擊,普通的固定方式非常易松動,留有安全作業隱患。
       2.3刀片飛濺控制:綠籬修剪機作業過程中,視覺被雜草遮擋,不可避免碰到石塊、混凝土等堅硬物體,刀片有折斷風險。
依據以下參數,假設刀片從中心斷裂,簡化計算得出
    m取值范圍(0,0.6625),r取值范圍(0,0.325)
    刀片長度L=650mm
    刀片轉速r=3000rpm
    刀片質量m=1.325kg
    依據以上計算結果,在如此大的向心力及速度影響下,斷裂刀片飛出破壞力驚人。如何降低刀片的飛濺速度及飛行距離,非常為重要。
    3、提高飛刀作業安全的重要措施及對比試驗
    依據以上分析,做出相關結構設計,其他結構不再細述,重點介紹在控制刀片飛濺上設計工作,僅供參考。設計的結構如下圖:
    壓盤作用:降低刀片飛出時上升的高度,可有效降低刀片的飛行距離。
    擋刷毛作用:給飛出刀片非常大的阻力,同樣可降低刀片的飛行距離。
    3.1 試驗驗證
    依據以上分析結果,并做相關實驗驗證,由于試驗具有非常大危險性,只完成2次試驗,試驗具體場景如下,由于試驗次數非常少,不具備指導意義,僅作參考。
    試驗條件:
    a. 刀片參數如上計算所述。
    b. 刀片水平離地間隙200mm。
    c. 設備安裝在車上,1檔前進速度約1.4m/s前進。
    d. 目測刀片1/6的長度碰撞水泥墩。
    e. 刀片更外側離車輛中心線5m
    f. 俯視,刀片旋向順時針
    g. 實驗時只安裝更外側一塊刀片。
    3.2 實驗1:刀架不含壓盤及擋刷毛
    試驗結果:
    a. 刀片斷開部分只有1片,未碎裂,切口較整齊。
    b. 斷裂刀片飛出方向位于行進方向碰撞點左后方,與前進方向夾角約18°。
    c. 飛行距離約4.2m,超出車輛后方。
    d. 飛行高度約300mm,略高于離地高度。
    e. 壓盤有變形,變形量較大深度約3mm,長8.1mm。
    3.3 實驗2:刀架安裝壓盤及擋刷毛,擋刷毛離刀片中心距離0.96m。
    a. 刀片斷開部分只有1片,未碎裂,切口較整齊。
    b. 斷裂刀片飛出方向位于行進方向碰撞點左后方,與前進方向夾角約10°。
    c. 飛行距離約1.4m。
    d. 部分擋刷毛斷裂。
    e. 飛行高度約150mm,略低于離地高度。
    f. 壓盤有變形,變形量更大深度2.6mm,長度7.2mm。

    4、小結
    依據以上分析,為了提高飛刀結構綠籬修剪機作業安全,降低刀片斷裂造成的安全隱患,有以下幾點建議:
    4.1 飛刀材料選擇至關重要,斷裂刀片不能碎,可有效降低安全隱患。
    4.2 安裝結構務必優先考慮防松,次考慮更換便捷性。
    4.3 設計壓盤及阻擋結構,可大幅降低刀片飛行距離,提高作業安全。
    4.3 綠籬修剪機在修剪中分帶高枝時,務必注意標識牌等障礙物,離地高度增加,刀片飛行距離必定會大幅增加,事故發生概率也就大幅增加。
    5、結束語
    總之,作業過程中,安全更重要,不僅需要設計的產品安全系數高,而且操作手也務必提高注意力,操作前檢查刀片是否松動,操作過程中精神集中,提前發現障礙物,避免刀片斷裂。依據新聞報道,公路養護行業,綠籬修剪機作業過程中,已發生多起刀片崩裂致人死亡案例。提高綠籬修剪作業安全,是每一個生產廠家及使用者的責任與義務。

數據提供:天助網    
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