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绿篱修剪机旋转刀片安全措施设计探讨
2021.11.22

      绿篱修剪机是一种修剪绿篱和绿墙的机械,通过修剪控制灌木的高度和藤本植物的厚度,并进行造型,使绿篱和绿墙成为理想的景观。绿篱修剪机的应用跟它的旋转刀片安全措施设计有很大的关系,所以我们对这方面信息进行探讨:


     1、修剪刀片应用分析
     绿篱修剪机刀片市场上通用一般有3种,依次为链条锯片、圆盘锯片、飞刀。链条锯片一般用于树木砍伐,城市灌木修剪等电锯或油锯机械。由人工手持操作,修剪速度、修剪对象清晰可控,安全系数较高,城市绿篱修剪工作中,更为通用。圆盘锯片使用范围更适合木材加工厂,用于分解木材。由于切割物料一般固定,受力方向明确,一般不会崩裂。
      以上两种锯片用在公路行业,作业效率明显不足,飞刀式结构修剪速度快、效率高、使用成本低,修剪直径可大于50mm。尽管修剪精度不高,不能满足景观、市政精细化修剪作业要求,但已足够满足公路行业修剪需求。
     飞刀式修剪机更大的缺点是作业安全隐患较大,绿篱修剪过程中,其工况非常差,尤其是修剪边坡,边坡内存在大量大件垃圾、包括道路、排水沟等修建过程中会有水泥块、石头、遗弃的废旧轮胎、衣物等各种大件垃圾。在使用过程中,高速旋转的飞刀,有一定概率被折断,使得施工人员及附近的行车人员非常易受到重伤、甚至致死。使人闻之色变。下图为飞刀式绿篱修剪机作业图。
      2、飞刀作业安全隐患分析
     飞刀结构安全使用,成为绿篱修剪机一个关重点。为了解决此问题,从以下几个方面做出详细设计及验证:
      2.1飞刀材料选型及设计:为了提高作业效率及飞刀使用寿命,传统用于制作刀片的钢材料不再适合此设备的复杂工况。经反复对比,选择一款进口HSS高速钢用作飞刀制造材质,充分保证刀片强度、耐磨与韧性三特性的平衡。为了提高刀片使用寿命及使用安全性,每一块刀片精加工后均做高转速动平衡。此外刀刃的设计厚度也是关重点,我公司经过反复设计、仿真、实验验证,已确认一个较优的刀片切削厚度。
刀片是易损件,一般好的刀片使用寿命超过6个月,较差刀片寿命甚至不足3个月,刀片使用寿命和材质以及刀刃厚度有非常大关系。
       2.2刀片固定方式:刀片的固定方式也成为一个关键点,固定结构需要简单、易拆卸且牢固,冲击载荷下不易松动。刀片在作业过程中,反复收到不同载荷的冲击,普通的固定方式非常易松动,留有安全作业隐患。
       2.3刀片飞溅控制:绿篱修剪机作业过程中,视觉被杂草遮挡,不可避免碰到石块、混凝土等坚硬物体,刀片有折断风险。
依据以下参数,假设刀片从中心断裂,简化计算得出
    m取值范围(0,0.6625),r取值范围(0,0.325)
    刀片长度L=650mm
    刀片转速r=3000rpm
    刀片质量m=1.325kg
    依据以上计算结果,在如此大的向心力及速度影响下,断裂刀片飞出破坏力惊人。如何降低刀片的飞溅速度及飞行距离,非常为重要。
    3、提高飞刀作业安全的重要措施及对比试验
    依据以上分析,做出相关结构设计,其他结构不再细述,重点介绍在控制刀片飞溅上设计工作,仅供参考。设计的结构如下图:
    压盘作用:降低刀片飞出时上升的高度,可有效降低刀片的飞行距离。
    挡刷毛作用:给飞出刀片非常大的阻力,同样可降低刀片的飞行距离。
    3.1 试验验证
    依据以上分析结果,并做相关实验验证,由于试验具有非常大危险性,只完成2次试验,试验具体场景如下,由于试验次数非常少,不具备指导意义,仅作参考。
    试验条件:
    a. 刀片参数如上计算所述。
    b. 刀片水平离地间隙200mm。
    c. 设备安装在车上,1档前进速度约1.4m/s前进。
    d. 目测刀片1/6的长度碰撞水泥墩。
    e. 刀片更外侧离车辆中心线5m
    f. 俯视,刀片旋向顺时针
    g. 实验时只安装更外侧一块刀片。
    3.2 实验1:刀架不含压盘及挡刷毛
    试验结果:
    a. 刀片断开部分只有1片,未碎裂,切口较整齐。
    b. 断裂刀片飞出方向位于行进方向碰撞点左后方,与前进方向夹角约18°。
    c. 飞行距离约4.2m,超出车辆后方。
    d. 飞行高度约300mm,略高于离地高度。
    e. 压盘有变形,变形量较大深度约3mm,长8.1mm。
    3.3 实验2:刀架安装压盘及挡刷毛,挡刷毛离刀片中心距离0.96m。
    a. 刀片断开部分只有1片,未碎裂,切口较整齐。
    b. 断裂刀片飞出方向位于行进方向碰撞点左后方,与前进方向夹角约10°。
    c. 飞行距离约1.4m。
    d. 部分挡刷毛断裂。
    e. 飞行高度约150mm,略低于离地高度。
    f. 压盘有变形,变形量更大深度2.6mm,长度7.2mm。

    4、小结
    依据以上分析,为了提高飞刀结构绿篱修剪机作业安全,降低刀片断裂造成的安全隐患,有以下几点建议:
    4.1 飞刀材料选择至关重要,断裂刀片不能碎,可有效降低安全隐患。
    4.2 安装结构务必优先考虑防松,次考虑更换便捷性。
    4.3 设计压盘及阻挡结构,可大幅降低刀片飞行距离,提高作业安全。
    4.3 绿篱修剪机在修剪中分带高枝时,务必注意标识牌等障碍物,离地高度增加,刀片飞行距离必定会大幅增加,事故发生概率也就大幅增加。
    5、结束语
    总之,作业过程中,安全更重要,不仅需要设计的产品安全系数高,而且操作手也务必提高注意力,操作前检查刀片是否松动,操作过程中精神集中,提前发现障碍物,避免刀片断裂。依据新闻报道,公路养护行业,绿篱修剪机作业过程中,已发生多起刀片崩裂致人死亡案例。提高绿篱修剪作业安全,是每一个生产厂家及使用者的责任与义务。

数据提供:天助网    
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