当发生森林火灾时,为防止火灾扩大蔓延和方便灭火救援,在森林之间、森林与村庄、学校、工厂等之间设置防火隔离带,这时就需要有专门的机具来进行耕翻作业。本课题是基于多功能森林消防车不仅能提供各种高效的灭火功能,而且可以开辟森林防火带的设计思想,研究开发与多功能消防车配套的、能够在火情紧急时快速开辟森林防火线的森林防火开沟器。通过查阅国内外研究,设计出两款开沟器样机,分别为缺口圆盘耙开沟器和铧式犁开沟器,其中刀片部分初步是借鉴农业设计经验。对两款开沟器刀片进行静力学分析和开沟试验后,得到两款刀片满足一定强度与刚度,满足作业要求,随后对两款开沟器进行开沟试验比较,最终选择铧式犁开沟器作为森林消防用开设防火线的开沟器。铧式犁开沟器采用三个铧式犁组成开沟器刀片组,单个铧式犁设计耕深200mm,设计耕宽250mm,对铧式犁进行了基于Pro/Engineer的曲面设计;设计了上、中、下三个悬架,其中上悬架与消防车固接,起到支撑作用,同时还在中间悬架与下悬架之间设计了两个弹簧,目的是当刀片部分遇上坚固物体时,可以实现回弹的作用;设计了液压缸及液压回路。对铧式犁开沟器的刀片进行优化,设计出一款适用于林地防火要求的防火犁,据防火犁的作业要求对犁铧、犁胸、犁翼的曲面进行合理的选择,分别为二次锥面、单叶双曲面、斜螺旋面。该防火犁具有良好的防火性能,对其翻垄理论进行了分析,包括起土过程中的力的由来、受力分析和翻垄原理,防火犁的耕翻过程应该是对宽深比要求不高的窜垄。利用ANSYS软件对防火犁进行了切削土壤动力学仿真分析。对土壤的特性进行了分析,包括土壤的组成、土壤的本构理论和MAT147(MAT_FHWA_SOIL)土壤模型;动力学仿真分析得到了防火犁切入土壤的效果图、土壤三向应力云图及切削过程中的土壤反力等结果。当刀片完全进入土壤时,土壤的等效应力最大为5.36N,主要集中在刀片上部。从刀片开始入土到完全入土,土壤平均反力为3.04kN。刀片完全入土后土壤平均反力为7.89kN。开沟器整机所消耗的平均功率为23.67kW。对铧式犁开沟器进行了牵引阻力、开沟稳定性、杂草覆盖率的试验研究。牵引阻力试验结果显示单个防火犁的牵引阻力为6.9kN,与动力学仿真结果基本符合;开沟稳定性试验结果显示单个防火犁耕深稳定性在95%左右,耕宽稳定性在94%左右,且耕深、耕宽的平均值均达到了设计要求;杂草覆盖率试验结果显示覆盖率基本维持在98%以上,满足设计要求。