一种小型机动除冰装置的设计【2013年最新整理毕业论文】

编号（学号）： 13464045 毕业论文 （ 2013 届本科） 题目： 一种小型机动除冰装置的设计 学院： 工 程 学 院 专业： 交 通 运 输 姓名： 唐 盛 洋 指导教师： 何 凤 宇 副教授 完成日期： 2013 年 06 月 05 日 毕业论文 (设计 )任务书 论文 (设计 ) 题目 一种小型机动除冰装置的设计 下发任务日期 2012.10.20 学生姓名 唐盛洋 指 导教师 何凤宇副教授 一 . 论文（设计）主要内容 本论文主要包括以下几个方面： 1.国内外除冰机械发展现状研究； 2.压实冰雪的物理力学性质； 3.除冰装置的整体结构设计； 4.除冰装置主要部件铲冰刀、碎冰刀和刮冰铲的设计； 5.除冰装置的主要参数的确定及计算。 二 .论文（设计）的基本要求 1.有关资料的收集： 要求尽量收集第一手资料，资料要真实、可靠、有代表性。 2.资料的整理与分析： 要求条理清晰，数据分析详尽。 3.查阅相关文献，撰写 3000 字以上的文献综述： 要求贴近主题，有参考价值。 4.认真撰写论文，字数在 10000 字以上。 三 .论文（设计）工作进度安排 阶段 论文（设计）各阶段名称 日期 1 收集资料调查研究 2012.12 2013.01 2 撰写文献综述和外文翻译 2013.02 2013.03 3 撰写开题报告和并开题 2013.03 2013.04 4 撰写论文初稿 2013.04 2013.05 5 修改并提交论文 2013.06.01 2013.06.05 6 制作 ppt 准备答辩 2013.06.06 2013.06.08 备注： 6 月 9 日答辩 四 .应收集的资料及主要参考文献（指导教师指定） 1汤筠筠 ,杨涛 .2008 年冬季低温雨雪冰冻灾害对公路交通影响分析 C.中国科学技术协会2008 防灾减灾论坛 ,2008. 2SANZO D,HECNAR S J.Effects of road deicing salt (NaCl) on larval woodfrogsJ.Environmental-Pollution,2006,140(2):247-256. 3BENJAMIN T GREEN,KEROP D JANOYAN.Use of Electrically Conductive Concrete Overlays for Passive Control of Snow and Ice on RoadC.International Conference on Energy,Enviroment and Disasters,Charlotte,NC,USA,July， 2005:795-801. 4张伟 .多功能路面除冰装置侧雪铲研究 D.长春 :吉林大学 ,2006. 5邓洪超 ,马文星 ,荆宝德 .道路冰雪清除技术及发展趋势 J.工 程机械， 2005(12):41-44. 6王杰夫 .振动清除冰雪机理及振动碾压磙优化研究 D.长春 :吉林大学 ,2011. 7李文峰 .多功能清雪车碾压磙工作机理及参数优化研究 D.长春 :吉林大学， 2009. 说明：此任务由指导教师填写一式两份，一份发给学生，一份发给指导教师留存。 沈阳农业大学毕业论文（设计）选题审批表 选题名称 一种小型机动除冰装置的设计 题目来源 自拟 学号 13464045 姓名 唐盛洋 专业 交通运输 指导教师 何凤 宇 职称 副教授 研究 内容 1.国内外破冰除雪机械的研究现状、研究方法及其阶段性成果； 2.小型机动除冰装置的结构和工作过程； 3.小型机动除冰装置各部件工作原理；确定各机构的设计尺寸；对零部件进行设计与说明； 4.绘制装配图与零件图。 研究 计划 (1) 收集资料调查研究 2012.12-2013.01 (2) 撰写文献综述与外文翻译 2013.02-2013.03 (3) 撰写开题报告并开题 2013.03-2013.04 (4) 撰写论文初稿 2013.04-2013.05 (5) 修改并提交论 文 2013.06.01-2011.06.05 (6) 制作 PPT 准备答辩 2013.06.06-2011.06.08 特色 (1)铲冰刀模拟人工用铁锹除冰的原理，能够真正的除掉厚冰，效率很高。 (2)碎冰刀模拟植树挖坑机挖坑的原理，在除冰过程中通过手动控制碎冰刀盘的上下进给，能适应不同厚度的冰面，除冰效果明显。 (3)铲冰刀在除冰过程中通过减振弹簧缓和冲击，能够最大限度地减少对路面的损害并保护铲冰刀。 指 导 教 师 意 见 教 研 室 意 见 学 院 意 见 毕业论文（设计）指导记录 学生姓名 唐盛洋 专业 交通运输 指导教师姓名 何凤宇 职称 副教授 本年度指导毕业生人数 8 论文（设计）题目 一种小型机动除冰装置的设计 时间 地点 指导内容 2012.12.20 2012.12.31 2013.01.10 2013.02.15 2013.02.26 2013.03.05 2013.03.20 2013.03.27 2013.04.01 2013.04.05 2013.04.13 2013.04.24 2013.05.08 2013.05.16 2013.05.23 2013.05.27 2013.05.30 2013.06.03 2013.06.05 2013.06.08 运输工程教研室 运输工程教研室 运输工程教研室 电话、 E-mail 电话 电话 运输工程教研室 运输工程教研室 E-mail 电话 运输工程教研室 运输工程教研室 E-mail 运输工程教研室 E-mail E-mail/QQ E-mail/QQ 运输工程教研室 E-mail 运输工程教研室 第一次召集学生见面，商议设计题目 按照学生兴趣，指定毕业设计题目 指导学生收集相关书 籍和文献资料 询问资料查找和收集情况 指导假期参观实习事宜 询问参观实习情况 学生寒假开心返校后碰面，询问和检查资 料收集情况及假期参观实习情况 指导学生构思起草论文大纲 指导论文写作目录框架 知道学生开始撰写正文 检查指导开题报告 指导撰写文献综述和外文翻译 检查文献综述和外文翻译完成情况 按照学校要求进行毕业设计中期检查 检查阶段内容完成情况，并指导修改完善 检查总体完成情况，做最后的修改 检查论文终稿 论文最后检查与评阅 指导制作答辩 PPT 课件 检查答辩 PPT 电子课件准备情况 学生签字： 年 月 日 指导教师签字： 年 月 日 教研室主任签字： 年 月 日 沈阳农业大学毕业论文（设计）考核表 论文题目：一种小型机动除冰装置的设计 姓名： 唐盛洋 学号： 13464045 专业： 交通运输 指导教师评语： 唐盛洋同学的毕业设计“一种小型机动除冰装置的设计”选题合理，且具有一定研究意义。 唐盛洋同学在查阅大量相关文献资料基础之上，结合所学专业知识，对破冰除雪原因进行了全面深入分析，在借鉴一些相关装置的结构和工作原理的基础上，完成了小型机动除冰装置的设 计。该装置结构简单、工作可靠、便于安装，有很高的的实用价值。 该同学在毕业设计期间表现积极，能够按照指导教师要求完成定期设计工作。所撰写的设计说明书结构严谨，条理清晰，语言通顺，设计方案正确，计算准确，格式规范，能够严格执行学校本科生毕业论文写作的有关规定，并表现出较高的电脑使用和文本编辑水平。论文达到了交通运输专业学士学位论文要求的学术水平，同意其进行答辩。 指导教师（签字）： 年 月 日 评阅人评审意见： 唐盛洋同学在查阅大量相关文献资料基础上，结合所学专业知识，完成了对该小型机动除冰装置 的整体方案设计，设计成果具有一定实用价值。 论文结构清楚、语言文字流畅、图表规范，设计方案合理可行，计算分析正确，论文达到了交通运输专业学士学位论文要求的学术水平。 评阅人（签字）： 年 月 日 注：答辩委员会意见除填写简要评语、给出成绩外，还要提出是否授予学位的建议答辩委员会意见： 唐盛洋同学的毕业设计“一种小型机动除冰装置的设计”选题合理，且具有一定研究意义。 唐盛洋同学在查阅大量相关文献资料基础上，结合所学专业知识，完成了对该小型机动除冰装置的整体方案设计。通过对小型机动除冰装置的主要除冰机构铲冰刀、碎冰刀和刮冰铲的设计作详细的阐 述以及对该装置主要参数的确定及计算，清楚地理解了该除冰装置的整体结构和工作原理。详细阐述了其主要除冰装置铲冰刀、碎冰刀和刮冰铲的的除冰结构和工作原理，铲冰刀模拟人工用铁锹除冰的原理，能够真正的除掉厚冰，效率很高，碎冰刀模拟植树挖坑机挖坑的原理，在除冰过程中通过手动控制碎冰刀盘的上下进给，能适应不同厚度的冰面，除冰效果明显。 论文理论联系实际，设计合理，写作规范，能够严格执行学校本科生毕业论文写作的有关规定，并表现出较高的电脑使用和文本编辑水平。 该生在论文答辩中，思路清晰，表达比较比较简洁明确，回答问题比较 准确。论文达到了农学专业本科生毕业论文的要求和水平，建议授予工学学士学位。 主任委员（签字）： 年 月 日 成绩： 目 录 摘要 . 1 Abstract . 2 前言 . 3 1 概论 . 4 1.1 道路除冰技术的发展 . 4 1.2 国外道路除冰设备的研究现状 . 6 1.3 国内道路除冰设备的研究现状 . 7 1.4 道路除冰技术的发展趋势 . 8 1.5 小型除冰装置的研制现状和发展 . 8 2 路面压实冰雪物理力学性质 . 10 2.1 路面压实冰雪成因与影响因素 . 10 2.1.1 路面压实冰雪分类 . 10 2.1.2 路面压实冰雪成因 . 10 2.1.3 影响因素 . 11 2.2 路面压实冰雪力学性质 . 12 2.2.1 抗压强度 . 12 2.2.2 抗切强度 . 12 2.2.3 相关系数 . 13 2.3 压实冰雪破坏准则 . 14 2.4 除冰作业性能参数 . 16 3 小型机动除冰装置总体设计 . 19 3.1 除冰装置整体方案设计 . 19 3.1.1 除冰装置的结构特性和工作原理 . 19 3.1.2 除冰装置的功率分配 . 20 3.1.3 机架设计 . 21 3.1.4 行走装置设计 . 21 3.1.5 动力装置选定 . 21 3.1.6 传动装置选定 . 21 4 主要部件的设计及计算 . 22 4.1 传动比的确定 . 22 4.2 铲冰装置设计 . 22 4.2.1 曲柄连杆机构 . 22 4.2.2 铲冰刀刀具的设计 . 22 4.3 碎冰装置设计 . 27 4.4 主要部件结构参数的确定及计算 . 28 4.4.1 汽油机计算功率的确定 . 28 4.4.2 V 带传动计算 . 28 4.4.3 铲冰刀理论铲冰频率和碎冰刀盘理论转速 . 29 4.4.4 减速长轴的尺寸和强度校核 . 30 4.5 设计考虑因素 . 31 4.5.1 生产效率 . 31 4.5.2 除净率 . 31 5 结论 . 32 参考文献 . 错误 !未定义书签。 致谢 . 35 全套资料带 CAD 图， QQ 联系 414951605 或 1304139763 沈阳农业大学学士学位论文 1 摘要 在我国东北、西北的大部分地区，冬季持续低温，积雪数月不化和路面湿滑成为堵塞交通甚至引发恶性事故的重要因素。因此，在寒冷地区如何快速清除公路和城市道路冰雪已成为保证公路安全和畅通的重要任务。 目前，世界各国采用的除冰（雪）方法，应用 最普遍的有两种，即融解除冰（雪）法和机械除冰（雪）法。融解法是依靠热作用或撒布化学药剂使冰雪融化，其优点是除净率高，但这种方法成本高，且容易造成环境污染。虽然环保型融雪剂已经问世，对环境和植被的影响减少了，但并未彻底根除，因此使用范围受到一定的限制。机械法是通过机械直接作用解除冰雪的危害，虽然除净率较低，但是对环境及植被无污染，能实现冰雪的异地转移，应用范围比较广。针对目前国内外的除雪或除冰车结构复杂、售价高、使用维修成本大、推广和普及困难的发展现状，成功研制具有：机动灵活，操作简单，价格低廉，适合于小型公 路和街道的使用的小型机动除冰装置具有广阔的发展前景。 关键词： 道路；机械除冰（雪）法；机动的；除冰装置；除净率 一种小型机动除冰装置的设计 2 Abstract In most parts of Chinas Northeast and Northwest, winter continues to be cold, that months ofsnow and the road surface is wet become important factors for blocking traffic or even cause afat-al accident. Therefore, how to quickly clear roads in cold regions and urban road snow and ice h-as become to ensure road safety and the smooth flow of important tasks. At present, there are two of the most popular methods of removing ice and snow are adoptedin the world, that is melting ice(snow) method and mechanical deicing(snow) method. Melting ice(snow) method depends on the rmalor spreading chemical agents to make the ice and snow melted,the benefit is that the removing ice net rate is high, but this approach brings the high costs, and it is likely to cause environmental pollution. Eco-friendly snow-melting agents have greater reducedimpact on the environment and vegetation, but not completely eradicated, sousing range is subject to certain restrictions. Mechanical method is a direct role by means of machinery to get rid of hazards of ice and snow, while the removing ice net rate is lower, and there is no pollution to the environment and vegetation, snow off-site transfer and abroad errange of applications could be achieved. In terms of the deicer for ice and snow removal has complex structure at home and abroad,high prices, high maintenance costs and difficult popularization and universal development, successfully create a flexible, simple operation, lowprice, suitable for use on small roads and streets of thesmall motor deicer has broad prospects for development. Keywords:Road； Mechanical deicing(snow) method； Flexible； Deicer； Removing ice net rate 沈阳农业大学学士学位论文 3 前 言 在我国北方冬季普遍 降雪，特别是一些高寒地区降雪期长达（ 5-6）个月，积雪给道路、机场及人们出行带来极大的不便，甚至造成交通中断，屡屡发生事故。 目前，除雪的常用方式有：机械除雪、融雪除雪、综合式除雪等。机械除雪是通过机械设备清除积雪的方法；融雪除雪是利用热能或撒布化学药剂而使积雪融化的一种方法；综合式除雪是机械除雪与融雪除雪相结合的一种除雪方法。机械除雪应用最为广泛。其除雪效率高、成本低、无污染、但对结冰路面及低等级路面除雪效果差。除雪车在国外已有很多厂家生产如 :瑞士的某公司和美国的某公司；德国的某公司。 国内在除冰机械的开 发和生产比除雪机械的时间还要短，除冰机械按其工作原理可分为以下几种类型。振动式：液压系统驱动振动马达，带动偏心块的旋转，在离心力的作用下，使得振动轮沿圆周径向运动。静碾压裂式：通过悬挂于装载机前端滚压轮上的组合刀片将冰层压碎。柔性链条击打式：采用特制链条，前端安装吊环，在主机的驱动下，链条作高速旋转，对路面进行柔性抽打，从而获得破冰效果。 纵观除雪破冰机械的发展现状，现有设备绝大部分功能单一、外形大、价格高。所以研制具有：小巧轻便，操作简单，价格低廉，适合于小型公路和街道的使用且同时具有扫雪除冰功能的设备具 有广阔的发展前景。 一种小型机动除冰装置的设计 4 1 概论 近年来，我国高速公路、城市道路、机场建设突飞猛进，公路里程和机场数量不断增加。冬季路面积雪结冰的清除成为交通部门保证冬季公路和机场安全运行所面临的重要问题。 我国幅员辽阔，气候复杂多样，冬季 70%以上的国土范围有降雪。北方大部分地区 ,每年降雪期长达 3-5个月。降雪时间长、雪量大、范围广、浮雪清除设备缺乏，所以路面降雪在短时间内很难被完全清除。此外，冬季北方地区气候干燥，降雪湿度小，昼夜温差大，路面降雪经过车辆和行人的反复碾压或反复融冻会造成路 面积雪结冰 1。由此可见，路面积雪结冰是冬季北方地区降雪危害的主要形式，现象十分普遍。 冬季路面结冰现象并不只是出现在我国北方地区。在我国长江流域，冬季由于冻雨或雨加雪天气时有发生，路面也容易出现结冰现象。例如 2008年 1月，我国南方地区遭受罕见的低温雨雪冰冻灾害，路面结冰情况十分严重。 路面积雪结冰的危害十分严重。结冰路面的摩擦系数降低，车辆刹车距离增大，我国冬季有 30%左右的交通事故是由路面结冰引起的。路面积雪结冰不仅容易引发交通事故，严重时还会造成公路交通中断、铁路停运、机场关闭，严重影响人民生活和 工农业生产，给国家经济造成严重损失。 2008年 1月的低温雨雪冰冻灾害对交通运输、电力供应、农业生产等造成严重的影响，高速公路、国省干线道路路面结冰严重致使全国 23个省份的公路交通受到严重影响，部分干线交通多次中断，客运停运 2。 路面积雪结冰中往往含有尘土、泥沙颗粒等杂质，质地坚硬且与地面粘结牢固。传统的人工除冰方法需要大量的人力，劳动强度大，效率低下，清除范围有限，而且容易损坏路面。目前，我国专业化的除冰装备还十分匮乏。在抗击 2008年 1月的低温雨雪冰冻灾害中就调动大批人员进行人工除冰作业，但是效率低下 。抗灾中使用的清雪除冰设备以装载机、推土机、平地机等工程机械为主，部分路段甚至动用了射流车、坦克、装甲车等装备帮助清雪除冰 3-4。由此可见，研发用于清除路面冰雪，保障车辆、飞机和行人安全的冬季路面养护设备具有十分重要的意义。 1.1 道路除冰技术的发展 在世界范围内，寒冷地区的国家冬季路面上都存在不同程度的积雪结冰。研究路面除冰技术具有十分重要的意义。路面除冰技术的发展历程经历了人工清除、机械化清除和智能化清除三个阶段 5。 人工除冰法主要依靠人力用简单的劳动工具来完成路面冰雪的清除。人工除冰法是最早 期、最原始的除冰方法。虽然人工清除冰雪比较彻底，但是作业时间长、劳动强度大、效率低 ,耗费大量人力、物力和时间，作业时影响车辆通行及行车安全。目前，人工除冰法适用于小范围冰雪的清除或重点难点路段冰雪的清除。 后来，随着科技水平的不断提高，交通建设的飞速发展，机械化的除冰技术应运而沈阳农业大学学士学位论文 5 生。目前，常用的机械化除冰技术主要包括化学除冰法、热力除冰法和机械除冰法三种。 (1)化学除冰法 化学除冰法是一种依靠撒布盐类除雪剂来降低冰雪危害的方法。其原理是降低冰雪的冰点。化学除冰法既可以用来清除路面结冰，也可以清除浮雪 ,是国际 上比较常用的一种路面冰雪清除手段。 在一定的环境条件下，化学除冰法可以有效的清除道路冰雪，改善道路安全状况，提高道路运输效率。但是化学除冰法的负作用也比较明显，主要体现在 6-8： 除冰效果受环境温度影响较大，且存在反复结冰现象； 造成沥青面层脱落，路面大面积破损； 对桥梁的结构存在着腐蚀性，使桥梁结构的耐久性下降； 腐蚀机动车辆的轮胎及车辆底盘，大大降低其性能和使用寿命； 造成路边的土壤盐分增加，土壤板结硬化贫瘠； 造成城市绿地黄化，树木枯死，甚至影响道路附近农作物的生长； 造成水体污染， 危害动物生命和人类健康。 近年来，虽然无毒性和无腐蚀性的环保型除雪剂 9，如生物降解型除雪剂等已经问世 ,对环境和植被的破坏减少了，但是并未彻底根除。因此化学除冰法的应用还是受到了一定的限制。 (2)热力除冰法 热力除冰法利用热能使冰雪融化，消除冰雪危害，分为微波加热、红外线加热、喷气发动机加热等类型 10-12。 微波加热。利用微波穿透冰雪加热路面，使得贴近路面的冰雪融化，消除了路面和冰雪之间的结合力使二者分离，达到清除目的； 红外线加热。使用柴油作为燃料加热红外线加热板，利用其热辐射作用使路面上的 冰雪迅速融化； 喷气发动机加热。利用喷气式发动机排出的高温热气流对路面冰雪进行加热使其融化以达到清除目的。 虽然热力除冰法清除冰雪速度快，安全性较好，但该方法往往耗能较大，费用较高，所以其适用范围也受到很大限制。 (3)机械除冰法 机械除冰法通过机械装置对冰雪直接作用来消除冰雪危害，按其工作原理可分为以下几种形式 13-16。 振动式。振动式主要利用冰雪在振动作用下，小变形可以引发脆性断裂的特点。振动轮在振动马达带动振动，使其表面的刀具切入、挤压冰雪。振动式的工作效率高，清除效果比较好，能够有效的避免 路面的损坏。但是显而易见，振动式的结构复杂，成本高。 一种小型机动除冰装置的设计 6 铲剁式。铲剁式模仿人工除冰，利用压实冰雪硬而脆，不耐冲击的物理性质。由多组刀具组成的工作铲在曲轴的带动下上下往复运动，对路面的压实冰雪进行周期性剁击。铲剁式工作效率较低，很容易损伤路面，应用范围受到限制。 推切式。除冰铲是推切式除冰装置常用的结构。铲刃在压力作用下切入冰雪层，在牵引主机的推动下清除冰雪。除冰铲结构比较简单，技术比较成熟，工作效率比较高。但是由于工作阻力大，除冰铲清除冰雪的硬度受到很大限制，需要大功率的牵引主机。此外，铲刃的磨损比较严重 ，对路面有一定的损伤。当路面起伏波动较大时 ,除冰铲的清除效果受到影响。 碾压式。碾压式利用压实冰雪脆性高，易断裂的特点，通过滚筒上面的组合刀片，依靠自重和主机的协调压力使楔形刀具切入冰雪层。随着切入深度的增加，楔形刀具对冰雪层产生挤压作用，使冰雪层脆性断裂、破碎，并与路面剥离。碾压式结构简单，工作性能较好。 机械除冰法易于实现一机多用，不使用化学药剂，无污染，能够很好的保护环境和植被，公路两侧的农田或者绿化带内是天然的堆放场所，还利于春季土壤保墒，所以它在国内应用最为广泛。 随着人们对路面除冰技术研究不断 深入，出现了一类更为先进的除冰技术 智能化除冰技术。智能化除冰技术着眼于借助路面的某些特殊功能阻止路面积雪形成或者融冰除冰，目前主要包括自应力弹性路面技术、导电铺面融冰雪技术、太阳能 土壤蓄热融冰雪技术 17-19。 自应力弹性路面技术利用弹性材料局部变形能力较强的特性，通过在路面铺装材料内掺入一定量的橡胶颗粒，改变路面的变形特性。路面在外荷载作下产生的自应力，从而有效的抑制路面积雪结冰。 导电铺面融冰雪技术是指在普通沥青或者混凝土中添加聚合物类、碳类或金属类导电组分材料，使之具有良好导电性能。冬季将电能 转变为热能使路面温度升高，冰雪自动融化，从而保障交通畅通和行车安全。 太阳能 土壤蓄热融冰雪是指在道路中铺设太阳能采集系统，在地下土壤中设置能量储存系统，将太阳能收集并储存。降雪时将能量提取至路面，提高路面温度融雪化冰。 1.2 国外道路除冰设备的研究现状 国外降雪频繁的国家都很重视清雪机械的研制和使用，机械清雪技术较为先进，已经进入专业化时代，产品在技术、工艺和性能上都比较成熟。目前，国外针对路面积雪结冰的清除技术还是以撒布除雪剂为主，设备既有综合式的多功能专用除冰装置，也有以工程车辆底盘为主机的一机多用 型除冰装置 20-21。国外清雪除冰设备主要的生产厂家有瑞士 BOSCHUNG公司、丹麦的 EPOKE公司、德国的 DAIMLER-BENZ、 VOLKSWAGEN公司、英国的 SCHMIDT公司、美国 S&S、 BOBCAT公司。日本和俄罗斯的生产厂家更是不胜枚举。瑞 沈阳农业大学学士学位论文 7 士 BOSCHUNG公司的智能移动式撒布机，如图 1.1所示。日本的高速压雪清除机，如图 1.2所示。 图 1.1 智能移动式撒布机 图 1.2 高速压雪清除机 1.3 国内道路除冰设备的研究现状 国内研制 与开发路面除冰设备是 20世纪 80年代以后，起步较晚。研究与生产单位大多在我国冬季降雪较多的东北、西北和华北地区。最近几年，国内一些生产厂家把国外先进技术和我国国情相结合 ,先后研制出一些满足我国除冰要求的新产品。国内现有的除冰设备主要有吉林省公路机械厂与原吉林工业大学共同开发的 CB1500压实冰雪清除机；哈尔滨天达科技有限公司生产的 H2800型、 H1900型击振式破冰清雪机，如图 1.3和1.4所示。 图 1.3 H2800型击振式破冰清雪机 图 1.4 H1900型 击振式破冰清雪机 经过二十多年的探索和研究，我国的路面除冰技术和设备取得了很大进步。但是从一种小型机动除冰装置的设计 8 总体上看，我国对路面除冰设备的研发和生产尚处于起步阶段，除冰设备的技术水平还比较落后，主要体现在以下几个方面 22： (1)技术水平低。除冰设备在结构设计、制造、设备使用管理和维护等方面都存在问题。 (2)品种类型不全。目前，不少种类的路面除冰设备在我国还是一片空白，尤其是用于清除路面压实冰雪的大型设备。 (3)避让功能不理想。我国现有的除冰设备大部分避障能力较差，在除冰作业中，常常因为避障不及时导致作业属具或者牵引 主机的损坏。 (4)对路面保护能力差。在作业路面凹凸不平时，除冰设备容易对路面造成破坏。 1.4 道路除冰技术的发展趋势 目前，路面除冰技术的主要发展趋势是 23： (1)多功能化。路面冰雪状态和性能多样化要求除冰设备具有多功能性，也即一机多用，降低设备的成本。 (2)高效化。高效化包括作业效率和除净程度两个方面，高效化作业是保证路面冰雪在最短的时间内得到及时、有效的清除的必然要求。 (3)环保化。在研发道路除冰设备时，选择合理有效的除冰方法和符合环保标准的牵引主机和是环保化的关键。 (4)积极探索智能化 除冰技术。提高公路建设的技术水平，充分利用智能化路面除冰技术科技含量高、环保性好的优势，研发出适合我国气候和地质状况的智能化道路，实现冰雪的智能化清除，保障行车安全和交通畅通。 1.5 小型除冰装置的研制现状和发展 近年来，大型破冰除雪设备已经远远不能完全满足实际道路破冰除雪工作。大型除冰设备在告诉公路、机场等应用较广，但是不太适合一些狭窄街道、人行道等的破冰除雪工作，因而研制机动灵活，操作简单，价格低廉，适合于小型公路和街道的使用的小型机动除冰装置具有广阔的发展前景。 针对目前国内外的除雪或除冰车结构复杂 、售价高、使用维修成本大、推广和普及困难的发展现状，研制出小型扫雪除冰车具有重要意义。纵观除雪破冰机械的发展现状，现有设备绝大部分功能单一、外形大、价格高，小型机动除冰装置的研制前景广阔。目前，小型机动除冰装置的研制发展较快，例如李天生、李方等研制的多功能小型扫雪除冰车，如图 1.5 所示；牟艳秋等研制的一种小型破冰除雪机，如图 1.6 所示。 然而诸如此类的扫雪除冰装置破冰多采用除冰滚筒来实现，主要是通过滚筒碾压切削冰雪完成破冰除雪工作，对路面的保护性较差，工作效率较低，此外，冰雪清除厚度有限，在厚度不同的积雪积 冰路面工作起来适应性较差，不能很好地根据冰层的厚度来调节除冰装置进行除冰工作，经济性较差，推广应用起来比较困难。针对这些问题，本沈阳农业大学学士学位论文 9 文以 2012年辽宁省创新创业训练项目为依托，主要进行以下几个方面的研究： (1)分析路面压实冰雪的物理力学性质及其破坏准则。 (2)在对比分析除冰装置不同形状的铲冰刀的基础上，确定该小型机动除冰装置的铲冰刀的最佳形状是三棱锥形；对除冰装置的主要机构和参数进行设计。 图 1.5 多功能小型扫雪除冰车 图 1.6 一种小型破冰除雪机 一种小型机动除冰装置的设计 10 2 路面压实冰雪物理力学性质 2.1 路面压实冰雪成因与影响因素 2.1.1 路面压实冰雪分类 日本冰雪协会雪质分类委员会经过对道路雪质调查，得出路面冰雪分类 24，本文节选出一部分，如表 2.1所示。从表中可以看出，压雪、冰雪和冰膜的状态均为板状，组成中含有气泡和间隙，密度在 450-900 3/kg m 之间。 表 2.1 路面压实冰雪分类表 2.1.2 路面压实冰雪成因 根据我国气候及交通状况，结合表 2.1，将路面压实冰雪的形成原因归纳为以下三个方面： (1)碾压。冬季路面降雪经过车辆和行人的碾压，密度较小的新雪被压实，形成高密实度的压实雪。 (2)反复融冻。冬季由于昼夜温差变化，路面降雪在一段时期内出现反复的融化、冻结， 在路面上形成坚硬的冰雪层。 (3)冻雨。冻雨是初冬或冬末春初时节的一种灾害性天气现象。冻雨落在路面上，随即冻结成光滑的冰层。随着雨量的增大，冰层也越结越厚。 以上三方面原因往往同时存在并相互作用，因此本文把压雪，冰雪和冰层统称为路面压实冰雪。压实冰雪在路面上的存在形式如图 2.1所示。从图中可以看出，压实冰雪通过粘结层和路面固结在一起。通常情况下，粘结层的厚度仅有几毫米。 图 2.1 压实冰雪存在形式示意图 分类 状态 特征 雪粒状态 密度 / 3/kg m 压雪 板状 被碾压过的积雪 雪粒 直径为 0.05-0.3mm 相互连接的圆粒 450-750 冰雪 板状 压雪渗进水以后又冻结， 厚度在 1mm 以上 雪粒直径为 0.05-2mm 的多结晶冰， 含有粒径 0.1-0.5mm 的气泡 750-900 冰膜 薄膜状 冻结的水膜附在地面或积雪上，厚度在 1mm 以下 雪粒直径为 0.1-0.4mm 的多结晶冰，含有粒径 0.01-0.1mm 的气泡 900 左右 沈阳农业大学学士学位论文 11 2.1.3 影响因素 由压实冰雪形成原因可以看出，压实冰雪的性能不仅受温度、水分的影响，还与外界压力 、路面杂质、面表面特性等因素有关 25。 (1)温度 温度影响积雪中水分的析出和冻结 当温度高于 0 路面积雪开始融化，水分不断增多。水分是冻结不可缺少的重要因素。当路面温度接近 0 时，压实冰雪内部、压实冰雪与路面之间的水分开始凝结，由液态向固态转变。温度持续下降，路面与压实冰雪界面处的水分凝固加剧，两者之间的粘结层强度不断增大，并将压实冰雪和路面牢牢地接在一起。当温度降到一定界限后，温度的降低再不能从压实冰雪内部得到更多的水分，界面间的粘结层强度不再增大，界面处于系统平衡状态。 温度影响冻结速度 温度 变化的快慢会影响冰雪的冻结速度，而冻结速度的变化影响冻结压实冰雪的结晶形态。不同结晶形态的冰雪，其性能变化很大。由此可见，温度是影响路面压实冰雪性能的重要因素，对压实冰雪与路面的粘结起着关键作用。路面压实冰雪和粘结层的性能是随着温度不断变化的。 (2)压力 压力是形成路面压实冰雪的重要条件，冰雪受到的压力情况与被压实后的冰雪的性能有直接关系。压力作用的效果直接体现在压实冰雪的密度和硬度上。 压力影响水分的析出 降雪在压力作用下，会有一定的雪转化为水。压力作用的次数越频繁，降雪转化为水的数量就越多。 压力 影响压实冰雪的密度和强度 压力会使路面冰雪的密度和强度大大增加，这是因为所施加的压力一方面使积雪被压实，另一方面压力会集中在界面上，使界面处冰雪层与路面的接触更加紧密，水分向界面渗透加剧。渗透到路面的水分冻胀，大大增加了冰雪对路面的“抓固”作用，增加了整体的强度。 在现实情况中，冰雪受到的压力大小和次数均无法准确衡量，所以压实冰雪的性能仍有很大的随机性。 (3)冻结时间 在特定温度下系统的平衡依赖于冻结时间。在系统未进入热量平衡之前，冻结时间与压实冰雪的强度呈线性增长关系，冻结时间越长，压实冰雪的强度就越大 。当系统进入热量平衡后，强度趋于平衡不再发生变化。由此可见，路面压实冰雪的形成过程是系统散失热量，水分凝固结冰的过程。冻结时间与压实冰雪的强度有直接的关系。 一种小型机动除冰装置的设计 12 (4)路面表面特性与杂质 路面表面特性 压实冰雪性能受到路面表面特性的影响，主要包括路面的粗糙度和表面湿润性等表面特性与导热性、热膨胀性等材料热特性 26。 我国等级路面分为沥青类路面和水泥混凝土类路面两种。北方地区路面以沥青类路面为主。较小的空隙率使沥青混凝土路面具有透水性小、水稳性好、耐久性高、有较大的抵抗自然因素的能力，使用年限可达 15-20 年以上。沥青混凝土路面表面粗糙度大，抗水性好，比热小，热膨胀系数小，压实冰雪与沥青路面的冻结将十分坚固。 路面杂质 在各种公路的路面上，不可避免的存在各种杂质，比如粉尘、泥沙、碎石颗粒物等这些杂质的存在对路面压实冰雪的性能也有重要影响。 当路面与压实冰雪层之间存在杂质时，杂质起到了凝结核的作用，水的结冻不均匀，增大粘结层强度。一般情况下，粘结层的强度高于压实冰雪的强度。 不同的路面的表面特性及路面杂质的存在情况各不相同，所以路面压实冰雪的性能是随着路面杂质不断变化的。 2.2 路面压实冰雪力学性质 2.2.1 抗压强度 压实冰雪的抗压强度是除冰装置设计的重要参数之一，指压实冰雪抵抗其它物体进入的能力，用刚体进入冰雪时单位面积上所受到的阻力表示 27。压实冰雪的抗压强度因环境不同而不同，强度值随密度的增大而增大，随温度的降低而增大，统计数值如表 2.2所示。 表 2.2 压实冰雪的抗压强度 2.2.2 抗切强度 抗切强度q定义为切割每单位横截面积压实冰雪所需的力，包括压实冰雪各种形式的变形强度 28。目前，抗切强度的计算大多利用经验公式 qq Fbh （ 2.1） 冰雪类型 -1 至 -20时抗压强度的范围 /MPa 密度 / 3/kg m 压雪 0.2-1.67 450-750 冰雪 0.9-2.94 750-900 冰层 1.0-4.0 900 左右 沈阳农业大学学士学位论文 13 式中： q 抗切强度 ， Pa ； qF 作用在刀刃上的切削阻力 ， N ； b 切削刃宽度 ， m ； h 切削层厚度 ， m ； 利用抗切强度q可以很简便地进行压实冰雪清除装置阻力计算和除冰 装置的 牵引特性分析，压实冰雪的抗切强度如表 2.3 所示。 表 2.3 压实冰雪的抗切强 2.2.3 相关系数 压实冰雪清除装置设计、除冰装置的工作阻力计算和牵引性能分析涉及到冰雪的摩擦系数、冰雪路面的附着系数、冰雪路面的行驶阻力系数的选取 29。 冰雪的摩擦系数包括外摩擦系数和内摩擦系数，外摩擦系数是指冰雪与其他物体之间的摩擦系数，内摩擦系数是指冰雪内部之间的摩擦系数。本文冰雪的外摩擦系数具体指冰雪和钢铁之间的摩擦系数，取值参考表 2.4。冰雪内摩擦系数取值如表 2.5 所示。内外摩擦系数都与温度和冰雪的密度有关。 表 2.4 冰雪和钢铁的摩擦系数 路面压实冰雪的存在很大程度上降低了路面原来的使用性能，具体路况下轮胎的附着系数和行驶阻力系数取值分别如表 2.6、表 2.7 所示。 抗切强度 / 310Pa 冰雪密度 / 3/kg m 温度 / 0 至 -1 -2 至 -10 -10 以下 300-400 5.0-12.0 8.0-25.0 5.0-35.0 450-750 10.0-25.0 15.0-40.0 30.0-80.0 750-900 20.0-35.0 30.0-80.0 70.0-130.0 摩擦系数 冰雪密度 / 3/kg m 温度 / 0 至 -1 -2 至 -15 -16 至 -30 450-550 0.056 0.04 0.05 550-650 0.05 0.03 0.04 650-750 0.04 0.02 0.03 750 以上 0.03 0.015 0.02 一种小型机动除冰装置的设计 14 表 2.5 冰雪的内摩擦系数 表 2.6 冰雪路面的附着系数 表 2.7 冰雪路面的行驶阻力系数 2.3 压实冰雪破坏准则 由材料力学可知，当材料处于简单受力情况时，材料 的危险点处于简单应力状态，破坏可以由简单试验来确定。但是，压实冰雪在外载荷的作用下常常处于复杂的应力状态，压实冰雪的强度及其在载荷作用下的性状和冰的应力状态有着很大的关系。目前，材料力学中的多种破坏理论都可以用来解释压实冰雪在复杂应力状态下的破坏 30。 (1)最大拉应力准则 该理论认为最大拉应力是引起压实冰雪断裂的主要因素。当最大拉应力达到与压实冰雪有关的材料性质的某一极限值时，压实冰雪就发生断裂破坏。最大拉应力理论的破坏准则为 1 b (2.2) 摩擦系数 冰雪密度 / 3/kg m 温度 / 0 至 -1 -2 至 -10 -10 以下 450-750 0.40 0.44 0.50 750-900 0.42 0.47 0.53 900 0.45 0.50 0.59 压实冰雪状态 轮胎类型 附着系数 密实冻结 低压胎 0.20-0.35 密实冻结 高压胎 0.20-0.25 密实解冻 低压胎 0.10-0.20 密实解冻 高压胎 0.10-0.20 压实冻结 高压胎 0.209 压实解冻 高压胎 0.176 冰雪状态 冰雪密度 / 3/kg m 行驶阻力系数 轮胎 履带 松软 150-250 0.2-0.25 0.2 松软潮湿 150-250 0.3 0.2 轻度碾压 250-350 0.15-0.2 0.1 碾压 450-750 0.08-0.1 0.05 冰雪 750-900 0.06-0.08 0.07-0.1 沈阳农业大学学士学位论文 15 将极限应力b除以安全系数 n ，可以得到许用应力 ，则最大拉应力理论的强度条件为 1 (2.3) 最大拉应力准则只适用于单向应力状态及某些应力状态中的受拉的情况。对于复杂应力状态，该准则有不足之处。 (2)最大正应变准则 该 理论认为材料的破坏取决于最大正应变，只要材料内任一方向的正应变达到单向压缩或单向拉伸中的破坏数值，材料就发生破坏，破坏准则为 1 bE (2.4) 由广义胡克定律m a x 1 1 2 31 ( ) E ，代入 (2.4)得 1 2 3() b (2.5) 将极限应力b除以安全系数 n ，可以得到许用应力 ，则最大正英变理论的强度条件为 1 2 3( ) (2.6) (3)莫尔强度理论及莫尔 -库仑准则 莫尔强度理论是莫尔在 1900 年提出的，是目前工程中应用最多的强度理论之一。该理论认为材料内某一点的破坏与中间主应力无关，主要决定于主应力1和3。在 平面上，可以绘制一系列的极限应力圆，每一极限应力圆都反映一种达到破坏极限的应力状态。这一系列极限应力圆的包络线称为莫尔包络线，如图 2.2 所示。包络线代表材料的破坏条件或强度条件。 图 2.2 极限应力圆的包络线 1-抗拉试验； 2-抗剪试验； 3-抗压试验； 4-包络线； 5-三轴试验 一种小型机动除冰装置的设计 16 根据莫尔理论，可以利用在 平面上画出该点的莫尔应力圆 ,来判断材料内某点于复杂应力状态下是 否破坏。如果所作应力圆在莫尔包络线以内，则通过该点任何面上的剪应力都小于相应面上的抗剪强度 ，说明该点没有破坏，处于安全状态；如果所作应力圆刚好与包络线相切，则通过该点有一对平面上的剪应力刚好达到相应面上的抗剪强度，该点处于临界破坏状态。 对于不同性质的材料，莫尔强度条件的形式也各不相同。对于抗拉强度很弱，抗压强度很高的脆性材料，在应用莫尔强度理论时，可以用单向拉伸和单向压缩两个极限应力圆的公切线来代替包络线将，包络线进行化简。将该直线形式的包络线称为莫尔 -库仑强度准则，如图 2.3 所示。莫尔 -库仑破坏准则认为，当剪切应力 大于内聚力 C 和内摩擦力 之和时，材料便发生脆性剪切破碎。莫尔 -库仑破断准则的表达式为 C （ 2.7） 式中： C 压实冰雪的内聚力， Pa ； 压实冰雪的内摩擦系数 。 图 2.3 莫尔 -库仑破断准则 综合考虑以上三种强度理论，考虑到压实冰雪的实际受力环境，在复杂应力状态下，莫尔 -库伦准则能够较好的反映其破坏状况。 2.4 除冰作业性能参数 (1)除净率 除净率是指除冰装置清除路面压实冰雪的干净程度，是衡量除冰装置工作性能的关键指标之一。除净率一般定义为清除干净的路面面积与待清除路面面积的比值 31。除净率的计算公式为 1SS (2.8) 式中： 除净率； 1S 清除干净的路面面积， 2m ； 沈阳农业大学学士学位论文 17 S 待清除路面面积， 2m ； 一般情况下露出 90%的路面，残留的冰雪就达不到形成公害的程度，交通可以畅通。因此，除冰装置的除净率要达到 90%以上，否则，除冰作业就失去有效性。 (2)工作效率 工作效率是除冰装置的重要性能指标，衡量除冰装置在短时间能恢复路面交通的能力。工作效率主要体现在两个方面：行走速度和清除宽度。要获得较高的工作效率就必须对行走速度和清除宽度做出限定。 除冰作业时，除冰装置的工作阻力很大，因此行走速度就受到很大的限制。为了保证除冰装置有较高的工作效率，一般情况下，行走速度不应低于 5 /kmh 。 清除宽度是指除冰装置一次作业能够清除的最大宽度。清除宽度 主要根据牵引主机的宽度范围和交通法规的要求确定。清除宽度不宜过大，也不宜过小。除冰宽度过大，影响车辆行车安全，增大行车阻力，降低行车速度。清除宽度过小，降低工作效率。清除宽度一般取 2-3m 。 在保证除净率的前提下，行走速度越快，清除宽度越大，工作效率越高。工作效率越高，短时间内清除大面积路面冰雪的能力就越强，所需要配备的除冰装置数量就越少。 (3)清除厚度 根据我国雪情资料分析，一次降雪的厚度一般不超过 15cm ，路面压实冰雪厚度一般不超过 3-4cm 。由于降雪受风吹、车压等环境因素影响，致使压实冰雪的厚度具有不均匀性、不规律性，除冰装置清除压实冰雪的厚度应当不低于 5cm 。本文最大清除厚度为 0.1m 。 (4)结构性 在保证达到性能要求的前提下，除冰装置的结构组成越简单越好。一般情况下，结构越简单，操作就简单，运转也灵活，可靠性越好，加工工艺性也越好，成本也低，经济 性就好。 (5)路面保护性 由于除冰装置的工作对象是压实冰雪，而压实冰雪与路面又粘结在一起，因此作业时容易破坏路面。保护路面不受损伤是道路除冰作业的最基本的要求，任何一种在道路路面通行的车辆和作业机械都不得损坏路面，否则是不允许其通行和作业的。 (6)避障能力 除冰装置除冰作业时，不可避免的要遇到路面障碍物。能否顺利避开障碍物，而且不影响除冰作业的工作性能是除冰装置要具备的重要能力。避障功能可以通过在除冰装置上配备避让装置或者通过合理的设计来实现。 (7)经济性 好的经济性是对一切机械设备的共性要求。对于除 冰装置而言，经济性要求尤为突一种小型机动除冰装置的设计 18 出。因为城市除雪经费数额有限，如果除冰装置的价格过高，则环卫部门无力购置和使用。研发除冰装置时，要尽可能降低设备的成本，适应我国的国情。 沈阳农业大学学士学位论文 19 3 小型机动 除冰装置总体设计 3.1 除冰装置整体方案设计 3.1.1 除冰装置的结构特性和工作原理 除冰装置由车架和安装在它上面的汽油机、减速器、传动装置、操作装置等组成。其机构示意图和结构简图分别见图 3.1 和图 3.2。 图 3.1 除冰装置结构示意图 1-铲冰刀； 2-减振弹簧； 3-滑动轴承； 4-曲柄盘； 5-带传动； 6-圆锥齿轮； 7-固定螺栓； 8-固定轴承； 9-轴承座； 10-圆锥齿轮轴（垂直轴）； 11-上下进给控制机构； 12-碎冰刀盘； 13-碎冰刀； 14-刮冰铲； 15-汽油机； 16-车轮 图 3.2 除冰装置总体结构 一种小型机动除冰装置的设计 20 通过理论设计，在农业机械化实验室把各种零件加工、制造组装好。该小型机动除冰装置的整体设计实物图如图 3.3 所示。 图 3.3 小型机动除冰装置整体设计实物图 该除冰装置主要由铲冰刀、碎冰刀（安装在圆锥齿轮轴上）和刮冰铲三部分组成。第一套除冰机构是铲冰刀，主要是利 用曲柄滑块上下往复运动实现铲冰刀的铲冰运动，这样就模拟了人工除冰的原理，有较高的效率。第二套除冰机构是碎冰刀，主要是运用汽油机作为动力源驱动圆锥齿轮机构带动碎冰刀旋转达到除厚冰的目的。第三套除冰机构利用刮冰铲将碎冰块收集并把碎冰块推向道路的一旁。在铲冰刀、碎冰刀和刮冰铲的共同作用下，冰基本被除尽并推向道路的一旁，可以达到很好的除冰效果且非常有利于下一步的道路冰雪清理工作。 3.1.2 除冰装置的功率分配 在该小型机动除雪装置的动力设计中，主要研究整机行走消耗的功率、破冰装置消耗的功率以及刮冰铲清除冰雪消耗功 率的计算。对于其他消耗功率较小的装置不再单独计算，而是统一考虑在系数 k 之中，因此，破冰装置的总功率 (kw )为： ()p k p p p 汽 行 走 破 冰 刮 冰 铲 （ 3.1） 式中： p汽汽油机功率； p行 走 行走功率； p破 冰 破冰装 置所用功率； p刮 冰 铲 刮冰铲所用功率； 由上式看出，在行走功率为零时，汽油机功率可以全部传给破冰（铲冰刀和碎冰刀）装置和刮冰铲装置，而在破冰装置和刮冰铲装置功率为零时，发动机功率可以全部成为行走动力。因此，在破冰量很大时，车速不宜过高；而在破冰量很小时，可以相应提高沈阳农业大学学士学位论文 21 车速，所以，该小型机动除冰装置的传动效率较高。 3.1.3 机架设计 机架是连接汽油机及除冰机构的安装车体。由于在工作过程中产生振动并且需要承载的重量较大，故需要选用硬度较高，强度较大的角铁。为了能 与汽油机的宽度相协调，机架设计长度为 1100mm 、宽度为 600mm ，高度为 700mm ， 通过焊接使其连接在一起。 3.1.4 行走装置设计 该机动除冰装置的行走装置较简单，四个小车轮通过螺栓联接使车轮固定在机架上。可以调节四个小车轮来调节整个机架的高度，增强了对积冰积雪厚度不同的路面冰雪清理工作的适应性。 3.1.5 动力装置选定 小型机动除冰装置以汽油机作为 动力源，通过动力传递装置依次将动力传递到铲冰刀、碎冰刀和刮冰铲。根据实际除冰工作的需要，选定重庆尔翔 EX152F 汽油机作为动力装置。该汽油机的额定功率为 2.2kw ，最大额定转速为 4000 /minr 。经过计算可得输出转矩为 5.3Nm 。 3.1.6 传动装置选定 除冰装置的传动原理如下：汽油机经减速器减速后，经带传动带动曲柄转动，利用曲柄滑块运动实现铲冰 刀上下往复运动。除此之外，通过带传动驱动圆锥齿轮机构带动碎冰刀旋转。考虑到缓冲、减震、过载保护、原动机等对传动装置的要求，采用带 (普通 V 带 A 型 )传动。 除冰装置的传动参数如表 3.1 所示。 表 3.1 除冰装置的传动参数 汽油机额定功率 2.2kw 一级减速长轴 450mm 汽油机最大额定转速 4000 /minr 一级减速长轴 420mm 汽油机转矩 5.3Nm 一级减速长轴 300mm 大带轮直径 180mm 车架长度 1100mm 小带轮直径 60mm 车架宽度 600mm A 型 V 带长度 800mm ,1000mm ,1100mm 车架高度 700mm 一种小型机动除冰装置的设计 22 4 主要部件的设计及计算 4.1 传动比的确定 汽油机的最大额定转速是 4000 汽油机的最大额定转速 N 是 4000 / minr ，额定功率P 是 2.2kw 。汽油机动力传递到各轴是采用带和圆锥齿轮传动，大带轮的半径 R 均是90mm ，小带轮的半径 r 均是 30mm 。根据实际除冰工作的需要，汽油机到一级减速长轴、一级减速长轴到二级减速长轴、二级减速长轴到三级 减速长轴之间的传动比均为20190 330d Ri dr 。一对圆锥齿轮的传动比为 1i 。 4.2 铲冰装置设计 小型机动除冰装置的第一套除冰机构是铲冰装置。铲冰装置主要由曲柄连杆机构、滑动轴承和与曲柄连杆机构联接在一起的铲冰刀构成。 4.2.1 曲柄连杆机构 曲柄连杆机构是由曲柄盘和连杆构成，是第一套除冰机构的重要组成部分。通过曲柄连杆机构将二级减速轴传来的动力传递给铲冰刀，带动铲冰刀上下运动完成铲冰工作。 曲柄盘的直径 cmdq 6，连杆长度为 15cm 。 4.2.2 铲冰刀刀具的设计 为了更好地达到除冰效果，铲冰刀刀具的形状选择显得尤为重要。为此，在设计铲冰刀刀具形状之前，我们选择了扁铲形、三棱锥和四棱锥三种形状的铲冰刀做自由落体实验来模拟铲冰刀的铲冰工作过程。扁铲形、三棱锥和四棱锥三种形状的铲冰刀质量均0.975kg ，形状如图 4.1、图 4.2 和图 4.3 所示。 图 4.1 扁铲形铲冰刀 沈阳农业大学学士学位论文 23 图 4.2 三棱锥形铲冰刀 图 4.3 四棱锥形铲冰刀 三种不同形状的铲冰刀刀具（质量均 0.975kg ）通过分别从不同高度自由落体，下落到同一冰面，经过测定，得到三组不同实验数据如表 4.1、表 4.2 和表 4.3 所示。 表 4.1 扁铲形铲冰刀（质量 0.975kg ）实验数据 实验次数 下落高度（ mm ） 破冰深度（ mm ） 1 1100 8 2 1000 7 3 900 7 4 800 6 5 700 6 6 600 5 一种小型机动除冰装置的设计 24 表 4.2 三棱锥形铲冰刀（质量 0.975kg ）实验数据 实验次数 下落高度（ mm ） 破冰深度（ mm ） 1 1100 10 2 1000 9 3 900 8 4 800 6 5 700 6 6 600 5 表 4.3 四棱锥形铲冰刀（质量 0.975kg ）实验数据 实验次数 下落高度（ mm ） 破冰深度（ mm ） 1 1100 9 2 1000 8 3 900 8 4 800 8 5 700 7 6 600 7 利用 Excel 对以上三组数据进行优化处理，如图 4.4、 4.5 和 4.6 所示。 对这三图进行分析可知，三棱锥形铲冰刀实验中的直线斜率最大，表明破冰深度随下落高度的变化明显，可推知同样条件下，三棱锥形的铲 冰刀铲冰效果最佳。而实验过程中对不同形状铲冰刀铲冰实验结果的记录（选取下落高度为 800mm ），如图 4.7、 4.8 和 4.9 所示，该结果也表明同条件下，三棱锥形铲冰刀除冰效果最佳。 扁铲形铲冰刀实验结果分析y = 0.0054x + 1.8857R2 = 0.937701234567890 200 400 600 800 1000 1200线性 ( 扁铲形铲冰刀实验结果分析)图 4.4 扁铲形铲冰刀实验结果分析 沈阳农业大学学士学位论文 25 三棱锥形铲冰刀实验结果分析y = 0.0103x - 1.4095R2 = 0.95760246810120 200 400 600 800 1000 1200线性 ( 三棱锥形铲冰刀实验结果分析) 图 4.5 三棱锥形铲冰刀实验结果分析 四棱锥形铲冰刀实验结果分析y = 0.0037x + 4.6762R2 = 0.85210123456789100 200 400 600 800 1000 1200线 性 ( 四 棱 锥 形 铲 冰 刀 实 验结果分析) 图 4.6 四棱锥形铲冰刀实验结果分析 图 4.7 扁铲形铲冰刀实验结果（下落高度为 800mm ） 一种小型机动除冰装置的设计 26 图 4.8 三棱锥形铲冰 刀实验结果（下落高度为 800mm ） 图 4.9 四棱锥形铲冰刀实验结果（下落高度为 800mm ） 通过以上分析可知，同条件下，三棱锥形铲冰刀铲冰效果优于扁铲形铲冰刀和四棱锥形铲冰刀，故设计铲冰刀为三棱锥形铲冰刀。 铲冰刀的设计 汽油机作为动力源通过 V带传动减速后将动力输出到一级减速轴，一级减速轴通过 V 带传动减速后将动力传到二级减速轴及与曲柄盘配合的长轴。减速后的二级轴带动曲柄滑块机构运动，因而与曲柄滑块 联接的铲冰刀架和铲冰刀也随之做上下往复运动实现模拟人工除冰的原理将冰铲掉。铲冰刀上下往复运动的理论行程是曲柄盘的直径，理论运动周期是曲柄盘的运动周期。通过控制曲柄盘运动周期就控制了铲冰刀上下往复运动的周期。考虑到实际的除冰工作过程以及零件的加工容易程度，铲冰刀在三棱锥形的设计基础上稍作了改变，实际结构如图 4.10 和图 4.11 所示。 沈阳农业大学学士学位论文 27 图 4.10 铲冰刀正视图 图 4.11 铲冰刀左视图 4.3 碎冰装置设计 小型机动除冰装置的碎 冰装置 的第二套除冰机构是铲冰装置。碎冰装置主要由圆锥齿轮轴（垂直轴）、碎冰刀盘、碎冰刀和控制碎冰刀盘在圆锥齿轮轴上下运动的上下进给控制机构组成。 考虑到有时道路上的冰雪厚度不同，为了方便清除道路上不同厚度的冰雪，我们设计了通过操作手柄手动来控制碎冰刀上下进给运动。安装在碎冰刀盘上的碎冰刀随刀盘的转动实现旋转除冰的目的。二级减速轴通过 V 带传动减速后将动力传到三级减速轴，它通过圆锥齿轮机构实现动力的换向并将动力传递到安装碎冰刀盘的垂直轴进而实现碎冰刀的旋转除冰运动。碎冰刀盘可在垂直轴的下端一定范围（约 3cm 范围）上下运动。垂直轴的末端安装限位弹簧防止碎冰刀盘在垂直轴上运动时与轴脱落，同时可起到一定的减振作用。碎冰刀盘上端与一个轴承固定相连后安装在垂直轴上，轴承与操作手柄相连。通过手动控制操作手柄可以实现碎冰刀盘在垂直轴的下端上下往复运动，进而实现碎冰刀的上下进给运动。这样道路上不同厚度的冰雪即可顺利的被清除。设计结构如图4.12 和图 4.13 所示。 图 4.12 碎冰刀正视图 图 4.13 碎冰刀左视图 一种小型机动除冰装置的设计 28 4.4 主要部件 结构参数的确定及计算 4.4.1 汽油机计算功率的确定 所选汽油机的额定功率为 2.2kw ,最大额定转速 4 0 0 0 / m innr ，设为额定功率 P ，查得工作情况系数 1.3AK ，所以计算功率： 1 . 3 2 . 2 2 . 8 6 ( )c a AP K P k w （ 4.1） 4.4.2 V 带传动计算 带传动是具有中间挠性件、靠摩擦工作的转动，具有能缓冲吸振、传动平稳、噪声小、结构简单、允许有较大的传动中心距较大等优点，并且过载时带可以在带轮上打滑，可以防止其他零件的损坏，故在此设计中选带传动。带传动如图 4.14 所示： 图 4.14 带传动 动力为汽油机，额定功率为 2.2P kw ，额定转速 4 0 0 0 / m innr ,汽油机输出轴上小带轮作为主动轮，主动轮基准直径 mmd 601 ， 则与一级减速长轴配合的 大带轮的基准直径为： )(9.180)02.01(6013004000)1(1212 mmdnnd （ 4.2） 一级减速长轴上大带轮的基准直径为 )(1802 mmd ，一级减速长轴的转速 2n 偏大，但误差仍在 5%范围内，故允许。此时带速： )/(56.12100060 40006014.3100060 11 smndv （ 4.3） 带速 v 在 5-25m/s 范围内，带速合适。同理可求得其他各减速轴的 带速和轴转速。 确定 V 带的基准长度 和传动的中心距： )()(7.021021 ddadd （ 4.4） 根据实际结构，初定中心距 mma 4000 ，带基准长度： 沈阳农业大学学士学位论文 29 )(8.11854004)60180()18060(214.340024)()(22202122100mmaddddaL （ 4.5） 选取带的基准长度 mmLd 1200，计算所需的中心距 )(4072 00 mmLLaa d ，同理可求得其他各减速轴带长和中心距。 验算主动轮上的包角： 00 0 021( ) 5 7 . 31 8 0 1 6 3 . 1 1 1 2 0dda （ 4.6） 所以主动轮上的包角合适。 确定 V 带的张紧力。 A 型普通 V带单位长度质量 0 .1 0 /q kg m ，由公式： 2202 . 5 2 . 55 0 0 ( 1 ) 5 0 0 2 . 8 6 ( 1 )0 . 9 6 0 . 1 7 . 5 3 6 3 1 0 . 1 ( )1 7 . 5 3 6caP kF q v Nzv （ 4.7） 确定带传动作用在轴上的载荷： 102 s i n ( ) 6 1 3 . 5 ( )2QF z F N （ 4.8） 4.4.3 铲冰刀理论铲冰频率和碎冰刀盘理论转速 通过上面减速轴转速的计算我们得到二级减速轴的转速 min/4442 rn 即 srn /4.72 这也是曲柄盘的转速，即在 1s 内曲柄盘转动 7.4 周。理论上随着曲柄盘转动一周铲冰刀完成一次上下往复除冰运动，并且其上下往复运动理论最大行程是曲柄盘的直径cmdq 6 ，即在 1s 内铲冰刀理论上完成 7.4 次上下往复除冰运动，也就是铲冰刀理论铲冰频率 4.7f ，实际上由于摩擦等因素在动力传递过程中铲冰刀铲 冰频率要小于铲冰刀理论铲冰频率 f ，这符合现实生活中的人工用铁锹铲冰频率。 由于一对圆锥齿轮的传动比为 1:1 ，这样碎冰刀盘理论转速sn与三级减速轴的转速大小3n相等，即3snn。三级减速轴的转速大小3n可通过上面的计算得 min/2223 rn 即srnns /7.33 ，这样通过计算得出碎冰刀的理论扭矩： 一种小型机动除冰装置的设计 30 395500000 . 2TTTPT nWd 32 . 295500001330 5 . 0 6 ( )0 . 2 2 5T M P a45 . 7 3 1 0PTGI 32200 3 . 1 6 ( )3 . 1 4 2 2 2pM N mn （ 4.9） 实际工作时我们可通过控制刀片质量、碎冰刀盘转速、行车速度等因素来保证刀片对路面的作用力度小于或等于人工除雪，或者使其在某一合适的范围。 4.4.4 减速长轴的尺寸和强度校核 减速长轴的尺寸的确定，主要依据结构布置上的要求并考虑加工工艺和装配工艺要求而定。在设计时，由皮带轮的工作位置和尺寸可初步确定长轴的长度，根据设计的要求，可 确定一级减速长轴长为 450mm ，二级减速长轴长为 420mm ，三级减速长轴长为300mm 。 由减速长轴结构布置考虑到加工和装配而确定的轴的尺寸，一般来说强度是足够的，仅对其危险断面进行验算即可。对于本设计来说，在设计的过程中，轴的强度和刚度都留有一定的余量，下面对一级减速长轴进行校核。 因为一级减速长轴在运转的过程中，所受的弯矩很小，可以忽略，可以认为其只受扭矩。此中情况下，轴的扭矩强 度条件公式为 （ 4.10） 式中： T 扭转切应力 ， MPa ； T 轴所受的扭矩 ， N mm ； TW 轴的抗扭截面系数， 3mm ； p 轴传递的功率 ， kw ； d 计算截面处轴的直径， mm ； T 许用扭转切应力， MPa 。 其中 2.2P kw ， 1 3 3 0 / m innr ， 24d mm 代入上式得： （ 4.11） 由查表可知 5 .5T M pa ，故 TT，符合 强度要求。 轴的扭转变形用每米长的扭转角 来表示。其计算公式为： （ 4.12） 式中： T 轴所受的扭矩， N mm ； G 轴的材料的剪切弹性模量， MPa ,对于钢材， 48 .1 1 0G M P a ； 沈阳农业大学学士学位论文 31 444157975 . 7 3 1 0 0 . 33 . 1 4 2 58 . 1 1 032 PI 轴截面的极惯性矩， 4mm ， 32/4dIp ； 将已知数据代入上式可得： （ 4.13） 对于一般传动轴可取 0 .5 1 ( ) / m ；故也符合刚度要求。 4.5 设计考虑因素 4.5.1 生产效率 生产效率 ( 2 /km h )以单位时间内清除的道路面积计 : =wv （ 4.14） 式中： w 除冰装置的工作幅宽， m ； v 除冰装置的工作速度， hkm/ 。 实际工作时应当均衡这两个因素，使除冰装置能最大程度地满足生产要求。 4.5.2 除净率 除冰装置的除净率以残雪量表示， 除净率一般定义为清除干净的路面面积与待清除路面面积的比值 。影响除净率的因素，除了机器本身的结构之外，主要是道路的路面质量。虽然城市内主要干线都是一级路面标准，实际上黑色路面经过夏季高温，难免会出现凹凸不平的状况，路面不平，自然会影响机器的除净效率。我们在进行机器设计时，必须考虑如何适应外部 条件，提高机器的自身质量。 一种小型机动除冰装置的设计 32 5 结论 本设计创新点明显，具有很好的推广应用前景。 （ 1）铲冰刀模拟人工用铁锹除冰的原理，能够真正的除掉厚冰，效率很高。 （ 2）碎冰刀模拟植树挖坑机挖坑的原理，在除冰过程中通过手动控制碎冰刀盘的 上下进给，能适应不同厚度的冰面，除冰效果明显。 （ 3）铲冰刀在下除冰过程中通过减振弹簧缓和冲击，能够最大限度的减少对路面 的损害并保护铲冰刀。 （ 4）动力传递多采用 V带传动， V带张紧装置可以按需分配动力传递，适应性强。 V 带传动能缓冲吸振，噪声小，过载时可以打滑，降低对设备的损伤。 专业化的冰雪道路清除机械的研究对保障道路通畅，特别是保障寒冷地区的道路通畅有非常重要的作用。但是，冰雪的性质与气候、温度等诸多因素有关，