大型清雪机结构项目设计方案

1 大型清雪机结构 项目 设计 方案 课题背景 我国北方冬季漫长，降雪频繁、降雪量大。高速公路和机场跑道积雪会给人们出行带来极大不便，不仅影响正常交通秩序，还存在安全隐患，极易发生交通事故，每年因路面积雪而引发的交通事故很多，数辆乃至数十辆汽车在途中首尾相撞的事故时有发生，直接威胁到人们的生命财产安全，高速公路和机场的积雪已成为交通的 “白色杀手 ”。为了避免上述现象发生，下雪后必须及时、彻底清除路面积雪，给人们创造一个良好的出行环境。传统的清雪方式是人工清扫和往道路上撒盐，而这两种方法都存在弊端，人工清雪工 人劳动强度大、工作环境恶劣、效率低、清雪不彻底，而且过往车辆还会威胁到工人的人身安全；而往道路上撒盐则会直接对环境造成污染。因此我们觉得机械化清雪势在必行，它有着人工清雪所无法比拟的许多优点：高效、低耗、清雪彻底等。 随着时代的进步和人类社会文明程度的提高，人工清雪以不能满足人们对机场和高速公路的要求，采用机械设备清雪来代替人工清雪是人们所希望的。因此很多单位和个人都致力于研究和开发高性能清雪设备。现在已经有一些清雪设备问世并投入使用。它们有的是在卡车前面加装推雪板，工作时先将积雪聚拢然后由人工或装载机将雪 装入卡车运走；有的在压路机的滚子上面安装铁钉；还有的采用锤击方法将积雪打碎再收起，等等。 但是这些现有的清雪设备都存在一些不足，比如：效率不高、清雪不彻底、对道路损伤大等，而进口清雪车价格昂贵不利于普及。所以，设计一套工作可靠、清雪彻底、效率高、对路面损伤小、能耗低、造价少的清雪设备有其实际意义。另外，这也是一个国家、一座城市现代化与文明程度的标志之一。 此题目的完成旨在综合运用大学四年所学的知识，培养独立分析问题、解决问题的能力，正确的思想方法和工作态度将终身受益。 技术要求和主要内容 清雪车 要求结构简单、工作可靠、操纵方便、便于加工制造及维修、有过载保护机构；各回转件、移动件润滑良好；各联结处密封有效、不得出现漏油现象；工作时噪音 2 低、防振性好；高效、节能、清雪彻底，能适应雪量变化，清雪厚度及行进速度可调；对路面状况适应性强，对路面损伤小。 作业宽度 2500作时行进速度为 h20km/h，空载时行进速度为30km/h，噪音低于 80 设计方案及计划 清雪机由输出功率为 80 马力以上的机车牵引，牵引机车输出转速为 1000r/上。清雪机主要工作部件由旋抛机和螺 旋铲组成。工作时，由螺旋铲将机车行进前方2500度范围内的积雪收拢，并不断送入旋抛机，旋抛机高速旋转形成低压区，将由螺旋铲送来的积雪快速吸入、同时加速，然后从旋抛机上方的出雪口抛入运雪车斗或抛到路边。螺旋铲和旋抛机固定在一个钢结构架上，此钢结构架则与牵引机车相连，形成一个整体。钢结构架可由液压缸控制，能在 50围内垂直升降，以适应路面变化和积雪厚度变化，牵引机车空载行驶时液压缸可将钢结构架举起实现快速行进。另外，在钢结构上螺旋铲和旋抛机之间还安装有两个万向轮，通过万向轮轴上的螺母可以根据路面状况调 节该轴的长度，万向轮可以起到支撑作用，同时，还能随路面变化自动调整螺旋铲与路面的距离防止螺旋铲碰伤路面。在螺旋铲下方，螺旋铲和旋抛机之间安装有一组刮雪片，它始终与路面相切并与旋抛机罩相联接，刮雪片可由两个滑动垫块调整与地面的距离，它的作用是将路面极薄的雪层收起并送入旋抛机。在螺旋铲叶片外侧还镶有尼龙刷，它的作用是将路面浮雪扫起。刮雪片和尼龙刷共同作用达到彻底清雪的目地。由于清雪机清雪部件与路面始终是软接触，所以此清雪机工作中不会对路面产生任何伤害。 旋抛机与螺旋铲均有过载保护装置，它们由两组销轴组成。在螺旋 铲的叶片与驱动轴之间有两个销轴，正常工作时此二销轴与其他零件组成销轴联轴器，起到传递动力的作用，如果螺旋铲工作时碰到硬物过载，销轴则会被剪断，螺旋铲停止工作，此时销轴则起到安全销的作用；同样，旋抛机叶片和驱动轴之间也有两个销轴，正常工作时传递动力，当叶片被积雪或硬物阻塞时销轴剪断螺旋铲停止工作，这样就能有效保护其它零部件不被损坏。 牵引机车输出轴有 4 级转速以满足不同的需要，可以根据具体情况恰当选用。旋抛机驱动轴与螺旋铲驱动轴之间由减速器实现降速传动，速比为 ，采用此速比的目的是使旋抛机有足够的能力 将积雪抛出，以免积雪堵塞旋抛机叶片。减速器采用二级齿轮传动，高速级采用斜齿轮传动，低速级采用圆锥齿轮传动。 3 动力传递路线是：牵引机车输出轴 万向联轴节 旋抛机驱动轴 减速器 螺旋铲驱动轴。 单纯的除雪设备具有极强的季节性，其使用效率极低，此清雪车的另一种用途是除沙，在我国的西北部地区，一年四季常受风沙的侵袭，高速公路和机场跑道积沙也是一件另人头疼的事情，如果采用此清雪车除沙也一定会达到另人满意的效果。此清雪车的另一优点在于，清雪机构与牵引机车采用活性连接，清雪车闲置时可将清雪机构卸下，牵引机车可另做它用。 本文主要内容 本文详细论述了清雪车的全部设计过程及方案论证。包括：螺旋铲各部分结构设计与计算；清雪机构减速器的设计、计算与校核；清雪机构旋抛机各部分结构的设计、计算与校核；以及出雪筒、万向轮和机架的设计及计算等。最后还对本设计进行了经济性 成本估算和环保分析。 4 第 2 章 螺旋铲结构设计 引言 采用机械设备清雪的目的是要高效低耗的完成清雪任务，为了能够不间断地快速把雪收起，我在本设计中采用了螺旋铲结构。螺旋铲的作用是将机车行进前方 2500度范围内的积雪收拢并不断送入旋抛 机。 螺旋铲结构及组成 螺旋铲由以下几部分组成：叶片、叶片支撑、套筒等。螺旋铲共有两个，对称安装在减速器两侧，动力由减速器输出轴经花键、传动盘、销轴联轴器传至螺旋铲套筒，螺旋铲套筒旋转并带动螺旋铲叶片支撑和叶片一起旋转，随着机车的不断前进螺旋铲不断地将机车前方的积雪收起并送入旋抛机，这样一来就能完成收雪任务。为了达到清雪彻底的目的，在螺旋铲叶片外侧还安装有 70的尼龙刷，尼龙刷随螺旋铲叶片一起旋转能将地面的浮雪扫起，这样一来就能达到清雪彻底的目的。 销轴联轴器的结构设计及计算 销轴联轴器的结构设计 在引言中我提及了销轴联轴器这个概念，销轴联轴器安装在传动盘与螺旋铲套筒之间，每个螺旋铲有两个销轴联轴器，相差 180 度对称布置。销轴联轴器的作用是：当清雪机正常工作时，它起到联轴器的作用 传递动力；如果清雪机在工作过程中螺旋铲碰到硬物过载或被积雪阻塞时它将被剪断，此时动力将不再传到螺旋铲，这样一来就能很好地保护清雪机的其他机构不被破坏 1。综上所述，销轴联轴器有落两个作用： (1)传递动力； (2)过载保护。 销轴的强度计算 由于销轴既要传递动力又要过载保护，所 以销轴在结构设计和选材上要兼顾二者、得以平衡。因此销轴材料选择优质碳素结构钢，其直径 =16用牌号： 20（ 其 b=410N/ s=245N/ 1. 按剪切强度计算 其许用剪切应力 为 2： 5 =s（ 5） 则： =245/5=49知 3： =Q/A (2式中： Q剪切面上的剪力（ N）； A剪切面的面积（ 许用剪切应力（ N/ Q=F/2 (2式中 Q剪切面上的剪力（ N）； F销轴的工作载荷（ N） 则有： =F/2A (2可知 4： T=Fd (2式中 T减速器轴传递的转距（ N/ F销轴的工作载荷（ N） d两销轴的距离（ 由式 (2： F=2A 由式（ 2知，当 =时，是销轴传递转矩最大且即将被剪断的临界时刻，此时有： F=2A =2 =492162/4 =式 上 代入式（ 2则有： T=Fd =20 =4334000：两销轴传递的最大转距为 4334000 由于： T=06P/n (2则有： P=Tn/(06) =4334000412/(06) =6 2. 按挤压强度计算 可知 3： b=P/A=P/b (2式中 P每个销轴受到的挤压力（ N）； A挤压面积（ N销轴的数目； T受挤压的长度（ D销轴的直径（ 则有： b=P/A=3317)=以此销轴联轴器可以安全可靠地传递动力，同时又能在外力过大时及时破坏，起到安全保护的作用 其它零部件设计 及选 衬套 衬套的作用是将减速器输出轴与螺旋铲套筒隔离开，它由耐磨的锡青铜（ 2制成，相当于滑动轴承的作用。清雪机正常工作时它不起作用，当清雪机过载而销轴联轴器被剪断时减速器输出轴与螺旋铲套筒脱离，此时减速器输出轴继续转动，而螺旋铲则停止转动，由于衬套的隔离作用，减速器输出轴、螺旋铲和衬套三者之间将发生相对滑动，从而可以避免损坏减速器输出轴或螺旋铲套筒。 螺旋铲支撑 螺旋铲支撑的作用是联结螺旋铲叶片和螺旋铲套筒，它由热轧等边角钢制成，型为：7（ 5。螺旋铲支撑的下端与螺旋铲套筒采用焊接方式连接，上端与螺旋铲叶片采用螺栓连接，这样做的目的是为了在螺旋铲叶片损坏时便于更换与维修。 螺旋铲叶片 螺旋铲叶片采用 70030钢板制成螺旋形、螺旋角为 30，故名螺旋铲。每个螺旋铲有 8 片叶片，每两片叶片由螺旋铲支撑连接在一起形成一个整体，即一组。再把它们按 90间隔焊接在螺旋铲套筒的圆周上，每个套筒焊接四组。在螺旋铲叶片外侧还安装有 70的尼龙刷，用来清扫地面上的浮雪。 7 花键连接及螺 栓的选用 减速器输出轴端部的传动花键选用渐开线花键，根据文献 5可知花键副，齿数 26、模数 5， 30圆齿跟内花键，公差等级 6 级、外花键公差等级 7 级，配合类别 H/h。标记为：花键副 6Z5m30R6H/7h 螺旋铲叶片支撑与螺旋铲叶片的连接螺栓根据文献 6选用 5 和 5（ 螺母选用 弹簧垫圈选用 (20。轴端挡圈处连接螺栓选用 0（ 弹簧垫圈选用 ( 8 第 3 章 减速器结构设计及计算 传动方案的选择 传动方案的制定 根据原动机输出轴与工作机的相互位置关系及外部尺寸的限制，可设计出多种传动方案供选择，现提出如下四种传动方案 : 带传动加一级圆锥齿轮减速器 : 优点：结构简单，带传动易加工、成本低，可吸震缓冲，应用较广泛。 缺点：外廓尺寸大，带的寿命短，需经常更换。 优点：结构简单，效率较高，应用较广泛。 缺点：外廓尺寸大，工作时有噪声。 优点：传动 比大，结构紧凑，传动平稳。 缺点：效率低，功率损失大，需用贵重的青铜制造蜗轮，成本高。 一级为斜齿轮，第二级为圆锥齿轮）： 优点：结构紧凑、简单，成本低，传动效率高，工作可靠，应用较广泛。 缺点：齿轮相对于轴承不对称布置，沿齿向载荷分布不均匀。 传动方案的确定 清雪机构对传动方案要求是： 应冬季室外工作条件，工作可靠，效率高。 廓尺寸小，制造与安装容易，使用与维护方便，成本低。 顺序布置合理，承载能力高，传动平稳。 综合考虑以上几个方面，决定采用前面提出的第四种方案，即：二级闭式齿轮减速器（第一级为斜齿轮，第二级为圆锥齿轮）。 9 传动装置的传动比分配及动力和运动参数的确定 传动装置的总传动比及分配 由于牵引机车的型号未定，目前暂定牵引机车的输出转速为 1000r/出功率为 80 马力（ 算。 参考国外同型号清雪车确定传动装置的总传动比为 i=一级斜齿轮的传动比为 二级锥齿轮的传动比为 。即： i= i1i 2。 确定传动装置中各轴的运动和动力参数 为使传动装置的结构紧凑，各轴的功率按牵引机车的工作功率 计算，而且各轴的功率和转矩按输入处计算 8。 将传动装置中各轴由高速至低速依次定为 轴、 轴、 ，相邻两轴间的传动比分别为 ，相邻两轴间的传动效率分别为 12、 23、 ，则按牵引机车输出轴至螺旋铲的运动传递路线推算出的各轴运动及动力参数如下： 牵引机车输出轴 1000r/ 轴（旋抛机轴和小斜齿轮 轴） n = 000r/ 轴 n = n /000/ 轴（螺旋铲轴） n = n / 牵引机车输出轴 (输出功率 ) 轴（旋抛机轴和小斜齿轮轴） P =承 = 轴 P = P 12= P 齿轮 轴承 = 轴（螺旋铲轴） P = P 23= P 齿轮 轴承 = 牵引机车输出轴（输出转矩） 06 06000=561540 轴（旋抛机轴和小斜齿轮轴） 10 T =61540 轴 T = T 轴（螺旋铲轴） T = T 将各轴的运动及动力参数计算结果整理于表 3。 表 3力参数计算 轴 名 功 率 P/ 速 n/(r/转 矩 T/（ N* 传动比 i 效 率 牵引机车输出轴 000 561540 1 轴 000 轴 轴（螺旋铲轴） 传动装置中传动零件的设计 斜齿圆柱齿轮设计 选择材料及热处理方式 小齿轮选 45 钢，调质处理，硬度 10 大齿轮选 45 钢，正火处理，硬度 70。 确定齿轮的许用应力 分别按的中间值 20 和 90，可知 8： 60 2000 70 ： F1=F=220/H1=H=560/F2=F=170/H2=H=400/几何参数的确定 参考国外同型号清雪车确定传动件几何参数如下： 7， 2， ， =102924， a=18011 分度圆直径为 d1=27/(924)=d2=32/(924)=为 b=aa=80=72取：小齿轮宽度 0齿轮宽度 2校核齿跟弯曲强度 载荷工作情况系数 载荷系数 向载荷的分布系数 以载荷系数 K=。可知 : : 924/(726227)=924/(726232)=见， F1， F2，故齿跟弯曲强度足够 。 验算圆周速度 v=0000=000/60000=s 所选 8 级齿轮精度是适合的（ 8 级斜齿圆柱齿轮的合适圆周速度 v10m/s）。 直齿圆锥齿轮设计 选择齿轮材料、热处理方式和精度等级 大、小齿轮均选用 45 号钢，小齿轮 1 调质处理，大齿轮 2 正火处理，齿面硬度1762，平均硬度 36， 90， 6 在 30间，故选用 8 级精度。 确定传动尺寸 参考国外同型号清雪车确定直齿圆锥齿轮几何参数如下： 已知： 1=26， 2=64， I=2/载系数 使用系数 ， 故 60000=0000=s。 按 8 级精度查得动载系数 R(2(向载荷分布系数 K= 分度圆直径 d1= 1=25， 1i=25 1 12 则 i=51/25=i/i=(在允许范围内。 m=1=4=取锥齿轮大端模数 m=62 1m=256=1502m=516=306 2得： R= 2 2 2 212d + d = 1 5 0 + 3 0 6= b=RR= b=52 d1/50/306=有： 1=26636 2=90036=635324 校核齿根弯曲疲劳强度 F=F (3式中各计算 参数： b、 m、 R 同前； t T / =2150 ( =S2 i/=1/=1/5/2/1/ 2得： F=F (3 13 弯曲疲劳极限应力 2070命系数： 全系数： F=20/176F=70/136 =26 ( =2m=516=306 R=1502+3062/2=b=RR= b=52 d1/50/306=有： 1=26636 2=90036=635324 校核齿根弯曲疲劳强度 F=F 式中各计算参数： b、 m、 R 同前； t， T / =2150(=S2 i/=1/=15 1/5/2/1/ 2，得： F=F 弯曲疲劳极限应力 2070命系数： 全系数： F=20/176F=70/136 =26( =只需校核轴承 。 2 e=为 ，所以此销轴联轴器可以安全可靠地传递动力，同时又能在外力过大时及时破坏，起到安全保护的作用。 旋抛机轴的设计及计算 已知旋抛机轴传递的功率 P=矩 T=速 n=1000r/ 选择轴的材料 因传递的功率不大，并对重量及结构尺寸无特殊要求，故选用常用材料 45 钢，调质处理。 确定轴径 根据实际情况，确定该轴为阶梯轴，参考国外同型号清雪车确定该轴的实际结构见图 4 其它零部件设计及选用 衬套 衬套的作用是将旋抛机轴与旋抛机轴套隔离开它由耐磨的锡青铜（ 2制成，相当于滑动轴承的作用。清雪机正常工作时它不起作用，当清雪机过载而销轴联轴器被剪断时旋抛机轴与旋抛机轴套脱离，此时旋抛机 轴继续转动，而旋抛机则停止转动，由于衬套的隔离作用，旋抛机轴、旋抛机和衬套三者之间将发生相对滑动，从而可以避免损坏旋抛机轴或旋抛机轴套 。 花键连接及螺栓的选用 旋抛机轴与减速器输入轴端部的传动花键选用渐开线花键，根据文献 5可知花键副，齿数 26、模数 5， 30圆齿跟内花键，公差等级 6 级、外花键公差等级 7 级，配合类别 H/h。标记为：花键副 6Z5m30R6H/7h 旋抛机叶片支撑与旋抛机叶片的连接螺栓根据文献 6选用 5（ 螺母选用 弹簧垫圈选用 (20。轴端挡圈处连接螺栓选用 24 0（ 弹簧垫圈选用 ( 黑龙江东方学院本科生毕业 设计 - 26 - 结 论 本文对清雪车的结构设计过程进行了详细的论证，达到了预期的目标，共完成了以下任务 : 1. 通过对前人工作的综合评述，提出了本清雪车的结构设计方案，其中螺旋铲和旋抛机的结构方案是本设计的亮点； 2. 通过对螺旋铲的结构设计及计算，确定了螺旋铲各部分结构及尺寸； 3. 通过对传动方案的提出及优缺点分析，确定了减速器的传动件结构，由 传动零件的设计及计算可知，此清雪机构的传动装置具有结构简单、紧凑，效率高，噪声小，成本低，工作可靠等优点； 4. 通过对旋抛机的结构设计及计算，确定了旋抛机的各部分结构及尺寸； 5. 参考国