小型除雪机机械创新设计.doc

机械创新设计课程作业 题 目： 小型便道除雪机的设计 机械创新设计机械创新设计-小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 目目 录录 一一. .摘摘 要要 . .3 3 二二、设设计计目目的的意意义义：. .4 4 2.1 课题研究目的： 4 2.2 课题研究的意义： 5 2.3 本课题国内外研究概况： 5 2.3.1 本课题国内外研究概况：5 2.3.2 国内外在这个方面的发展方向：6 2.2 路面冰雪清除机基本方案、原理 .10 三三、原原理理方方案案设设计计：. .1 11 1 3.1 功能分析： .11 3.2 求功能元解： .11 3.3 方案组合： .12 3.4 总体方案的几种组合及比较： .12 四四、机机构构设设计计（包包括括方方案案的的原原理理以以及及基基本本机机构构简简图图）：. .1 13 3 1 基本结构 .13 2 工作原理 .14 3 具体方案的确定 .15 设计车体.16 故故本本小小型型便便道道除除雪雪机机的的最最优优设设计计方方案案为为：a a1 1- -b b4 4- -c c2 2- -d d2 2- -e e2 2。 即即为为电电动动机机控控制制的的螺螺旋旋推推板板式式的的利利用用曲曲柄柄摇摇杆杆机机构构倒倒雪雪的的便便道道 除除雪雪机机。. .2 21 1 铲雪车的主要结构设计.22 五五、结结构构设设计计：. .2 24 4 小型清雪车的设计计算及校核.26 带传动计算.26 轴承寿命计算和润滑方式的选择.27 寿命计算.27 润滑方式的选择.29 轴的校核.29 三维造型、人机工程学应用和有限元分析.31 三维造型.31 小型便道除雪机整体造型.31 工作部分造型.31 机械创新设计机械创新设计-小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 行走部分造型.32 谢谢 辞辞 . .- - 1 1 - - 参参考考文文献献. .- - 2 2 - - 附附 录录 . .- - 3 3 - - 机械创新设计机械创新设计-小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 一.摘 要 我国北方冬季降雪 量大, 给各城市、园林、宾馆、别墅 、庭院的道路 , 机场跑道与场区路面, 林区运材道路 , 以及高速公路等的交通运愉工 作造成了极大困难和不便, 交通事故屡屡发生。为了及时清除路面上 的自然降雪 , 给交通运愉创造良好的安全条件, 减少交通事故的发生, 在我国，传统的除雪理念是雪停后才开始除雪，由于路面积雪大多不能 及时清理而被车辆碾压成实雪或冰，因此除雪对象实际上是压实雪。在 这种理念影响下，过去除雪机械的设计也主要是针对清除压实雪而开展 的，并研制出各种清除压实雪的机械设备。压实雪除雪机械设计技术难 度较大，设备制造成本较高，除净率低，工作效率低，绝大多数压实雪 除雪机需要大功率车辆作为配套动力，燃油消耗大，整套设备资金投入 大，动辄数十万元，难以大量推广应用。 总结多年的除雪经验和体会及对各种除雪方式的比较，笔者认为机械 化“实时除雪 ”才是科学合理的除雪方式。从工程学的角度看，积雪被 压实的过程需要消耗大量能量，雪被压实后再把它从地面上清除掉就要 加倍消耗更大的能量和更多的时间，从而造成很大的浪费。相比较而言， “实时除雪 ”所消耗的能量只有前者的几十分之一，是效率最高最省时 省力的除雪方法。目前欧、美等工业发达国家基本上都采用机械化 “实时除雪 ”技术。机械化 “实时除雪 ”技术实际上就是使用散雪除 雪机械在降雪过程中进行除雪，边下雪，边清除，多台除雪车保持一定 距离成梯形队伍排列循环清理路面，过往车辆可在除雪车之间穿梭绕行 而不影响交通，避免了积雪在路面停留时间过长而被碾压成实雪或冰。 开发适合我国国情的除雪机械, 探索与高速公路管理相适应的作业方 式, 将有着深远的意义。 机械创新设计机械创新设计-小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 二、设计目的意义：二、设计目的意义： 2.12.1 课题研究目的：课题研究目的： 中国北方大部分地区,每年有35个月的降雪期,道路积雪给交通运输及人民日 常生活带来许多困难,有时甚至阻断交通。近几年来高等级公路里程不断增加, 及时有效地清除路面积雪已成为亟待解决、刻不容缓的问题,这对于提高车辆的 运输效率、避免重大交通事故的发生,具有很大的社会经济效益。目前,国内除 雪作业多由人工或其它代用机械完成,其劳动强度大,作业效率低。进口外国先 进的除雪设备,造价高且不适合中国国情;而用其它的代用机械如平地机进行除 雪作业,则又浪费实用设备且对路面具有破坏性。所以,尽快开发出适合中国国 情的低成本、高效率、且宜大面积推广应用的除雪设备,是一项艰巨而紧迫的任 务。 2.22.2 课题研究的意义：课题研究的意义： 我国北方大部分地区,每年有很长的降雪期,道路积雪给交通运输及人民日常生 活带来许多不便。尤其冻结在道路上的积雪与薄冰,采用传统除雪机用推刮的办 法无法清除,为此不得不耗费大量人力物力进行人工铲除。采用机械方法清除是 一项急需解决的难题。就目前国内除雪机械来看,大多数功能单一,或只能清除 积雪、或只能破除积冰1。国外的除雪机功能较全,但结构复杂,造价昂贵,且 大多不适合国内的道路状况。因此开发研制适合我国道路情况的集破冰除雪于 一机的设备,具有十分重大的意义。国外的除雪机功能较全,但结构复杂,造价昂 贵,且大多不适合国内的道路状况。因此开发研制适合我国道路情况的集破冰除 雪于一机的设备,同样具有十分重大的意义。 2.32.3 本课题国内外研究概况：本课题国内外研究概况： 2.3.12.3.1 本课题国内外研究概况：本课题国内外研究概况： 目前，世界各个国家除冰雪的方法中，应用最普遍的是溶解法和机械法。 机械创新设计机械创新设计-小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 溶解法是依靠热作用或撒部化学药剂使冰雪融化。其优点是除净率高，但是它 的成本很高。而且容易造成环境污染。虽然环保型融雪药剂已经问世，对环境 和植被的影响减少了，但是并未彻底根除。因此使用范围受到一定限制。机械 法是通过机械作用直接作用解除冰雪危害。虽然除净率较低，但是对环境和植 被无任何影响。能实现冰雪的异地转移。应用范围比较广。因此，笔者认为： 清除冰雪必须以机械法为主，以溶解法为辅助，才能达到快速和环保的除雪效 果。 我国对除雪机械的开发、生产都比较晚，因此还处于起步阶段。目前，我 国的城市道路和公路冬季除雪大部分仍沿用传统的养护方式，即人工作业和小 型的除雪机械相结合的方式。高速公路和一级公路开始使用大型专用除雪机械， 进行冬季养护。但是，除雪机械在数量和品种规格上还很少，所以除雪设备大 部分依赖进口。机械化程度和总体水平远远落后于发达国家。只是最近几年国 内的厂家才参照国外的先进技术研制了适合我国国情的除雪机械。国内的除雪 机械虽然有了很大的发展，但其总体水平与发达国家相比，产品品种及性能都 还有很大差距。适应不了我国高速公路的发展的需求，主要体现在以下几个方 面： 1)技术水平低，除雪机械在结构设计、制造工艺、零部件供应和使用管理等方 面都存在技术水平低的问题。致使除雪机械可靠性差、故障多、寿命短。 2)功能单一。除雪机械具有明显的季节性，如果功能单一，只能用做除雪和除 冰专用，那么，机械一年中大部分时间处于闲置状态，大大增加了除雪的成本。 加重了公路养护部门的负担。 3)品种类型不全。与国外相比，现在有不少除冰雪机械在国内还是一片空白。 现有的除冰雪机械无法满足公路和大型机场的除冰雪的要求。 2.3.2 国内外在这个方面的发展方向： (1) 加强对雪质、雪性的基础研究。 为了提高除冰雪机械的设计水平，需要对冰雪的力学性质和物理特性进行深入 研究。特别是对压实冰雪的理论研究。据有关资料研究：东北地区压实冰雪占 总的除雪任务的80%以上。 机械创新设计机械创新设计-小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 (2) 向一机多能和机电液一体化方向发展。 在现有的条件下，可以对汽车、拖拉机、装载机和推土机等设备进行改装，冬 季降雪时用来除冰雪作业，其余时间可用来进行公路养护和其他作业。可以提 高设备的利用率。采用机械、电子、液压等技术提高除雪机械的科技含量，减 轻工人的劳动强度。 (3) 向大型、小型和高速方向发展。 我国的地理环境复杂，各个城市道路建设布局各异，冬季降雪情况不同，在除 雪设备的选取上也不尽相同，因此要开发出大型、小型的各种除冰雪机械，以 满足 不同地区和工况的除冰雪要求。同时要开发出效率高的机械，避免除雪作业造 成路面交通拥挤。例如，东北有些城市规定：对于市区内主干道，雪停止24h后 需运出城市外。 (4) 加强行业间的技术交流与合作。走共同研发之路。 各个厂家根据自己的实际情况开发出的产品各有优缺点，为了加快除冰雪机械 的开发和应用，应加强企业间的合作，集中财力、物力和人力走共同发展之路， 实现除冰雪的机械化。 冰雪的物理机械性质冰雪的物理机械性质 路面冰雪清除机械的行走机构以及清除冰雪的工作装置与路面上的冰雪相 接触。冰雪的形成特性及其物理机械性质在相当大的程度上决定着清除路面上 冰雪的方法，要研究行走机构和工作装置与冰雪的相互作用关系，首先要分析 冰雪的物理机械性质。 冰雪的基本特征之一是它的密度，其变化范围很大，如表 2.1 所示。硬度 是雪的物理机械性质的主要指标之一，表示冰雪阻止其它物体压入的特性，其 数值是根据它的密度和状态决定的，如表 2.2 所示。雪的硬度、密度和温度之 间存在着如图 2.1 所示的关系，温度愈低，硬度愈高；密度愈大，硬度愈高4。 后面对路面冰雪清除机的工作阻力以及牵引力进行计算时，需要知道雪的 机械性质，表示雪的机械性质的指标通常是内外滑动摩擦系数、切削阻力系数、 附着系数和行驶阻力系数。 机械创新设计机械创新设计-小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 2.22.2 雪的密度雪的密度 雪 的 状 态密 度（g/cm3） 新下的雪 落下 30 天的雪 大于 30 天的雪 密实的雪 冰雪混合 冰 0.100.15 0.200.30 0.340.42 0.400.60 0.600.75 0.90 雪的摩擦性质决定于它的内外摩擦系数。根据雪的状态，它的内外摩擦 系 数分别列于表 2.3 和表 2.4。 表示雪的切削阻力的指标，一般是用切削阻力系数 k0，它是切断横断面等 于 1的冰雪层所必需的力，k0的大小载入表 2.5 中。 路面上积雪之后，大大地改变了路面的使用特性。对于冬季养护道路的机 器进行牵引计算时，必须知道机器沿着各种冰雪路面行走时的滚动阻力系数和 附着系数。轮胎与冰雪路面间的附着系数载入表 2.6。 c 行驶阻力系数，一般较外摩擦系数大，因为它不仅产生摩擦，而且还挤压 雪。轮式和履带式车辆的行驶阻力系数按表 2.7 选取。 2.2 雪的硬度 雪的状态雪的密度 （g/cm3） 当温度由-1-20oc 时雪的 硬度（kpa） 松 软 的 弱密实的 密 实 的 很密实的 小于 0.25 0.260.35 0.360.50 0.510.60 小于 50 60100 2102000 3803000 机械创新设计机械创新设计-小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 图 2.1 雪的硬度与密度和温度的关系 2.2 路面冰雪清除机基本方案、原理 对于路面冰雪的清除，人们曾尝试了各种清除原理和方案，这些原理和方 案有的已在实际中使用，有的则还在探索和完善中。例如，对于清除未被压实 的浮雪，犁式清雪机和转子式清雪机已在应用中，二者分别采用了推移和旋切 的原理。对于被压实的雪、冰或冰雪混合物，采用的清除原理有铲剁、锤击、 等，但这些方法经实验证明要么原理不完善，要么清除压实冰雪的效果不，有 待于进一步完善。 针对上述情况，本文尝试提出了一种对路面上压实的冰雪进行挤压、切削、 破碎的技术原理。这一思想的来源可联想到金属切削加工，如铣床的铣刀切削 表 2.3 内摩擦系数 2 雪 的 温 度（oc）雪的密度 （g/ 3） 0 附近-1 -6-10 以下 0.12 0.20 0.30 0.40 0.47 0.56 0.24 0.30 0.35 0.40 0.42 0.45 0.29 0.33 0.39 0.44 0.47 0.50 0.34 0.36 0.46 0.50 0.53 0.57 表 2.4 外摩擦系数（对钢）1 雪 的 温 度（oc） 雪的密度 （g/3）-2-4 -16 -30 - 10 0.1 0.2 0.10 0.085 0.14 0.097 0.18 0.11 机械创新设计机械创新设计-小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 0.3 0.4 0.45 0.50 0.07 0.055 0.048 0.025 0.08 0.065 0.048 0.033 0.09 0.075 0.056 0.040 加工金属件。根据这一思想，确定基本方案 三、原理方案设计：三、原理方案设计： 3.13.1 功能分析：功能分析： 道路除雪道路除雪 3.23.2 求功能元解：求功能元解： 探索功能元解并列出形态学矩阵综合表，如下表所示： 小型便道除雪机的形态学矩阵综合表小型便道除雪机的形态学矩阵综合表 功能元解功能元解 功能元功能元 1 12 23 34 45 5 a a 动力源动力源电动机汽油机柴油机液动机气动马达 b b 尖端汇集雪尖端汇集雪直立推板曲形推板弧线推板螺旋推板 前端铲雪 驱动（尖端铲雪、平板推雪） 堆积（旋转清扫） 取放（融雪剂融化） 后端存雪 和清除 驱动 传动 移位 复位 机械创新设计机械创新设计-小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 c c 中端存雪中端存雪融雪剂融化收雪槽存储燕尾槽收集 d d 移位移位齿轮传动曲柄摇杆机构传送带传动拉杆传动 e e 放物放物倾斜倒出气动倒出液压倒出 3.3 方案组合： 可能组合的方案数 n 为 n=5*4*3*4*3=720 所以得出的五个方案为： a1-b1-c1-d1-e1； a2-b1-c3-d2-e2； a5-b3-c3-d2-e2； a4-b3-c1-d1-e3； a1-b4-c2-d2-e2。 3.43.4 总体方案的几种组合及比较：总体方案的几种组合及比较： 方案一：方案一：利用吹风和融雪剂的方式，从鼓风机里吹出的高速气流将积雪吹到路 边，将融雪剂喷洒到雪上，进行雪的融化。吹雪式清雪车运行速度较高，有很 高的生产率，但它只适用于新鲜雪，对于压实的积雪或冰层无能为力，只能在 机场、桥梁和高速路上应用，成本很高，不适合开发小型产品。 方案二：方案二：利用一个置于清雪车前部的铲子，随着清雪车的不断前进，将积雪推 至路的一边。推移式清雪车只能将积雪推到路边，不具备集雪能力，且只适用 于新鲜雪或破碎后的压实雪，效率较低，容易划伤地面。 方案三：方案三：通过气动马达装置进行动力传输，利用弧线形推板将雪堆积起来，将 雪通过传输装置传送到燕尾槽并且通过齿轮传动装置将雪及时传到相应的便道 机械创新设计机械创新设计-小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 两边，并通过后续的推雪步骤进行将余雪铲除。由于本方案中的传动装置以及 积雪装置无法及时使道路上的雪清除并且不能起到根本性的清雪。 方案四：方案四：本方案通过采用液压马达进行前端积雪的蓄积和积雪的融化和传动过 程来实现，但其存在融雪剂释放时间不同，以及续集积雪所产生的阻力和积雪 处于半融化状态的无法除尽的缺点，因为本次设计是主要针对居家以及小型的 道路设计的简洁除雪机，需要考虑道路的宽度以及融雪剂是否能够完全融化而 不产生道路积水堵塞的现象。因为融雪剂融化时会产生冰雪融化成水的过程， 会产生比较多的积水，本方案可能会产生锈蚀或者其他影响机器可用性的问题。 故此方案的某一结构欠佳。 方案五：方案五：利用机械传动的方式，由集雪器先将积雪搅碎，并输送至一个方形积 雪槽，将其收集好，等到一次或积雪槽已经积满雪时，利用气动传动装置将装 雪装置弹出并把雪堆放到合理的地方。螺旋转子式清雪车适用范围广，无论是 松散雪、压实雪清雪效果和效率要比前四种方案好，而且通过螺旋转子的清雪 将清除的雪通过内部的曲柄摇杆急回机构将存雪槽通过移动副快速且稳定地将 雪倒出，并且一次性将雪移动到指定地点。避免了以往除雪机只是将雪从当前 位置吹到两边，那种除雪机仅仅适用于大型道路以及对道路两边路面质量系数 要求不高的地方，而我们现在是针对与小型道路的除雪机应该更加袖珍化，实 用化，节省资源为主。而且这种方案设计，设计出的产品体积小、成本低、操 作方便灵活，适用于道路窄的地方。因此选用第五种方案。 故本小型便道除雪机的最优设计方案为：故本小型便道除雪机的最优设计方案为：a1-b4-c2-d2-e2a1-b4-c2-d2-e2。即为电动机控制的。即为电动机控制的 螺旋推板式的利用曲柄摇杆机构倒雪的便道除雪机。螺旋推板式的利用曲柄摇杆机构倒雪的便道除雪机。 四、机构设计（包括方案的原理以及基本机构简图）：四、机构设计（包括方案的原理以及基本机构简图）： 最优方案的机构设计：小型机械转子式清雪机工作原理简述最优方案的机构设计：小型机械转子式清雪机工作原理简述 1 1 基本结构基本结构 螺旋转子式清雪机的结构，主要由原动机、传动装置、抛雪器、集雪器和 车体等五个部件组成:(1)原动机，通常选用汽油机，提供动力(2)传动装置，传 机械创新设计机械创新设计-小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 递运动（3）集雪器，由集雪螺旋、挡板和推雪板等组成(4)抛雪器，由抛雪筒、 抛雪转子等组成;(5)车体及行走装置，支撑连接其它部件，并具备行走功能。 集雪器收集切削积雪，并将处理后的积雪送入抛雪器。抛雪器将积雪沿抛雪筒 抛掷到指定位置。 图 1 清雪机的结构示意图 2 2 工作原理工作原理 清雪车由车体和安装在它上面的原动机、传动装置、集雪器以及安装在集 雪器上的抛雪器组成。当人以一定速度推动小车时，积雪从前方不断进入集雪 器中，集雪器由反向安装的双向螺旋轴、推雪板和挡板组成，由于螺旋轴的高 速旋转，积雪被切碎并通过双向螺旋的横向位移迅速集中于集雪器中部抛雪转 子室的入口处，随车体的前进而进入转子室，在转子叶片的带动下，被不断沿 抛雪筒抛出到指定位置。 机构传动方案设计原理图： 采用曲柄摇杆急回机构机构进行设计积雪传动方案： 机械创新设计机械创新设计-小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 考虑了机械原理中很多种移动副，最终结合除雪机中内部装置应简化给存 雪保证大量的空间，故选择了低运动副即摇杆滑块机构。 3 3 具体方案的确定具体方案的确定 原动机的选择原动机的选择 动力采用微型发动机，根据除雪所消耗的功率选用汽油机，详细参数如下： 表一 km178f（a）汽油机 型号km178f（a） 型式立式、单缸、四冲程、风冷、直喷式 缸径*行程 mm 7862 活塞排量 l 0.296 功率 kw 3.68 起动方式反冲式手拉起动或电起动 油箱容量 l 3.5 净重 kg 33 发动机转速 r/min 3000 外形尺寸 mm 385420450 传动方式的选择传动方式的选择 首先由一个带传动将汽油机输出，传递到中间传动轴。传动轴一部分通过 同级带传动传动到单级圆锥齿轮减速器处，通过联轴器与抛雪转子相连。另一 机械创新设计机械创新设计-小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 部分通过链传动与集雪绞龙连接。人推动清雪机向前运动清雪。 图 2 小型清雪机的结构视图 1.清雪铲 2.抛雪筒 3.传动系统 4.发动机 5.扶手 6.机架 7.小车轮 8.大车轮 设计车体 车体的作用是固定连接集雪器、汽油机等零部件，并具备行走功能。其主 体采用 r=5mm 的角钢焊制而成，并包括扶手，车轮等附件。车体前段用螺栓固 定连接集雪器，汽油机和减速器直接固定在机架上，汽油机后置减少自重。机 架由车轮轴载重，前部设计两个小车轮分担一部分重量。 集雪器的设计集雪器的设计 集雪器亦称为螺旋集雪器，配置在整机前方，左右对称旋向相反，是对路 面积雪的切削元件和将积雪向中央集拢的传送工具，使雪从集雪器中部流入抛 雪转子。 图 3 小型清雪机螺旋绞龙 机械创新设计机械创新设计-小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 抛雪转子的设计抛雪转子的设计 螺旋集雪器配置在整机前方, 左右对称旋向相反, 是对路面集雪的切削元 件和将积雪向中央集拢的传送工具, 使雪从集雪器中部流人抛雪转子。抛雪转 子的工作过程, 可比作叶片式鼓风机, 而将雪看作小颗粒工质。积雪经螺旋集 雪器传送到转子前方, 由于高速旋转着的转子产生内外气流速度压力差的作用, 使积雪进人高速旋转的转子中, 并迅速充满转子叶片间的空间。进入转子的雪 在离心力的作用下, 沿转子径向叶片端部运动, 并被推压到转子壳体内的圆弧 表面, 随转子叶片作旋转运动, 到达抛雪口时便被抛出。转子壳体内表面上的 雪抛出速度, 等于叶片顶部的圆周速度。其他雪粒沿径向移动, 从转子抛出的 绝对速度等于其出口时的径向速度和叶片顶部圆周速度的矢量和。主要参数有 叶片卸载角、叶片外径 r 和工作长度、转子抛雪生产能力 qt 和抛雪距离 x g t l。 图 4 抛雪转子示意图 转子卸载角，=1.1, 2 1 (1) 41 xm m arctga a 式中 -系数，考虑雪的重量及雪与叶片间的摩擦力的影响，可近似取 m a =0.8-0.9，取=0.9 1 1 1 m a m a 表 2 外摩擦阻力系数 1 机械创新设计机械创新设计-小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 +2-1 -4 -16-30 0.1 0.3 0.5 0.55 0.18 0.09 0.04 0.03 0.1 0.07 0.025 0.015 0.14 0.08 0.33 0.21 转子外径 r 取决于给定的生产率和转子叶片顶部的圆周速度, 也要考虑雪在叶 片间的充填程度。 机架机架 本次设计中，机架的设计主要是配 合着其他部件的装配尺寸，通过用角钢 焊接而成的。其外形结构如下图所示： 图 5 机架 基本结构基本结构 方案五：利用机械传动的方式方案五：利用机械传动的方式 目前小型机械式清雪车主要由原动机、传动装置、集雪装置、抛雪装置、 行走系统和操作系统组成。原动机可以采用电机或发动机，目前大多采用汽油 机或柴油机；集雪装置用来收集积雪，主要采用推雪铲或螺旋状搅龙；抛雪装 置是将收集的积雪抛到路的一侧或收集装置中。主要的方式有抛雪叶轮和鼓风 机两种；行走装置是来实现机器的前进，有手推式和自走式两种；操作装置主 要控制设备的运转和行进方向。 机械创新设计机械创新设计-小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 工作原理工作原理 工作时由原动机提供动力，经由蜗轮蜗杆传动或带传动将动力传递到工作 部分和行走系统。积雪由集雪装置收集到一个腔体内，再由抛雪装置清除出机 体，抛雪叶轮利用高速旋转时的离心力将积雪抛出；鼓风机利用气流将积雪吹 出。这样在人力推动(手推式)或原动机带动(自走式)下，清雪车不断前进，就 能实现连续的清除积雪。小型机械式清雪车结构示意图如下： 原动机原动机 传动装置传动装置 车架车架 行走装置行走装置 抛雪抛雪 装置装置 集雪集雪 装置装置 积雪积雪 图 2-1 小型旋转式清雪车结构示意图 具体方案的确定以及机构传动机构的设计： 功能求解列出功能元解形态学矩阵功能求解列出功能元解形态学矩阵 形形 态态 因因 素素 123 a 集雪器的材料铁片钢片合金 b 集雪器的形状螺旋状搅龙推雪铲单向犁 c 集雪器的大小大中小 d 工人人在空间的状态坐车驾驶驾驶站这推 e 将雪抛出抛雪叶轮鼓风机输送带 f 除雪机的动力柴油电动人力加电动 机械创新设计机械创新设计-小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 原动机的选择原动机的选择 动力采用微型发动机，本课题的设计需求大约是每小时扫雪量为 1000， 以积雪平均密度为 250/,积雪厚度以 30cm 计算，那么每小时扫雪量为： 3 m 1.00.3m250/7.5kg 3 10 3 m 4 10 在抛雪轮的作用下，设计最大抛雪高度为 4m，那么排雪消耗的功率为： mght7.5 kg10n/kg4m3600s=833w 4 10 集雪搅龙在积雪的作用下阻力矩 m=20nm,那么集雪搅龙消耗的功率为： 20nm23.1410r/s=1256w,其中 10r/s 是搅龙转速。 估计整机重量为 200kg，与路面的摩擦系数取 0.2,前进速度约为 1m/s, 那么前 进消耗的功率为：200 kg10n/kg0.21m/s=400w 整机消耗的功率为：833w+1256w+400w=2.49kw 在这一设计要求下，对动力源选型，考虑到清雪车在工作时可能遇到踏实的积 雪，故选用功率稍大的发动机，以满足不同工作状况下需要。选用无锡凯马动 力有限公司生产的 km170f 汽油机，详细参数如下： 型号 km170f 型式单缸立式四冲程风冷直喷式柴油 机 缸径*行程 mm 7055 活塞排量 cc 211 机械创新设计机械创新设计-小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 发动机转速 r/min 3600 功率 kw 3.6 起动方式手拉起动/电起动 油箱容量 l 2.5 净重 kg 27 外形尺寸 mm 332384416 表 2-1 km170f 汽油机参数 传动方式的选择传动方式的选择 首先由一个带传动将动力由汽油机传出，向前通过一个蜗轮蜗杆传到工作 装置，向后通过一个蜗轮蜗杆传到行走系统。结构简图如下： 图 2-2 小型清雪车结构简图 1. 搅龙 2. 清雪铲 3. 抛雪筒 4. 传动系统 5. 发动机 6. 操作装置 7. 车轮 8. 车架 9. 抛雪轮 集雪装置设计集雪装置设计 本设计采用带状螺旋集雪轮，这样的设计能对集雪有很好的破碎作用，同 时又不容易发生堵塞。基本结构如下： 机械创新设计机械创新设计-小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 图 2-3 带状螺旋集雪轮简图 以上形式的集雪装置把切雪、集雪、运雪三大功能于一身，具有很好的效果。 其中左边搅龙左旋，右边搅龙右旋，这样积雪所受的力指向两个搅龙的中间部 位，使积雪较容易的进入后面比清雪铲要窄的抛雪室内。 故本小型便道除雪机的最优设计方案为：故本小型便道除雪机的最优设计方案为：a1-b4-c2-d2-e2a1-b4-c2-d2-e2。即为电动机控制的。即为电动机控制的 螺旋推板式的利用曲柄摇杆机构倒雪的便道除雪机。螺旋推板式的利用曲柄摇杆机构倒雪的便道除雪机。 铲雪车的主要结构设计铲雪车的主要结构设计 4.4. 1 1 破冰辊的设计破冰辊的设计 铲刀前面作用在冰雪层上的力有法向力和摩擦阻力 ,该二力的合力在 x、y 方向分解为两个力,x 方向的力与铲刀前进方向一致，起挤压路面冰雪层的作用， y 方向的力起使其与路面剪切分离的作用，与铲刀前进方向垂直，使与路面分 离的冰雪产生张力，并在内部产生弯曲应力而脆断。图 3 为铲刀受力图。 设计铲刀时，必须使其满足一定的切削性能和力学性能的要求，减少切削阻 力和铲刃磨损，降低能量消耗，延长铲刃的使用寿命，并有利于提高清除率。 为了提高除雪机对雪层厚度的适应能力，破冰辊上的刀片设计为能进行机械调 节，以便改变与地面的接触高度，在破冰的同时不损伤地面。 破冰辊的作用是 将雪层从路面上剥离，其结构形式为：一系列的刀片沿径向均布于主轴圆周上， 并与 主轴上的辐板铰接;在轴向上，并排地分布着多排这样的与辐板铰接的刀片，以 形成一定的除雪幅宽。工作时刀片除与主轴一起转动外，还可绕铰链在一定角 度内摆动，刀片靠扭力弹簧保持其径向固定位置。除雪作业时，刀辊主轴以一 机械创新设计机械创新设计-小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 定的转速旋转，同时以速煌度:。前进，这就使分布在主轴圆周上的刀片依次敲 击雪 层然后刮擦，使雪层与路面剥离。当遇有路面凸起或阻力过大时，刀片就克服 弹簧阻力绕铰链摆动一定的角度，实现避让障碍的动作，从而自动适应路面， 起到保护路面的作用。图 4 为破冰辊结构示意图。 机械创新设计机械创新设计-小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 4.4. 2 2 主要参数的确定及计算实例主要参数的确定及计算实例 (1)取车速:。=10 km/ h 。 ( 2)刀具所在圆周直径取 d= 500 mm 时，结构上允许其圆上分布 z= 14 个刀片。 ( 3)据人工除雪经验，两次敲击的间距小于 40 mm 时才能保证除雪质量。 ( 4)据上述条件可计算出刀辊所应具备的转速 n= 297. 6 r/ min。 ( 5)刀具对地面的敲击力度可用动量来表示: p 刀=m x v 经计算 v= 5 m/ s，代入式(2)，则 p 刀=2x5=10 kgm/ s ( 6)人力除雪时，设铁锹对地面的作用力 f= 100n, m= 2 kg 的铁锹经 s=250 mm 距离撞击地面，其加速度和作用时间分别为 a= 50 m/ sz, t= 0. 1 s，则撞 击 速度:=at= 5 m/ s。那么人工除雪铁锹对路面的作用力度为: p 人=m x v =10 kgm/ s 经上述计算说明辊刀对地面作用力与人力相仿实际工作时我们可通过控制刀 片质量、弹簧扭力、刀辊转速、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。 五、结构设计：五、结构设计： 根据第四部分对除雪机的内部机械结构的设计，以及曲柄摇杆机构的设计，最 终根据以上两个能够真正实现的方案进行进一步的比较，得出最优方案的机构 设计，并对此进行结构的强度校核以及其他参数的计算和二维内部结构剖面图、 三维模拟图形的绘制。 首先由一个带传动将动力由汽油机传出，向前通过一个蜗轮蜗杆传到工作 装置，向后通过一个蜗轮蜗杆传到行走系统。结构简图如下： 机械创新设计机械创新设计-小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 小型清雪车结构简图 1. 搅龙 2. 清雪铲 3. 抛雪筒 4. 传动系统 5. 发动机 6. 操作装置 7. 车轮 8. 车架 9. 抛雪轮 集雪装置设计集雪装置设计 本设计采用带状螺旋集雪轮，这样的设计能对集雪有很好的破碎作用，同 时又不容易发生堵塞。基本结构如下： 带状螺旋集雪轮简图 以上形式的集雪装置把切雪、集雪、运雪三大功能于一身，具有很好的效 果。其中左边搅龙左旋，右边搅龙右旋，这样积雪所受的力指向两个搅龙的中 间部位，使积雪较容易的进入后面比清雪铲要窄的抛雪室内。 小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 小型清雪车的设计计算及校核小型清雪车的设计计算及校核 带传动计算带传动计算 发动机输出功率 p=3.6kw, i=1.8 1确定计算功率 ca p 由于载荷变动微小，因此取=1.0 则=p=1.03.6kw=3.6kw a k ca p a k 式中计算功率，单位为 kw； ca p 工作情况系数； a k p传递的额定功率。 2选择带型 由=3.6kw,小带轮转速=3600r/min,选择 a 型带。 ca p 1 n 3确定带轮的基准直径和 1d d 2d d 1 ) 初选小带轮的基准直径=80mm， 1d d 则大带轮的基准直径=i=1.880=144mm 查表取=140mm 2d d 1d d 2d d 2 ) 验算带速 v=3.1480mm3600r/min=15.072m/s35m/s, 11n dd 4确定中心距 a 和带的基准长度 d l 根据 o.7(+)2(+)得 1d d 2d d 0 a 1d d 2d d 初步确定 a=300mm, 基准长度 =948.4mm 公式（3- 1） 取=900mm d l 实际中心距 a=+ 0 a =275.8mm 5验算主动轮上的包角 1 =180- 1 57.5=167.49120 包角合适。 6确定带的数 z z= 公式（3- 2） 取=1.64；=0.5；=0.98；=0.87, 则 z=1.82 0 p 0 p k l k a dd dd )( 12 0 2 2221 0 4 )( 2 )( 2 a dddd al dddd d 2 d d ll l kkpp ca p )( 00 小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 取 z=2 式中考虑包角不同时的影响系数； k 考虑带的长度不同时的影响系数； l k 单根 a 带的基本额定功率； 0 p 计入传动比的影响时，单根 a 型带额定功率的增量。 0 p 7确定带的预紧力 0 f 公式（3- 3） 带入数据计算得=115.33n 0 f 8计算带传动作用在轴上的力 p f =2zcos=2zcos(/2/2) p f 0 f2/ 0 f 1 =22115.33nsin(167.49/2) =458.59n 式中 z带的根数； 单根带是预紧力； 0 f 主带轮上的包角。 1 轴承寿命计算和润滑方式的选择轴承寿命计算和润滑方式的选择 寿命计算寿命计算 输入功率 p=3.6kw，带传动效率=0.97,传动比 i=1.8 由于轴 1 上的一对深沟球轴承转速最高，故要对其进行寿命计算,设计寿命 。所受的径向力为带轮作用在轴上的力=458.59n。hlh10000 r f p f n n p t 3 . 16674 8 . 1 3600 97 . 0 6 . 3 1055 . 9 1055 . 9 66 圆周力n d t ft59.231 144 3 . 1667422 2 图 3-1 2 0 ) 1 5 . 2 (500qv kzv p f ca 小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 图 3-2 1求两轴承受到的径向载荷和 1r f 2r f 将轴系部件受到的空间力系分解为铅垂面（图 3-1）和水平面（图 3-2）两 个平面力系，带轮安装于两轴承的中心位置。其中 =229.3n vr f 1vr f 2 2 r f 2 458.59 =115.8n hr f 1hr f 2 2 t f 2 59.231 则 = 1r fnffhrvr88.2561 2 1 2 = 2r fnffhrvr 8 . 2562 2 2 2 轴向上没有受力，所以0 21 aa ff 2求轴承的当量动载荷和 1 p 2 p 因为 0 1 1 r a f f 1 e0 2 2 r a f f 2 e 式中、为判断系数，其值大于 0。 1 e 2 e 则对轴承 1 =01 1 x 1 y 对轴承 2 =01 2 x 2 y 3验算轴承寿命 由于轻微冲击，取=1.1 p f nfyfxfp arp 88.256)( 11111 nfyfxfp arp 88.256)( 22222 由于=，所以两个轴承的寿命一样。只需计算其中一个，深沟球轴承 1 p 2 p =，查得深沟球轴承的基本额定动载荷 c=19.5kn,则轴承寿命为： 3 10 h p c n lh 7 3 10 6 1 6 105 . 1) 88.256 19500 ( 200060 10 )( 60 10 hlh10000 故满足要求。 小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 润滑方式的选择润滑方式的选择 在本设计所应用的轴承中，蜗杆传动箱体内的圆锥滚子轴承 30203 和圆锥 滚子轴承 30206 采用油润滑。对于其它轴承由于转速不高，故采用脂润滑。其 中传动轴轴 1（见小型清雪车装配图）上的两个深沟球轴承 60206 的转速最 高，因此只计算此对轴承的 dn 值。 一般用滚动轴承的 dn 值（d 为滚动轴承的内径，单位为 mm；n 为轴承转速， 单位为 r/min）来选择轴承的润滑方式。查得深沟球轴承 60206 的内径 d=30mm，轴 1 的转速 n=2000r/min，适用于深沟球轴承脂润滑的 dn 值界限是 16 。 4 10 对于此对轴承 dn=30mm2000r/min=616。 4 10 4 10 故可以采用脂润滑。 轴的校核轴的校核 由于工作装置中蜗杆轴（见小型清雪车装配图）直径最小，而且跨度最大， 因此要进行必要的校核计算。 由发动机传向工作部分的功率 p=3kw,效率=0.8，转速 n=2000r/min。 1求蜗杆轴上的功率和转距 2 p 2 t =p=3kw0.8=2.4kw 2 p nmm n p t11460 2000 4 . 2 1055 . 9 1055 . 9 626 2 2求作用在蜗杆上的力 已知蜗杆的分度圆直径=22.4mm 1 d 而 = 1 2 2 d t ftn 6 . 511 4 . 22 11460 nff n tr 5 . 186 18 . 3 cos 20tan 6 . 511 cos tan nff ta 4 . 2818 . 3 tan 6 . 511tan 圆周力、径向力和轴向力的方向如下图所示： t f r f a f 图 3-3 蜗杆受力示意图 小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 其中=50mm , =465mm。 1 l 2 l 3初步确定轴的最小直径 轴的材料是 45 钢，调质处理。取=112，于是得 0 a mm n p ad 9 . 11 2000 4 . 2 112 2 3 0min 轴上直径最小的地方是左端安装轴承处，其直径为 17mm。 4求轴上载荷 从轴的结构图上可以看出蜗杆部分中间位置是最危险的截面，计算其 m、 和列于下表。 h m v m 载荷水平面 h垂直面 v 支反力 f =462n =50n 1nh f 2nh f=169n =18n 1nv f 2nv f 弯矩 m =23100nmm h m=8450nmm =8132nmm 1v m 2v m 总弯矩 =24597nmm 1 m 22 845023100 =24490 2 m 22 813223100 扭矩 t =11460n 2 t 表 3-1 5.按弯扭合成应力校核轴的强度 取=0.6,轴上的计算应力 mpa w tm ca 45 . 7 701 . 0 )114606 . 0(24597)( 3 222 2 1 2 轴的材料为 45 钢，调质处理，查得=60mpa。 1 因此，故安全。 ca 1 小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 三维造型、人机工程学应用和有限元分析三维造型、人机工程学应用和有限元分析 三维造型三维造型 小型便道除雪机整体造型小型便道除雪机整体造型 整体造型图 工作部分造型工作部分造型 螺旋滚子图 小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 行走部分造型行走部分造型 轮子三维图 人机工程学的应用 根据人机学原理，人要在各种环境中，使用工具、操作机器。人和机器及 周围的环境句构成了一个系统，人机学就是从系统论的观点来研究人（操作者 和使用者）机器（包括人操作和使用的机器工具，设备几工程系统）环境 （人操作和机器工作的环境）所组成的系统，组成三要素及其相互关系。它研 究的重点是人，从人的生理和心理特征来考虑，使系统中的三要素相协调，以 便促进人的身心健康，提高人的工作效率。 图 5-4 在本设计中，由于人的身高不同，所以在操作本清雪车时，对扶手的高度 要求也不一样，因此要考虑扶手要能调节，而且结构不能太复杂。本设计中采 用一种简单易行的办法对扶手进行调节。如上图所示。通过扶手末端和车架相 连，调节高度时，先松开螺栓，进行调节到合适的高度，再拧紧螺栓，这种方 小型便道除雪机设计小型便道除雪机设计 法简洁方便，而且成本低。成年人的身高大约从 1.5m 到 2m 不等。可调节的最 大高度从 1.2m 到 0.8m，方便一般人的操作。 有限元分析 solid edge 是十分实用的三维设计软件，应用此软件可以对零件进行有限 元分析，并导出分析报告。方便设计人员对设计的零件进行校核检验。本设计 中对抛雪轮进行了有限元分析，并导出分析报告，结果如下： 1. 材料属性 材料名称钢 质量密度 7833.000 kg/m3 杨氏模量 199947953.000 kpa 泊松比 .290 热膨胀系数 .0000 /c 导热率 .032 kw/m-c 屈服强