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摘 要 I 破冰除雪机的设计 摘 要 除雪机械可应用于各种积雪的路面，由于我国北方地区特殊的气候，冬季降雪较多，对北方冬季交通和人民日常生活有重要影响，所以除雪机械得到了广泛应用和较快发展。相比融雪剂、物理微波、人工除雪、除雪机械应用的范围广、耗能低、效率高、无污染等特点在国外发展迅速，然而我国除雪机械自主研发的产品功能单一、避让能力差、不能实现一机多用造成大部分时间闲置，雪后能否快速、干净、高效的清除公路和道路的积雪及其形成的冰雪混合物，已成为迫切需要解决的科学与技术课题。 本文在总结分析以往道路冰雪清除技术和 原理的基础上，以硬质道路冰雪清除为主 ,对道路冰雪混合物的物理和机械性能进行了试验与分析，形成了以破冰刀打击硬质混合冰雪破碎清除为主要研究目标，且以经济、实用、除净率高、路面损伤小的新型除雪设备设计为研究思路。在全面调研国内外除雪机械、综合对比分析国外除雪机装置的基础上，确定研究方案，并用 件建立除雪机工作装置的三维模型，并运用软件进行有限元分析。 关键词 ：除雪机；积雪的物理特性；传动原理；三维造型；有限元分析；I be to of of is an on in in a of no to it as it t a of to of of in a is to on of of on as on of of in of as is to as on of on to D of of D 录 录 摘 要 . I . 概述 . - 1 - 内外除雪 机现状及发展情况 . - 1 - 雪方式及适用范围 . - 2 - 雪机的分类及特点 . - 2 - 题研究内容及意义 . - 5 - 章小结 . - 5 - 2 积雪和冰雪混合物的物理机械性能的参数分析 . - 7 - 雪和冰雪混合物的物理机械性质 . - 7 - 雪和冰雪混合物的密度 . - 8 - 雪和冰雪混合物的湿度 . - 9 - 雪和冰雪混合物的机械力学性能 . - 9 - 雪和冰雪混合物的抗压强度 . - 9 - 雪和冰雪混合物的抗剪强度 . - 11 - 雪和冰雪混合物的硬度 . - 12 - 雪和冰雪混合物的摩擦系数 . - 13 - 雪和冰雪混合物的导热系数 . - 15 - 雪 和冰雪混合物的反射率 . - 15 - 章小结 . - 15 - 3 除雪装置的设计及其计算 . - 16 - 机结构设计 . - 16 - 雪机械的选型及组合 . - 16 - 要技术参数的确定： . - 16 - 力源的选择 . - 17 - 辊轴装配设计 . - 18 - 冰刀的设计 . - 18 - 辊轴设计 . - 18 - 雪板的设计 . - 20 - 面清扫装置设计 . - 21 - 雪 板设计 . - 22 - 动装置设计及各级传动比计算 . - 23 - 辊轴传动原理 . - 23 - 扫机构传动原理 . - 24 - 章小结 . - 25 - 4 主要部件有限元分析 . - 26 - 目 录 述 . - 26 - 冰刀的有限元分析 . - 26 - 雪机主梁的有限元分 析 . - 29 - 章小结 . - 32 - 5 结论与展望 . - 33 - 参考文献 . - 34 - 致谢 . - 36 - 目 录 1 概述 内外除雪机现状及发展情况 近年来我国经济迅猛发展，工程建设量不断增加，因此对交通环境提出了更高的要求。高速公路、铁路里程快速增长，民用机场枢纽航站大量增加，城市道路建设日新月异，交通对国民经济的发展起到至关重要的作用。我国的高等级公路里程，每年以 30%左右的速度递增，通车里程已经跃居世界第二位。中国地域跨度大，因此气候差异大，冬天绝大部分地区都有降雪尤其是东北地区。雪害是交通的重大隐患，机场降雪，航班无法进出港，延误航班；高速公路降雪则必须关闭，公路上的车辆被迫抛锚，交通处于瘫痪状态。 降雪伴随而来的交通事故不仅仅给市民带来人身和经济上的损失，还对社会造成很大影响。如何快速清除冰雪，保障交通畅通已成为亟待解决的问题。 除雪机械化是时代发展进步的产物和城市管理的必要条件，也是经济水平的标志和文明程度的表现。近些年来，很多寒带地区的国家都致力于研发效率高性能好的除雪机械。在国外清除路面积冰积雪的技术相对成熟。在我国冬季的降雪通常会以新降浮雪、压实雪和冰层三种形式积于路面。由于人口密度、城市规模等条件的制约，城市道路积雪常常不能及时清理 1。开发符合中国国情的除雪机是适应国民经济发展需要的当务 之急。 在国外，除雪机械的发展比较先进，技术也趋于完善，特别是芬兰、瑞典、挪威、德国等北欧国家和加拿大已相当成熟 2。对比之下发达国家除雪机械的性能更好种类更全。推雪板式除雪机最大除雪速度可达 20 60km/h，最大除雪宽度为 右偏转角度为 20 30，螺旋式除雪机最大除雪宽度 大清雪高度为 大装车高度为 右，最大抛雪高度为 50m 左右，可以满足清除各种积雪路面的要求。除雪机分为工作装置和行走装置，除了专门为除雪作业设计生产的驱动底盘 (专用主 机 )之外，驱动主机一般选择通用机动车辆是各国普遍采用的方法 3，如可以在拖拉机、装载机、平地机、汽车等铰接工作装置或者将工作装置直接放置在行走装置上，实现一机多用避免闲置车辆。近年来由于各个国家都对冬季路面路基养护提出了更高的要求，发达国家对于各类除雪机械的持有量大幅度增加，不断向着一机多用发展，在使用性能方面朝着多功能化发展，但是国外的除雪机械价格比较贵。 中国除雪机械的研发制造起步较晚，真正的研制与开发是在 80 年代以后 4，目前主要除雪方式多数还是使用小型除雪机械与传统的人工除雪的组合上，与国外相比 有不少种类除雪机械在我国还有很大空缺，除了机场专用除雪机外，现有的除雪机械，作业速度低、整机利用率低、避让功能不够理想、成本高等，很难满足道路等场所的作业要求5针对我国国情，国内应建立和完善公路气象系统，同时对雪冰的物理机械性能的参数加强研究，除雪机械应向小型化、高速度的方向发展，向机、电、液一体化和多功能的方向发展，同时注意提升除雪作业的安全性和操作舒适性。 国产除雪除冰机械的总体技术水平落后于发达国家主要体现在 3 个方面： （ 1）避让功能不够理想。国内现有的除雪除冰机械，在除雪除冰作业过程中，大 部目 录 分路障回避能力较差，常常因遭遇路障避让不及而容易使主机或工作装置受损坏。 （ 2）对路面保护能力差。当路面凹凸不平时，除雪除冰机械容易对路面造成破坏 7，虽然目前相关部门并没有制定一个统一的衡量标准去说明机械对路面的损坏程度，但国内现有的除雪机械对路面的保护和对路面的仿形功能等方面，相比国外存在一段差距。 （ 3）品种类型不全。与国外相比，大型多功能除雪除冰机械、高效清除压实积雪机械等在我国还是空白。在一些雪灾中，在相当多的地区几乎没有有效的除雪破冰机械。在普遍缺乏大型、高效除雪破冰机械的情况下，只能使用铁 锹、铁镐等简易工具抗击雪灾，工作效率极低 8。 本设计主要针对上述除雪机械功能单一等问题而设计研发集耗能少、适应范围广、除净率强、效率高、经济性好等优点于一体的道路除雪机械。 雪方式及适用范围 除雪作业主要分为新雪除雪、压实雪除雪和薄冰处理三种 9。当前冬季除雪防滑采取的主要方式有：人工除雪，机械除雪，融雪剂除雪 (撒砂 )、物理除雪、综合式除雪 10 其中以机械除雪方式为主。各种方式主要特点如下： （ 1）人工除雪方式：适用于小雪，收费站口和难重点路口，这种路段机械除雪困难，通过采用人工 的方式可以进行彻底清除，采用人工清除对冬季第一场雪效果较好。人工清除费用高，效率低，影响交通通行及行车安全等是它的缺点。 （ 2）融雪剂除雪：是通过喷洒各种化学材料或热作用，从而达到降低结冻温度或融化雪。适用于刚入冬开春时期气温偏高，雪量比较大，对易融化冰雪路面的除雪作业效果较为明显，缺点是：对环境和道路具有相当危害程度的污染 12。就未来发展趋势看，融雪剂的使用将会受到越来严格的限制，使用量及使用范围将非常有限 13。 （ 3）机械除雪：适用于对中大雪进行大面积机械化清除作业，可全天作业。用机械方法清除路 面积雪具有实时高效、经济环保、基本不影响交通，对路面积雪清除也较为彻底等显著优点 14 （ 4）微波除雪：目前国内外研究的微波除雪能够加热的路面深度较浅，微波加热道路材料只能达到路表面 1右的范围内，仅吸收微波发出总热量的 5%左右，造成能量浪费，同时道路表面升温慢，冰雪层分离开道路表面耗时长，因此微波加热除冰的效率很低 16。 （ 5）综合式除雪：机械除雪和化学融雪两种工作方式联合使用，综合式除雪机前端装有碾压磙式、螺旋叶片式或推雪板式等除雪装置，后端装有撒融雪剂装置。作业时根据路面冰雪情况进 行机械除雪和化学融雪两种作业选择，可以同时使用也可以分开使用17。 雪机的分类及特点 目前除雪机的种类很多，可以按多种形式分类：如底盘的不同、使用区域、工作原理的差异等。 按照除雪机械的使用范围可把除雪机分为泛用除雪机、人行道除雪机、铁道除雪机目 录 和高速公路除雪机等 4 种 18。 根据除雪机械的底盘是否为专用的把除雪机分为两种：专用底盘和兼用底盘。大部分机械采用兼用底盘。根据除雪机械的底盘行走方式又将其分为两种：橡胶履带式和轮胎式。目前，从除雪的作业过程来看，除雪的原理和技术方法已基本完善，但在除 雪工作过程中，经常由于冰雪压实还是松散、道路状况、温度高低等条件的影响，使用单一机械很难清除各种不同积雪路面。 面对雪情除雪作业时要因地制宜，针对不同路况、不同雪情可以搭配多种不同的除雪方式，这样方能提高除雪效率，保障除雪质量 19。随着国家经济建设的快速发展，冬季交通畅通的需要，机械式除雪已成为必然趋势。机械式除雪可归纳为：推移式除雪、旋切及冲击旋切式除雪、铲刮式除雪、剁式除雪、刷扫式除雪等。 根据除雪机械工作原理的不同可以把除雪装置分为推移式、螺旋转子式 (抛投式 )、犁式、旋切式、冲击旋切式、推移式、铲 剁冲击式和刷扫式等类型等 20国内外常见的机械式除雪机类型主要有推移式，其又可分为前置中置侧铲式、铲刮 (刮刀 )式、除雪汽车、不同形状的除雪犁等；螺旋转子式又可分为铣刀转子式和叶轮转子式两种。 图 调刮板式除雪装置 图 层刮板式除雪装置 图 调刮板式除雪装置的工作模式 目 录 图 轴螺旋式除雪装置 图 轴叶片式除雪装置 图 刮斗刮板式除雪装置 图 垂直叶片偏刮板式除雪置 各类机械式除雪方式的适用范围为： （ 1）推移式除雪 根据推刀的不同可分为有单向推刀、侧翼推刀、 V 形推刀和 外的推刀式除雪机具有较好的避让功能，作业过程中根据路况调节油缸实现推刀的升降和其左右摆角的变化。用来清除较厚的路面积雪或压实积雪，能够破碎具有一定厚度的压实冰雪，相比之下除雪能力较好，除净率也较高。推刀除雪既能清除施工工地和公路的积雪同时也可用于街道、人行道。因其价格低廉，效率高，工作 可靠而被广泛使用，但适用的范围主要为未被压实的积雪和密度小的新降浮雪 22。 （ 2）旋切及冲击旋切式除雪 大部分具有切削、收集、推移和抛雪功能，虽然功能多，但是结构相对复杂，一般情况下工作装置是由主机牵引着前进工作，由液压或者电机驱动滚筒旋转，滚筒上的斜齿或直齿对路面的积雪或者压实冰雪进行碾压铣刨，不断的使冰雪破碎来清除路面的冰雪。旋切式除雪机可分为两种：多级式和单级式，其中多级式分为两种：单轴螺旋风扇型和多轴螺旋风扇型。单级式又分为铣刀型和风扇型。目 录 适用的范围主要有压实积雪、冰雪混合积雪、薄冰压实积雪等 形式。但这种除雪机械铲刃磨损较快，对路面也有一定的破坏作用 23。 （ 3）刷扫式除雪 和路面清扫车类似，随着牵引车前进过程中，由动力传动机构驱动清扫刷旋转。通过排雪装置将破碎后的路面冰雪可清除到运输车上或路两侧。这种机构的刷毛相对较软，清扫路面积雪的硬度和厚度都收到局限。所以此机构只适用于清除一定厚度的新降雪、自然积雪和厚度较薄的压实积雪的路面，清雪作业速度相对较低。国外滚扫式清雪车最大作业速度一般为 40km/h，扫式清雪车最大作业速度一般为50km/h24而我国刷扫式清雪车还远远赶不上国外 。 （ 4）冲剁式除雪 此机构是模仿人工清除冰雪而设计的，随着主机不断前进，液压等方式驱动偏心轮带动铲头转动，铲杆铰接在偏心轮上，带动铲头往复的上下运动进行铲剁冰雪，完成破碎清除冰雪的作业，适用于较厚冰雪混合物和一定厚度的压实积雪的破碎。但是破碎效率较低，还需要增加保护路面的装置以避免清雪作业时破坏路面。 题研究内容及意义 我国北方冬季积雪从自然积雪到压实积雪的密度变化范围为 度变化范围为 0 60 kg/冰的密度接近于 1.0 kg/度范围则为 150 300 kg/大于一般积雪。所以相对而言，清除密度大、压实积雪的难度要比清除硬度低、密度小的新降雪、浮雪、自然松散积雪的难度大，而清除冰雪混合物和冰层的难度更要大很多倍。物理电热熔化、微波清除积雪效率低、费用高；化学融雪剂除雪存在难以避免的污染问题；所以机械除雪得到应用和发展。 除雪机工作装置作为除雪机的重要结构，其性能的好坏对除雪作业的效果起着至关重要的作用。目前清除路面压实积雪和冰雪混合物是比较困难的。尽管国内外多年来研究了很多不同的结构和类型，但因为其易出故障、效率不高、除净率低等不同缺点，直到目前 还没有较为理想的除雪机械。除雪机械在结构研发、工艺流程、零部件供给和操作管理等方面都存在技术水平低的问题，致使除雪机械故障多、寿命短、可靠性低。这些问题都亟待解决。要实现具有高效率、多功能的除雪机械而设计专用或改装除雪机使其具有以下优点： （ a） 改装除雪机械可以一机多用，除雪机以拖拉机为动力，可以实现与拖拉机的自由挂接，不需要为除雪机单独配置动力源。 （ b） 城市路面与人们的生活息息相关，道路交通流量大，在短时间内就将路面冰雪压实，影响出行安全与行驶速度，除雪机应能保证在短时间内做到高速除雪。 在除雪机工作装置的设计中主 要从三方面入手，第一是破冰除雪，如何保证在不损坏路面的前提下，使冰雪与路面脱离；第二是集雪能力，采用推雪铲将雪收集推至一侧；第三是清扫，利用清扫盘旋转将路面最终打扫干净。 章小结 我国大部分地区冬季都有降雪，降雪后，车辆运输或者行人等载荷作用于路面上和温度变化使之经常形成压实积雪或者冰雪混合物，从而导致路面的防滑性能大大降低。目 录 车辆动力性能变差行驶过程中易打滑引起交通堵塞甚至是交通事故，给人民和社会带了巨大损害。怎样有效地解决冰雪道路的文通安全问题，避免或降低交通事故，提高道路通行能力和运营效益，形 成规范良好的管理模式已迫在眉睫，需要尽快解决的问题。 目前，国内外清除冰雪所采用的方法主要有人工除冰雪、高压气流吹积雪、化学容剂融雪、物理除雪和机械除冰雪等几种方法。其中机械除冰雪由于简单实用、效率高、经济无污染而得到广泛使用。 为了提高除雪机械设计水平，需要对冰雪的力学性质进行深入研究，此外应建立道路气象系统，以便实时准确地掌握路面状况，灵活、高效地使用除雪机械。为了提高其使用率，除雪机械应该向一机多用的方向发展。同时除雪机械应尽量采用机械电气液压结合的新技术，实现自动控制，提高除雪机械的科技含量。 目 录 2 积雪和冰雪混合物的物理机械性能的参数分析 雪和冰雪混合物的物理机械性质 研究适合的除雪方法和工作装置，首先要了解一下积雪的基本性质。对设计计算除雪机械的除雪阻力和除雪功率等相关问题，也应该了解和掌握积雪的物理机械性质。积雪的物理机械性质变化很大，随着天气温度的不同、积雪落下的时间长短、以及路面积雪由于车辆行驶、除雪作业及水分介入等因素作用而发生复杂的变化 26。雪的主要物理机械性质包括：密度、硬度、摩擦系数、导热率、反射率、抗压强度等 27 表 2面冰雪的分类 名称 状态 特 征 雪粒状态 密度 kg/抗压强度 雪 结晶状 新降的雪 100 无 粒雪 粒状 不能飘扬起来，温度交替变化后，机械搅拌或化学处理的积雪 雪 粒 的 直 径 上，互不连接的圆粒 280500 无 压雪 板状 被车辆等碾压过的积雪 雪颗粒的直径为 相互连接的圆粒 450750 雪 板状 压 实 雪 融 化 后又冻结在一起，厚度在 1下 雪 颗 粒 的 直 径为 多结晶冰，含有粒径 气泡 750 以上 水混合物 液状 由板结雪、颗粒雪、新降雪和粉雪等溶解物组成的，含水多的液体，过车时将飞溅 直 径 在 1上呈类似圆形的小 粒 ， 含 水 量 在30%50% 800900 无 （只有在非常精密的天平上才能够称出雪花的质量。）因此在无风天气里的新降雪，雪花均匀稀疏地平铺在道路上，各个雪花彼此的枝角接触着密度较小；而在有风天气的新降雪，雪花在风的作用下相互堆积着较为密实，相对来说其密度值较大。所以雪的密度变化范围很大，一般情况下的密度 p=10900kg/9，各类积雪 密度情况如表 2 目 录 雪和冰雪混合物的密度 积雪的密度 g 指的是单位体积内积雪的质量。雪的密度值等于积雪在融化后所得水的质量与其融化前积雪体积的比值，是因为雪是水的一种固态的表现形式。所以积雪 (包括松散雪 )的密度变化幅度很大。积雪的密度是除雪机械的设计与使用的一个很重要的依据。由于落雪条件、沉积条件、测量方式等影响因素的不同使得积雪的密度有较大差异，有的日本学者认为在 g=7700kg/是有的前苏联学者则认为是在 g=10800 kg/间变化，而我国降雪条件与前苏联远东地区 较为接近，所以关于雪质较多的北方地区地选用了前苏联的研究资料 30。 前苏联学者经过对不同条件下的积雪密度进行综合测量和分析，得出了以下结论： 的密度增大。对沉积两个月的山坡积雪测量， 20度的积雪密度为 300320kg/100200度的积雪密度为 600640kg/ 的密度增大，每个月平均会增多 10%20%。 降的雪的密度变化，测量结果见表 2 2外，由长时间实践得出，还可利用经验法大致判定积雪密度，见表 2 表 2降雪的密度与结构及气象条件的关系 雪的形式 密度 kg/的形式 密度 kg/常松散的雪 松散雪 弱风及中等风时的降雪 暴风雪中得降雪 2050 60100 4030 120180 强风中的降雪 压实湿雪 雨夹雪 150200 130 160270 表 2降雪密度与当时气温的关系 降雪气温 /C 刚降密度 kg/m 最小值 最大值 平均值 下 上 12 11 35 43 69 158 233 295 258 455 529 588 75 87 104 128 183 196 目 录 表 2据雪中通过物判定雪的密度 雪中通过物体 雪的类型 密度 kg/手套的拳头 手指伸直的手掌 一个手指 削尖的铅笔 刀刃 非常松散的雪 松散雪 中等硬度的雪 硬雪 非常硬雪 10100 110250 260350 360500 500 以上 雪和冰雪混合物的湿度 积雪的湿 度对雪的工程性质有非常大的影响。雪层中的水包括两方面：雪晶表面的重力水和薄膜水等。雪层的最大持水能力指的是雪层持有薄膜水的限度，它和雪晶的形状、雪层的排列情况及其雪的密度有关，通常不超过雪重量的 50%。重力水在雪层中差异很大，最大时雪层的全部空隙都充满了重力水，例如：春天融雪阶段就是这种状况。各类积雪的最大持水能力见表 2常把雪的含水状况分为四个等级：水湿雪，稍微用力就能够挤压出水；湿雪，雪层中能够明显看出有液态水的存在；潮雪，雪层中分离不出水，但却可以凝结成块；干雪，一点都不含水不能凝结成块。水湿雪 是各种湿度的雪中最不稳定的，而其他三种雪在原理上通过滚扫就能够清除掉。 表 2类积雪的最大持水能力 雪的状态 最大持水能力 kg/下地雪（无风） 刚下的雪（有风） 未密实的雪 密实的雪 冰雪混合 冰 550500 550320 300210 200120 10050 雪和冰雪混合物的机械力学性能 积雪和冰雪混合物的机械力学性能参数包括抗压强度、硬度、摩擦系数等，这些参数都是除雪机机理分析和除雪机设计的非常重要的参数。 雪和冰雪混合物的抗压强度 积雪抵抗其他 物体进入的能力是雪的抗压强度，刚体进入到积雪单位面积上受到的阻力表示其大小。研发设计除雪机械，雪的抗压强度是又一重要参数。由参考文献可知，积雪的抗压强度随密度不同而有变化。当雪的密度 ，雪的抗压强度将随积雪密度的上升而急剧上升。如前所述，积雪的抗压强度值也是与其他的环境因素有关。为了确定积雪的抗压强度值，可采用下面简单而准确的测定方法，图 示即为其测试装置示意图。该装置中的重锤目 录 1 可以在有刻度的标尺杆 2 上做自由落体运动，标尺杆 2 承重块 3 和圆盘 4 是三者合一的结构。测定抗压强度时将该装置的圆盘 4 平放在积雪上，然后把重锤 1 沿承重块 3 上的标尺自某一定高度值开始作自由落体运动撞击承重块。这时整个装置由于受重锤碰撞而从原来位置往积雪中下降一定深度，依此即可算得积雪的抗压强度。需要测量和记录的数值包括：标尺杆、承重块和圆盘三者的总重量 M(圆盘与积雪的作用面积 S(重锤的质量 m(重锤提起的高度 h(m)；装置在积雪中下陷的深度 d(m)。 清雪车设计的另外一个重要参数是压实冰雪的抗压强度指的是：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 31。 图 雪抗压强度测定装置示意图 设定：装置下陷时的离开原点的位移变量 x(m)；装置下陷时所受到的以 x 为参变量的阻力变量为 F(x)(N)；装置下陷时所受阻力的平均值为 F(N)；积雪抗压强度 p(则有： 积雪受到的冲击力功 1 m ( h d ) M d (2积 雪阻力所做的功 d (221 目 录 所以有 1( (2因此 )1( (2雪的抗压强度将随积雪密度的增大而增大，统计数据参见表 2 表 2的密度 雪的类型 密度 kg/度为 20C 时的抗压强度 /散雪 轻板结雪 密集雪 强密集雪 250 260250 360500 510600 49 5998 2101960 3702940 （ 2）随着温度的下降，雪的抗压强度增大。积雪的抗压强度与温度、密度的关系如图 示。 图 雪抗压强度随积雪密度和环境温度的变化关系 雪和冰雪混合物的抗剪强度 抗剪强度系数 示切割每单位横截面积积雪所需的力，包括积雪各种形式的变形强度。目前确定切削比阻力（抗剪强度系数）大多采用的经验公式为 32： )(10 6 M q (2目 录 式中： 作业在刀刃上的切削阻力， N； b 切削刃宽度， m； h 切削层厚度， m。 利用抗剪强度系数 以很方便地进行清雪车的牵引和动力计算。前苏联学者对自然状态下的积雪进行切削试验，试验统计结果见表 2 表 2然积雪的抗剪强度系数 雪 的类型 雪的密度 kg/的温度 /C 2 22 以下 松散雪 120180 板结雪 200280 板结雪构成的密集雪 300360 370440 合力弱的大颗粒冰雪构成的密集雪 280350 380480 上层雪压力的密集雪 420520 积雪和冰雪混合物的硬度 积雪的硬度是一种重要的指标即为雪的抗压强度 33。密度非常低的新降雪硬度很小，重量较轻的甲虫爬过也能留下一些痕迹。但是，经过压实的雪，例如经过狂风搬运的雪堆硬度很高，人走过后也不会留下踪迹。由参考文献，一般来说：新雪为片状，密度在 右，几乎没有硬度；而压缩雪的密度为 度 较大为20170 积雪单位面积上所能承受的压力是指积雪的硬度。积雪硬度测试器 (一种弹簧测力器 )是专门测量积雪硬度的，测头是顶角为 30 或者 60 的圆锥。实际测量时，将圆锥在积雪上竖直地立直，慢慢地加载重量并测得下陷深度，由圆锥进入到雪的深度或表面直 径算出圆锥印迹的投影面积，再按下式计算出积雪硬度。 221 (2式中： 目 录 1P 所施加的载荷重量， 2P 硬度计的重量， S 圆锥印迹的投影面积， 22 ； h 圆锥陷深， 圆锥半顶角。 此式可简化为： 当 602 时 ；当 302 时 于是有： 当 602 时 22105.1 302 时 221226.0 外一种采用专门的仪器测量雪的密度方法，冲力硬度计是常使用的。此种硬度计的上端有调节的金属砝码，根据下降高度、砝码的重量和硬度计被打进积雪的深度，雪的硬度就能够计算出来。一般情况下把雪的硬度分为四个等级。第一等级叫做松雪，指除了大拇外的四个手指伸直不费力就能够插入到这种雪层。第二等级叫做稍硬雪，这种雪层只能插入一个指头。第三等级叫做坚雪，需要铅笔插入。 第四等级叫做坚实雪，小刀才能插入。测量步骤是先准备一个雪坑，然后在剖面上从顶到底依次分层测量。这种方法的优点是简单易行。 雪和冰雪混合物的摩擦系数 在设计、选择和使用除雪机械过程中涉及到牵引力、工作阻力，进行理论计算时首先要考虑雪有关的摩擦系数。积雪的摩擦有：内摩擦和外摩擦两种，积雪内部雪与雪相互摩擦是指内摩擦：积雪与其它物体之间的摩擦指外摩擦。雪的状态直接影响积雪的内外摩擦系数。路面积雪后，路面的使用性能被大大降低了。冬季道路除雪机械工作时，要进行牵引计算，首先了解除雪机械在不同的冰雪路面行 走时的行驶阻力系数、附着系数等。冰雪路面与轮胎间的附着系数小：因为除雪机械不但与积雪产生摩擦，而且还对积雪产生挤压，所以外摩擦系数一般比行驶阻力系数小。钢铁和积雪之间的摩擦系数与温度和雪的密度有关见表 2 目 录 表 2雪和钢铁之间的摩擦系系数与温度和雪的密度关系表 雪的密度 kg/的温度 04 30 80100 150200 250300 350400 450 480 520 550 雪的内摩擦系系数见表 2 表 2雪和钢铁之间的摩擦系系数与温度和雪的密度关系 雪的密度 kg/的温度 / C 0 附近 10 以下 120 200 300 400 470 560 面积雪后，使用特性有较大的差别。在计算除雪机械的轮胎行驶在冰雪路面的牵引力时，首先要了解行驶阻力系数和附着系 数。冰雪路面与轮胎间的附着系数见表 2 表 2胎与冰雪路面间的附着系数 行驶阻力系数一般较外摩擦因数大，因为在这个过程中不仅产生摩擦，而且和积雪雪的状态 雪的密度 kg/着系数 雪的状态 轮胎类型 附着系数 密实冻结的雪 密实冻结的雪 密实解冻的雪 低压胎 高压胎 低 压 和 高 压胎 实的冻结雪 压实的解冻雪 解冻的雪 高压胎 高压胎 低压胎 9 录 之间的挤压。轮式、履带式车辆的行驶阻力系数如表 2示。前置式除雪装置的除雪机械可根据除雪效果对行驶阻力系数进行修正。 表 2驶阻力系数 雪的状态 雪的密度 kg/力系数 轮胎 履带 松软的雪 松软潮湿的雪 轻碾压的雪 碾压的雪 冰雪 150250 150250 250350 400600 700 积雪和冰雪混合物的导热系数 很轻的雪花在空气中降落时是飘浮不定的，有很多的分枝，这样一来雪花间隙距离就变大了，但是存在于其中的空气导热率很低，所以地面的热就不会马上散去。如表 2 表 2与其介质的导热系数 物体名称 空气 雪 水 沙 冰 花岗岩 导热系数 积雪和冰雪混合物的反射率 在阳光明媚的天气里，人们在积雪路上上行走时，经常会睁不开眼睛。在医学理把这种现象叫做雪盲。积雪对太阳光的反射很高就是产生雪盲的原因。由于积雪的反射率高，便于它能自我保护，以免积雪被马上融化掉，有利于积雪积冰的形成。由参考文献，如表 2雪与其它介质的反射率。 表 2与其介质的反射率 垫面名称 雪面 冰面 沙土 青草 干草 黑粉 反射率 5095% 3060% 29% 26% 19% 5% 章小结 本章对积雪和冰雪混合物的进行了分类，又对其物理机械性能参数和力学机械性能的参数密度、硬度、湿度、抗压强度、抗剪强度、摩擦系数、导热系数、反射率等做了相关叙述，通过论述列出了积雪及冰雪混合物其性能变化的通用规律，为深入研究测试积雪性能和设计除雪机械打下了一定基础。 目 录 3 除雪装置的设计及其计算 机结构设计 雪机械的选型及组合 除雪机械是用来清除道路积冰雪路面的专门的设备，是冬季北方降雪地区各等级公路、城市道路和机场等养护部门必需的养护机械。怎么针对冬季不同的降 雪量、积雪形态，经济、适当的选择现有除雪机械类型，达到有效高效地清除冰雪的目的，对除雪机械进行优化选型和组合是必要的。我们要根据人力、物力、区域、路况、雪况及拥有除雪机械的条件等不同状况而实施不同的除雪方法和措施。用于除雪的机械设备主要为：推雪铲、推雪机、扫雪机、滚刷机、破冰机和融雪剂撒布机等，这些除雪机械设备均适用于不同的除雪路况，作业时根据雪量的大小、压实程度、积雪的形态、环境湿度等相关的因素适当的选择机械并进行的组合提高效率。 (1)雪量为小雪：小雪路面积雪厚度一般在 3下。如果路面积雪疏松，利用 扫雪机直接清扫便可以，并将扫完的雪抛到马路两侧的绿化区，如果路面积雪与路面粘结在一起，经车辆行人压实雪达 12右，应该先考虑采用撒布融雪剂或扫雪机清扫，此时无法采用推雪铲，因为推雪铲在除雪作业时雪铲与路面的安全间隔最低就是 1。 (2)雪量为中雪：路面积雪厚度可以到达 520先用推雪车将雪铲松，并将积雪运走或堆放绿化区域，路面剩余的雪可用撒布除雪剂或扫雪机清除。 (3)雪量为大雪：地面积雪厚度可以到 20上，此时应采用螺旋抛雪机与输送雪的大卡车一起作业，把雪装到卡车运走，地面余下的雪， 可撒融雪剂使其融化蒸发或者扫雪机清扫。 (4)冰层：由于除雪作业时可以采用撒融雪剂进行融化 3下薄冰层，大量的积雪一定时间内没有得到及时清理，温度冷热变化而形成 3上的冰层，那么只有使用专门的破冰机，依靠碾压磙刀具对冰层产生破碎的压力来清除冰层。 除雪机械需要的数量 34： 1000 S 除雪作业的面积， V 除雪机的速度，
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