（机械制造及其自动化专业论文）离心扬雪式除雪机构的研究.pdf

摘要 我国北方冬季时间长，降雪量大，如果不及时清除积雪，将严重影响交通安全， 给人们日常生活带来诸多不便。多功能清雪车的研制，有重要的实用价值，对国民经 济的发展有重要意义 基于目前国内外除雪机的发展，本文结合吉林大学的国家经贸委项目“多功能路 面清雪车”，针对离心扬雪式除雪机构进行理论分析。 本文基于对积雪的物理机械特性分析，提出机械式除雪的几种方案，并针对离心 扬雪式除雪机构，分别对除雪机构中的螺旋集雪机构和离心排雪机构的工作原理进行 分析，在理论分析的基础上得出结论。验证了离心抛雪式除雪装置的可行性。 由沈阳山河机械厂按照原有设计制造样机，对样机进行模拟试验，试验结果表明 离心扬雪式除雪车具有良好的除雪性能，试验结果达到预期要求。 关键词：除雪车螺旋集雪离心扬雪试验 a b s t i n c t w i n t e rl a s t sf o ral o n gt i m ei nt h ec o l da r e a so fn o r t h e r nc h i n a ag r e a ta m o u n to fs n o w f a l l st h e r ee a c hy e a r t h e r e f o r e i ft h ea c c u m u l a t e ds n o wc a n n o tb er e m o v e da n dc l e a n e di n t i m e , i tw i l ls e v e r e l ya f f e c tt h es a f e t yo ft h et r a n s p o r t a t i o i la n db r i n go u tal o t ，o f i n c o n v e n i e n c e st ot h e p e o p l e sd a i l yl i f e t h em a n u f a c t u r e o ft h em u l t i f u n c t i o n a l s n o w - m o v i n gm a c h i n ew i l lb ef o u n do fi m p o r t a n ta n dp r a c t i c a lv a l u ei nf o r m i n gg o o d t r a n s p o r t a t i o na n dh y g i e n ee n v k o n m e n ti nw i n t e r i nv i e wo f d e v e l o po ns n o w - c l e a rm a c h i n ea th o m ea n da b r o a da tp r e s e n gt h i sr e s e a r c h w a sp e r f o r m e dw i t ht h es a m p l ev e h i c l e , w h i c hi st h er e s e a r c hp r o g r a mo ft h es a t ee c o n o m i c a n dt r a d cc o m m i s s i o n 。 t h et h e s i sw o r k so u tab a s i c p r o j c c lo nt h em u l t i f u n c t i o n a ln o w - m o v i n gm a c h i n et h r o u g h t h es t u d yo ft h ep h y s i c sm e c h a n i c a lh a r a c t e r so ft h es n o w i tl a y sg r e a te m p h a s i so l lt h es t u d y o fc o m m u n i t yt h r o w i n gs n o wm a c h i n e t h e o r ya n a l y s i sf o rs i n g l e - d i r e c t i o np l o w sa r et h e m o s t p o p u l a r0 fa ut y p e se q u i p m e n t so f t h es n o wr e m o v e r s m a k eo u tt h ep r o t o t y p eo fam a c h i n eb ys h e n y a n gs h a n h em a c h i n e r yp l a n t , t h er e s u l t o ft h es t u d yh a ss h o w nt h a tt h em u i t i f u n c t i o n a ls n o w - m o v i n gv e b j d eh a sa c h i e v e da ni d e a l e f f e c ta n dw i l lh a v e a ne x t e n s i v ea p p l i e df o r e g r o u n d k e y w o r d ：s n o w - r e m o v em a c h i n e h e l i x - c o l l e c ts n o wc o m m u n i t yt h r o w i n gs n o w e x a m i n a t i o n 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，离心扬雪式除雪机构的研究是 本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：至! 垒叁年l 月竺日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：l 圣壁冬年上月虫 指导导师签名：丢基建年上月丛日 第1 章绪论 1 1 除雪车发展的现状 1 1 1 国外除雪车的发展现状 近几十年来，国外除雪车发展非常迅速，种类越来越多，各生产厂商在采用新技 术、新材料、新工艺的同时，不断提高产品的作业性能和操作性能，以适应冬季除雪 提出的更高要求，增强产品的竞争力“7 。 在国外，最初的清雪机械是采用推土机或装载机，利用其推土板和装载斗将积雪 集中在一起，这后来便发展成犁式除雪机。早在1 9 4 3 年日本就开始把v 型犁安装在载重 卡车上用于除雪。 经过多年的发展，国外犁式除雪机已具有较高的技术水平。以俄罗斯新产品 k 0 2 8 1 2 2 2 型犁式除雪机为例，这种除雪机基础车采用m t 3 2 8 0 8 2 型拖拉机，其功能有 除雪、清除垃圾和砂堆，既可以用于街道、人行道的垃圾清除，也可用于公路和建筑 工地的除雪。犁式除雪机的工作装置有推土板、犁刀和圆盘刷，其除雪宽度为：推土 板2 5 m ：犁刀2 5 m ：圆盘刷1 8 m 。 随着除雪技术的不断革新，在出现了连续快速的大型旋转式清雪机后，清理积雪 的工作才变得简单。旋转式除雪机一般具有切削、集中、推移和抛投的功能，具有结 构复杂、功能多的特点。德国和日本是生产旋转式除雪机的主要国家，其成熟的技术 合优良的产品性能位居世界领先水平。日本生产的高速行走旋切式除雪机，其作业速 度为7 0 k m h ，该除雪机采用四轮驱动方式，利用盘式制动，全长为7 8 m ，机宽2 5 m ， 最大除雪宽度2 5 m ，发动机功率2 2 0 k w ，最大除雪速度7 0 k m h ，最大除雪量3 0 0 0 t h 。 德国绅迪汽车机械有限公司经营的秀灵绞轮式扬雪车系列有r 一2 0 0 、r 一6 0 0 、r 一1 5 0 0 等 几种型号。r 6 0 0 扬雪车作为一个中等型号，是为清扫大量积雪而设计的。它具备抑制 噪声装置，操作时特别安静，精巧而先进的电子驾驶系统，可保证快速有效地清除道 路上的积雪，保障道路交通安全。该机具有清雪速度快，操作方便、安全、人性化设 计、马力大、外形美观、工作噪声低、维修方便等优点。 图1 1 秀灵绞轮式扬雪车 1 1 2 国内除雪车的发展现状 我国的除雪机械开始于2 0 世纪8 0 年代后期，相关研究单位主要集中在东北、西 北和华北地区，先后有十几种型号除雪车研制成功脚 国内主要研发的有西安公路研究所研制的l 9 2 8 0 型除雪车、哈尔滨林业机械研究 所研制的c b x - 2 1 6 综合破冰除雪机、吉林交通科学研究所研制的c l - 3 6 和c l 一3 5 型 系列除雪犁、吉林省盘石县公路养路段研制的c l 一2 4 型公路除雪器、陕西高速公路管 理局研制的f c x - 1 型除雪机、吉林省公路机械厂与原吉林工业大学共同开发的c b l 5 0 0 压实冰雪清除机、重庆迪马公司生产的d m t 5 1 6 0 t y h 多功能除雪车，该除雪车配备有推 雪铲、滚刷、融雪剂散布机等装置、哈尔滨雪狼除雪机械设备有限公司生产的用于清 除硬冰雪的c x l - 2 、c x l 一3 型除雪机和北京永峰科技有限公司研制的雪豹y f 系列的多 功能喷气式除雪车等。 目前，国内除雪机的开发研制工作还主要集中在铲雪式除雪机和融雪剂散布机这 两种赊雪机形式，但对于螺旋抛雪式除雪机的开发研制国内尚属空白。本文主要针对 螺旋抛雪式除雪机的螺旋集雪绞龙和离心抛雪机构进行机构及工作特性分析，开发出 高效率抛雪式除雪机，以此来填补我国除雪机领域的空白。 2 1 1 j 除雪机械目前仍存在的问题及发展趋势 i 除雪机械目前仍存在的问题 ，尽管几十年来，国内的许多单位在除雪机械的研制与改进上做了许多工作，但迄 今为止。除雪机械并没有得到大面积的推广使用，其主要原因如下 ( 1 ) 作业速度低。目前，国外犁式除雪机最大除雪速度可达5 0 k m h ，旋切式除 雪机最大除雪速度可达7 0 k m h 。在二十世纪9 0 年代初期，吉林省交通科学研究所研制 的c b x - 1 6 0 0 型除雪机集将离心冲击破碎、圆周力旋切和弹簧储能冲击破碎的三种功能 集于一体，该机先进的方法，在当时可堪称是国内技术水平较高的除雪机械，但其最 大速度仅为2 1 5k m h ，与国外同级别的除雪机械的作业速度相比，仍相差甚远。 ( 2 ) 整机利用率低、成本高。尽管中国的北方地区的冬季降雪期可达3 4 个月， 但有关资料表明冬季实际降雪次数并不太多，最多也仅为十几次而已，如果除雪车的 除雪功能单一，这就大大提高了除雪作业的成本，增加了公路养护部门的负担。 ( 3 ) 避让功能不理想。在除雪过程中，常常因遇路障而使主机或者除雪装置损坏， 国内现有的犁式除雪机械，大部分在回避路障方面的能力较差。吉林省交通科学研究 所与吉林省盘石县公路管理段联合开发的c 卜2 4 型公路除雪器，安装了避让装置和防 止过度避让锁链，可以保证在除雪作业过程中避让路障，防止主机或除雪器损坏，还 可同时防止过度避让，因过度避让会造成避让回位弹簧的损坏。该装置居国内领先地 位，达到了二十世纪9 0 年代国外同类产品水平，但在机器的运行中还需进一步跟踪测 试、验证。 ( 4 ) 对路面保护能力差。当路面凹凸不平时，除雪机作业会对路面造成损坏。虽 然除雪枫对路面的破坏程度目前还没有一个衡量标准，但国内的除雪机械在路面的仿 形能力、对路面保护等方面，与国外相比还存在一定的差距。 。 为此，各降雪国家均投入一定的人力、物力、财力研制、开发性能优越的除雪机 械，并大量推广机械除雪以代替人工除雪，加快机械化的进程。 2 除雪机械发展趋势 目的国内外在路面冰雪清除技术上的发展趋势主要有以下几个方面： ( 1 ) 加强雪的力学性质的分析研究，建立道路气象系统。为了提高除雪机的设计 水平，需要对雪的力学性质进行深入研究，并建立道路气象信息系统。该系统是由设 置在各地的传感器与具有先进软件的微机构成，用于预测道路的冻结和除雪状况，利 用其传感器可获取路面温度、湿度、风向、风速等方面的信息，这样能够及时、准确 她掌握路面状况，以便灵活、高效她使用除雪机掳。 、 ( 2 ) 向小型化、高速度的方向发展。在除雪作业中，除雪机机身的大小及除雪速 度是影响交通的两个重要因素，机身过大，除雪机占道影响交通；速度过低，影响车 流通畅，同时狭窄路面的除雪也要求机身体积不宣过大。为了不妨碍交通，今后的除 雪机械要向小型化、高速度的方向发展。 。 ( 3 ) 大力研究路面上冰的清除技术。在冬季除雪过程中，由于雪的物理状态不同， 我们应采用不同的除雪方法。现在的国内外除雪机械主要是用来清除未被压实的浮雪。 所以，我们要针对很多场合积雪被碾压成坚硬的冰或冰雪混合物，大力研究路面上冰 的清除技术，这种研究技术前提是不能破坏路面。 。 本文的主要内容就是针对路面上被压实的冰研究路面冰雪清除机的工作机理，确 定其主要技术参数并进行试验研究。 ( 4 ) 向多功能、机电液一体化的方向发展：为了提高机器的使用率，除雪机械应 向一机多用的方向发展。考虑到我国的国情，中国的除雪机械应该向兼用性的方向发 展，可对多种机械如推土机、装载机等工程机械、卡车等实施改造，只是在冬季降雪 时进行除雪作业。广泛应用于机械电子工程领域的机电液新技术开发研究自动化和智 能化路面冰雪清除机械，提高除雪机械的科技含量。研制自动控制系统、冰层厚度自 动探测技术、路面障碍物随动技术，实现自动避让功能，避免机器和除雪装置的损坏。 1 2 研究目的和意义 针对高速公路、普通公路、市区道路上的冬季路面的冰雪的清除问题多年来一直 是国内外关注的重大课题。特别是在降雪量较大的国家和地区，为了保证公共交通设 施能够尽快恢复正常运行j 对除雪速度的要求也越来越高，目前，各国都在研究和发 展高速度、高效率的公路除雪装置。路面冰雪清除问题关系到社会生产、居民生活、 交通安全、环境保护等各个方面。 在我国北方地区，冬季降雪的主要特点有时阃长、雪量大、气温低、积雪数日甚 至数月不融化。由于降雪后不能及时清除道路上的积雪，致使这些积雪经车辆、行人 碾压而被压实。另一种情况是，由于昼夜温差变化，车轮打滑等，被压实的积雪融化 4 后再度结冰，这种再度结冰的冰层中除水分外，还含有大量的尘土、泥沙，由于这种 融化结冰过程多次反复，使得最后覆盖在路面上的冰层十分坚硬，脆性降低、韧性增 加。这层冰雪不仅会造成路面滑、车辆堵塞、交通事故的增加和严重影响正常交通运 输。更会给人们的生产和生活带来诸多不便。 传统的除雪方式主要是以人工为主，每当降雪过后，降雪城市组织成千上万甚至 几十万人，拿着锹稿上街铲雪。这种方法最大的缺点是由于除雪工作需在白天进行， 不仅严重影响了城市交通，也给过往行人带来诸多不便。另外，由于冰雪不能及时清 。 扫而被压实，使人工除雪不彻底，除雪效率极低，并且除雪的区域也只局限于城市主 干道。 随着社会的发展及机械化技术水平的不断提高，针对压实的积雪、冰以及冰雪混 合物，人们迫切需要有一种性能良好、自动化程度较高的机械来代替传统的除冰雪方 法 本研究对于降雪国家及城市在冬季有一个良好的交通和卫生环境，保障道路的畅 通，减少交通事故，满足高速公路、普通公路、市区道路养护的需要等方面，有着重 要的实用价值，同时，对于国民经济的持续发展有着重要而深远意义。 1 3 研究的主要内容 本文结合吉林大学多功能除雪车科研项目，首先对新下积雪的物理机械性能进行 研究分析，借助分析结果提出机械化除雪的解决方案，并通过对离心扬雪式除雪车的 设计理论进行分析，得出相应结论，在此基础上对离心扬雪式除雪车的实体模型进行 动力学分析，最后对除雪车作样机实验，并通过实验得出相应结论。 本文的主要研究内容有： l 阐述积雪的物理机械性质；根据所提出的对路面上新下积雪的物理特性进行分 析，分析路面除雪机基本原理并确定除雪机的基本方案； 2 针对吉林大学多功能除雪车科研项目中的离心扬雪式除雪车的设计理论进行理 论分析，以得出相应结论： ， 3 通过对离心扬雪式除雪车实体模型进行运动学仿真分析，研究主要工作部件的 工作情况，实现基于仿真分析结果的性能预测： 4 进行样机实验，验证其工作特性，并结合以上理论分析得出结论。 5 第2 章路面积雪的特性研究 2 一积雪的物理机械性质 ， 研究合理有效的除雪方法和装置，首先要了解掌握积雪的主要性质。对设计计算 除雪机械的除雪阻力、除雪功率等相关问题，也必须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。 雪的主要物理机械性质包括：密度、硬度、摩擦系数等。 2 1 1 雪的密度 冰雪密度直接决定除雪车设计和使用方法。由于雪是水的固态形式，所以雪的密 度值等于积雪在融化后雪水的质量与其融化前积雪体积的比值：雪的密度变化范围很 大，日本学者统计在o 0 7 0 7 9 c m 3 之间交化而前苏联学者认为是从与空气密度相近 的0 0 1 9 c m 3 直到与冰密度相近的0 8 9 a n 3 。雪的密度因其降落条件、沉积条件和测 量方法等因素的差异有很大不同。因为我国降雪条件与俄罗斯较为接近，所以关于雪 质较多地选用了前苏联的研究资料。前苏联学者经过对不同条件p 的积雪密度进行综 合测量和分析，得出了以下结论： ( 1 ) 雪密度随其沉积时问的增大而增大，平均每个月要增加1 0 2 0 ； ( 2 ) 雪密度随其沉积深度的增加而增大。对沉积两个月的山坡积雪测量，2 0 c m 深处的积雪密度为0 3 0 3 2 9 c m 3 ，相同地点0 1 0 2 c m 深处的积雪密度则为 0 6 一o 6 4 9 c m 3 ； ( 3 ) 新降雪的密度随降落时间长短不同而变化，测量结果见表2 1 ； ， ( 4 ) 新降雪密度与当时温度的关系见表2 2 。 表2 - 1 雪的密度 6 雪的状态 密度e , a ，1 4 新下的雪 落下3 0 天的雪 大于3 0 天的雪 密实的雪 冰雪混合 冰 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 3 0 o 3 4 一o 4 2 o 4 0 o 6 0 0 6 0 o 7 5 0 9 0 表2 - 2 新降雪密度与气温的关系 降雪气温o c新降雪密度g c m 3 - 1 0 以下 一1 0 一一5 1 5 1 一一2 】 一2 1 一一0 1 0 + 2 o + 2 o 以上 最小值 o 0 1 2 o 0 1 1 0 0 3 5 0 0 4 3 0 0 6 9 o 1 5 8 最大值 o 2 3 3 o 2 9 5 0 2 5 8 o 4 5 5 o 5 2 9 0 5 8 8 平均值 0 0 7 5 0 0 8 7 o 1 0 4 o 1 2 8 o 1 8 3 0 1 9 6 2 1 2 雪的硬度 雪的硬度即学的抗压强度”1 ，是指积雪抵抗其他物体进入的能力，用刚体进入积雪 时单位面积上所受到的阻力表示。雪的抗压强度是除雪车设计计算的重要参数之一。 雪的抗压强度因环境不同而不同。这里介绍一种简便可靠的测量方法，以便随时随地 确定雪的抗压强度。测量装置示意图如图2 1 所示。 4 7 工 曛豳m ： 2 j f 1 广 i 3 弋 t 吖可 图2 1 积雪抗压强度测定装置示意图 卜重锤：2 一标尺杆：3 一承重块：4 一圆盘 如图2 i 所示，重锤i 可以在有刻度的标尺秆2 上作自由落体运动，标尺杆2 、承 重块3 和圆盘4 为整体结构。测定抗压强度时将圆盘4 平置于积雪上表面，把重锤由 承重块3 上提起至一定高度，突然释放重锤，使其做自由落体运动撞击承重块，整个 装置由于受重锤撞击从原来位置向积雪中下陷一定深度。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质量m ( k g ) ；圆盘与积雪的作用面积s ( m 2 ) ；重锤 的质量m ( k g ) ：重锤提起的高度h ( m ) ；装置在积雪中下陷的深度l ( m ) 。 设定：装置下陷时离开原点的位移变量为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 ) ；积雪抗压强度为p ( p a ) 。则有： 积雪受到的冲击力功彤( j ) ： 瞩- 9 8 m ( h + 1 ) + m d ( 2 1 ) 积雪阻力所做的功形( j ) ： 。 0 一p ( x ) 出z f ( 2 2 ) 奄 。 t ，所以有 f 一9 8 m ( 1 + h 1 ) + m 】 ( 2 3 ) p = f s 一9 8 m ( 1 + h l i ) + m i s ( 2 4 ) 积雪抗压强度有以下结论： ( 1 ) 般积雪的抗压强度随其密度的增大而增大，统计数值如表2 3 8 表2 - 3 雪的抗压强度随状态和密度的变化 ( 2 ) 积雪的抗压强度随温度的降低而增大积雪的抗压气强度与密度、温度的关系 曲线如图2 2 所示 。 1 9 6 2 三 喜1 4 72 崔 蠢 善9 8 1 4 争l 飞| j 。 么 ， 夕 一 ，一 ， 0 - 51 0 一1 52 0 2 5 图2 2 积雪抗压强度和温度、密度的关系 积雪密度；a - 2 0 0 k g m 3 ：b - 3 0 0 咯所_ 3 ；c - 4 0 0 k g m 4 ；d - 5 0 0 船m - 3 ；e - 6 0 0 堙小_ 3 ( 图中实线为搅和 雪，虚线为未揽和雪) 2 1 3 雪的摩擦系数 雪的摩擦系数包括雪的内外摩擦系数以及轮胎与冰雪路面的附着系数册 根据雪的状态，它的内外摩擦系数分别见于表2 - 3 和表2 - 4 。 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 胎与冰雪路面问的附着系数砟见表2 - 5 。 行驶阻力系数，一般比外摩擦系数大，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 - 6 选取。 9 表2 - 3 积雪的内摩擦系数 表2 - 4 积雪的外摩擦系数 表2 5 轮胎与冰雪路的附着系数 1 0 表2 6 行驶阻力系数 雪的密度阻力系数f 雪的状态 g o n 3 轮胎履带 松软的o 1 5 一o 2 5 o 2 一o 2 5o 2 松软潮湿的 o 1 5 0 2 50 3o 2 轻碾压的 o 2 5 0 3 50 1 5 0 2o 1 碾压的0 4 0 60 0 8 一o 1 ， 0 0 5 冰雪07 0 0 6 一o 0 80 0 7 0 1 2 2 除雪原理与方法 目前，冬季降雪国家普遍采用的除雪方法有三种，即融雪除雪、机械除雪和综合 式除雪 。 融雪除雪方法包括融解法和盐融法。融解法是依靠热能作用或散布化学药剂使冰 雪融化的方法，可供利用的热源主要有电热、地热、发动机热及海水热等【1 6 1 。例如， 日本扎幌市将热力管线敷设在人行道下，利用热力管线散热融化人行道上的积雪。 盐融法由于达不到环保要求，在很多城市已被限制使用。环保型融雪剂虽然对环境危 窖较小，对植物危害有限，但成本高，因此主要是配合机械除雪方法使用于机场跑道、 立交桥、坡道等关键场所。 盐融法即使用无机盐融雪剂，融雪常用的有氯化钠( n a c l ) 、氯化钙( c a c l ：h 2 0 ) ， 或氯化镁( m g c l 。6 h 2 0 ) ，并掺入少量尿素( s n h 2 0 ) 。盐类融剂融化冰雪效果与气温、 冰雪量、融剂量、地区条件有关。 日本盐类融雪实验研究结构表明：冰上洒布盐类后，冰点很快降低；氯化钙的融 化温度比氯化钠低，严寒时宜选用氯化钙融雪：洒布盐对薄层新雪或冰膜融化效果明 显，但对有相当深度的积雪只起辅助作用i s 。 氯盐类融雪剂价格低廉，使用方便。但氯盐类融雪剂的使用会造成严重危害，具 体表现在：对交通工具和基础设施的侵蚀；对道路附近地区环境的损害；对使用区水 钠质成分的影响。北京市园林局2 0 0 2 年初步统计结果表明，因使用盐类融雪剂，导致 4 0 0 0 多棵大树、4 万多株灌木死亡，草地受害而积达3 万多平方米。由于盐类融雪剂 的使用，北京地区一些立交桥过早出现部分构件裂缝、剥落、钢筋外露、锈蚀等现象； 1 1 融雪剂对路而损坏虽不像桥梁那样明显，但也加速了路而混凝土的老化，一些路而过 早出现大面积龟裂现象。2 0 0 3 年，北京市出台了全国第一个关于环保融雪剂的地方性 标准，要求环保融雪剂相对普通盐类融雪剂对水泥、金属的腐蚀必须降低5 0 d a 上， 对植物的保护效果必须提高一倍以上路面除雪业已被纳入环境保护土程，除雪成本 随之增加。 机械除雪法是通过机械对一冰雪的直接作用解除冰雪危害，是目前应用最广泛的 除雪方法。由于机械清除积雪方法不使用化学药剂，因此清除的积雪可以倾倒在公路 两侧的排水沟、农田或绿化带内，用于春季土壤保墒。且前国外除雪技术装备主要是 以机械除雪的方式为主。机械除雪法包含以下几种除雪作业：清除新雪、清除实雪、 扩宽除雪、运雪、人行道除雪、铁路除雪及压雪。 综合式除雪方法是将推雪、清雪、吹雪、收雪、喷洒融雪剂等作业综合在一起， 除雪车结构复杂，常采用专用底盘，一般仅使用于机场跑道等重要场合的除雪作业。 2 3 除雪机械的选择 2 3 1 除雪车分类 除雪车按工作装置分为：犁板式、压磙式、抛雪式及其它类型唧。 ( 1 ) 犁板式除雪车 。 犁板式除雪车安装有犁板式除雪装置，这种除雪装置最大的特点是结构简单、造价低，性能可 靠。除雪作业时以直线运动为主，应用广泛，是除雪车中保有重最大的类型。按犁板体结构又分为 单向犁式、v 型犁式、刮雪板式、侧翼板式及犁板式综合除雪车。犁板式综合除雪车是为增加除雪 作业种类，把单向犁或v 型犁、刮雪板、侧翼板按使用需求进行组合，安装在同一辆行走车辆上。 这种除雪车适应能力强，对行走车辆的功率要求较大。 幽2 3 刮雪板式除雪车 j 2 ( 2 ) 压磙式除雪车 压磙式除雪车配备的压磙除雪装置适用予清除坚硬冰雪。图2 4 所示为前置式压磙 除雪车的前部压磙机构。实验证明，压磙式除雪车能有效清除冰雪路面的压实冰雪， 并能很好的保护路面。 图2 4 压磉机构 ( 3 ) 扬雪式除雪车 抛雪式除雪车( 如图2 5 ) 的工作装置由集雪装置、扬雪转子、抛雪筒及连接装置 组成。集雪装置将雪从两边向中间运送，位于集雪装置中部的离心抛雪装依靠离心叶 片的高速旋转，使雪块在高速离心力的作用下，沿叶片表面运动至抛雪腔顶部开口处 抛出，由抛雪筒导向合适区域 】 图2 5 扬雪式除雪车 1 扬雪简，2 推雪板，3 离心转子，纠板 ( 4 ) 其它类型的除雪车 其它类型的除雪车主要有铲剁式、锤击式、扫雪与吹雪式及运雪车、融雪剂洒命 车等。在机场等一些场合还常常把各种形式的除雪装置搭配成综合式除雪车以获得满 意的除雪效果。 2 4 本章小结 本章首先对雪的物理机械性质包括：种类、密度、抗压强度、及摩擦系数等作了 介绍。其次，对除雪方法及除雪车分类，进行了归纳总结。限于试验条件，关于雪的 物理机械性质较多采用了与我国雪质相似的前苏联专家的研究结果 第3 章除雪机构特性分析 扬雪式除雪机是利用前部安装的螺旋式铣削集雪器进行切削，然后将切削下的雪 屑靠两端反向安装的集雪螺旋输送并集中于推雪板中部的转子抛雪器的入口处，由于 除雪机向前运动使积雪不断增加，在压差的作用下，雪屑被连续送入高速旋转的抛雪 转子室内在离心叶片的带动下，被不断沿抛雪筒抛出。 3 1 除雪车整体方案 3 1 1 整机的组成 扬雪式除雪车分为前部扬雪装置和后部动力装置“”，考虑到一机多用的要求，多 功能除雪车采用模块化设计，将扬雪部分设计成一个单一的模块，可以与z l s o 型装载 机的前部翻斗对换适用，当需要除雪作业时，r 将z l 5 0 型装载机的前部翻斗拆掉，换装 上与装载机大臂配套设计的扬雪机构。如图3 1 所示。 3 1 2 工作原理 图3 1 连接示意图 】一装载机翻斗，2 一扬雪装置，3 一装载机大臂 除雪车以一定速度前迸时，积雪从前方不断进入积雪器中，积雪器由反向安装的 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到集雪器中部扬雪转子室的入1 2 1 处，随车体前进而进入转子室， 在离心转子叶片的带动下，获得切线方向上的离心力，依靠离心力不断沿抛雪筒抛向 路边绿化带。如图3 2 所示。 图3 2 扬雪装置不惹图 。l _ 集雪螺旋，2 一集雪腔后挡扳，p 扬雪筒，4 - 离心扬雪叶片 3 2 除雪机构参数分析 。 除雪机在工作时，积雪先是通过前部的螺旋集雪轴的挤压作用，堆积到离心排雪 腔中，再依靠离心叶片高速旋转获得离心力抛扬出去。现分别对螺旋集雪部分和离心 扬雪部分的参数分别进行分析。 3 2 1 螺旋集雪转子参数分析 螺旋集雪转子是由旋向相反的两个螺旋轴对接而成，工作是螺旋旋转，积雪即可 被相反的螺旋挤压到中部，达到集雪的目的1 ，如图3 3 所示。 图3 3 集雪螺旋示意图 考虑到积雪具有一定的粘性且较易堆积，所以集雪螺旋考虑使用带式螺旋。带状 螺旋为螺旋式除雪机的主要除雪执行元件，其主要参数包括螺旋外径、带宽、头数、 螺距、螺旋长度及转速等，这些参数的选择直接关系到除雪机的除雪效率及积雪的除 净度。除雪机的除雪效率是单位时间内清除积雪的面积，具体表现在所能输送积雪的 体积上，它与螺旋的各参数间存在着某种函数关系；积雪除净度是机器所清扫过的池面 上，无雪面面积占整个清扫面积的比例。由于积雪的性质及除雪的特殊要求，积雪除 净度取决于螺旋对底层与路面冻结在一起的积雪的清除程度，试验证明它与螺旋的头 数及转速成正比，与机器的行走速度成反比。 1 螺旋叶片对雪的推动作用 在动力的作用下，以某一螺旋升角加工安装的右旋螺旋叶片，随螺旋轴以一定的 转速旋转，当除雪机向前行走时，积雪被收集于位于带状除雪螺旋后侧的清雪铲内， 此时，位于叶片上某点a 的积雪，在叶片的法向推力e 及雪与叶片间的摩擦力e 的作 用下，产生一个与螺旋叶片旋向相反的螺旋线运动，即积雪颗粒一方面随时片旋转作 周向运动，另一方面沿螺旋轴作轴向运动，如图3 4 所示。 图3 4 螺旋对积雪颗粒的剪切力 为直观起见，将积雪颗粒a 所在直径上的螺旋线展开如图3 5 所示。 广 图3 5 积雪颗粒运动展开图 a 颗粒在叶片的法向推力及摩擦力的作用下，运动方向与叶片的法向偏离一角度a ， 此角就是雪与叶片问的摩擦角，由图3 5 各参数问的几何关系，我们可以得出在螺旋 转过一周时，叶片某直径d 上的颗粒a 的周向运动和轴向运动累计距离分别为： - 生查r a 地3 s a ! 幽 毛：型查鲤堂型 ( 3 1 ) o o s a 、 t g p 一 r a a 式中：瓯积雪颗粒的周向运动距离，咖； 以：积雪颗粒的轴向运动距离，嗍； 以积雪颗粒a 在叶片a 点处的螺旋直径，册； 口雪与叶片间的摩擦力。n ： 声嫘旋升角，o ； r 螺距，咖。 除雪带状螺旋的外径及带宽是由初定的除雪机的除雪厚度及除雪效率所决定的， 因此，积雪颗粒a 在叶片a 点处的螺旋直径d 己知，这样由式( 3 1 ) ，在a 点处的螺旋 螺距完全随螺旋升角的变化而变化。 由于除雪螺旋的除雪量q 为： q - 白4 ) 【( d + 6 ) 2 - d 2 e 巧o 6 0 ) ( 3 2 ) 式中：刀螺旋外径，舢； d 螺旋内径，珊： 6 螺旋外缘与雪铲的问隙，姗； 螺旋转一圈，积雪颗粒a 的轴向运动累计距离，硼； 蜀积雪的填充度； r 螺旋转速，r m i n 。 由( 3 2 ) 式中我们可以看出，在螺旋的外径、带宽、转速等参数相同的情况下，螺 旋的除雪量与积雪的轴向运动累计距离成正比，故我们在设计螺旋过程中，希望轴向 运动有较大值。显然，要求得式( 3 1 ) 的只：的极大值，只需对螺旋升角多求一阶导数， 并令其等于零即可。 。 ：二鲁。堕【c o s 卢c o s ( ，+ 口) 一s i n 卢s i n ( 卢+ 口) 】：o ( 3 3 ) 口廿c o s 口 贝0 c o s 卢c o s ( 卢+ a ) 一s i i l 卢s i n ( f l + 口) = c o s ( 2 卢+ 口) = 0 得芦石4 一a 1 2 或芦。新4 一a 2 ( 对本研究无意义，舍去) 即当卢t _ ，r 4 一a 2 时，积雪的轴向运动累计距离为最大值。 在本项目研究中，动力消耗的结果使积雪产生与除雪螺旋旋向相反的螺旋线运动， 即周向运动与轴向运动的合成运动。积雪的轴向运动为除雪机所作的有用功，而周向 运动为无用功，要达到除雪机清除积雪的目的，最大限度地降低动力消耗，在螺旋升 角的选取时，一方面要保证轴向运动有较大值，同时又要使周向运动为较小值。 2 带状螺旋轴向运动累计距离计算 对于带宽远小于螺旋中径( 带宽b = o 0 4 0 1 0 d 十) 的带状螺旋，在计算轴向运动累 计距离时，各直径上的螺旋升角均可看成是中径上的螺旋升角，因此整个带宽沿直径 方向各点酌轴向运动累计距离可看成是中径处的累计距离，但对于带宽较大而中径相 对又较小的带状螺旋，采用此种方法计算，定会产生较大的误差，需从理论上作进一 步的探讨。 为便于螺旋的加工与安装，t 程上多采用等螺距螺旋，在本项研究中，采用等螺 距带状螺旋。由式( 3 1 ) 可得： s l 二堕掣 ( 3 4 ) s 。- t c o s f l c f o s ( f l + a ) ( 3 5 ) 从式( 3 4 ) ( 3 5 ) 中我们可看出，在螺距t 确定以后，带状螺旋沿直径方向各点上 的s 值，随各点处的螺旋升角的变化而变化。对于等螺距带状螺旋，从螺旋外径到内 径的螺旋升角由屈一愿交化，这样在磊一展的变化范围内，论的平均值分别为： 瓦。丢书( t ) 删s i n 泓郴 r ( 3 7 ) 石。志r ( t 泗脚n 够埘妒 ( 3 8 ) 解上述二式得： i 。丽t 删2 + 汹帮) 4 】f 象( 3 8 ) + ( c o s a 2 ) s i n 2 卢彩 1 9 瓦。而t j c o s 口【s i n 5 2 + ( s i n 2 卢) 懈 ( 3 9 ) + ( c o s a 2 ) s i n 2 芦1 2 ) 式中： t 螺旋螺距，珊； a 、岛螺旋内外径处的螺旋升角，。； 口雪与叶片间的摩擦系数( 本文取a 一5 7 0 ) 根据初定的除雪机的除雪厚度为o 2 5 m ，根据经验及相应试验，取螺旋外径 d = o 4 5 m ，带宽b = o 1 0 m 。 运用上式，当螺旋选外径d ：0 4 5 m 、内径d = d 一2 b = o 4 5 2 * 0 1 = 0 2 5 m 时，描绘出s 。 与s 。随t 值变化的曲线。如图3 6 所示； 0 1 0 8 0 2 0 0 03 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 9 t 图3 6 积雪的轴向及周向移动距离随时间变化的曲线 从图3 6 中我们可以清楚的看出对于带状螺旋而言，螺距t 的大小直接影响螺旋 对物料的输送效果。随着螺距的增大，周向运动越来越大，而轴向运动，t 值太大或太 小对轴向运动都不利。因此，对于有不同要求的带状螺旋而言，要使旋转扩散作用较 显著，螺距应取较大值，要使轴向输送作用显著，螺距应根据实际情况，通过计算来 确定较理想的参数。 在本研究中，为了降低动力消耗，螺旋参数的选择应保证轴向运动有较大值，周 向运动应尽可能的选取较小值。由图3 6 所示，当螺距t 在9 0 0 1 1 0 0 岫范围选取时， 对本研究中所要求的带状螺旋较理想。 试验表明，按上述研究所确定的螺旋螺距加工制造的除雪螺旋，除雪效率高、动 力消耗低。另外，为了提高路面积雪除净度，提高积雪的填充系数，采用多头带状螺 旋，螺旋头数应根据螺旋的外径、螺距等参数来确定，在能保证加工制造的前提下， 螺旋头数尽量选取高值，本研究中头数为1 ，工作效果较好。考虑除雪机构作业灵活， 、 易于操作，整机结构不易过大，螺旋长度取1 5 倍的螺距长较适宜。螺旋的除雪效率 与螺旋叶片的轴向投影面积成正比，在能保证制造精度的前提下，螺旋带宽可适当增 加，但为防止积雪堵塞，故不采用实体面型螺旋。 3 2 2 扬雪机构的原理和参数分析 离心扬雪机构工作时，设质量为m 的物体，。被扬升叶片以初速度k 抛扔出去，则 该物体从叶片那里获得的动能为三m 曙。根据对除雪车扬雪的要求：即不但要把积雪 抛送到一定的高度h ，而且积雪升到最高处离开抛雪筒时还应该有一定的末速度，以便 将积雪抛向路边缘化带或运雪车将积雪运走处理。 3 , 2 3 离心排雪泵的基本理论分析 决定排雪泵的排量的主要因素是排雪泵叶片形式，为此要寻求出叶片形状与 0 ( 每单位空气体积所具有的能量) 及w ( 空气流量) 的关系。要求此关系需要从离心泵 的基本理论方程式入手“”。 离心风扇的功用在于在管路中造成压差，使之形成强烈的气流，以便进行所需的 工作。工作时，由于风扇向管路中压气或吸气的结果，既胄甚促使空气在管路中流动。 因此要使气流在管路中流动，就必须在管路中造成一定的压差，使气流具有一定的压 力和速度，以克服气流在流动过程中的沿程阻力。 1 离心泵气流的速度 禹心泵工作时，气体在管道里的全压力( 毫米水柱高表示) ，代表单位体积气体从 风扇那里所获得的能量，它由动压力k 和静压力_ j l ，两部分组成，即： 一+ _ i l ， ( 3 1 0 ) 其中静压力 ，用来克服沿程各种阻力；动压力用来使空气具有一定的动能。 质量为m 的气体，以速度v 在管路中流动时，其所具有的动能为： 娶。娶矿： ( 3 1 1 ) 2 2 9 式中w _ 空气流量，m 3 s ； y 空气的容重 y 一1 2 k g - f i m 3 ) g _ 一重力加速度，m s 2 因此每立方米的流动气体，其所具有的能量为： ”等 v - 挚或v _ 锕 + 2 当量孔 ( 3 1 2 ) 设管道的各种压力损失“”，可以用一个孔来代替。 假如有一管道和一个面积为e 的理想孔口( 空气通过此孔时，不产生能量损失， r p h ：一0 ) ，如果在相同的全压力h 作用下，通过管道和孔口的空气流量w 相同，则该 孔口即为此管道的当量孔。 此时e 一毛，称为当量孔面积，因为此时全压力h 完全变为动压力h 。，这时流 过该孔的气流速度应该等于： v 2 - 浮或v 2 晰 ( 3 1 3 ) 由于 w = 毛v 2 - 毛4 h 所以 毛- 杀 由上式可知，当量孔可以用来表示总的压力损失的标毒，当阻力愈大时，孔就愈 小。 ， 。 刃斗 纱 图3 7 离心泵工作衙圈 图3 7 所示为离心泵的工作简图，风扇捧气管的断面积为e ，其中的静压力为瓦， 空气的流速为k 。在出口处有一个相当于后面将连接的管道系统全部压头损失的当量 孔( e 一毛) 。根据上面的假设：即气流通过此假想孔时没有任何损失排气管内的全 压力在出口处将全部转变为动压力。 + h ：婴 绍 因出口处之静压力 j - 0 ，所以此处的全压力为： 矗：+ 磐婴 ( 3 1 4 ) 2 9 根据流体力学中的物质不灭定律：即当流体作连续运流时，单位时间内流经管路 任一断面的流量相等。即： 矽一硝- 毛 ( 3 1 5 ) 所以v 盟 毛 将k 值代入式( 3 1 5 ) 得： 即当 所以 垦 e“一盟2 9 ) 由此可见，如果测出排气管内的动压力h ：和静压力h ：及排气管的断面积e ，便可 跞 、 - 毛一墨 或 k 求出当量孔面积巳 因为，对某一个风扇而言，断面积i i 是一定的，它决定于风扇的结构，所以h ：愈 大时，则毛就愈小，即系数k 愈小，所以系数k 值是表示风扇的工作条件，其值小于 1 。 在设计风扇时，排气管的断面积e ，可以用下面方法求出： v 。一w 1 e 方程式( 3 1 2 ) 可以改写成如下形式： 卟簧- 器r 如果已知流量w ，排气管中的静压力h ：及当量孔面积毛，则面积e 为： e i w k ( 3 1 7 ) 根据流体力学的原理，空气在均匀断面的管路中流动时，为了克服对管壁的摩擦 阻力所损耗的静压力h j 为： h j - d 警l 筹 1 8 ) 式中p 空气流动时，管壁对空气的摩擦阻力系数； 旷一管路断面的周长，m ； 尸一管路的断面积，m 2 ； 一管路的长度，m ； 舻一管路中的空气流速，m s ； y 空气的容重，k g f m 3 ： g 重力加速度，9 8 ，l s 2 空气在矩形断面的管路中流动时，没有充分利用管路的断面面积，因断面内各点 的流速相差很大。而圆形断面则不同，流速的变化比较小，且有规律性此外，在各 种形状的管路断面中