（机械工程专业论文）小型螺杆式清雪车研究.pdf

下程硕士学位论文小型螺杆式清雪车研究 摘要 本文在分析了目前国内外的主要除雪方法的基础上，提出一种适合中国国情的小 型旋转式清雪车的设计方案，并对其进行了理论分析和实用结构设计分析，同时用 p r o e 软件绘制了三维实体造型效果图和二维工程图，为国内生产该种清雪车提供了 完整技术资料。 本文首先对道路上的压实积雪的物理机械性能进行测试分析研究，并通过实验在 大连实地测量了密度、抗压强度等关键物理机械性能参数，为本文设计计算提供了理 论依据。 在分析大型旋转式除雪机结构和设计基础理论的基础上，针对国内单位清雪分块 承担的特点，本文对小型双螺旋旋转式清雪车进行了深入分析，设计了j x1 型机， 交由协作厂生产出样机。 对j x1 型样机进行实验验证，根据已有的理论研究基础，针对j xl 型样机的 不足，本文设计了加有内置蜗杆传动和带状集雪螺旋装置的j ) ( 3 型清雪车，确定了 其主要参数，传动方案和结构形式。由于设计时充分考虑了各种因素，并对关键部件 如集雪器和抛雪器等进行了优化设计，提出了一整套实用结构，使得该机型大小适中， 外表美观，推荐作为工厂生产的新机型。 本文在设计和绘图中，采用先进的工程软件p r o e 进行三维实体造型设计和二维 工程图的绘制，为国内生产该种清雪车提供了一整套技术资料。 关键词：小型旋转式清雪车，样机制作，实验验证，三维造型及工程图 第1 页 工程硕士学位论文 小型螺杆式清雪车研究 a b s t r a c t a f t e ra n a l y z i n gt h ev a r i o u sm e a n so fs n o w - c l e a r i n g si nt h ew o r l da t p r e s e n t ，t h e p r o j e c to f as o r to fm i n is n o w b l o w e rf i tf o rc h i n ai sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r b a s e do n t h et h e o r ys t u d ya n da p p l i e ds t r u c t u r a l d e s i g n ，t h et h r e e d i m e n s i o n a l s o l i dm o d e la n d p l a n a rd r a w i n gh a v eb ec o m p l e t e dw i t hp r o k e n g i n e e re n g i n e e r i n gs o f t w a r e ，w h i c hc a r l o f f e ra l le n t i r et e c h n i c a ld a t aa n d e n g i n e e r i n gd r a w i n g s f o rp r o d u c i n gf a c t o r y f i r s t l y ，t h r o u g ht h e m e a s u r et os n o wi nd a t i a nw ec a nc e r t a i nt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fh a r d n e s s ，d e n s i t ya n dc o m p r e s s i o ns t r e n g t ho f s n o wo nt h er o a dv i at h ef i e l d m e a s u r e m e n td a t a , w h i c ho f f e r sab a s ef o rd e s i g n i n gi nt h e o r y t h ec o n v e n t i o n a ll a r g e s i z es n o w b l o w e r s s t r u c t u r ea n db a s i cd e s i g nt h e o r yh a v eb e u s e df o rr e f e r e n c ea n dt h es p e c i a l t i e so fs n o w - c l e a r i n g s ，u s e df o rs c h o o l s ，f a c t o r i e sa n d o t h e r c a s e s ，a r et h o u g h to v e r ，t h e d ( 一1 t y p e s n o w - b l o w e rh a sb e d e s i g n e d a n d m a n u f a c t u r e da tf i r s t w i t hw h i c hw ec a l lt e s t i f yi ft h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fs u c hm i n i s n o w b l o w e r sa n dd e v i s e si sr i g h t t h o u g h tt h ee x p e r i m e n to fj ) l 1 ，i no r d e rt oo v e r c o m et h es h o r t a g e so fj ) 0 1 ，t h e j x 一3t y p es n o w - b l o w e ra r ed e s i g n e d a n dt h eh e l i c a lb e l ti su s e di nj x _ 3a l s ot os t r e n g t h t h es n o w c u t t i n gf u n c t i o na n daw o r md r i v ei sd e s i g n e dt ol e tt h ea p p e a r a n c e so fj x3i n g o o dl o o k t h e nw ec o n f i r mp r i m a r yp a r a m e t e r s ，t r a n s m i s s i o np r o j e c ta n ds t r u c t u r e b e c a u s eo f t a k i n gv a r i o u so f f a c t o r si n t oa c c o u n ta n do p t i m i z i n gc r i t i c a lp a r t ss u c ha st h e a u g e r s h a f t 、 t h r o w e r ，w ep u tf o r w a r di nt h i sp a p e ras u i to fp r a c t i c a ls t r u c t u r ej x 一3w i t ha p p r o p r i a t e s i z ea n db e a u t i f u la p p e a r a n c ea n dr e c o m m e n dt h i st y p eo fs n o w - b l o w e rt of a c t o r yt o p r o d u c e a san e w p r o d u c t a f t e rd e s i g n e d ，t h et h r e e - d i n l e n s i o n a lm o d e l sa n d p l a n a rd r a w i n g s o f w h o l e3t y p e so f s n o w b l o w e r sa r ee s t a b l i s h e dw i t ht h ep r o e e n g i n e e r i n gs o f t w a r e ，w h i c hc a no f f e rt h e w h o l et e c h n i c a ld a t aa n di n f o r m a t i o nt ot h ec o o p e r a t i n gf a c t o r y k e y w o r d s ：m i n i s n o w b l o w e r ，d e s i g n o f s a m p l e ，e x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o n ， t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e la n de n g i n e e r i n gd r a w i n g 第f l 页 声明 y 6 8 3 3 3 8 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：邋) 一笋年一月弓日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并授 权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密论 文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 疆 ) ，印年。广月口日 工程硕士学位论文小型螺杆式清雪车研究 物理量名称及符号说明表 集雪器回转直径：dm m 螺旋转数：”j ，m i n 。 螺旋线节距：s m m 除雪宽度：， 雪层厚度：h ， m m 清雪车行进速度：v m 5 摩擦系数： 温度：t 。c 积雪的抗压强度： p 口 螺旋线绕轴半径：r 。 m m 抛雪器出口到集雪器中心轴的垂直距离：h 。 m m 雪经过抛雪器时因与简壁摩擦和冲击而产生的能量损失系数：y 抛雪器扬雪角：度 空气粘滞系数：善 经抛雪筒出口的雪块平均半径：口 m m 积雪的密度：， g c m 一3 汽油机效率：确 链传动效率：叩： 轴承效率：玑 带传动效率：叩。 抛雪转子效率：玑 第v 页 工程硕士学位论文小型螺杆式清雪车研究 蜗杆传动的效率：玑 除雪生产率：o m 3 s e c 7 集雪螺旋的螺旋角：口度 集雪器消耗的功率：n j 转子轴旋转的角速度：， 转子叶片外径：兄 转子叶片宽度：占 m m ，玎，” k w r a d s e c - i 转子叶片卸载角：仉 度 转子叶片工作长度：l g m r 抛雪转子消耗的功率：n ，k w 雪块离开转子叶片时的速度：k m s j 速度k 与圆周分速度之间的夹角：仍 雪由集雪器进入抛雪器时的速度： 雪离开抛雪器时的速度：“。 m 阻力系数：c = 4 5 毒r 。1 a s e c m m 最大抛雪距离：x 实际消耗的功率：。加 锥齿轮齿形的基圆半径： 锥齿轮齿形的分度圆半径：k 锥齿轮齿形的压力角：a 。 锥齿轮齿形的渐开线模数：m 锥齿轮的齿数：z 第v i 页 工程硕士学位论文小型螺杆式清雪车研究 1绪论 1 1 选题的意义 1 及时清除积雪的必要性 地处寒带的城市冬季道路积雪给车辆和行人带来极大不便，甚至造成车祸，严重 地影响了人们正常的生产和生活秩序，这己成为世界公认的城市危害之一。 我国是个幅员辽阔的大国，地跨热带和温带，其中温带约占国土的1 3 左右。这 些地区每年有不同程度的降雪，尤其在纬度较高的北方地区每年仅有4 5 个月的无 霜期。我国的东北、华北和内蒙东北部的部分地区，属于寒温带大陆性季风气候，冬 季的降水量少且主要为降雪，而且无霜期较短。在这些地区由于冬季的积雪和积冰常 常造成严重的交通阻塞，在有些路段例如坡道、转弯、交叉路v i 、机场跑道等，路面 有积雪和积冰则影响更为严重，常常引发交通事故。因此，如何能在降雪后迅速、有 效地清除积雪，保证道路通畅一直是困扰政府和交通部门的问题，也是各企事业单位 的一个难题。 由于目前我国清雪方法比较原始，主要是人工法，基本上是人海战术，不但浪费 了较大的人力和物力，而且清雪的效率低，往往雪还没有被清理完，就被来往的车辆 压实，又增加了清雪难度。所以，过多的降雪常常来不及得到及时有效的清除，给城 市交通和人民生活带来了许多不便。因此，寻找一种既有较高效率，成本又比较低的 清雪方法就成为当务之急。 2 主要的除雪方法 目前，各国普遍采用的除雪方法是机械除雪法( 位移法) 和融雪法( 化学溶解法) 两种基本方法i “。 机械除雪法是通过机械对冰雪的直接作用而解除冰雪危害的一种方法。 这种方法是迄今为止应用最为广泛的除雪方法，是人类传统而有效的除雪方法。 研制性能优越的除雪机械成为世界上冬季降雪国家的一个重要课题。 积雪按状态可分成三种类型：( 1 ) 新鲜雪，即降雪不久且未经人员和车辆碾压的雪， 质地松软；( 2 ) 压实雪，即降雪后经人员和车辆碾压而形成的冰雪混合物，质地较硬且 和地面粘接紧密；( 3 ) 冰层，是积雪因阳光暴晒或车辆碾压融化成水后又冻结成冰，冰 层中除水分外还有大量尘土和泥沙，质地峰硬，和地面粘接牢固m 1 。所以除雪机械包 括除雪机和除冰机两种。根据工作原理的不同，除雪机可分为推移式、抛雪式和吹雪 第1 贞 工程硕士学位论文 小型螺杆式清雪车研究 式三种。推移式除雪机是将推雪铲刀，除雪犁等装置安装在推土机或其它车辆上，将 雪推走，开出通道，然后用卡车将积雪运走。这种方法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。常见的 推移式除雪机有前置正铲式、前置侧铲式和v 型除雪犁等等。抛雪式除雪机配有抛 雪泵，将收集到的积雪抛到路边或送入运输车辆。为清除压实雪和冰层还配有破冰装 置，主要有锤击式、压裂式、剁式和铲式，将压实雪或冰层破碎并和地面分离后清除。 常见的抛雪式除雪机有螺旋式、手臂式和叶片式三种，其中以螺旋式最为常见。吹雪 式除雪机一般配备航空发动机，产生强大的高压空气流由喷口吹除地面积雪。吹雪式 除雪机运行速度较高，有很高的生产率，但它只适用于新鲜雪，只能在机场、桥梁和 高速路上应用，成本很高，不能开发小型产品。除冰机是指具有切割、破碎、剥离道 路表面冰层和压实雪的机械。除冰机包括震动式除冰机、铣切式除冰机和撞击式除冰 机。 融雪法是一种靠热作用或撤布化学药剂使冰雪融化的方法。 它包括化学融雪法和热融雪法。化学融雪法又包括固体融雪法和液体融雪法。固 体融雪就是将化学药剂直接撒布在路面上使雪融化。液体融雪法是将化学药剂溶于水 中，然后，进行液体喷洒使冰雪融化。其化学药剂多采用氯化物( 如n a c l ) 或尿素 等。例如吉林交通科学研究所成功研制的s y 一2 0 型撤盐机，使用效果很好。热融雪法 就是用加热方法使雪融化，如电加热、红外线照射、天然气加热、蒸汽加热及利用发 动机排气等。例如，北京西客站坡道工程中使用了热水化雪装置，当时该项目获得北 京市新技术应用一等奖。 不过，融雪法所需费用较高，易对道路和周围环境造成污染，而且气温过低时将 失去作用，也不利于保护车轮胎，因此，这种方法的使用范围受到一定影响。 由以上两种主要除雪方法的对比与分析，我们得出结论，除雪应以机械除雪为主。 1 。2 国内外研究概况及发展趋势 利用机械清雪是把人从繁重的扫雪工作中解放出来的一种最好的途径，并大大提 高了清雪效率和速度。因此，科学工作者一直在探索如何研制出安全、可靠和实用的 清雪机械。 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，这后来发展成犁式除雪机。早在1 9 4 3 年日本就开始把v 型犁装在载重 卡车上用于除雪，经过多年的发展，国外犁式除雪机己具有较高的技术水平，如俄罗 斯新产品 一8 1 2 2 型犁式除雪机便是其中的优秀产品之一。9 0 年代初我国的沈 第2 页 t 程硕士学位论文 小型螺杆式清雪车研究 大高速公路上也引进了德国产的乌尼莫克道路综合养护车，辅机备有犁式除雪器。国 内犁式除雪机的研究也取得一定的成绩，先后研制了一些成功的产品，如西安公路研 究所研制的l 9 2 8 0 型除雪机，吉林交通科学研究所研制的c l 一3 6 ，c l 一3 5 型系列 除雪犁，以及哈尔滨林业机械研究所研制的c b x - 2 1 6 综合破冰除雪机等【”i 。犁式除 雪机出现阻后，又出现了将用合成材料制成的指向圆周不同方向排列的棒装在滚筒上 作为清雪专用器械，但只对没冻的积雪效果好，直到后来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。俄罗斯和日本是生产旋转式除雪机的 主要国家，技术成熟，其产品性能居世界领先水平。国内已研制成功的旋转式除雪机 主要有吉林工业大学等单位研制的c x - - 3 0 型除雪机，哈尔滨林业机械研究所研制的 c b x 2 1 6 型城市道路破冰机，吉林交通科学研究所研制的c b x 1 6 0 0 型除雪机等等。 除雪机在国外已经发展了几十年，特别是在瑞典、芬兰等北欧国家已经相当成熟。 中国除雪机械的研制起步较晚，真正的研制和开发是从8 0 年代以后，随着改革开放 的不断深入，道路的不断升级与新建各种机动车辆猛增而开始的，这些研究单位集 中在中国的东北地区，先后有十几种样机被生产出来，在除雪作业中发挥了一定作用。 但国内的除雪机械目前还存在一些问题，如作业速度低，整机利用率低、成本高，避 让功能不理想等。根据我国国情，国内应加强雪的力学性质研究，建立道路气象系统， 除雪机械应向小型化、高速度的方向发展，向多功能、机一电一液一体化的方向发展， 同时注意提高安全性和舒适性，打破专利封锁、加强技术合作。也只有这样我国力能 加快发展速度，缩短与世界先进水平之倒的差距2 】。 简言之，与其它类型的除雪机械相比，抛雪式除雪机一般具有对积雪的切削、集 中、推移和抛投功能，其应用较广，是一种现代化、高效率的除雪机械。自8 0 年代 起，逐渐在北美，北欧和日本北海道地区得到广泛的应用。在我国大型清雪车在部分 地区还可以见到，但大部分是推移式的，先进的抛投式少之又少，且是进口产品，价 格昂贵，维修不便。而相应的适用于中国国情的企事业单位清雪、城市次干道以下各 级道路清雪和环卫人员用的小型产品更是几乎见不到。国内有关这方面的研究很少， 据了解目前国内没有厂家在生产小型抛投式清雪机。所以对这种小型的除雪机的研 究、设计和开发必然有很大的现实意义。 1 3 主要的特点和性能技术指标 与其它类型的除雪机械相比，抛雪式除雪机一般具有对积雪的切削、集中、推移 和抛投功能，其应用较广，是一种现代化、高效率的除雪机械。 第3 页 t 程硕士学位论文小型螺杆式清雪车研究 这种除雪机有两个特点：( 1 ) 抛雪距离远，小型的抛雪距离为十米左右，大型的抛 雪距离可达三四十米。( 2 ) 集雪器和抛雪器相互牵制，使得这种机械的设计较为复杂。 除雪机械的性能指标通常主要有三个：( 1 ) 除净率，即清除掉的雪占总雪量的百分 比。除净率应从两个角度衡量，一是雪层清除高度和总高度的比例，二是雪层清除面 积与覆盖总面积的比例。( 2 ) 行走速度，即除雪机作业时的运行速度。从每分钟几米到 几十米不等。( 3 ) 除雪生产率，即单位时间内的除雪量。它与除雪机行走速度、雪层厚 度和一次除雪宽度有关，是除雪总量的综合反应”，。 4 本文主要任务 本研究课题来源于铁道部专家小额资助项目。本文主要任务是： 1 、对道路上的压实积雪的物理机械性能进行测试分析研究。 2 、在分析大型旋转式除雪枫的基础上，对小型旋转式清雪车进行了深入分析， 设计样机，交由协作厂生产。 3 、进行样机实验。 4 、根据已有的理论研究基础，针对样机的不足，设计新机型。 5 、采用先进的工程软件p r o f e 进行三维实体造型设计和二维工程图的绘制a 第4 页 丁程硕士学位论文小型螺杆式清雪车研究 2 除雪机的方案研究 2 1 小型抛投式除雪机工作原理简述 2 1 1 基本结构 抛投式( 这里指螺旋转子式) 除雪机的结构见图2 1 ，主要由原动机、传动装置、 抛雪器、集雪器和车体( 包括行走装置) 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 雪沿抛雪简抛掷到指定位置。 图2 1 旋转式清雪车的结构示意图 f i9 21s tr u c t u r a is k e t c hm a po fas n o w - b i o w e r 2 1 2 工作原理 下面将这种小型旋转式清雪车的原理简要地描述一下： 清雪车由车体和安装在它上面的汽油机( 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e l 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； 在没有转子机构的抛雪器中，积雪同时受到螺旋轴高速旋转带来的吸附力和切线方向 上的离心力的双重作用，从而沿抛雪筒预定方向被抛掷到指定位置( 路边或随行运输 第5 页 工程硕士学位论文小型螺杆式清雪车研究 车辆) ，这样就清理出一定宽度的通道。 所以，只要合理的设计计算集雪器、抛雪器等参数，就可以达到预定目标。 2 2 总体方案的制定 螺旋转子式( 抛投式除雪机中最常见的一种) 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( 有些螺旋转子式除雪机没有转子结 构，只有抛雪筒) ，在转子叶片的带动下，被不断沿抛雪筒抛出。 2 3 具体方案的确定 总体方案制定后，要考虑的是怎样确定原动机、传动装置、车体、集雪器和抛雪 器等各部分的具体设计。 2 3 1 选择原动机 表2 1j f l6 8 型汽油机主要技术参数 t a b i e 2 1 p r i m a r yt e c h n i c a ip a r a m e t e r so fg a s o li n ee n g i n eo ft h ej f l 6 8 型式单缸、四冲程 标定功率，转速( k w r p m ) 3 7 4 0 0 0 外形尺寸( m m )3 3 0 2 8 0 x 3 9 0 起动方式反冲式手拉起动 润滑方式飞溅润滑 点火方式t c i 活塞排量( m 1 )1 6 3 缸径行径( m m )6 8 4 5 净重( k g ) 1 5 该机输出方式灵活，可采用曲轴或凸轮轴 主要特点： 输山，配套用途广泛。 考虑到本机对动力源的要求，这里采用江动牌系列微型发动机中的j f l 6 8 型汽油 机。这种汽油机主要技术参数如表2 1 所示。 2 3 2 设计传动装置 考虑到缓冲、减震、过载保护、原动机等对传动装置的要求，采用单排滚子链f 链 号为0 8 b ) 传动和带( 普通v 带a 型) 传动。这部分设计较简单，这罩从略。 在有转子机构的机型中，因为多了转子传动装罨比较复杂，设计时应考虑到集雪 器和抛雪器相互牵制，必要时可设计圆锥减速器或蜗轮蜗杆以满足传动的要求。 第6 页 工程硕士学位论文 小型螺杆式清雪车研究 应该注意的是，设计时要合理安排传动路线，考虑调整重心的位置，尽量使重心 位于轮子略前方附近。汽油机应置于整机中央位置，通过传动装置带动集雪螺旋和抛 雪转子旋转，实现预定功能。 2 3 3 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 1 0 m m 的低碳钢板焊制而成，并包括扶手，车轮等附件。车体前段连接集雪器，中间 固定汽油机座，各部分设计应考虑如何满足简单、实用、美观、操纵灵便等要求，并 且车体的宽度不应超过集雪器的宽度。除此之外，考虑到实际应用，还应注意避免划 伤路面、减小自重、过载保护等问题。 2 3 4 集雪器的设计 1 集雪器结构设计 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。它由 三部分组成：双向螺旋轴( 集雪螺旋) 、轴承结构、挡板及推雪板等。双向螺旋轴是 一根安装两段反向螺旋的轴，安装在挡板中形成半封闭，由原动机通过传动装置带动 高速旋转。螺旋轴的结构见图2 2 和图2 _ 3 。 图22 无转子清雷车的螺旋轴 f i 9 22a u g e rs h a f to fas n o w - b i o w e rw i t h o u tr o t o r 闹。彳 、 = | | | i 一 圈2 3 有转子清雪车的螺旋轴 f i 9 2 3a u g e r s h a f to fas n o w - b i o w e rw i t h r o t o r 第7 页 ：程硕士学位论文小型螺杆式清雪车研究 螺旋集雪器的工作原理是，雪在螺旋叶片推力作用下受挤压到一定程度，当集雪 螺旋旋转时，在雪层上切割出一条雪带，并沿轴向移动至转子前方。螺旋集雪器的带 式刀片一般双向对称式，在螺旋中部留有一定空间，以减小雪流入转子时的阻力。 在无转子结构的机型中，集雪螺旋集切雪、集雪、抛雪三大功能于一体，因此多 采用图2 2 结构；在有转子结构的机型中，集雪螺旋只完成切雪、集雪功能，由抛雪 转子完成抛雪功能，故多采用图2 3 结构。 2 集雪器参数的分析 ( 1 ) 集雪器螺旋参数的分析计算 集雪器螺旋线的方向为左螺旋和右螺旋各半，分别置于两侧，通过其快速旋转时 的横向位移将雪推向中间。为加速雪的推移速度和对较硬雪的破碎效果，常采用多头 螺旋。 z 。一j 中 fc o 、 ly 图2 4 螺旋角的选择示意图 f i 9 2 4s k e t c hm a po fs e l e c l ：i n gh e ii xa n g i e 当螺旋以角速度旋转时，设在螺旋上有一点o 为雪块，雪块一面沿螺旋相对 滑动，一面沿轴向方向移动。如图2 4 所示。则o 点螺旋叶片的圆周速度为v o , = 歙， 矢量a b 为沿螺线滑行速度。则绝对速度为屹，k 沿螺旋面的法向方向。当考虑摩 擦时，实际绝对速度与法向偏移一摩擦角妒，将再沿y 、z 方向分解出一、t ： v = 矿，c o s + 妒) 矿 y ，= 二生一( 2 1 ) c o s 口 v o = v o , s i n a 第3 负 三堡堡主堂堡堡苎 ! ：型堡堑壅塑要圭婴壅 v ：坚旦一堕 3 0 2 u t g a6 0 t g a f f 式( 2 1 ) 中口为螺旋角：s 为螺旋线节距；n 为螺旋轴头数；r 为螺旋线绕z 轴 半径。解之有： _ = n 。s u c o s 20 ( 1 一喀妒辔口) 当n 、r 为定值时，屹与螺旋角a 成函数关系，若使集雪能力增强可求矿的极 值。令等= o 有t 9 2 0 t = 辔( 争办即有： 口一2 百一i , t - ( 2 2 ) 公式( 2 2 ) 中妒为雪与钢的摩擦角，雪与钢的摩擦系数辔妒值较小，在温度为 一1 0 。c 时约为o ，1 ，考虑到螺旋轴高速旋转时，雪屑在螺旋面上滑动，形成一种很薄 的溶解层，使冰雪的摩擦系数降低，约为0 0 6 0 1 。所以，一般螺旋角为3 5 。 4 0 。 时集雪能力最强。但在大多数的设计中，由于结构要求、功率限制或其它原因， 螺旋角通常取3 0 。3 5 。之间。 注：如表3 3 所示，雪与金属间的摩擦系数值与雪的密度和温度有关。 在没有转子机构的小型机型中，螺旋角也不能过大，否则由于雪在切线上的速度 达不到要求，使抛雪功能难以实现。同时为了提高螺旋集雪器的集雪，切雪和抛雪的 能力，这里应采用多头螺旋。 上彰i 。 _ 、；磊 ( 2 ) 集雪器消耗功率的分析计算 笫9 页 工程硕士学位论文小型螺杆式清雪车研究 螺旋轴螺旋线和其受力可用空间三维坐标来表示，f 、j 、k 分别代表空间三维 坐标单位向量，如图2 5 表示。 设在螺旋面上一小雪块重为g ，则作用在螺旋面上的法线压力为g s i n a ，摩擦 力为2 g ，s i n c z ，方向为沿螺旋线的切向方向。各力可分别投影于f 、j 、k 坐标中。 在图2 5 中的右侧图为雪块所受各力在i 、j 各方面的投影。如摩擦力为 , u g s i n a c o s d 。将各力继续在j 、j 、k 轴上投影，设各力构成的力场为五，则世可 用下式表达： k = z g s i n a c 0 5 0 s i n o x - f 一( a g s i n c r c o s a c o s o a t + g ) j + u g s i n 2 a k ( 2 _ 3 ) 公式( 2 3 ) 中根据相对运动，假定顺时针方向旋转的螺旋线不动，而将小雪块设为 逆时针沿螺旋线移动。又因集雪螺旋曲线在上述坐标中的表达式为： r = r e o si + r s i n c a _ ，+ c c o t k 则d r = 一r s i n w t d ( o x ) i + r c o s c o t d ( c a t ) j + c a r h - k 其中：r 为螺旋线绕z 轴回转半径；为螺旋轴转动角速度；r 为转动时间： c ：一旦。 2 z 则在力场k 罩，k 力沿螺旋曲线一周作功a 为：a = k d r 在确定积分界限时，应注意到重力沿曲线仅升高角度。重力功积分界为 ( o ) 。有： 4 = p r g s i r l a c o s l s i n 2 ( 毋d ( a r ) + p r g s i n a c o s a 。c o d ( o x ) d ( o x ) + r g 正。c 。s ( 科( 硝) 一a g c c o s i n 2 d t 积分： a = 2 z r p g s i n a c o s a + 尺g + 坶s s i n 2 口 2 n r ：屹，墨：k ，曼：，分别为圆周切向、沿圆弧铅直上升和沿轴向运 t 1t，t1 动速度。雪层厚度为h 。将小雪块的功率沿整个螺旋轴长度积分，功率为： n j = 腭s i n a c o s a - h i 彪化g h f d z + 每吒s i n 2 a - h 簟打( 2 4 ) f f 式( 2 4 1 中：，为螺旋沿轴向长度；皇坐考虑清雪机自行速度时雪进入集雪器每 ” 第1 0 页 上程硕士学位论文小型螺杆式清雪车研究 秒转过的弧长；v 清雪机自行速度( 形) ；”螺旋轴转数。 经螺旋轴推移并挤压的雪，将对螺旋叶片产生阻力。实际计算时，可设雪对单位 面积上的压力与雪的变形阻力厂相平衡。并假设雪为连续流体媒介，各方向变化速度 相同且均匀。则除雪生产率q = z h v 。那么集雪器所耗功率为： n ，： 1 + 卢s i n a c o s a + 譬( 棚一玛s i l l 2 a f q ( 2 5 ) o玎 公式( 2 5 ) 中d 为螺旋直径，其它符号如前所述。 注：雪的变形阻力厂( 即雪的抗压强度) 可由实验求出，如表3 3 所示，它和积 雪的密度和抗压强度有关。 2 3 5 抛雪器的设计 2 3 5 1 抛雪器的结构设计 1 无转子机构抛雪器的设计 小型机型通常没有转子机构，抛雪器只起对雪的导向作用，此时抛雪器简称为抛 雪筒。如图2 6 所示，为减小雪在其中运动时的阻力，抛雪筒的直筒部分与集雪器的 上挡板制成一个零件，连接处以圆角光滑过渡，且材料选用高光洁度、高韧性的玻璃 钢。 抛雪筒处于集雪器中部，方向应与挡板的半封闭圆筒相切，这个方向雪可以得到 充分的初速度后从此抛出。抛雪简轴线应处于集雪螺旋轴螺旋面中部，这样雪在离开 集雪器进入抛雪筒时可少受阻力。为提高抛雪距离，抛雪筒出口处有椭圆状的光滑开 口以保证雪在离开抛雪筒转弯时少受阻力。 根据力学原理，相同的初速度只有在4 5 度斜上抛时抛的距离最远，故扬雪角取 4 5 度最合理。 第1 1 页 t 程硕士学位论文 小型螺杆式清雪车研究 图2 6 抛雪衙结构示意图 f i 9 2 6s t r u c t u r es k e t c hm a po fet h r o w i n g s n o w - t u n n e i 2 有转子机构抛雪器的设计 与无转子机构的抛雪器相比，这种抛雪器在结构上多了抛雪转子，相应的集雪器 推雪板上在与抛雪器相对处增加了转子室。因此，这种抛雪器较为复杂，但它的抛雪 功能更优越。 工作原理：如图2 7 所示工作时，雪随着机体的前进和集雪器的自身旋转被粉碎 并从左右向中间集中，然后由于高速旋转着的转子产生内外气流速度压力差以及车体 的继续前进双重作用而进入转子壳体的j x l 扇室内，并迅速充满转子室。抛雪转子旋转 产生离心力使雪沿转子径向叶片端部移动，并被推压到转子室内的圆弧表面，随转子 叶片作旋转运动到达抛雪口时便被抛出。 通过调节抛雪筒可调节抛雪距离和抛雪方向。 图2 7 有转子机构的抛雪器结构图 f i 9 2 7s t r u c t u r es k e t c hm a p o f t h et h r o w e rw i t hr o t o r 第1 2 页 工群硕士学位论文 小型螺杆式清雪车研究 抛雪转子的计算见图2 8 ，主要参数有叶片卸载角仉、叶片外径r 和工作长度l g 、 转子抛雪生产能力( 生产率) q , i 和最大抛雪距离x 。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。其它雪块沿径向移动，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的圆周速度的矢量和。 图2 8 抛雪转子计算简图 f i 9 2 8s k e t c hm a po ft h et h r o w i h e - s n o w - r o t o r sc a i c u i a t i o l 3 转子卸载角妒。( 弧度) ，指从叶片顶端开始抛雪到两叶片间存雪完全抛完( 即 雪块从爿点运动到a 点) 时问内，叶片转过的角度。按雪块为无粘合力的散状小颗 粒的最有利输送条件，来确定p 。： 仃r1、 依j l 卜志j j r 蹴 ( 2 6 ) 转予外径r 取决于给定的清雪机生产率和转子叶片顶部的圆周速度k ，也要考 虑雪在叶片中的充填程度。可按公式计算： r l = m 洲4 一击 la i 转子的叶片长度由公式计算： 驴小剖 单位，2 ( 2 7 ) 单位m ( 2 ，8 ) 转子的理论生产率q 。与其几何尺寸和转速有关，可按公式确定： 鳓= 半( 一学) 单位噬簿 公式中：q 为清雪机的生产率瑶。，y “为雪的比重，k 为转子端部的圆 第1 3 页 t 程硕士学位论文 小型螺杆式清雪车研究 周速度7 缒c ，b 为转子叶片的宽度m ，k ，为转子中雪的充填系数，k 。为卸载角影 响系数。系数口。考虑到雪的重量及雪与叶片问的摩擦力的影响，可近似由公式 口。= 亡计算。系数k 。与清雪机的生产率、转子的圆周速度和雪的物理机械性能 有关。当在1 3 5 2 0 c 之间，y c h 在0 3 3 o 5 之间，时，一般在o 1 5 0 5 取k 一。较大的k h 值相对应于较低的叶片速度。g i 毛值与i 皇西值、卸载角毂值 以及雪在转子中的摩擦力和重量有关。用公式表示为墨= 嘉岩， e 。9 p m + 1 k ，= ：一o 4 p n 。m 一已坤一m 一1 2 。3 。5 。2 抛雪器性能参数的分析计算 1 无转子机构抛雪器的参数分析计算 ( 1 ) 雪由集雪器进入抛雪筒时的速度 雪的圆周速度可近似地认为是雪进入抛雪筒时的速度。 一i d = 等面2 s = 面n s ( 2 1 0 ) 可见，。与口、f 、s 有关。 ( 2 ) 雪离开抛雪筒时的速度 雪块以速度k 。脱离集雪螺旋经过抛雪器出口时的速度为，则 “o = 【2 2 9 风( 1 + 少) 以 ( 2 1 1 ) 公式( 2 1 1 ) 中，h 。为抛雪筒出口到集雪器中心轴的垂直距离，妒为雪经过抛雪简 时因与筒壁摩擦和冲击而产生的能量损失系数。 ( 3 ) 抛雪距离的计算 。1 抛雪距离是清雪机的主要性能指标。“。值的大小很大程度上决定了清雪机的抛 雪距离。当抛雪速度一定时，抛雪距离与雪的压实程度、雪的自然加密度、清雪机的 生产率、转予抛出的雪流密度、转子外径及雪的物理机械性能等因素有关。 第1 4 页 j 二程硕士学位论文 小型螺杆式清雪车研究 iv f i 吁i i 刊一i 3 图2 9 抛雪距离的计算 f i 9 29t h ec a i c u l a t i o ro ft h ed is t a n c eo ft h r o w i n gs n o w 雪属于轻飘物，在计算时，最大抛雪距离是指排除风力的影响。经转子抛出的雪 由于受到机械对其的加密作用，呈团状或颗粒状。在空气流体中运动，因速度不是很 快，运动阻力可以认为主要是流体粘滞性引起且阻力的量值和速度的一次方呈正比， 设阻力f = m g c u ，c 为阻力系数。以抛雪筒出口为原点，采用直角坐标。在0 x 、 y 、z 坐标中，雪块运动如图2 9 所示。 按牛顿定律，有： y 2 一g 毋g 膏= 一g c y c j = 0 以抛雪筒出口时计，当，= 0 ，x 0 = y o 抛雪筒扬雪角，则公式( 2 1 2 ) 的解为： x ：u o c o s f l ( 1 - e - f r 、 r 2 1 2 ) 0 ，i = h o c o s f l ，9 = “qs i n f l 。其中p 为 州型g c + 去g ) ( 1 可令三c ( 2 1 3 ) c 公式( 2 1 3 ) 中e 为自然对数底。系数c 的取值由实验确定。但一般在无大量实验数 据情况下，将清雪机处理后的雪团和颗粒认为是类球体，而按斯托克斯阻力定律来计 算t 即球体在粘滞流体以速度“运动时，所受到的阻力f 是：，= 6 x 辱a u 。式中口为 雪块半径：孝为空气粘滞系数。舌的数值系空气的内在属性。在零度以下时，可取值 为o 0 0 0 1 6 泊。 设f = f ，即m g c u = 6 刀白“，椐m g = 芸积3 r ，解之有：c = 4 5 争一1 d ，显然c g 之 值较小。因而可将公式( 2 1 3 ) 展成级数，有下列近似关系 x = c o s f l 卜- - q c g u oc o s f l r 2 第1 5 页 ： 程硕士学位论文小型螺杆式清雪车研究 y = i n 一三2 一去s i n 2 ( 1 一j 1 雨g 面t ) ( 2 1 4 ) 令公式( 2 1 4 ) 中的y ：0 ，并将式中第三项略去，解得到达地面时间r ：2 u o s i n f l 。 g 将r 带入x 的表达式，求出最大抛雪距离为： 工。：u02s i n 2 f l ( 1 - c u o s i n f l ) ( 2 1 5 ) g 空气对雪块运动有较大阻力，使实际抛雪距离大大小于理论值。实践证明，转子 的圆周速度越高，这一差异越大。顺风抛雪可以提高抛雪距离，当风速不超过2 c 时，也可逆风抛雪。由文献【1 】可知：考虑到风速对抛雪距离的影响，可采用经验公 式爿= x 。( 1 o 1 ) 单位删计算有风时的抛雪距离x 。式中：z 一无风时的抛雪距 离单位m ，风速单位c 。 2 有转子机构抛雪器的参数分析计算 ( 1 ) 抛雪转子所需功率 雪块在叶片中的运动如图2 1 0 所示。 一1 | ? j 、 一7 7 一。 囤2 1 0 雪块在转子室中的运动示意图 f i 9 21 0s k e t c hm a po ft h em o v e m e n to f s r l o wp a r t i c i e 图中各符号的意义是： k 一雪块进入转子叶片时的速度： k ，和一一分别为吒的沿叶片径向和圆周切向的分速度 矿一雪块离开转予叶片时的速度； 第1 6 页 工程硕士学位论文 小型螺杆式清雪车研究 ，矿一一分别为k 的沿叶片径向和圆周切向的分速度； 凰，r 一分别为速度e ，k 处到转予中心的距离； 纸，吼一速度圪，k 与圆周分速度之间的夹角； m ，一一转子轴旋转的角速度； 设m 为每秒通过抛雪转子雪的质量，则m = r o s ，o ，= o 为每秒通过抛雪转子的 流量，那么单位时间内雪的动量矩变化为： m = r q - ( k 蜀c o s q ) l v 0 r oc o s ( o o ) ，这动量矩的变化应等于施加与转子轴上的驱 动力矩。因此抛雪转子需用的功率： = m e o ，= r q ( v , r lc o s p l 一r oc o s t p o ) c o r ( 2 1 6 ) 由于集雪螺旋所带起雪的速度方向近于是转子叶片的径向，= 鲁，因此转子 需功率为： n = ，q v , r 1c o s 0 1 脚r ( 2 1 7 ) 或：n = r q 巧u ，c o s 仍 ( 2 1 8 ) 考虑雪进入转子时，雪对叶片的冲击和摩擦等使功率有损失，设叩，为抛雪转子 功率，则实际