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机械毕业设计车辆工程

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CL01-140@多功能清雪车总体布置,机械毕业设计车辆工程

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I 摘 要 本设计为多功能清雪车，能够清除浮雪、厚雪、薄冰、轧实的冰雪，可有效清除 0 25cm厚浮雪和 0 10cm 厚的轧实冰雪，达到见黑路面效果。可广泛用于市政道路、高速公路、普通公路、机场等地。 多功能清雪车以中国一汽生产的 CA3253P7K2T1AE型卡车为行走系统，以 一 汽 解 放 汽 车 有 限 公 司 无 锡 柴 油 机 厂 生 产 的 BF6M1013-28E3/ BF6M1013-26E3 发动机为作业系统的驱动装置，将除雪机构与其底盘车架连接，并对除雪车的雪铲、扫雪排、撒布机机构进行结构参数设计，分析了雪铲的工作阻力，通过对冰雪力 学性质、整车性能匹配的研究，提出设计方案。 本文的主要工作如下： （ 1） 调研分析机械清雪的重要性能及可行性。结合国内外目前的研究状况，明确清雪机械的发展趋势，确定研究方向。 （ 2） 研究积雪的物理机械性能。 （ 3） 铲车型号的选择及铲的设计。确定铲的参数，选择适合型号车。 （ 4） 整车受力及积雪的运动分析。计算清雪车在作业过程中整车的受力情况，分析各参数对清雪作业的影响；通过对雪单元体的研究，分析铲雪作业时的积雪运动。 （ 5） 稳定性分析。铲的特殊位置决定了其在作业过程中突出的稳定性问题。铲对清雪车作业稳定性的影响较大，为保证清雪车安全作业。 关键词 ： 除雪铲 ； 撒布机构 ； 扫雪排 ； 滚雪刷 ； 轨道升降机构 nts II Abstract This design for the multi-purpose clear sleighs, can eliminate floats the snow, the glazed frost, rolls over the solid snow and ice, but eliminates 025cm to float the snow and 010cm thick effectively thick rolls over the solid snow and ice, achieved sees the black road surface effect.But widely uses in places such as municipal administration path, highway, common freeway, airport. This article take a Chinese steam production CA3253P7K2T1AE truck as the undercarriage system, if take a steam liberation automobile limited company Wu xi diesel engine plant production BF6M1013-28E3/ BF6M1013-26E3 engine as the work system drive, will remove snow the organization the chassis frame connection, and will carry on the design parameter design to the snow removal breaker construction, has analyzed the roller compaction gun working resistance, through to the snow and ice mechanical properties, the breaker construction, the entire vehicle performance match research, will propose the improvement program. Keywords: shovel snow removal And cloth institutions sweep row rolling snow brush rail lifting mechanism nts III 目 录 摘 要 . I Abstract . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 研究的目的及意义 . 1 1.2 国内外研究现状和发展趋势 . 2 1.2.1 路面除冰技术的发展历程 . 2 1.2.2 国外路面除冰设备的研究现状 . 4 1.2.3 国内路面除冰设备的研究现状 . 5 1.2.4 路面除冰雪技术的发展趋 势 . 7 1.3 本章小结 . 8 第 2 章 路面压实冰雪物理力学性质 . 9 2.1 冰雪的成因与分类 . 9 2.1.1 路面冰雪分类 . 9 2.1.2 路面压实冰雪的成因 . 10 2.1.3 影响因素 . 10 2.2 路面压实冰雪力学性质 . 12 2.2.1 抗压强度 . 12 2.2.2 抗切强度 . 13 2.2.3 相关系数 . 14 2.3 压实冰雪破坏准则 . 15 2.4 本章小结 . 18 第 3 章 清雪车分类及特点 . 19 3.1 清雪车分类 . 19 3.1.1 按工作装置特点分类 . 19 3.1.2 按整车特点分类 . 22 3.2 本章小结 . 22 第 4 章 前雪铲板空间曲面设计 . 23 4.1 清雪铲前铲设计 . 23 4.2 清雪铲铲板曲 面结构参数确定 . 26 4.2.1 推雪铲设计 . 26 nts IV 4.2.2 独立壁障装置设计 . 29 4.3 本章小结 . 31 第 5 章 清雪车部件设计 . 32 5.1 滚雪刷设计 . 32 5.1.1 卧式滚扫刷刷毛排布形式分类 . 32 5.1.2 整滚刷安装位置不同分类 . 33 5.1.3 按滚刷驱动分类 . 34 5.1.4 整滚刷刷毛选择 . 35 5.2 扫雪排设计 . 36 5.3 撒布机设计 . 37 5.4 油路设计 . 38 5.5 本章小结 . 39 第 6 章 整车受力分析 . 41 6.1 清雪铲受力分析 . 41 6.1.1 除雪铲除雪阻力计算 . 41 6.1.2 除雪铲行驶阻力计算 . 41 6.1.3 除雪阻力、附着力和除雪功率的计算 . 42 6.2 理论计算 . 42 6.2.1 牵制除雪铲功率计算条件 . 42 6.2.2 除雪阻力计算 . 44 6.3 形式阻力计算 . 46 6.4 除雪阻力计算 . 47 6.5 除雪功率计算 . 48 6.6 车辆侧向稳定性分析 . 48 6.7 本章小结 . 49 结 论 . 50 致 谢 . 51 参考文献 . 52 nts 1 第 1章 绪论 1.1 研究的目的及意义 城市道路是城市重要基础设施，它构成城市的骨架，我国北方冬季时间长，降雪量大，不及时清除积雪，将严重影响交通及安全，给生活、生产带来诸多问题，多功能清雪车的研制，改变环卫工作环境，减轻其劳动强度，提高其工作的效率和安全性，改善城市冬季交通和卫生环境，保障道路的畅通，减少交通事故，满足市区道路通行的需要，有重要的实用价值。 近几十年来，国外除雪车发展非常迅速，种类越来越多，各种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。 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车。早在 1943 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，国外犁式除雪车以具有较高的技术水平。以俄罗斯产品 KO281222型犁式除雪车为例，这种除雪车基础车采用 MT323082型拖拉机，其功用有除雪、清除垃圾和沙堆，既可以用于街道、人行道的垃圾清除，也可以用于公路和建筑工地的除雪。犁式除 雪车的工作装置有推土板、犁刀和圆盘刷，其除雪宽度为：推土板 2.5m；犁刀 2.5m；圆盘刷 1.8m。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。 我国的除雪机械开始于 20世纪 80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。 国内主要研发的有西安公路研究所研制的 L9280型除雪车、哈尔滨林业机械研究所研制的 CBX-216 综合破冰除雪机、吉林交通科学研究所研制的CL-3.6和 CL-3.5型系列除雪犁、吉林省盘石县公路养路段研制的 CL-2.4 型公路除雪器、陕西高速公路管理局研制的 FCX-1型除雪车、吉林省公路机械厂与原吉林工业大学共同开发的 CB1500 压实冰雪清除机、重庆迪马公司生产的 DMT5160TYH 多功能除雪车，该除雪车装备有推雪铲、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CXL-2、 CXL-3 型除雪机和北京永锋科技有限公司研制的雪豹 YF 系列的多功nts 2 能喷气式除雪车等。 目前，国内除雪车的开发研制工作还主要集中在铲式除雪车和融雪剂散布机这两种除雪车形式，但由于专业的除雪车，因其庞大的体积，降低 了操作灵便性和除雪效率，因而选择一款操作灵便、通用化的汽车来改装成一除雪车，来补充专业除雪车的不足。 1.2 国内外研究现状和发展趋势 1.2.1 路面除冰技术的发展历程 在世界范围内，寒冷地区的国家冬季路面上都存在不同程度的积雪结冰。研究路面除冰技术具有十分广泛的重要意义。路面除冰技术的发展经历了人工清除、机械化清除和智能化清除三个阶段。 人工除冰法主要依靠人力用简单的劳动工具来完成路面冰雪的清除。人工除冰是最早期、最原始的除冰方法。虽然人工清除冰雪比较彻底，但是作业时间长、劳动强度大、效率低、耗费大量的人力、物力和时间， 作业时影响车辆通行和行车安全。目前，人工除冰法只适用于小范围冰雪的清除或重点路段冰雪的清除。 随着科技水平的不断提高，交通建设的飞速发展，机械化的除冰技术应运而生。目前，常用的机械化除冰技术主要包括化学除冰法、热力除冰法和机械除冰法三种。 （ 1）化学除冰法 化学除冰法是一种依靠撒布盐类除雪剂来降低冰雪危害的方法。其原理是降低冰雪的冰点。化学除冰法既可以用来清除路面结冰，也可以清除浮雪，是国际上比较常见的一种路面冰雪清除手段。 在一定环境条件下，化学除冰法可以有效的清除道路冰雪，改善道路安全状况，提高道路运输 效率。但是化学除冰法的负作用也比较明显，主要体现在： 除冰效果受环境温度影响较大，存在反复结冰现象； 造成沥青路面脱层，路面大面积破损； 对桥梁的结构存在着腐蚀性，使桥梁结构的耐久性下降； nts 3 腐蚀机动车辆的轮胎及车辆底盘，大大降低其性能和使用寿命； 造成路边的土壤盐分增加，土壤板结硬化贫瘠； 造成城市绿地黄化，树木枯死，甚至影响道路附近农作物的生长； 造成水体污染，危害动物生命和人类健康。 近年来，虽然无毒性和无腐蚀性的环保型除雪剂，如生物降解型除雪剂等已经问世，对环境和植物的破坏减少了，但是并未彻底根除。因此化学除冰法的应用还是受到了一定的限制。 （ 2）热力除冰法 热力除 冰法利用热能使冰雪融化，消除冰雪危害，分为微波加热、红外线加热、喷气发动机加热等类型； 微波加热。利用微波穿透冰雪加热路面，使得贴近路面的冰雪融化，消除了路面和冰雪之间的结合力使二者分离，达到清除目的； 红外线加热。使用柴油作为燃料加热红外线加热板，利用其热辐射作用使路面上的冰雪迅速融化； 喷气发动机加热。利用喷气式 发动机排出的高温热气流对路面冰雪进行加热使其融化以达到清除目的。 虽然热力除冰法清除冰雪速度快，安全性好但该方法往往耗能较大，费用较高，所以其适用范围也受到很大限制。 （ 3）机械除雪法 机械除雪法通过机械装置对冰雪直接作用来消除冰雪危害，按其工作原理可以分以下几种形式。 振动式。振动式主要利用冰雪在振动作用下，小变形可以引发脆性断裂的特点。振动轮在振动马达带动下振动，使其表面的刀具切入、挤压冰雪。振动式的工作效率高，清除冰雪效果比较好，能够有效的 避免路面的损坏。但是显而易见，振动式的结构复杂，制造成本高。 铲剁式。铲剁式模仿人工除冰，利用压实冰雪硬而脆，不耐冲击的物理性质。由多种刀具组成的工作铲在曲轴的带动下上下往复运动，对路面的压实冰雪进行周期性的剁击。铲剁式工作效率较低，容易损伤路面，应用范nts 4 围受到限制。 推切式。除冰铲是推切式除冰装置常用的结构。铲刃在压力作用下切入冰雪层，在牵引主机推动下清除冰雪。除冰铲结构比较简单，技术 比较成熟，工作效率比较高。但是由于工作阻力大，除冰铲清除冰雪的硬度受到很大限制，需要大功率的牵引主机。此外，铲刃的磨损比较严重，对路面有一定的损伤，当路面起伏波动较大时除冰铲的清除效果受到影响。 碾压式。碾压式利用压实冰雪脆性高，易断裂的特点，通过滚筒上面的组合刀片，依靠自重和主机的协调压力使楔形刀具切入冰雪层。随着切入深度的增加，楔形刀具对冰雪层产生挤压作用，使冰雪层脆性断裂、破碎，并与路面剥离。碾压式结构简单，工作性能更好。 机械除冰易于实现 一机多用，不使用化学药剂，无污染，能够很好的保护环境和植被，公路两侧的农田或者绿化带内是天然的堆放场所，还利于春季土壤保墒，所以它在国内应用最为广泛。 随着人们对路面除冰技术研究的不断深入，出现了一类更为先进的除冰技术 -智能化除冰技术。智能化除冰技术着眼于借助路面的某些特殊功能阻止路面积雪形成或者融冰除冰，目前主要包括自应力弹性路面技术、导电铺面融冰技术、太阳能 土壤蓄热融冰雪技术。 自应力弹性路面技术利用弹性材料局部变形能力较强的特性，通过在路面铺装材料内掺入一定量的橡胶颗粒，改变路面的变形特性。路面在 外载荷作用下产生的自应力从而有效地抑制路面积雪结冰。 导电铺面融冰雪技术是指在普通沥青或者混凝土中添加聚合物类、炭类或金属类导电组分材料，使之具有良好导电性能。冬季将电能转变为热能使路面温度升高，冰雪自动融化，从而保障交通畅通和行车安全。 太阳能 土壤蓄热融冰技术是指在道路中铺设太阳能采集系统，在地下土壤中设置能量储存系统，将太阳能收集并储存。降雪时将能量提取至路面，提高路面的温度融化冰雪 1.2.2 国外路面除冰设备的研究现状 国外降雪频繁的国家都很重视清雪机的研制和使用，机械清雪技术较为先进，已经进入专业化的时代， 产品在技术、工艺和性能上都较为成熟。目nts 5 前，国外针对路面积雪结冰的清除技术还是以撒布除雪剂为主，设备既有综合式的多功能专用除雪车，也有以工程车辆底盘为主机的一机多用型清雪车。国外清雪除冰设备主要生产厂家有瑞士 BOSCHUNG 公司、丹麦的 EPOKE公司、德国的 DAIMLER-BENZ、 VOLKSWAGLN 公司、英国的 SCHMIDT 公司、美国的 S&S、 BOBSCHUNG 公司、日本和俄罗斯的生产厂家更是不胜枚举。 瑞士 BOSCHUNG公司的智能移动式撒布机，如图 1-1中（ a）所示。该机存放除雪剂的料斗容积可达 12 立 方米，除雪剂的撒布量连续可调，撒布宽度与撒布剂量自动同步，并配有自动装卸装置。 日本冬季降雪频繁、其清雪机械的技术水平处于世界领先地位。 清雪卡车、清雪推土机、清雪平地铲、防冻剂撒布车等清雪机械设备在日本普遍应用。防冻剂撒布车通过喷洒防冻剂来防止路面积雪碾压冻结，撒布性能和行驶速度的协调性较好，是保证道路安全的重要工具。高速压雪清除机如图 1-1中（ b）所示，采用 4300mm宽清雪铲，根据压实积雪的性状，开发了振动式和压力信号综合自动化监测系统，有效地控制清雪铲的推力和角度，极大的提高了清雪作业能力。 CE520NN 型清雪卡车是日产柴油工业株式会社生产的大型多功能清雪车，可以通过配置刮雪刀清除压实冰雪。刮雪刀安装在车辆前后轮中间，高度有 500mm和 670mm 两种。清雪卡车的主机采用 10 档位变速箱，变速操作容易在清除压实雪，车辆反复前进、后退、变速时，车辆的舒适性、操作性、安全性有很大提高。 图 1-1国外路面除雪设备 1.2.3 国内路面除冰设备的研究现状 我国清雪技术的研发起步较晚，始于 20世纪 80年代后期，相关研究单nts 6 位主要集中在东北、西北、华北地区，先后有几十种型号的清雪车研制成功。几年来一些厂家参照国外先进技术，研 发出适合我国清雪作业急需的梨板式和转子式清雪车以及拖式撒盐车等车型，但与世界先进国家清雪车发展相比，产品数量及性能差距较大，远不能满足道路清雪需求。目前，国内主要的清雪设备有沈阳路泰达除雪机械生产的 H2800 型击振破冰清雪机、 H1900型破冰清雪机，如图 1-2 中（ a）（ b）所示；北京银海除雪机械有限公司生产的 HM16-TTR加热王，如图 1-2中（ c）所示；雪狼除雪机械生产的雪狼 CXL-2清雪机，如图 1-2 中（ d）所示；哈尔滨林业机械研究所研制的 CBX-216 综合破冰清雪机；徐州装载机厂生产的公路养护用轮式震 动除冰车。 （ a） H2800型击振破冰清雪机 （ b） H1900型破冰清雪机 （ c） HM16-TTR加热王 （ d）雪狼 CXL-2清雪机 图 1-2 国内道路除雪设备 经过二十多年来的探索和研究，我国的路面除冰技术和设备取得了和大的进步，但是从总体上看来，我国对路面除冰设备的研发和生产尚处于起步nts 7 阶段，除冰设备的技术水平还比较落后，主要体现在以下几个方面： （ 1） 技术水平低。除冰设备在结构设计、制造、设备使用管理 和维护等方面都存在问题。 （ 2） 品种类型不全。目前，不少种类的路面除冰设备在我国还是一片空白，尤其是用于路面压实冰雪的大型设备。 （ 3） 避让功能不理想。我国现有的除冰设备大部分避障能力较差在除冰作业中，常常因为避障不及时导致作业属具或者牵引主机的损坏。 （ 4） 对路面养护能力差。在作业路面凹凸不平时，除冰设备容易对路面造成破坏。 1.2.4 路面除冰雪技术的发展趋 势 目前，路面除冰技术的主要发展趋势 (1)高效化 。 高效化的发展趋势包括两个方面，一是作业效率高效化，二是冰雪清除程度的高效化。只有高的作业效率和高的清除效率，才能保证路面冰雪在 最短的时间内得到及时和有效的清除，保障道路畅通和安全。 (2)低耗化 。 统计资料表明，冰雪清除设备在清除路面冰雪时的能量消耗成本占总成本的 80%以上。降低能量消耗，是降低冰雪清除成本的直接和有效的方法。 (3)智能化 。 由于路面形式的多样性，尤其是城市道路路面的复杂性，要求冰雪清除设备能够及时准确地识别路面情况并作出相应的判断和动作，防止作业属具损伤路面，保护冰雪清除设备，有效地清除路面冰雪。 (4)多功能化 。 工作性质的多功能性，可以实现一台设备清除各类冰雪，降低设备的投入资金，减轻企业负担； 工作范围的多功能性，可以在冰雪清除的非作业期间，拆除冰雪作业属具，使主机从事其它作业，问接降低设备投入成本，提高企业经济收益。 (5)环保化 。 冰雪清除设备的环境保护，包括设备主机对环境的影响和冰雪清除方法对环境的影响两个方面。设备主机对环境的影响，通常包括噪声和尾气，因此，选取符合环保标准的主机是关键。 着重 多功能小型化 ，同时 中国的除雪机械 还 应该着重向兼用型的方向发展，可对多种机械如卡车、推土机、建筑机械等实施改造，或配备雪犁等除雪装置，只是在冬季降雪时进行除雪作业，其余时间可进行洒水、清扫等多种路面 养护作业及其他常规作业。除雪机械应尽量采用机、电、液新技术，nts 8 实现自动控制，提高除雪机械的科技含量，减轻工人的劳动强度，提高扫雪除冰的效率。 1.3 本章小结 本文结合哈尔滨市城市道路情况，参照吉林北欧多功能清雪机进行设计，主要研究以下几个方面内容： （ 1）副发动机和除冰装置的结构形式；分析路面压实冰雪的物理力学性能和破坏准则，为清雪车的相关设计、分析计算奠定基础。 （ 2）研究清雪车的结构和整车性能。确定本文选用牵引装置。 （ 3）研究清雪车 清雪铲 工作机理。对 清雪铲 结构和参数进行设计；对 清雪铲 的切线阻力进行分析计算 。 nts 9 第 2章 路面压实冰雪物理力学性质 2.1 冰雪的成因与分类 2.1.1 路面冰雪分类 日本冰雪协会雪质分类委员会经过对道路雪质调查，得出路面冰雪分类 ,本文节选出一部分，如表 2.1所示。 表 2.1 路面压实冰雪分类表 分类 状态 特征 雪粒状态 密度 / 2m 新雪 结晶状 刚下的雪 100左右 粉雪 粉状 车辆带起的由新雪雪 片分裂而成的小颗粒雪粉积存物 直径为 0.050.3mm相互没有连接的圆粒 270 410 压雪 板状 被压过的积雪 雪 粒 直 径 为0.05 0.3mm相互连接的圆粒 450 750 冰雪 板状 压雪渗进水以后又冻结，厚度在 1mm以上 雪 粒 直 径 为0.05 2mm的多结晶冰，含有粒径0.1 0.5mm 的气泡 750 900 冰膜 薄 冰 膜 冻结的水膜在地面或积雪上，厚度在 1mm以下 雪 粒 直 径 为0.1 0.4mm 的多结晶冰，含有粒径0.01 0.1mm的气泡 nts 10 2.1.2 路面压实冰雪的成因 根据我国气候及交通状况，结合表 2.1，将路面压实冰雪的形成原因归纳为以下三个方面： （ 1）碾压。冬 季路面降雪经过车辆和行人的碾压，密度较小的新雪被压实，形成高密度的压实雪。 （ 2）反复融冻。冬季由于昼夜温差变化，路面降雪在一段时间内出现反复的融化、冻结，在路面上形成坚硬的冰雪层。 （ 3）冻雨。冻雨是初冬或冬末春初时节的一种灾害性天气现象。冻雨落在路面上，随即冻结成光滑的冰层。随着雨量的增大，冰层也越结越厚。 以上三方面原因往往同时存在并相互作用，因此本文把压雪、冰雪和冰层统称为路面压实冰雪。压实冰雪在路面上的存在形式如图 2-1所示。从图中可以看出，压实冰雪通过粘结层和路面固结在一起。通常情况下，粘结层的 厚度仅有几毫米。 图 2-1压实冰雪存在形式示意图 2.1.3 影响因素 由压实冰雪形成原因可以看出，压实冰雪的性能不仅受温度、水分的影响，还与外界压力、路面杂质、路面表面特性因素有关。 （ 1） 温度 nts 11 温度影响积雪中水分的析出和冻结 当温度高于 0时，路面积雪开始融化，水分不断增多。水分是冻结不可缺少的重要因素。当路面温度接近 0时，压实冰雪内部、压实冰雪与路面之间的水分开始凝结，由液态向固态转变。温度持续下降，路面与压实冰雪界面处的水分凝固加剧，两者之间的粘结层强度不断增大，并将压实冰雪和路面牢牢地连接在一起。当温度降到一 定界限后，温度的降低再不能从压实冰雪内部得到更多的水分，界面间的粘结层强度不再增大，界面处于系统平衡状态。 温度影响冻结速度 温度变化的快慢会影响冰雪的冻结速度，而冻结速度的变化影响冻结压实冰雪的结晶形态。不同结晶形态的冰雪，其性能变化很大。 由此可见，温度是影响路面压实冰雪性能的重要因素，对压实冰雪与路面的粘结起着关键作用。路面压实冰雪和粘结层的性能是随温度不断变化的。 （ 2）压力 压力是形成路面压实冰雪的重要条件，冰雪受到的压力情况与被压实后的冰雪的性能有直接关系。压力作用的效果直接体现在压实冰雪的密度 和硬度上。 压力影响水分的析出 降雪在压力作用下，会有一定的雪花转化为水。压力作用的次数越频发，降雪转化为水的数量就越多。 压力影响压实冰雪的密度和强度 压力会使路面冰雪的密度和强度大大增加，这是因为所施加的压力一方面使积雪被压实，另一方面压力会集中在界面上，使界面处冰雪层与路面的接触更加紧密，水分向界面渗透加剧。渗透到路面的水分冻胀，大大增加了冰雪对路面的“抓固”作用，增加了整体的强 度。 在现实情况中，冰雪受到的压力大小和次数均无法准确衡量，所以压实冰雪的性能仍有很大的随机性。 （ 3） 冻结时间 nts 12 在特定温度下系统的平衡依赖于冻结时间。在系统未进入热量平衡之前，冻结时间与压实冰雪的强度呈线性增长关系，冻结时间越长，压实冰雪的强度就越大。当系统进入热量平衡后，强度趋于平衡不再发生变化。 由此可见，路面压实冰雪的形成过程是系统散失热量，水分凝固结冰的过程。冻结时间与压实冰雪的强度有直接的关系。 （ 4） 路面表面特性与杂质 路面表面特 性 压实冰雪性能受到路面表面特性的影响，主要包括路面的粗糙度和表面湿润性等表面特性与导热性、热膨胀性等材料热特性。 我国等级路面分为沥青类路面和水泥混凝土类路面两种。北方地区路面以沥青类路面为主。较小的空隙率使沥青混凝土路面具有透水性小、水稳定性好、耐久性高、有较大的抗自然因素的能力，使用年限可达 15 20 年以上。沥青混凝土路面表面粗糙度大、抗水性好、比热小、热膨胀系数小，压实冰雪与沥青路面的冻结十分坚固。 路面杂质 在各种 公路的路面上，不可避免的存在各种杂质，比如粉尘、泥沙、碎石颗粒物等。这些杂质的存在对路面压实冰雪的性能也有重要影响。 当路面与压实冰雪之间存在杂质时，杂质起到了凝结粘合的作用，水的结合冻不均匀，增大粘结层强度。一般情况下，粘结层的强度高于压实冰雪的强度不同的路面的表面特征及路面杂质的存在情况各不相同，所以路面压实冰雪的性能是随着路面杂质不断变化的。 2.2 路面压实冰雪力学性质 2.2.1 抗压强度 压实冰雪的抗压强度是清雪车设计的重要参数之一，指压实冰雪抵抗其他物体进入的能力，用物体进入冰雪时单位面积上所受到的阻力表示。压实冰雪的抗压强度因环境不同而不同，强度值随密度的增加而增大，随温度的降低而增大，统计数值如表 2.2所示。 nts 13 表 2.2 压实冰雪的抗压强度 冰雪类型 冰雪的密度 (kg/3m ) -1 -20时抗压强度的 范围（ MPa） 压雪 450 750 0.2 1.67 冰雪 750 900 0.9 2.94 冰层 900左右 1.0 4.0 2.2.2 抗切强度 抗切强度 q 定义为切割每单位横截面积压实冰雪所需的力，包括压实冰雪各种形式的变化强度。目前，抗切强度的计算大多利用经验公式 bhFqq /=（ 2-1） 式中 q 抗切强度， Pa； qF 作用在刀刃上的 切削阻力， N； b 切削刃宽度， m； h 切削层厚度， m。 利用抗切强度 q 可以很简便地进行压实冰雪清除装置阻力计算和清雪车的牵引特性分析，压实冰雪的抗切强度如表 2.3所示 表 2.3 压实冰雪的抗切强度 冰雪厚度 （ kg/ 3m ） 抗切强度 （ 310 Pa） 温度（） 0 -1 -2 -10 -10以下 300 400 5.0 12.0 8.0 25.0 5.0 35.0 450 750 10.0 25.0 15.0 40.0 30.0 80.0 750 900 20.0 35.0 30.0 80.0 70.0 130.0 nts 14 2.2.3 相关系数 压实冰雪清除装置设计、清雪车的工作阻力计算和牵引性能分析涉及到冰雪的摩擦系数、冰雪路面的附着系数、冰雪路面的行驶阻力系数的选取。 冰雪的摩擦系数包括外摩擦系数 和内摩擦系数，外摩擦系数是指冰雪与其他物体之间的摩擦系数，内摩擦系数是指冰雪内部之间的摩擦系数。本文的外冰雪摩擦系数具体指冰雪和钢铁之间的摩擦系数，取值表 2.4。冰雪内摩擦系数取值如表 2.5 所示。内外摩擦系数都与温度和冰雪的密度有关。 表 2.4 冰雪和钢铁的摩擦系数 摩擦系数 冰雪密度 （ kg/ 3m ） 温度（） 0 -1 -2 -15 -16 -30 450 550 0.056 0.04 0.05 550 650 0.05 0.03 0.04 650 750 0.04 0.02 0.03 750以上 0.03 0.015 0.02 表 2.5 冰雪的内摩擦系数 摩擦系数 冰雪密度 （ kg/ 3m ） 温度（） 0 -1 -2 -10 -10以下 450 750 0.40 0.44 0.50 750 900 0.42 0.47 0.53 900 0.45 0.50 0.59 路面压实冰雪的存在很大程度上降低了路面原来的使用性能，具体路况下轮胎的附着系数和行驶阻力系数取值分别如表 2.6、表 2.7所示。 nts 15 表 2.6 冰雪路面的附着系数 压实冰雪状态 轮胎类型 附着系数 密实冻结 低压胎 0.20 0.35 密实冻结 高压胎 0.20 0.25 密实解冻 低压胎 0.10 0.20 密实解冻 高压胎 0.10 0.20 压实冻结 高压胎 0.209 压实解冻 高压胎 0.176 表 2.7 冰雪路面的行驶阻力系数 冰雪状态 冰 雪密度 （ kg/ 3m ） 行驶阻力系数 轮胎 履带 松软 150 250 0.2 0.25 0.2 松软潮湿 150 250 0.3 0.2 轻度压实 250 350 0.15 0.2 0.1 碾压 450 750 0.08 0.1 0.05 冰雪 750 900 0.06 0.08 0.07 0.1 2.3 压实冰雪破坏准则 由材料力学可知，当材料处于简单受力情况时，材料的危险点处于简单应力状态，破坏 可以由简单试验来确定。但是，压实冰雪在外载荷的作用下常常处于复杂的应力状态，压实冰雪的强度及其在载荷作用下的性状和冰的应力状态有很大关系。目前，材料力学中的多种破坏理论都可以用来解释压实冰雪在复杂应力状态下的破坏。 （ 1）最大拉应力准则 该理论认为最大拉应力是引起压实冰雪断裂的主要因素。当最大拉应力达到与压实冰雪有关的材料性质的某一极限值时，压实冰雪就发生断裂破坏。最大拉应力理论的破坏准则为 b =1将极限应力 b 除以安全系数 n，可以得到许用应力 ，则最大拉应力nts 16 理论的强度条件 1 最大拉应力准则只适用于单向应力状态及某些应力状态中的受拉的情况。对于复杂的应力状态，该准则有不足之处。 （ 2）最大正应变准则 该理论认为材料的破坏取决于最大正应变，只要材料 内任一方向的正应变达到单向压缩或单向拉伸中的破坏数值，材料就发生破坏，破坏准则为 Eb=1（ 2-4） 由广义胡克定律 11max 1E=- )( 32 +，代入式（ 2-4）得 1 -b)( 32 =+（ 2-5） 将极限应力b除以安全系数 n，可以得到许用应力 ,则最大正应变理论的强度条件为 1 - )(32 + （ 2-6）（ 3）莫尔强度理论及莫尔 库仑准则 莫尔强度理论是莫尔在 1900年提出的，是目前工程中应用最多的强度理论之一。该理论认为材料内有一点的破坏与中间主应力无关，主要决定于主应力 1 和 3 。在 - 平面上，可以绘制一系列的极限应力圆，每一个极限应力圆都反映一种达到破坏极限的应力状态。这一系列极限应力圆的包络线称为莫尔包络线，如图 2-2所示。包络线代表材料的破坏条件或强度条件。 nts 17 图 2-2 极限应力椭圆的包络线 1-拉压试验； 2-抗剪试验； 3-抗压试验； 4-包络线； 5-三轴试验 根据莫尔理论，可以利用在 - 平面上画出该点的莫尔应力圆，来判断材料内某点处于复杂应力状态下是否破坏。如果所作应力圆在莫尔包络线以内，则通过该点任何面上的剪应力都小于相应面上的抗剪强度 ，说明该点没有破坏，处于安全状 态；如果所作应力圆刚好与包络线相切，则通过该点有一对平面的剪应力刚好达到相应面上的抗剪强度，该点处于临界破坏状态。 对于不同条件的材料，莫尔强度条件的形式也不相同。对于抗拉强度很弱，抗压强度很高的脆性材料，在应用莫尔强度理论时，可以用单向拉伸和单向压缩两个极限应力圆的公切线来代替包络线，将包络线进行化简。将该直线形式的包络线称为莫尔 -库仑强度准则，如图 2-3所示。莫尔 -库仑破坏准则认为，当剪切应力 大于内聚力 C和内摩擦力 之和时，材料便发生脆性剪切破碎。莫尔 -库仑破断准则的表达方式为 式中 C 压实冰 雪的内聚力， Pa； 压实冰雪的内摩擦力。 nts 18 图 2-3 莫尔 -库仑破断准则 综合考虑以上三种强度理论，考虑到压实冰雪的实际受力环境，在复杂应力状态下，莫尔 -库仑准则能够较好地反映其他破坏状况。 2.4 本章小结 本章首先阐述了路面压实冰雪的种类、形成原因以及各种环境因素对其性能的影响；其次，分析了冰雪的抗压强度、抗切强度、摩擦系数等力学性质；最后分析压实冰雪的破坏准则，为后续的研究奠定基础。 nts 19 第 3章 清雪车 分类及特点 3.1 清雪车 分类 除雪车由除雪工作装置和机动车底盘两部分组成。分类方法主要有两种：一 种是按工作装置的特点分类：另一种是按工作装置与机动车底盘结合的整机结构特点分类。 3.1.1 按工作装置特点分类 除雪车按工作装置分为：犁板式、旋切式及其它类型。 （ 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。除雪作业时一直线运动为主，应用广泛，是除雪车中保有量最大的类型。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。 图 3 1为单向犁式除雪车，其除雪装置为单向犁式，一般都配置于除雪车前端，又称前雪铲或前铲，主要用于清除新降积雪，除雪速 度快。通过对推雪犁板曲面的优化设计，配合选择合适的前进角，可以获得很好的除雪，排雪性能。据统计， 90%以上的犁板式除雪车都装设单向犁。nts 20 图 3 2为 V型犁式除雪车，其主要结构及工作原理与单向犁式除雪车基本类似。 V型犁的结构左右对称，在除雪作业中向两边同时排雪。 V型犁受力对称，推力大；但结构相对复杂，排雪性能不好，作业速度较单向犁低，所用机车牵引 力大。