道路除雪破冰机的设计

道路除雪破冰机的设计摘要：我国北方大部分地区,每年有4个月左右的降雪期,道路积雪给交通运输及人民日常生活带来许多不便。采用机械方法清除是一项急需解决的难题。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分析,由于旋转破冰机的两个破冰轮内外侧线速度不同，通过形成的扭矩将积冰积雪有效的进行第一次破除，然后采用振动破碎、推雪板组合方式连续清除积雪的总体设计思想，除雪机械与东风EQ140汽车配套使用，既降低结构复杂程度和生产成本，又可最大限度利用闲置资源。关键词：道路冰雪,旋转剁冰机，振动破碎,推雪板DesignofRoadremovalsnowandicemachineAbstract：MostpartsofnorthernChina,thereareabout4monthsofsnowfallannually,snowbroughtalotofinconveniencetoroadtransportandpeoplesdailylives.Usingmechanicalmethodsisaclearneedtosolvetheproblem.Thispapersummarizestheanalysisofpastroadsnowclearingtechniquesandprinciples,basedonthehardroadtoclearsnowandicebasedonthephysicalandmechanicalpropertiesofamixtureofsnowandiceroadsareanalyzed,duetotherotationofthetwoice-breakingroundtheoutsideofthelinetobreaktheicemachineatdifferentspeeds,formedbythetorqueicingsnowwilleffectivelygetridofforthefirsttime,andthenusingvibratingcrusher,pushingsnowboardcombinationofcontinuoussnowremovaloveralldesignideas,snowmachinesandsupportingtheuseofDongfengEQ140car,bothtoreducethecomplexityofthestructuretheextentandcostofproduction,butalsotomaximizetheuseofidleresources.Keywords:Snowroad,Rotatingice-breakingmachine,vibratingcrusher,pushingsnowboard目录1前言.11.1研究的目的和意义.11.2路面除冰技术的发展历程.21.3课题研究的主要内容.52路面压实冰雪物理力学性质.62.1路面压实冰雪成因与影响因素.62.1.1路面压实冰雪分类.62.1.2路面压实冰雪成因.62.1.3路面压实冰雪的影响因素.72.2路面压实冰雪的力学性质.82.2.1抗压强度.82.2.2抗切强度.82.2.3积雪和冰雪混合物的摩擦系数.92.3道路融雪破冰机除雪机理的分析.103道路除雪机的牵引性能研究与总体设计.113.1技术参数.113.1.1牵引主机参数.113.2道路除雪破冰机的总体设计.134道路破冰的机械设计.144.1道路破冰方案的确定.144.2关键部件设计及其工作原理.164.2.1旋转剁冰机构的设计.174.2.2振动破碎机构设计及其工作原理.184.2.3推雪板机构设计及其工作原理.194.2.4动力及传动机构设计.214.3雪铲振动除雪所需功率计算的确定.225除雪机械关键部件设计及校核.245.1雪铲振动机构的设计及校核.24I5.1.1凸轮的设计与校核.245.1.2摆杆的设计与校核.265.2推雪板机构的设计与校核.285.2.1推雪板构件的设计与校核.285.2.2液压控制系统工作原理.305.2.3液压控制系统设计.32结论.33参考文献.34致谢.3501前言1.1研究的目的和意义北方冬季常有大雪，由于气温低，积雪数日甚至经月不化，经车辆、行人碾压后形成压实雪或冰层，给交通运输和人民生活带来极大不便。特别是在高速公路、机场、城市道路上，积雪不仅堵塞交通，而且是发生交通事故的主要原因之一。依据积雪状况，除按雪层厚薄分类外，还可分成三种类型：新鲜雪，即降雪不久且未经人员、车辆辗压的雪，质地松软，可用推雪板清除；压实雪，即降雪后经人员、车辆辗压而形成的冰雪混合物，质地较硬且和地面粘接紧密，难于用推雪板或普通除雪机清除；冰层，是积雪因阳光或车辆辗压化成水后又冻结成冰，冰层中除水分外，还有大量尘土、泥砂，质地坚硬，和地面粘接牢固，清除更为困难。对压实雪和冰层，须使用破冰除雪机进行清理，清除难度较大。破冰及压实雪机(以下简称破冰机)是指具有切割、破碎、剥离道路表面冰层或压实雪的机械。由于推雪板、吹雪车均对冰层和压实雪的清除无能为力或收效甚微，所以必须先对冰层、压实雪层进行切割、破碎并从地面剥离，才能使用除雪机将其收集，达到道路除雪目的，即破冰机是除雪机组的一部分。由于降雪后很难做到封闭道路，冰层和压实雪的出现难以遏制，破冰机也就成为必备设备。因为现有的纯机械式除冰设备的效率低、积冰清除不干净,而且会损伤道路标记甚至路面.针对这种现状,可以利用加热原理清除道路积冰,并考虑将加热器与现有的纯机械式除冰设备相结合来清除道路积冰。清除道路冰雪具有很强的季节性,清除冰雪设备只在冬季使用，因此,一台价格昂贵的清除冰雪设备一年所用的时间相对较短,开发研制低成本、高效率、多功能、易操作、适应性强的清除冰雪设备应成为主要技术指标。目前,国内除雪机械多数是对现有的装载机、推土机、拖拉机等实施技术改造。只有在冬季降雪时安装除雪工作装置,进行除雪作业,其余时间可进行其它工程施工作业或道路清扫养护作业等,提高了除雪机械的整机使用效率。本课题设计的道路融雪破冰机是以东风EQ140汽车为改装的多功能清雪车,东风EQ140汽车只在冬季安装除雪设备进行冰雪清除作业。为此,设计一种经济型、功能强、适应面广的清雪机械是具有重要的意义。11.2路面除冰技术的发展历程中国除雪机械的研制起步较晚,真正的研制与开发是从80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三北地区,先后有十几种型号的样机被生产出来,在除雪作业中发挥了一定的作用。在大力发展中国除雪机械的同时,有关部门也注意引进吸收国外先进的道路养护技术,近年来先后从国外引进了一定数量的道路综合养护设备,其中一些设备具有除雪功能,比较典型的有奔驰U1650型万能工程车、乌尼莫克道路综合养护车等。(1)犁式除雪机犁式除雪机主要适用于未经压实的积雪,特别是密度较小的新降积雪,由于价格低、效率高、工作可靠,是使用最广泛的除雪机械。犁刀的形式主要有V形犁、U形犁、单向犁和侧翼铲等。国外的犁式除雪机,大多数具有避让功能,此外,还可以实现犁刀升降以及作业角度的变化。犁式除雪机是国外使用较早的除雪机械。早在1943年,日本就开始把V型犁装在载重卡车上用于道路除雪,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KO-812-2型犁式除雪机为例,这种除雪机基础车采用MT3-80/82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,也可用于公路和建筑工地的除雪;工作装置有推土板、犁刀和圆盘刷,除雪宽度:推土板2500mm;犁刀2500mm;圆盘刷1800mm。90年代初,在中国的沈大高速公路上,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,其总质量为1000kg,最佳除雪宽度2375mm,除雪铲高1000mm,最佳除雪速度20km/h,最佳生产率47500m2/h,残留雪厚度不大于10mm。国内的犁式除雪机械,虽然起步较晚,但也取得了一定的成绩,先后成功研制了一些犁式除雪机和除雪器。主要有西安公路研究所研制的L9280型除雪车,吉林交通科学研究所研制的CL-3.6,CL-3.5型系列除雪犁,以及与磐石县公路管理段联合研制的CL-2.4型公路除雪器,哈尔滨林业机械研究所研制的CBX-216综合破冰除雪机,其前部除浮雪装置的犁式除雪器等等,这些除雪机械在某一方面的性能具有一定的优势。(2)旋切式除雪机2旋切式除雪机一般具有切削、集中、推移和抛投功能,具有结构复杂、功能多的特点。旋切式除雪机可分为单级式和双级式两种,其中单级式又分为铣刀型和风扇型,双级式分为单轴螺旋风扇型及双轴螺旋风扇型。俄罗斯、日本是生产旋切式除雪机的主要国家,技术较成熟,其产品性能居世界领先水平。日本产高速行走旋切式除雪机,作业速度为70km/h,该除雪机采用四轮驱动方式,利用盘式制动,全长为7790mm,机宽2490mm,最大除雪宽度2490mm,发动机功率220kW,最大除雪速度70km/h,最大除雪量3000t/h。国内已研制成功的旋切式除雪机主要有吉林工业大学等单位研制的CX-30型除雪机,哈尔滨林业机械研究所研制的CBX-216型城市道路破冰除雪机,吉林交通科学研究所研制的CBX-1600型除雪机,此外还有XLB-212型,15-1型等等。其中一些型号的除雪机已进行过工业性试验,效果较好。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重要的意义。路面除冰技术的发展历程经历了人工清除、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。人工除冰法是最早期、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，耗费大量人力、物力和时间,作业时影响车辆通行及行车安全。目前，人工除冰法适用于小范围冰雪的清除或重点难点路段冰雪的清除。后来，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，是国际上比较常用的一种路面冰雪清除手段。在一定的环境条件下，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，且存在反复结冰现象；造成沥青面层脱落，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；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，虽然有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，对环境和植被的破坏减少了，但是并未彻底根除。(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，安全性较好，但该方法耗能较大。(3)机械除冰法机械除冰法通过机械装置对冰雪直接作用来消除冰雪危害，按工作原理可分为：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，清除效果比较好，能够有效的避免路面的损坏。但是，振动式的结构复杂，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。由多组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剁击。铲剁式工作效率较低，很容易损伤路面，应用范围受到限制。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，在牵引主机的推动下清除冰雪。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4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。机械除冰法易于实现一机多用，不使用化学药剂，无污染，能够很好的保护环境和植被，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，目前主要包括以下三个：（1）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，从而有效的抑制路面积雪结冰。（2）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、碳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。（3）太阳能土壤蓄热融冰雪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，提高路面温度融雪化冰。目前，路面除冰技术的主要发展趋势是：(1)多功能化。路面冰雪状态和性能多样化要求除冰设备具有多功能性，即一机多用，降低设备的成本。(2)高效化。高效化包括作业效率和除净程度两个方面，高效化作业是保证路面冰雪在最短的时间内得到及时、有效的清除。(3)环保化。在研发路面除冰设备时，选择合理有效的除冰方法和符合环保标准的牵引主机是环保化的关键。(4)积极探索智能化除冰技术。提高公路建设的技术水平，充分利用智能化路面除冰技术科技含量高、环保性好的优势，研发出适合我国气候和地质状况的智能化道路，实现冰雪的智能化清除，保障行车安全和交通畅通。1.3课题研究的主要内容（1）通过查阅有关资料，了解东风140汽车的主要技术参数；了解融雪破冰原理；5（2）确定道路融雪破冰装置总体方案；（3）进行工作装置关键部分机械工作原理设计；（4）进行工作装置关键部分结构设计，强度计算及校核；2路面压实冰雪物理力学性质2.1路面压实冰雪成因与影响因素2.1.1路面压实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。从表中可以看出，压雪、冰雪和冰膜的状态均为板状，组成中含有气泡和间隙，密度在450-900kg/m3之间。表2.1路面压实冰雪分类表分类状态特征雪粒状态密度/kg.m-3压雪板状被碾压过的积雪雪粒直径为0.050.3相互连接的圆粒450750冰雪板状压雪渗进水以后又冻结,厚度在1以上雪粒直径为0.052的多结晶冰,含有粒径0.10.5的气泡750900冰膜薄膜状冻结的水膜附在地面或积雪上,厚度在1以下雪粒直径为0.10.4的多结晶冰,含有粒径0.010.1的气泡900左右2.1.2路面压实冰雪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：(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，路面降雪在一段时期内出现反复的融化、6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，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路面压实冰雪的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、路面杂质等因素有关。(1)温度当温度高于0C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0C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的连接在一起。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。(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7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。当路面与压实冰雪层之间存在杂质时，杂质起到了凝结核的作用，水的结冻不均匀，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。2.2路面压实冰雪的力学性质（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。压实冰雪的抗压强度因环境不同而不同，强度值随密度的增大而增大，随温度的降低而增大，数值如表2.2所示。如表2.2压实冰雪的抗压强度冰雪类型冰雪的密度/kg.m-3-1-20时抗压强度的范围/aMP压雪4507500.21.67冰雪7509000.92.94冰层900左右1.04.08（2）抗切强度抗切强度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q形式的变形强度。目前，抗切强度的计算大多利用经验公式：qFbh式中抗切强度，Pa；q作用在刀刃上的切削阻力，N；Fb切削刃宽度，m；h切削层厚度，m。利用抗切强度可以很简便的进行压实冰雪清除装置阻力计算和清雪车的牵引q特性分析，压实冰雪的抗切强度如表2.3所。表2.3压实冰雪的抗切强度湿度/C抗切强度/103Pa冰雪密度/kg.m-30-1-2-10-10以下3004005.012.08.025.05.035.045075010.025.015.040.030.080.075090020.035.030.080.070.0130.0（3）积雪和冰雪混合物的摩擦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,如表2.4、表2.5所示。表2.4冰雪外摩擦系数摩擦系数温度/C9冰雪密度/kg.m-30-1-2-15-16-304505500.0560.040.055506500.050.030.046507500.040.020.03750以上0.030.0150.02表2.5冰雪的内摩擦系数温度/C摩擦系数冰雪密度/kg.m-30-1-2-10-10以下4507500.400.440.507509000.420.470.539000.450.500.592.3道路融雪破冰机除雪机理的分析目前已有的除雪方式中,犁式、铲刮式等属静压除雪,除雪机具连续作用在冰雪路面上,使道路冰雪与路面分离；旋切式属一次冲击和静压除雪的组合,除雪机具每次冲击作用在冰雪面上,并连续施以静压力。铲剁冲击式属振动除雪,将道路冰雪与路面分离成块状,然后清除。很明显,铲剁冲击式利用了冰雪的脆断性,除雪时具有省力、省功的特点。但振动冲击还与除雪刀具形状、刀具入雪角度等因素有关。如当人工除雪时,铲刃如果以合适的入雪角度多次冲入冰雪,就会分离出较大的冰雪块。通过有关资料，铲雪角度应控制在40左右,这是较佳的角度,而作用力应大于245N，并且雪层越厚,分离出的雪块越小，要想提高除雪效果,就要加大除雪机的功率。在确定刀具结构时，主要针对三角形、斧头形及凹形三种刀头工作效率进行比较，其中三角形刀头铲雪块尺寸大且效率高，与其它两个比较具有明显的除雪效果，因此选用三角形刀具为除雪机用的刀型，刀具宽度为20。压实冰雪按物理机械性能将其分为塑性积雪（800/m3以下）和脆性积雪10（800/m3以上）两类。当刀具垂直下行时，主要阻力来自塑性积雪与地面附着力,这个力在水平方向将刀具卡在塑性积雪中，引起塑性变形，但不能够将压实积雪切断；当采用的冲击力具有一定角度时,刀具对塑性积雪的冲击力能够直接加载在塑性压实积雪与地面附着处,易铲断,同时刀具自身刀刃角度对塑性压实积雪有撬曲作用,由于塑性积雪内部粘滞力较大,塑性积雪以片状被掀下,工作效果良好。因此，采用微波加热原理，使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粘结力，使刀具的冲击力减小，增强了刀具寿命。3道路除雪机的牵引性能研究与总体设计3.1技术参数3.1.1牵引主机参数课题道路融雪破冰机的主机为东风140汽车。其相关参数具体如下:（1）性能指标载重量（公斤）:5000最大拖挂总重量（包括挂车和货物的总重量）在硬实良好路面上，最大纵坡不超过8%4500在平坦硬实良好路面上6000外形尺寸（毫米）全长6910总宽2470总高（空载）按驾驶室2325按保险架2455轴距（毫米）3950轮距（毫米）：前轮（沿地面）181011后轮（双轮中心线间距离）1800最小离地距离（满载时）（毫米）：前轴下360后桥下265车箱底板离地高度（空载时）（毫米）1335后牵引钩离地高度（满载时）（毫米）785最高车速（满载、无拖挂）（公里/小时）90（2）发动机型号:EQ6100-I型额定功率（马力/转/分）:135/3000额定扭矩（公斤力米/转/分）:36/12001400最底汽油消耗率（克/马力小时）不高于225（3）底盘离合器单片、干式、摩擦片直径325毫米变速器：型式五个前进档，一个倒车档，二、三、四、五档装有锁销惯性式同步器速比：一档7.31二档4.31三档2.45四档1.54五档1.00倒档7.66（4）电器设备线路电压（伏）12发电机：型号JF1312型硅整流交流发电机12电压（伏）12电流（安）25蓄电池：型号6Q10J型电压（伏）12容量（安培小时）（20小时率放电）105起动机：型号QD124型电压（伏）12功率（马力）23.2道路除雪破冰机的总体设计我这次设计的课题是道路除雪破冰机的设计，设计思路是先用旋转剁冰机对积冰积雪进行第一次处理，对于较难处理的积冰要打开振动破冰机，对积冰进行第二次处理，进一步达到破除积冰积雪的目的，最后通过推雪板将破除的冰雪清除到路边，具体方案见图3.3。如果积雪较厚或马路较宽，可以在汽车后面拖带一个吸雪机，具体结构见4.1。1.旋转破冰机2.东风EQ140汽车车体3.振动破碎机4.推雪板图3.3总体方案134道路破冰的机械设计4.1道路破冰方案的确定为了克服现有利用率低，成本高，作业速度低，除雪效率不高，对路面保护能力差甚至损坏路面，避让功能不理想，大多数功能单一，或只能清除积雪、或只能破除积冰，而且结构复杂，造价昂贵，且大多不适合国内的道路状况。依据这种情况在道路上的积雪与融冻冰雪，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。本设计采用振、铲组合方式连续清除积雪，振铲装置采用分立结构、柔性连接，以实现不同变形路面冰雪的清除，提高冰雪除净率。除雪机械与东风140汽车配套使用，既降低结构复杂程度和生产成本，又可最大限度利用闲置资源。通过道路冰雪性能研究和所选定的相关参数,楔刃振动和推铲组合的道路冰雪清除机械的设计主要由动力传送机构、雪铲驱动机构、振动铲刀机构、推雪机构四部分组成。该设备支撑车架总长2000mm、宽1300mm、高7O0mm，车架离地高度3OOmm。发动机固定安装在车架上，通过传动皮带、皮带轮及离合器与变速机构相连。变速机构也固定安装于车架上，并可前后移动以调整传动皮带张紧程度。变速机构为两项输出:其一为带动液压泵，驱动液压控制系统工作；其二是提供动力给链轮轴，链轮轴通过链传动驱动凸轮轴，进而带动凸轮形成摆振，在回位弹簧作用下，实现底部除雪铲的往复冲击除雪动作。另一方面，推雪板在液压系统控制下，按预定位置实施14推雪操作，因雪板由左向右倾斜15，故在推雪作业时被推起的雪将向右侧路边翻滚，可直接推入路边排水沟或集中清理。当降雪量较大或马路较宽时而积冰积雪量较大时，可以在东风140汽车后面带一个风式吸雪机，可将积冰积雪直接吸进自己的车斗或吸到其它车辆的车斗，如图4.1所示。图4.1风力吸雪机推雪过程中若因路面变化而出现障碍时，雪板在液压系统控制下将实现自动避让，以保证除雪作业的连续性。在除雪机具传动路线上，设置有离合器装置，以保证发动机的顺利起动和提高动力传递的可控性。同时，变速机构能提供六组不同的传动比，可根据不同路况及除雪要求灵活选择，传动方案结构示意图如图4.2。151-推雪板；2-摆杆组件；3-凸轮传动装置；4-动力装置；5，14-链轮轴；6，13-链轮；7-发动机；8-传动装置；9-离合器；10-减速增扭装置；11-液压泵；12-轴承；15-除雪刀具；16-操作手柄；17-皮带图4.2传动方案结构示意图4.2关键部件设计及其工作原理164.2.1旋转剁冰机构的设计旋转剁冰机构会先对道路冰雪进行第一次处理，主要由剁冰轮、旋转轴和驱动电机三部分组成，由于剁冰轮的剁刀有一定的宽度，所以剁冰轮两侧会形成一个速度差，通过剁冰轮旋转时两侧线速度不相等，从而会产生一个扭矩，达到有效的清除积冰积雪的目的。如图4.3、4.4所示。图4.3旋转剁冰机构图4.4旋转剁冰轮174.2.2振动破碎机构设计及其工作原理除雪机具在除雪作业中，雪铲振动机构是整个机具的核心部件，也是整机在设计过程中的一个重点，主要由雪铲驱动和雪铲振动两部分组成，如图4.3所示。1-道路积雪；2-除雪铲；3-压缩弹簧；4-摆杆；5-摆绕支点；6-凸轮轴；7-凸轮；8-链轮轴图4.3雪铲振动机构示意图由示意图可知，当除雪机具除雪时，雪铲驱动机构的动力输送部件链轮轴接受传动部分的动力，然后通过链轮轴上的链轮作用，在滚子链的传动下，将旋转动力传递给凸轮轴，凸轮轴接受动力旋转，从而带动凸轮轴上的凸轮转动，凸轮与摆杆紧密结合，在凸轮的驱动下，当凸轮由最低点向最高点转动时，摆杆可以绕着摆绕支点在平面内做回转运动，推动除雪铲压缩弹簧，使弹簧产生满足除雪条件的压紧力，当凸轮由最高点滑向最低点的短暂时间内，压紧的弹簧被释放，从而推动雪铲将道路积雪振碎。振动雪铲在作业中，运动的轨迹是一条摆线，振动雪铲的除雪原理如图4.4（1）所示，雪铲运动到离地高为H时，在弹簧的作用下做钟摆式摆线运动，在与地面接触的瞬间将厚为h的压实冰雪刮起，而达到振碎积雪的目的。184.2.3推雪板机构设计及其工作原理除雪机具在清除道路积雪时，是在动力驱动下通过将积雪振碎，来达到清雪目的。但是，如果不及时将振碎的积雪清除出路面，就除雪而言是毫无意义的。因此，推雪板就成为清雪作业必不可少的组成部分。推雪板机构主要由雪板和控制雪板工作的液压系统组成，如图4.4（2）所示。图4.4（1）振动雪铲工作原理图1-推雪板；2-车架；3-支撑板；4-液压泵；5-支撑梁；6-液压阀；7-铰接点；8-积雪；9-液压缸图4.4（2）推雪板机构示意图19推雪板由上下两部分组成，雪板上部通过支撑板与车架的吊耳相连，支撑梁则限制推雪板上部与支撑板一起绕吊耳轴销向下转动，但不限制向上转动，正常情况下，支撑梁可保持雪板上部呈垂直状态。雪板下部可以绕铰接点在竖直平面内回转，当除雪机具在积雪道路上进行除雪作业时，液压缸在液压泵的作用下工作，限制推雪板下部绕铰接点回转，使得推雪板与道路积雪紧密结合从而将积雪顺利的推出路面；当除雪过程当中，碰到前方的障碍物时，液压缸在液压阀体的卸压作用下卸载，由于前方阻力的作用，使得雪板下部绕铰接点回转，雪板上部绕车架吊耳轴销向上微微转动，从而使得除雪机具在不影响整机的工作状况下顺利的绕过障碍物，继续清除道路积雪。这里需要强调的是推雪板的避让功能。目前我国公路及城市道路的路况普遍较差，突出表现在路面平整度低、局部损坏严重，除雪作业时路面障碍物(如凸台、道钉、坑槽等)较多，如果推雪板不能根据路面的起伏，在高度方向上实施必要的随动调节，除雪机具就无法翻越障碍，障碍物将对雪铲雪板强制施力，容易导致雪铲卡死，不但损伤雪铲，还将对路面设施造成损害，严重时将影响整机的工作寿命。因此，设计必要的避让装置是无法回避的问题，避让原理如图4.5所示。推雪板的可动部分在除雪机具工作时，一般保持与竖直平面成20夹角；当遇到障碍物时，在障碍物负载力的作用下，可动部分将绕支点由A位置向后转动至最低点B位置再转向C位置，其间推雪板上部绕吊耳轴销微微向上转动，以保证推雪板顺利地避开碍物，继续完成推雪工作。该避让机构可以避让障碍物的高度为4cm，推雪板转过的角度范围为O50。20图4.5避让装置工作原理4.2.4动力及传动机构设计根据设计需要，动力机构主要由发动机、皮带、带轮、齿轮变速机构、链及链轮、传动轴等零部件组成。设计时保证结构简单、易于生产制造及装配、并尽可能选用标准件和成型零部件。所设计的动力机构如图4.6所示，其动力传递路线如图4.7所示。1-联接装置；2-发动机；3-车架；4-变速装置；5-链轮轴；6-滚子链(连凸轮轴)；7-车轮图4.6动力机构示意图1-铲刀；2-凸轮支承轴承；3-压缩弹簧；4-凸轮；5-凸轮轴；6-大链轮；7-链子；8-大齿轮；219-链轮输入轴；10-小链轮；11-中间轴；12-小齿轮；13-大皮带轮；14-皮带；15-小皮带轮图4.7动力传递路线示意图4.3雪铲振动除雪所需功率计算的确定考虑到除雪机具的设计、生产及使用维护的简便性和低成本,动力机构在设计时制定了以选择易采购构件和标准件为基础,自加工件为辅助的方案。（1）发动机基本参数的确定根据设计及控制生产制造成本的需要,选用发动机类型为18马力电起动柴油发动机,其额定功率为Pm=16.18KW,其额定转速为nm=2200r/min,从发动机的实际配置情况出发,适宜的发动机工作转速n=1400r/min。（2）变速机构基本参数的确定。为使除雪机具平稳工作、减少零件之间的冲击、实现多档切换,传动机构安装了经改装的拖拉机六档变速器,但考虑到除雪作业的特殊性,应选择中速档工作,故变速机构常规工作档位为4档,其传动比为i2=2。因发动机额定功率Pm=16.18KM,故选定发动机工作时的输出功率为Pw=16KM。取V型带传动效率=0.96,滚动轴承效率=0.995,变速机构效率=0.97,则：带滚变2210.9650.97.3带变滚故变速机构输入轴功率为：11.314.8wpKW（3）链轮轴最大输出功率的确定若变速机构的输出功率全部转化到链轮轴上,则链轮轴可获得最大功率。取V型带传动效率=0.96,滚动轴承效率=0.995,联轴器的效率=0.99,则：带滚联2220.9650.9.4带联滚故有：14813pKW（4）凸轮轴输出功率的确定动力从链轮轴输出后,通过两条滚子链分配给两根凸轮轴,取滚子链的传动效率=0.96，摩擦效率=0.88,滚动轴承效率=0.995，则：轮摩滚30.9650.8.4摩轮滚故有：23p左右（）/=12K（5）雪铲振动除雪所需功率计算22因每组刀架中包含四支刀具，整个机器有四组刀架，通过融雪破冰机理分析可知每支刀具积雪清除力F245N，故每组刀架总力应不小于980N，考虑到摩擦及其它因素影响，取力为Fw=1150N，设计时压缩弹簧的振幅为6，弹簧系数k=19160N/m，铲刀的设计频率f=30Hz,则每组雪铲所需要做的功为：0.62219160.34.5WkxdJ故有每组雪铲要将冰雪清除所需要的功率：34.5/.PJsKW除雪机有四组雪铲，因此除雪机的除雪功率应大于4.08kW。通过计算符合雪铲振动除雪所需的功率。235除雪机械关键部件设计及校核5.1雪铲振动机构的设计及校核除雪机具的雪铲振动机构主要由雪铲驱动和雪铲振动两部分组成。雪铲驱动部分为雪铲振动部分提供动力来源，由凸轮轴、凸轮、链轮等零部件组成；雪铲振动部分由摆杆机构、振动刀架、除雪铲、压缩弹簧等零部件组成。因此，雪铲振动机构设计主要由上述零部件设计着手。5.1.1凸轮的设计与校核（1）选择凸轮的材料根据凸轮的运动情况，对凸轮配合表面的硬度要求较高，故选择材料为40Cr合金钢，对所选材料进行高频淬火热处理，材料经过热处理后表面硬度可达566OHRC。（2）确定从动件的运动规律除雪机具是通过凸轮驱动摆杆运动达到除雪目的，因此配合副的从动件为摆杆，摆杆在凸轮的驱动下绕穿过摆杆的某一构件转动，运动为一弧线，但考虑到摆杆摆动的角度很小，故将摆杆的实际运行轨迹简化成水平方向的直线运动，因此，根据需要确定凸轮每转一周，摆杆升程三次，从动件摆杆的运动轨迹如图5.1所示。摆杆的配合副设计成过渡圆角形式，图中90夹角所夹的曲线为凸轮的升程，30夹角所夹的曲线为凸轮的回程。24图5.1从动件的运动规律图（3）设计凸轮的结构及轮廓线凸轮座孔直径为40mm，根据所要求的从动件的工作情况，设计凸轮形状如图5.2所示。R1-凸轮孔半径(20mm)；R2-凸轮轮廓线基圆半径(17.5mm)；R3-凸轮轮廓线升程半径(62.5mm)；R4-凸轮轮廓线回程半径(33.39mm)；R5-过度圆弧半径(5mm)；B-凸轮宽度(20)图5.2凸轮结构示意图（4）凸轮强度校核因凸轮轴高速运转，凸轮运动的频率较高，所承受的冲击载荷较大，因此要对凸轮配合副之间进行必要的表面抗接触强度校核。凸轮经过高频淬火处理后，表面硬度达566OHRC，取材料的许用硬度为H=45HRC，查表得=2.8H，即有：222.84516/160/HkgmN25查机械手册可得凸轮的接触强度计算公式为：maxHEEHFZbB式中：材料的弹性系数，查表得：=；EZEZ2189.N配合副接触的最大接触力，分析得=1150x2=2300N；maxFmaxFB凸轮的宽度，B=20；配合副综合曲率半径，取=62.5,因0.84,12124R取=26,则有:26.58.6根据公式可得：2230189.471.9/8.6HHNm故所设计的凸轮满足抗接触疲劳强度要求。5.1.2摆杆的设计与校核（1）摆杆的受力情况分析摆杆与凸轮形成配合副，因此摆杆横向宽度为b=20mm，受力情况如图5.3所示。F1-凸轮对摆杆的作用力F1凸轮对摆杆的作用力；F2销轴对摆杆的作用力；F3压缩弹簧的弹力；O摆杆的摆绕支点26图5.3摆杆简化示意图将摆杆的受力分别对点0点取力矩,根据受力平衡及力矩平衡情况得力矩平衡方程：F2=F12L；F1取最大值,即F1=1150N时可得:F2=2300N。因：F1+F2=F3则有:F3=1150+2300=3450N（2）选择摆杆的材料在传动配合副中，与凸轮接触的是摆杆的部分平面,而凸轮表面为40Cr，因此，摆杆的材料选定为45号钢。（3）确定摆杆的形状及相关尺寸根据摆杆配合副之间的情况,设计的摆杆形状和尺寸如图5.4所示。图5.4摆杆结构示意图（4）摆杆的强度校核工作中将摆杆简化为简支梁，由前面受力分析可知：F127=1150N、F2=2300N、F3=3450N，做摆杆的剪力图及弯矩图，如图5.5所示。图5.5摆杆剪力、弯矩图由图5.5中可以看出，摆杆在摆绕支点处所承受的剪力和弯矩最大,，查表得：，maxQ230Nmax230MN25Mpa65pa则有：ax.1QA式中:Q截面上受的剪切力；A截面面积。故摆杆满足抗剪切强度要求。则有：max22630157.4MMpaWbh式中：W抗弯曲截面系数；M截面弯矩；b一摆杆的宽度；h摆杆其中一侧面厚度。故摆杆满足弯曲强度要求。5.2推雪板机构的设计与校核推雪板机构担负着推除振碎积雪的工作,还需在除雪作业中实现路面障碍自主回避的功能,主要由雪板组件和控制雪板工作的液压系统两部分组成。285.2.1推雪板构件的设计与校核（1）选择推雪板的材料推雪板在除雪作业时所承受的冲击载荷不大，确定推雪板的材料为Q235碳素钢。（2）推雪板结构的确定推雪板应具有良好的推出积雪的能力，遇到障碍物时应具备翻越障碍物的能力。推雪板下部为可动部件，上部为限动部件，限动部件通过轴销连接在车架的吊耳上,可动部分可绕铰接点转动，并通过销轴与推雪板的限动部分相铰接。根据推雪板所刮起的冰雪为波浪似向前翻滚这一特点，为防止推雪板上部漏雪，推雪板的最上部挡板向前倾与竖直平面成15，推雪板水平方向由左向右也倾斜侧15,以保证推除积雪向右侧翻卷。根据其它组件设计情况及除雪作业协调性的要求，推雪板的除雪宽度设计为1215,为能将振碎的积雪除尽,可动部分雪板与地面成70工作,并将雪板中间的过渡部分加工成过渡弧形。（3）推雪板强度校核假定所推的积雪全是冰雪，其密度为,冰雪与路面的附着系数310/kgm，则有所推积雪体积为：0.53752.6847.5Vc图5.6推雪板受力简图、剪力图、弯矩图实际推雪过程所推积雪的体积要小些，则积雪对推雪板的作用力F为：2930.5168347.510417FVgN假设F在推雪板上均匀分布