小型除雪机机械创新设计

1、机械创新设计课程作业题 目:小型便道除雪机的设计1 要二、设计目的意义：42.1课题研究目的：42. 2课题研究的意义： 52. 3本课题国内外研究概况： 52.3.1木课题国内外研究概况：52.3.2国内外在这个方面的发展方向： 62.2路面冰雪清除机基木方案、原理10三、原理方案设计：113. 1功能分析：113. 2求功能元解： 113. 3方案组合：123. 4总体方案的几种组合及比较： 12I、机构设计（包括方案的原理以及基本机构）：131基本结构132工作原理143具体方案的确定15设计车体16故本小型便道除雪机的最优设计方案为：Al-B4-C2-D2-E2。 即为电动机控制的螺旋

2、推板式的利用曲柄摇杆机构倒雪的222124便道除雪机。铲雪车的主要结构设计 五、结构设计：小型清雪车的设计计算及校核26带传动计算26轴承寿命计算和润滑方式的选择27寿命计算27润滑方式的选择29轴的校核29三维造型、人机工程学应用和有限元分析31三维造型31小型便道除雪机整体造型31工作部分造型31行走部分造型32谢辞-1参考文献-2附录一3一. 摘要我国北方冬季降雪量大，给各城市、园林、宾馆、别墅、庭院的道路， 机场跑道与场区路面，林区运材道路，以及高速公路等的交通运愉 工作造成了极大困难和不便，交通事故屡屡发生。为了及时清除路面 上的自然降雪，给交通运愉创造良好的安全条件，减少交通事故的

3、 发生，在我国，传统的除雪理念是雪停后才开始除雪，由于路面积雪 大多不能及时清理而被车辆碾压成实雪或冰，因此除雪对象实际上是 压实雪。在这种理念影响下，过去除雪机械的设计也主要是针对清除 压实雪而开展的，并研制出各种清除压实雪的机械设备。压实雪除雪 机械设计技术难度较大，设备制造成本较高，除净率低，工作效率低， 绝大多数压实雪除雪机需要大功率车辆作为配套动力，燃油消耗大， 整套设备资金投入大，动辄数十万元，难以大量推广应用。总结多年的除雪经验和体会及对各种除雪方式的比较，笔者认为 机械化“实时除雪”才是科学合理的除雪方式。从工程学的角度看， 积雪被压实的过程需要消耗大量能量，雪被压实后再把它从

4、地面上清 除掉就要加倍消耗更大的能量和更多的时间，从而造成很大的浪费。 相比较而言，"实时除雪”所消耗的能量只有前者的儿十分之一，是 效率最高最省时省力的除雪方法。目前欧、美等工业发达国家基本上 都釆用机械化“实时除雪”技术。机械化“实时除雪”技术实际上就 是使用散雪除雪机械在降雪过程中进行除雪，边下雪，边清除，多台 除雪车保持一定距离成梯形队伍排列循环清理路面，过往车辆可在除 雪车之间穿梭绕行而不影响交通，避免了积雪在路面停留时间过长而 被碾压成实雪或冰。开发适合我国国情的除雪机械，探索与高速公路 管理相适应的作业方式，将有着深远的意义。二、设计目的意义:2.1课题研究目的:中国北

5、方大部分地区，每年有35个月的降雪期，道路积雪给交通运输及人民日 常生活带来许多困难，有时棋至阻断交通。近儿年来高等级公路里程不断增加， 及时有效地清除路面积雪已成为亟待解决、刻不容缓的问题，这对于提高车辆的 运输效率、避免重大交通事故的发生,具有很大的社会经济效益。口前，国内除雪 作业多山人工或其它代用机械完成，其劳动强度大，作业效率低。进口外国先进的 除雪设备,造价高且不适合中国国情;而用其它的代用机械如平地机进行除雪作 业，则乂浪费实用设备且对路面具有破坏性。所以，尽快开发出适合中国国情的低 成本、高效率、且宜大面积推广应用的除雪设备,是一项艰巨而紧迫的任务。2. 2课题研究的意义：我国

6、北方大部分地区，每年有很长的降雪期,道路积雪给交通运输及人民日常生 活带来许多不便。尤其冻结在道路上的积雪与薄冰,釆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。采用机械方法清除是 一项急需解决的难题。就LI前国内除雪机械来看，大多数功能单一,或只能清除积 雪、或只能破除积冰1。国外的除雪机功能较全，但结构复杂，造价昂贵,且大多 不适合国内的道路状况。因此开发研制适合我国道路情况的集破冰除雪于一机的 设备,具有十分重大的意义。国外的除雪机功能较全，但结构复杂，造价昂贵，且大 多不适合国内的道路状况。因此开发研制适合我国道路情况的集破冰除雪于一机 的设备，同样具有十

7、分重大的意义。2. 3本课题国内外研究概况：2. 3.1本课题国内外研究概况：U前，世界各个国家除冰雪的方法中，应用最普遍的是溶解法和机械法。溶 解法是依靠热作用或撒部化学药剂使冰雪融化。其优点是除净率高，但是它的成 本很高。而且容易造成环境污染。虽然环保型融雪药剂已经问世，对环境和植被 的影响减少了，但是并未彻底根除。因此使用范圉受到一定限制。机械法是通过 机械作用直接作用解除冰雪危害。虽然除净率较低，但是对环境和植被无任何影 响。能实现冰雪的异地转移。应用范圉比较广。因此，笔者认为：清除冰雪必须 以机械法为主，以溶解法为辅助，才能达到快速和环保的除雪效果。我国对除雪机械的开发、生产都比较晚

8、，因此还处于起步阶段。U前，我国 的城市道路和公路冬季除雪大部分仍沿用传统的养护方式，即人匸作业和小型的 除雪机械相结合的方式。高速公路和一级公路开始使用大型专用除雪机械，进行 冬季养护。但是，除雪机械在数量和品种规格上还很少，所以除雪设备大部分依 赖进口。机械化程度和总体水平远远落后于发达国家。只是最近儿年国内的厂家 才参照国外的先进技术研制了适合我国国情的除雪机械。国内的除雪机械虽然有 了很大的发展，但其总体水平与发达国家相比，产品品种及性能都还有很大差距。 适应不了我国高速公路的发展的需求，主要体现在以下儿个方面：1) 技术水平低，除雪机械在结构设讣、制造工艺、零部件供应和使用管理等方

9、面都存在技术水平低的问题。致使除雪机械可靠性差、故障多、寿命短。2) 功能单一。除雪机械具有明显的季节性，如果功能单一，只能用做除雪和除 冰专用，那么，机械一年中大部分时间处于闲置状态，大大增加了除雪的成本。 加重了公路养护部门的负担。3) 品种类型不全。与国外相比，现在有不少除冰雪机械在国内还是一片空白。 现有的除冰雪机械无法满足公路和大型机场的除冰雪的要求。2.3.2国内外在这个方面的发展方向：(1) 加强对雪质、雪性的基础研究。为了提高除冰雪机械的设il水平，需要对冰雪的力学性质和物理特性进行深入 研究。特别是对压实冰雪的理论研究。据有关资料研究：东北地区圧实冰雪占总 的除雪任务的80%

10、以上。(2) 向一机多能和机电液一体化方向发展。在现有的条件下，可以对汽车、拖拉机、装载机和推土机等设备进行改装，冬 季降雪时用来除冰雪作业，其余时间可用来进行公路养护和其他作业。可以提高 设备的利用率。采用机械、电子、液压等技术提高除雪机械的科技含量，减轻工 人的劳动强度。(3) 向大型、小型和高速方向发展。我国的地理环境复杂，各个城市道路建设布局各异，冬季降雪情况不同，在除雪 设备的选取上也不尽相同，因此要开发出大型、小型的各种除冰雪机械，以满足 不同地区和工况的除冰雪要求。同时要开发出效率高的机械，避免除雪作业造成 路面交通拥挤。例如，东北有些城市规定：对于市区内主干道，雪停止24H后需

11、 运出城市外。(4) 加强行业间的技术交流与合作。走共同研发之路。各个厂家根据自己的实际情况开发出的产品各有优缺点，为了加快除冰雪机械 的开发和应用，应加强企业间的合作，集中财力、物力和人力走共同发展之路， 实现除冰雪的机械化。冰雪的物理机械性质路面冰雪清除机械的行走机构以及清除冰雪的工作装置与路面上的冰雪相 接触。冰雪的形成特性及其物理机械性质在相当大的程度上决定着清除路面上冰 雪的方法，要研究行走机构和工作装置与冰雪的相互作用关系，首先要分析冰雪 的物理机械性质。冰雪的基本特征之一是它的密度，其变化范围很大，如表2.1所示。硬度是 雪的物理机械性质的主要指标之一，表示冰雪阻止其它物体压入的

12、特性，其数值 是根据它的密度和状态决定的，如表2. 2所示。雪的硬度、密度和温度之间存在 着如图2.1所示的关系，温度愈低，硬度愈高；密度愈大，硬度愈高。后面对路面冰雪清除机的工作阻力以及牵引力进行计算时，需要知道雪的机 械性质，表示雪的机械性质的指标通常是内外滑动摩擦系数、切削阻力系数、附 着系数和行驶阻力系数。2. 2雪的密度雪的状态密度(g/cm3)新下的雪0. 10 0. 15落下30天的雪0. 200. 30大于30天的雪0. 340. 42密实的雪冰雪混合冰0. 400. 600. 600. 750. 90雪的摩擦性质决定于它的内外摩擦系数。根据雪的状态，它的内外摩擦系 数分别列于

13、表2. 3和表2. 4。表示雪的切削阻力的指标，一般是用切削阻力系数匕，它是切断横断面等于 1耐的冰雪层所必需的力，匕的大小载入表2. 5中。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。轮胎与冰雪路面间的附着系数汽载入表2. 6o行驶阻力系数，一般较外摩擦系数大，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. 7选取。2.2雪的硬度雪的状态雪的密度(g/cm3)当温度由T-20°C时雪的 硬度(kPa)松软的小于0. 25小于50弱密实的0. 260. 3

14、560 100密实的0. 360. 502102000很密实的0. 510. 60380300025002OM°- 5 -1IJ 一 15 -20 -曲tCD2.2路面冰雪清除机基本方案、原理对于路面冰雪的清除，人们曾尝试了各种清除原理和方案，这些原理和方案 有的已在实际中使用，有的则还在探索和完善中。例如，对于清除未被压实的浮 雪，犁式清雪机和转子式清雪机已在应用中，二者分别采用了推移和旋切的原理。 对于被压实的雪、冰或冰雪混合物，采用的清除原理有铲剁、锤击、等，但这些 方法经实验证明要么原理不完善，要么清除压实冰雪的效果不，有待于进一步完 善。针对上述情况，本文尝试提出了一种对路

15、面上压实的冰雪进行挤压、切削、破碎的技术原理。这一思想的来源可联想到金属切削加工，如铳床的铳刀切削表2. 3内摩擦系数X雪的密度雪的温度(°C)(g/cm 3)0附近-1 -6-10以下0. 120. 240. 290. 340. 200. 300. 330. 360. 300. 350. 390.460. 400. 400. 440. 500. 470. 420. 470. 530. 560. 450. 500. 57表2. 4外摩擦系数(对钢)雪的密度(g/cm 3)门;的温度(°C)一 2 一 4-16 -30-00. 10. 100. 140. 180.20. 08

16、50. 0970. 110. 30.070. 080. 090.40. 0550. 0650. 0750. 450. 0480. 0480. 0560. 500. 0250. 0330. 040加工金属件。根据这一思想，确定基木方案三、原理方案设计:3.1功能分析:前端铲雪道路除雪后端存雪和清除3. 2求功能兀解:驱动（尖端铲雪、平板推雪）J 堆积（旋转清扫）取放（融雪剂融化）r驱动传动移位复位探索功能元解并列出形态学矩阵综合表，如下表所示:小型便道除雪机的形态学矩阵综合表功能元功能元解12345A动力源电动机汽油机柴油机液动机气动马达B尖端汇集雪直立推板曲形推板弧线推板螺旋推板C中端存雪融雪

17、剂融化收雪槽存储燕尾槽收集D移位齿轮传动曲柄摇杆机构传送带传动拉杆传动E放物倾斜倒出气动倒出液压倒出33方案组合:可能组合的方案数N为N=5*4*3*4*3=720所以得出的五个方案为：f A1-B1-C1-D1-E1；A2-B1-C3-D2-E2；<A5-B3-C3D2-E2；A4-B3-C1-D1-E3；<Al-B4-C2-D2-E2o3. 4总体方案的几种组合及比较：方案一:利用吹风和融雪剂的方式，从鼓风机里吹出的高速气流将积雪吹到路边, 将融雪剂喷洒到雪上，进行雪的融化。吹雪式清雪车运行速度较高，有很高的生 产率，但它只适用于新鲜雪，对于压实的积雪或冰层无能为力，只能在机场

18、、桥 梁和高速路上应用，成本很高，不适合开发小型产品。方案二：利用一个置于清雪车前部的铲子，随着清雪车的不断前进，将积雪推至 路的一边。推移式清雪车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。方案三：通过气动马达装置进行动力传输，利用弧线形推板将雪堆积起来，将雪 通过传输装置传送到燕尾槽并且通过齿轮传动装置将雪及时传到相应的便道两 边，并通过后续的推雪步骤进行将余雪铲除。由于本方案中的传动装置以及积雪 装置无法及时使道路上的雪清除并且不能起到根本性的清雪。方案四：本方案通过采用液压马达进行前端积雪的蓄积和积雪的融化和传动过程 来实现，但其存在

19、融雪剂释放时间不同，以及续集积雪所产生的阻力和积雪处于 半融化状态的无法除尽的缺点，因为本次设计是主要针对居家以及小型的道路设 计的简洁除雪机，需要考虑道路的宽度以及融雪剂是否能够完全融化而不产生道 路积水堵塞的现象。因为融雪剂融化时会产生冰雪融化成水的过程，会产生比较 多的积水，本方案可能会产主锈蚀或者其他影响机器可用性的问题。故此方案的 某一结构欠佳。方案五：利用机械传动的方式，山集雪器先将积雪搅碎，并输送至一个方形积雪 槽，将其收集好，等到一次或积雪槽已经积满雪时，利用气动传动装置将装雪装 置弹出并把雪堆放到合理的地方。螺旋转子式清雪车适用范围广，无论是松散雪、 压实雪清雪效果和效率要比

20、前四种方案好，而且通过螺旋转子的清雪将清除的雪 通过内部的曲柄摇杆急回机构将存雪槽通过移动副快速且稳定地将雪倒出，并且 一次性将雪移动到指定地点。避免了以往除雪机只是将雪从当前位置吹到两边， 那种除雪机仅仅适用于大型道路以及对道路两边路面质量系数要求不高的地方， 而我们现在是针对与小型道路的除雪机应该更加袖珍化，实用化，节省资源为主。 而且这种方案设计，设计出的产品体积小、成本低、操作方便灵活，适用于道路 窄的地方。因此选用第五种方案。故本小型便道除雪机的最优设计方案为：Al-B4-C2-D2-E2o即为电动机控制的 螺旋推板式的利用曲柄摇杆机构倒雪的便道除雪机。四、机构设计（包括方案的原理以

21、及基本机构简图）:最优方案的机构设计：小型机械转子式清雪机工作原理简述1基本结构螺旋转子式清雪机的结构，主要山原动机、传动装置、抛雪器、集雪器和车 体等五个部件组成：（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，山集雪螺旋、挡板和推雪板等组成（4）抛雪器，山抛雪筒、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筒抛掷到 指定位置。ft图1清雪机的结构示意图2工作原理清雪车山车体和安装在它上面的原动机、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

22、小车时，积雪从前方不断进入集雪器中, 集雪器山反向安装的双向螺旋轴、推雪板和挡板组成，山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 口处，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。机构传动方案设计原理图：采用曲柄摇杆急回机构机构进行设计积雪传动方案：考虑了机械原理中很多种移动副，最终结合除雪机中内部装置应简化给存雪保证大量的空间，故选择了低运动副即摇杆滑块机构。3具体方案的确定原动机的选择动力采用微型发动机，根据除雪所消耗的功率选用汽油机，详细参数如下:表一 KM178F (A)汽油机型号KM178F (A)型

23、式立式、单缸、四冲程、风冷、直喷式缸径*行程mm78X62活塞排量L0. 296功率Kw3. 68起动方式反冲式手拉起动或电起动油箱容量L3.5净重kg33发动机转速r/min3000外形尺寸mm385X420X450传动方式的选择首先山一个带传动将汽油机输岀，传递到中间传动轴。传动轴一部分通过同 级带传动传动到单级圆锥齿轮减速器处，通过联轴器与抛雪转子相连。另一部分 通过链传动与集雪绞龙连接。人推动清雪机向前运动清雪。1.清雪铲2.抛雪筒3传动系统4.发动机5.扶手6.机架7.小车轮8.大车轮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r二5mm的角钢焊制

24、而成，并包括扶手，车轮等附件。车体询段用螺栓固定连 接集雪器，汽油机和减速器直接固定在机架上，汽油机后置减少自重。机架山车 轮轴载重，前部设计两个小车轮分担一部分重量。集雪器的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。抛雪转子的设计螺旋集雪器配置在整机前方，左右对称旋向相反，是对路面集雪的切削元 件和将积雪向中央集拢的传送工具，使雪从集雪器中部流人抛雪转子。抛雪转子 的工作过程，可比作叶片式鼓风机，而将雪看作小颗粒工质。积雪经螺旋集雪器 传送到转子前方，山于高速旋转着的转子产主内外气流速度

25、压力差的作用，使 积雪进人高速旋转的转子中，并迅速充满转子叶片间的空间。进入转子的雪在离 心力的作用下，沿转子径向叶片端部运动，并被推压到转子壳体内的圆弧表面, 随转子叶片作旋转运动，到达抛雪口时便被抛出。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。其他雪粒沿径向移动，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圆周速度的矢量和。主要参数有叶片卸载角久、叶片外径R和工作长度、转子抛雪生产能力Qt和抛雪距离L。图4抛雪转子示意图J 1、转子卸载角， 41+"二1.1,式中 山-系数，考虑雪的重量及雪与叶片间的摩擦力的影响，可近似取1am =1 + U> =0

26、. 8-0.9,取知二0.9表2外摩擦阻力系数耳(g/ern4>%7+2 -1-4一6 一 300. 10. 180. 10. 140.30. 090. 070. 080.50.040. 0250. 330. 550. 030.0150.21转子外径R取决于给定的生产率和转子叶片顶部的圆周速度，也要考虑雪在叶 片间的充填程度。机架本次设计中，机架的设计主要是配合着其他部件的装配尺寸，通过用角钢焊接而成的。其外形结构如下图所示:图5机架基本结构方案五：利用机械传动的方式U前小型机械式清雪车主要由原动机、传动装置、集雪装置、抛雪装置、行 走系统和操作系统组成。原动机可以采用电机或发动机，LI

27、前大多采用汽油机或 柴油机；集雪装置用来收集积雪，主要釆用推雪铲或螺旋状搅龙；抛雪装置是将 收集的积雪抛到路的一侧或收集装置中。主要的方式有抛雪叶轮和鼓风机两种； 行走装置是来实现机器的前进，有手推式和自走式两种；操作装置主要控制设备 的运转和行进方向。工作原理工作时山原动机提供动力，经山蜗轮蜗杆传动或带传动将动力传递到丄作部 分和行走系统。积雪山集雪装置收集到一个腔体内，再山抛雪装置清除出机体， 抛雪叶轮利用高速旋转时的离心力将积雪抛出；鼓风机利用气流将积雪吹出。这 样在人力推动（手推式）或原动机带动（自走式）下，清雪车不断前进，就能实现连 续的清除积雪。小型机械式清雪车结构示意图如下：ft

28、图2-1小型旋转式清雪车结构示意图具体方案的确定以及机构传动机构的设计:功能求解列出功能元解形态学矩阵因素形态123A集雪器的材料铁片钢片合金B集雪器的形状螺旋状搅龙推雪铲单向犁C集雪器的大小大中小D工人人在空间的状态坐车驾驶驾驶站这推E将雪抛出抛雪叶轮鼓风机输送带F除雪机的动力柴油电动人力加电动原动机的选择动力釆用微型发动机，本课题的设计需求大约是每小时扫雪量为1000耐, 以积雪平均密度为250 kg/积雪厚度以30cm计算，那么每小时扫雪量为： 1. 0X 10" m2X0. 3mX250 kg/' =7. 5X 10'kg在抛雪轮的作用下，设计最大抛雪高度为4

29、m,那么排雪消耗的功率为：mgh/ t = 7. 5X 10“ kg X 10N/kg X 4m-=-3600s=833w 集雪搅龙在积雪的作用下阻力矩m二20Nm,那么集雪搅龙消耗的功率为： 20NmX2X3. 14X 10r/s=1256w,其中 10r/s 是搅龙转速。估计整机重量为200kg,与路面的摩擦系数取0.2,前进速度约为lm/s,那么前 进消耗的功率为：200 kgX lON/kgX 0. 2X lm/s=400w整机消耗的功率为：833w+1256w+400w二2. 49Kw在这一设计要求下，对动力源选型，考虑到清雪车在工作时可能遇到踏实的积雪, 故选用功率稍大的发动机，以

30、满足不同工作状况下需要。选用无锡凯马动力有限 公司生产的KM170F汽油机，详细参数如下：型号KM170F型式单缸立式四冲程风冷直喷式柴油 机缸径*行程mm70X55活塞排量CC211发动机转速r/min3600功率Kw3.6起动方式手拉起动/电起动油箱容量L2.5净重kg27外形尺寸mm332X384X416表2-1 KM170F汽油机参数传动方式的选择首先由一个带传动将动力由汽油机传出，向前通过一个蜗轮蜗杆传到工作装置，向后通过一个蜗轮蜗杆传到行走系统。结构简图如下:图2-2小型清雪车结构简图1.搅龙2.清雪铲3.抛雪筒4.传动系统5.发动机6.操作装置7.车轮8.车架9.抛雪轮集雪装置设

31、计本设计采用带状螺旋集雪轮，这样的设讣能对集雪有很好的破碎作用，同时乂不容易发生堵塞。基本结构如下：图2-3带状螺旋集雪轮简图以上形式的集雪装置把切雪、集雪、运雪三大功能于一身，具有很好的效果。其 中左边搅龙左旋，右边搅龙右旋，这样积雪所受的力指向两个搅龙的中间部位， 使积雪较容易的进入后面比清雪铲要窄的抛雪室内。故本小型便道除雪机的最优设计方案为：Al-B4-C2-D2-E2o即为电动机控制的 螺旋推板式的利用曲柄摇杆机构倒雪的便道除雪机。铲雪车的主要结构设计4. 1破冰辗的设计铲刀前面作用在冰雪层上的力有法向力和摩擦阻力，该二力的合力在x、y 方向分解为两个力,x方向的力与铲刀前进方向一致

32、，起挤压路面冰雪层的作用， y方向的力起使其与路面剪切分离的作用，与铲刀前进方向垂直，使与路面分离 的冰雪产生张力，并在内部产生弯曲应力而脆断。图3为铲刀受力图。设计铲刀时，必须使其满足一定的切削性能和力学性能的要求，减少切削阻 力和铲刃磨损，降低能量消耗，延长铲刃的使用寿命，并有利于提高清除率。为 了提高除雪机对雪层厚度的适应能力，破冰轨上的刀片设计为能进行机械调节， 以便改变与地面的接触高度，在破冰的同时不损伤地面。破冰馄的作用是将雪 层从路面上剥离，其结构形式为：一系列的刀片沿径向均布于主轴圆周上，并与 主轴上的辐板狡接;在轴向上，并排地分布着多排这样的与辐板较接的刀片，以 形成一定的除

33、雪幅宽。工作时刀片除与主轴一起转动外，还可绕铁链在一定角度 内摆动，刀片靠扭力弹簧保持其径向固定位置。除雪作业时，刀轮主轴以一定的 转速旋转，同时以速煌度：。前进，这就使分布在主轴圆周上的刀片依次敲击雪 层然后刮擦，使雪层与路面剥离。当遇有路面凸起或阻力过大时，刀片就克服弹 簧阻力绕狡链摆动一定的角度，实现避让障碍的动作，从而自动适应路面，起到 保护路面的作用。图4为破冰轨结构示意图。图3铲刀受力图弹簧图4破冰辗结构示意图4. 2主要参数的确定及计算实例(1) 取车速：。=10 km/ h o(2) 刀具所在圆周直径取D二500 mm时，结构上允许其圆上分布Z二14个刀片。(3) 据人工除雪经

34、验，两次敲击的间距小于40 mm时才能保证除雪质量。(4) 据上述条件可计算出刀輕所应具备的转速n二297. 6 r/ min。(5) 刀具对地面的敲击力度可用动量来表示：P刀二m X v经计算v= 5 m/ s,代入式(2),则P刀=2X5=10 kgm./ s(6) 人力除雪时，设铁锹对地面的作用力F二100N, m二2 kg的铁锹经s=250 mm 距离撞击地面，其加速度和作用时间分别为沪50 m/ sZ, t二0. 1 s,则撞击 速度-at= 5 m/ so那么人工除雪铁锹对路面的作用力度为：P 人二m X v =10 kgm/ s经上述计算说明轨刀对地面作用力与人力相仿实际丄作时我

35、们可通过控制刀 片质量、弹簧扭力、刀辗转速、行车速度等因素来保证刀片对路面的作用力度小 于或等于人工除雪，或者使其在某一合适的范围。五、结构设计：根据第四部分对除雪机的内部机械结构的设计，以及曲柄摇杆机构的设汁，最终 根据以上两个能够真正实现的方案进行进一步的比较，得出最优方案的机构设 计，并对此进行结构的强度校核以及其他参数的计算和二维内部结构剖面图、三 维模拟图形的绘制。首先山一个带传动将动力山汽油机传岀，向前通过一个蜗轮蜗杆传到工作装 置，向后通过一个蜗轮蜗杆传到行走系统。结构简图如下：小型清雪车结构简图1. 搅龙2.清雪铲3.抛雪筒4.传动系统5.发动机6. 操作装置7.车轮8.车架9

36、.抛雪轮集雪装置设计本设计釆用带状螺旋集雪轮，这样的设讣能对集雪有很好的破碎作用，同时又不容易发生堵塞。基本结构如下：带状螺旋集雪轮简图以上形式的集雪装置把切雪、集雪、运雪三大功能于一身，具有很好的效果。 其中左边搅龙左旋，右边搅龙右旋，这样积雪所受的力指向两个搅龙的中间部位, 使积雪较容易的进入后面比清雪铲要窄的抛雪室内。小型清雪车的设计计算及校核带传动计算发动机输出功率P=3.6Kw,i=1.81. 确定计算功率Ra由于载荷变动微小，因此取心=1.0则巴尸KjP=1.0X3. 6Kw二3. 6Kw 式中一一计算功率，单位为Kw；Ka工作情况系数；P传递的额定功率。2. 选择带型山£

37、;y=3.6Kw,小带轮转速/?）=3600r/min,选择A型带。3. 确定带轮的基准直径右和d21 ）初选小带轮的基准直径,=80mm,则大带轮的基准直径dd2=i =1.8X80=144mm查表取2 = 140mm2）验算带速V= =3. 14 X 80mmX 3600r/min=15. 072m/s<35m/s,4. 确定中心距a和带的基准长度厶孑根据 o. 7 （ddl +dd2） < aQ <2（dd+dd2）得公式（31）公式（32）初步确定a=300mm,基准长度龙（dd】+d2）（心2 一=948. 4mmL = Z67n + 川 H=24n0取 Ld 二9

38、00mm实际中心距 a= a。+ Ld Ld =275.8mm25. 验算主动轮上的包角=180 °（d2 -57. 5=167.49° >120° 包角合适。6 确定带的数zZ= Pg（&+&）心心取 PQ =1.64； 人二0.5； Ka=Q. 98； KL =0. 87,则 z=1.82取z=2式中K°一一考虑包角不同时的影响系数；kl考虑带的长度不同时的影响系数;仇一一单根A带的基本额定功率；AP0计入传动比的影响时，单根A型带额定功率的增量。7. 确定带的预紧力化P 2 5、公式（3-3）F。= 500 亠二-1） +炉2

39、带入数据计算習/115.33N8. 计算带传动作用在轴上的力厲Fp =2z Fo cos0/2 =2z Fo cos（兀I2_ aJ2）=2X2X115.33NX sin （167.49° /2）二458. 59N式中z带的根数；F.单根带是预紧力；a.主带轮上的包角。轴承寿命计算和润滑方式的选择寿命计算输入功率P二3. 6Kw,带传动效率二0. 97,传动比i二1. 8由于轴1上的一对深沟球轴承转速最高，故要对其进行寿命计算，设计寿命L'h = 10000 h o所受的径向力为带轮作用在轴上的力耳二458.59N。p6 v 0 97T = 9.55xl06- = 9.55x

40、 106'=16674.3Nn3600/71.8间L2T 2x16674.3“圆周力 F=231.59N1厶144八丫2图3-1图3-21. 求两轴承受到的径向载荷尸门和F,.2将轴系部件受到的空间力系分解为铅垂面(图3-1)和水平面(图3-2)两 个平面力系，带轮安装于两轴承的中心位置。其中存"卜笃鉴229. 3N耳誘2二学二竺异二115. 8N则行产= 256.88仟二存，+“2 =256.8N轴向上没有受力，所以Fa=Fa2 =02. 求轴承的当量动载荷片和巴 因为>=0<也=0 <勺式中勺、6为判断系数，其值大于0。则对轴承1X|=lY=Q对轴承2X

41、, =1人二03. 验算轴承寿命由于轻微冲击，取几二1.1P =/p(X1Frl+yiFfll) = 256.88NP2=fp(X2Fr2+Y2Fa2) = 256.N由于片二4,所以两个轴承的寿命一样。只需计算其中一个，深沟球轴承 g二#,查得深沟球轴承的基本额定动载荷019. okN,则轴承寿命为：Lh = ()£ =一x(195QQ)t =1.5xlO7/?>L； =10000/''60” 片 60x2000256.88故满足要求。润滑方式的选择在本设计所应用的轴承中，蜗杆传动箱体内的圆锥滚子轴承30203和圆锥滚 子轴承30206采用油润滑。对于其它轴承

42、山于转速不高，故釆用脂润滑。其中传 动轴一轴1 （见小型清雪车装配图）上的两个深沟球轴承60206的转速最高，因 此只计算此对轴承的dn值。一般用滚动轴承的dn值（d为滚动轴承的内径，单位为mm； n为轴承转速, 单位为r/min）来选择轴承的润滑方式。查得深沟球轴承60206的内径d二30mm, 轴1的转速n=2000r/min,适用于深沟球轴承脂润滑的dn值界限是16x10“。对于此对轴承 dn=30mmX 2000r/min=6x 104 <16x10°。故可以釆用脂润滑。轴的校核山于工作装置中蜗杆轴（见小型清雪车装配图）直径最小，而且跨度最大, 因此要进行必要的校核计算

43、。由发动机传向工作部分的功率P=3Kw,效率二0. 8,转速n=2000r/mino1. 求蜗杆轴上的功率均和转距匚巴二二3KwX0. 8二2.4Kwp2 4T. = 9.55 x106 = 9.55x106x= 11460N劝7220002. 求作用在蜗杆上的力已知蜗杆的分度圆直径/二22. 4mm鮎口 27； 11460而Ft = = 5116N心 22.4tanaAItan 20°F=Ff= 511 6x= 186 5N* cos/cos3Fa = Ft tan / = 511.6x tan3.18° = 28.4N圆周力几、径向力人和轴向力巴的方向如下图所示：图3-

44、3蜗杆受力示意图其中厶二50mm , L2 =465mmo3初步确定轴的最小直径轴的材料是45钢，调质处理。取Ao=112,于是得轴上直径最小的地方是左端安装轴承处，其直径为17mm。4. 求轴上载荷从轴的结构图上可以看出蜗杆部分中间位置是最危险的截面，计算其爪M 和My列于下表。载荷水平面H垂直面v支反力F為产462耳2 二 50NFw产 169N鼻2 二 18N弯矩MM 二23100NmmMvl=8450Nmm MV2 =8132Nmm总弯矩M产 J23100, +845()2 二24597Nmm 2310()2 + 81322 =24490扭矩Tr=U460NJ表3-15按弯扭合成应力校

45、核轴的强度 取&二0. 6,轴上的计算应力=1 ASM pa_ jMh+dTj _ J245972+(0.6x11460)2W _0.1 x 703轴的材料为45钢，调质处理，查得二60MP&。 因此故安全。三维造型、人机工程学应用和有限元分析三维造型小型便道除雪机整体造型整体造型图工作部分造型螺旋滚子图行走部分造型轮子三维图人机工程学的应用根据人机学原理，人要在各种环境中，使用工具、操作机器。人和机器及周 闱的环境句构成了一个系统，人机学就是从系统论的观点来研究人（操作者和使 用者）一机器（包括人操作和使用的机器工具，设备儿工程系统）一环境（人操 作和机器工作的环境）所组成的

46、系统，组成三要素及其相互关系。它研究的重点 是人，从人的生理和心理特征来考虑，使系统中的三要素相协调，以便促进人的 身心健康，提高人的工作效率。在本设计中，由于人的身高不同，所以在操作本清雪车时，对扶手的高度要 求也不一样，因此要考虑扶手要能调节，而且结构不能太复杂。本设计中釆用一 种简单易行的办法对扶手进行调节。如上图所示。通过扶手末端和车架相连，调 节高度时，先松开螺栓，进行调节到合适的高度，再拧紧螺栓，这种方法简洁方便，而且成本低。成年人的身高大约从l5m到2m不等。可调节的最大高度从1.2m到0.8m,方便一般人的操作。有限元分析Solid Edge是十分实用的三维设计软件，应用此软件可以对零件进行有限元 分析，并导出分析报告。方便设计人员对设计的零件进行校核检验。本设计中对 抛雪轮进行了有限元分析，并导出分析报告，结果如下：1.材料属性材料名称钢质量密度7833.000 kg/m"3杨氏模量199947953. 000 kPa泊松比.290热膨胀系数.0000 /c导热率.032 kw/m-c屈服强度262000. 766 kPa极限强度358527.364 kPa2.载荷和约束信息载荷集名称载荷1载荷类型力载荷元素数量8载荷值250000. 000 mN受约束面的数量13.研究属性网格类型Te