除雪车浮雪铲作业特性仿真分析

除雪车浮雪铲作业特性仿真分析

0dqx路面除雪车应用采用机械方法清除路面磨损，具有环保、高效、实时、经济等显著优势。自20世纪50年代以来，日本开始研究基于垫雪槽的修正路面磨损。目前,日本、加拿大、美国等国家已经研制出形式多样、种类繁多的机械式除雪设备,并广泛应用于各类路面的积雪清除。我国从上世纪70年代末期开始研究机械除雪技术,但受到设计手段、相关技术水平、冰雪物理特性基础研究等条件限制发展缓慢,除雪设备使用范围狭小,大多数道路管理部门仍然采用对环境和道路具有相当危害程度的盐融法除雪。为了研究适合于我国道路条件、符合国情的路面积雪清除设备、推广国产除雪设备的应用,作者承担了DQX路面除雪车项目的研究。安装于DQX路面除雪车前部的浮雪铲具有垂直升降和水平摆动机构,可根据道路具体情况清除宽度为2.5～2.8m的车道上的浮雪,最大除雪作业速度为40km/h。浮雪铲除雪作业计算包括除雪阻力计算、切线牵引力计算及除雪功率计算3部分,并据此建立联立数学分析模型,利用计算机模拟分析DQX路面除雪车浮雪清除作业时的侧向稳定性、牵引特性及功率匹配特性,检验浮雪铲作业参数的可行性,为浮雪铲的除雪试验制定指导性试验计划。1计算的雪阻力DQX型路面除雪车的浮雪铲结构为单向犁板式,其除雪阻力Fsx为浮雪铲除雪作业时受到的雪的阻力Fp与车辆的行驶阻力Fm之和。1.1浮雪机构及浮雪挖掘的标准工况计算分析浮雪铲依靠铲体自重使铲刃与路面紧密接触,利用除雪车前进的动力与速度将浮雪清离路面,并沿浮雪铲抛向侧面。因此,浮雪铲本身的质量、铲体与路面的摩擦系数、铲刃与路面的夹角、铲刃形状、铲体水平摆角、除雪作业宽度、除雪作业速度、浮雪密度、浮雪厚度等因素都与雪阻力计算密切相关。同时,浮雪的平均抗剪应力亦对雪阻力计算产生一定影响,但由于其值相对较小,计算时通常忽略不计。为便于计算分析,建立如图1所示的浮雪铲受力直角坐标系。定义除雪车前进方向为X轴正向,车体左向为Y轴正向,垂直向上方向为Z轴正向。定义浮雪铲铲体与地面间夹角θc为切削角,铲体长度方向与车辆行进方向所夹锐角θ为行进角,按图1坐标系把浮雪铲受到的雪阻力Fp分解为前进方向分力Fpx、侧向分力Fpy和垂直分力Fpz。除雪作业速度小于10km/h时,作业效率太低,除雪作业速度大于70km/h,则违反道路交通相关法律、法规。因此,确定除雪作业速度区域为10～70km/h。研究结果表明,在10～70km/h速域内,除雪作业速度对雪阻力的影响呈分散的两区域——10～20km/h速域和20～70km/h速域。不同速域对雪阻力的影响系数不同。根据速域影响系数,建立如下雪阻力各向分力计算分析数学模型:除雪车作业速度为10～20km/h时:除雪车作业速度为20～70km/h时:式中:μf为铲刃与路面的摩擦系数;Mp为浮雪铲质量,kg;S为浮雪层与浮雪铲接触断面积,m2;v为除雪车作业速度,m/s;ρ为雪密度,kg/m3;K为浮雪铲刃口形状系数,K=1;g为重力加速度,g=9.81m/s2。浮雪铲铲刃在除雪作业时与路面的摩擦是在有雪参与的条件下钢铁材料的铲刃与路面间的摩擦。钢质材料与压实雪的摩擦系数为0.1,钢质材料与沥青混凝土的摩擦系数为0.25～0.5。大多数情况下,积雪在铲刃与沥青混凝土之间起润滑作用。因此,铲刃和路面的摩擦系数的取值范围为0.15～0.45。在除雪作业过程中,各种摩擦情况都会随机出现,没有规律性。因此,计算中通常取摩擦系数的最大值,即μf=0.45。行进角与浮雪铲排雪性能、排雪长度具有直接关系。实验结果表明,在浮雪铲其他参数相同的条件下,行进角在50°～60°时浮雪铲的排雪性能最佳,并可有效控制除雪作业宽度,使单次除雪作业宽度符合不同道路的车道宽度要求。通常行进角取为60°。雪密度变化范围很大,并受地域条件的影响。我国降雪条件与俄罗斯较接近,故多采用前苏联的研究成果,认为积雪密度为10～800kg/m3,通常在理论计算时取其最大值。设计要求DQX除雪车一次作业清除浮雪最大宽度为2.8m,最大除雪深度0.9m,因此,计算得出浮雪铲最大除雪断面积为2.88m2。根据设计方案,浮雪铲结构基本确定,根据雪铲总体结构及材料特性,计算得到浮雪铲质量为500kg。根据公式(1)、(2)及上述计算参数分析,得到如下计算结果。除雪车作业速度为10～20km/h时,雪阻力的各向分力为:除雪车作业速度为20～70km/h时,雪阻力的各向分力为:雪阻力的X向分力Fpx的方向与除雪车前进方向相反并与路面平行,对除雪车作业产生阻力,完全依赖于轮胎与路面产生的摩擦力克服,消耗发动机功率。雪阻力的Y向分力Fpy与浮雪铲的摆动方向相反,并与X向垂直,对除雪车的侧向稳定性产生直接影响。由于Fpy力作用于安装在底盘前部的浮雪铲,过大的Y向分力将造成除雪车尾部偏转而无法正常进行除雪作业,甚至发生严重事故。雪阻力的Z向分力Fpz对除雪车影响不大。1.2地面试验面投影车辆行驶阻力经验计算公式为:式中:μa为空气阻力系数,平头型车辆μa=0.00275;A为除雪车正面投影面积,m2;μr为滚动阻力系数,积雪路面与防滑轮胎间μr=0.0189+0.000601v;M为除雪车车体质量,kg。DQX路面除雪车车体为解放平头自卸车,车体质量为15000kg;正面投影面积为8.466m2。因此,根据公式(3)计算得到除雪车作业速度为10～20～70km/h时,行驶阻力为:1.3m的代数和代数除雪阻力Fsx为雪阻力在X方向上的分力Fpx与行驶阻力Fm的代数和。根据上述计算结果,可以得到不同作业速度条件下的除雪阻力。除雪车作业速度为10～20km/h时,除雪阻力为:除雪车作业速度为20～70km/h时,除雪阻力为:2切线引力的浮标变化路面与轮胎摩擦产生的附着力Fμ等于牵引车辆的最大切线牵引力Fkmax。积雪路面所能产生的最大附着力为:式中:μ为附着系数,积雪路面与防滑轮胎的附着系数一般取值为0.25～0.35。最大切线牵引力为:3发动机及机组功率除雪作业消耗的功率P为:式中:η为传动效率,机械传动取η=0.85。DQX路面除雪车发动机额定功率为192kW,若清除0.9m厚、密度为800kg/m3的浮雪,并以10～20km/h速度进行除雪作业,除雪功率为104.38～725.69kW,发动机只能满足部分除雪作业速度的功率要求;以20～70km/h速度作业时的除雪功率为520～20657.09kW,发动机不能满足其功率要求。4计算与评价的分析与模型的构建4.1浮雪作业速度计算除雪车在没有增加配重的情况下所能提供的最大切线牵引力为35.56～49.79kN,而除雪车清除0.9m厚、密度为800kg/m3的浮雪并以10～20km/h速度作业时需要31.94～111.03kN的牵引力,以20～70km/h速度作业时需要79.56～903.01kN的牵引力。因此,加大切线牵引力简单易行的方法是为除雪车增加配重。若设定额定作业速度为40km/h、附着系数μ取其最小值0.25、浮雪密度为800kg/m3,并设配重质量为ΔM,由公式(2)、(3)、(4)组成联立方程,即:由式(6)计算可得ΔM=131141.2217kg≈132t。仅从牵引力方面考虑,若清除0.9m厚、密度为800kg/m3的浮雪,无法达到40km/h的除雪作业速度。若假定为除雪车配重为25t,除雪厚度和浮雪密度不变,附着系数为0.25,用公式(1)、(2)、(3)、(4)组成的联立方程组计算、判断最大除雪作业速度如下:由相应判别条件,根据公式(7)可以计算得到v≤1.8km/h。因此,在清除0.9m厚浮雪时,除雪车的作业速度非常低。切线牵引力必须大于除雪阻力除雪作业才能顺利进行。影响切线牵引力和除雪阻力的因素包括作业速度、配重、雪层厚度、铲刃与路面摩擦系数、浮雪密度这些因素中,能人为掌握的只有配重和速度。通常情况下,在除雪作业前车体配重已经确定,在除雪作业过程中不能随机变动,因此,除雪作业时必须根据非人为随机因素适当调整车辆的行驶速度,以保证除雪作业效率最高。4.2侧向稳定性分析除雪车在除雪作业时除受到前进方向的分力外,同时受到侧向力作用。路面与轮胎摩擦产生的附着力Fμ在提供车辆前进推力的同时抵抗车辆的侧向滑移。根据车辆的行驶特性,DQX路面除雪车在除雪作业过程中最有可能出现的侧向滑移是以前轮为支点的车尾摆动。若对其侧向摆动进行简化处理,即假定轮胎所产生的侧向抵抗力按照前轮承担1/3、后轮承担2/3核算,并假定侧摆支撑点为前轮,则有如下判别模型。除雪车作业速度为10～20km/h时:除雪车作业速度为20～70km/h时:式中:h为雪层厚度,m。DQX路面除雪车在没有配重的条件下,积雪路面所能产生的最大附着力为35.56～49.79kN。当除雪车作业速度为10～20km/h时,受到的侧向分力为8.16～32.64kN,除雪车满足侧向平衡要求;作业速度为20～70km/h时,受到的侧向分力为22.17～271.59kN,部分作业速度范围满足侧向稳定要求。4.3dqx除雪车速度、功率与侧向稳定数学分析模型综合考虑除雪车作业过程中除雪阻力、切线牵引力、侧向稳定性、除雪功率等因素,根据DQX除雪车选用底盘的技术参数并结合上述分析、计算,可以建立以下DQX除雪车速度、功率与侧向稳定数学分析模型。除雪车作业速度为10～20km/h时:除雪车作业速度为20～70km/h时:5dqx路面除雪车运动学仿真分析根据数学分析模型式(10)和(11)编译计算分析软件,就可以对DQX路面除雪车进行相应的仿真分析。作者建立的运动学和动力学三维分析模型如图2所示。针对DQX路面除雪车及浮雪铲的结构特点确定μf、h、ρ、v、μ、ΔM为参变量,其他参数为定变量。输入6个参变量的5个参数数值就可以确定第6个参变量,并对其进行侧向稳定性、牵引特性及功率匹配特性以及运动学、动力学仿真分析。若输入参变量数值:[h]=0.2[m],[v]=30[km/h],[μf]=0.25,[ρ]=200[kg/m3],[μ]=0.25,[ΔM]=?[kg],然后执行分析。显示除雪车的最小配重为[ΔM]=0[kg]、除雪功率[P]=156.42[kW]、侧滑力矩[Ty]=53.8737[kN·m]、侧滑抵抗最大力矩[Tyd]=88.2900[kN·m]。继续执行操作,则对在此参变量下的DQX路面除雪车进行运动学、动力学仿真分析。若其他参变量相同,输入[ΔM]=0[kg],[v]=?[km/h],显示在没有配重情况下除雪车的最大速度[vmax]=32.7195[km/h]、除雪功率[P]=192.00[kW]、侧滑力矩[Ty]=64.0837[kN·m]、最大侧滑抵抗力矩[Tyd]=88.290