【《某除雪车的机械部分设计计算过程案例分析》6500字（论文）】

某除雪车的机械部分设计计算过程案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u3448某除雪车的机械部分设计计算过程案例分析 1127311.1整车示意 1161611.2推雪前铲的设计 2173581.3碾压磙设计 973861.4撒布系统介绍 13213621.5鼓风系统 15整车示意该多功能车由推雪铲、吹风系统、碾压磙、撒布罐、撒布机和智能感知器等组成，是在二类底盘的基础上直接加装的，兼容性能好。除雪破冰是本车的主要功能，前雪铲负责铲雪，吹雪系统可通过高速的气流将推铲残留的积雪吹散。碾压磙负责破冰。最后的撒布机可将储存在撒布罐的融雪剂喷洒出来，防止道路结冰。夏天时，该车并未闲置，吹风系统可反转配合磙刷扫路，而且撒布机也可负责撒睡，实现真正的多功能智能车。以上工作的动力来源与驾驶室后部的副发动机。除此之外，本车特意设计的智能监控系统，通过机器学习的方式真正实现了为夜间或视线受阻时大大提高行车安全性的目的。整车示意图：雪铲2-二类底盘3-副发动机4-鼓风系统5-碾压磙6撒布罐7花洒图3-0多功能智能除雪车结构(智能设备图中未标出)推雪前铲的设计1.2.1推雪前铲的含义大多数除雪车中，推雪前铲是必不可少的，有些车辆甚至只有推雪铲，这在我国部分落后地区十分常见，这种犁板式除雪工作装置通过可拆卸固定联接方式安装在二级底盘前端。推雪铲的结构主要可以分为一体和分体式。图3-2为本文研究车辆的简单示意图，也是分析推雪铲设计的基础。清除刚刚降落的新雪，对于除雪车而言是最高效率同时也是最经济的方式。常见的的曲面选择主要有三种，分别是圆弧状、渐开线状和抛物线状空间曲面，根据曲面旋转原理，这些曲面的铲板可不同类型的积雪以及混合物等积雪进行清理。所以本小结的核心内容便是对前铲设计的空间曲面的设计。图3.1除雪车推雪铲工作示意简图推雪铲各部分名称如图3.2所示。图3.2除雪车前铲结构示意图1.2.2推雪铲铲板图3.3是推雪铲的相关参数如图3.3所示1.自顶向下角度的铲板 2.铲刃图3.3 推雪铲相关参数=1\*GB3①除雪宽度LB 由于除雪车前铲与前进方向是有一定夹角的，其目的将积雪退至道路两旁，因此实际参与推雪的长度不等于实际铲宽，如图3.3所示，LB=L×cosθ对于LB的一般要求是：假设与前端同侧的轮胎的外边缘宽为Lf，因此前端的宽度约为Lf=2\*GB3②切削角δ如图3.3所示，推雪前铲与道路的表面形成的夹角。在推雪铲的工作过程中，铲刃插入积雪之中，由于与地面存在一定夹角，会给冰雪一个斜向上的力，在力的作用下，积雪被铲起。积雪在铲板之中沿着铲板的引导方向，从雪铲的后部离开铲板。积雪在铲板上因切削角的大小不同，呈现三种形式。较小时，冰雪会在雪铲上呈现流动的形式如图3.4(a)，反之则会呈现断裂的状态如图3.4(b)，继续加大则会呈现如图3.4(c)所示的剪裂状态，因此要充分考虑在切削角的大小的重要性。其变形如图3.4。图3.4雪被切削时变形情况同时铲刃的强度受δ影响。如果切削角δ太小，则会导致铲刃的厚度变小，那么铲刃的强度便会较弱，但当δ过大时，切削积雪时受到的阻力会陡然升高，查阅文献，可以了解若切削角δ一次增加10度，那么铲刃的抗切强度系数KQ就会在原来的基础上增加0.1KQ到0.2K为了使除雪车在清除各类积雪时都能够拥有较好的性能，根据实践，当20°≤δ由于除雪车工作真实道路时，能够的情况远远复杂与实验室环境，因此切削刃很易受到损伤，从而引起铲刃的更换，因此，在设计铲刃时，可采用拼装的形式，这样就会防止某块铲刃受到不可修复损伤时，需要更换整体铲板的状况。多块铲刃在拼装在推雪铲铲板时使用螺栓连接。=3\*GB3③推雪铲偏转角θ指铲体边缘线与车辆前进垂直方向所形成锐角θ=12(θF+θR)，参照图3-3所示。推雪铲偏转角对于除雪阻力、推雪铲长度、推雪能力、都有很大的影响，推雪铲偏转角小，此时的除雪阻力较小，而且推雪能力也较好，但会缩短一次推雪宽度LB；反之，铲体长度要求可以降低，但会显著增加除雪作业中的阻力，推雪能力也将变差。查阅相关文献和实验可知，当50°≤θ =4\*GB3④其他相关参数 推雪铲水平宽度L；表示推雪铲的最小高度HS；推雪铲大端高度HL。1.2.3铲板曲面结构参数确定（1）推雪铲材料选择在机场的除雪工作时，负责切削的铲刃及其连接一体的铲板在做着最主要的工作。为了防止切削刃的经常受损，因此需要要求切削刃必须拥有达到要求的强度、刚度和耐磨性，除此之外还应该将铲板之间的联接设计为可拆分式。可知在行车稳定性和车轴载荷可以接受范围内增加铲体的整体质量，对于整个系统来说可以加大对道路表面的压力，从而提高推雪效率。因此在设计过程中不会刻意想办法降低雪铲的质量。只有500kg～800kg之间，都是可以接受的范围。在处于满足工作所必需的强度的基础上，为了降低成本的消耗，选择Q235钢作为除连接件外的大部分部件的材质。但是在进行切削刃的选材时，考虑其到工作特性和物理特性，一般选择耐磨性、韧性更强65Mn调质钢制备，除此之外该材质还有成本较低、可承受温差高等优势。（2）推雪铲切削刃参数选取推雪前铲的工作原理决定了其不适合铲出压实的积雪，主要是清除的刚刚降落的冰雪，收到冰雪的结构，降雪时的气温等条件影响，冰雪的密度ρ的一般取值范围在20kg/m3为了简化实验，我们决定采用与积雪的物理和机械性质接近的松土作为研究对象，而且对于其的研究和技术应用在针对于切削刃的设计方面也也更为成熟。我们发现，切削刃的强度和受到的阻力，会在切削角取到30°左右的时候，达到最佳平衡点，此时的效果和性能也是最优的。如图3.5所示，∠1>20°时但可以满足推土铲切削刃的强度需求，当∠2>30°时，可以同时兼顾切削原理和切削作业过程地形变化；所以对于推土铲的切削角δ大多都会在55°左右。虽然除雪车采用的轮式前进机构与履带式相比能够提供的牵引力相对较小，从除雪车的雪铲所要清除的是刚刚降落的新雪考虑，轮式是更优的选择，而且轮式会减少对道路的损坏。为保证作业时的正常前进速度，应该尽量去降低前进过程中遭受的阻力。由于城市道路表面较为平整，除雪车不必去适应复杂多变的地形，因此推雪铲的后角可略小。综合这两个因素，在对铲刃的结构作出适当改变基础上，推雪铲铲刃切削角δ推土铲 推雪铲图3.5 两种切削刃的参数（3）推雪铲的铲板空间形状设计处于工作状态的除雪车，行驶速度一般在三十千米每小时左右，由于推雪铲的铲板一般呈曲面状，所以在高速推进时，根据曲面旋转理论，道路的积雪被铲板铲起的同时，由于积雪的颗粒间的结合力小，便会紧紧贴着铲板，沿着铲板的曲面空间形状做旋转运动。很明显积雪由于一直贴紧铲板，故其运动轨迹直接受铲板曲面空间形状影响，此时铲板的曲面主要起着引导积雪进行旋转运动的作用，因此积雪的运动轨迹规律，一次参与运动积雪的多少都会受到铲板结构的影响，同时推雪铲的铲板的空间形状也会对作业时铲板受到的阻力大小、和作业效率以及产生重要的影响。铲板铲型 在进行除雪作业时，为了防止在铲板进行旋转运动的积雪，在运动过后仍会返回道路表面，因此在进行铲板的曲面设计时，通常会将其设计为大小两端，同时以固定的推雪铲偏转角度（上文所述theta角）前进，将积雪直接排向道路一侧，在一个旋转周期内，积雪的旋转轨迹为空间螺旋外抛曲线，且外抛曲率驱动小为理想外抛轨迹。现代数控制造技术在我国正经历日新月异的快速发展道路，技术更迭块，加工质量和精度越来越高。以我国现有技术水平，完全有能力通过数控机床加工出例如I和II类渐开线等各种具有高度复杂的空间曲面，这为我们的设计工作提供了强有力的支撑。图3.6 常见铲板曲面类型由于圆弧型和抛物线型的形状相似，因此二者性能也相似。Grabotz和Drees利用土屑做了各类空间曲面的铲板在切削沙土时的对比实验，部分实验数据如表3-1所示。由于土屑与积雪都具有颗粒之间结合力小的特点，因此可以通过对土屑的实验数据来替代推雪铲在切削道路积雪的情况。铲板类型抛物线型I类渐开线型II类渐开线型切削切力28.52825.4表3-1 其他条件相同时铲板类型对切削阻力的影响通过上述表格分析，我们决定选用II类渐开线作为本文铲雪前铲的空间曲面结构，此选择充分考虑到了真实的除雪车作业所面临的情况。=2\*GB3②铲板宽度 推雪铲常以固定的推雪铲偏转角进行除雪作业。实验和经验表明，推雪铲偏转角θ取值一般在50o～60o。铲板的宽度应该保证一次推雪宽度LB要大于车宽，前端应保证比同侧轮胎外边缘宽出约200mm，对于后端应宽出约400mm，以保证在作业过程中除雪车能够有能力开辟前进的道路，从而保证进行除雪作业时的除雪质量。推雪铲的宽度要接受比切力检验，应限制其20N/m≤qx≤qx=F式中 Fe——除雪车的额定牵引力，N qx——比切力，N/cm B——推雪前铲宽度，cm。=3\*GB3③铲板高度Hc 在设计改参数时，应考虑装在铲刃之后的高度。之后首先考虑待设计除雪车的整体结构，一定要能够符合装配准则，同时考虑除雪车的工作效率，额定功率等，初步给予一个恰当数值，再进行利用仿真软件仿真，在根据仿真情况调整。1.2.4利用UG软件构建模型采用II类渐开线参数方程如下：x=R(cost+sint)式中：t——α+θ； R——为基圆半径。根据积雪在进入铲板的运动轨迹，为了防止铲内雪持续在铲体空间内旋转运动，因此当本文的最大除雪高度（不应高于小端的高度）为900mm时，小端处能够容纳积雪的能力不应超过大端处的12，可得小端的基圆Rsmall取值利用UG建模，铲板空间曲面相应表达如公式（3.3）X——式中：t1和t公式3.3 UG建模公式为便于排雪，两端渐开线上端点处的法线方向与竖直方向夹角选为115°图3.8 新型铲板模型示意图1.2.5推雪铲设计总结结合上述分析，本设计采用改装车，底盘为二类底盘，便于改装与组装。推雪铲的详细参数如下：工艺材料小端高度大端高度刃切削角铲板宽度方向角除雪宽度II类渐开可展直纹955mm1410mm30°3900mm60°3025mm采用的改装车的车身最宽处约Lmax=2490碾压磙设计3.3.1 碾压磙装配碾压磙装配情况如图3.0所示，碾压磙处于底盘中部，碾压磙上的刀刃负责破除压实雪，碎冰功能。3.3.2 碾压磙基本结构及参数碾压磙的基本组成为：心轴、端板、磙筒、连接架、刀具、配重等关键部分组成。其结构示意图可见图3.9，碾压磙三维实体图可见图3.10。碾压磙的配重和磙筒内圆焊接，起着调节装置重量，提升除冰作业稳定性，防止抖动的功能。刀具按一定磙则分布在磙筒外圆，主要起切削、碎冰作用。而心轴和连接架、端板主要起支撑封闭作用。本文设计的碾压磙质量约3938kg，轴向长度为2500mm，直径1000mm，磙筒直径800mm。图3.9碾压磙结构示意心轴；2-端板；3-磙筒；4-配重；5-刀具图3.10碾压磙三维实体图3.3.3 碾压磙参数=1\*GB3①刀具几何参数 本设计方案中选择楔形刀具，影响刀具切削、除冰性能的重要参数是刀具前角α和后角β。其中刀具前角α和后角β均为锐角。本文在设计时选择α=52o，β=20o。刀具的刃部宽度为107mm，根部为112 根据除雪车的正常工作运行情况分析可知，刀具在工作中极易受到较大摩擦和冲击，容易导致刀具的损坏。所以在选择刀具的材料时要求刀具的焊接性能较好，除此之外还要求有较好的低温冲击性能，因此选择16Mn。同时保证刀具损坏后能够及时更换，以持续除冰，提高除冰效率。刀具的几何参数示意图和三维实体图如图3.11。图3.11刀具几何参数示意图 刀具三维实体图示意图刀具需满足公式：p=mg式中 p——刀具对冰雪的比切力，Pa； m——碾压磙的质量，kg； A——刀刃与冰雪的接触面积，m2 σq——压实雪的抗切强度，Pa抗切强度冰雪密度温度/0~-1-2~-10-10以下300~4005.0~12.08.0~25.05.0~35.0450~75010.0~25.015.0~40.030.0~80.0750~90020.0~35.030.0~80.070.0~130.0表3-2 压实冰雪抗切强度根据公式3.3，带入数据p=3938011×0.107×0.002≈1.7×107=2\*GB3②刀具安装角刀具安装角指刀具长度方向与碾压磙磙筒切线方向的夹角，刀具角δ的取值范围在0～90°或90°。因此可分为斜刃式和直刃式。斜刃式具有较直刃式更高的刀具强度，刀具不易损坏，对道路表面伤害更低和更高的清除效率，因此本文设计采用斜刃式，且安装角选择30°，其示意图如图3.12所示。图3.12斜刃式碾压磙=3\*GB3③刀具排布参数分析该部分主要是为了解决-路面冰雪在被刀具破碎的同时往往会产生一定面积的碎块，冰雪碎块破碎不彻底，依旧会对清除效率产生一定影响。所以必须对碾压磙的刀具排布合理与否作出定量分析。 =1\*romani周向刀具数目图3.13 刀具周向数目示意图根据图3.13所示，刀具周向数目指的是碾压磙外周一圈排布刀具数目，θ表示相邻刀具之间的夹角。若刀具周向数目过小，刀具之间间距过大，则会导致前一把刀已经切入压实雪之中而后一把刀距离前一把过远，无法产生有效的挤压，造成破碎压实雪的效率大打折扣，严重影响除冰效果；若刀具周向数目过大，则会导致前刀具尚未切入冰雪，但是下一把已经提前插入冰雪之中。无法在持续的工作中连续破除冰雪。很容易得到，刀具数目的计算公式为： Z=式中 Z——刀具数目； θ——相邻刀具之间的夹角，θ≥ 本文θ选择24°，即一圈上刀具数目为15把。=2\*romanii相邻两圈刀具相位差图3.14相邻两圈刀具相位差示意图1，3-同一圈上相邻两个刀具；2-邻圈上刀具根据图3.14所示相邻两圈刀具相位差是指相邻两圈刀具错开的角度，ε的一般取值范围为0～θ2当刀具错开的角度ε的取值在合理区间时，相邻两圈刀具交错进行布置，使得单个刀具对冰雪层的切入力加大。清雪车启动后，碾压磙连续磙动，碾压磙上多把刀具协同工作，造成有效工作面积内冰雪层完全破碎进而与地面剥离。ε过小甚至取0时，刀具对冰雪层的切入力减小，不利于压实雪的破碎。本文取ε为12°。撒布系统介绍3.4.1 水路系统铲雪车的撒布系统主要由动力系统、水路系统和一定容积的水箱组成。水箱的截面选择椭圆形最适合工艺加工。水路系统是该车的核心设计，也是实现多功能的关键。水路系统的结构示意图如图3.15图3.15水路系统结构图该车发动机启动后，接通取力器，通过操纵驾驶室的开关，使洒水泵旋转。通过不同的出口如高压水枪、万向鸭嘴、花洒等进行不同的洒水作业，那