毕业设计（论文）-侧抛式除雪机设计

摘要我国北方地区是处于寒冷地区，每年都有大面积的降雪，降雪造成的路面积雪对人们的生产作业和工作都有很大的不方便。另一方面很多地区是长期的降雪，高寒地区每年降雪4个多月，道路路面面临着长期的积雪困难，由于人工除雪效率低下，最重要的是除雪效果不佳，容易结成冰，给人们得出行造成了安全隐患,因此设计一款路面除雪装置是非常的重要的，能够解决目前的积雪难题，具有实际使用的意义。针对以上所述的这些问题，本论文分析了目前国内外的主要除雪方法，提出一种主要适合中国国情的除雪机的设计，并进行理论和结构的设计分析。本文结合目前地区的积雪情况的调研开始着手，对积雪的特性进行分析，分析积雪的密度和厚度，积雪的硬度，积雪的摩擦因数，综合以上的参数，对积雪的及情况进行大致的分析，需要多大功率的除雪机，推力要多大，除雪机的结构强度多少等等。接着开始设计除雪机的装置，对除雪机的除雪装置进行设计选择，本次设计选择犁式清雪装置，分别对侧铲铲板机械能参数结构的设计，通过设计，对侧铲铲板进行验证，分析侧铲铲板的可靠性和除雪性。最后对整理的除雪装置进行受力分析，研究除雪装置的可靠性和实用性和稳定性。本次的侧抛式除雪机以研究对象着手，通过对积雪的情况进行参数化的分析，结合数据有理有据的进行结构设计，接着完成参数的分析，通过验证分析和实验稳定性的分析，得出本次的侧抛式除雪机可行性和实用性。本次的研究课题对北方地区有巨大的研究贡献意义，意义重大和研究。侧抛式除雪机的实用性效果好，对未来的除雪装置做了一个研究铺垫。关键词：侧抛式除雪机；摩擦因数；除雪装置；侧铲铲板ABSTRACTNorthChinaisinthecoldregion,thereisalargeareaofsnoweveryyear,thesnowcausedbythesnowontheroadhasagreatinconveniencetopeople'sproductionandwork.Manyareasarelong-termsnowontheotherhand,highaltitudesnowmorethan4monthseachyear,facinglong-termdifficulties,snowroadpavementduetotheartificialsnowremovalefficiencyislow,themostimportantthingisthatsnowremovaleffectisnotgood,easytoformice,causedpeopletotravelsecurityhiddendanger,thereforedesignaroadsnowremovaldeviceisveryimportant,tosolvethecurrentproblemofsnow,Ithaspracticalsignificance.Inviewoftheabovementionedproblems,thispaperanalyzesthemainsnowremovalmethodsathomeandabroadatpresent,andputsforwardamainsuitableforChina'snationalconditionsofthesnowthrowerdesign,andcarriesonthetheoreticalandstructuraldesignanalysis.Inthispaper,combiningtheregionalsituationinvestigationstartedtosnow,analyzesthecharacteristicsofsnow,analysisthedensityandthicknessofthesnow,snow,snowfrictionfactor,thehardnessofcompositeofaboveparameters,generalsituationandtheanalysisofthesnow,snowblowerneedmorepower,thrusttohowold,howmuchsnowblowerstructurestrengthandsoon.Thenbegantodesignthedeviceofthesnowplow,thedesignofthesnowremovaldeviceofthesnowplow,thedesignoftheplowtypesnowclearingdevice,respectively,thedesignofthemechanicalenergyparametersofthesideshovelshovelplatestructure,throughthedesign,thesideshovelshovelplateforverification,analysisofthereliabilityofthesideshovelshovelplateandsnowremoval.Finally,thestressanalysisofthesnowremovaldeviceiscarriedouttostudythereliability,practicabilityandstabilityofthesnowremovaldevice.Thissidesnowthrowertostudytheobject,throughtheparameterizedanalysisofthesnowsituation,combinedwithdataforareasonablestructuredesign,andthencompletetheparameteranalysis,throughtheverificationanalysisandexperimentalstabilityanalysis,thefeasibilityandpracticabilityofthesidesnowthrower.Thisresearchtopichasagreatcontributiontothenorthernregion,meaningandresearch.Thepracticaleffectofsidethrowsnowthrowerisgood,whichmakesaresearchfoundationforthefuturesnowthrower.keyword：Sidethrowsnowthrower;Frictioncoefficient;Snowremovalequipment;Sideofthespadespadeboard目录摘要 1ABSTRACT 2第一章绪论 51.1课题研究的目的及意义 51.2国内外研究现状 51.2.1国外研究现状 61.2.2国内研究现状 61.3除雪机发展趋势 8第二章侧抛式除雪机总体方案设计 92.1除雪机方案分析 92.2除雪装置结构方式确定 112.2.1车载车体底盘确定 112.2.2犁式清雪装置 132.3除雪机的整体方案布置 142.4本章小结 15第三章除雪机相关参数的设计计算 163.1积雪特性分析 163.1.1积雪的密度分析 163.1.2积雪的硬度 173.2侧铲主要结构设计 193.3侧铲受力计算 213.4侧铲清雪消耗功率 24总结 25致谢 28绪论课题研究的目的及意义 我国北方因为地理位置和气候比较特殊，在寒冷的地区每年降雪时间长达4个月左右，道路上的积雪给出行带来很大的麻烦，高速公路、城市高架桥、飞机场大量兴建，汽车、火车、飞机的数量和速度不断提高。如何改善道路、机场的运行状况，提高安全性成为目前交通所面临的主要问题。其中，道路积雪是北方地区冬季行车安全的最大隐患[1]。在除雪过程中需要消耗大量的人力和财力。近些年由于天气变冷在南方也会受到雪灾的影响造成路面大面积结冰，导致交通堵塞，许多人被困，随着我国国民经济增长汽车已经很普遍了，道路除雪已经成为一个大问题。道路除雪主要包括人工除雪，机械装置除雪和化学方法除雪。在家庭中现在普遍使用除雪工具是铁铲或者推板劳动强度大，且功能单一，最重要的是除雪效果不佳，清理不干净容易导致路面结冰，给出行带来了很大的隐患;机械装置目前广泛使用的主要分为旋切式，滚扫式和犁板式这三种。而利用化学药剂除雪，其工作原理是通过向路面上洒融雪剂来降低雪的熔点，来使雪融化，但如果环境的温度比较低,降雪量比较大，会影响其效果，同时成本较高能耗大对环境也会造成很大的污染。所以在家庭中需要一款操作方便、成本低、结构不复杂的装置。道路除雪车目前的主力除雪装置，该除雪车作业效率高，作业强度大，非常适合北方极寒地区的道路除雪。除此之外，除雪车加入我国军队自行研制的多功能路面清雪车后，清雪速度大大提高，减少了人力，路面积雪问题快速解决。由此可见，研究设计多功能路面清雪车，对解决雪天交通问题具有重要的经济和社会意义。1.2国内外研究现状 1.2.1国外研究现状 在美国和加拿大的冬季降雪量都特别的大，影响了交通出行，因此对除雪设备的研发开展的比较早，目前已经生产出很多比较完善的多功能除雪设备，在国际比较知名的除雪设备公司有美国的豪士科（OSHKOSH）、德国的施密特。[2]用下面产品进行介绍：豪士科（HTTractor）具有卓越的灵活性，可以进行冰雪处理，除冰，以及铲雪还可以配套使用各类雪犁、物料布撒装置等。还具有完美的机动性，配置电子全轮转向系统使路边的转弯半径达到22.86米。[3]具备完美的清理功能，转向滚刷可以保证滚刷不会离开雪犁路线。还具有很强的安全性，只有当驾驶员准备好了才会授权控制把手，以及告知操作员哪一安全性互锁功能正在阻止所选动作的仪表盘错误信息。豪士科道路抛雪机，应用了H系列底盘上的建造，能够在恶劣环境下除雪，配置700马力的抛雪机发动机可以应对很深的积雪，驾驶室也很舒适具有很好的隔音效果。1.2.2国内研究现状随着我国经济水平的提升和科学技术的发展，改善人们的出行环境和减轻人工劳动力，机械设备的研发已是大势所向，现在国内除雪的主要厂家有欧亚机械、中联重科，和雪狼等。在我国除雪设备的的研发起步较晚，但发展很迅速，产品的种类也很齐全，在公路和社区中设备已经替代了国外产品，但和国外比较发达的国家相比，除雪设备的还有很多不足之处。鞍山森林公司生产的除雪设备的AD516TCS型除雪撒布车，该车除雪铲的升降采用独立液压动力单元驱动，装卸方便，可靠性高具有自动复位和自动避障功能[4]。该车是集除雪、洒水、浇灌于一体的多功能设备，适合应用于公路和城市道路，广场、以及给道路洒水和绿化带浇水等。图1-1AD5100TCS型除雪撒布车国内已研制成功的旋转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，吉林交通科学研究所研制的CBX-1600型除雪机等等[5]。图1-2雪龙牌QZ-B型清雪机中联重科生产的ZLJ5163TCXJE4型除雪车，具有较强的吹雪能力、吹雪效率高、适应能力强、油耗噪音小、控制性强、二次清洁能力强等广泛适用于各种路面。1.3除雪机发展趋势近几十年来，国内外清雪车发展非常迅速，种类越来越多，各生产商在采用新技术、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，以适应冬季清雪提出的更高要求并提高产品的竞争力。目前国内外清雪车的主要发展趋势如下：1、开发高性能专用清雪车底盘，普遍采用液力变矩器、动力换挡装置和自动电液控制系统，实现自动变换挡功能，使作业速度自动适应清雪车作业的负荷变化[6]。2、研发配置于底盘的清雪属具，提高机器的使用效率，拓宽机器的使用范围。研制高效的清除坚硬冰雪装置、拓宽作业装置、滑雪装置、高雪堤处理装置、药剂撒布装置等多种作业装置，并对已有清雪装置的结构、铲板形状、切入角、叶片形状等进行优化设计，使清雪属具结构简单、受力合理、操作方便、提高其使用寿命、经济性和安全性[5]。3、研制具有仿行能力的避让机构，保护路面和清雪工作装置，提高清雪车的路面适应能力，向高速度、智能化、机电一体化的方向发展。4、加强冰雪力学性质的分析研究，建立道路气象系统，及时准确掌握路面温度、湿度、风向、风速、冰雪性质等方面的信息，为灵活、高效地使用清雪车及提高清雪车的设计水平提供基本依据。侧抛式除雪机总体方案设计2.1除雪机方案分析目前主要的除雪方式有三种：机械清雪、融雪清雪和综合式清雪。以上各种除雪方式都有其自身优点和缺点。上述几种清雪机械的作业范围见表2-1。表2-1各种机型适应的除雪厚度mm雪厚≤100100-300≥300机型犁板式、扫滚式犁板式旋切式除雪车由2部分的主要装置部件构成，除雪工作装置和机动车底盘。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整体机构特点分类。清雪车按工作装置的特点分为犁板式、旋切式及其他类型。1、犁板式清雪装置常见犁板式清雪机械如图2-1，该机结构简单，清雪装置悬挂于车辆前端，靠车辆的推动完成清雪作业，车辆底盘可选用装载机、卡车等。图2-1犁板式清雪装置犁板式清雪机械装置除具有避障机构外，犁板背面还设有蝶形雪鞋（也可称为雪橇）或轮子，以起到仿形的作用，保持犁刃与路面的间隙，同时可以减少犁刃的磨损；犁体与车辆的挂接方式采用多点铰接，这样既可以自动适应路面的起伏，又可以起到支撑作用，使车辆仅承受来自犁板的单向推力；运输状态时犁板可抬升一定高度。犁板式清雪装置还具有价格低廉、性能可靠、适用范围广等特点，应用最为广泛[6]。2、旋切式清雪装置旋切式工作装置的结构相对比较复杂，典型结构如图2-2，清雪作业时，集雪装置高速旋转收集积雪，被收集的积雪在吹雪装置的作用下脱离作业场地，实现清雪作业。旋切工作装置对雪质适应性强，可对多种类型的积雪作业。该装置可与专用底盘配套，也可与装载机和有液压动力的汽车配套使用。图2-2旋切式清雪装置转子式清雪装置是具有抛雪转子的旋切式清雪装置，其工作装置主要包括集雪器、连接装置、抛雪转子以及抛雪筒等[7]。转子式清雪装置的作业过程为集雪器将雪送至抛雪子，转子作高速旋转运动，积雪在离心力的作用下沿转子壳体顶部被抛出，由抛雪筒导向合适位置。3、扫滚式清雪装置扫滚式清雪装置主要有自行式和牵引式两种。扫滚式清雪装置一般安装，如图2-3。最初的机型只是靠特制的刷子进行扫雪作业，能够较彻底地清除薄且松散的积雪。现代扫滚式清雪装置一般都配有高压空气装置帮助吹雪，能够实现较厚积雪的清除作业。扫滚式清雪装置即使路面凹凸不平，也能将雪和水完全清除，且清除效率较高。图2-3扫滚式清雪装置4、其它类型清雪装置其他类型的清雪装置主要有铲剁式、锤击式、融雪剂撒布车等。在机场等场合还有把多种形式的清雪装置搭配使用的综合式清雪机械[6]。综合以上的方式对比，可以总结出来适合本次的设计除雪装置，本次的设计任务需要符合现实的情况，符合动力学要求，具有一定的除雪功能，并且采用车载的方式进行除雪，以便提高除雪效率。结合成本的因素，对比以上的除雪装置可以得出，本次的设计除雪装置采用犁板式清雪装置，该装置具有犁体与车辆的挂接方式采用多点铰接，这样既可以自动适应路面的起伏，又可以起到支撑作用，又由于本次的设计是侧抛式除雪机的设计，那么多铰链的链接能够很好的使用于除雪侧抛。另一方面，在加工制造上，犁板式清雪装置还具有价格低廉、性能可靠、适用范围广等特点，应用最为广泛犁板式除雪装置制造成本低，使用普通的碳钢采用一般的焊接技术就可以达到使用效果。因此本次的侧抛式除雪机的设计采用犁板式清雪装置方案。2.2除雪装置结构方式确定2.2.1车载车体底盘确定整体车体的确定需要结合侧铲与前铲共同作业时确定动力机。由于我国仅东北部地区冬季降雪时间较长，其它地区降雪较少，南部大部分地区基本无降雪。所以，结合以上的情况分析，使用通用的除雪动力机是最节能的一种方案。本文以冬季挂接清雪装置进行作业，其余时间卸掉清雪装置进行其它作业的思想来选取动力机。根据目前的动力制造特性，结合通用动力的改造技术，本次的设计选择选用一汽CA3168P1K2BT1型6×4平头柴油自卸车底盘作为动力机。这样冬季清雪时挂接清雪装备，进行清雪作业；其它季节卸下清雪装备，作为自卸车进行运输等作业，实现一机多能，此方案即节约了制造成本又起到了同一个装置多次利用，降低了整车的制造成本。自卸车参数以CA3168P1K2BT1型6×4平头柴油自卸车为设计车型,CA3168P1K2BT1型6×4平头柴油自卸车的最小离地间隙为250mm，大梁离地高度为780mm，底盘外形尺寸如图2-4。图2-4CA3168P1K2BT1型自卸车底盘外形尺寸CA3168P1K2BT1底盘的主要参数如下：重量参数见表2-2；性能参数见表2-3；发动机参数见表2-4。表2-2重量参数质量参数kg车辆型号CA3168P1K2BT1载质量8000整备质量6570轴荷前轴2990中、后轴3580允许最大质量18490允许最大轴荷前轴4000中、后轴18000表2-3整车性能参数性能参数车辆型号CA3168PIK2BT1最高车速，km/h85最大爬坡角度，°43制动距离，满载，车速30km/h≤43最小转弯直径，m17限定条件下的燃油消耗，L/100km28加速行驶车外最大噪声dB，A88最大续驶里程，km600表2-4发动机的主要参数发动机型号CA6110ZLA型式直列六缸、四冲程、水冷式、直喷式、废气涡轮增压式柴油发动机压缩比17工作溶剂7.127L最大扭矩，1600r/min时930N•m额定功率，2300r/min时192kw最低燃油消耗率208g/kw•h气缸着火顺序1-5-3-6-2-4车架的结合制造采用焊接技术，性能参数为边梁式冲压铆接结构。纵梁前部为变断面，中、后部为等直断面最大断面尺寸为断面高280mm、翼面宽90mm、板料厚8mm，中部内侧带有5mm厚加强板，平衡悬挂处有12mm厚加强板[7]：中横梁、后钢板弹簧、前后横梁与纵梁为腹板连接结构。车架前端备有双拖钩。后端装有插销式拖钩。2.2.2犁式清雪装置1、前铲除雪车的最佳作业时机和最经济的清雪作业方式是利用犁板式清雪装置清除刚下的新雪，此方案通过上面的对比得出。本次的设计前铲是清雪车广泛配备的一种犁板式清雪工作装置，犁板式清雪工作装置的固定方式采用可拆卸式固定方式，与清雪车底盘前端进行连接，前铲导板采用的制造工艺是曲面压制，形成空间曲面，可对粒雪、压雪、新雪、粉雪、冰水混合物等采用高速推进方式，利用曲面旋移原理清离路面。曲面旋移适宜的铲体自重对路面的压力有利于推积雪。因此清雪车并不可以追求降低前铲的总质量，且近年来铲体质量有增大的趋势。整理的重量也不是越重越熬，需要根据整车的重量进行考虑的，主要还是载重车前后轴的承载能力，通常情况下清雪车前铲工作装置的总质量限制在900~1000kg。材质选择时兼顾经济性，除连接零件外，大部分零件材质选择Q235钢。选取切削刃材料时除考虑耐磨性、韧性、经济性等因素外，需考虑工作温度对其物理特性的影响，一般选取65Mn调质钢[9]。2、侧铲侧铲装在清雪车的侧面，主要用于加大清雪宽度或某些特殊作业，侧铲的主要作用用于侧面的除雪工作。侧铲多用来和前铲一同工作，主要用于侧面的除雪功能，以加大清雪宽度。侧铲清雪宽度一般取2.5mm左右，铲板通常设计为利于排雪的复杂的锥状空间曲面，小端高度0.6m左右，大端高度0.8m左右。侧铲相对于车架是悬臂结构，此悬臂结构在除雪的时候对整车的稳定性影响很大，尤其对车的侧偏有一定的影响，设计时要验算底盘大梁单点集中力条件下的抗弯强度及清雪作业最大负荷条件下的整车侧向稳定性[8]。侧铲工作动作包括升降和绕前端铰接点转动。悬臂结构的侧铲采用的是液压驱动装置，采用液压驱动有几个有点，一是液压驱动结构简单，不必要很多的链接点，二是液压驱动的稳定性高，性能稳定。为需要升降装置一般采用液压驱动。2.3除雪机的整体方案布置犁板式清雪装置分为前铲板和侧铲板，钱铲板主要用于车体正前方的除雪，侧铲板主要用于侧抛的除雪，这样的目的是增加除雪的宽度，实现最大化的除雪，提升除雪机的效率。整体的除雪装置采用铰链的链接机构链接与车体上，链接的链接方式灵活，制造成本低，使用能力强等。侧铲板的除雪技能使用液压驱动，可以做到对侧抛除雪的角度控制，能够更好对不同的地区不同的路面大小进行调节，使用率更高，除雪效果更好。整体的方案布置图下图所示.图2-5侧抛式除雪机三维布置图2.4本章小结本章主要对除雪装置方案进行确定。主要内容包括确定除雪装置和车载的结构形式。整车车体方案的确定结合制造成本和使用频率进行设计研究，采用的边梁式冲压铆接结构技术要点，动力机采用的是一汽CA3168P1K2BT1型6×4平头柴油自卸车底盘作为动力机，做到了一机多用的效果，从根本上节约了制造成本。除雪犁板式清雪装置，包括前铲板的设计确定，和侧铲板的确定，方案的确定结合整车的载重和除雪工作时的稳定性进行阐述和研究，选择最合适的研究方案作文本次的设计方案，正确的机动车底盘与工作装置的选取可使各性能参数之间合理匹配，使设备的技术经济指标得到充分发挥。除雪机相关参数的设计计算3.1积雪特性分析要设计一款合格的除雪机，需要对积雪特性进行分析研究，只有通过研究好了积雪特性，才能很好的设计研究对象，整体的结构设计。积雪的特性主要是指物理特性，主要是积雪的厚度，密度，硬度和摩擦因数等等。3.1.1积雪的密度分析雪的密度是指单位体积积雪的质量。由于雪是水的固态形式，所以其密度值等于在融化后所得水的质量与融化前积雪体积的比值。雪的晶体极微小，雪片直径通常为0.5~2.0mm，而柱状雪晶的长度仅为0.5~1.0mm。只有在极其精密的天平上才可称出雪花的质量。因此在无风天气里降雪，雪花均匀地平铺，各个雪花彼此的枝角抵触，密度较小[9]；而在有风天气的降雪，雪花在风的作用下堆积较为密实，其密度值相对较大。雪的密度变化范围很大[6]。一般情况下密度ρ=10~800kg/m³。各类积雪密度情况如表3-1。表3-1雪的密度雪的状态密度（kg/m³）新下的雪（无风）10~100新下的雪（有风）130~200未密实的雪200~400密实的雪400~600冰雪混合600~800冰900雪的密度直接影响清雪机械作业时受到阻力的大小，所以对雪密度的研究将会为清雪机械的设计提供非常重要的依据，多功能清雪车侧铲和前铲主要用于清除新降积雪和未压实积雪，密度一般在10～300kg/m³之间。3.1.2积雪的硬度积雪的硬度是积雪物理机械性质的主要指标之一。硬度的大小与积雪的新就没有直接关系，主要的影响因数是对积雪的挤压程度的大小。一般来说：新雪为片状，密度在3100kg/m左右，没有硬度；但是经过挤压其硬度值最高可达到170kPa。雪的硬度可分四级。第一级为松散雪，使用除拇指外的四指不费力就可以插入雪层。第二级为稍硬雪，一个指头可以插入。第三级为坚雪，是用树枝等硬物可插入。第四级为坚实雪，与冰的性能相似。测量雪的硬度有专门的仪器，一般常用的是冲力硬度计。这种硬度计的上端有活动的金属砝码，根据砝码的重量和高度下降值以及硬度计被打入雪层的深度，可计算出雪层的硬度[10]。测量步骤是：先挖一个雪坑，在平整的剖面上从上到下依次分层测量。雪的硬度由其密度和状态决定，各种状态积雪的硬度数值如表3-2。表3-2雪的硬度雪的状态雪的密度，kg/m³当密度由-1~20时雪的硬度kPa松软的小于250小于50弱密实的260~35060~100密实的360~500210~2000很密实的510~600380~30002.1.5积雪的摩擦系数雪的摩擦性质决定了它的摩擦系数。积雪的摩擦分为内摩擦和外摩擦，内摩擦是指积雪内部雪与雪间的摩擦；外摩擦指积雪与其它物之间的摩擦。积雪的内外摩擦系数根据其状态而不同，见表3-3和表3-4。为了更好的设计好本次的侧抛式除雪机就必须了解机械沿着各种冰雪路面行走时的附着系数、行驶阻力系数等。轮胎与冰雪路面间的附着系数见表3-5；行驶阻力系数一般比外摩擦系数大，因为机械不仅与积雪产生摩擦，而且还存在对积雪的挤压[11]。各类积雪的内外摩擦系数和轮胎与冰路面的附着系数如表3-3、3-4和3-5。履带式车辆的行驶阻力系数见表3-6。表3-3内摩擦系数雪的密度kg/m³雪的温度，℃0附近-1~-6-10以下1200.240.290.342000.300.330.363000.350.390.464000.400.440.504700.420.470.535600.450.500.57表3-4外摩擦系数（对钢）雪的密度kg/m³雪的温度，℃-2~-4-16~-30-1~010082000.0850.0970.113000.070.080.094000.0550.0650.0754500.0480.0480.0565000.0250.0330.040表3-5轮胎与冰雪路面的附着系数雪的状态轮胎类型附着系数密实冻结的雪低压胎0.20~0.35密实冻结的雪高压胎0.20~0.25密实冻结的低压和高压胎0.10~0.20压实的冻结雪高压胎0.209压实的解冻雪高压胎0.176解冻的雪低压胎0.06~0.08表2-6行驶阻力系数雪的状态雪的密度kg/m³阻力系数轮胎履带松软的150~2500.2~0.650.2松软潮湿的150~2500.60.2轻碾压的250~3500.15~0.40.1碾压的400~6000.08~0.150.05冰雪7000.06~0.080.07~0.1上述研究内容主要包括积雪的密度、硬度、抗压强度、湿度、摩擦系数等。以上参数的研究，主要为更好地了解雪这一特殊介质的各种性质，为多功能清雪车的设计提供了重要依据。3.2侧铲主要结构设计图3-1清雪车侧铲结构示意图1-前托架机构；2-侧铲铲体；3-支撑机构；4-伸缩装置；5-后托架机构侧铲装置主要由五部分组成：后托架机构、铲体、前托架机构、支撑机构、伸缩装置，如图3-1。3.1.5侧铲其他结构件设计侧铲前、后托架机构均与底盘大梁采用螺栓连接。CA3168P1K2BT1平头柴油自卸车右侧安装有储气罐，支架采用薄板焊接而成机构，为了减少侧铲部件的总体质量。为实现铲体的上下运动，在前、后托架上设计安装有立柱，滑套可与前立柱间装配，实现上下滑动，安装于铲体前端背面铲体后端背面安装耳座，与伸缩油缸前端铰接。伸缩油缸后端有支座，支座上带有与后立柱存在装配关系的滑套。前、后立柱上的滑套可以带动铲体实现上下移动。前、后立柱设计成空心圆筒，沿轴线方向开设滑槽，槽内的滑块与前、后立柱上的滑套及升降油缸连接[12]，升降油缸伸缩带动前、后立柱上的滑套上下移动，从而实现铲体的升降运动。侧铲的后托架结构如图3-2。图3-2后托架结构图1-升降油缸；2-油缸支座；3-上夹环；4-立柱；5-导正滑块；6-伸缩性油缸座；7-下夹环；8-后托架体侧铲属于悬臂机构，侧铲是造成车辆侧偏的一个主要原因，因此要平衡负荷需要在铲体后端设计一个支撑机构。非作业状态时，支撑机构还可以随侧铲抬起脱离地面，清雪车可以快速行驶。铲板后面连接的伸缩装置采用多级伸缩油缸，其伸缩行程大，能满足侧铲开合要求。伸缩装置避开后轮，铰接于动力机大梁后端。支撑轮部件图如图3-3所示。图3-7支撑轮部件图1-支撑轮导杆；2-压盖；3-万向轮支座；4-万向轮座；5-万向轮支腿；6-万向轮综上所述，侧铲的基本参数是侧铲的作业宽度为2.9m，选取侧铲行进角为60°侧铲采用圆弧型截面铲板，小端设计高度初定为0.82m，大端高度初定为1.2m，铲板长度为3.4m，铲板厚度定位6mm。清雪作业深度为0.8m，通常情况下清雪深度取0.2m，铲刃材料65Mn，托架材料为Q235B，侧铲主要部件设计已基本完成。3.3侧铲受力计算侧铲置于多功能路面清雪车右侧，它具有垂直升降和绕前铰轴水平摆动两种运动，可以根据道路具体情况清除0～2.9m车道宽度的浮雪。侧铲清雪作业计算包括清雪阻力计算、切线牵引力计算、清雪功率计算，分析多功能路面清雪车浮雪清除作业时的牵引特性及功率匹配特性，检验清雪车侧雪铲作业参数的合理性等。这里把整车清雪阻力，看成侧铲和前铲清雪作业时受到的雪阻力、与车辆的行驶阻力之和[13]。所以侧铲本身质量、铲刃与路面的夹角、铲体与路面的摩擦系数、铲体在水平面内的摆角、清雪作业宽度、清雪作业速度、浮雪密度、厚度等因素与雪阻力计算关系密切[14]。同时，浮雪中也存在平均抗剪应力τ，但对雪阻力计算影响相对较小，通常情况下对其忽略不计。为便于计算分析，建立如图3-8所示的侧铲受力直角坐标系[15]：定义清雪车前进的方向为X轴正方向、车体左侧方向为Y轴正方向、垂直向上方向为Z轴正方向，雪铲与地面间夹角α为切削角、铲体长度方向与车辆行进方向所成的锐角θ为行进角。图3-8侧铲受力直角坐标系侧铲的雪阻力按图3-8坐标系分解为前进方向分力、侧向分力和垂直分力。同样将前铲的雪阻力分解为前进方向分力、侧向分力和垂直分力。清雪作业速度直接影响清雪作业效率。清雪作业速度小于10km/h，作业效率太低，不可取；清雪作业速度大于70km/h，与道路交通相关法律、法规不符。由此可确定清雪作业速度区域为10～70km/h。研究结果表明[11]，在10～70km/h速域内，清雪作业速度对雪阻力的影响呈分散的两区域性，即10～20km/h速度区域与20～70km/h速度区域，不同的速度区域雪阻力的影响系数不同。根据速度区域影响系数，建立如下雪阻力各向分力计算分析数学模型[9]。清雪车作业速度为10～20km/h时，（3-1）清雪车作业速度为20～70km/h时，（3-2）式中：——铲刃与路面的摩擦系数；——雪铲质量，kg；——浮雪层与雪铲接触面在速度方向上的投影面积，m²；——清雪车作业速度，m/s；——雪密度，kg/m³；——重力加速度，9.8m/s²。侧铲在清雪作业时铲刃与路面间存在积雪，因此其摩擦为有积雪参与条件下钢质材料与路面间的摩擦。钢质材料与压实雪的摩擦系数为0.08～0.1，钢质材料与沥青混凝土的摩擦系数为0.25～0.45，通常情况下，积雪在铲刃与沥青混凝土之间能起到润滑作用。因此，铲刃和路面的摩擦系数的取值范围大致为0.10～0.40。清雪作业过程中，各种摩擦情况会无规律的随机出现，因此，在计算中取摩擦系数较小值[15]，即取=0.2。行进角与雪铲清雪性能、清雪宽度具有直接关系。在雪铲其它参数相同条件下，行进角在50～60°时雪铲的清雪性能处于最佳范围，并可有效控制清雪作业宽度，使单次清雪作业宽度符合不同道路的车道宽度要求。通常情况下，雪铲的行进角取值为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[16]，认为积雪密度为10～800kg/m³。本清雪车上配备的前铲和侧铲主要为清除浮雪的设备，通常认为浮雪密度为10～300kg/m³，所以在计算时取数值300kg/m³。设计要求多功能清雪车侧铲一次作业清除浮雪最大宽度为2.9m，最大清雪深度0.8m，通常情况下清雪深度取0.2m。因此，设定前铲和侧铲同时作业时的额定工况为：积雪密度300kg/m³，积雪深度0.2m，作业温度-20°C。计算得出侧雪铲清雪断面积为0.58m²。根据雪铲总体结构及材料特性，算得侧铲质量为500kg。根据公式（4-1）、（4-2）及上述计算参数分析，取=0.2、=300kg/m³、=500kg、θ=60°，计算得到如下结果：清雪车作业速度为10～20km/h时，侧铲雪阻力的各向分力为=2.977～8.973kN=0.626～2.504kN=4.905kN清雪车作业速度为20～70km/h时，侧铲雪阻力的各向分力为=6.558～67.940kN=1.701～20.416kN=4.905kN雪阻力的X轴方向的分力与路面平行，方向与清雪车前进方向相反，为清雪车作业时的阻力，由轮胎与路面间产生的摩擦力克服，消耗发动机功率；雪阻力的Y轴方向的分力与侧铲的摆动方向相反，并与X轴方向垂直，对清雪车的侧向稳定性产生直接影响。3.4侧铲清雪消耗功率清雪作业消耗的功率P为：式中：——清雪功率，kW；——行进方向的清雪阻力，kN；——传动效率，机械传动取=0.85。多功能路面清雪车发动机额定功率为192kW，若清除0.2m厚、密度为300kg/m³的浮雪，并以10～20km/h速度进行清雪作业，清雪功率为25～131kW，发动机能满足全部清雪作业速度的功率要求；清雪车辆作业速度一般不超过40km/h，以20～40km/h速度作业时的清雪功率为100～kW，发动机只能满足部分作业功率要求。4.7最大切线牵引力与清雪阻力分析清雪车在无配重的情况下，所能提供的最大切线牵引力为16.10～22.54kN，而清雪车清除0.2m厚、密度为300kg/m³的浮雪并以10～20km/h速度清雪作业时需要7.76～20.07kN的牵引力，以20～70km/h速度清雪作业时需要15.32～139.26kN的牵引力。若设定作业速度为40km/h，由于侧铲作业对象为浮雪，且轮胎主要与清除浮雪后的路面接触，所以附着系数φ取其均值0.35、取值0.2、浮雪密度为300kg/m³，[17]并设配重质量为ΔM，由公式（3-2）、（3-3）、（3-4）组成联立方程，即（3-6）根据公式（4-6）可以计算得到ΔM=kg≈8t。从牵引力单方面考虑，若前铲和侧雪铲同时作业，在无配重情况下，清除0.2m厚、密度为300kg/m³的浮雪，无法达到40km/h的清雪作业速度[18]。为了求出无配重状态下的最大速度，即假定清雪车配重为零，清雪作业厚度仍为0.2m、浮雪密度为300kg/m³、取其值0.2、附着系数为0.35，则根据公式（3-1）、（3-2）、（3-3）、（3-4）组成联立方程组计算、判断最大清雪作业速度，即（3-7）式中：v——清雪车作业速度，km/h由相应判别条件，根据公式（4-7）可以计算得到v≤26km/h。因此，在无配重情下，当取其值0.2、附着系数为0.35，清除密度为300kg/m³、厚度为0.2m的浮雪时，清雪车的作业速度最高为26km/h。由前面的计算结果可知，当增加8t配重时，在额定工况下作业，清雪车的最大作业速度可提高到40km/h。通常情况下，在清雪作业前，车体配重已经固定，在清雪作业过程中不能随机变动[19]。因此，清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，以保证最高的清雪作业效率。总结本次的研究课题针对侧抛式除雪机的设计进行展开研究，结合对侧抛式除雪机除雪装置设计进分类总结，结合分类对除雪装置设计进行特点的分析，了解其各中的侧抛式除雪机除雪装置设计特点。查看国内外的研究方向，了解我国在除雪装置设计方面的研究设计工作，了解我国的侧抛式除雪机装置设计目前存在的问题和不足，然后结合国外的发展特点，结合国外的技术以及研究方向，知道本次设计的侧抛式除雪机除雪装置设计的设计方向，知道未来侧抛式除雪机除雪装置设计的发展规划。本文在介绍了目前国内外清雪方法的种类、以及各种方式的优缺点的基础上，总结了机械清雪的诸多优点。对整体的结构方案进行设计，设计研究进行参数化的调研，对积雪的多方面的性能加以了解，如密度、抗压强度、硬度、湿度、摩擦系数等。通过这些参数对除雪装置进行结构的设计和力学的分析。接下来是底盘的选取，根据我国的经济发展状况，不宜单独设计专用清雪动力机。所以选用一汽CA3168P1K2BT1型6×4平头柴油自卸车底盘作为动力机。侧抛式除雪机侧板作业宽度2.9m，选取侧铲行进角60°，侧铲采用圆弧型截面铲板，小端设计高度初定为0.82m，大端高度初定为1.2m，铲板长度为3.4m，铲板厚度定位6mm。然后对侧铲及整车进行受力计算，能够在要求的作业速度下正常作业。本文主要研究的是多功能路面清雪车，其实用性很强，本文虽然对整车的受力分析和侧翻进行了研究，但是在实际行驶的过程中还有很多没有考虑到的方面，在底盘和清雪装置的开发上还有很大的空间。在本文设计的基础上多进行试验研究，那么可行性会更高。参考文献[1]陆季挺.高速公路快速除雪作业.筑路机械与施工机械化,1999：1~12[2]田晋跃.国外道路除雪机械技术发展概况.专用汽车,2001：12~23[3]张红兵.科学技术促进除雪方式发展.发展商用汽车,2005：30~98[4]杜鸣青.小型螺杆式清雪车研究.工程机械,2001：1~67[5]王振.国内除雪除冰机械现状刍仪.南京理工大学硕士学位论文,2004：23~65[6]中国科学院兰州冰川冻土沙漠研究室.兰州大学地质系.冰雪世界科学出版社,1978：12~34[7]付建华.路面冰雪清除机研究.吉林大学机械科学与工程学院,硕士学位论文,3003：1~25[8]崔江宪.除雪机械.人民交通出版社,1988：23~65[9]邓洪超,马文星.DQX路面除雪车浮雪铲除雪作