（机械工程专业论文）楔刃振动式道路冰雪清除机理和除雪机械研究.pdf

哈尔演理t 大学t 程硕i 。学位论文 楔刃振动式道路冰雪清除机理和除雪机械研究 摘要 公路与城市道路冰雪，对北方冬季交通和人民日常生活有重要影响。我 国北方地区冬季时间长，降雪周期长，雪后能否快速、干净、高效的清除公 路和道路的积雪及其形成的冰雪混合物，已成为迫切需要解决的科学与技术 课题。 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试验与分析，形成 了以浮雪推铲、硬质混合冰雪振动破碎清除为主要研究目标，且经济、实 用、除净率高、路面损伤小的新型除雪设备设计与研究思路，芳研制出了试 验用样机。 楔刃振动式道路冰雪清除机械的结构特点是：采用推雪铲与振动楔刃铲 相组合的方式连续除雪；振动楔刃铲与推雪铲装置采用分立结构，柔性连 接，以适应不同路面，提高除净率；整个除雪机构可悬挂在工程机械或相应 的机动车辆上使用，以降低结构复杂程度和生产成本。振动楔刃铲结构与除 雪角度采用仿生( 仿人工除雪) 除雪技术，楔形除雪刃具与路面形成一定楔 角，以提高压实冰雪的振碎效率。 在课题研究过程中，首先对道路积雪物理机械性能进行了测试试验，以 最佳硬质冰雪破碎效果为目标，测试确定了除雪机具设计所需的铲雪力、刃 具形状、刃具最佳入雪角度等基本参数。根据积雪和硬质冰雪测试试验结 果，分析确定了除雪过程工作阻力计算方法。 经比较分析，推铲式除雪机具是目前道路浮冰雪清除机械清除速度最 快，结构简单，效率最高的除雪设备，但不能清除压实冰雪和道路冰雪混合 物；而现有的清除压实冰雪和道路冰雪混合物的除雪机械又普遍存在着速度 慢，效率低等问题。因此，以推雪铲形式为基础组合设计楔刃振动式道路冰 雪清除机械是本课题研究的基本指导思想。目的，就是适应各种道路冰雪清 除的要求，研制出经济、实用、高效、安全的寒地新型道路冰雪清除设备。 课题研究考虑到除雪机具制造及使用性能的稳定性，对楔刃振动机构、 推雪铲机构等关键部件进行了详细的设计：并设计了楔刃磨损快速更换功 能、路面保护功能和柔性避障等功能。从满足试验用样机研制的角度，设计 哈尔演理丁大学t 程硕l 。学位论文 并研制了除雪机械的动力和传动系统。 最后，对试制样机进行了除雪性能试验，通过试验数据的分析，验证了 设计方案的正确性、结构的合理性以及性能的稳定性，并分析、探讨了除雪 机械的发展和存在的不足。 关键词除雪机械；振动破碎；楔刃；组合推铲 竺尘堡矍三奎兰三至至! ；尘竺丝圣 r e s e a r c ho f w e d g e b l a d eo s c i l l a t o r yt y p e i c ea n ds n o wc l e a rm e c h a n i z a t i o n a n ds n o w - r e m o v a lm a c h i n eo nr o a d a b s t r a c t 1 1 1 ei c e - s n o wo nt h eh i g h w a ya n dc i t yr o a d h a s n e g a t i v ee f f e c t o nt h e t r a n s p o r t a t i o na n dt h ed a i l yl i f ei nn o r t hw i n t e r c o n s i d e r i n gt h el o n g e rw i n t e r p e r i o da n ds n o w f a l lp e r i o di nn o r t hc h i n a ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt oc l e a ru pt h e s n o wo v e ra n di c e s n o wm i x t u r eo nt h er o a dc l e a n l y , e f f e c t i v e l ya n dq u i c k l y a f t e rs u m m i n gu pa n da n a l y z i n gt h ep a s ti c e - s n o wc l e a r i n gt e c h n o l o g ya n d p r i n c i p l e ，t h i st h e s i sm a i n l yh a sr e s e a r c h e dt h ei c e - s n o wc l e a r i n gt e c h n o l o g yo n t h eh a r dr o a d ，a n dh a sm a d ea l le x p e r i m e n to nt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c eo ft h ei c e s n o wm i x t u r e a n dm o r e o v e r , t h em a i nr e s e a r c ho b j e c t i v e h a sb e e na c c o m p l i s h e d ，w h i c hi st op u s ha n ds p a d ef l o a ts n o wa n dt oo s c i l l a t e a n db r e a ku pc l e a r i n gt h eh a r di c e s n o wm i x t u r e f i n a l l y , t h ed e s i g na n dr e s e a r c h o b j e c t i v eo ft h es n o w r e m o v a lm a c h i n eh a sb e e np r e s e n t e d ，w h i c hi se c o n o m i c ， p r a c t i c a l ，h i g he f f i c i e n ta n ds m a l ld a m a g et or o a ds u r f a c e ，a n dt h a tt h et r i a l m a n u f a c t u r ep r o t o t y p em a c h i n eh a sb e e nd e v e l o p e d t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es n o w - r e m o v a lm a c h i n eb a s e do nt h e w e d g eb l a d eo s c i l l a t o r yi sf o l l o w e d ：o s c i l l a t o r yw e d g eb l a d es p a d e si sa p p l i e dt o p u s hs n o wc o n t i n u o u s l y ；i no r d e rt oa d a p tt h ed i f f e r e n tr o a ds u r f a c e ，i ti st o g e t h e r f o rs e p a r a t es t r u c t u r ea n df l e x i b l ec o n n e c t i o nt oi m p r o v ec l e a r i n ge f f i c i e n t l y ；i n o r d e rt or e d u c et h es t r u c t u r ec o m p l e x i t ya n dp r o d u c t i o nc o s t ，t h es n o w - r e m o v a l m a c h i n ec a nb es u s p e n d e df r o mt h ee n g i n e e r i n gm a c h i n eo rl o c o m o t i v e t h eb i o s i m u l a t i o n ( h u m a n l i k es n o w - r e m o v a l ) s n o w r e m o v a lt e c h n o l o g yi sa p p l i e df o r t h es t r u c t u r eo fo s c i l l a t o r ys n o w r e m o v a ls p a d ea n di t sa n g l e ，a n dt h a tt h ew e d g e s n o w - r e m o v a lb l a d eh a sa na n g l ew i t ht h er o a ds u r f a c et oe n h a n c eo s c i l l a t i o n e f f i c i e n c yo fc o m p a c t i n gt h ei c e s n o w d u r i n gt h er e s e a r c hp e r i o d ，w eh a v em a d eat e s to nt h ep h y s i c a la n d m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h ei c e s n o wc o v e r , a n dt h et e s th a sm a d es u r et h e i i i 堕尘兰星三奎兰三堡至! ：芏堡篁圣 m a i np a r a m e t e r sa tt h es a m et i m e ，s u c ha ss p a d ef o r c e ，b l a d et o o ls h a p e ，s p a d i n g a n g l eo ft h es n o w r e m o r a lm a c h i n ef o rt h eo b j e c t i v eo ft h eb e s th a r di c e s n o w b r e a k i n ge f f e c t a c c o r d i n gt ot h er e s u l t ，w eh a v ea n a l y z e da n dm a d ec e r t a i nt h e c a l c u l a t i n gm e t h o do ft h es n o w - r e m o v a lp r o c e s sr e s i s t a n c e b yc o m p a n n ga n da n a l y z i n g ，t h es n o w - r e m o v a lm a c h i n ep r e s e n t e db yt h i s t h e s i si st h eo n ew i t ht h ef a s t e s ts n o w - r e m o v a ls p e e d ，s i m p l es t r u c t u r ea n dh i g h e f f i c i e n c yi na l lo ft h ef l o a ts n o w r e m o v a lm a c h i n e so nr o a d ，b u ti tc a n tc l e a ru p t h ec o m p a c t e di c e s n o wa n di c e - s n o wm i x t u r eo nr o a d ；h o w e v e r , t h e r ew e r e s e v e r a lp r o b l e m sf o rt h ee x i s ts n o w r e m o v a lm a c h i n e sw h i c hc a nc l e a ru pt h e c o m p a c t e di c e s n o wa n dm i x t u r e ，s u c h a ss l o w s p e e da n dl o we f f i c i e n c y c o n s e q u e n t l y , i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to fa l lk i n d so fs n o w - r e m o v a l m a c h i n e s0 nr o a d ，t h eg u i d e l i n ef o rt h i sr e s e a r c hs u b j e c tt od e s i g nt h ew e d g e b l a d eo s c i l l a t i o ns n o w - r e m o v a lm a c h i n ew a so nt h eb a s i so ft h ep u s h i n ga n d s p a d ef o r m c o n s i d e r i n gt h es t a b i l i t yo fm a n u f a c t u r i n ga n du s i n gp e r f o r m a n c ef o rs n o w r e m o v a lm a c h i n e ，ad e t a i l e dd e s i g ni sp r e s e n t e df o rt h ek e yc o m p o n e n t ，s u c ha s w e d g eb l a d eo s c i l l a t i o nm e c h a n i s ma n dp u s hs p a d em e c h a n i s m ；a n dt h a tt h e f u n c t i o n sa r ed e s i g n e ds u c ha sf a s tr e p l a c e m e n tf o rt h ew e a r - o u tw e d g eb l a d e ，t h e r o a ds u r f a c ep r o t e c t i n ga n df l e x i b l yd o d g i n gt h eo b s t r u c t i o n t om e e tt h e d e v e l o p i n g o fp r o t o t y p em a c h i n e ，t h ep o w e ra n dt r a n s m i s s i o ns y s t e ma r e d e s i g n e da n dd e v e l o p e d i nt h ee n d ，as n o w r e m o v a lp e r f o r m a n c et e s ti sm a d et ot h e t r i a l - m a n u f a c t u r e p r o t o t y p em a c h i n e b ya n a l y z i n gt h et e s td a t a ，t h ea c c u r a c yo ft h ep r o j e c t ，t h e r a t i o n a l i t yo ft h es t r u c t u r ea n dt h es t a b i l i t yo ft h ep e r f o r m a n c e a r ee n t i r e l y v e r i f i e d ，a n dt h e nt h ed e v e l o p m e n ta n dd e f i c i e n c yo ft h es n o w - r e m o v a lm a c h i n e i sd i s c u s s e d k e y w o r d s s n o w - r e m o v a lm a c h i n e ；o s c i l l a t o r yb r e a k ；w e d g eb l a d e ； c o m b i n e dp u s hs p a d e 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文楔刃振动式道路冰雪清除 机理和除雪机械研究是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分 外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本 人承担。 作者擗白烧 日期：? 。7 年j 月加 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 楔刃振动式道路冰雪清除机理和除雪机械研究系本人在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成 果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。 本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈 尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文 的全部或部分内容。 本学位论论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：象哎乏， ， 剔磁辄研蹭 甘，日 艿西 月 月 ，一、f 年 年 h 1 期 期 日 日 芝玺鎏矍三查兰三至至：；尘堡垒三 第1 章绪论 1 1课题研究的目的、意义及背景 城市道路的积雪根据其密度、硬度、湿度等不同，表现出的性质差异非 常大i ”。一般分为三种形式，即自然积雪、压实积雪和融冻冰雪。为保障北 方公路和城市道路冬季畅通，针对不同雪质，加强经济、实用、高效、安 全、功能强的寒地新型道路冰雪清除机械设备的研制是本课题研究的目的和 重点。 随着我国城市道路与公路建设的高速发展，城市道路越建越长、越建越 宽，高等级公路建设的里程也快速延伸。这对北方季冻区域来说，意味着需 要及时清除冰雪的道路与公路面积越来越大。交通畅通形势越来越严峻。传 统的人工清雪、洒盐融雪等形式，由于效率、环保及体制等方面原因，已很 难适应现代交通的发展。因此，开展本课题研究，对于保障北方公路和城市 道路冬季畅通，提高公路和城市道路使用效率，保障人民群众冬季日常生活 顺利出行，推动寒冷地区国民经济发展，具有重要的现实意义和深远的历史 意义。其社会效益十分明显。 目前，城市道路与公路冰雪清除技术的发展，尚不能适应现代交通高速 发展的需求。对道路、公路冰雪湾赊的研究经历了人工除雪、机械除雪和控 制路面积雪形成等几个阶段，目前，国内外清除冰雪所采用的方法主要有机 械除冰雪、高压气流吹积雪、化学融雪、物理除雪和人工除冰雪等几种方 法，很明显，机械式除冰雪仍然是国内外除雪技术研究和发展的主要方向。 但目前国内外市场上现有的除雪机械产品一般都存在除冰雪功能单一，效率 不高，单机价格昂贵等特点。为此，开发研制一种经济型、功能强、适应面 广的除雪机械是当前急于解决的问题。基于此，我们成立了道路冰雪清除机 械研究课题组，并向哈尔滨市科学技术局申请了除雪机具研究课题，被批准 为哈尔滨市学科后备带头入基金项目，项目的名称是一组合式高效经济型道 路冰雪清除柔性机具研制；编号- - 0 1 7 1 2 1 8 0 3 1 。依据此项目，本课题研究的 主要内容为楔刃振动式道路冰雪清除机理和除雪机械研制。 堕堡重量二奎兰三耋至! ：尘堡兰三 1 2 课题研究的国内外现状与发展趋势 1 2 1国内外道路冰雪清除方式和发展状况 道路、公路积雪依据所处地理位置、降雪量、气温、车路比例等情况不 同的三种形式( 自然积雪、压实积雪和融冻冰雪) 积雪密度明显不同，自然 积雪、压实积雪的密度一般在0 2 5 0 6 9 c m3 之间，融冻冰雪的密度接近 于0 9 l g c m 3 。路面积雪( 冰雪) 密度越大，硬度越高，与路面的结合 力越强，清除时消耗的能量就越大。在国外，城市人口密度、车路比例都比 较小，清除及时，基本不存在压实积雪。因此，以研究清除浮雪为主。我国 北方沈阳以南地区，冬季降雪含水量大，路面积雪经车轮碾压后呈粘团状， 易破碎，清除阻力小，采用清除浮雪的设备亦可解决问题。如采用铲式除雪 设备、推土机等可很快恢复道路的畅通。而北方广大地区多属大陆性气候， 冬季干旱，温度低，特别是城市街道易形成压实冰雪。对道路、公路冰雪清 除的研究经历了人工除雪、机械除雪和控制路面积雪形成等几个阶段。目 前，国内外清除冰雪所采用的方法主要有：机械除雪、高压气流吹积雪、化 学融雪、物珲除雪、综合式除雪和人工除冰雪等几种形式肛j i 。 1 物理除雪物理除雪主要有洒水融雪方式和地热融雪方式两种。洒水 融雪靠水的热量融化路面积雪，并被及时冲走的方式清除路面冰雪。但在我 国北方的大部分地区，冬季的温度都在一2 0 0 c 左右。利用洒水融雪的方法来 达到清除冰雪的目的根本不适合。地热融雪主要是指利用在地下设置热源来 融化积雪，适用于陡坡路段，目前，本市新建文昌桥的坡路已采用此技术。 其特点是耗能大、成本高，不适合大范围使用。 2 化学除雪化学除雪主要是通过在积雪路面撒盐和撤融雪剂来达到清 除积雪的一种方法。其原理是降低雪的熔点，使路面积雪便于清除。该法适 用于城市道路车流量大但不能及时清除积雪的情况。但这种方法对道路环 境、江河水域和行驶车辆等会造成污染和腐蚀，一般被限制使用。 3 气压流吹积雪气压流吹积雪包括高压气流吹积雪和公路自然风吹积 雪。高压气流吹积雪适用广场、机场等地面浮雪的清除。公路自然风吹雪是 利用公路两侧自然环境和在公路两侧设置的导流板，在路面上方形成自然气 流，将落雪和地面积雪带离路面，是一种控制路面积雪形成的新技术。但这 种方法的适用范围有限，一般只能清除浮雪，技术尚在试验研究阶段，不能 广泛使用。 哈尔滨理t 大学t 程硕 ：学位论文 4 综合式除雪综合式除雪是将推雪、清雪及吹雪等多种除雪方式混合 在一起的一种除雪作业方式，在国外常用于机场跑道的除雪作业。主要生产 厂家有瑞士的b o s c h u n g 公司和美国的s & s 公司。综合式除雪机的功能齐 全，可完成推雪、扫雪、吹雪、收雪和喷撒融雪溶液等作业。但其系统复 杂，不利于维护，且价格昂贵。 5 人工除雪人工除雪就是靠人力资源的方法来清除冰雪，常采用各种 手工工具，如：各种新型的齿型铲、除雪锹等。具有机动、灵活等特点，但 效率低、安全性差，车辆通行高峰期会堵塞交通。 6 机械式除雪机械式除雪是利用机械装置将路面的积雪或冰雪与路面 分离并移送出路面的一种除雪方法。该除雪技术已有数十年的发展历史。有 专用的除雪机或与汽车、拖拉机配套的除雪机具，己形成适应各种情况的系 列产品。这些机械产品在当今的积雪清除过程中发挥着重要的作用，就目前 发展而言，国内外的除雪装备主要还是以机械除雪方式为主，研制机械式除 雪产品仍然是除雪技术发展的主要方向。 1 2 2国内外机械式除雪机具的主要类型和特点 目前，国内外常见的机械式除雪机类型主要有【4 1 1 5 】1 6 】1 7 i s 】：犁式、旋切 式、冲击旋切式、铲刮式、铲剁冲击式和刷扫式等类型。 1 犁式除雪机犁式除雪机根据犁刀的不同可分为有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交化。主要产品有俄罗斯k o 一8 1 2 - 6 型犁式 除雪机，该除雪机既可以用于街道、人行道，也可用于公路和建筑工地的除 雪，因其价格低廉，效率高，工作可靠而被广泛使用，但该机械适用的范围 主要为未被压实的积雪和密度小的新降浮雪。 2 旋切及冲击旋切式除雪机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，如图卜l 所示。该机构由机动 车辆牵引行进，由驱动装置驱动滚轮旋转，滚轮上的斜齿或直齿相对压实积 雪或融冻冰雪进行碾压铣刨，使路面硬质冰雪破碎，以达到清除冰雪的目 的。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。适用的范围主要有 压实积雪、薄冰压实积雪等形式。但这种除雪机械铲刃磨损较快，对路面也 有一定的破坏作用。 3 铲刮式除雪机铲刮式除雪机是利用刮铲的作用将冰雪清除的一种机 哈尔演理t 大学t 程硕 ：学位论文 械式除雪设备，如图卜2 所示。该机构以大功率机动车辆为驱动源，安装在 车体前部，可铲刮较厚的路面积雪或压实积雪，能实现一定厚度硬路面的压 a ) 斜齿式：b ) 直齿式；c ) 摆动锤片式 卜摆锤；2 一滚轮；3 一旋切铲刃：4 - 支座 图1 1 滚动旋切式冰雪清除机构 f i g 1 - i r o t o rc u t t i n gt y p ei c ea n ds n o wr e m o v i n gm a c h i n e 实冰雪的破碎，除雪能力较强，除净率较高。但因该机构除雪铲为整体式， 当路面横向曲率较大或路面不平整时，除净率将受到影响。 4 铲剁式除雪机铲剁式除雪机是人工清除冰雪的机械模仿，工作原理 如图卜3 所示。该机构在前进的同时，铲头由驱动装置驱动偏心轮转动，铰 接在偏心轮上的铲杆带动铲头做上下往复运动，铲剁冰雪，完成对硬质冰雪 的破碎工作，适合对一定厚度的压实积雪或较薄硬质冰雪的破碎。破碎效率 较低。使用时需设置必要的路面保护装置。 卜道路基准面；2 一铰接机构：3 一积雪：3 一除冰雪铲 图1 2 铲刮式冰雪清除机构 f i g 1 2 s h o v e ls h a v i n gt y p ei c ea n ds n o wr e m o v i n gm a c h i n e 哈尔演理t 大学t 程硕f 学位论文 卜冰雪：2 一铲刃；3 一机体；4 一传动轮及传动带；5 一偏心轮 图1 3 铲剁式冰雪清除机构 f i g 1 3 s h o v e lc h o p p i n gt y p ei c ea n ds n o wr e m o v i n gm a c h i n e 5 刷扫式除雪机刷扫式除雪机类似于路面清扫车，如图卜4 所示。清 扫刷由动力传动机构驱动旋转，随牵引车行进。破碎后的路面冰雪可通过排 雪装置清除到路边或运输车上。该机构适于清除路面一定厚度的自然积雪、 较薄压实积雪或融冻的路面薄冰积雪，因清扫刷是柔性的，所以清除积雪厚 度及硬度受到限制。 1 2 3 机械式除冰雪技术国内外的差异 国外对除雪机械的研究开始的较早，除雪机械的发展已具有较高的水 平，其产品基本能够满足除雪的需求。相比国外而言，国内机械式除雪机具 的研究起步较晚，真正的研制和开发是在2 0 世纪8 0 年代以后，研制单位主 要集中在中国的三北地区，先后有十几种相关产品被开发研制出来，在除雪 作业中发挥了一定的作用，但和国外的除雪技术相比还存在很大的差距，无 法满足我国公路高速发展的需求1 0 】【1 lj 【1 2 【j 3 】，主要原因如下： 卜传动机构；2 一清扫刷装置：3 - 冰雪 图1 - 4 刷扫式冰雪清除机构 f i g 1 - 4 b r u s hs w e e p i n gt y p ei c ea n ds n o wr e m o v i n gm a c h i n e 哈尔演理t 大学t 程硕 学位论文 1 除雪作业速度低国外犁式除雪机最大除雪速度5 0 k m h ，旋切式除 雪机最大速度7 0 k m h 。9 0 年代初期，吉林省交通科学研究所研制的c b x - 1 6 0 0 型除雪机，集离心冲击破碎、圆周力旋切和弹簧储能冲击破碎三种切 削功能于一体，方法先进，是国内技术水平较高的除雪机械，但其最大除雪 速度仅为2 1 5 k m h ，与国外同级别的除雪机械相比，除雪作业速度要低很 多，很难将道路冰雪及时清除。 2 机械设备功能单一国内除雪机械的产品功能比较单一，以至于一台 机器在一年中闲置的时间很长，利用率低，大大提高了除雪作业的成本，增 加了公路养护部门的负担。而国外的相关产品在冬季用于除雪，其它季节可 做它用。 3 技术水平低除雪机械在结构设计、制造工艺、零部件供应和使用管 理等方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。 4 品种类型不全与国外相比，现在有不少种类除雪机械在我国还是 片空白，现有的除雪机械，无法满足高速公路和机场的作业要求。 因此，加强除雪设备的研发力度，提高研发水平，尽快缩短我国与国外 发达国家的差距，力求在经济、实用、多功能除雪机具的研发方向上寻求突 破，具有必要性。 1 3 课题研究的主要内容 课题通过对道路冰雪物理机械性能的试验分析，研究提高楔刃振动式道 路冰雪清除效率的机理，并为整体冰雪清除机械的设计研究奠定基础，研制 出试验用样机。 1 以振动冲击清除压实冰雪为指导思想，通过对道路冰雪冲击性能的测 试与分析，研究道路冰雪震动脆裂破碎的机理，为设计研究出低功耗，高效 率，经济性好的楔刃振动仿生除雪机构奠定基础。 2 在积雪物理机械性能研究基础上，总结积雪变化一般规律，并通过试 验确定除雪机具设计所必需的铲雪力、刀具形状、刀具入雪角度、悬挂行走 机械的驱动功率等技术参数。 3 以振动楔刃铲与推雪铲板组合形式为设计核心，分析除雪过程工作阻 力，确定总体设计方案。 4 完成楔刃振动机构、楔刃分布、 力配置方式等的设计原则和具体设计。 推雪铲板悬挂和避让、驱动机构、动 并进行具体的结构设计。 哈尔滨理1 = 大学t 程硕 。学位论文 5 样机研制。 6 样机试验与测试数据分析，找出问题与不足，为工程实用楔刃振动式 道路冰雪清除机研制奠定基础。 哈尔演理t 大学t 程硕 学位论文 第2 章积雪与冰雪混合物的物理机械性能 从研究道路冰雪物理机械性能的角度，寻找解决本课题问题的途径和方 法，实现低能耗，高效益的道路冰雪清除，是本课题研究的基本指导思想。 积雪和道路冰雪的物理机械性能变化非常大。雪在空中形成时就会因气象条 件不同而具有不同的结晶形式和物理特性：落到地面以后，其性质又随地面 环境温度及存留时间等因素的不同而不断变化：路面积雪形成后由于车辆行 驶、人为踩踏、阳光照射及水分介入等因素作用还将发生复杂的变化【l4 1 ， 形成道路冰雪混合物。 了解积雪的形成特性及其物理机械性能，对于选择合理有效的除雪方法 和装置、计算除雪作业工作阻力和功率等相关问题都是非常重要的i l 。 2 1积雪和冰雪混合物的分类 本课题以日本冰雪协会雪质分类委员会制定的积雪和道路冰雪试行分类 方法为依据，对我国北方地区积雪和道路积雪进行分类，如表2 一l 所 示。 2 2 积雪和冰雪混合物的物理性能 积雪和道路冰雪的物理性能，是通过密度、湿度等参数来反映的【1 6 】【1 7 l 【1 引， 因此，掌握此类参数对于除雪机理分析以及除雪机设计是十分必要的。 2 2 1积雪和冰雪混合物的密度 积雪和道路冰雪的密度是指单位体积内积雪的质量，是决定除雪机具设 计和使用方法的重要依据。因雪是水的固态形式，所以雪的密度值等于积雪 在融化后雪水的质量与其融化前积雪体积的比值。雪的密度因其降落条件、 沉积条件和测量方法等因素的差异有很大不同，日本学者一般认为在7 0 7 0 0 k g m 3 之间变化，而前苏联学者则认为是在l o 8 0 0 k g m 3 之间变化。因 我国降雪条件与前苏联远东地区较为接近，所以关于雪质较多地选用了前苏 联的研究资料。 前苏联学者经过对不同条件下的积雪密度进行综合测量和分析，得出了 以下结论： 1 雪密度随其沉积时间的增大而增大，平均每个月要增加1 0 2 0 。 2 雪密度随其沉积深度的增加而增大。对沉积两个月的山坡积雪测量， 2 0 c m 深处的积雪密度为3 0 0 3 2 0 k g m 3 ，1 0 0 2 0 0 c m 深处的积雪密度则为 6 0 0 6 4 0 k g m 3 。 表2 一l 积雪和道路冰雪的分类 t a b l e2 1s o r to f s n o wa n ds n o w0 1 1r o a d 密度 名称状态特征雪粒状态( k g m 3 抗压强度 ) ( m p a ) 结晶 新雪刚下的雪 1 0 0 左右无 状 车辆带起的由新雪雪 雪粒直径为0 0 5 2 7 0 4 l o无 粒雪粉状片分裂而成的小颗粒 0 3 m 互相没有连接 雪粉积存物 不能b 扬起来，经过 粒雪粒状冷热变化，机械搅拌 雪粒直径为0 3 m m 以 2 8 0 5 0 0无 上互不连接的圆粒 或化学处理的积雪 雪粒直径为0 0 5 1 9 6 压雪 扳状 被碾压过得积雪0 3 m m 相互连接的圆 4 5 0 7 5 0 1 6 7 粒 雪粒直径为0 0 5 压雪渗进水以后又冻2 m m 的多结晶冰，含 8 8 3 冰雪 板状 7 5 0 以上 结，厚度在l m m 以下有粒径0 1 0 5 u 2 9 4 的气泡 薄膜 冻结的水膜附在地面 雪粒直径为0 i 冰膜或积雪上，厚度在 0 4 m m 的多结晶冰， 状含有粒径0 0 1 i m m 以下 0 ，l m m 的气泡 冰水 由新雪、粉雪、粒雪 直径在l 以上呈圆 混合液状 及板结雪溶解物组 形的小粒，含水率在 8 0 0 9 0 0无 成，含水多的液体， 物 3 0 5 0 过车时将e 溅 2 - 6 。 3 新降雪的密度随结构及气象条件的不同而变化，测量结果见表2 4 。 4 新降雪密度与当时气温的关系见表2 5 。 此外，根据长期实践总结，还可利用经验法大致判定积雪密度，见表 哈尔滨理_ t 大学t 程硕 ：学位论文 2 2 2 积雪和冰雪混合物的湿度 积雪的湿度对于雪的工程性质影响很大。雪层中的水包括雪晶表面的薄 膜水和重力水等。雪层保持薄膜水的限度称为雪层的最大持水能力，它和雪 的密度、雪晶的形状及其在雪层中的排列状况有关，一般不超过雪层重量的 5 0 。重力水在雪层中变化很大，最大时可以充满雪层的全部空隙，春天融 雪阶段即为此种状况。各类积雪的晟大持水能力见表2 2 。 表2 2 各类积雪的最大持水能力 t a b l e2 - 2m o s ta b i l i t yo fh o l d i n gw a t e ro fa l lk i n d so fs n o w 雪的状态晟人持水能力( k g m 3 ) 新下的雪( 无风)5 5 0 5 0 0 新下的雪( 有风) 5 5 0 3 2 0 一 未密实的雪 3 z 1 0 密实的雪 2 4 0 1 4 0 冰雪混合 2 0 0 1 2 0 冰 1 0 0 5 0 通常把雪的含水状况分为四个等级。干雪，完全无水，不能聚集成块； 潮雪，雪层中分离不出水，但却可以成块；湿雪，雪层中可明显看出有液态 水的存在：水湿雪，稍微用力即可挤压出水。各种湿度的雪中，水湿雪最不 稳定，其他三种雪在原理上依靠吹扫即可清除。 2 3 积雪和冰雪混合物的机械力学性能 积雪和冰雪混合物的机械力学性能参数，包括抗压强度、硬度、摩擦系 数等i 6 】1 1 7 】1 1 引，此类参数是除雪机理分析和除雪机设计的关键参数。 2 3 1积雪和冰雪混合物的抗压强度 雪的抗压强度是指积雪抵抗其他物体进入的能力，用刚体进入积雪时单 位面积上所受到的阻力表示。雪的抗压强度是除雪机具设计的又一重要参 数。 由参考文献可知，积雪的抗压强度随密度变化而变化。当雪的密度p 4 0 0 k g m 3 时，雪的抗压强度很小，当雪的密度p 4 0 0 k g m 3 时，雪的抗压强 度将随积雪密度的增加而急剧增加，统计数据参见表2 - 7 。 哈尔演理t 大学t 程硕1 。学位论文 表2 - 3 雪的抗压强度与状态及密度的变化关系 t a b l e2 - 3r e l a t i o nb e t w e e nc o m p r e s s i o ns t r e n 昏ho f s n o wa n dc h a n g eo f d e n s i t ya n ds t a t e 雪的类型雪的密度( k g m 3 ) 一1 2 0 时抗压强度( k p a ) 松散雪 2 5 0 4 9 轻板结雪 2 6 0 3 5 05 9 9 8 密集雪 3 6 0 5 0 0 2 l o 1 9 6 0 强密集雪 5 1 0 6 0 03 7 0 2 9 4 0 此外，积雪的抗压强度还随温度的降低而提高，并且积雪的密度越大， 环境温度降低使积雪抗压强度增加的越快，关系曲线如图2 - 1 所示( 图中实 线为搅和雪、虚线为未搅和雪) 。 g 中 u 毯 簸 豳 嚣 e 毛7 不 多占夕。 ，夕 一 c c ) 图2 1 积雪抗压强度和温度、密度的关系 积雪密度：a - 2 0 0 k g m 3 ；b - 3 0 0 k g m 3 ；c - 4 0 0 k g m ：d - 5 0 0 k g m 3 ：e - 6 0 0 k g m 3 f i g 2 l r e l a t i o nb e t w e e nc o m p r e s s i o ns t r e n g t ho f s n o wa n dc h a n g eo f d e n s i t ya n d t e m p e r a t u r e 2 3 2 积雪和冰雪混合物的硬度 积雪的硬度是积雪物理机械性能的主要指标之一。密度很低的新雪硬度 很小，而经过压实的积雪，硬度就会很高，人走在上面也不会留下较明显的 痕迹。一般来说：新雪为片状，密度在l o o k g m 3 左右，没有硬度；而压实 堕玺鎏堡三奎：王至至! ：耋堡兰三 的硬雪，密度在4 5 0 7 5 0 k g m 3 ，硬度值最高可达2 0 1 7 0 k p a 。 表2 4 新降雪密度与结构及气象条件的关系 t a b l e2 - 4r e l a t i o nb e t w e e nd e n s i t yo f n e ws n o w f a l la n dc o n d i t i o n o fs t r u c t u r ea n dw e a t h e r 雪的形式 密度( k g m 3 ) 非常松散雪 2 0 5 0 松散雪 6 0 1 0 0 弱风及中等风时的降雪 4 0 1 3 0 暴风雪中的降雪 1 2 0 1 8 0 强风中的降雪 1 5 0 2 3 0 压实湿雪 1 3 0 雨夹雪 1 6 0 2 7 0 表2 5 新降雪密度与气温的关系 t a b l e2 - 5r e l m i o nb e t w e e nd e n s i t yo fn e ws n o w f a l la n da i rt e m p e r a t u r e 新降雪密度( k g m 1 ) 降雪气温( ) 最小值最人值平均值 一1 0 以下 1 2 2 3 37 5 1 0 一5 1 1 12 9 58 7 5 1 一2 1 3 52 5 81 0 4 2 1 一0 14 34 5 51 2 8 0 + 2 06 95 2 91 8 3 + 2 0 以上 1 5 85 8 81 9 6 表2 - 6 辅助方法判断雪的密度 t a b l e2 - 6 u s a g ea s s i s t a n c em e t h o d sj u d g ed e n s i t yo fs n o w 雪中通过物体雪的类型密度( k g m 3 ) 戴手套的拳头 非常松散雪 l o 1 0 0 手指伸直的手掌 松散雪 1 1 0 2 5 0 一个手指中等硬度雪 2 6 0 3 5 0 削尖的铅笔 硬雪 3 6 0 5 0 0 刀刃非常硬雪 5 0 0 以上 测量雪的硬度时，一般常用冲力硬度计。根据硬度计上端金属砝码的重 量和高度下降值以及硬度计打入雪层的深度，可计算出雪层的硬度。雪的硬 竺尘! 圣矍三奎：至墼! ：兰竺篁三 度一般分为四级：松散雪，使用除拇指外的四指不费力就可以插入雪层；稍 硬雪，个指头可以插入；坚雪。用树枝等硬物可插入：坚实雪，与冰的性 能相似，刀具可插入。雪的硬度由其密度和状态决定，各种状态积雪的硬度 数值见表2 7 。 表2 7 积雪的硬度 t a b l e2 - 7 r i g i d i t yo fs n o w 一l 一2 0 ( 2 时雪的硬度 雪的状态 雪的密度( k g m 3 ) ( k p a ) 松软的小于2 5 0小于5 0 弱密实的 2 6 0 3 5 06 0 1 0 0 密实的 3 6 0 5 0 02 1 0 2 0 0 0 很密实的 5 1 0 6 0 03 8 0 3 0 0 0 2 3 3 积雪和冰雪混合物的摩擦系数 在选择和使用除雪装置以及除雪装置设计中工作阻力、牵引力计算时， 必需考虑与雪有关的摩擦系数。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2 8 2 9 。路面积雪后，大大降低了路 面的使用性能。在对冬季道路运行机械进行牵引计算时，必须了解机械沿各 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 系数枣见表2 一l o ：因运行机械