扫雪机的设计

PAGE目录摘要…………………1关键词………………11引言………………21.1研究的目的和意义………31.2国内外研究现状…………32总体方案设计……………………42.1设计任务与要求…………42.2系统工作原理……………42.3主要技术参数……………53具体方案设计及加工……………53.1动力参数…………………53.2链与链轮…………………53.2.1确定链条节数……………………63.2.2确定节距…………63.2.3确定中心距………63.2.4验算链速…………63.2.5压轴力……………64传动轴的设计与校核……………74.1轴的设计计算……………74.2确定各轴的直径和长度…………………74.3轴的校核…………………85涡轮与蜗杆………………………85.1按接触强度计算…………85.1.1确定蜗杆头数、蜗杆齿数………85.1.2确定涡轮转矩……………………95.1.3确定条件…………95.1.4初定中心距、模数、倒程角……95.1.5计算传动效率……………………95.2验算齿面接触强度………95.3计算传动的主要尺寸……………………105.4弯曲强度验算……………106搅龙轴设计与校核………………116.1轴的设计计算……………116.2确定各轴段的直径和长度………………126.3轴的校核…………………127键的选择与校核…………………148螺旋叶片的设计…………………149结论……………159.1设计完成情况……………159.2结论………………………16参考文献……………16致谢…………………17扫雪机的设计摘要：本文在分析了目前国内外的主要除雪方法的基础上，提出一种适合中国国情的小型机械旋转式扫雪机的设计方案。本设计由汽油机提供动力。经输出轴输出动力，通过链传动传递动力，带动其他工作。该扫雪机的工程是利用搅龙旋转将雪集中并向后推送，通过搅龙的向后推力及螺旋桨产生的吸力使其到达螺旋桨。由于螺旋桨高速旋转产生巨大的作用力，雪被高速推向弯管，再通过与弯管壁撞击折射出去。从而达到清除积雪的目的和最佳效果。关键词：扫雪机；搅龙；传动轴TheDesignofTheSnow-blowerAbstract:Afteranalyzingthevariousmeansofsnow-clearingsintheworldatpresent,theprojectofasortofsnow-blowerfitforChinaisputforwardinthispaper.Basedonthetheorystudyandappliedstructuraldesign.Thisdesignisprovidedpowerbythepetrolmachine.Itisoutputtedpowerbyoutputaxis,anddeliveringpowerthoughachaintransmission,andarousingotherworkpieceoperations.Shouldinadditiontotheoperateprocessofminisnowbloweristakeadvantageofstirrevolutiondragontoconcentratesnowandpushitbackward,passstiradragonbckewardthevacuumforceofthrustandaerofoilgeneratemakeitarriveaerofoil.Becauseofaerofoilwiththetopspeedrevolutiongenerateenormousactionforce,andsnowwithtopspeedispushedtotheconduitbend,thencollidewithconduitbendwallandprojectouttheconduitbendafterrefracting,thushitthepurposeKeywords:Snow-blower;auger；transmissionshaft1引言中国有句古话叫做“瑞雪兆丰年”，冬季一场大雪能带来明年的好收成。但是积雪给城市交通带来巨大的麻烦，尤其是在我国的东北，内蒙古和新疆一带冬季道路积雪给车辆和行人带来极大不便，甚至造成车祸，严重地影响了人们正常的生产和生活秩序，这已成为北方各个城市急需解决的问题。目前我国清雪方法比较原始，主要是依靠人力，用铁锹和扫把清理积雪，这种方式不但浪费了较大的人力和物力，而且清雪的效率低，往往不能及时清除积雪，而积雪被车辆压实后更加难以清除。因此，寻找一种既有较高效率，成本又比较低的清雪方法就成为当务之急。目前，各国普遍采用的除雪方法是机械除雪法和融雪法两种基本方法。机械除雪法是通过机械对冰雪的直接作用而解除冰雪危害的一种方法。积雪按状态可分成三种类型：(1)松散雪，即降雪不久且未经人员和车辆碾压的雪，质地松散；，体积大，流动性好；(2)压实雪，即降雪后经人踩和车压而形成的冰雪混合物，有不同程度的硬层，不易清除；(3)冰层，是积雪因阳光暴晒或车辆碾压融化成水后又冻结成冰，冰层中除水分外还有大量尘土和泥沙，质地坚硬，和地面粘接牢固。所以除雪机械包括除雪机和除冰机两种。根据工作原理的不同，除雪机可分为推移式、抛雪式和吹雪式三种。推移式除雪机是将推雪铲刀，除雪犁等装置安装在推土机或其它车辆上，将雪推走，开出通道，然后用卡车将积雪运走。这种方法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。抛雪式除雪机配有抛雪泵，将收集到的积雪抛到路边或送入运输车辆。其中以螺旋式最为常见。吹雪式除雪机一般配备航空发动机，产生强大的高压空气流由喷口吹除地面积雪。吹雪式除雪机运行速度较高，有很高的生产率，但它只适用于新鲜雪，只能在机场、桥梁和高速路上应用，成本很高，不适合开发小型产品。由以上两种主要除雪方法的对比与分析，我们得出结论，除雪应以机械除雪为主1.1研究的目的和意义我国的东北、华北和内蒙东北部的部分地区，冬季的积雪和积冰常常造成严重的交通障碍，在有些路段如坡道、转弯、交叉路口、机场跑道等，路面有积雪和积冰则影响更为严重，常常引发交通事故冬季降雪覆盖在路面上给人们的出行带来诸多不便。传统的人工除雪方式劳动强度大，工作效率低。北方城市往往采用专业的大型除雪机除雪，但是由于其购置及使用成本高、工作幅宽大，往往只适用于城市马路的清扫。而在中部及南方部分城市，由于一年中降雪的天数不多，往往不会配置除雪设备。本设计的目的在于设计一种小型低成本的除雪设备，可以广泛用于各种小面积的除雪需求环境。1.2国内外研究现状利用机械清雪是把人从繁重的扫雪工作中解放出来的一种最好的途径，并大大提高了清雪效率和速度。因此，科学工作者一直在探索如何研制出安全、可靠和实用的清雪机械。在国外，最初的清雪机械是采用推土机或装载机，利用其推土板和装载斗将积雪集中在一起，这后来发展成犁式除雪机。早在1943年日本就开始把V型犁装在载重卡车上用于除雪，经过多年的发展，国外犁式除雪机已具有较高的技术水平。犁式除雪机出现以后，又出现了将用合成材料制成的指向圆周不同方向排列的棒装在滚筒上作为清雪专用器械，但只对没冻的积雪效果好，直到后来出现了连续快速的大型旋转式清雪机后，清理积雪的工作才变得简单。旋转式除雪机一般具有切削、集中、推移和抛投的功能，具有结构复杂、功能多的特点。俄罗斯和日本是生产旋转式除雪机的主要国家，技术成熟。其产品性能居世界领先水平。除雪机在国外已经发展了几十年，特别是在瑞典、芬兰等北欧国家已经相当成熟。根据我国国情，国内应加强雪的力学性质研究，建立道路气象系统，除雪机械应向小型化、高速度的方向发展，向多功能、机电液一体化的方向发展，同时注意提高安全性和舒适性。简言之，与其它类型的除雪机械相比，抛雪式除雪机一般具有对积雪的切削、集中、推移和抛投功能，其应用较广，是一种现代化、高效率的除雪机械。国内有关这方面的研究很少，据了解目前国内没有厂家在生产小型抛投式清雪机。所以对这种小型的清雪机的研究、设计和开发必然有很大的现实意义（1）。2总体设计方案2.1设计任务与要求冬季降雪覆盖在路面上给人们的出行带来诸多不便。传统的人工除雪方式劳动强度大，工作效率低。北方城市往往采用专业的大型除雪机除雪，但是由于其购置及使用成本高、工作幅宽大，往往只适用于城市马路的清扫。而在中部及南方部分城市，由于一年中降雪的天数不多，往往不会配置除雪设备。本设计的目的在于设计一种小型低成本的除雪设备，可以广泛用于各种小面积的除雪需求环境（2）。2.2系统工作原理工作时由原动机提供动力，经由链传动将动力传递到工作部分。积雪由集雪装置收集到一个腔体内，再由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；风机叶片利用气流将积雪吹出。这样在人力推动(手推式)下，清雪车不断前进，就能实现连续的清除积雪。机械式扫雪机结构示意图如下：原动机原动机传动装置车架行走装置抛雪装置集雪装置积雪图1扫雪机结构示意图Fig1Snowplowstructureschematicdrawing本设计通过利用搅龙旋转将雪集中向后推送，再利用离心式风机叶片高速旋转产生的作用力将雪高速推向弯管，再通过和弯管壁撞击折射扬出弯管，从而达到除雪目的。动力传递过程为：发动机→传动轴→涡轮蜗杆减速器→驱动轴→搅龙结构简图如下：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.抛雪轮图2扫雪机结构简图Fig2Totaldiagrammaticdrawing2.3主要技术参数设计的基本参考数见表1、表2表1技术参数Table1Rechnniqueparmeter型号铲雪宽（mm）铲雪高（mm）抛雪距离（m）驱动功（kw）1000200~2502~32表2技术参数Tabe2Rechnniqueparmeter自重（kg）清除率（%）搅龙直径（mm）100kg2~2.5953601200×1100×11003具体方案设计及加工3.1动力参数发动机型号：EM100发动机型式：单缸、风冷、四冲程缸的容积：163cm3排量：87最大输出：2.2kw/2500净重：27kg3.2链轮、链链轮和链条将发动机的动力输给传动轴以实现整个机构的运转。为了既能保证动力的平 稳传递，又能保证转速要求，链轮的设计和在整个机构中的作用也就显得尤为重要。暂选齿数为21，传动比1:1链轮，链条暂选型号06B。功率Pc=KAP=1.3×2=2.6kw(KA=1.3根据查表得)（3）(1)3.2.1定链条节数假定中心距a=35p,则链节数位(2)所以，Lp取91节3.2.2确定节距P单根链传递功率为P0（4）。按照转速估计，根据相应条件和公式得出；(3)(4)单排链条排数系数=1。则P0=2.4kw(5)根据链轮的转速和，查表选链号06B。得出节距p=9.525mm。3.2.3确定中心距a初定中心距，其最小中心距0.2Z18.4p,。(6)=233.38mm（取整数234）3.2.4验算链速链的平均速度：(7)=8.331m/sV小于12~15m/s,可用。3.2.5压轴力FQ有效圆周力为(8)取,则压轴力为(9)4传动轴的设计与校核传动轴是整个机构转动的重点，动力由汽油机输出后直接通过链轮将动力向传动轴，带动传动轴上的螺旋桨高速转动的同时还要连接涡轮蜗杆转动并将动力传给涡轮，以此实现方向的变化和动力的传输。轴的设计过程如下：轴的工作情况：无腐蚀条件轴的转速：n1=2500r/min轴的输入功率：P1=P转矩：T=Td(10)所设计的轴选用是实心轴，材料牌号：45正火，回火。硬度（HB）：230MPa，抗拉强度：600MPa（5）。4.1传动轴的设计计算按照扭矩初算轴径，轴选用45钢调质，硬度317-255HBS。根据机械设计基础P262（14-2）式，并查表14-3，取c=118输入轴11.256mm(11)4.2确定各轴段的直径和长度(根据设计要求)轴的总长为615mm，轴的段数位4，各段的直径及长度见表3。表3各轴段长度及直径Table3Eachshaftsegmentlengthanddiameter长度直径备注30mm20mm装配深沟球轴承191mm34mm轴肩76mm26mm装配链轮243mm20mm深沟球轴承235mm14mm连接螺旋桨轴段的载荷信息见表4：表4各轴段的载荷信息Table4Carriesabeneluxinformation直径距左端距离垂直面剪力垂直面弯矩水平面剪力水平面弯矩轴向扭矩20mm15mm-13.070Nmm0N0Nmm6494Nmm20mm418.5mm-46.89N0Nmm0N0Nmm6494Nmm轴所受支撑的信息如表所示：表5轴的支撑信息Table5Thebackinginfrmationofshaft直径距左端距离20mm15mm20mm418.5mm4.3轴的校核4.3.1垂直支反力计算距左端距离15mm，垂直支反力FA，距左端距离418.5mm，垂直支反力FBFQ=FA+FB,又因，则有解得，FB=183.8N，，(12)4.3.2截面C左侧弯矩(13)截面C右侧弯矩(14)5涡轮蜗杆由于动力在传递过程中其传递方向要发生改变，同时也需要将转速降低，所以在设计中使用了涡轮蜗杆减速器。所选类型是蜗杆作为动力输入端，安装位置处于涡轮上方（6）。选择材料：蜗杆用45钢，表面硬度45-50HCRC。涡轮材料采用ZCuSn10Pb1，金属型铸造（7）。5.1按接触强度计算5.1.1确定蜗杆头数、蜗杆齿数查表，(15)5.1.2确定涡轮转矩=9.55×106(16)5.1.3确定条件确定载荷系数=1.1（8），确定弹性系数ZE=155转速系数(17)寿命系数接触系数查图得接触疲劳极限由表得，接触强度安全系数5.1.4初定中心距、模数、倒程角(18)=29.95（a取35mm）M=（1.4~1.7），取m=1.6(19)5.1.5计算传动效率当量摩擦角,啮合效率，(20)传动效率（9）（取，因查时考虑轴承的摩擦损耗，，考虑蜗杆转速较高）5.2验算齿面接触强度=(21)(22)=30.3<35mm(原参数强度足够）5.3计算传动的主要尺寸中心距(23)蜗杆的分度园直径，蜗杆齿顶圆直径，(24)蜗杆齿根圆直径，(25)蜗杆轴向齿距，(26)蜗杆轮齿螺纹部分长度(27)涡轮分度圆直径，(28)涡轮齿顶圆直径，涡轮齿根圆直径，涡轮外圆直径，涡轮轮齿宽度=15.36mm（取为16mm）涡轮齿宽角5.4弯曲强度验算齿形系数查表得，，螺旋角系数极限弯曲应力查表得，许用弯曲应力（取SFmin=1.4）弯曲应力10)(29)(6搅龙轴设计与校核搅龙轴是整个系统运转的核心，通过连接涡轮和装有螺旋叶片的圆筒来实现其功能。轴的中间与涡轮相连接，依次往两边在通过轴承固定在箱体上，然后连接圆筒，是整个机构运转顺畅。搅龙轴的加工，先车一根长670mm材料，然后将左右两端车到，再根据设计要求车出所需要的大小、长度以及精度，最后铣出花键。整个加工过程不算是很复杂，但是需要反复的加工以及把握好精度的控制（11）。轴的设计过程如下：轴的工作情况：无腐蚀条件轴的转速n2=83.3轴输入功率转矩T=9.55=9.55=1.49 所设计的轴是实心轴，材料牌号为45正火、回火（12）。6.1轴的设计计算按扭矩初算轴径，轴选用45钢调质，硬度217-255HBS。根据机械设计基础(14-2)式，并查表14-3，取c=118输入轴(30)考虑有键槽，将直径增大5%，则所以选择d=17mm6.2确定各轴的直径和长度轴的总长为615mm，轴的段数为7，各段的直径及长度见表6表6各轴段长度及直径Table6Eachshaftsegmentlengthanddiameter长度直径备注30mm17mm装配轴承252.5mm19.2mm装配搅龙滚筒15mm20mm装配轴承10mm24mm轴肩252.5mm19.2mm装配搅龙轴承30mm17mm装配轴承6.3轴的校核1、求水平面支反力根据涡轮蜗杆传动的受力分析，蜗杆径向力涡轮受径向力涡轮受轴向力轴支撑的跨度为620mm所以；（13）(31)2、水平弯矩：(32)求垂直面支反力，由得：(33)则有：(34)由得：垂直弯矩：截面C左侧弯矩截面右侧弯矩合成弯矩：根据得（14），转矩：当量弯矩：(35)由当量弯矩图和轴的结构图可知，C和D处都有可能是危险截面，分别计算其当量弯矩（15）。C截面：D截面：校核危险截面处的强度：C截面：(36)D截面：(37)所以轴的强度足够。7键的选择与校核已知涡轮处的轴径d=20mm，涡轮齿宽16mm，需要传递扭矩为。1、选择键链接的类型和尺寸选用平键连接。且选用圆头普通平键（A型）。根据d=20mm，查表得键的截面尺寸，键宽=6mm；键高h=6mm。根据参考键长系列，选键长L=18mm（16）。2、校核键连接的强度键、轴的材料都是钢，涡轮材料为ZCuSn10Pb1，查表得键的许用应力，取。工作长度，键与轮毂键槽的高度（17）。于是可求得：(38)该键标记为取件标记为：键68螺旋叶片的设计搅龙的螺旋叶片是整个结构的重要组成部分，它的工作直接影响的除雪的效果。而且设计和安装都比较困难，其动力输入部分在中间，搅龙也要讲雪向中间集中并向后输送，所以，搅龙叶片左右旋向相反。螺旋叶片成型后的节距P、叶片内径d、叶片外径D（18）。节距P：相邻两叶片上对应点间的轴向距离；叶片内经d：3等于空心圆筒的外径，可从圆筒上直接量取；叶片外径D：根据设计尺寸来定。一般情况下，叶片是搅龙上易损的部分。开始阶段，叶片的外侧被磨成刃口状，这时并不会影响其工作性能。但慢慢地叶片的外径越磨越小，直至无法运输，严重影响运转效果（19）。再者，同一根轴上叶片的磨损速度也不一样，旋转无序状态，对叶片的磨损最为严重（尤其是负载较大或使用次6数过多）。往往一根轴上只有一端的三五篇叶片磨损需要更换，由此而废弃整根轴很可惜，我们将叶片设计成可以互换的，这样大大减少成本（20）。螺旋叶片的下料尺寸其尺寸可通过计算得，计算式：(39)式中：L──外螺旋线实长（mm）；l──内螺旋线实长（mm）；h──叶片高（mm）；r──叶片展开里口径（mm）；──切口角度（度）C──切口