【小型除雪车的机械设计8500字（论文）】

小型除雪车的机械设计摘要人工除雪费时费力，化学剂除雪污染环境，与人们日常生活联系更密切的机关、单位、学校、物业小区等地方大型除雪机械使用起来有诸多不便，但是清除浮雪的小型螺旋式除雪车在这些地方却能发挥重要作用。由于我国对除雪机械的研究起步较晚，在技术上比发达国家相对落后一些，引进或使用国外技术周期长、费用贵且不完全符合我国的环境和路况等等。因此，研发符合我国实际情况的小型螺旋式除雪车势在必行。螺旋刀具和车架是小型螺旋式除雪车的两个重要组成部分，因此，本文在查阅资料和参考相关专利的基础上，设计了螺旋刀具和车架并对其进行有限元分析，验证其可行性。主要研究内容如下：分析除雪机械在不同条件下的使用情况，介绍小型螺旋式除雪车的工作原理、特点及总成。研究积雪的物理机械性能参数，为更深入的分析研究积雪物理机械性能以及相关计算提供理论基础。（2）在微元雪粒运动力学分析基础上，研究集雪装置中螺旋刀具的参数对功耗和除雪效率的影响程度，根据分析结果选择合适参数设计集雪装置的螺旋刀具；根据车架设计的基本要求和人体尺寸标准，设计小型螺旋式除雪车的车架。关键词：小型除雪车；车架；有限元分析目录TOC\o"1-3"\h\u130431绪论 绪论1.1前言我国幅员辽阔，气候复杂，地跨温带和热带，而温带大约占国土面积的三分之一，北方地区每年大概有3~5个月的降雪期，不能及时除雪对经济发展和社会建设都有很大影响。近年来，随着国民经济和基础设施建设的迅速发展，人们生活水平越来越好，出行、旅游时选择交通工具的种类及数量和对通行速度的需求也在不断的提高。北方地区冬季一场雪过后，由于安全问题高速公路有可能封闭，给人们出行造成极大的不便，也直接影响着社会经济发展，道路积雪的清除应引起政府部门的高度重视。我国高速公路的除雪设备主要是从国外进口，具有自主知识产权的除雪设备较少。城市道路除雪和人们的日常生活联系更密切，由于城市车辆人员集中，如果不能快速清理，新降雪很快就被碾压成坚硬的板结雪，追求高速度、高效率使得传统的人工除雪法不适合继续使用；环境问题是现在必须重视的，所以融雪剂除雪法也不能继续使用。因此，用于清除新降雪的小型螺旋式除雪车成了符合基本要求的第一选择，特点是速度快、效率高、体积小。除雪机械使用时间长短、除雪效率高低又取决于技术是否成熟，针对城市道路除雪的研究已有很多，申请的实用新型专利也有一百多项，但是拥有自主知识产权的低等级公路的除雪设备还是一个空白。因此研制符合我国实际情况的小型螺旋式除雪车就显得很有必要。1.2研究的目的意义城市道路除雪和人们日常生活联系更密切，机关、单位、学校、停车场、广场、物业小区等地方大型除雪设备使用起来有许多不便，因此用于清除浮雪的小型螺旋式除雪车的设计与使用就显得尤为重要，在国外小型除雪设备的应用已经非常普遍，但除雪设备具有很强的区域特征，应综合不同的气候、环境、路况、维护以及社会经济等方面来考虑，而集雪装置和车架是小型螺旋式除雪车的两个重要组成部分，因此，本文所述集雪装置和车架的设计及对其进行有限元分析所得的结果，对设计和研制符合我国实际情况的小型螺旋式除雪车具有十分重要的意义。1.3国内外研究现状1.3.1国外除雪车研究现状高纬度地区降雪频繁的发达国家的除雪机械技术比较先进，技术也趋于完善，如加拿大、德国、日本、英国、法国、俄罗斯、瑞典等国家都实现了除雪机械化。对比之下发达国家除雪机械的性能更好种类更全。推雪板式除雪车最大除雪速度可达20~60km/h，最大除雪宽度为1.4~2.4m，左右偏转角度为20°~30°之间，螺旋式除雪车最大除雪宽度为2.4~2.6m，最大除雪高度1.2~1.8m，最大装车高度为3.5m左右，最大抛雪高度为50m左右，可以满足清除各种积雪路面的要求。除雪车分为工作装置和行走装置，驱动主机选择通用机动车辆是各国普遍采用的方法，如可以在拖拉机、装载机、平地机、汽车等铰接工作装置或者将工作装置直接放置在行走装置上实现一机多用，避免闲置车辆。近年来各个国家都对冬季路面路基养护提出了更高的要求，发达国家对于各类除雪机械的持有量大幅度增加，不断向着一机多用发展，在使用性能方面朝着多功能化发展，但是国外的除雪机械价格比较贵。目前采用的除雪方式主要有3种：融雪除雪法、机械除雪法和综合式除雪法。1.3.2国内除雪车研究现状我国除雪机械的研制相对于发达国家较晚，真正研制与开发是在80年代以后，相关部门非常注重对国外除雪机械先进技术的引进和吸收，通过多年不懈的奋斗，并结合我国国情、道路、雪质和地域等情况，研制出适合多种环境条件下不同型号的除雪机械，我们目前除了高速公路和一级公路开始使用大型专用除雪机械进行除雪外，其他公路和城市道路大部分还是采用传统人工除雪与小型除雪机械组合。我国70年代之前相关研究单位虽然试制过一些样机，但由于技术原因未能推向市场。在80年代后期，随着改革开放和政府部门的关注在除雪设备的研究上有了一定的进展，但品种规格较少，如1995年研制的WZ20旋切式除雪车，以及1990年定型的YBX-2.4型除冰除雪车。后者主机是拖拉机，前面安装了清除新降积雪的推雪铲，后面安装了清除冰及硬雪的装置，但因除雪效果不佳等原因未被推广。近几年，国内一些厂家和研究单位经过不懈努力研制出了多种适合我国除雪现状的除雪机械。重庆市迪马公司推出的DMT5150TYH1多功能除雪车采用了德国施密特公司的技术，机电液一体化自动控制，使高效率、高质量、高自动化的性能体现出来；除雪器具安装在底盘前或后，便于非工作状态器具的快速装卸，连接标准板的设计是基于德国BIS标准而制造的。鞍山森远公司推出的CXSY-1型除雪撒布车，集除雪、撒布融雪剂等多功能于一车，填补了国内在这一技术方面的空白。与国外相比，国内除雪机械存在的问题有核心技术不足、功能单一、种类较少、对路面保护能力较低等，根据以上所述及我国国情，国内应完善公路气象系统，同时加强对雪的性质研究，我国除雪机械的发展方向为：小型化、高速化的方向发展。在除雪作业进行过程中，除雪车车身的尺寸和除雪车行驶速度直接关系着道路是否通畅。车身过大，除雪车作业时占道易造成交通堵塞，同时清除狭窄路面的积雪时也要求车身尺寸不宜过大；速度过低，影响车流通畅。我国人口众多，道路拥堵本来就较严重，为了不妨碍交通、不增加拥堵，我国的除雪机械应向小型化、高速化的方向发展。多功能方向发展。为了提高机器的利用率，除雪机械应向多功能方向发展，如通过对卡车、推土机、建筑机械等多种机械进行改造来完成除雪作业。提高安全性、舒适性。2积雪物理性能参数分析设计除雪机械的前提是了解积雪的物理机械性能，除雪方法的选择在某种程度上可以说是由积雪物理机械性能决定的。积雪的物理机械性能通常变化较大，随着雪落下时间的不同、当时气温不同及积雪由于车辆碾压和水分渗入等因素发生较大变化。和本文相关的积雪物理机械性能主要包括：密度、摩擦系数、抗压强度、抗剪强度等。2.1积雪的密度积雪密度是设计除雪机的一项重要参数。积雪的密度参数影响着除雪机集雪装置及压缩装置的设计参数。积雪的密度就是单位体积积雪的质量。雪晶体体积是极小的，直径一般介于0.5~2.0mm之间，且积雪的状态多样，因此积雪的密度变化范围很大。总结各形态下积雪的密度，见表2-1。表2-1各类积雪的密度雪型密度/g/cm3无风时的新降雪0.05~0.10有风时的新降雪0.13~0.21细及中颗粒的雪0.24~0.32未压实的雪0.30~0.40再结晶的粗颗粒雪0.39~0.45压实的雪0.45~0.75冰雪混合物0.75~0.902.2积雪的湿度积雪的湿度对于积雪机械特性参数也有较大的影响。积雪如土壤一样也含有一定水分在其中。夹杂在积雪中的水分主要由雪晶表面的薄膜水、毛细管水和重力水组成。雪层保持薄膜水和毛细管水的限度叫做该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有关，一般不超过雪层重量的50%。重力水对积雪湿度影响很大，雪融化时重力水可以填满积雪层中的缝隙。各类雪的持水能力见表2-2。表2-2各类积雪的持水能力雪型持水能力/g/cm3无风时的新降雪0.50~0.55有风时的新降雪0.35~0.55细及中颗粒的雪0.25~0.35未压实的雪0.30~0.40再结晶的粗颗粒雪0.21~0.30压实的雪0.12~0.20冰雪混合物0.05~0.10积雪按含水量通常分为四个等级：第一种叫作干雪，完全没有水，不能挤压成团，与干燥的沙土类似。第二种叫作潮雪，水不能在雪层中分离出来，但却可挤压成。第三种叫作湿雪，雪层中有明显的液态水珠。第四种叫作水湿雪，稍微用力即就可以挤压出水。在上述几种积雪的状态中，水湿雪不适合于螺旋转子式除雪机除雪，而干雪必须增加湿度才能压缩成块，除雪机压缩机构对其并不适用，除非人为增加积雪的湿度。因此，本设计中的除雪机的工作对象局限于潮雪和湿雪，但道路积雪仍是以潮雪和湿雪为主。2.3积雪的硬度积雪的硬度是计算集雪铲以及螺旋转子刀具进入积雪内部所需力的一项参数。积雪的硬度是指积雪单位面积上所能承受的最大压力。积雪的硬度与密度和温度有着密切的关系，密度越大，硬度就越高，温度越高硬度就越小。新降浮雪密度小，硬度也极小，但经过车轮碾压后的雪硬度很高。一般情况下把雪的硬度分为四个等级：第一等级叫做松雪，指除了大拇外的四个手指伸直不费力就能够插入到这种雪层；第二等级叫做稍硬雪，这种雪层只能插入一个指头；第三等级叫做坚雪，需要铅笔才能插入；第四等级叫做坚实雪，小刀才能够插入进去。测量积雪的硬度有专门的测量器（一种弹簧测力器），测量器的测头是顶角为30º或者60º的圆锥。实际测量时，将圆锥在积雪上竖直地立直，慢慢加载重量并测得其下陷深度，由圆锥进入到雪的深度或表面直径算出圆锥印迹的投影面积，按经验公式：式中：P1—所施加的载荷重量，kgf；P2—硬度计的重量，kgf；h—圆锥陷深，mm；—圆锥半顶角，度。查阅文献得知，片状的新雪密度约为0.1g/cm3，没有硬度，经车轮碾压过的雪密度约为0.45~0.75g/cm3，硬度约为20~170kgf/cm2。2.4积雪的抗压强度积雪的抗压强度是积雪在无形变的情况下所能承受的外界最大压力。积雪的抗压强度决定了压缩机构工作过程所需的压力，当压缩机构的压板对积雪施加大于积雪抗压强度极限的力时，积雪发生形变，体积变小密度增大，从而压缩形成雪块。积雪的抗压强度跟积雪的密度有直接关系，当雪的密度r<0.4g/cm3时，雪的抗压强度非常小，当雪的密度r>0.4g/cm3时，雪的抗压强度会随积雪密度的增加而急剧增加。统计数据见表2-3。表2-3积雪的抗压强度雪的密度/g/cm3雪的抗压强度/kPa0.25490.26~0.3559~980.36~0.50210~19600.51~0.60370~2940在设计除雪机的过程中，除雪机的行走装置、集雪装置以及压缩装置的设计均以积雪的机械性能参数为最根本的依据，除雪机的工作环境与工作对象也应以冬季正常温度下道路积雪的主要存在形式为准。通过本章总结的数据来看，在环境温度为˗4℃~˗22℃条件下，若积雪清理的比较及时，道路积雪的最大密度不超过0.5g/cm3，相应的最大硬度为约为120kgf/cm2，最大抗压强度约为1MPa，最大抗剪强度约为20kPa，与钢材和橡胶之间的摩擦系数分别为0.05和0.1。积雪的这些基本参数与实际工况相比均有较大裕量，以保证除雪机的设计合理可靠，为后面章节除雪机的具体设计提供了数据基础。3小型除雪车的设计3.1小型除雪车的工作原理及特点除雪车从刚起步研究到现在出现过很多种类以及用于特殊地方特殊情况的专用除雪车，工作原理各不相同，而现在小型螺旋式除雪车大多采用有转子式的结构，现简单阐述一下这类除雪车的工作原理。启动除雪车后，发动机的动力一部分驱动车前进，一部分驱动除雪装置来除雪，在驱动力的作用下，螺旋刀具随着轴在垂直于前进方向上旋转来实现切削积雪的目的，刀具后面的挡板用于收集切碎的积雪，被收集的碎积雪受到螺旋刀具法向作用力及其与螺旋刀具间的摩擦作用力，在这两个作用力的作用下，一部分随螺旋刀具的旋转作旋转运动，一部分沿着垂直于车辆前进方向的轴作轴向运动，因此切碎的积雪被送到抛雪室内，在高速旋转的抛雪转子作用下被抛出到合适的区域或车辆上。小型螺旋式除雪车的主要特点有(1)车身尺寸小除雪车车身的尺寸直接关系着道路是否通畅，车身过大，除雪车作业时占道易造成交通堵塞；车身尺寸过小，工作时除雪宽度太小，需要行走的行程增多，功耗就会增加。(2)抛雪距离达标一般除雪时可以把雪抛到道路两侧的空旷地带或者绿化带，小型除雪车抛雪距离可以达到十米。3.2小型除雪车的基本结构小型螺旋式除雪车结构示意图如图3.1所示，结构简图如3.2所示，主要由动力装置、传动装置、抛雪器、集雪器、车体及行驶装置和控制装置等组成：(1)动力装置通常选择汽油机来提供动力；(2)传动装置用来传递动力从而使除雪装置和车体运动；(3)集雪器由集雪螺旋刀具、轴套、轴和挡板等组成，用来切削积雪并送往抛雪器；(4)抛雪器由抛雪筒、抛雪转子等组成，把切削的积雪从抛雪筒抛出；(5)行驶系统包括车体及行驶装置，用来支撑和连接其它部件并具备行走的功能。(6)控制装置包括操作架、控制面板、扶手、闸线、档位杆、旋转摇杆等。图3.1螺旋式除雪车的结构示意图图3.2螺旋式除雪车的结构简图3.2.1动力装置动力来源与除雪装置的设置有关，可分为独立动力型、独立动力分置型和共用动力型三种。独立动力型：除雪装置的驱动由发动机单独提供动力，两者组成一个整体，优点是主机具有一机多用的功能。独立动力分置型：除雪装置的动力也是由发动机单独提供，发动机与除雪装置分别安装在主机的适当位置是其与独立动力型的不同之处。共用动力型：将发动机的一部分动力分配给行驶装置来保证除雪车正常行驶，同时将一部分动力分配给除雪装置，用于清除积雪。发达国家的专业除雪车常采用液压等方式分配动力，普遍使用共用动力型，除雪车工作时可以根据实际状况将动力流进行合理分配，既能提高能源利用率又能提高功效。本文选择隆鑫四冲程单缸发动机G200FD。3.2.2传动装置传动方式有带传动、链传动、蜗轮蜗杆传动、液压传动。考虑到整体的效率和布局，小型除雪车目前主要采用蜗轮蜗杆传动。传动有多种，以下是几种方案：发动机动力通过链传动传出来，经过中间轴，之后又通过链传动传到工作装置。这种传动方式动力只用来除雪，车辆前进靠人力。发动机的动力通过带传动传出来，经过中间轴，之后一部分通过链传动传到集雪装置，一部分通过带传动传到减速器，最后到达抛雪装置。这种也是靠人来推着车前进。发动机的动力通过带传动传出，一部分通过蜗轮蜗杆传到工作装置，一部分通过摩擦传动、链传动传到行走机构。发动机动力由液压系统控制，可根据实际情况将动力合理分配，实现能源最大化利用。如今小型螺旋式除雪车不用靠人力来使整车行驶，大多数是采用发动机驱动，可以在发动机输出轴上安装一大一小两个皮带轮，通过传动装置分别驱动行驶系统和除雪装置。3.2.3行驶系统行驶系统包括车体及行驶装置，汽油机、集雪器等可固定在车体上，车体前段连接工作装置，中间安置汽油机，后面安装操作架和扶手，车体的尺寸应小于集雪器的的尺寸。车架的设计在整个除雪车也占据很重要的位置，发动机、抛雪装置、集雪装置等都直接或间接的安装在小型除雪车的车架上，来自路面和整车其他总成的质量载荷及除雪作业时产生的力和力矩都作用在车架上。因此，车架必须具备足够的强度才能保证除雪的顺利进行。按零部件及总成布置设计车架时应充分利用相应的空间，使除雪车整体布局紧凑。确定几何尺寸时应该在保证除雪车整车性能的前提下，结合人体工程学来使除雪作业时的操作人员拥有最大程度的舒适性和灵活性。在除雪作业进行过程中，除雪车车身的尺寸和除雪车行驶速度直接关系着道路是否通畅。车身过大，除雪车作业时占道易造成交通堵塞，同时清除狭窄路面的积雪时也要求车身尺寸不宜过大；速度过低，影响车流通畅。3.2.4集雪装置集雪装置由集雪螺旋刀具、轴套、轴和挡板等组成，为了增大切削硬度较大的积雪，设计时常将螺旋刀具叶片的边缘设计成锯齿状。根据有无转子集雪装置可分为无转子和有转子两种。无转子的集雪器可以切削、收集和抛投积雪，左右对称的集雪螺旋刀具安装在轴上，形成半封闭形式，工作时动力通过传动装置传来，使左边向左旋转，右边向右旋转。两边快速旋转且方向相反时切碎的积雪受到指向中间的力，随着切削的继续进行，切碎的积雪被抛出。而有转子的集雪器只完成切削和收集积雪，抛雪由抛雪转子来实现。随着除雪车的前进，螺旋刀具在动力的驱动下随着轴在垂直前进方向上旋转，螺旋刀具后面的挡板用于收集切碎的积雪，被收集的切碎积雪受到螺旋刀具法向作用力及其与螺旋刀具间摩擦作用力，在这两个作用力的作用下，切碎的积雪被送到抛雪室内，在抛雪转子作用下被抛出到合适的区域或车辆上。雪的运动可分为两部分，一部分随着螺旋刀具的旋转作旋转运动，一部分沿垂直于车辆前进方向的轴套作轴向运动。无转子除雪车的集雪装置如图3.3所示，有转子除雪车的集雪装置如图3.4所示。图3.3无转子的集雪装置图3.4有转子的集雪装置1-侧板2-调节板3-螺旋刀具4-轴套5-抛雪室6-刮板7-轴承8-弧形板在设计集雪装置时应考虑螺旋集雪器的功耗和除雪效率，参数有除雪车前进的速度、螺旋升角、螺旋刀具外径、螺距和转速等等。本文第三章得出结论：从功耗方面考虑只有除雪车前进速度对功耗影响较大；从除雪效率方面考虑，保持其他参数不变，随着螺旋刀具外径的增大，除雪效率增大；保持其他参数不变，随着螺距的增大，除雪效率增大；保持其他参数不变，随着转速的增大，除雪效率增大。除雪作业时为了增强切削性能，可以把螺旋刀具外边缘设计成齿状，作业过程中当路面不平整时，可调节集雪装置的调节板来改变离地高度，使除雪车顺利通过不平整路面。3.2.5抛雪装置抛雪装置通常由抛雪室、抛雪转子、抛雪筒等组成，无转子除雪车没有抛雪转子，抛雪筒位于集雪装置中间位置，这样可减小切碎积雪进入抛雪筒是受到的作用力即阻力，达到较好的抛雪效果。有转子除雪车在抛雪室中部安装抛雪转子，这种车的抛雪性能更好，但是相对应的结构较复杂，功耗也增大。操作人员可通过控制装置来控制抛雪筒的方向和角度以此来调节抛雪距离和方向。除雪作业时，抛雪转子高速旋转产生气流压力差F1和沿叶片运动的离心力F2，集雪器中被切碎并被运到抛雪室入口处的雪块，在除雪车前进产生的作用力和抛雪转子高速旋转产生气流压力差F1的作用下顺利进入抛雪室，之后又在离心力F2的作用下沿着叶片方向做离心运动，到达抛雪筒的入口时进入抛雪筒，在抛雪筒出口被抛出。图3.5抛雪装置结构简图1-抛雪室2-叶片3-抛雪筒4-调节杆设计抛雪转子时考虑的参数有卸载角、叶片直径、叶片宽度、叶片数、转数等。这些参数直接关系着除雪效率和抛雪效率，如抛雪距离太近，抛雪量太少导致赌塞现象出现等，不合理的设计会导致功率的损耗、除雪效率不佳。如图2.5所示为抛雪装置结构简图。3.2.6控制装置控制装置包括操作架、控制面板、扶手、闸线、档位杆、旋转摇杆、灯等。操作架通过杆连接在车体上，操作架顶端装有扶手，扶手在高度和水平方向可调节，符合人体工程学设计，两个扶手之间是控制面板，控制面板周边是档位杆和旋转摇杆等，它们通过闸线控制相应的机构实现除雪车的行走和螺旋刀具及抛雪转子的旋转与停止，装备照明装置可以满足夜间除雪的需要。4结束语本文针对城市道路的积雪清理工作，设计了一台具有压缩功能的新型除雪机，在清理积雪时可将收集的积雪压缩成块，解决了目前各类除雪机在作业于城市道路时清理后的积雪不能妥善处理的难题，并改进目前应用最为广泛的螺旋抛投式除雪机的结构，使其避让性与安全性大幅提高。课题从分析工作对象（积雪）的性质入手，掌握相关数据后，对与工作对象直接接触的主要受力元件的工作过程进行仿真分析，取得分析数据并作为除雪机的整机设计基础，保证了除雪机设计的可行性与合理性。全文研究工作总结如下：总结了积雪的物理机械性质，包括各种类型积雪的密度、硬度、抗压强度以及摩擦系数等。对积雪物理机械性质的研究为除雪机各机构的具体设计奠定了基础。完成对除雪机液压系统的设计，包括液压系统的动力元件、执行元件工作载荷和参数的计算，对液压元件的选型和尺寸结构设计，并绘制了整车液压系统的原理图。课题所研发的除雪机目前只是设计阶段的产品，由于不具备建立实体模型的条件，未能将实际使用问题反馈到设计中，并且除雪机设计的工作量巨大，需要众多不同方向的理论知识，机械结构及其复杂，有限的整机尺寸内包含了几百个零部件，仅凭一己之力，设计必然存在各种各样的问题和误区