机械毕业设计（论文）-斜刃螺栓连接式厚冰雪碾压除雪机设计【全套图纸】

共 49 页 第 1 页 装 订 线 目目 录录 第 1 章 绪论 1 1.1 本次设计来源、目的、意义、国内外概况1 1.1.1 本次设计的来源 1 1.1.2 本次设计研究目的 1 1.1.3 本次设计研究的意 义1 1.1.4 有关清雪机国内外研究概 况2 1.2 本设计预期达到的目标4 1.3 本设计研究内容、研究方法及技术路线5 1.3.1 斜刃螺栓连接式厚冰雪磙压除雪机的整体方案构 想5 1.3.2 结构原理和计算要 点5 1.4 本课题实现的现有条件6 1.5 研究的主要内容和方法6 1.5.1 冰雪切削挤压破碎技术、总体方案 6 1.5.2 碾压滚型式和结 构6 1.5.3 滚齿排列方式及刀刃几何参 数6 1.5.4 各主要零件的校核验 算6 第 2 章 路面冰雪清除机机理研究 8 2.1 冰雪的物理机械性质8 2.2 路面冰雪清除机基本方案、原理9 2.3 整机分析及装置重量的确定 13 2.3.1 整机的组成 13 2.3.2 清除冰雪装置重量 14 共 49 页 第 2 页 装 订 线 第 3 章 碾压滚结构及参数15 3.1 碾压滚结构形式 15 3.2 碾压滚参数 15 3.3 工作阻力的计算 15 第 4 章 齿刀的研究 17 4.1 齿刀在碾压滚上的排列数量间距 17 4.2 齿刀几何参数 17 4.3 切削力计算 18 第5章 主要零件校核计算 19 5.1 轴承的校核计算19 5.1.1 当量动载荷的校核19 5.1.2 滚动轴承寿命的计算30 5.2 齿刀强度的校核分析 21 5.3 销轴的校核计算 26 5.4 轴的校核计算 29 5.4.1 按扭转强度条件计算30 5.4.2 按弯扭合成强度条件计算30 第6章 电器系统 33 6.1 电源电路 33 6.2 启动系统 33 6.3 照明和信号系统 33 6.4 仪表系统 33 6.5 预热器 34 第 7 章 电算部分35 第 8 章 结 论43 致谢45 参考文献46 共 49 页 第 3 页 装 订 线 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 斜刃螺栓连接式厚冰雪碾压除雪机设计斜刃螺栓连接式厚冰雪碾压除雪机设计 摘要摘要 我国北方地区冬季降雪时间长，雪量大，气温低，积雪数日经车辆、行 人碾压而被压实。路面上压实冰雪的清除问题关系到社会生产、人民生活、交 通安全、环境保护等多个方面。目前国内外对压实冰雪的清除还缺少行之有效 的办法。本文结合我国北方地区降雪后的特点及我国国情，主要针对路面上被 压实的冰雪研究了路面冰雪清除机械。 本文提出了对路面压实冰雪进行挤压、切削、破碎的技术原理。根据这一 原理确定了路面冰雪清除机械基本方案并分析了其工作机理。提出利用装载机 为动力机，只需更换上清除冰雪装置，实现了一机多用。研究了传动系统各部 件的匹配以及冰雪清除装置与整机的匹配，进行了匹配计算和整机牵引性能分 析。根据整机方案及相关条件确定了清除冰雪装置中关键部件碾压滚的构造、 重量和有关技术参数；分析研究了碾压滚上刀齿的结构和关键几何参数，确定 了刀齿在碾压滚上的排列方式、数量和间距，并根据冰雪的物理机械性质计算 了刀齿切削力。 关键词关键词 冰雪清除 切削 破碎 路面 共 49 页 第 4 页 装 订 线 Oblique Edge Bolt Join Ice Snow Presses Snow-Clearing Machine Design AbstractAbstract In the north of China, when the winter comes, the time for snowing is very long and the air temperature is low. The snow will become very hard after pressed by vehicles and foot passengers. So at this time snow cleaning became very important to peoples living, traffic safety and so on. At present, there is still no effective method for cleaning the pressed snow in the world. In this paper, according to the situation of our country, the author did some researches on the snow-cleaning machine which used to clean the pressed snow on the road surface. In this paper, the author put forward a technical theory about use the method of pressing, cutting and cracking to clean the pressed snow. According to this theory, the author brought forward a project for snow-cleaning machine and analyzed its working principle. Here used the loader as the mover, when it was time to clean snow we just needed to replace the bucket with the snow-cleaning equipments. The matching calculation of components of transmission system and the whole machine were studied and analyzed. According to the project, we could decide the structure, weight and related technical parameters of the idler wheel. At the same time, the paper also analyzed the structure and geometry parameters of the idler wheel, gave a method about how to arrange the cutters and how to decide the reasonable amount of the cutters, how to calculate the cutters cutting force base on the snows physical and mechanical characters. 【Key【Key words】words】 SnowCleaning Cutting Cracking Road surface 共 49 页 第 5 页 装 订 线 第第 1 1 章章 绪绪 论论 1.11.1 本次设计来源、目的、意义、国内外概况本次设计来源、目的、意义、国内外概况 1.1.11.1.1 本次设计的来源本次设计的来源 本课题属于吉林大学机械科学与工程学院科研项目（国家经贸委“国家重 点技术改造项目200386”）。是根据国际和国内的最新形势和市场需求而确 定的研究课题。对实际的生产和生活有很大的实际意义。是隶属于国家攻关课 题-多功能铲雪车研制的一部分。 1.1.21.1.2 本次设计研究目的本次设计研究目的 中国北方大部分地区,每年有35个月的降雪期,道路积雪给交通运输及人 民日常生活带来许多困难,有时甚至阻断交通。近几年来高等级公路里程不断 增加,及时有效地清除路面积雪已成为亟待解决、刻不容缓的问题,这对于提高 车辆的运输效率、避免重大交通事故的发生,具有很大的社会经济效益。目前, 国内除雪作业多由人工或其它代用机械完成,其劳动强度大,作业效率低。进口 外国先进的除雪设备,造价高且不适合中国国情;而用其它的代用机械如平地机 进行除雪作业,则又浪费实用设备且对路面具有破坏性。所以,尽快开发出适合 中国国情的低成本、高效率、且宜大面积推广应用的除雪设备,是一项艰巨而 紧迫的任务。 1.1.31.1.3 本次设计研究的意义本次设计研究的意义 我国北方大部分地区,每年有很长的降雪期,道路积雪给交通运输及人民日 常生活带来许多不便。尤其冻结在道路上的积雪与薄冰,采用传统除雪机用推 刮的办法无法清除,为此不得不耗费大量人力物力进行人工铲除。采用机械方 法清除是一项急需解决的难题。就目前国内除雪机械来看,大多数功能单一,或 共 49 页 第 6 页 装 订 线 只能清除积雪、或只能破除积冰1。国外的除雪机功能较全,但结构复杂,造 价昂贵,且大多不适合国内的道路状况。因此开发研制适合我国道路情况的集 破冰除雪于一机的设备,具有十分重大的意义。国外的除雪机功能较全,但结构 复杂,造价昂贵,且大多不适合国内的道路状况。因此开发研制适合我国道路情 况的集破冰除雪于一机的设备,同样具有十分重大的意义。 1.1.41.1.4 有关清雪机国内外研究概况有关清雪机国内外研究概况 (1) 有关清雪机国内外研究概况 目前，世界各个国家除冰雪的方法中，应用最普遍的是溶解法和机械法。 溶解法是依靠热作用或撒部化学药剂使冰雪融化。其优点是除净率高，但是它 的成本很高。而且容易造成环境污染。虽然环保型融雪药剂已经问世，对环境 和植被的影响减少了，但是并未彻底根除。因此使用范围受到一定限制。 机械法是通过机械作用直接作用解除冰雪危害。虽然除净率较低，但是对 环境和植被无任何影响。能实现冰雪的异地转移。应用范围比较广。因此，笔 者认为：清除冰雪必须以机械法为主，以溶解法为辅助，才能达到快速和环保 的除雪效果。 我国对除雪机械的开发、生产都比较晚，因此还处于起步阶段。目前，我 国的城市道路和公路冬季除雪大部分仍沿用传统的养护方式，即人工作业和小 型的除雪机械相结合的方式。高速公路和一级公路开始使用大型专用除雪机械， 进行冬季养护。但是，除雪机械在数量和品种规格上还很少，所以除雪设备大 部分依赖进口。机械化程度和总体水平远远落后于发达国家。只是最近几年国 内的厂家才参照国外的先进技术研制了适合我国国情的除雪机械。 综观国内外的除雪机械，其类型总的来说有三种类型： 1) 犁式除雪机 犁式除雪机的工作装置一般安装在主机的前端，是所有除雪机中应用最为 广泛、起源最早的除雪设备。主要使用于未被压实的新降集雪，其厚度为 300mm以下。犁板有整体式和分段式，有V型犁和U型犁之分。其特点是：多数 采用了双摇杆机构，避让效果明显，越障高度较大，环境适应性强，可以在硬 质雪区工作。有的还增加了滑靴和滚轮等装置，用来减少或消除铲刃对地面的 作用力，保护了地面，减少了刀刃的磨损。 具体类型有： 单向犁-除雪犁以固定角度装在除雪车前部。 V型犁-主要结构和工作原理与单向犁相同，只是结构呈左右对称， 形成V形。 变角度犁-指犁的排雪方向和行进角度可以改变的除雪机械。 共 49 页 第 7 页 装 订 线 复合犁-又叫铰接雪犁，采用两翼结构，中间垂直铰链可以自由 改变形状，形成单向犁、V型犁、变角度犁等犁形。 比较典型的产品有：徐州装载机长的专利产品-调压自动越障式除雪 装置。郑工、柳工和沈阳山河等厂家生产的ZL50型除雪机。由于该类除雪机械 拥有结构简单、性能可靠、价格低廉等特性，因此受到广大用户的认可，得以 广泛的使用。 2) 旋切式除雪机械 旋切式除雪机械工作方式为自行式和悬挂式两种。主要有离心式物料风机、 风道、抛雪筒、护板和螺旋型集雪器等部分组成。结构相对比较复杂。工作时 借助主机或者专用底盘的动力，驱动风机做高速旋转运动，将集雪器聚拢的雪 由风道、抛雪筒抛出去。抛出距离和角度可以根据需要自己调整。在清除雪障 时旋切式除雪机械有明显的优势。但是无法清除压实的积雪。 具体类型有： 螺旋式-螺旋轴鼓上的叶片呈左右旋向，左右旋向的叶片在轴线中 部结合形成U形抛雪槽，U形抛雪槽低部稍微向后倾斜，内侧光滑，工作时轴鼓 上的叶片刀刃切削破碎积雪，并将积雪集中送到中部U形槽内抛出。 转子式-主要以清除新雪为主要作业对象。转子叶片可以完成切雪、 扒雪和抛雪。 单螺旋转子式-有转子和一根螺旋组成。螺旋水平布置在转子前， 螺旋叶片作成左右旋向，当螺旋周转动时，把两边的积雪送到中间，再由转子 抛出。 双螺旋转子式-双螺旋转子式的工作装置的两螺旋上、下平行地 置于转子前面。 立轴螺旋转子式-该工作装置将螺旋竖放在转子两侧，螺旋叶片 为左右旋向，工作时雪的移动方向为上下运动。 主要机型有：哈尔滨开达公司生产的抛雪式除雪机和吉林大学研制的CX- 30型除雪机。 3) 扫滚式除雪机械 扫滚式除雪机械工作方式为自行式和悬挂式两种。在主机或者专用底盘的 动力作用下，驱动扫雪滚和扫雪盘做高速旋转运动，扫雪滚和扫雪盘上的柔性 强力扫雪刷，将路面积雪卷起使之脱离地面，在高压空气的作用下吹向路边。 该式除雪机械主要适合于较薄的或者是犁式除雪机械工作后的残留积雪。即使 路面凸凹不平也可以获得无残雪的除雪效果。主要生产厂家有：哈尔滨开达公 司和哈尔滨重型机械厂等。 国内的除雪机械虽然有了很大的发展，但其总体水平与发达国家相比，产 共 49 页 第 8 页 装 订 线 品品种及性能都还有很大差距。适应不了我国高速公路的发展的需求，主要体 现在以下几个方面： 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。 功能单一。除雪机械具有明显的季节性，如果功能单一，只能用做除 雪和除冰专用，那么，机械一年中大部分时间处于闲置状态，大大增加了除雪 的成本。加重了公路养护部门的负担。 品种类型不全。与国外相比，现在有不少除冰雪机械在国内还是一片 空白。现有的除冰雪机械无法满足公路和大型机场的除冰雪的要求。 (2) 国内外在这个方面的发展方向： 加强对雪质、雪性的基础研究。 为了提高除冰雪机械的设计水平，需要对冰雪的力学性质和物理特性进行 深入研究。特别是对压实冰雪的理论研究。据有关资料研究：东北地区压实冰 雪占总的除雪任务的80%以上。 向一机多能和机电液一体化方向发展。 在现有的条件下，可以对汽车、拖拉机、装载机和推土机等设备进行改装， 冬季降雪时用来除冰雪作业，其余时间可用来进行公路养护和其他作业。可以 提高设备的利用率。采用机械、电子、液压等技术提高除雪机械的科技含量， 减轻工人的劳动强度。 向大型、小型和高速方向发展。 我国的地理环境复杂，各个城市道路建设布局各异，冬季降雪情况不同， 在除雪设备的选取上也不尽相同，因此要开发出大型、小型的各种除冰雪机械， 以满足不同地区和工况的除冰雪要求。同时要开发出效率高的机械，避免除雪 作业造成路面交通拥挤。例如，东北有些城市规定：对于市区内主干道，雪停 止24H后需运出城市外。 加强行业间的技术交流与合作。走共同研发之路。 各个厂家根据自己的实际情况开发出的产品各有优缺点，为了加快除冰雪 机械的开发和应用，应加强企业间的合作，集中财力、物力和人力走共同发展 之路，实现除冰雪的机械化。 1.21.2 本设计预期达到的目标本设计预期达到的目标 在ZL40型装载机的前端安装除雪装置-斜刃螺栓连接式压磙除厚冰雪 装置。 采用斜刃式除雪装置，使冰雪在破冰刀刃的作用下破碎。压磙与ZL40型装 共 49 页 第 9 页 装 订 线 载机大臂相连。设计出包括铲及其连接机构。画出全部图纸：装配图、部件图、 零件图、总明细表。 设计时要保证相应构件的可靠性，所以要进行相应的力学分析、设计计算 、方针模拟等。并要求用计算机软件对重要部件进行详细的运动学和动力学分 析。设计相关的软件。 通过这次设计，要不仅温习好大学四年所学的大不分的理论知识，还要培 养工程实际应用的能力，锻炼实际的动手和全局的驾御能力。对装载机和除雪 机械有更深的认识，加强在此方面的设计能力。 1.31.3 本设计研究内容、研究方法及技术路线本设计研究内容、研究方法及技术路线 1.3.11.3.1 斜刃螺栓连接式厚冰雪磙压除雪机的整体方案构想斜刃螺栓连接式厚冰雪磙压除雪机的整体方案构想 斜刃螺栓连接式厚冰雪磙压除雪机是针对我国道路情况设计的破冰清雪除 雪设备。该设备主要起破冰作用的碾压辊构成。 该设备的主机架可与ZL40装载机直接联接。该设备碾压辊固定在联架臂上,联 架臂通过大臂与主机架铲接。碾压辊上装有刀板,刀板上的刀条直接作用在冰 面上,利用自身的重力和空气锤的振动的冲击力达到破冰目的。 1.3.21.3.2 结构原理和计算要点：结构原理和计算要点： 斜刃螺栓连接式厚冰雪磙压除雪机是利用前部安装的碾压辊上装有的刀板 对雪进行切削，利用自身的重力和空气锤的振动的冲击力达到破冰目的。 (1) 刀齿分布结构： 采用斜刃螺栓连接式，材料用耐磨仿形材料。按与地面平行布置在压磙上， 前后两排刀齿位置错开。 (2) 除雪机功率的计算： 除雪机所消耗的功率包括两大部分：行走装置和工作装置所消耗的功率。 行走装置所消耗的功率可以参照一般自行式车辆的计算办法。下面对除雪工作 装置的所消耗的功率Na做一分析： Na=Ne+Nf+Nr+Nd 其中：Ne-推雪板切削所需功率, KW Nf-克服雪与板面的摩察力所需的功率, KW Nr-推雪板前雪堆移动所需的功率，KW Nd-板刃与存雪地面间的摩察力所需的功率。KW (3) 拟采用的研究方法 采用新旧技术相结合的方法。因为有关装载机和除雪机构的研究在我国已 共 49 页 第 10 页 装 订 线 经有了一定的进展-即使和发达国家相比还很落后-在很多领域。但 近几年我们引进了很多先进的技术，特别是除雪机械方面的，加上我们的有关 装载机和其他工程机械的研究知识，将这两方面的知识有机地结合起来，实现 新的突破，研制出适合我国国情的公路养护机械-集工程作业和除雪能力 于一体的多功能机械产品。 (4) 拟采用的技术路线 研究冰雪的物理和力学特性-查阅国内外有关装载机和除雪机械、机 构的设计资料和最新进展-消化、吸收个方面的技术资料，并加以整理和 创新-技术设计和整机设计。 1.41.4 本课题实现的现有条件本课题实现的现有条件 国内外关于ZL40装载机的数据和文献资料的搜集较为便利。在理论上和方 法上具有很强的借鉴意义。指导老师邓洪超老师在我国装载机技术和除雪机械 的研究方面走在前列。对我国这方面的情况很了解，是这方面的专家。有很深 的理论和实践知识，为本课题的研究奠定了很好的理论和实证基础。本人对于 装载机和除雪机械也有一定的认识，相信一定能在邓老师的指导下顺利完成课 题的研究。并取得优异的毕业设计成绩！同时为我国在此领域的研究作出自己 应有的贡献！ 1.51.5 研究的主要内容和方法研究的主要内容和方法 本文针对路面上被压实的冰雪研究路面冰雪清除机械。方法是进行理论分 析和计算，并重点进行实验研究。具体研究内容如下。 1.5.11.5.1 冰雪切削挤压破碎技术、总体方案冰雪切削挤压破碎技术、总体方案 主要阐述冰雪的物理机械性质；根据所提出的对路面上压实冰雪进行挤压、 切削、破碎的技术思想，分析路面冰雪清除机基本原理并确定样机基本方案； 分析整机的牵引平衡和功率平衡，确定路面冰雪清除装置的重量，进行整机匹 配计算及分析。 1.5.21.5.2 碾压滚型式和结构碾压滚型式和结构 主要阐述工作装置碾压滚结构型式研究和碾压滚参数。 1.5.31.5.3 滚齿排列方式及刀刃几何参数滚齿排列方式及刀刃几何参数 主要阐述齿刀在碾压滚上的排列方式；齿刀的数量和间距；齿刀几何参数 确定。 共 49 页 第 11 页 装 订 线 1.5.41.5.4 各主要零件的校核验算各主要零件的校核验算 主要是对齿刀的强度、销轴剪切强度、轴的强度以及轴承进行校核计算。 共 49 页 第 12 页 装 订 线 第第 2 2 章章 路面冰雪清除机机理研究路面冰雪清除机机理研究 2.12.1 冰雪的物理机械性质冰雪的物理机械性质 路面冰雪清除机械的行走机构以及清除冰雪的工作装置与路面上的冰雪相 接触。冰雪的形成特性及其物理机械性质在相当大的程度上决定着清除路面上 冰雪的方法，要研究行走机构和工作装置与冰雪的相互作用关系，首先要分析 冰雪的物理机械性质。 冰雪的基本特征之一是它的密度，其变化范围很大，如表 2.1 所示。硬度 是雪的物理机械性质的主要指标之一，表示冰雪阻止其它物体压入的特性，其 数值是根据它的密度和状态决定的，如表 2.2 所示。雪的硬度、密度和温度之 间存在着如图 2.1 所示的关系，温度愈低，硬度愈高；密度愈大，硬度愈高4。 后面对路面冰雪清除机的工作阻力以及牵引力进行计算时，需要知道雪的 机械性质，表示雪的机械性质的指标通常是内外滑动摩擦系数、切削阻力系数、 附着系数和行驶阻力系数。 表 2.1 雪的密度 雪 的 状 态密 度（g/cm3） 新下的雪 落下 30 天的雪 大于 30 天的雪 密实的雪 冰雪混合 冰 0.100.15 0.200.30 0.340.42 0.400.60 0.600.75 0.90 雪的摩擦性质决定于它的内外摩擦系数。根据雪的状态，它的内外摩擦系 数分别列于表 2.3 和表 2.4。 表示雪的切削阻力的指标，一般是用切削阻力系数 k0，它是切断横断面等 于 1的冰雪层所必需的力，k0的大小载入表 2.5 中。 路面上积雪之后，大大地改变了路面的使用特性。对于冬季养护道路的机 器进行牵引计算时，必须知道机器沿着各种冰雪路面行走时的滚动阻力系数和 共 49 页 第 13 页 装 订 线 附着系数。轮胎与冰雪路面间的附着系数载入表 2.6。 c 行驶阻力系数，一般较外摩擦系数大，因为它不仅产生摩擦，而且还挤压 雪。轮式和履带式车辆的行驶阻力系数按表 2.7 选取。 表 2.2 雪的硬度 雪的状态雪的密度（g/cm3）当温度由-1-20OC 时雪的硬度 （kPa） 松 软 的 弱密实的 密 实 的 很密实的 小于 0.25 0.260.35 0.360.50 0.510.60 小于 50 60100 2102000 3803000 图 2.1 雪的硬度与密度和温度的关系 2.22.2 路面冰雪清除机基本方案、原理路面冰雪清除机基本方案、原理 对于路面冰雪的清除，人们曾尝试了各种清除原理和方案，这些原理和方 案有的已在实际中使用，有的则还在探索和完善中。例如，对于清除未被压实 的浮雪，犁式清雪机和转子式清雪机已在应用中，二者分别采用了推移和旋切 的原理。对于被压实的雪、冰或冰雪混合物，采用的清除原理有铲剁、锤击、 等，但这些方法经实验证明要么原理不完善，要么清除压实冰雪的效果不，有 待于进一步完善。 共 49 页 第 14 页 装 订 线 针对上述情况，本文尝试提出了一种对路面上压实的冰雪进行挤压、切削、 破碎的技术原理。这一思想的来源可联想到金属切削加工，如铣床的铣刀切削 表 2.3 内摩擦系数 2 雪 的 温 度（OC）雪的密度 （g/3）0 附近-1 -6-10 以下 0.12 0.20 0.30 0.40 0.47 0.56 0.24 0.30 0.35 0.40 0.42 0.45 0.29 0.33 0.39 0.44 0.47 0.50 0.34 0.36 0.46 0.50 0.53 0.57 表 2.4 外摩擦系数（对钢）1 雪 的 温 度（OC） 雪的密度 （g/3）-2-4 -16 -30 -10 0.1 0.2 0.3 0.4 0.45 0.50 0.10 0.085 0.07 0.055 0.048 0.025 0.14 0.097 0.08 0.065 0.048 0.033 0.18 0.11 0.09 0.075 0.056 0.040 加工金属件。根据这一思想，确定基本方案 首先选择一种汽车或自行式工程机械作为动力机。 在我国，由于冬季降雪时间只占全年的三分之一，根据我国的经济发展状 况，单独设计清除冰雪动力机一机一用，机械闲置时间太长，造成浪费。为此， 本文以装载机为动力机来研究清除冰雪工作装置。 根据对路面上压实的冰雪进行挤压、切削、破碎的基本思想，清除冰雪工 作装置可以由托架、带有刀刃的碾压滚组成，能够与铲斗互换，冬季除冰雪时 取下铲斗换上该装置，清除被压实了的冰雪，其他季节装上铲斗，实现装载机 的多功能使用。作为动力机的装载机，我们可以选择现有的国产机型如 ZL30、ZL40、ZL50 装载机。 本文确定 ZL40E 装载机作为动力机进行分析研究 和计算。 根据对路面上压实的冰雪进行挤压、切削、破碎的基本思想，清除冰雪工 作装置可以由托架、带有刀刃的碾压滚组成，能够与铲斗互换，冬季除冰雪时 共 49 页 第 15 页 装 订 线 取下铲斗换上该装置，清除被压实了的冰雪，其他季节装上铲斗，实现装载机 表 2.5 雪的切削阻力系数 k0 雪 的 温 度（OC）雪的状态雪的密度 C （g/3）-1-3-4-22低于-22 天 然 状 态 松软的 弱密实的 小粒冰雪形成密实 的 大粒冰雪形成密实 的 0.120.18 0.200.28 0.300.36 0.280.35 0.71.8 2.04.0 3.06.0 4.07.0 0.20.8 1.53.0 4.07.0 3.06.0 0.41.2 2.05.0 5.10.0 5.09.0 人 工 状 态 弱密实的 密实的 很密实的 0.300.40 0.450.52 0.550.65 5.012.0 10.025.0 20.035.0 8.025.0 15.040.0 30.080.0 5.035.0 30.080.0 70.0130.0 表 2.6 轮胎与冰雪路的附着系数 雪 的 状 态轮 胎 类 型附着系数 C 密实冻结的雪 密实冻结的雪 密实解冻的雪 压实的冻结雪 压实的解冻雪 解冻的雪 低压胎 高压胎 低压和高压胎 高压胎 高压胎 低压胎 0.200.35 0.200.25 0.100.20 0.209 0.176 0.060.08 表 2.7 行驶阻力系数 阻 力 系 数 f雪 的 状 态雪的密度 g/3）轮 胎履 带 共 49 页 第 16 页 装 订 线 松软的 松软潮湿的 轻碾压的 碾压的 冰雪 0.150.25 0.150.25 0.250.35 0.40.6 0.7 0.20.25 0.3 0.150.2 0.080.1 0.060.08 0.2 0.2 0.1 0.05 0.070.1 的多功能使用。作为动力机的装载机，我们可以选择现有的国产机型如 ZL30、ZL40、ZL50 装载机。 本文确定 ZL40E 装载机作为动力机进行分析研究 和计算。其主要性能参数如下： 额定斗容量（m3） 2.1 额定装载质量（） 4000 整机操作质量（） 12500 轴距（） 3020 轮距（） 1980 最大崛起力（kN） 136.0 最大牵引力（kN） 110.5 水平通过半径（mm） 6322 转向半径（mm） 5686 发动机型号 X6110ZG3-22 标定 1h 功率(kW) 113.9 额定转速（r/min） 2200 行驶速度（km/h） :14.46 :46.35 最大爬坡能力（） 30 车体最大转向角（） 左、右各 38 本次设计基本方案如图 2.2 所示，由托架、带有刀刃的碾压滚组成的冰雪 清除工作装置替换铲斗，碾压滚上的滚刀破冰，司机控制滑靴调节滚刀切入深 度，以免损伤路面。 共 49 页 第 17 页 装 订 线 图 2.2 路面冰雪清除机方案 动力机在行走的过程中带动碾压滚滚动。碾压滚滚动时，由于碾压滚上带 有刀齿，碾压滚靠自身的重量，附着在冰雪面上，刀齿切入经碾压后形成的很 厚的冰或冰雪混合物后，对其产生挤压切削破碎作用。 装载机是一种用途十分广泛的工程机械，它的优点之一是可按实际需要更 换工作装置。将清除冰雪装置换上后，即变成了路面冰雪清除冰机械。本次设 计选用 ZL40E 装载机作为动力机，将路面清除冰雪装置替换铲斗后即为路面冰 雪清除机。 路面冰雪清除机的关键部件是它的工作装置。该装置由两部分组成，即： 托架和带有刀刃的碾压滚。碾压滚与托架连接，托架与装载机动臂和转斗拉杆 相连。利用装载机的牵引力推动碾压滚滚动。 碾压滚形状呈圆柱形，碾压滚上用螺栓有一定数量的刀齿，刀齿与圆柱面 形成一定的角度。装载机启动前，碾压滚靠自身的重量附着在冰雪面上，同时 对冰雪面产生压力，启动后由于装载机的牵引力，推动碾压滚向前滚动。由于 压力的作用，刀齿产生切削力切人冰雪层内。由于滚动是连续的，所以刀齿对 冰雪层产生了连续的切削挤压，使冰雪层破碎并与地面分离。具体结构和参数 见第三章和第四章结构分析部分。 当地面冰雪层很硬很厚时，单靠碾压滚自身的重量对冰雪产生的压力使刀 齿产生的切入力不够，清除冰雪效果可能不十分理想。这时可以考虑： (1) 在冰雪清除工作装置滚筒内部加配重，装置对冰雪的压力加大，刀齿 的切入力也加大。 (2) 通过司机操纵转斗油缸动作减小或加大对冰雪的切削压力。当操纵转 斗油缸使装载机前轮离地时，装置产生最大的对冰雪压力，此时除装置本身重 量外，动力机机重的一半亦加在了冰雪清除装置上，使刀齿产生更大的对冰雪 的切削力。 2.32.3 整机分析及装置重量的确定整机分析及装置重量的确定 2.3.12.3.1 整机的组成整机的组成 路面冰雪清除机的总体分析和设计就是根据其用途合理地选择和确定各总 成的结构型式、性能参数及整机尺寸等，并进行合理的布置。 本次设计由于是把 ZL40E 装载机作为动力机，所以需要考虑的是把清除 共 49 页 第 18 页 装 订 线 冰雪装置与动力机有机的结合在一起。路面冰雪清除机主要由两大部分组成 （见图 2-2）：1、动力机（装载机）2、清除冰雪装置（托架、带有刀刃的碾 压滚） 。 机器的性能不仅取决于动力机、清除冰雪装置各自性能的好坏，而更重要 的是取决于这两大部分性能的相互协调。性能的协调如何，则取决于总体参数 及整机匹配情况及其布置的合理性。 针对前述的基本方案并考虑动力机的基本参数，确定本设计中路面冰雪清 除机的主要性能指标如下： 1） 最大清除冰雪厚度： 不小于 100 mm ； 2） 单程清除冰雪宽度： 2268 mm ； 3） 作业速度： 1647 km/h ； 4） 清除冰雪效率（按面积计算） 不小于 95% ； 5） 冰雪清除装置质量（最大配重） 3600 kg ； 6） 整机质量(最大) 12500 kg 。 2.3.22.3.2 清除冰雪装置重量清除冰雪装置重量 冰雪清除装置替换掉 ZL40E 装载机铲斗。装置与铲斗的工作状况不同，其 计算工作阻力的方法也不相同。铲斗在工作时，受到来自前方土壤的阻力，作 用在斗刃、斗底、侧板等部位，由经验公式计算。本次设计的冰雪清除装置随 装载机主机一边向前滚动，一边切削地面上的冰雪，其受到的阻力大小和重量 的确定与铲斗不同。 冰雪清除装置重量的确定有三个基本要求： (1) 装置的重量不得大于动力机（原装载机）的额定起重量 Q（kN） ，否则 机器将失去纵向稳定性； 冰雪清除装置的结构尺寸不得与动力机前车架、前桥、车轮干涉； (2) 由装置所产生的刀刃上的切削力应足够大，且大于冰雪的切削比阻力。 根据上述三个条件进行冰雪清除装置的结构设计。装置由刀刃滚圈轮榖 轴端盖托架配重组成。配重装置在滚圈内部。其具体结构见第三章 3.1.1 部分图 3.1。按图可分别得到各零部件重量： 滚圈： 10004N 轮毂： 3646N 轴： 1052N 轴套： 720N 共 49 页 第 19 页 装 订 线 托架梁: 8472N 配重: 6385N 其它零部件： 5721N 装置不加配重重量：G0=29615N 装置加配重重量： G1=36000N 由装置结构和在整机上的安装可知结构上不存在干涉现象。装置加配重重 量 G=36000(N)，小于我们所选动力机 ZL30 装载机的额定起重量 Q=40000(N)。 由装置重量所产生的切削力将在第四章中加以讨论。 第第 3 3 章章 碾压滚结构及参数碾压滚结构及参数 3.13.1 碾压滚结构形式碾压滚结构形式 碾压滚是冰雪清除工作装置的关键部件，合理的结构形式对冰雪清除机的 性能起着重要的作用。碾压滚的结构形式主要考虑圆柱形式，圆柱形式碾压滚 有其独自特点。 路面冰雪清除机的功能是清除附着在地面上的坚硬的冰雪混合物。从理论 上讲，我们可以把冰雪层看成一个平面，使冰雪混合物与地面分离，就好比用 铣刀在加工一个平面。用来加工平面最常用的刀具就是圆柱铣刀。为此，可以 考虑在一个圆筒形的滚筒上安装上刀片或齿刀，构成碾压滚。而碾压滚的旋转 轴可以通过轴承安装在托架上，托架的后铰支点分别安装在装载机的动臂铰点 和拉杆铰点上。在圆筒形的滚筒的内部可以加适当的配重。冰雪清除工作装置 的结构如图 3.1 所示。 3.23.2 碾压滚参数碾压滚参数 碾压滚是本次设计整个路面冰雪清除机的最关键部件。在结构设计时根据 第二章 2.3 中述及的对冰雪清除装置的三个基本要求确定了重量。装置（包括 托架）不加配重重量为 G0=29615N ；在碾压滚筒内部加上配重后冰雪清除装置 重量为 G1=36000N 。由于在本次设计中齿刀与碾压滚筒是通过螺栓来连接的， 因此为了保证螺栓联结的牢固以及其强度，碾压滚采用双滚筒焊接结构，每个 滚筒厚度为 15mm，所以碾压滚筒直径 900mm ，宽度 2268mm ,材料采用 Q235- A，厚度 30mm 。托架材料亦采用 Q235-A，厚度 30mm 。整个冰雪清除装置 最大宽度 2650mm 。 共 49 页 第 20 页 装 订 线 3.33.3 工作阻力的计算工作阻力的计算 整机工作时受到的水平切线方向工作阻力主要有两部分组成：刀齿切入后， 由于冰雪变形断裂破碎对磙子产生的阻力；碾压滚的滚动阻力。由于刀齿和冰 雪之间相互作用非常复杂，工作阻力的精确计算公式很难从理论上建立，另外， 由于整机工作时外负荷是动态变化的，准确地计算工作阻力意义不大。故在此 参照装载机推土机铲运机等自行式铲土运输机械工作阻力的计算方法，提 出一个计算路面冰雪清除机工作阻力 Px的经验公式。 21PPPx （3.1） 图 3.1 冰雪清除工作装置结构 式中 Px 水平工作阻力； P1 冰雪变形断裂破碎对磙子产生的阻力； P2 碾压滚的滚动阻力。 BhKKPn01 12fWP 则 10fWBhKKPnx （3.2） 式中 Kn刀齿不均匀影响系数， Kn =1.01.5； K0 冰雪切削阻力系数, K0 =70130kpa； B 碾压滚宽度； H 冰雪厚度； f 阻力系数，从表 2-7 中选取。 W1 工作装置重量(带配重)，W1=36000N。 根据上述经验公式，可以计算出路面冰雪清除机工作时所遇到的最大水平 切线工作阻力。 共 49 页 第 21 页 装 订 线 P1 = 1.51300002.2680.1=44226N P2 =0.136000=3600 N Px =47826N =47.826 kN。 从 ZL40E 装载机的主要性能参数可知，该阻力值不大于对应额定滑转率工 况的一档和二档的牵引力。动力机在额定滑转率下具有足够的牵引力克服水平 工作阻力。 第第 4 4 章章 齿刀的研究齿刀的研究 4.14.1 齿刀在碾压滚上的排列齿刀在碾压滚上的排列数量数量间距间距 齿刀是清除冰雪装置上的重要零件，齿刀设计的好与坏将直接影响到整机 清除冰雪的效果。 在冬季，高速公路、普通公路、市区道路上积雪由于清扫不及时，而被碾 压成冰或冰雪混合物状态。这层冰雪由于受到温度的变化和外力挤压密度很大。 由于地面上有灰尘等其他杂质的存在，这层冰雪与地面的粘连不是十分紧密的， 因此只要冰雪层被破碎，形成面积较小的碎块，就能自动与地面剥离。我们在 分析齿刀的数量及间距时主要是依据冰雪的这种特点。 刀齿的排列方式及数量将直接影响到工作装置的清除冰雪效果。 齿刀过密、间距过小甚至没有间距，虽然刀齿受力减小，但从压实冰雪的 特点来看，造成整机成本增加，是没有必要的。另外，周向布置排数过多、过 密造成前排刀齿还没有切入冰层，后排刀齿已与冰雪面接触，连续工作情况下， 不是有效的除去冰雪，而是象一个机动车的防滑装置。 布置排数过少，齿刀过稀，间距过大，使刀齿切入冰雪层后，不能产生有 效的挤压，造成部分区域冰雪层不能被破碎，形不成小碎块，冰雪层难与地面 分离。清除冰雪效果不好，工作效率低。 齿刀碾压滚组组件如图 4.1 所示。 刀齿在滚子轴向共布置 12 排，滚子分两节，每节 6 排。轮缘上每圈均匀 布置 13 个刀片，相邻圈上的刀片错开 1/2 间距排列。刀片总数量 156 片。 整机启动后，当第一排齿切入冰雪面后，造成冰雪层松动，如果各排齿间 距过大，在工作面上看到的只能是一排排印痕，起不到对冰雪的破碎作用。由 于滚动是连续的，当后排齿连续切入冰雪面时，因为各排刀齿错开 1/2 齿距排 共 49 页 第 22 页 装 订 线 列，单位面积上的冰雪层同时有若干个刀齿切入，单位面积切入力加大，造成 有效工作面积内冰雪层完全破碎而与地面分离。 4.24.2 齿刀几何参数齿刀几何参数 齿刀与滚筒的连接可以采用两种方式，即焊接和螺栓连接。焊接方式强度 高，螺栓连接易于更换刀齿。本次设计采用螺栓联结方式。其结构与尺寸见图 4.2 所示。 齿刀材料选取 1 6Mn,因刀具角度是切削性能的重要参数，通过分 析比较，确定了齿。刀的几个关键角度。齿刀前角为 20，后角 72，齿刀 在滚筒上的安装采用前倾式，安装角 160。 图 4.1 压滚组件 4.34.3 切削力计算切削力计算 由表 2-5 知，密实冰雪（0.550.65g/m3）在-20以下的切削阻力 系数p=（70-130）kPa 。冰雪清除装置上的齿刀对冰雪的切削力等于装置的 重量除以刀刃的接地面积。 冰雪清除装置加配重对冰雪产生的压力 p1=G1/A=36000/(2.2680.01)=1587.3 kpap （4.1） 由此可知，冰雪清除装置对冰雪产生的切削力在两种情况下均大于冰雪的 切削比阻力。 共 49 页 第 23 页 装 订 线 图 4.2 刀齿结构与参数 第第 5 5 章章 主要零件校核计算主要零件校核计算 5.15.1 轴承的校核计算轴承的校核计算 5.1.15.1.1 当量动载荷的校核当量动载荷的校核 在本次设计中，轴与支架之间的联结选用深沟球轴承 6220，其主要参数为 轴承参数： 轴承内径： 100（mm） 轴承外径： 180（mm） 轴承宽度： 34（mm） 额定动载荷：94000(N) 额定静载荷：79000(N) 润滑方式： 脂润滑 极限转速： 4300(r/min) 滚动轴承的基本额定动载荷，是在一定载荷条件下确定的。根据滚动轴承 的实际受载情况，在许多场合，常常同时承受径向和轴向载荷的复合作用，为 了计算轴承寿命时能与基本额定动载荷在相同的条件下比较，需将实际工作载 荷转化为一个假想载荷。在此载荷作用下，轴承的寿命与实际载荷作用下的寿 命相等，称该假想载荷为当量动载荷，以 P 表示。当量动载荷的一般计算公式 为： P = fp ( XR + YA ) （5.1） 式中 X径向载荷系数； Y轴向载荷系数； R轴承所承受的径向载荷； 共 49 页 第 24 页 装 订 线 A轴承所承受的轴向载荷。 fp载荷系数，考虑机器的运转情况对轴承载荷的影响，查表 5.1。 在本设计过程中，所选轴承仅受径向力，而轴向受力为 0，由机械设计册 查得轴承的径向载荷系数