多功能清雪车总体布置设计机械CAD图纸

本科机械毕业设计论文CAD图纸 QQ 401339828 摘 要本设计为多功能清雪车，能够清除浮雪、厚雪、薄冰、轧实的冰雪，可有效清除025cm厚浮雪和010cm厚的轧实冰雪，达到见黑路面效果。可广泛用于市政道路、高速公路、普通公路、机场等地。多功能清雪车以中国一汽生产的CA3253P7K2T1AE型卡车为行走系统，以一汽解放汽车有限公司无锡柴油机厂生产的BF6M1013-28E3/ BF6M1013-26E3发动机为作业系统的驱动装置，将除雪机构与其底盘车架连接，并对除雪车的雪铲、扫雪排、撒布机机构进行结构参数设计，分析了雪铲的工作阻力，通过对冰雪力学性质、整车性能匹配的研究，提出设计方案。本文的主要工作如下：（1） 调研分析机械清雪的重要性能及可行性。结合国内外目前的研究状况，明确清雪机械的发展趋势，确定研究方向。（2） 研究积雪的物理机械性能。（3） 铲车型号的选择及铲的设计。确定铲的参数，选择适合型号车。（4） 整车受力及积雪的运动分析。计算清雪车在作业过程中整车的受力情况，分析各参数对清雪作业的影响；通过对雪单元体的研究，分析铲雪作业时的积雪运动。（5） 稳定性分析。铲的特殊位置决定了其在作业过程中突出的稳定性问题。铲对清雪车作业稳定性的影响较大，为保证清雪车安全作业。关键词：除雪铲；撒布机构；扫雪排；滚雪刷；轨道升降机构AbstractThis design for the multi-purpose clear sleighs, can eliminate floats the snow, the glazed frost, rolls over the solid snow and ice, but eliminates 025cm to float the snow and 010cm thick effectively thick rolls over the solid snow and ice, achieved sees the black road surface effect.But widely uses in places such as municipal administration path, highway, common freeway, airport.This article take a Chinese steam production CA3253P7K2T1AE truck as the undercarriage system, if take a steam liberation automobile limited company Wu xi diesel engine plant production BF6M1013-28E3/ BF6M1013-26E3 engine as the work system drive, will remove snow the organization the chassis frame connection, and will carry on the design parameter design to the snow removal breaker construction, has analyzed the roller compaction gun working resistance, through to the snow and ice mechanical properties, the breaker construction, the entire vehicle performance match research, will propose the improvement program. Keywords: shovel snow removal And cloth institutions sweep row rolling snow brush rail lifting mechanism目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 研究的目的及意义11.2 国内外研究现状和发展趋势21.2.1 路面除冰技术的发展历程21.2.2 国外路面除冰设备的研究现状41.2.3 国内路面除冰设备的研究现状51.2.4 路面除冰雪技术的发展趋势71.3 本章小结8第2章 路面压实冰雪物理力学性质92.1 冰雪的成因与分类92.1.1 路面冰雪分类92.1.2 路面压实冰雪的成因102.1.3 影响因素102.2 路面压实冰雪力学性质122.2.1 抗压强度122.2.2 抗切强度132.2.3 相关系数142.3 压实冰雪破坏准则152.4 本章小结18第3章 清雪车分类及特点193.1 清雪车分类193.1.1 按工作装置特点分类193.1.2 按整车特点分类223.2 本章小结22第4章 前雪铲板空间曲面设计234.1 清雪铲前铲设计234.2 清雪铲铲板曲面结构参数确定264.2.1 推雪铲设计264.2.2 独立壁障装置设计294.3 本章小结31第5章 清雪车部件设计325.1 滚雪刷设计325.1.1 卧式滚扫刷刷毛排布形式分类325.1.2 整滚刷安装位置不同分类335.1.3 按滚刷驱动分类345.1.4 整滚刷刷毛选择355.2 扫雪排设计365.3 撒布机设计375.4 油路设计385.5 本章小结39第6章 整车受力分析416.1 清雪铲受力分析416.1.1 除雪铲除雪阻力计算416.1.2 除雪铲行驶阻力计算416.1.3 除雪阻力、附着力和除雪功率的计算426.2 理论计算426.2.1 牵制除雪铲功率计算条件426.2.2 除雪阻力计算446.3 形式阻力计算466.4 除雪阻力计算476.5 除雪功率计算486.6 车辆侧向稳定性分析486.7 本章小结49结 论50致 谢51参考文献5253第1章 绪论1.1 研究的目的及意义城市道路是城市重要基础设施，它构成城市的骨架，我国北方冬季时间长，降雪量大，不及时清除积雪，将严重影响交通及安全，给生活、生产带来诸多问题，多功能清雪车的研制，改变环卫工作环境，减轻其劳动强度，提高其工作的效率和安全性，改善城市冬季交通和卫生环境，保障道路的畅通，减少交通事故，满足市区道路通行的需要，有重要的实用价值。近几十年来，国外除雪车发展非常迅速，种类越来越多，各种生产厂商在采用新技术、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，以适应冬季除雪提出的更高要求，增强产品的竞争力。 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，这后来便发展成犁式除雪车。早在1943年日本就开始把V型犁安装在载重卡车上用于除雪。 经过多年的发展，国外犁式除雪车以具有较高的技术水平。以俄罗斯产品KO281222型犁式除雪车为例，这种除雪车基础车采用MT323082型拖拉机，其功用有除雪、清除垃圾和沙堆，既可以用于街道、人行道的垃圾清除，也可以用于公路和建筑工地的除雪。犁式除雪车的工作装置有推土板、犁刀和圆盘刷，其除雪宽度为：推土板2.5m；犁刀2.5m；圆盘刷1.8m。随着除雪技术的不断革新，在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。我国的除雪机械开始于20世纪80年代后期，相关研究单位主要集中在东北、西北和华北地区，先后有十几种型号除雪车研制成功。国内主要研发的有西安公路研究所研制的L9280型除雪车、哈尔滨林业机械研究所研制的CBX-216综合破冰除雪机、吉林交通科学研究所研制的CL-3.6和CL-3.5型系列除雪犁、吉林省盘石县公路养路段研制的CL-2.4型公路除雪器、陕西高速公路管理局研制的FCX-1型除雪车、吉林省公路机械厂与原吉林工业大学共同开发的CB1500压实冰雪清除机、重庆迪马公司生产的DMT5160TYH多功能除雪车，该除雪车装备有推雪铲、滚刷、融雪剂散布机等装置、哈尔滨雪狼除雪机械设备有限公司生产的用于清除硬冰雪的CXL-2、CXL-3型除雪机和北京永锋科技有限公司研制的雪豹YF系列的多功能喷气式除雪车等。目前，国内除雪车的开发研制工作还主要集中在铲式除雪车和融雪剂散布机这两种除雪车形式，但由于专业的除雪车，因其庞大的体积，降低了操作灵便性和除雪效率，因而选择一款操作灵便、通用化的汽车来改装成一除雪车，来补充专业除雪车的不足。1.2 国内外研究现状和发展趋势1.2.1 路面除冰技术的发展历程在世界范围内，寒冷地区的国家冬季路面上都存在不同程度的积雪结冰。研究路面除冰技术具有十分广泛的重要意义。路面除冰技术的发展经历了人工清除、机械化清除和智能化清除三个阶段。人工除冰法主要依靠人力用简单的劳动工具来完成路面冰雪的清除。人工除冰是最早期、最原始的除冰方法。虽然人工清除冰雪比较彻底，但是作业时间长、劳动强度大、效率低、耗费大量的人力、物力和时间，作业时影响车辆通行和行车安全。目前，人工除冰法只适用于小范围冰雪的清除或重点路段冰雪的清除。随着科技水平的不断提高，交通建设的飞速发展，机械化的除冰技术应运而生。目前，常用的机械化除冰技术主要包括化学除冰法、热力除冰法和机械除冰法三种。（1）化学除冰法化学除冰法是一种依靠撒布盐类除雪剂来降低冰雪危害的方法。其原理是降低冰雪的冰点。化学除冰法既可以用来清除路面结冰，也可以清除浮雪，是国际上比较常见的一种路面冰雪清除手段。在一定环境条件下，化学除冰法可以有效的清除道路冰雪，改善道路安全状况，提高道路运输效率。但是化学除冰法的负作用也比较明显，主要体现在： 除冰效果受环境温度影响较大，存在反复结冰现象； 造成沥青路面脱层，路面大面积破损； 对桥梁的结构存在着腐蚀性，使桥梁结构的耐久性下降； 腐蚀机动车辆的轮胎及车辆底盘，大大降低其性能和使用寿命； 造成路边的土壤盐分增加，土壤板结硬化贫瘠；造成城市绿地黄化，树木枯死，甚至影响道路附近农作物的生长； 造成水体污染，危害动物生命和人类健康。近年来，虽然无毒性和无腐蚀性的环保型除雪剂，如生物降解型除雪剂等已经问世，对环境和植物的破坏减少了，但是并未彻底根除。因此化学除冰法的应用还是受到了一定的限制。（2）热力除冰法热力除冰法利用热能使冰雪融化，消除冰雪危害，分为微波加热、红外线加热、喷气发动机加热等类型； 微波加热。利用微波穿透冰雪加热路面，使得贴近路面的冰雪融化，消除了路面和冰雪之间的结合力使二者分离，达到清除目的； 红外线加热。使用柴油作为燃料加热红外线加热板，利用其热辐射作用使路面上的冰雪迅速融化； 喷气发动机加热。利用喷气式发动机排出的高温热气流对路面冰雪进行加热使其融化以达到清除目的。虽然热力除冰法清除冰雪速度快，安全性好但该方法往往耗能较大，费用较高，所以其适用范围也受到很大限制。（3）机械除雪法机械除雪法通过机械装置对冰雪直接作用来消除冰雪危害，按其工作原理可以分以下几种形式。振动式。振动式主要利用冰雪在振动作用下，小变形可以引发脆性断裂的特点。振动轮在振动马达带动下振动，使其表面的刀具切入、挤压冰雪。振动式的工作效率高，清除冰雪效果比较好，能够有效的避免路面的损坏。但是显而易见，振动式的结构复杂，制造成本高。铲剁式。铲剁式模仿人工除冰，利用压实冰雪硬而脆，不耐冲击的物理性质。由多种刀具组成的工作铲在曲轴的带动下上下往复运动，对路面的压实冰雪进行周期性的剁击。铲剁式工作效率较低，容易损伤路面，应用范围受到限制。推切式。除冰铲是推切式除冰装置常用的结构。铲刃在压力作用下切入冰雪层，在牵引主机推动下清除冰雪。除冰铲结构比较简单，技术比较成熟，工作效率比较高。但是由于工作阻力大，除冰铲清除冰雪的硬度受到很大限制，需要大功率的牵引主机。此外，铲刃的磨损比较严重，对路面有一定的损伤，当路面起伏波动较大时除冰铲的清除效果受到影响。碾压式。碾压式利用压实冰雪脆性高，易断裂的特点，通过滚筒上面的组合刀片，依靠自重和主机的协调压力使楔形刀具切入冰雪层。随着切入深度的增加，楔形刀具对冰雪层产生挤压作用，使冰雪层脆性断裂、破碎，并与路面剥离。碾压式结构简单，工作性能更好。机械除冰易于实现一机多用，不使用化学药剂，无污染，能够很好的保护环境和植被，公路两侧的农田或者绿化带内是天然的堆放场所，还利于春季土壤保墒，所以它在国内应用最为广泛。随着人们对路面除冰技术研究的不断深入，出现了一类更为先进的除冰技术-智能化除冰技术。智能化除冰技术着眼于借助路面的某些特殊功能阻止路面积雪形成或者融冰除冰，目前主要包括自应力弹性路面技术、导电铺面融冰技术、太阳能土壤蓄热融冰雪技术。自应力弹性路面技术利用弹性材料局部变形能力较强的特性，通过在路面铺装材料内掺入一定量的橡胶颗粒，改变路面的变形特性。路面在外载荷作用下产生的自应力从而有效地抑制路面积雪结冰。导电铺面融冰雪技术是指在普通沥青或者混凝土中添加聚合物类、炭类或金属类导电组分材料，使之具有良好导电性能。冬季将电能转变为热能使路面温度升高，冰雪自动融化，从而保障交通畅通和行车安全。太阳能土壤蓄热融冰技术是指在道路中铺设太阳能采集系统，在地下土壤中设置能量储存系统，将太阳能收集并储存。降雪时将能量提取至路面，提高路面的温度融化冰雪1.2.2 国外路面除冰设备的研究现状国外降雪频繁的国家都很重视清雪机的研制和使用，机械清雪技术较为先进，已经进入专业化的时代，产品在技术、工艺和性能上都较为成熟。目前，国外针对路面积雪结冰的清除技术还是以撒布除雪剂为主，设备既有综合式的多功能专用除雪车，也有以工程车辆底盘为主机的一机多用型清雪车。国外清雪除冰设备主要生产厂家有瑞士BOSCHUNG公司、丹麦的EPOKE公司、德国的DAIMLER-BENZ、VOLKSWAGLN公司、英国的SCHMIDT公司、美国的S&S、BOBSCHUNG公司、日本和俄罗斯的生产厂家更是不胜枚举。瑞士BOSCHUNG公司的智能移动式撒布机，如图1-1中（a）所示。该机存放除雪剂的料斗容积可达12立方米，除雪剂的撒布量连续可调，撒布宽度与撒布剂量自动同步，并配有自动装卸装置。日本冬季降雪频繁、其清雪机械的技术水平处于世界领先地位。清雪卡车、清雪推土机、清雪平地铲、防冻剂撒布车等清雪机械设备在日本普遍应用。防冻剂撒布车通过喷洒防冻剂来防止路面积雪碾压冻结，撒布性能和行驶速度的协调性较好，是保证道路安全的重要工具。高速压雪清除机如图1-1中（b）所示，采用4300mm宽清雪铲，根据压实积雪的性状，开发了振动式和压力信号综合自动化监测系统，有效地控制清雪铲的推力和角度，极大的提高了清雪作业能力。CE520NN型清雪卡车是日产柴油工业株式会社生产的大型多功能清雪车，可以通过配置刮雪刀清除压实冰雪。刮雪刀安装在车辆前后轮中间，高度有500mm和670mm两种。清雪卡车的主机采用10档位变速箱，变速操作容易在清除压实雪，车辆反复前进、后退、变速时，车辆的舒适性、操作性、安全性有很大提高。图1-1国外路面除雪设备1.2.3 国内路面除冰设备的研究现状我国清雪技术的研发起步较晚，始于20世纪80年代后期，相关研究单位主要集中在东北、西北、华北地区，先后有几十种型号的清雪车研制成功。几年来一些厂家参照国外先进技术，研发出适合我国清雪作业急需的梨板式和转子式清雪车以及拖式撒盐车等车型，但与世界先进国家清雪车发展相比，产品数量及性能差距较大，远不能满足道路清雪需求。目前，国内主要的清雪设备有沈阳路泰达除雪机械生产的H2800型击振破冰清雪机、H1900型破冰清雪机，如图1-2中（a）（b）所示；北京银海除雪机械有限公司生产的HM16-TTR加热王，如图1-2中（c）所示；雪狼除雪机械生产的雪狼CXL-2清雪机，如图1-2中（d）所示；哈尔滨林业机械研究所研制的CBX-216综合破冰清雪机；徐州装载机厂生产的公路养护用轮式震动除冰车。（a）H2800型击振破冰清雪机 （b）H1900型破冰清雪机 （c）HM16-TTR加热王 （d）雪狼CXL-2清雪机图1-2 国内道路除雪设备经过二十多年来的探索和研究，我国的路面除冰技术和设备取得了和大的进步，但是从总体上看来，我国对路面除冰设备的研发和生产尚处于起步阶段，除冰设备的技术水平还比较落后，主要体现在以下几个方面：（1） 技术水平低。除冰设备在结构设计、制造、设备使用管理和维护等方面都存在问题。（2） 品种类型不全。目前，不少种类的路面除冰设备在我国还是一片空白，尤其是用于路面压实冰雪的大型设备。（3） 避让功能不理想。我国现有的除冰设备大部分避障能力较差在除冰作业中，常常因为避障不及时导致作业属具或者牵引主机的损坏。（4） 对路面养护能力差。在作业路面凹凸不平时，除冰设备容易对路面造成破坏。1.2.4 路面除冰雪技术的发展趋势目前，路面除冰技术的主要发展趋势(1)高效化。高效化的发展趋势包括两个方面，一是作业效率高效化，二是冰雪清除程度的高效化。只有高的作业效率和高的清除效率，才能保证路面冰雪在最短的时间内得到及时和有效的清除，保障道路畅通和安全。 (2)低耗化。统计资料表明，冰雪清除设备在清除路面冰雪时的能量消耗成本占总成本的80%以上。降低能量消耗，是降低冰雪清除成本的直接和有效的方法。 (3)智能化。由于路面形式的多样性，尤其是城市道路路面的复杂性，要求冰雪清除设备能够及时准确地识别路面情况并作出相应的判断和动作，防止作业属具损伤路面，保护冰雪清除设备，有效地清除路面冰雪。 (4)多功能化。工作性质的多功能性，可以实现一台设备清除各类冰雪，降低设备的投入资金，减轻企业负担；工作范围的多功能性，可以在冰雪清除的非作业期间，拆除冰雪作业属具，使主机从事其它作业，问接降低设备投入成本，提高企业经济收益。 (5)环保化。冰雪清除设备的环境保护，包括设备主机对环境的影响和冰雪清除方法对环境的影响两个方面。设备主机对环境的影响，通常包括噪声和尾气，因此，选取符合环保标准的主机是关键。着重多功能小型化，同时中国的除雪机械还应该着重向兼用型的方向发展，可对多种机械如卡车、推土机、建筑机械等实施改造，或配备雪犁等除雪装置，只是在冬季降雪时进行除雪作业，其余时间可进行洒水、清扫等多种路面养护作业及其他常规作业。除雪机械应尽量采用机、电、液新技术，实现自动控制，提高除雪机械的科技含量，减轻工人的劳动强度，提高扫雪除冰的效率。1.3 本章小结本文结合哈尔滨市城市道路情况，参照吉林北欧多功能清雪机进行设计，主要研究以下几个方面内容：（1）副发动机和除冰装置的结构形式；分析路面压实冰雪的物理力学性能和破坏准则，为清雪车的相关设计、分析计算奠定基础。（2）研究清雪车的结构和整车性能。确定本文选用牵引装置。（3）研究清雪车清雪铲工作机理。对清雪铲结构和参数进行设计；对清雪铲的切线阻力进行分析计算。第2章 路面压实冰雪物理力学性质2.1 冰雪的成因与分类2.1.1 路面冰雪分类日本冰雪协会雪质分类委员会经过对道路雪质调查，得出路面冰雪分类,本文节选出一部分，如表2.1所示。 表2.1 路面压实冰雪分类表 分类状态 特征雪粒状态密度/ 新雪结晶状刚下的雪100左右 粉雪粉状车辆带起的由新雪雪片分裂而成的小颗粒雪粉积存物直径为0.050.3mm相互没有连接的圆粒270410 压雪板状被压过的积雪雪粒直径为0.050.3mm相互连接的圆粒450750 冰雪板状压雪渗进水以后又冻结，厚度在1mm以上雪粒直径为0.052mm的多结晶冰，含有粒径0.10.5mm的气泡750900冰膜薄冰膜冻结的水膜在地面或积雪上，厚度在1mm以下雪粒直径为0.10.4mm的多结晶冰，含有粒径0.010.1mm的气泡2.1.2 路面压实冰雪的成因根据我国气候及交通状况，结合表2.1，将路面压实冰雪的形成原因归纳为以下三个方面： （1）碾压。冬季路面降雪经过车辆和行人的碾压，密度较小的新雪被压实，形成高密度的压实雪。（2）反复融冻。冬季由于昼夜温差变化，路面降雪在一段时间内出现反复的融化、冻结，在路面上形成坚硬的冰雪层。（3）冻雨。冻雨是初冬或冬末春初时节的一种灾害性天气现象。冻雨落在路面上，随即冻结成光滑的冰层。随着雨量的增大，冰层也越结越厚。以上三方面原因往往同时存在并相互作用，因此本文把压雪、冰雪和冰层统称为路面压实冰雪。压实冰雪在路面上的存在形式如图2-1所示。从图中可以看出，压实冰雪通过粘结层和路面固结在一起。通常情况下，粘结层的厚度仅有几毫米。图2-1压实冰雪存在形式示意图2.1.3 影响因素由压实冰雪形成原因可以看出，压实冰雪的性能不仅受温度、水分的影响，还与外界压力、路面杂质、路面表面特性因素有关。（1） 温度1 温度影响积雪中水分的析出和冻结当温度高于0时，路面积雪开始融化，水分不断增多。水分是冻结不可缺少的重要因素。当路面温度接近0时，压实冰雪内部、压实冰雪与路面之间的水分开始凝结，由液态向固态转变。温度持续下降，路面与压实冰雪界面处的水分凝固加剧，两者之间的粘结层强度不断增大，并将压实冰雪和路面牢牢地连接在一起。当温度降到一定界限后，温度的降低再不能从压实冰雪内部得到更多的水分，界面间的粘结层强度不再增大，界面处于系统平衡状态。2 温度影响冻结速度温度变化的快慢会影响冰雪的冻结速度，而冻结速度的变化影响冻结压实冰雪的结晶形态。不同结晶形态的冰雪，其性能变化很大。由此可见，温度是影响路面压实冰雪性能的重要因素，对压实冰雪与路面的粘结起着关键作用。路面压实冰雪和粘结层的性能是随温度不断变化的。（2）压力压力是形成路面压实冰雪的重要条件，冰雪受到的压力情况与被压实后的冰雪的性能有直接关系。压力作用的效果直接体现在压实冰雪的密度和硬度上。压力影响水分的析出降雪在压力作用下，会有一定的雪花转化为水。压力作用的次数越频发，降雪转化为水的数量就越多。压力影响压实冰雪的密度和强度压力会使路面冰雪的密度和强度大大增加，这是因为所施加的压力一方面使积雪被压实，另一方面压力会集中在界面上，使界面处冰雪层与路面的接触更加紧密，水分向界面渗透加剧。渗透到路面的水分冻胀，大大增加了冰雪对路面的“抓固”作用，增加了整体的强度。在现实情况中，冰雪受到的压力大小和次数均无法准确衡量，所以压实冰雪的性能仍有很大的随机性。（3） 冻结时间在特定温度下系统的平衡依赖于冻结时间。在系统未进入热量平衡之前，冻结时间与压实冰雪的强度呈线性增长关系，冻结时间越长，压实冰雪的强度就越大。当系统进入热量平衡后，强度趋于平衡不再发生变化。由此可见，路面压实冰雪的形成过程是系统散失热量，水分凝固结冰的过程。冻结时间与压实冰雪的强度有直接的关系。（4） 路面表面特性与杂质 路面表面特性压实冰雪性能受到路面表面特性的影响，主要包括路面的粗糙度和表面湿润性等表面特性与导热性、热膨胀性等材料热特性。我国等级路面分为沥青类路面和水泥混凝土类路面两种。北方地区路面以沥青类路面为主。较小的空隙率使沥青混凝土路面具有透水性小、水稳定性好、耐久性高、有较大的抗自然因素的能力，使用年限可达1520年以上。沥青混凝土路面表面粗糙度大、抗水性好、比热小、热膨胀系数小，压实冰雪与沥青路面的冻结十分坚固。 路面杂质 在各种公路的路面上，不可避免的存在各种杂质，比如粉尘、泥沙、碎石颗粒物等。这些杂质的存在对路面压实冰雪的性能也有重要影响。当路面与压实冰雪之间存在杂质时，杂质起到了凝结粘合的作用，水的结合冻不均匀，增大粘结层强度。一般情况下，粘结层的强度高于压实冰雪的强度不同的路面的表面特征及路面杂质的存在情况各不相同，所以路面压实冰雪的性能是随着路面杂质不断变化的。2.2 路面压实冰雪力学性质2.2.1 抗压强度压实冰雪的抗压强度是清雪车设计的重要参数之一，指压实冰雪抵抗其他物体进入的能力，用物体进入冰雪时单位面积上所受到的阻力表示。压实冰雪的抗压强度因环境不同而不同，强度值随密度的增加而增大，随温度的降低而增大，统计数值如表2.2所示。表2.2 压实冰雪的抗压强度冰雪类型冰雪的密度 (kg/) -1-20时抗压强度的 范围（MPa）压雪4507500.21.67冰雪7509000.92.94冰层900左右1.04.02.2.2 抗切强度抗切强度定义为切割每单位横截面积压实冰雪所需的力，包括压实冰雪各种形式的变化强度。目前，抗切强度的计算大多利用经验公式 （2-1）式中 抗切强度，Pa； 作用在刀刃上的切削阻力，N； b 切削刃宽度，m； h 切削层厚度，m。 利用抗切强度可以很简便地进行压实冰雪清除装置阻力计算和清雪车的牵引特性分析，压实冰雪的抗切强度如表2.3所示表2.3 压实冰雪的抗切强度 冰雪厚度（kg/） 抗切强度（Pa） 温度（）0-1-2-10-10以下3004005.012.08.025.05.035.045075010.025.015.040.030.080.075090020.035.030.080.070.0130.02.2.3 相关系数压实冰雪清除装置设计、清雪车的工作阻力计算和牵引性能分析涉及到冰雪的摩擦系数、冰雪路面的附着系数、冰雪路面的行驶阻力系数的选取。冰雪的摩擦系数包括外摩擦系数和内摩擦系数，外摩擦系数是指冰雪与其他物体之间的摩擦系数，内摩擦系数是指冰雪内部之间的摩擦系数。本文的外冰雪摩擦系数具体指冰雪和钢铁之间的摩擦系数，取值表2.4。冰雪内摩擦系数取值如表2.5所示。内外摩擦系数都与温度和冰雪的密度有关。表2.4 冰雪和钢铁的摩擦系数 摩擦系数 冰雪密度（kg/） 温度（）0-1-2-15-16-304505500.0560.040.055506500.050.030.046507500.040.020.03750以上0.030.0150.02表2.5 冰雪的内摩擦系数 摩擦系数冰雪密度（kg/） 温度（）0-1-2-10-10以下4507500.400.440.507509000.420.470.539000.450.500.59路面压实冰雪的存在很大程度上降低了路面原来的使用性能，具体路况下轮胎的附着系数和行驶阻力系数取值分别如表2.6、表2.7所示。表2.6 冰雪路面的附着系数压实冰雪状态轮胎类型附着系数密实冻结低压胎0.200.35密实冻结高压胎0.200.25密实解冻低压胎0.100.20密实解冻高压胎0.100.20压实冻结高压胎0.209压实解冻高压胎0.176表2.7 冰雪路面的行驶阻力系数冰雪状态冰雪密度（kg/） 行驶阻力系数轮胎履带松软1502500.20.250.2松软潮湿1502500.30.2轻度压实2503500.150.20.1碾压4507500.080.10.05冰雪7509000.060.080.070.12.3 压实冰雪破坏准则由材料力学可知，当材料处于简单受力情况时，材料的危险点处于简单应力状态，破坏可以由简单试验来确定。但是，压实冰雪在外载荷的作用下常常处于复杂的应力状态，压实冰雪的强度及其在载荷作用下的性状和冰的应力状态有很大关系。目前，材料力学中的多种破坏理论都可以用来解释压实冰雪在复杂应力状态下的破坏。（1）最大拉应力准则该理论认为最大拉应力是引起压实冰雪断裂的主要因素。当最大拉应力达到与压实冰雪有关的材料性质的某一极限值时，压实冰雪就发生断裂破坏。最大拉应力理论的破坏准则为将极限应力除以安全系数n，可以得到许用应力，则最大拉应力理论的强度条件最大拉应力准则只适用于单向应力状态及某些应力状态中的受拉的情况。对于复杂的应力状态，该准则有不足之处。（2）最大正应变准则该理论认为材料的破坏取决于最大正应变，只要材料内任一方向的正应变达到单向压缩或单向拉伸中的破坏数值，材料就发生破坏，破坏准则为 （2-4）由广义胡克定律 - ，代入式（2-4）得 - （2-5）将极限应力除以安全系数n，可以得到许用应力,则最大正应变理论的强度条件为 - （2-6）（3）莫尔强度理论及莫尔库仑准则莫尔强度理论是莫尔在1900年提出的，是目前工程中应用最多的强度理论之一。该理论认为材料内有一点的破坏与中间主应力无关，主要决定于主应力和。在-平面上，可以绘制一系列的极限应力圆，每一个极限应力圆都反映一种达到破坏极限的应力状态。这一系列极限应力圆的包络线称为莫尔包络线，如图2-2所示。包络线代表材料的破坏条件或强度条件。 图2-2 极限应力椭圆的包络线1-拉压试验；2-抗剪试验；3-抗压试验；4-包络线；5-三轴试验根据莫尔理论，可以利用在-平面上画出该点的莫尔应力圆，来判断材料内某点处于复杂应力状态下是否破坏。如果所作应力圆在莫尔包络线以内，则通过该点任何面上的剪应力都小于相应面上的抗剪强度，说明该点没有破坏，处于安全状态；如果所作应力圆刚好与包络线相切，则通过该点有一对平面的剪应力刚好达到相应面上的抗剪强度，该点处于临界破坏状态。对于不同条件的材料，莫尔强度条件的形式也不相同。对于抗拉强度很弱，抗压强度很高的脆性材料，在应用莫尔强度理论时，可以用单向拉伸和单向压缩两个极限应力圆的公切线来代替包络线，将包络线进行化简。将该直线形式的包络线称为莫尔-库仑强度准则，如图2-3所示。莫尔-库仑破坏准则认为，当剪切应力大于内聚力C和内摩擦力之和时，材料便发生脆性剪切破碎。莫尔-库仑破断准则的表达方式为式中 C压实冰雪的内聚力，Pa； 压实冰雪的内摩擦力。图2-3 莫尔-库仑破断准则综合考虑以上三种强度理论，考虑到压实冰雪的实际受力环境，在复杂应力状态下，莫尔-库仑准则能够较好地反映其他破坏状况。2.4 本章小结本章首先阐述了路面压实冰雪的种类、形成原因以及各种环境因素对其性能的影响；其次，分析了冰雪的抗压强度、抗切强度、摩擦系数等力学性质；最后分析压实冰雪的破坏准则，为后续的研究奠定基础。第3章 清雪车分类及特点3.1 清雪车分类除雪车由除雪工作装置和机动车底盘两部分组成。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机动车底盘结合的整机结构特点分类。3.1.1 按工作装置特点分类除雪车按工作装置分为：犁板式、旋切式及其它类型。（1） 犁板式除雪车犁板式除雪车安装有犁板式除雪装置，这种除雪装置最大的特点是结构简单、造价低、性能可靠。除雪作业时一直线运动为主，应用广泛，是除雪车中保有量最大的类型。按犁板体结构又分为单向犁式、V型犁式、刮雪板式、侧翼板式及犁板式综合除雪车。图31为单向犁式除雪车，其除雪装置为单向犁式，一般都配置于除雪车前端，又称前雪铲或前铲，主要用于清除新降积雪，除雪速度快。通过对推雪犁板曲面的优化设计，配合选择合适的前进角，可以获得很好的除雪，排雪性能。据统计，90%以上的犁板式除雪车都装设单向犁。 图32为V型犁式除雪车，其主要结构及工作原理与单向犁式除雪车基本类似。V型犁的结构左右对称，在除雪作业中向两边同时排雪。V型犁受力对称，推力大；但结构相对复杂，排雪性能不好，作业速度较单向犁低，所用机车牵引力大。图33为刮雪板式除雪车，安装有刮雪板除雪装置，作业对象是一定程度的压实雪层。由于作业对象雪质较硬，所以刮雪装置的设计较为坚固，结构尺寸也较小。为合理利用车辆自身重力，刮雪板一般都以固定角度安装于所用底盘中部靠近整车重心的位置，因此又称中铲。 图 3-3 刮雪板式除雪车 图 3-4 侧翼板式除雪车图34为侧翼板式除雪车，在除雪车的侧面装有侧翼板，侧翼板又称侧铲，主要进行加大除雪宽度或阶梯作业等某些特殊除雪作业。犁板式综合除雪车是为了增加除雪作业种类，把单向犁型或V型犁、刮雪板、侧翼板按使用需求进行组合，安装在同一辆行走车辆上。这种除雪车适应能力强，对行走车辆的功率要求较大。（2） 旋切式除雪车旋切式除雪车的除雪装置结构比较复杂。装有抛雪转子的旋切式除雪车可将积雪抛出几十米远，适于厚积雪的清除。旋切式除雪车分为压磙式、转子式、螺旋转子式等类型。压磙式除雪车配备的压磙除雪装置适用于清除坚硬的冰雪。图35所示为一种拖挂式压磙除雪车。根据压磙装配压磙刀的安装角可将其分为斜刃压磙（图36）和直刃压磙（图37）。试验证明，斜刃压磙的切入角能有效地清除冰雪和保护路面。（3） 其他类型的除雪车其他类型的除雪车主要有铲剁式、锤击式、扫雪与吹雪式及运雪车、融雪剂洒布车等。在机场等一些场合还常常把各种形式的除雪装置搭配成综合式除雪车以获得满意的除雪效果。3.1.2 按整车特点分类除雪车的初学作业效果不仅取决于所装配除雪装置的结构，还取决于机动车底盘的性能及其与工作装置相关参数的匹配是否协调。只有正确选择机动车底盘并合理匹配工作装置的性能参数，才能使设备的技术经济指标得到充分发挥，完善整机性能。这是除雪车整车研制工作的主要任务之一。除雪车整车的分类方法很多，可按整机适用范围、在初学作业中的功用、所用底盘形势和行走方式等不同分类方法进行分类。按整车适用范围，即除雪车的使用场合，可把除雪车分为泛用型除雪车、人行道除雪车、铁道除雪车和高速公路除雪车等。按除雪作业中整车的作用，可把除雪车分为推雪车、抛雪车、装雪车、特种除雪车辆（包括融雪车、融雪剂洒布车、扫雪车、压雪车、吹雪车、综合式除雪车等）。按除雪车所使用底盘的不同可以把除雪车分为专用底盘除雪车和专用底盘除雪车两种。专用底盘除雪车只能进行除雪作业，而兼用底盘除雪车上的除雪工作属具均可拆卸，在不需除雪时用于运输等其它作业。按除雪车行走装置可分为轮胎式除雪车和履带式除雪车两种。3.2 本章小结本章首先对雪的物理机械性质包括：种类、密度、抗压强度、抗切强度及摩擦系数等作了介绍。其次，对除雪方法及除雪车分类，进行了归纳总结。限于试验条件，关于雪的物理机械性质较多采用了与我国雪质相似的前苏联专家的研究结果。第4章 前雪铲板空间曲面设计4.1 清雪铲前铲设计前雪铲（又称前铲）是除雪车广泛配备的一种犁板式除雪工作装置，通过可拆卸固定联接方式安装于除雪车底盘前端。经分析，除雪车的最佳作业时机和最经济的除雪作业方式就是利用前雪铲清除刚下的新雪。常见的前铲铲板曲面有圆弧型、抛物线型、渐开线性等空间曲面，可对新雪、粉雪、粒雪、压雪、冰雪混合物等采用高速推进方式，利用曲面旋移原理清理路面积雪。前铲铲板空间曲面设计是前铲设计的核心内容。前雪铲个部位名称如图41所示：1后托架；2前托架；3提升液压缸；4支杆；5摆动液压缸；6对雪铲上连杆；7铲体回位弹簧；8推雪铲；9壁障装置；10壁障装置回位弹簧；11限位轮；图41 除雪车前铲结构示意图图41中10用于吸收部分冲击载荷，起到壁障作用，7用于吸收较大载荷，并保证铲体结贴地面；升降油缸3铰接于后托架与支架之间，负责提升及降落铲体；摆动油缸5铰接于或托架与铲体之间，用于控制推雪铲的左右摆动。摆动幅度控制在左右30。随除雪车的行进，积雪铲刃剥离地面并沿铲板曲面左螺旋外抛运动，积雪被推积到路面一侧。 清雪铲相关参数：(1) 前雪铲铲板（装铲刃）相关参数 图42是相关示意图。l 除雪宽度 除雪车工作时在行进方向上一次清除积雪的宽度，也就是除雪铲在清雪车前进方向上的最小投影宽度，如图42所示。根据除雪车使用场合的不同，对除雪宽度的要求也不尽相同。广场等空旷场所需要较大除雪宽度的除雪车，而交通路线上除雪车的除雪宽度一般不宜超过一个车道的宽度，避免除雪作业时阻碍交通。前铲除雪宽度的要求一般是前端（小端）应比同侧轮胎外缘宽出200mm，后端（大端）应比同侧轮胎外缘宽出400mm。铲体太宽将导致铲体质量过大，使前轮负荷增加，行驶稳定性降低；铲体过窄将使两侧积雪回落而被轮胎碾压，影响除雪效果。l 切削角 是行进方向上铲体与地面间的夹角，如图42所示。随着推雪铲的前进，具有一定切削角的铲刃在垂直力F的作用下，将积雪剥离其附着面，积雪沿导板曲面向斜上方运动，最后以一定的速度从推雪铲后端部排出。切削角的大小直接影响切削阻力的大小。具有一定粘性的雪在切削角较小时呈流动型，在切削角大时呈断裂型。图43所示为铲刃切削时雪得三种变形形式：流动型、断裂型、剪裂型。切削角是铲刃的一个重要参数，直接影响切削阻力及切削刃强度。切削角太小使切削刃变薄、强度不足：但过大，切削阻力会显著增大。试验表明，切削角每增加10，抗切强度系数增加10%20%，切削角在60左右时抗切强度系数达到最大，切削角大于60后抗切强度系数增加不明显。图43 雪被切削时的变形情况时间证明，前雪铲在清除新雪、粉雪、粒雪和冰水混合物时，切削角取值在2030范围内效果最理想。切削刃是易损件。由于积雪路面情况复杂多变，为避免铲刃局部受损而更换整个铲刃板，通常把铲刃设计成几块拼装的形式，采用螺栓旋转轴的方式连接到铲板上。l 行进角 指铲体宽度方向与车辆行进方向所夹锐角，=,如图42所示。行进角与除雪阻力、排雪性能、推雪铲长度都有很大关系，行进角小，则除雪阻力小，且排雪性能好，但须有较长的铲体才能保证必需的除雪宽度；行进角大，铲体长度则可短些，但除雪阻力增大，排雪性能也将变差。根据相关经验及相关实验，前铲行进角一般取值为5060l 其它参数 L表示除雪铲宽度；表示雪铲小端高度；表示雪铲大端高度。 4.2 清雪铲铲板曲面结构参数确定4.2.1 推雪铲设计推雪铲的主要工作部分是切削刃和与其联接在一起的铲板。切削刃是直接切雪的零件，应有足够的耐磨性、强度、和刚度。切削刃是易损件，因此它与铲板之间设计为可拆分段联接。适宜的铲体自重利于大增大铲体作用于路面的线压力，因此除雪车并不刻意追求降低前铲的总质量，但必须考虑行车稳定性和所用载重车前后轴的承荷能力。通常情况下除雪车前铲推雪铲的质量限制在500800kg。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，须考虑工作温度对其物理特性的影响，一般选取65Mn调制刚。（2）推雪铲切削刃材质选取切削刃和与其连接在一起的铲板是推雪铲的主要工作部分。为了设计性能良好的推雪铲，必须对切削刃和铲板加以分析和认识。除雪车前雪铲主要应用于清除新降积雪，新降雪的密度随其结构、气象条件以及降雪气温的不同而变化，其密度值一般在20800kg之间。通过比较认为松土和积雪的物理机械性质较为接近，参考较为成熟的推土产切削刃设计理论可知，对于松土和积雪，一般认为切削角 通常以55左右为宜。除雪车的前铲切削对象是新降积雪，同时除雪车为保护路面大多采用轮式行走机构，所能提供的最大牵引力较履带式行走机构小，而且工作速度要求较高，所以应尽量减小工作时的切削阻力。除雪车的工作路面较为平整，适应地形变化需要的后角可略小。因此综合考虑，推雪铲前铲刃切削角选择为30，并对其结构做相应调整，如图44，切削刃厚度取8mm左右即可。 图3-5推土铲切削刃参数 图44推雪铲切削刃参数（3）前铲的铲板空间形状设计前铲的作业对象是密度较小、颗粒间结合松散的积雪，它采用高速推进曲面旋移的理论进行除雪（除雪车前铲作业速度为30kmh左右）。在高速犁板上，被除雪粒不会堆积成堆，而是紧贴犁板，做空间旋移运动。推雪铲铲板曲面空间形状直接影响被除颗粒的空间旋移轨迹，是除雪阻力、除雪效率等的重要影响因素。 铲板铲形 犁板式除雪车前铲采用高速推进，利用曲面旋移原理将积雪清离路面。铲板曲面的作用在于旋移和推运积雪。铲板的结构参数对雪屑运动规律、积雪容量、推运阻力都有影响。在除雪过程中，如果推运和旋移积雪的阻力小，在一个旋移运动周期内抛射积雪的距离远，则标志其性能良好。为了便于向道路外侧排雪，推雪铲常设计成一端小一端大，以固定的行进角（铲板长度方向与车辆行进方向所夹的锐角）工作。被除雪屑的理想运动轨迹是空间螺旋外抛运动。随着现代制造工业的发展，制造工艺的改进，利用数控机床加工复杂空间曲面的技术日益成熟，为推雪铲曲面板的设计提供了技术保障。常用的铲板形状有圆弧形、抛物线形、类渐开线形、类渐开线形（如图45）其中抛物线和圆弧的形状很近似，两者的性能也很近似。a)圆弧型 b)抛物线型 c)类渐开线型 d)类渐开线型图45曲面板类型我们发现由于被除积雪的颗粒间结合力小，在高速铲的作用下被剥离后会紧贴铲板作旋移运动；而在推土铲作业时，当被切下的土屑呈层状沿曲面滚卷前进时，其切削性质和推雪铲工况相似。Grabotz和Grees利用三种曲面板对中等沙土（被切下的土屑呈层状沿曲面滚卷前进）做了对比试验。在其他因素相同的情况下，对比铲板类型对切削阻力的影响，实验数据如表4.1。表4.1铲板类型对切削阻力的影响铲板类型抛物线型类渐开线型开渐线型切削阻力（KN）28.52525.4通过数据分析，并考虑到清除积雪的实际工况。推雪铲的铲板选用类渐开线型铲板最为合适。铲板宽度 除雪车前铲常以固定的行进角进行除雪作业。行进角是铲板长度方向与车辆行进方向所夹的锐角，进行角与除雪阻力、排雪性能、推雪铲长度都有很大关系。根据经验及相关实验，前铲进行角一般取值为5060。推雪铲的宽度应保证工作时在除雪车前进方向上的最小投影宽度大于车宽，前端（小端）应比同侧轮胎外缘宽出约200mm，后端（大端）应比同侧外缘宽出约400mm。这种宽出量是为了保证在作业过程中除雪车能给自己开辟前进的道路，从而保证其作业质量。选择推雪铲的宽度应首先根据除雪车总体结构布置，初步确定推雪铲宽度，再按比切力加以检验：B=式中 F推雪车额定牵引力，N； B推雪铲宽度，cm；对于新降积雪，查阅国内外除雪车的相关资料，推雪铲铲刃的水平比切力选20100Ncm即可满足工作要求。铲板（装铲刃后）高度 可根据设计时的除雪车整体结构、除雪能力、除雪生产率、除雪车额定功率等条件，估算推雪铲大概高度，再进行调整。本设计使用的底盘车辆型号为CA3253P7K2T1AE，采用类渐开线型铲板，小端设计高度初定为920mm，大端高度初定为1100mm。4.2.2 独立壁障装置设计我国公路及城市道路的路况级城市道路的路况普遍已有很大的改善，但仍有相当里程的路段路况较差，突出表现在路面平整度低和局部损坏（如裂缝、变形、崩解、错台、沉陷、脱皮、麻面等）另外除雪作业还可能遇到一些路面障碍物（如凸台、井盖、道钉、分界线反光块、坑槽等）。如不采取障碍避让措施，则将造成除雪设备或路面设施的损坏，甚至会威胁到驾驶人员的人身安全。因此除雪装置要设有功能良好的弹性避让装置。本文采用机械式壁障机构，实现被动壁障。机械壁障装置是一种被动的壁障装置，前铲除雪作业在壁障是虽然不必中断除雪作业，但应该减速慢行。目前国内外除雪机械广泛采用弹性避让装置为双摇杆机构和摆动导杆机构两种形式。壁障机构的避让动作可分解为上下伸缩动作和绕某一固定轴定州的旋转动作。本文设计采用双摇杆壁障装置。双摇杆机构如图46所示，是通过铲体的运动实现缓冲和避让。其优势是避让效果明显、越障高度较大，环境适应性强，因此应用也较广泛。为尽量减少避障时的积雪遗漏，铲刃在越过障碍物后应迅速回位进行正常的除雪作业。图 46中虚线表示推雪铲在壁障动态过程中的避让位置，铲刃作向上和回缩运动。图46 双摇杆壁障机构双摇杆壁障机构考虑到铲体在工作时会对铲刃造成损伤及破坏，需要更换的原因，所以铲刃本设计为铲体与铲刃分离设计如图47所示。图47 壁障铲刃1、弹簧支架 2、连接销 3、主铲体 4、连接销 5、独立铲刃4.3 本章小结本设计使用的底盘车辆型号为CA3253P7K2T1AE。通过分析，采用类渐开线型铲板。 有上述确定铲小端高度定为900mm，大端高度定为1000mm。铲刃切削角=30；铲板宽度为3000mm;推雪铲在工作时与前进方向夹角为=60，除雪宽度为L在行进方向上的有效投影,本设计中除雪宽度=3000mm。所用改装车最大宽度为2455mm，有效除雪宽度大于车宽555mm，符合实际道路通行要求。第5章 清雪车部件设计5.1 滚雪刷设计卧式滚扫型清雪车主要是指刷扫装置的转轴与地面保持平行，多数滚扫装备的轴线与工作主机的车轮轴线保持平行。工作形式