斜刃螺栓連接式厚冰雪碾壓除雪機(jī)設(shè)計(jì)
斜刃螺栓連接式厚冰雪碾壓除雪機(jī)設(shè)計(jì),斜刃螺栓連接式厚冰雪碾壓除雪機(jī)設(shè)計(jì),螺栓,連接,冰雪,碾壓,除了,設(shè)計(jì)
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斜刃螺栓連接式厚冰雪碾壓除雪機(jī)設(shè)計(jì)
Oblique Edge Bolt Join Ice Snow Presses
Snow-Clearing Machine Design
摘要
我國(guó)北方地區(qū)冬季降雪時(shí)間長(zhǎng)，雪量大，氣溫低，積雪數(shù)日經(jīng)車輛、行人碾壓而被壓實(shí)。路面上壓實(shí)冰雪的清除問(wèn)題關(guān)系到社會(huì)生產(chǎn)、人民生活、交通安全、環(huán)境保護(hù)等個(gè)方面。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)壓實(shí)冰雪的清除還缺少行之有效的辦法。本文結(jié)合我國(guó)北方地區(qū)降雪后的特點(diǎn)及我國(guó)國(guó)情，主要針對(duì)路面上被壓實(shí)的冰雪研究了路面冰雪清除機(jī)械。
本文提出了對(duì)路面壓實(shí)冰雪進(jìn)行擠壓、切削、破碎的技術(shù)原理。根據(jù)這一原理確定了路面冰雪清除機(jī)械基本方案并分析了其工作機(jī)理。提出利用裝載機(jī)為動(dòng)力機(jī)，只需更換上清除冰雪裝置，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用。研究了傳動(dòng)系統(tǒng)各部件的匹配以及冰雪清除裝置與整機(jī)的匹配，進(jìn)行了匹配計(jì)算和整機(jī)牽引性能分析。根據(jù)整機(jī)方案及相關(guān)條件確定了清除冰雪裝置中關(guān)鍵部件碾壓滾的構(gòu)造、重量和有關(guān)技術(shù)參數(shù)；分析研究了碾壓滾上刀齒的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵幾何參數(shù)，確定了刀齒在碾壓滾上的排列方式、數(shù)量和間距，并根據(jù)冰雪的物理機(jī)械性質(zhì)計(jì)算了刀齒切削力。
關(guān)鍵詞: 冰雪清除 切削 破碎 路面
Abstract
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 people’s 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 cutter’s cutting force base on the snow’s physical and mechanical characters.
Key words :Snow—Cleaning Cutting Cracking Road surface
目 錄
第1章 緒 論 3
1.1 本次設(shè)計(jì)來(lái)源、目的、意義、國(guó)內(nèi)外概況 3
1.1.1 本次設(shè)計(jì)的來(lái)源 3
1.1.2 本次設(shè)計(jì)研究目的 3
1.1.3 本次設(shè)計(jì)研究的意義 2
1.1.4 有關(guān)清雪機(jī)國(guó)內(nèi)外研究概況 2
1.2 本設(shè)計(jì)預(yù)期達(dá)到的目標(biāo) 6
1.3 本設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容、研究方法及技術(shù)路線 6
1.3.1 斜刃螺栓連接式厚冰雪磙壓除雪機(jī)的整體方案構(gòu)想 6
1.3.2 結(jié)構(gòu)原理和計(jì)算要點(diǎn)： 7
1.4 本課題實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)有條件 8
1.5 研究的主要內(nèi)容和方法 8
1.5.1冰雪切削擠壓破碎技術(shù)、總體方案 8
1.5.2 碾壓滾型式和結(jié)構(gòu) 8
1.5.3 滾齒排列方式及刀刃幾何參數(shù) 9
1.5.4 各主要零件的校核驗(yàn)算 9
第2章 路面冰雪清除機(jī)機(jī)理研究 9
2.1 冰雪的物理機(jī)械性質(zhì) 9
2.2 路面冰雪清除機(jī)基本方案、原理 11
2.3 整機(jī)分析及裝置重量的確定 16
2.3.1整機(jī)的組成 16
2.3.2清除冰雪裝置重量 17
第3章 碾壓滾結(jié)構(gòu)及參數(shù) 18
3.1 碾壓滾結(jié)構(gòu)形式 18
3.2 碾壓滾參數(shù) 19
3.3 工作阻力的計(jì)算 19
第4章 齒刀的研究 21
4.1 齒刀在碾壓滾上的排列﹑數(shù)量﹑間距 21
4.2 齒刀幾何參數(shù) 22
4.3 切削力計(jì)算 23
第5章 主要零件校核計(jì)算 24
5.1 軸承的校核計(jì)算 24
5.1.1 當(dāng)量動(dòng)載荷的校核 24
5.1.2 滾動(dòng)軸承壽命的計(jì)算 26
5.2 齒刀強(qiáng)度的校核分析 27
5.3 銷軸的校核計(jì)算 31
5.4 軸的校核計(jì)算 36
5.4.1按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算 37
5.4.2 按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算 38
第6章 電器系統(tǒng) 40
6.1 電源電路 40
6.2 啟動(dòng)系統(tǒng) 40
6.3 照明和信號(hào)系統(tǒng) 40
6.4 儀表系統(tǒng) 40
6.5 預(yù)熱器 41
第7章 電算部分 41
第8章 結(jié) 論 43
參考文獻(xiàn) 46
致 謝 47
45
第1章 緒 論
1.1 本次設(shè)計(jì)來(lái)源、目的、意義、國(guó)內(nèi)外概況
1.1.1 本次設(shè)計(jì)的來(lái)源
本課題屬于吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院科研項(xiàng)目（國(guó)家經(jīng)貿(mào)委“國(guó)家重點(diǎn)技術(shù)改造項(xiàng)目[2003]86”）。是根據(jù)國(guó)際和國(guó)內(nèi)的最新形勢(shì)和市場(chǎng)需求而確定的研究課題。對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)和生活有很大的實(shí)際意義。是隸屬于國(guó)家攻關(guān)課題----多功能鏟雪車研制的一部分。
1.1.2 本次設(shè)計(jì)研究目的
中國(guó)北方大部分地區(qū),每年有3～5個(gè)月的降雪期,道路積雪給交通運(yùn)輸及人民日常生活帶來(lái)許多困難,有時(shí)甚至阻斷交通。近幾年來(lái)高等級(jí)公路里程不斷增加,及時(shí)有效地清除路面積雪已成為亟待解決、刻不容緩的問(wèn)題,這對(duì)于提高車輛的運(yùn)輸效率、避免重大交通事故的發(fā)生,具有很大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。目前,國(guó)內(nèi)除雪作業(yè)多由人工或其它代用機(jī)械完成,其勞動(dòng)強(qiáng)度大,作業(yè)效率低。進(jìn)口外國(guó)先進(jìn)的除雪設(shè)備,造價(jià)高且不適合中國(guó)國(guó)情;而用其它的代用機(jī)械如平地機(jī)進(jìn)行除雪作業(yè),則又浪費(fèi)實(shí)用設(shè)備且對(duì)路面具有破壞性。所以,盡快開發(fā)出適合中國(guó)國(guó)情的低成本、高效率、且宜大面積推廣應(yīng)用的除雪設(shè)備,是一項(xiàng)艱巨而緊迫的任務(wù)。
1.1.3 本次設(shè)計(jì)研究的意義
我國(guó)北方大部分地區(qū),每年有很長(zhǎng)的降雪期,道路積雪給交通運(yùn)輸及人民日常生活帶來(lái)許多不便。尤其凍結(jié)在道路上的積雪與薄冰,采用傳統(tǒng)除雪機(jī)用推刮的辦法無(wú)法清除,為此不得不耗費(fèi)大量人力物力進(jìn)行人工鏟除。采用機(jī)械方法清除是一項(xiàng)急需解決的難題。就目前國(guó)內(nèi)除雪機(jī)械來(lái)看,大多數(shù)功能單一,或只能清除積雪、或只能破除積冰[1]。國(guó)外的除雪機(jī)功能較全,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價(jià)昂貴,且大多不適合國(guó)內(nèi)的道路狀況。因此開發(fā)研制適合我國(guó)道路情況的集破冰除雪于一機(jī)的設(shè)備,具有十分重大的意義。國(guó)外的除雪機(jī)功能較全,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價(jià)昂貴,且大多不適合國(guó)內(nèi)的道路狀況。因此開發(fā)研制適合我國(guó)道路情況的集破冰除雪于一機(jī)的設(shè)備,同樣具有十分重大的意義。
1.1.4 有關(guān)清雪機(jī)國(guó)內(nèi)外研究概況
(1) 有關(guān)清雪機(jī)國(guó)內(nèi)外研究概況
目前，世界各個(gè)國(guó)家除冰雪的方法中，應(yīng)用最普遍的是溶解法和機(jī)械法。溶解法是依靠熱作用或撒部化學(xué)藥劑使冰雪融化。其優(yōu)點(diǎn)是除凈率高，但是它的成本很高。而且容易造成環(huán)境污染。雖然環(huán)保型融雪藥劑已經(jīng)問(wèn)世，對(duì)環(huán)境和植被的影響減少了，但是并未徹底根除。因此使用范圍受到一定限制。
機(jī)械法是通過(guò)機(jī)械作用直接作用解除冰雪危害。雖然除凈率較低，但是對(duì)環(huán)境和植被無(wú)任何影響。能實(shí)現(xiàn)冰雪的異地轉(zhuǎn)移。應(yīng)用范圍比較廣。因此，筆者認(rèn)為：清除冰雪必須以機(jī)械法為主，以溶解法為輔助，才能達(dá)到快速和環(huán)保的除雪效果。
我國(guó)對(duì)除雪機(jī)械的開發(fā)、生產(chǎn)都比較晚，因此還處于起步階段。目前，我國(guó)的城市道路和公路冬季除雪大部分仍沿用傳統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)方式，即人工作業(yè)和小型的除雪機(jī)械相結(jié)合的方式。高速公路和一級(jí)公路開始使用大型專用除雪機(jī)械，進(jìn)行冬季養(yǎng)護(hù)。但是，除雪機(jī)械在數(shù)量和品種規(guī)格上還很少，所以除雪設(shè)備大部分依賴進(jìn)口。機(jī)械化程度和總體水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。只是最近幾年國(guó)內(nèi)的廠家才參照國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)研制了適合我國(guó)國(guó)情的除雪機(jī)械。
綜觀國(guó)內(nèi)外的除雪機(jī)械，其類型總的來(lái)說(shuō)有三種類型：
1) 犁式除雪機(jī)
犁式除雪機(jī)的工作裝置一般安裝在主機(jī)的前端，是所有除雪機(jī)中應(yīng)用最為廣泛、起源最早的除雪設(shè)備。主要使用于未被壓實(shí)的新降集雪，其厚度為300mm以下。犁板有整體式和分段式，有V型犁和U型犁之分。其特點(diǎn)是：多數(shù)采用了雙搖桿機(jī)構(gòu)，避讓效果明顯，越障高度較大，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可以在硬質(zhì)雪區(qū)工作。有的還增加了滑靴和滾輪等裝置，用來(lái)減少或消除鏟刃對(duì)地面的作用力，保護(hù)了地面，減少了刀刃的磨損。
具體類型有：
① 單向犁-----除雪犁以固定角度裝在除雪車前部。
② V型犁-----主要結(jié)構(gòu)和工作原理與單向犁相同，只是結(jié)構(gòu)呈左右對(duì)稱，形成V形。
③ 變角度犁------指犁的排雪方向和行進(jìn)角度可以改變的除雪機(jī)械。
④ 復(fù)合犁------又叫鉸接雪犁，采用兩翼結(jié)構(gòu)，中間垂直鉸鏈可以自由改變形狀，形成單向犁、V型犁、變角度犁等犁形。
比較典型的產(chǎn)品有：徐州裝載機(jī)長(zhǎng)的專利產(chǎn)品------調(diào)壓自動(dòng)越障式除雪裝置。鄭工、柳工和沈陽(yáng)山河等廠家生產(chǎn)的ZL50型除雪機(jī)。由于該類除雪機(jī)械擁有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、價(jià)格低廉等特性，因此受到廣大用戶的認(rèn)可，得以廣泛的使用。
2) 旋切式除雪機(jī)械
旋切式除雪機(jī)械工作方式為自行式和懸掛式兩種。主要有離心式物料風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、拋雪筒、護(hù)板和螺旋型集雪器等部分組成。結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜。工作時(shí)借助主機(jī)或者專用底盤的動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將集雪器聚攏的雪由風(fēng)道、拋雪筒拋出去。拋出距離和角度可以根據(jù)需要自己調(diào)整。在清除雪障時(shí)旋切式除雪機(jī)械有明顯的優(yōu)勢(shì)。但是無(wú)法清除壓實(shí)的積雪。
具體類型有：
① 螺旋式-----螺旋軸鼓上的葉片呈左右旋向，左右旋向的葉片在軸線中部結(jié)合形成U形拋雪槽，U形拋雪槽低部稍微向后傾斜，內(nèi)側(cè)光滑，工作時(shí)軸鼓上的葉片刀刃切削破碎積雪，并將積雪集中送到中部U形槽內(nèi)拋出。
② 轉(zhuǎn)子式-----主要以清除新雪為主要作業(yè)對(duì)象。轉(zhuǎn)子葉片可以完成切雪、扒雪和拋雪。
③ 單螺旋轉(zhuǎn)子式-------有轉(zhuǎn)子和一根螺旋組成。螺旋水平布置在轉(zhuǎn)子前，螺旋葉片作成左右旋向，當(dāng)螺旋周轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，把兩邊的積雪送到中間，再由轉(zhuǎn)子拋出。
④ 雙螺旋轉(zhuǎn)子式-------雙螺旋轉(zhuǎn)子式的工作裝置的兩螺旋上、下平行地置于轉(zhuǎn)子前面。
⑤立軸螺旋轉(zhuǎn)子式-------該工作裝置將螺旋豎放在轉(zhuǎn)子兩側(cè)，螺旋葉片為左右旋向，工作時(shí)雪的移動(dòng)方向?yàn)樯舷逻\(yùn)動(dòng)。
主要機(jī)型有：哈爾濱開達(dá)公司生產(chǎn)的拋雪式除雪機(jī)和吉林大學(xué)研制的CX-30型除雪機(jī)。
3) 掃滾式除雪機(jī)械
掃滾式除雪機(jī)械工作方式為自行式和懸掛式兩種。在主機(jī)或者專用底盤的動(dòng)力作用下，驅(qū)動(dòng)掃雪滾和掃雪盤做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，掃雪滾和掃雪盤上的柔性強(qiáng)力掃雪刷，將路面積雪卷起使之脫離地面，在高壓空氣的作用下吹向路邊。該式除雪機(jī)械主要適合于較薄的或者是犁式除雪機(jī)械工作后的殘留積雪。即使路面凸凹不平也可以獲得無(wú)殘雪的除雪效果。主要生產(chǎn)廠家有：哈爾濱開達(dá)公司和哈爾濱重型機(jī)械廠等。
國(guó)內(nèi)的除雪機(jī)械雖然有了很大的發(fā)展，但其總體水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，產(chǎn)品品種及性能都還有很大差距。適應(yīng)不了我國(guó)高速公路的發(fā)展的需求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
① 技術(shù)水平低，除雪機(jī)械在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、零部件供應(yīng)和使用管理等方面都存在技術(shù)水平低的問(wèn)題。致使除雪機(jī)械可靠性差、故障多、壽命短。
② 功能單一。除雪機(jī)械具有明顯的季節(jié)性，如果功能單一，只能用做除雪和除冰專用，那么，機(jī)械一年中大部分時(shí)間處于閑置狀態(tài)，大大增加了除雪的成本。加重了公路養(yǎng)護(hù)部門的負(fù)擔(dān)。
③ 品種類型不全。與國(guó)外相比，現(xiàn)在有不少除冰雪機(jī)械在國(guó)內(nèi)還是一片空白?，F(xiàn)有的除冰雪機(jī)械無(wú)法滿足公路和大型機(jī)場(chǎng)的除冰雪的要求。
(2) 國(guó)內(nèi)外在這個(gè)方面的發(fā)展方向：
加強(qiáng)對(duì)雪質(zhì)、雪性的基礎(chǔ)研究。
為了提高除冰雪機(jī)械的設(shè)計(jì)水平，需要對(duì)冰雪的力學(xué)性質(zhì)和物理特性進(jìn)行深入研究。特別是對(duì)壓實(shí)冰雪的理論研究。據(jù)有關(guān)資料研究：東北地區(qū)壓實(shí)冰雪占總的除雪任務(wù)的80%以上。
① 向一機(jī)多能和機(jī)電液一體化方向發(fā)展。
在現(xiàn)有的條件下，可以對(duì)汽車、拖拉機(jī)、裝載機(jī)和推土機(jī)等設(shè)備進(jìn)行改裝，冬季降雪時(shí)用來(lái)除冰雪作業(yè)，其余時(shí)間可用來(lái)進(jìn)行公路養(yǎng)護(hù)和其他作業(yè)?？梢蕴岣咴O(shè)備的利用率。采用機(jī)械、電子、液壓等技術(shù)提高除雪機(jī)械的科技含量，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
② 向大型、小型和高速方向發(fā)展。
我國(guó)的地理環(huán)境復(fù)雜，各個(gè)城市道路建設(shè)布局各異，冬季降雪情況不同，在除雪設(shè)備的選取上也不盡相同，因此要開發(fā)出大型、小型的各種除冰雪機(jī)械，以滿足不同地區(qū)和工況的除冰雪要求。同時(shí)要開發(fā)出效率高的機(jī)械，避免除雪作業(yè)造成路面交通擁擠。例如，東北有些城市規(guī)定：對(duì)于市區(qū)內(nèi)主干道，雪停止24H后需運(yùn)出城市外。
③ 加強(qiáng)行業(yè)間的技術(shù)交流與合作。走共同研發(fā)之路。
各個(gè)廠家根據(jù)自己的實(shí)際情況開發(fā)出的產(chǎn)品各有優(yōu)缺點(diǎn)，為了加快除冰雪機(jī)械的開發(fā)和應(yīng)用，應(yīng)加強(qiáng)企業(yè)間的合作，集中財(cái)力、物力和人力走共同發(fā)展之路，實(shí)現(xiàn)除冰雪的機(jī)械化。
1.2 本設(shè)計(jì)預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)
在ZL40型裝載機(jī)的前端安裝除雪裝置-----斜刃螺栓連接式壓磙除厚冰雪裝置。
采用斜刃式除雪裝置，使冰雪在破冰刀刃的作用下破碎。壓磙與ZL40型裝載機(jī)大臂相連。設(shè)計(jì)出包括鏟及其連接機(jī)構(gòu)。畫出全部圖紙：裝配圖、部件圖、零件圖、總明細(xì)表。
設(shè)計(jì)時(shí)要保證相應(yīng)構(gòu)件的可靠性，所以要進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)分析、設(shè)計(jì)計(jì)算 、方針模擬等。并要求用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)重要部件進(jìn)行詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。設(shè)計(jì)相關(guān)的軟件。
通過(guò)這次設(shè)計(jì)，要不僅溫習(xí)好大學(xué)四年所學(xué)的大不分的理論知識(shí)，還要培養(yǎng)工程實(shí)際應(yīng)用的能力，鍛煉實(shí)際的動(dòng)手和全局的駕御能力。對(duì)裝載機(jī)和除雪機(jī)械有更深的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)在此方面的設(shè)計(jì)能力。
1.3 本設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容、研究方法及技術(shù)路線
1.3.1 斜刃螺栓連接式厚冰雪磙壓除雪機(jī)的整體方案構(gòu)想
斜刃螺栓連接式厚冰雪磙壓除雪機(jī)是針對(duì)我國(guó)道路情況設(shè)計(jì)的破冰清雪除雪設(shè)備。該設(shè)備主要起破冰作用的碾壓輥構(gòu)成。
該設(shè)備的主機(jī)架可與ZL40裝載機(jī)直接聯(lián)接。該設(shè)備碾壓輥固定在聯(lián)架臂上,聯(lián)架臂通過(guò)大臂與主機(jī)架鏟接。碾壓輥上裝有刀板,刀板上的刀條直接作用在冰面上,利用自身的重力和空氣錘的振動(dòng)的沖擊力達(dá)到破冰目的。
1.3.2 結(jié)構(gòu)原理和計(jì)算要點(diǎn)：
斜刃螺栓連接式厚冰雪磙壓除雪機(jī)是利用前部安裝的碾壓輥上裝有的刀板對(duì)雪進(jìn)行切削，利用自身的重力和空氣錘的振動(dòng)的沖擊力達(dá)到破冰目的。
(1) 刀齒分布結(jié)構(gòu)：
采用斜刃螺栓連接式，材料用耐磨仿形材料。按與地面平行布置在壓磙上，前后兩排刀齒位置錯(cuò)開。
(2) 除雪機(jī)功率的計(jì)算：
除雪機(jī)所消耗的功率包括兩大部分：行走裝置和工作裝置所消耗的功率。行走裝置所消耗的功率可以參照一般自行式車輛的計(jì)算辦法。下面對(duì)除雪工作裝置的所消耗的功率Na做一分析：
Na=Ne+Nf+Nr+Nd
其中：Ne-----推雪板切削所需功率, KW
Nf-----克服雪與板面的摩察力所需的功率, KW
Nr----推雪板前雪堆移動(dòng)所需的功率，KW
Nd----板刃與存雪地面間的摩察力所需的功率。KW
(3) 擬采用的研究方法
采用新舊技術(shù)相結(jié)合的方法。因?yàn)橛嘘P(guān)裝載機(jī)和除雪機(jī)構(gòu)的研究在我國(guó)已經(jīng)有了一定的進(jìn)展------即使和發(fā)達(dá)國(guó)家相比還很落后-----在很多領(lǐng)域。但近幾年我們引進(jìn)了很多先進(jìn)的技術(shù)，特別是除雪機(jī)械方面的，加上我們的有關(guān)裝載機(jī)和其他工程機(jī)械的研究知識(shí)，將這兩方面的知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)新的突破，研制出適合我國(guó)國(guó)情的公路養(yǎng)護(hù)機(jī)械-----集工程作業(yè)和除雪能力于一體的多功能機(jī)械產(chǎn)品。
(4) 擬采用的技術(shù)路線
研究冰雪的物理和力學(xué)特性------查閱國(guó)內(nèi)外有關(guān)裝載機(jī)和除雪機(jī)械、機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)資料和最新進(jìn)展------消化、吸收個(gè)方面的技術(shù)資料，并加以整理和創(chuàng)新------技術(shù)設(shè)計(jì)和整機(jī)設(shè)計(jì)。
1.4 本課題實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)有條件
國(guó)內(nèi)外關(guān)于ZL40裝載機(jī)的數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)資料的搜集較為便利。在理論上和方法上具有很強(qiáng)的借鑒意義。指導(dǎo)老師鄧洪超老師在我國(guó)裝載機(jī)技術(shù)和除雪機(jī)械的研究方面走在前列。對(duì)我國(guó)這方面的情況很了解，是這方面的專家。有很深的理論和實(shí)踐知識(shí)，為本課題的研究奠定了很好的理論和實(shí)證基礎(chǔ)。本人對(duì)于裝載機(jī)和除雪機(jī)械也有一定的認(rèn)識(shí)，相信一定能在鄧?yán)蠋煹闹笇?dǎo)下順利完成課題的研究。并取得優(yōu)異的畢業(yè)設(shè)計(jì)成績(jī)！同時(shí)為我國(guó)在此領(lǐng)域的研究作出自己應(yīng)有的貢獻(xiàn)！
1.5 研究的主要內(nèi)容和方法
本文針對(duì)路面上被壓實(shí)的冰雪研究路面冰雪清除機(jī)械。方法是進(jìn)行理論分析和計(jì)算，并重點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。具體研究?jī)?nèi)容如下。
1.5.1冰雪切削擠壓破碎技術(shù)、總體方案
主要闡述冰雪的物理機(jī)械性質(zhì)；根據(jù)所提出的對(duì)路面上壓實(shí)冰雪進(jìn)行擠壓、切削、破碎的技術(shù)思想，分析路面冰雪清除機(jī)基本原理并確定樣機(jī)基本方案；
1.5.2 碾壓滾型式和結(jié)構(gòu)
主要闡述工作裝置碾壓滾結(jié)構(gòu)型式研究和碾壓滾參數(shù)。
1.5.3 滾齒排列方式及刀刃幾何參數(shù)
主要闡述齒刀在碾壓滾上的排列方式；齒刀的數(shù)量和間距；齒刀幾何參數(shù)確定。
1.5.4 各主要零件的校核驗(yàn)算
主要是對(duì)齒刀的強(qiáng)度、銷軸剪切強(qiáng)度、軸的強(qiáng)度以及軸承進(jìn)行校核計(jì)算。
第2章 路面冰雪清除機(jī)機(jī)理研究
2.1 冰雪的物理機(jī)械性質(zhì)
路面冰雪清除機(jī)械的行走機(jī)構(gòu)以及清除冰雪的工作裝置與路面上的冰雪相接觸。冰雪的形成特性及其物理機(jī)械性質(zhì)在相當(dāng)大的程度上決定著清除路面上冰雪的方法，要研究行走機(jī)構(gòu)和工作裝置與冰雪的相互作用關(guān)系，首先要分析冰雪的物理機(jī)械性質(zhì)。
冰雪的基本特征之一是它的密度，其變化范圍很大，如表2.1所示。硬度是雪的物理機(jī)械性質(zhì)的主要指標(biāo)之一，表示冰雪阻止其它物體壓入的特性，其數(shù)值是根據(jù)它的密度和狀態(tài)決定的，如表2.2所示。雪的硬度、密度和溫度之間存在著如圖2.1所示的關(guān)系，溫度愈低，硬度愈高；密度愈大，硬度愈高[4]。
后面對(duì)路面冰雪清除機(jī)的工作阻力以及牽引力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要知道雪的機(jī)械性質(zhì)，表示雪的機(jī)械性質(zhì)的指標(biāo)通常是內(nèi)外滑動(dòng)摩擦系數(shù)、切削阻力系數(shù)、附著系數(shù)和行駛阻力系數(shù)。
表2.1 雪的密度
雪 的 狀 態(tài)
密 度（g/cm3）
新下的雪
落下30天的雪
大于30天的雪
密實(shí)的雪
冰雪混合
冰
0.10～0.15
0.20～0.30
0.34～0.42
0.40～0.60
0.60～0.75
0.90
雪的摩擦性質(zhì)決定于它的內(nèi)外摩擦系數(shù)。根據(jù)雪的狀態(tài)，它的內(nèi)外摩擦系
數(shù)分別列于表2.3和表2.4。
表示雪的切削阻力的指標(biāo)，一般是用切削阻力系數(shù)k0，它是切斷橫斷面等于1㎡的冰雪層所必需的力，k0的大小載入表2.5中。
路面上積雪之后，大大地改變了路面的使用特性。對(duì)于冬季養(yǎng)護(hù)道路的機(jī)器進(jìn)行牽引計(jì)算時(shí)，必須知道機(jī)器沿著各種冰雪路面行走時(shí)的滾動(dòng)阻力系數(shù)和
附著系數(shù)。輪胎與冰雪路面間的附著系數(shù)載入表2.6。
行駛阻力系數(shù)，一般較外摩擦系數(shù)大，因?yàn)樗粌H產(chǎn)生摩擦，而且還擠壓
雪。輪式和履帶式車輛的行駛阻力系數(shù)按表2.7選取。
表2.2 雪的硬度
雪的狀態(tài)
雪的密度（g/cm3）
當(dāng)溫度由-1～-20OC時(shí)雪的硬度（kPa）
松 軟 的
弱密實(shí)的
密 實(shí) 的
很密實(shí)的
小于0.25
0.26～0.35
0.36～0.50
0.51～0.60
小于50
60～100
210～2000
380～3000
圖2.1 雪的硬度與密度和溫度的關(guān)系
2.2 路面冰雪清除機(jī)基本方案、原理
對(duì)于路面冰雪的清除，人們?cè)鴩L試了各種清除原理和方案，這些原理和方案有的已在實(shí)際中使用，有的則還在探索和完善中。例如，對(duì)于清除未被壓實(shí)的浮雪，犁式清雪機(jī)和轉(zhuǎn)子式清雪機(jī)已在應(yīng)用中，二者分別采用了推移和旋切的原理。對(duì)于被壓實(shí)的雪、冰或冰雪混合物，采用的清除原理有鏟剁、錘擊、等，但這些方法經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明要么原理不完善，要么清除壓實(shí)冰雪的效果不，有待于進(jìn)一步完善。
針對(duì)上述情況，本文嘗試提出了一種對(duì)路面上壓實(shí)的冰雪進(jìn)行擠壓、切削、破碎的技術(shù)原理。這一思想的來(lái)源可聯(lián)想到金屬切削加工，如銑床的銑刀切削
表2.3 內(nèi)摩擦系數(shù)μ2
雪的密度
（g/㎝3）
雪 的 溫 度（OC）
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 外摩擦系數(shù)（對(duì)鋼）μ1
雪的密度
（g/㎝3）
雪 的 溫 度（OC）
-2～-4
-16 ～-30
-1～0
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
加工金屬件。根據(jù)這一思想，確定基本方案
首先選擇一種汽車或自行式工程機(jī)械作為動(dòng)力機(jī)。
在我國(guó)，由于冬季降雪時(shí)間只占全年的三分之一，根據(jù)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，單獨(dú)設(shè)計(jì)清除冰雪動(dòng)力機(jī)一機(jī)一用，機(jī)械閑置時(shí)間太長(zhǎng)，造成浪費(fèi)。為此，本文以裝載機(jī)為動(dòng)力機(jī)來(lái)研究清除冰雪工作裝置。
根據(jù)對(duì)路面上壓實(shí)的冰雪進(jìn)行擠壓、切削、破碎的基本思想，清除冰雪工作裝置可以由托架、帶有刀刃的碾壓滾組成，能夠與鏟斗互換，冬季除冰雪時(shí)取下鏟斗換上該裝置，清除被壓實(shí)了的冰雪，其他季節(jié)裝上鏟斗，實(shí)現(xiàn)裝載機(jī)的多功能使用。作為動(dòng)力機(jī)的裝載機(jī)，我們可以選擇現(xiàn)有的國(guó)產(chǎn)機(jī)型如ZL30、ZL40、ZL50裝載機(jī)。 本文確定ZL40E裝載機(jī)作為動(dòng)力機(jī)進(jìn)行分析研究和計(jì)算。
根據(jù)對(duì)路面上壓實(shí)的冰雪進(jìn)行擠壓、切削、破碎的基本思想，清除冰雪工作裝置可以由托架、帶有刀刃的碾壓滾組成，能夠與鏟斗互換，冬季除冰雪時(shí)取下鏟斗換上該裝置，清除被壓實(shí)了的冰雪，其他季節(jié)裝上鏟斗，實(shí)現(xiàn)裝載機(jī)
表2.5 雪的切削阻力系數(shù)k0
雪的狀態(tài)
雪的密度ρC（g/㎝3）
雪 的 溫 度（OC）
-1～-3
-4～-22
低于-22
天 然 狀 態(tài)
松軟的
弱密實(shí)的
小粒冰雪形成密實(shí)的
大粒冰雪形成密實(shí)的
0.12～0.18
0.20～0.28
0.30～0.36
0.28～0.35
0.7～1.8
2.0～4.0
3.0～6.0
4.0～7.0
0.2～0.8
1.5～3.0
4.0～7.0
3.0～6.0
0.4～1.2
2.0～5.0
5.～10.0
5.0～9.0
人 工 狀 態(tài)
弱密實(shí)的
密實(shí)的
很密實(shí)的
0.30～0.40
0.45～0.52
0.55～0.65
5.0～12.0
10.0～25.0
20.0～35.0
8.0～25.0
15.0～40.0
30.0～80.0
5.0～35.0
30.0～80.0
70.0～130.0
表2.6 輪胎與冰雪路的附著系數(shù)
雪 的 狀 態(tài)
輪 胎 類 型
附著系數(shù)φC
密實(shí)凍結(jié)的雪
密實(shí)凍結(jié)的雪
密實(shí)解凍的雪
壓實(shí)的凍結(jié)雪
壓實(shí)的解凍雪
解凍的雪
低壓胎
高壓胎
低壓和高壓胎
高壓胎
高壓胎
低壓胎
0.20～0.35
0.20～0.25
0.10～0.20
0.209
0.176
0.06～0.08
表2.7 行駛阻力系數(shù)
雪 的 狀 態(tài)
雪的密度
g/㎝3）
阻 力 系 數(shù) f
輪 胎
履 帶
松軟的
松軟潮濕的
輕碾壓的
碾壓的
冰雪
0.15～0.25
0.15～0.25
0.25～0.35
0.4～0.6
0.7
0.2～0.25
0.3
0.15～0.2
0.08～0.1
0.06～0.08
0.2
0.2
0.1
0.05
0.07～0.1
的多功能使用。作為動(dòng)力機(jī)的裝載機(jī)，我們可以選擇現(xiàn)有的國(guó)產(chǎn)機(jī)型如ZL30、ZL40、ZL50裝載機(jī)。 本文確定ZL40E裝載機(jī)作為動(dòng)力機(jī)進(jìn)行分析研究和計(jì)算。其主要性能參數(shù)如下：
額定斗容量（m3） 2.1
額定裝載質(zhì)量（㎏） 4000
整機(jī)操作質(zhì)量（㎏） 12500
軸距（㎜） 3020
輪距（㎜） 1980
最大崛起力（kN） 136.0
最大牽引力（kN） 110.5
水平通過(guò)半徑（mm） 6322
轉(zhuǎn)向半徑（mm） 5686
發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào) X6110ZG3-22
標(biāo)定1h功率(kW) 113.9
額定轉(zhuǎn)速（r/min） 2200
行駛速度（km/h） Ⅰ:14.46 Ⅱ:46.35
最大爬坡能力（°） 30
車體最大轉(zhuǎn)向角（°） 左、右各38
本次設(shè)計(jì)基本方案如圖2.2所示，由托架、帶有刀刃的碾壓滾組成的冰雪清除工作裝置替換鏟斗，碾壓滾上的滾刀破冰，司機(jī)控制滑靴調(diào)節(jié)滾刀切入深度，以免損傷路面。
圖2.2 路面冰雪清除機(jī)方案
動(dòng)力機(jī)在行走的過(guò)程中帶動(dòng)碾壓滾滾動(dòng)。碾壓滾滾動(dòng)時(shí)，由于碾壓滾上帶有刀齒，碾壓滾靠自身的重量，附著在冰雪面上，刀齒切入經(jīng)碾壓后形成的很厚的冰或冰雪混合物后，對(duì)其產(chǎn)生擠壓切削破碎作用。
裝載機(jī)是一種用途十分廣泛的工程機(jī)械，它的優(yōu)點(diǎn)之一是可按實(shí)際需要更換工作裝置。將清除冰雪裝置換上后，即變成了路面冰雪清除冰機(jī)械。本次設(shè)計(jì)選用ZL40E裝載機(jī)作為動(dòng)力機(jī)，將路面清除冰雪裝置替換鏟斗后即為路面冰雪清除機(jī)。
路面冰雪清除機(jī)的關(guān)鍵部件是它的工作裝置。該裝置由兩部分組成，即：托架和帶有刀刃的碾壓滾。碾壓滾與托架連接，托架與裝載機(jī)動(dòng)臂和轉(zhuǎn)斗拉桿相連。利用裝載機(jī)的牽引力推動(dòng)碾壓滾滾動(dòng)。
碾壓滾形狀呈圓柱形，碾壓滾上用螺栓有一定數(shù)量的刀齒，刀齒與圓柱面形成一定的角度。裝載機(jī)啟動(dòng)前，碾壓滾靠自身的重量附著在冰雪面上，同時(shí)對(duì)冰雪面產(chǎn)生壓力，啟動(dòng)后由于裝載機(jī)的牽引力，推動(dòng)碾壓滾向前滾動(dòng)。由于壓力的作用，刀齒產(chǎn)生切削力切人冰雪層內(nèi)。由于滾動(dòng)是連續(xù)的，所以刀齒對(duì)冰雪層產(chǎn)生了連續(xù)的切削擠壓，使冰雪層破碎并與地面分離。具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)見第三章和第四章結(jié)構(gòu)分析部分。
當(dāng)?shù)孛姹雍苡埠芎駮r(shí)，單靠碾壓滾自身的重量對(duì)冰雪產(chǎn)生的壓力使刀齒產(chǎn)生的切入力不夠，清除冰雪效果可能不十分理想。這時(shí)可以考慮：
(1) 在冰雪清除工作裝置滾筒內(nèi)部加配重，裝置對(duì)冰雪的壓力加大，刀齒的切入力也加大。
(2) 通過(guò)司機(jī)操縱轉(zhuǎn)斗油缸動(dòng)作減小或加大對(duì)冰雪的切削壓力。當(dāng)操縱轉(zhuǎn)斗油缸使裝載機(jī)前輪離地時(shí)，裝置產(chǎn)生最大的對(duì)冰雪壓力，此時(shí)除裝置本身重量外，動(dòng)力機(jī)機(jī)重的一半亦加在了冰雪清除裝置上，使刀齒產(chǎn)生更大的對(duì)冰雪的切削力。
2.3 整機(jī)分析及裝置重量的確定
2.3.1整機(jī)的組成
路面冰雪清除機(jī)的總體分析和設(shè)計(jì)就是根據(jù)其用途合理地選擇和確定各總成的結(jié)構(gòu)型式、性能參數(shù)及整機(jī)尺寸等，并進(jìn)行合理的布置。
本次設(shè)計(jì)由于是把ZL40E裝載機(jī)作為動(dòng)力機(jī)，所以需要考慮的是把清除冰雪裝置與動(dòng)力機(jī)有機(jī)的結(jié)合在一起。路面冰雪清除機(jī)主要由兩大部分組成（見圖2-2）：1、動(dòng)力機(jī)（裝載機(jī)）2、清除冰雪裝置（托架、帶有刀刃的碾壓滾）。
機(jī)器的性能不僅取決于動(dòng)力機(jī)、清除冰雪裝置各自性能的好壞，而更重要的是取決于這兩大部分性能的相互協(xié)調(diào)。性能的協(xié)調(diào)如何，則取決于總體參數(shù)及整機(jī)匹配情況及其布置的合理性。
針對(duì)前述的基本方案并考慮動(dòng)力機(jī)的基本參數(shù)，確定本設(shè)計(jì)中路面冰雪清除機(jī)的主要性能指標(biāo)如下：
1） 最大清除冰雪厚度： 不小于100 mm ；
2） 單程清除冰雪寬度： 2268 mm ；
3） 作業(yè)速度： 16～47 km/h ；
4） 清除冰雪效率（按面積計(jì)算） 不小于95% ；
5） 冰雪清除裝置質(zhì)量（最大配重） 3600 kg ；
6） 整機(jī)質(zhì)量(最大) 12500 kg 。
2.3.2清除冰雪裝置重量
冰雪清除裝置替換掉ZL40E裝載機(jī)鏟斗。裝置與鏟斗的工作狀況不同，其計(jì)算工作阻力的方法也不相同。鏟斗在工作時(shí)，受到來(lái)自前方土壤的阻力，作用在斗刃、斗底、側(cè)板等部位，由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。本次設(shè)計(jì)的冰雪清除裝置隨裝載機(jī)主機(jī)一邊向前滾動(dòng)，一邊切削地面上的冰雪，其受到的阻力大小和重量的確定與鏟斗不同。
冰雪清除裝置重量的確定有三個(gè)基本要求：
(1) 裝置的重量不得大于動(dòng)力機(jī)（原裝載機(jī)）的額定起重量Q（kN），否則機(jī)器將失去縱向穩(wěn)定性；
冰雪清除裝置的結(jié)構(gòu)尺寸不得與動(dòng)力機(jī)前車架、前橋、車輪干涉；
(2) 由裝置所產(chǎn)生的刀刃上的切削力應(yīng)足夠大，且大于冰雪的切削比阻力。
根據(jù)上述三個(gè)條件進(jìn)行冰雪清除裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。裝置由刀刃﹑滾圈﹑輪榖﹑軸﹑端蓋﹑托架﹑配重組成。配重裝置在滾圈內(nèi)部。其具體結(jié)構(gòu)見第三章3.1.1部分圖3.1。按圖可分別得到各零部件重量：
①滾圈： 10004N
②輪轂： 3646N
③軸： 1052N
④軸套： 720N
⑤托架梁: 8472N
⑥配重: 6385N
⑦其它零部件： 5721N
裝置不加配重重量：G0=29615N
裝置加配重重量： G1=36000N
由裝置結(jié)構(gòu)和在整機(jī)上的安裝可知結(jié)構(gòu)上不存在干涉現(xiàn)象。裝置加配重重量G=36000(N)，小于我們所選動(dòng)力機(jī)ZL30裝載機(jī)的額定起重量Q=40000(N)。由裝置重量所產(chǎn)生的切削力將在第四章中加以討論。
第3章 碾壓滾結(jié)構(gòu)及參數(shù)
3.1 碾壓滾結(jié)構(gòu)形式
碾壓滾是冰雪清除工作裝置的關(guān)鍵部件，合理的結(jié)構(gòu)形式對(duì)冰雪清除機(jī)的性能起著重要的作用。碾壓滾的結(jié)構(gòu)形式主要考慮圓柱形式，圓柱形式碾壓滾有其獨(dú)自特點(diǎn)。
路面冰雪清除機(jī)的功能是清除附著在地面上的堅(jiān)硬的冰雪混合物。從理論上講，我們可以把冰雪層看成一個(gè)平面，使冰雪混合物與地面分離，就好比用銑刀在加工一個(gè)平面。用來(lái)加工平面最常用的刀具就是圓柱銑刀。為此，可以考慮在一個(gè)圓筒形的滾筒上安裝上刀片或齒刀，構(gòu)成碾壓滾。而碾壓滾的旋轉(zhuǎn)軸可以通過(guò)軸承安裝在托架上，托架的后鉸支點(diǎn)分別安裝在裝載機(jī)的動(dòng)臂鉸點(diǎn)和拉桿鉸點(diǎn)上。在圓筒形的滾筒的內(nèi)部可以加適當(dāng)?shù)呐渲?。冰雪清除工作裝置的結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。
3.2 碾壓滾參數(shù)
碾壓滾是本次設(shè)計(jì)整個(gè)路面冰雪清除機(jī)的最關(guān)鍵部件。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)第二章2.3中述及的對(duì)冰雪清除裝置的三個(gè)基本要求確定了重量。裝置（包括托架）不加配重重量為G0=29615N ；在碾壓滾筒內(nèi)部加上配重后冰雪清除裝置重量為 G1=36000N 。由于在本次設(shè)計(jì)中齒刀與碾壓滾筒是通過(guò)螺栓來(lái)連接的，因此為了保證螺栓聯(lián)結(jié)的牢固以及其強(qiáng)度，碾壓滾采用雙滾筒焊接結(jié)構(gòu)，每個(gè)滾筒厚度為15mm，所以碾壓滾筒直徑900mm ，寬度2268mm ,材料采用Q235-A，厚度δ30mm 。托架材料亦采用Q235-A，厚度δ30mm 。整個(gè)冰雪清除裝置最大寬度2650mm 。
3.3 工作阻力的計(jì)算
整機(jī)工作時(shí)受到的水平切線方向工作阻力主要有兩部分組成：刀齒切入后，由于冰雪變形斷裂破碎對(duì)磙子產(chǎn)生的阻力；碾壓滾的滾動(dòng)阻力。由于刀齒和冰雪之間相互作用非常復(fù)雜，工作阻力的精確計(jì)算公式很難從理論上建立，另外，由于整機(jī)工作時(shí)外負(fù)荷是動(dòng)態(tài)變化的，準(zhǔn)確地計(jì)算工作阻力意義不大。故在此參照裝載機(jī)﹑推土機(jī)﹑鏟運(yùn)機(jī)等自行式鏟土運(yùn)輸機(jī)械工作阻力的計(jì)算方法，提出一個(gè)計(jì)算路面冰雪清除機(jī)工作阻力Px的經(jīng)驗(yàn)公式。
（3.1）
圖3.1 冰雪清除工作裝置結(jié)構(gòu)
式中 Px—— 水平工作阻力；
P1—— 冰雪變形斷裂破碎對(duì)磙子產(chǎn)生的阻力；
P2—— 碾壓滾的滾動(dòng)阻力。
則 （3.2）
式中 Kn——刀齒不均勻影響系數(shù)， Kn =1.0～1.5；
K0 —— 冰雪切削阻力系數(shù), K0 =70～130kpa；
B —— 碾壓滾寬度；
H —— 冰雪厚度；
f —— 阻力系數(shù)，從表2-7中選取。
W1 — 工作裝置重量(帶配重)，W1=36000N。
根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)公式，可以計(jì)算出路面冰雪清除機(jī)工作時(shí)所遇到的最大水平切線工作阻力。
P1 = 1.5×130000×2.268×0.1=44226N
P2 =0.1×36000=3600 N
Px =47826N =47.826 kN。
從ZL40E裝載機(jī)的主要性能參數(shù)可知，該阻力值不大于對(duì)應(yīng)額定滑轉(zhuǎn)率工況的一檔和二檔的牽引力。動(dòng)力機(jī)在額定滑轉(zhuǎn)率下具有足夠的牽引力克服水平工作阻力。
第4章 齒刀的研究
4.1 齒刀在碾壓滾上的排列﹑數(shù)量﹑間距
齒刀是清除冰雪裝置上的重要零件，齒刀設(shè)計(jì)的好與壞將直接影響到整機(jī)清除冰雪的效果。
在冬季，高速公路、普通公路、市區(qū)道路上積雪由于清掃不及時(shí)，而被碾壓成冰或冰雪混合物狀態(tài)。這層冰雪由于受到溫度的變化和外力擠壓密度很大。由于地面上有灰塵等其他雜質(zhì)的存在，這層冰雪與地面的粘連不是十分緊密的，因此只要冰雪層被破碎，形成面積較小的碎塊，就能自動(dòng)與地面剝離。我們?cè)诜治鳊X刀的數(shù)量及間距時(shí)主要是依據(jù)冰雪的這種特點(diǎn)。
刀齒的排列方式及數(shù)量將直接影響到工作裝置的清除冰雪效果。
齒刀過(guò)密、間距過(guò)小甚至沒(méi)有間距，雖然刀齒受力減小，但從壓實(shí)冰雪的特點(diǎn)來(lái)看，造成整機(jī)成本增加，是沒(méi)有必要的。另外，周向布置排數(shù)過(guò)多、過(guò)密造成前排刀齒還沒(méi)有切入冰層，后排刀齒已與冰雪面接觸，連續(xù)工作情況下，不是有效的除去冰雪，而是象一個(gè)機(jī)動(dòng)車的防滑裝置。
布置排數(shù)過(guò)少，齒刀過(guò)稀，間距過(guò)大，使刀齒切入冰雪層后，不能產(chǎn)生有效的擠壓，造成部分區(qū)域冰雪層不能被破碎，形不成小碎塊，冰雪層難與地面分離。清除冰雪效果不好，工作效率低。
齒刀碾壓滾組組件如圖4.1所示。
刀齒在滾子軸向共布置12排，滾子分兩節(jié)，每節(jié)6排。輪緣上每圈均勻布置13個(gè)刀片，相鄰圈上的刀片錯(cuò)開1/2間距排列。刀片總數(shù)量156片。
整機(jī)啟動(dòng)后，當(dāng)?shù)谝慌琵X切入冰雪面后，造成冰雪層松動(dòng)，如果各排齒間距過(guò)大，在工作面上看到的只能是一排排印痕，起不到對(duì)冰雪的破碎作用。由于滾動(dòng)是連續(xù)的，當(dāng)后排齒連續(xù)切入冰雪面時(shí)，因?yàn)楦髋诺洱X錯(cuò)開1/2齒距排列，單位面積上的冰雪層同時(shí)有若干個(gè)刀齒切入，單位面積切入力加大，造成有效工作面積內(nèi)冰雪層完全破碎而與地面分離。
4.2 齒刀幾何參數(shù)
齒刀與滾筒的連接可以采用兩種方式，即焊接和螺栓連接。焊接方式強(qiáng)度高，螺栓連接易于更換刀齒。本次設(shè)計(jì)采用螺栓聯(lián)結(jié)方式。其結(jié)構(gòu)與尺寸見圖4.2所示。 齒刀材料選取1 6Mn,因刀具角度是切削性能的重要參數(shù)，通過(guò)分析比較，確定了齒。刀的幾個(gè)關(guān)鍵角度。齒刀前角為20°，后角 72°，齒刀在滾筒上的安裝采用前傾式，安裝角160°。
圖4.1 壓滾組件
4.3 切削力計(jì)算
由表2-5知，密實(shí)冰雪（ρ≥0.55～0.65g/m3）在-20℃以下的切削阻力系數(shù)[p]=（70-130）kPa 。冰雪清除裝置上的齒刀對(duì)冰雪的切削力等于裝置的重量除以刀刃的接地面積。
冰雪清除裝置加配重對(duì)冰雪產(chǎn)生的壓力
p1=G1/A=36000/(2.268×0.01)=1587.3 kpa＞[p] （4.1）
由此可知，冰雪清除裝置對(duì)冰雪產(chǎn)生的切削力在兩種情況下均大于冰雪的切削比阻力。
圖4.2 刀齒結(jié)構(gòu)與參數(shù)
第5章 主要零件校核計(jì)算
5.1 軸承的校核計(jì)算
5.1.1 當(dāng)量動(dòng)載荷的校核
在本次設(shè)計(jì)中，軸與支架之間的聯(lián)結(jié)選用深溝球軸承6220，其主要參數(shù)為軸承參數(shù)：
軸承內(nèi)徑： 100（mm）
軸承外徑： 180（mm）
軸承寬度： 34（mm）
額定動(dòng)載荷：94000(N)
額定靜載荷：79000(N)
潤(rùn)滑方式： 脂潤(rùn)滑
極限轉(zhuǎn)速： 4300(r/min)
滾動(dòng)軸承的基本額定動(dòng)載荷，是在一定載荷條件下確定的。根據(jù)滾動(dòng)軸承的實(shí)際受載情況，在許多場(chǎng)合，常常同時(shí)承受徑向和軸向載荷的復(fù)合作用，為了計(jì)算軸承壽命時(shí)能與基本額定動(dòng)載荷在相同的條件下比較，需將實(shí)際工作載荷轉(zhuǎn)化為一個(gè)假想載荷。在此載荷作用下，軸承的壽命與實(shí)際載荷作用下的壽命相等，稱該假想載荷為當(dāng)量動(dòng)載荷，以P表示。當(dāng)量動(dòng)載荷的一般計(jì)算公式為：
P = fp ( XR + YA ) （5.1）
式中 X—徑向載荷系數(shù)；
Y—軸向載荷系數(shù)；
R—軸承所承受的徑向載荷；
A—軸承所承受的軸向載荷。
fp—載荷系數(shù)，考慮機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況對(duì)軸承載荷的影響，查表5.1。
在本設(shè)計(jì)過(guò)程中，所選軸承僅受徑向力，而軸向受力為0，由機(jī)械設(shè)計(jì)冊(cè)查得軸承的徑向載荷系數(shù)X=1.0,軸向載荷系數(shù)Y=0。由于該冰雪破除機(jī)是由裝載機(jī)推動(dòng)的，所以其載荷性質(zhì)應(yīng)該屬于中等沖擊或中等慣性力，其載荷系數(shù)fp取1.8。
根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)公式以及所分析得到的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算該軸承在工作時(shí)所遇到的當(dāng)量動(dòng)載荷。
表5.1 載荷系數(shù)f
載荷性質(zhì)
f
舉例
無(wú)沖擊或輕微沖擊
1.0～1.2
電機(jī)、汽輪機(jī)、通風(fēng)機(jī)、水泵等
中等沖擊或中等慣性力
1.2～1.8
車輛、動(dòng)力機(jī)械、起重機(jī)、造紙機(jī)、
冶金機(jī)械、選礦機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、機(jī)床等
強(qiáng)大沖擊
1.8～3.0
破碎機(jī)、軋鋼機(jī)、鉆探機(jī)
、振動(dòng)篩等
P = 1.8×18000=32400 N
由上面計(jì)算結(jié)果可知道，該軸承在工作時(shí)的當(dāng)量動(dòng)載荷比其額定動(dòng)載荷要小得多, 所以是合格的。
5.1.2 滾動(dòng)軸承壽命的計(jì)算
滾動(dòng)軸承的基本額定壽命大小與載荷大小有關(guān)，對(duì)同一軸承而言，載荷越大，引起的接觸應(yīng)力也越大，因而在發(fā)生點(diǎn)蝕破壞前所經(jīng)歷的應(yīng)力變化總轉(zhuǎn)數(shù)也就越少，即軸承的額定壽命越低，兩者之間的關(guān)系可用疲勞曲線表示。軸承的載荷-壽命曲線方程為：
PεL10 = Cε × 1 = 常數(shù) （5.2）
則基本額定壽命以106轉(zhuǎn)為單位時(shí)，壽命計(jì)算公式為：
L10 = （）ε106 r （5.3）
實(shí)際使用中，實(shí)際使用中，用工作小時(shí)數(shù)表示軸承壽命較為方便，所以
L10 = 106×（）ε/60n h （5.4）
式中 P—當(dāng)量動(dòng)載荷（N）;
ε—壽命指數(shù)，球軸承 ε=3，滾子軸承ε=10/3；
n—軸承轉(zhuǎn)速（r/min）;
C—基本額定動(dòng)載荷（N）,可由軸承樣本或有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查到。
標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，滾動(dòng)軸承的基本額定動(dòng)載荷C是指能時(shí)軸承的基本額定壽命達(dá)到106轉(zhuǎn)時(shí)所能承受的假想載荷。對(duì)向心軸承是指一個(gè)大小和方向恒定的純徑向載荷，以Cr表示；對(duì)推力軸承是指一個(gè)恒定的中心軸向載荷，以Ca表示?；绢~定動(dòng)載荷越大，軸承承載能力越強(qiáng)，它是衡量軸承承載能力的只要指標(biāo)。
由以上經(jīng)驗(yàn)公式以及分析數(shù)據(jù)可以計(jì)算本冰雪清除機(jī)中軸承的壽命為：
L10 = 106×（）3/（60×39）= 10436 h
5.2 齒刀強(qiáng)度的校核分析
在本設(shè)計(jì)中，采用了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件對(duì)齒刀的強(qiáng)度進(jìn)行了分析，由軟件分析結(jié)果可以知道，該冰雪清除機(jī)的齒刀強(qiáng)度完全可以滿足要求。其分析結(jié)果以及源程序如下：
Analysis1.CATAnalysis
MESH:
Entity
Size
Nodes
1695
Elements
6132
ELEMENT TYPE:
Connectivity
Statistics
TE4
6132 ( 100.00% )
ELEMENT QUALITY:
0 ( 0.00% )
0.395
0.677
0 ( 0.00% )
4.058
1.965
Properties.1
Material
Young Modulus
Poisson Ratio
Steel.1.1 : Structural ( ASTM-A36 )
2e+011N_m2
0.266
Static Case
Boundary Conditions
STRUCTURE Computation
Number of nodes
:
1695
?
Number of elements
:
6132
?
Number of D.O.F.
:
5085
?
Number of Contact Elements
:
0
?
Number of Kinematic relations
:
0
?
STIFFNESS Computation
Number of local singularities
:
0
?
Number of singularities in translation
:
0
?
Number of singularities in rotation
:
0
?
Generated constraint type
:
MPC
?
Restraint: RestraintSet.1
CONSTRAINT Computation
Restraint: RestraintSet.1
Number of constraints
:
696
?
Number of factorized constraints
:
696
?
Number of deferred constraints
:
0
?
DIRECT METHOD Computation
Name: StaticSet.1
Restraint: RestraintSet.1
Load: LoadSet.1
Strain Energy : 3.923e-007 J
Equilibrium
Von Mises Stress (nodal value)
5.3 銷軸的校核計(jì)算
當(dāng)路面冰雪清除機(jī)的工作裝置接觸冰雪路面的時(shí)候，清除機(jī)工作在牽引工況；而當(dāng)工作裝置抬起的時(shí)候，則工作在行駛工況。在冰雪清除機(jī)分別處于這兩種不同的工況的時(shí)候，其受力都是不一樣的。
當(dāng)路面冰雪清除機(jī)處于牽引工況的時(shí)候，裝置受力情況如圖5.1示
圖中，A點(diǎn)為支撐臂與冰雪清除裝置聯(lián)結(jié)處，B點(diǎn)為大臂與冰雪清除裝置聯(lián)結(jié)處。C點(diǎn)為冰雪清除裝置的軸心位置，而N為動(dòng)力裝載機(jī)給冰雪清除裝置施加
圖5.1 裝置受力圖
的推力大小為47826N。
通過(guò)圖5.1對(duì)路面冰雪清除機(jī)處于牽引工況的時(shí)候大臂及支撐臂的受力情況進(jìn)行分析，由圖中我們可以看到，用于推動(dòng)路面冰雪清除機(jī)的進(jìn)行工作的絕大部分推力均是又大臂來(lái)提供的。因此，在冰雪清除機(jī)處于牽引工況的時(shí)候，主要校核用于大臂與冰雪清除裝置聯(lián)結(jié)的銷軸即可。由受力分析圖可以看到，大部分的推力都是
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