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開題報(bào)告
1 課題來(lái)源、目的、意義、國(guó)內(nèi)外概況
1.1 本課題的來(lái)源
本課題屬于吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院2000級(jí)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師的科研項(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。
1.2 本課題研究目的
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)。
1.3 本課題研究的意義
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。
1.4 本課題國(guó)內(nèi)外研究概況
1.4.1 本課題國(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) 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。現(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。
1.4.2 國(guó)內(nèi)外在這個(gè)方面的發(fā)展方向：
(1) 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。
(2) 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。
(3) 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。
(4) 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。
2 本課題預(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。
3 本課題研究?jī)?nèi)容、研究方法及技術(shù)路線
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。
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) 葉片結(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，前后兩排葉片位置錯(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
3.3 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。
3.4 擬采用的技術(shù)路線
4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)。
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)老師李萌老師對(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)，相信一定能在李老師的指導(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)！
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