小型道路除雪机大棚吹雪机工作原理.docx

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小型道路除雪机大棚吹雪机工作原理

道路除雪机-除冰机机械研发技术课题和攻关总结作者；胡若男

仿人力智能除冰机械。

智能机械除冰稿系统，除冰效果极佳，属全国首创，螺旋导向清理冰雪，自动将冰雪清理至清扫车一侧；螺旋导向高强扫轮清扫浮雪并自动将浮雪清扫至清扫车一侧；驾驶员可通过观察、控制除冰镐工作情况和除冰雪效果；机械除冰镐易磨损的镐刃置换十分方便，并且成本低廉，多功能化设计可实现除冰、清雪、扫雪于一体，夏季可将整机前部拆下并十分方便的将装载机斗安装上，可做为装载机使用，体现整机设计巧妙，利用价值高，解决了一般清雪机的单一性。

本产品全新理念设计，功能卓越，已获得国家多项专利。

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。

1.1.2本次设计研究目的

中国北方大部分地区,每年有3～5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。

1.1.3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。

1.1.4有关清雪机国内外研究简况

（1>有关清雪机国内外研究简况目前，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：

1单向犁除雪犁以固定角度装在除雪车前部。

2V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。

3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。

4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。

因为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。

具体类型有：

1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。

2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。

3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。

4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。

5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。

河北五星电力设备有限公司WX-2018型冰雪清除机（除冰清雪车>具备操作简便，维护维修方便快捷，故障少等特点，各个破碎铲都是独立工作的，即使个别破碎铲出现故障不影响整机操作，低能耗；是大型清雪机每小时燃料的十分之一采用橡胶履带行走装置保证坡路和光滑的冰雪层上作业。

根据用户要求2018年又采用了ZL-20加高型轮式装载机作为该机的配套主机，使其在清雪季节过后还可清楚小区内的垃圾、建筑工地的施工作业、可牵引运送垃圾的液压翻斗车等环卫车辆。

液压管路采用快换接头方式、安装方便快捷、大大提高了该机利用率85%以上。

液压转向，密封驾驶

室，配置有供暖系统，视野开阔，操作环境舒适。

可根据用户需要制造1-3M系列机型。

五星冰雪除冰机的主要参数发动机型式立式、四缸、水冷、直喷燃烧室?

标定功率KW<护坡）48<65）?

装载机44<60）标定转数r/min24002600前进挡速度km/h1.02-9.5倒档km/h0.67-2.55工作幅宽

30004000燃油箱容积

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。

③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。

1.2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，还要培养项目实际应用的能力，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

1.3.2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。

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项目机械的研究知识，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项目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。

1.5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。

1.5.1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。

1.5.2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。

1.5.3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。

1.5.4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。

第2章路面冰雪清除机机理研究

2.1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

新下的雪

0.10～0.15

落下30天的雪

0.20～0.30

大于30天的雪

0.34～0.42

密实的雪

0.40～0.60

冰雪混合

0.60～0.75

冰

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附着系数。

轮胎与冰雪路面间的附着系数载入表2.6。

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

当温度由-1～-20OC时雪的硬度

松软的

小于0.25

小于50

弱密实的

0.26～

60～100

密实的

0.35

210～2000

很密实的

0.50

0.36～

380～3000

0.51～

0.60

案、原

人们曾

雪的密度

雪

的

温

度＜OC）

0附近

-1

～-6

-10以下

0.12

0.24

0.29

0.34

0.20

0.30

0.33

0.36

0.30

0.35

0.39

0.46

0.40

0.40

0.44

0.50

0.47

0.42

0.47

0.53

0.56

0.45

0.50

0.57

表2.3内摩擦系数μ2

表2.4外摩擦系数<对钢）μ1雪的密雪的温度

雪的密

雪的温度

度

3）

-2～-4

-16～-30

-1～0

0.1

0.1

0.14

0.18

0.2

0

0.097

0.11

0.3

0.0

0.08

0.09

0.4

85

0.065

0.07

0.45

0.0

0.048

5

0.50

7

0.033

0.05

0.0

6

55

0.04

0.0

0

48

0.0

25

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项目机械作为动力机。

在我国，因为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

雪的状态

雪的密

雪的温度

度ρC

-1～

-3

-4～-22

低于-22

天然

状

态

松软的

0.12～

0.7

0.2～0.8

0.4～

1.2

弱密实的

0.18.8

1.5～3.0

2.0～

5.0

小粒冰雪形成

0.20～

2.0

～

4.0～7.0

5.～

10.0

密实的

0.28

4.0

3.0～6.0

5.0

～9.0

大粒冰雪形成

0.30～0.36

3.0～6.0

密实的

0.28～0.35

4.0～

7.0

人工

状

态

弱密实

0.30～

5.0

8.0～

5.0～

35.0

的

0.40

12.0

25

.0

30.0～

80.0

密实的

0.45～

10.0～

15.0～

70.0

很密实

0.52

25.0

.0

130.0

的

0.55～

20.0～

35.0

30.0～

0.65

80.0

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φC

密实冻结的雪

低压胎

0.20～

密实冻结的雪

高压胎

0.35

密实解冻的雪

低压和高压

0.20～

压实的冻结雪

胎

0.25

压实的解冻雪

高压胎

0.10～

解冻的雪

高压胎

0.20

低压胎

0.209

0.176

0.06～

0.08

表2.7行驶阻力系数

雪的状态

雪的密度

g/㎝3）

阻力系数f

轮胎

履带

松软的

0.15～

0.2～0.25

0.2

松软潮

0.25

0.3

0.2

湿的

0.15～

0.15～0.2

0.1

轻碾压

0.25

0.08～0.1

0.05

的

0.25～

0.06～

0.07～

碾压的

0.35

0.08

0.1

冰雪

0.4～0.6

0.7

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

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

136.0

最大牵引力

110.5

水平通过半径

6322

转向半径

5686

发动机型号

X6110ZG3-22

标定1h功率（kW>

113.9

额定转速

2200

行驶速度

Ⅰ:

14.46

Ⅱ:

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。

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，因为碾压滚上带有刀齿，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项目机械，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，启动后因为装载机的牵引力，推动碾压滚向前滚动。

因为压力的作用，刀齿产生切削力切人冰雪层内。

因为滚动是连续的，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。

2.3整机分析及装置重量的确定

2.3.1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。

本次设计因为是把ZL40E装载机作为动力机，所以需要考虑的是把清除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

不小于100mm；

2268mm；

～47km/h；不小于95%；3600kg；

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：

2）单程清除冰雪宽度：

3）作业速度：

16

4）清除冰雪效率＜按面积计算）

5）冰雪清除装置质量＜最大配重）

6）整机质量（最大＞12500kg

2.3.2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

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：

①滚圈：

10004N

②轮毂：

3646N

③轴：

1052N

④轴套：

720N

⑤托架梁:

8472N

⑥配重:

6385N

⑦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4章齿刀的研究

4.1齿刀在碾压滚上的排列﹑数量﹑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