路面冰雪除雪機設(shè)計[含CAD高清圖和文檔資料]

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┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 斜刃螺栓連接式厚冰雪碾壓除雪機設(shè)計 [摘要] 我國北方地區(qū)冬季降雪時間長，雪量大，氣溫低，積雪數(shù)日經(jīng)車輛、行人碾壓而被壓實。路面上壓實冰雪的清除問題關(guān)系到社會生產(chǎn)、人民生活、交通安全、環(huán)境保護等多個方面。目前國內(nèi)外對壓實冰雪的清除還缺少行之有效的辦法。本文結(jié)合我國北方地區(qū)降雪后的特點及我國國情，主要針對路面上被壓實的冰雪研究了路面冰雪清除機械。 本文提出了對路面壓實冰雪進行擠壓、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械基本方案并分析了其工作機理。提出利用裝載機為動力機，只需更換上清除冰雪裝置，實現(xiàn)了一機多用。研究了傳動系統(tǒng)各部件的匹配以及冰雪清除裝置與整機的匹配，進行了匹配計算和整機牽引性能分析。根據(jù)整機方案及相關(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)冰雪的物理機械性質(zhì)計算了刀齒切削力。 [關(guān)鍵詞] 冰雪清除 切削 破碎 路面 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 開題報告 1 課題來源、目的、意義、國內(nèi)外概況 1.1 本課題的來源 本課題屬于吉林大學機械科學與工程學院2000級本科生的畢業(yè)設(shè)計指導教師的科研項目（國家經(jīng)貿(mào)委“國家重點技術(shù)改造項目[2003]86”）。是根據(jù)國際和國內(nèi)的最新形勢和市場需求而確定的研究課題。對實際的生產(chǎn)和生活有很大的實際意義。是隸屬于國家攻關(guān)課題-----多功能鏟雪車研制的一部分。 1.2 本課題研究目的 中國北方大部分地區(qū),每年有3～5個月的降雪期,道路積雪給交通運輸及人民日常生活帶來許多困難,有時甚至阻斷交通。近幾年來高等級公路里程不斷增加,及時有效地清除路面積雪已成為亟待解決、刻不容緩的問題,這對于提高車輛的運輸效率、避免重大交通事故的發(fā)生,具有很大的社會經(jīng)濟效益。目前,國內(nèi)除雪作業(yè)多由人工或其它代用機械完成,其勞動強度大,作業(yè)效率低。進口外國先進的除雪設(shè)備,造價高且不適合中國國情;而用其它的代用機械如平地機進行除雪作業(yè),則又浪費實用設(shè)備且對路面具有破壞性。所以,盡快開發(fā)出適合中國國情的低成本、高效率、且宜大面積推廣應(yīng)用的除雪設(shè)備,是一項艱巨而緊迫的任務(wù)。 1.3 本課題研究的意義 我國北方大部分地區(qū),每年有很長的降雪期,道路積雪給交通運輸及人民日常生活帶來許多不便。尤其凍結(jié)在道路上的積雪與薄冰,采用傳統(tǒng)除雪機用推刮的辦法無法清除,為此不得不耗費大量人力物力進行人工鏟除。采用機械方法清除是一項急需解決的難題。就目前國內(nèi)除雪機械來看,大多數(shù)功能單一,或只能清除積雪、或只能破除積冰[1]。國外的除雪機功能較全,但結(jié)構(gòu)復雜,造價昂貴,且大多不適合國內(nèi)的道路狀況。因此開發(fā)研制適合我國道路情況的集破冰除雪于一機的設(shè)備,具有十分重大的意義。國外的除雪機功能較全,但結(jié)構(gòu)復雜,造價昂貴,且大多不適合國內(nèi)的道路狀況。因此開發(fā)研制適合我國道路情況的集破冰除雪于一機的設(shè)備,同樣具有十分重大的意義。 1.4 本課題國內(nèi)外研究概況 1.4.1 本課題國內(nèi)外研究概況 目前，世界各個國家除冰雪的方法中，應(yīng)用最普遍的是溶解法和機械法。溶解法是依靠熱作用或撒部化學藥劑使冰雪融化。其優(yōu)點是除凈率高，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)問世，對環(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。 機械法是通過機械作用直接作用解除冰雪危害。雖然除凈率較低，但是對環(huán)境和植被無任何影響。能實現(xiàn)冰雪的異地轉(zhuǎn)移。應(yīng)用范圍比較廣。因此，筆者認為：清除冰雪必須以機械法為主，以溶解法為輔助，才能達到快速和環(huán)保的除雪效果。 我國對除雪機械的開發(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)護方式，即人工作業(yè)和小型的除雪機械相結(jié)合的方式。高速公路和一級公路開始使用大型專用除雪機械，進行冬季養(yǎng)護。但是，除雪機械在數(shù)量和品種規(guī)格上還很少，所以除雪設(shè)備大部分依賴進口。機械化程度和總體水平遠遠落后于發(fā)達國家。只是最近幾年國內(nèi)的廠家才參照國外的先進技術(shù)研制了適合我國國情的除雪機械。 綜觀國內(nèi)外的除雪機械，其類型總的來說有三種類型： (1) 犁式除雪機 犁式除雪機的工作裝置一般安裝在主機的前端，是所有除雪機中應(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。其特點是：多數(shù)采用了雙搖桿機構(gòu)，避讓效果明顯，越障高度較大，環(huán)境適應(yīng)性強，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，用來減少或消除鏟刃對地面的作用力，保護了地面，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)呈左右對稱，形成V形。 3)變角度犁------指犁的排雪方向和行進角度可以改變的除雪機械 4)復合犁------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：徐州裝載機長的專利產(chǎn)品------調(diào)壓自動越障式除雪裝置。鄭工、柳工和沈陽山河等廠家生產(chǎn)的ZL50型除雪機。由于該類除雪機械擁有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、價格低廉等特性，因此受到廣大用戶的認可，得以廣泛的使用。 (2) 旋切式除雪機械 旋切式除雪機械工作方式為自行式和懸掛式兩種。主要有離心式物料風機、風道、拋雪筒、護板和螺旋型集雪器等部分組成。結(jié)構(gòu)相對比較復雜。工作時借助主機或者專用底盤的動力，驅(qū)動風機做高速旋轉(zhuǎn)運動，將集雪器聚攏的雪由風道、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。在清除雪障時旋切式除雪機械有明顯的優(yōu)勢。但是無法清除壓實的積雪。 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，當螺旋周轉(zhuǎn)動時，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，工作時雪的移動方向為上下運動。 主要機型有：哈爾濱開達公司生產(chǎn)的拋雪式除雪機和吉林大學研制的CX-30型除雪機。 (3) 掃滾式除雪機械 掃滾式除雪機械工作方式為自行式和懸掛式兩種。在主機或者專用底盤的動力作用下，驅(qū)動掃雪滾和掃雪盤做高速旋轉(zhuǎn)運動，掃雪滾和掃雪盤上的柔性強力掃雪刷，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。該式除雪機械主要適合于較薄的或者是犁式除雪機械工作后的殘留積雪。即使路面凸凹不平也可以獲得無殘雪的除雪效果。主要生產(chǎn)廠家有：哈爾濱開達公司和哈爾濱重型機械廠等。 國內(nèi)的除雪機械雖然有了很大的發(fā)展，但其總體水平與發(fā)達國家相比，產(chǎn)品品種及性能都還有很大差距。適應(yīng)不了我國高速公路的發(fā)展的需求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 1)技術(shù)水平低，除雪機械在結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、零部件供應(yīng)和使用管理等方面都存在技術(shù)水平低的問題。致使除雪機械可靠性差、故障多、壽命短。 2)功能單一。除雪機械具有明顯的季節(jié)性，如果功能單一，只能用做除雪和除冰專用，那么，機械一年中大部分時間處于閑置狀態(tài)，大大增加了除雪 的成本。加重了公路養(yǎng)護部門的負擔。 3)品種類型不全。與國外相比，現(xiàn)在有不少除冰雪機械在國內(nèi)還是一片空白?，F(xiàn)有的除冰雪機械無法滿足公路和大型機場的除冰雪的要求。 1.4.2 國內(nèi)外在這個方面的發(fā)展方向： (1) 加強對雪質(zhì)、雪性的基礎(chǔ)研究。 為了提高除冰雪機械的設(shè)計水平，需要對冰雪的力學性質(zhì)和物理特性進行深入研究。特別是對壓實冰雪的理論研究。據(jù)有關(guān)資料研究：東北地區(qū)壓實冰雪占總的除雪任務(wù)的80%以上。 (2) 向一機多能和機電液一體化方向發(fā)展。 在現(xiàn)有的條件下，可以對汽車、拖拉機、裝載機和推土機等設(shè)備進行改裝，冬季降雪時用來除冰雪作業(yè)，其余時間可用來進行公路養(yǎng)護和其他作業(yè)。可以提高設(shè)備的利用率。采用機械、電子、液壓等技術(shù)提高除雪機械的科技含量，減輕工人的勞動強度。 (3) 向大型、小型和高速方向發(fā)展。 我國的地理環(huán)境復雜，各個城市道路建設(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械，以滿足不同地區(qū)和工況的除冰雪要求。同時要開發(fā)出效率高的機械，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：對于市區(qū)內(nèi)主干道，雪停止24H后需運出城市外。 (4) 加強行業(yè)間的技術(shù)交流與合作。走共同研發(fā)之路。 各個廠家根據(jù)自己的實際情況開發(fā)出的產(chǎn)品各有優(yōu)缺點，為了加快除冰雪機械的開發(fā)和應(yīng)用，應(yīng)加強企業(yè)間的合作，集中財力、物力和人力走共同發(fā)展之路，實現(xiàn)除冰雪的機械化。 2 本課題預期達到的目標 在ZL40型裝載機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型裝載機大臂相連。設(shè)計出包括鏟及其連接機構(gòu)。畫出全部圖紙：裝配圖、部件圖、零件圖、總明細表。 設(shè)計時要保證相應(yīng)構(gòu)件的可靠性，所以要進行相應(yīng)的力學分析、設(shè)計計算 、方針模擬等。并要求用計算機軟件對重要部件進行詳細的運動學和動力學分析。設(shè)計相關(guān)的軟件。 通過這次設(shè)計，要不僅溫習好大學四年所學的大不分的理論知識，還要培養(yǎng)工程實際應(yīng)用的能力，鍛煉實際的動手和全局的駕御能力。對裝載機和除雪機械有更深的認識，加強在此方面的設(shè)計能力。 3 本課題研究內(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的整體方案構(gòu)想 斜刃螺栓連接式厚冰雪磙壓除雪機是針對我國道路情況設(shè)計的破冰清雪除雪設(shè)備。該設(shè)備主要起破冰作用的碾壓輥構(gòu)成。 該設(shè)備的主機架可與ＺＬ40裝載機直接聯(lián)接。該設(shè)備碾壓輥固定在聯(lián)架臂上,聯(lián)架臂通過大臂與主機架鏟接。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的沖擊力達到破冰目的。 3.2 結(jié)構(gòu)原理和計算要點 斜刃螺栓連接式厚冰雪磙壓除雪機是利用前部安裝的碾壓輥上裝有的刀板對雪進行切削，利用自身的重力和空氣錘的振動的沖擊力達到破冰目的。 (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開。 (2) 除雪機功率的計算： 除雪機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算辦法。下面對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。因為有關(guān)裝載機和除雪機構(gòu)的研究在我國已經(jīng)有了一定的進展------即使和發(fā)達國家相比還很落后-----在很多領(lǐng)域。但近幾年我們引進了很多先進的技術(shù)，特別是除雪機械方面的，加上我們的有關(guān)裝載機和其他工程機械的研究知識，將這兩方面的知識有機地結(jié)合起來，實現(xiàn)新的突破，研制出適合我國國情的公路養(yǎng)護機械-----集工程作業(yè)和除雪能力于一體的多功能機械產(chǎn)品。 3.4 擬采用的技術(shù)路線 4研究冰雪的物理和力學特性------查閱國內(nèi)外有關(guān)裝載機和除雪機械、機構(gòu)的設(shè)計資料和最新進展------消化、吸收個方面的技術(shù)資料，并加以整理和創(chuàng)新------技術(shù)設(shè)計和整機設(shè)計。 4 本課題實現(xiàn)的現(xiàn)有條件 國內(nèi)外關(guān)于ZL40裝載機的數(shù)據(jù)和文獻資料的搜集較為便利。在理論上和方法上具有很強的借鑒意義。指導老師李萌老師對我國這方面的情況很了解，是這方面的專家。有很深的理論和實踐知識，為本課題的研究奠定了很好的理論和實證基礎(chǔ)。本人對于裝載機和除雪機械也有一定的認識，相信一定能在李老師的指導下順利完成課題的研究。并取得優(yōu)異的畢業(yè)設(shè)計成績！同時為我國在此領(lǐng)域的研究作出自己應(yīng)有的貢獻！ 共 5 頁 第 5 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 目 錄 第1章 緒論 ……………………………………………………………………… 1 1.1本次設(shè)計來源、目的、意義、國內(nèi)外概況………………………………1 1.1.1 本次設(shè)計的來源…………………………………………………… 1 1.1.2 本次設(shè)計研究目的………………………………………………… 1 1.1.3 本次設(shè)計研究的意義…………………………………………………1 1.1.4 有關(guān)清雪機國內(nèi)外研究概況…………………………………………2 1.2 本設(shè)計預期達到的目標……………………………………………………4 1.3 本設(shè)計研究內(nèi)容、研究方法及技術(shù)路線…………………………………5 1.3.1 斜刃螺栓連接式厚冰雪磙壓除雪機的整體方案構(gòu)想………………5 1.3.2 結(jié)構(gòu)原理和計算要點…………………………………………………5 1.4 本課題實現(xiàn)的現(xiàn)有條件……………………………………………………6 1.5 研究的主要內(nèi)容和方法……………………………………………………6 1.5.1冰雪切削擠壓破碎技術(shù)、總體方案………………………………… 6 1.5.2 碾壓滾型式和結(jié)構(gòu)……………………………………………………6 1.5.3 滾齒排列方式及刀刃幾何參數(shù)………………………………………6 1.5.4 各主要零件的校核驗算………………………………………………6 第2章 路面冰雪清除機機理研究……………………………………………… 8 2.1 冰雪的物理機械性質(zhì)………………………………………………………8 2.2 路面冰雪清除機基本方案、原理…………………………………………9 2.3 整機分析及裝置重量的確定…………………………………………… 13 2.3.1整機的組成………………………………………………………… 13 2.3.2清除冰雪裝置重量………………………………………………… 14 第3章 碾壓滾結(jié)構(gòu)及參數(shù)………………………………………………………15 3.1 碾壓滾結(jié)構(gòu)形式………………………………………………………… 15 3.2 碾壓滾參數(shù)……………………………………………………………… 15 3.3 工作阻力的計算………………………………………………………… 15 第4章 齒刀的研究……………………………………………………………… 17 4.1 齒刀在碾壓滾上的排列﹑數(shù)量﹑間距………………………………… 17 4.2 齒刀幾何參數(shù)…………………………………………………………… 17 4.3 切削力計算……………………………………………………………… 18 第5章 主要零件校核計算……………………………………………………… 19 5.1 軸承的校核計算…………………………………………………………19 5.1.1 當量動載荷的校核…………………………………………………19 5.1.2 滾動軸承壽命的計算………………………………………………30 5.2 齒刀強度的校核分析…………………………………………………… 21 5.3 銷軸的校核計算………………………………………………………… 26 5.4 軸的校核計算…………………………………………………………… 29 5.4.1 按扭轉(zhuǎn)強度條件計算………………………………………………30 5.4.2 按彎扭合成強度條件計算…………………………………………30 第6章 電器系統(tǒng)………………………………………………………………… 33 6.1 電源電路………………………………………………………………… 33 6.2 啟動系統(tǒng)………………………………………………………………… 33 6.3 照明和信號系統(tǒng)………………………………………………………… 33 6.4 儀表系統(tǒng)………………………………………………………………… 33 6.5 預熱器…………………………………………………………………… 34 第7章 電算部分…………………………………………………………………35 第8章 結(jié) 論……………………………………………………………………43 致謝…………………………………………………………………………………45 參考文獻……………………………………………………………………………46 共 2 頁 第 2 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ Oblique Edge Bolt Join Ice Snow Presses Snow-Clearing Machine Design [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 共 1 頁 第 1 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 除雪機的自動駕駛系統(tǒng) Hirofumi HIRASHITA, Takeshi ARAI, Tadashi YOSHIDA 摘要: 在冷和多雪的部分的日本，大多數(shù)雪被從除雪機器道路中除去，同時，處理路邊條件并且保證安全的操作,操作這些機器被兩個人正常地操作：一名話務(wù)員和一個助手。 工作在進行中為了除雪機器開發(fā)自動的駕駛系統(tǒng)在操作人員的雪移去上使負擔為了減輕并且減少未來的勞動要求。這報告描述一個自動的駕駛系統(tǒng)結(jié)合三種技術(shù)： 在最近幾年作為一種ITS技術(shù)已被發(fā)展的通路記號系統(tǒng)，RTKGPS技術(shù)和GIS技術(shù), 這駕駛的系統(tǒng)已被發(fā)展為旋轉(zhuǎn)除雪機器：雪移去的類型考慮最困難操作。報告也評價基于確證的結(jié)果的三種控制方法測試使用實際的除雪機器,同時這些的輪廓問題控制必須被克服建立一個工作的系統(tǒng)的系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：雪旋轉(zhuǎn)移去，自動的駕駛，ITS，通路記號，GIS，GPS 1 緒論 在寒冷的多雪部分的日本，雪通過機械的手段是被從道路上除掉保證冬天道路。為了保證機械把雪消要除根據(jù)雪在道路表面上的積累狀態(tài)適當?shù)谋磺宄纸煌?，心計劃的出席控制方法必須被建立，并且機械必須正確地操作。 自動的駕駛系統(tǒng)發(fā)展被計劃用于旋轉(zhuǎn)的除雪機器：帶有一種操作的方法的一類型比那其他類型除雪機更復雜，它已被發(fā)展為減少工作人人員除雪負擔降低的保障。 2 發(fā)展背景 雪移去被兩個工作人員操作： 驅(qū)使移去的一名話務(wù)員同時，控制的射出的一個助手。話務(wù)員驅(qū)使機器關(guān)于道路的控制還密切注意入雪處，助手噴出雪當雪進入機器的時候。除雪機器雪的內(nèi)部配置十分復雜如圖3.1。目的使車輛的部分自動自動化在操作工作執(zhí)行中話務(wù)員允許助手控制雪做射出。未來允許由一人操作。 這報告介紹形成已被發(fā)展為自動的駕駛系統(tǒng)的基礎(chǔ)的定位技術(shù)和控制技術(shù)，同時，提出一種評價基于確證測試的結(jié)果的系統(tǒng)據(jù)以予以執(zhí)行的雪移去并且描述克服問題完成一個工作的系統(tǒng)。 3 自動操縱系統(tǒng) 已被開發(fā)的自動的駕駛系統(tǒng)使雪的清除成為自動化，駕駛也成為了話務(wù)員的任務(wù)之一。 3.1 駕駛并且雪清除的控制 旋轉(zhuǎn)自動除雪機的駕駛的機制不同于正常的車輛前進和后退部分被別針連系，而清楚說出機制被安裝，這樣車輛能在別針折彎。駕駛被確切的線性化方法和被的時間規(guī)模轉(zhuǎn)換控制有效的制一輛活動的車輛的過程。 這控制方法被受完整的約束影響的運動的一個方程代表并且基于非線性的控制理論。但是，一個雪移去側(cè)翼滑行，因為當它移去雪時，作為雪筑堤圍攔受橫向的反應(yīng)力量影響被顯示圖3.2。小路滑動使用下面被描述的綜合的伺服機構(gòu)系統(tǒng)來將這當做一場外部騷亂對待控制滑動。 圖3.1 除雪機內(nèi)部 圖3.2 除雪機除雪 圖3.3 顯示駕駛機制除雪的一個模型。在未來， 前面輪子和對于后部輪子距離和除雪的連接的別針有距離被L代表，當2α代表過程時,駕駛的角度其后是除雪的半徑的一個弧R=L/tan a 。當前面輪子的中心點P的過程正切方向速度矢量被θ代表和正切方向角度被ν代表時，點P的運動的方程能被寫如下。 （1） 公式（1）被完成以便執(zhí)行狀態(tài)反饋控制。從等式中定義除學時駕駛的數(shù)量是駕駛的角度α中的1/2個。 （2） 在等式（2）中橫向滑動將不是予以考慮。為了除去由橫向的滑動造成的穩(wěn)態(tài)的偏差，如果綜合的伺服機構(gòu)系統(tǒng)被使用，駕駛α的數(shù)量被如下方程代表 （3） 為了除去穩(wěn)態(tài)的偏差符號f是控制獲得，同時，基于公式（3），f1代表成適當比例的獲得，f2代表派生物獲得，而f3代表完整的獲得。PID控制被用來建造系統(tǒng) 圖3.3 協(xié)調(diào)系統(tǒng) 圖3.4 集成伺服機構(gòu)系統(tǒng)控制塊圖形 3.2 定位方法 發(fā)現(xiàn)一種車輛為了執(zhí)行自動的駕駛的信息是必要的位置并且有確定方向駕駛它。已被開發(fā)的系統(tǒng)裝備有兩種功能： 指導方法使用通路記號傳感器發(fā)現(xiàn)使用GPS和GIS來發(fā)現(xiàn)車輛位置和駕駛的方法。 3.3 通路記號傳感器指導方法 一臺通路記號傳感器是為了使用作為先進的運輸系統(tǒng)( ITS )的部分被開發(fā)的高級的巡航幫助公路系統(tǒng)( AHS )的一種基本的技術(shù)。這技術(shù)包括間歇地被埋入在一個道路表面下面的通路記號，而車輛爬升發(fā)現(xiàn)被這些通路記號傳送的信號沿著被記號形成的過程指引車輛的傳感器。有這系統(tǒng)的兩種版本： 無線電波浪方法和磁性的方法。 （1） 角度計算邏輯 我們假定，通路記號之間的距離將不是經(jīng)常的，但是，根據(jù)道路的形狀和傳感器邊的要求能被變化。因此，這系統(tǒng)裝備有兩臺行的傳感器，這樣甚至當通路記號安裝間隔都被知道，直到除雪機器傳遞過他們才能控制執(zhí)行。如圖3.5： 圖3.5 通路記號傳感器指導方法 對于用一單一的行的傳感器駕駛的控制，如（第3.5圖左邊）通過目標過程為控制所需要的橫向的微分和方位的有差別的ym和ψm協(xié)調(diào)系統(tǒng)∑(xy)除傳感器之外要求關(guān)于記號之間的間隔的信息發(fā)信號ym1被前面車輛測量固定協(xié)調(diào)系統(tǒng)∑f ( xfyf )接受。但是，用兩臺行的傳感器(第3.5圖右邊)，系統(tǒng)能計算橫向的微分和目標過程的方位的有差別的ym和ψm通過兩協(xié)調(diào)系統(tǒng)∑(xy)反對當它傳遞amarker，直到他們傳遞下一個記號時，被前面車輛測量的ym1和ym2協(xié)調(diào)系統(tǒng)∑f ( xfyf )的傳感器控制兩個傳感器信號固定，這樣駕駛控制能被執(zhí)行即使記號之間的間隔是未知的。 （2）電波記號傳感器定位方法 有了無線電波浪方法，一個天線在車輛上的傳感器內(nèi)部朝著道路傳送227.5臺kHs無線電波浪，以及當一臺無線電波浪記號(圖3.6 )收到這轉(zhuǎn)播，它歸還455 kHz的雙頻率的一個信號。 在傳感器內(nèi)部的一個收到的天線收到這返回無線電波浪發(fā)現(xiàn)車輛的位置(圖3.7)。 朝著穿過的運動的方向的高峰價值。 它在中發(fā)現(xiàn)位置通過通過基于在被兩感到的返回無線電波浪的收到的力量的區(qū)別的成三角形方法計算天線之間的距離橫向的收到方向天線 圖3.6無線電搖動記號 圖3.7無線電波浪記號傳感器 （3）磁性的記號傳感器定位方法 有了磁性的方法，有持久標記的鐵酸鹽磁鐵(圖3.8)安裝在地表面以下，磁鐵上還安裝一臺磁性的傳感器。 課題分配磁性的記號顯示將記號的中心當做最大限度課題力量對待的單峰。 這課題的垂直的組成部分( Bz )和車輛寬度方向組成部分( Bx )的磁性的流密度被磁性的傳感器和位置記號發(fā)現(xiàn)被計算之間的距離發(fā)現(xiàn),基于以前約定的Bx與Bz有關(guān)系的方程傳感器和記號。(圖3.9) 圖3.8 磁性的記號 圖3.9 Bx與Bz關(guān)系 3.4 GPS與GIS定位發(fā)現(xiàn)方法 基于GPS與GIS定位的一個系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)車輛的位置通過比較旋轉(zhuǎn)的雪移去位置控制其操作把從一個GPS衛(wèi)星被收到的數(shù)據(jù)與位置相協(xié)調(diào)為了提前被道路GIS提供的道路協(xié)調(diào)線性的數(shù)據(jù)。 （1） 路GIS道路GIS是有關(guān)用于道路維護的結(jié)構(gòu)和交通管理的信息的一個數(shù)據(jù)庫。 為了開發(fā)這系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)的雪移去目標過程信旋轉(zhuǎn)的雪removers的話務(wù)員移去雪通過推動息被建立，這樣它能被處理作為GIS數(shù)據(jù)。擴展裸露的道路他們的被雪消除邊界(圖3.10)指引的車輛因為雪消除邊界經(jīng)常沿著道路的雙方是人行道的控制，被使用的GIS數(shù)據(jù)是控制數(shù)據(jù)。 共 9 頁 第 9 頁 圖3.10 道路GIS數(shù)據(jù) （2）TK-GPS RTK-GPS，有高精度的定位( 2點和3點cm )之間的差錯半徑的能力的一個系統(tǒng)，包括收到天線的兩GPS，一個固定站另一個固定在運載工具車站(在除雪機)上。 固定的車站傳送基于它已收到到運載工具車站的GPS數(shù)據(jù)的糾正信息。系統(tǒng)幾乎能執(zhí)行實時定位，因為GPS數(shù)據(jù)以20Hz的速度被糾正。 圖4.1 裝備有一種自動的駕駛支持功能的除雪機 4 確證的測試 消除在一月和2002年二月在北海道使用裝備有駕駛的控制系統(tǒng)的旋下面的自動的駕駛方法的適用性和實用性是一條實際的道路(低速率，橫向滑動)上的一個雪移去所特有的。轉(zhuǎn)的雪移去被實行。 4.1 確證測試的輪廓 （1） 被機器移去 除雪機器的體積分為大中小型經(jīng)常被使用在過家的公路上，據(jù)正常的說明建造部分地被修改(圖4.1)。 （2） 驗證的測試過程 確證的測試過程包括直的段，曲線，( R 30 m )，以及相交( R 12 m )，這樣它在公路上復制條件下， 其通路記號間隔是2.0 m和1.5 m 。 除雪的工作條件與實際的工作的那些相同，而工作以兩種速度被做，4公里與h和0.5公里與h 。雪銀行被準備提供當一個移去被用來擴展清除的部分的一條道路時，發(fā)生的工作裝載和橫向的滑動。 圖4.2 測試過程的布局 4.2 確證的測試的結(jié)果 測試證實通路記號彈著點方向觀測(無線電波浪和因為駕駛的控制系統(tǒng)發(fā)展是跟隨的一個系統(tǒng)預置目標過程，其控制性能從其目標過程(橫向的偏差)的數(shù)量被評價為雪移去的 偏差的數(shù)量。 表5.1表示從被方法組織的測試結(jié)果顯示橫向的偏差的數(shù)量。磁性)指導方法和GPS與GIS定位方法。 這桌子展覽那么總的來說，偏差和標準的偏差的數(shù)量在直的段上是小的，但是他們兩個都在曲線上在相交更高。 這區(qū)別大概地是被執(zhí)行的事實的一種結(jié)果在帶有曲率的一條小的半徑的段中，大量的駕駛，并且雪消除裝載是更可能造成橫GPS與GIS方法優(yōu)于 通路記號方法。 因為以前的方法幾乎取得幾乎20Hz的實時定位和駕駛控制，它立即能對作出反應(yīng)減少偏差的數(shù)量橫向滑動。 有了后面，駕駛被延遲因為系統(tǒng)不能發(fā)現(xiàn)沒有通路記號之間的信號，在大量的橫向的偏差中導致的橫向的滑動。 因此，測試被完成，提供，除用傳感器糾正橫向的滑動之外，當傳感器傳遞記號時，協(xié)調(diào)下一個記號(過程信息)。導致橫向的滑動的分配揭示作為這時被領(lǐng)進圖4.3，±2σ(σ:標準的微分)是沒有過程信息的±57 cm，而它是過程信息的±31 cm： 極端帶來其精度的一大的改進和接近那個GPS與GIS方法。 在之間的性能中的沒有間距速度4公里與h和0.5與h被觀察。 5 結(jié)論和未來挑戰(zhàn) 已被確認自動的駕駛系統(tǒng)使用通路記號或者GPS的，GIS等等能通除雪機取得正常的雪消除工作的一個一般地實際的水平的控制。 但是，為了建立實際的工作的系統(tǒng)，如下挑戰(zhàn)必須被解決。 (1) GPS與GIS方法顯示其發(fā)現(xiàn)精度甚至暫時在敞開的空間中落下。 當GPS衛(wèi)星在一個狹窄的范圍中被集中時，我們假定這發(fā)生。 同時，在測試期間無線電波浪記號方法，認為是車輛上的高的輸出傳輸器的一種結(jié)果無法預言的行為被觀察。 提供是必要功能當這樣反常的操作的信號被生產(chǎn)時，那沒有干涉話務(wù)員而自動地停止操作。 (2) 為GPS與GIS情況，靠通路改進控制的精度是必要通過進入通路記號的記號方法提前協(xié)調(diào)到雪移去系統(tǒng)向它提供過程信息。 每次系統(tǒng)傳遞過記號，記錄在每一記號上的通道是也十分重要。 (3) 更進一步改進控制精度(減少偏差的數(shù)量)，努力量化諸如的騷亂橫向 的滑動，與雪消除裝載等等在把雪消除工作的模型的細節(jié)的程度增加旋轉(zhuǎn)的雪移去之后并且執(zhí)行仿真是必要雪移去。 圖4.3 橫向的偏差(無線電波方法) 在最近幾年，各種各樣的組織已試圖運用信息技術(shù)( IT )改進建設(shè)機械。 當時在那些情況中看見，信息在這種情況中處理不能被運用于其它系統(tǒng)，除非它 表5.1每一系統(tǒng)的橫向的差異 獨立的操作(工作加速4公里與h，前面?zhèn)鞲衅鞯钠畹臄?shù)量) 在最近幾年，各種各樣的組織已試圖運用信息技術(shù)( IT )改進建設(shè)機械。 當時在那些情況中看見，信息在這種情況中處理不能被運用于其它系統(tǒng)，除非它的用途在標準化時被假定。 因為被這項目發(fā)展的除雪機通路記號的新的道路基礎(chǔ)設(shè)施，道路GIS數(shù)據(jù)。同時，通信系統(tǒng)和其通信標準必須被標準化，其發(fā)展用ITS領(lǐng)域中的通信技術(shù)已被協(xié)調(diào)。 作者希望這研究與發(fā)展將促進作為一個工作的系統(tǒng)介紹它。 最后，作者希望向Hokuriku地區(qū)表達他們的深的感激地基礎(chǔ)設(shè)施的部的發(fā)展局和北海道地區(qū)的發(fā)展局，和運輸其幫助確證的測試和對于幫助系統(tǒng)和測試的工作的建造的每個人。 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第1章 緒 論 1.1 本次設(shè)計來源、目的、意義、國內(nèi)外概況 1.1.1 本次設(shè)計的來源 本課題屬于吉林大學機械科學與工程學院科研項目（國家經(jīng)貿(mào)委“國家重點技術(shù)改造項目[2003]86”）。是根據(jù)國際和國內(nèi)的最新形勢和市場需求而確定的研究課題。對實際的生產(chǎn)和生活有很大的實際意義。是隸屬于國家攻關(guān)課題----多功能鏟雪車研制的一部分。 1.1.2 本次設(shè)計研究目的 中國北方大部分地區(qū),每年有3～5個月的降雪期,道路積雪給交通運輸及人民日常生活帶來許多困難,有時甚至阻斷交通。近幾年來高等級公路里程不斷增加,及時有效地清除路面積雪已成為亟待解決、刻不容緩的問題,這對于提高車輛的運輸效率、避免重大交通事故的發(fā)生,具有很大的社會經(jīng)濟效益。目前,國內(nèi)除雪作業(yè)多由人工或其它代用機械完成,其勞動強度大,作業(yè)效率低。進口外國先進的除雪設(shè)備,造價高且不適合中國國情;而用其它的代用機械如平地機進行除雪作業(yè),則又浪費實用設(shè)備且對路面具有破壞性。所以,盡快開發(fā)出適合中國國情的低成本、高效率、且宜大面積推廣應(yīng)用的除雪設(shè)備,是一項艱巨而緊迫的任務(wù)。 1.1.3 本次設(shè)計研究的意義 我國北方大部分地區(qū),每年有很長的降雪期,道路積雪給交通運輸及人民日常生活帶來許多不便。尤其凍結(jié)在道路上的積雪與薄冰,采用傳統(tǒng)除雪機用推刮的辦法無法清除,為此不得不耗費大量人力物力進行人工鏟除。采用機械方法清除是一項急需解決的難題。就目前國內(nèi)除雪機械來看,大多數(shù)功能單一,或只能清除積雪、或只能破除積冰[1]。國外的除雪機功能較全,但結(jié)構(gòu)復雜,造價昂貴,且大多不適合國內(nèi)的道路狀況。因此開發(fā)研制適合我國道路情況的集破冰除雪于一機的設(shè)備,具有十分重大的意義。國外的除雪機功能較全,但結(jié)構(gòu)復雜,造價昂貴,且大多不適合國內(nèi)的道路狀況。因此開發(fā)研制適合我國道路情況的集破冰除雪于一機的設(shè)備,同樣具有十分重大的意義。 1.1.4 有關(guān)清雪機國內(nèi)外研究概況 (1) 有關(guān)清雪機國內(nèi)外研究概況 目前，世界各個國家除冰雪的方法中，應(yīng)用最普遍的是溶解法和機械法。溶解法是依靠熱作用或撒部化學藥劑使冰雪融化。其優(yōu)點是除凈率高，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)問世，對環(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。 機械法是通過機械作用直接作用解除冰雪危害。雖然除凈率較低，但是對環(huán)境和植被無任何影響。能實現(xiàn)冰雪的異地轉(zhuǎn)移。應(yīng)用范圍比較廣。因此，筆者認為：清除冰雪必須以機械法為主，以溶解法為輔助，才能達到快速和環(huán)保的除雪效果。 我國對除雪機械的開發(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)護方式，即人工作業(yè)和小型的除雪機械相結(jié)合的方式。高速公路和一級公路開始使用大型專用除雪機械，進行冬季養(yǎng)護。但是，除雪機械在數(shù)量和品種規(guī)格上還很少，所以除雪設(shè)備大部分依賴進口。機械化程度和總體水平遠遠落后于發(fā)達國家。只是最近幾年國內(nèi)的廠家才參照國外的先進技術(shù)研制了適合我國國情的除雪機械。 綜觀國內(nèi)外的除雪機械，其類型總的來說有三種類型： 1) 犁式除雪機 犁式除雪機的工作裝置一般安裝在主機的前端，是所有除雪機中應(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。其特點是：多數(shù)采用了雙搖桿機構(gòu)，避讓效果明顯，越障高度較大，環(huán)境適應(yīng)性強，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，用來減少或消除鏟刃對地面的作用力，保護了地面，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)呈左右對稱，形成V形。 ③ 變角度犁------指犁的排雪方向和行進角度可以改變的除雪機械。 ④ 復合犁------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：徐州裝載機長的專利產(chǎn)品------調(diào)壓自動越障式除雪裝置。鄭工、柳工和沈陽山河等廠家生產(chǎn)的ZL50型除雪機。由于該類除雪機械擁有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、價格低廉等特性，因此受到廣大用戶的認可，得以廣泛的使用。 2) 旋切式除雪機械 旋切式除雪機械工作方式為自行式和懸掛式兩種。主要有離心式物料風機、風道、拋雪筒、護板和螺旋型集雪器等部分組成。結(jié)構(gòu)相對比較復雜。工作時借助主機或者專用底盤的動力，驅(qū)動風機做高速旋轉(zhuǎn)運動，將集雪器聚攏的雪由風道、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。在清除雪障時旋切式除雪機械有明顯的優(yōu)勢。但是無法清除壓實的積雪。 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，當螺旋周轉(zhuǎn)動時，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，工作時雪的移動方向為上下運動。 主要機型有：哈爾濱開達公司生產(chǎn)的拋雪式除雪機和吉林大學研制的CX-30型除雪機。 3) 掃滾式除雪機械 掃滾式除雪機械工作方式為自行式和懸掛式兩種。在主機或者專用底盤的動力作用下，驅(qū)動掃雪滾和掃雪盤做高速旋轉(zhuǎn)運動，掃雪滾和掃雪盤上的柔性強力掃雪刷，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。該式除雪機械主要適合于較薄的或者是犁式除雪機械工作后的殘留積雪。即使路面凸凹不平也可以獲得無殘雪的除雪效果。主要生產(chǎn)廠家有：哈爾濱開達公司和哈爾濱重型機械廠等。 國內(nèi)的除雪機械雖然有了很大的發(fā)展，但其總體水平與發(fā)達國家相比，產(chǎn)品品種及性能都還有很大差距。適應(yīng)不了我國高速公路的發(fā)展的需求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面： ① 技術(shù)水平低，除雪機械在結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、零部件供應(yīng)和使用管理等方面都存在技術(shù)水平低的問題。致使除雪機械可靠性差、故障多、壽命短。 ② 功能單一。除雪機械具有明顯的季節(jié)性，如果功能單一，只能用做除雪和除冰專用，那么，機械一年中大部分時間處于閑置狀態(tài)，大大增加了除雪的成本。加重了公路養(yǎng)護部門的負擔。 ③ 品種類型不全。與國外相比，現(xiàn)在有不少除冰雪機械在國內(nèi)還是一片空白?，F(xiàn)有的除冰雪機械無法滿足公路和大型機場的除冰雪的要求。 (2) 國內(nèi)外在這個方面的發(fā)展方向： 加強對雪質(zhì)、雪性的基礎(chǔ)研究。 為了提高除冰雪機械的設(shè)計水平，需要對冰雪的力學性質(zhì)和物理特性進行深入研究。特別是對壓實冰雪的理論研究。據(jù)有關(guān)資料研究：東北地區(qū)壓實冰雪占總的除雪任務(wù)的80%以上。 ① 向一機多能和機電液一體化方向發(fā)展。 在現(xiàn)有的條件下，可以對汽車、拖拉機、裝載機和推土機等設(shè)備進行改裝，冬季降雪時用來除冰雪作業(yè)，其余時間可用來進行公路養(yǎng)護和其他作業(yè)?？梢蕴岣咴O(shè)備的利用率。采用機械、電子、液壓等技術(shù)提高除雪機械的科技含量，減輕工人的勞動強度。 ② 向大型、小型和高速方向發(fā)展。 我國的地理環(huán)境復雜，各個城市道路建設(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械，以滿足不同地區(qū)和工況的除冰雪要求。同時要開發(fā)出效率高的機械，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：對于市區(qū)內(nèi)主干道，雪停止24H后需運出城市外。 ③ 加強行業(yè)間的技術(shù)交流與合作。走共同研發(fā)之路。 各個廠家根據(jù)自己的實際情況開發(fā)出的產(chǎn)品各有優(yōu)缺點，為了加快除冰雪機械的開發(fā)和應(yīng)用，應(yīng)加強企業(yè)間的合作，集中財力、物力和人力走共同發(fā)展之路，實現(xiàn)除冰雪的機械化。 1.2 本設(shè)計預期達到的目標 在ZL40型裝載機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型裝載機大臂相連。設(shè)計出包括鏟及其連接機構(gòu)。畫出全部圖紙：裝配圖、部件圖、零件圖、總明細表。 設(shè)計時要保證相應(yīng)構(gòu)件的可靠性，所以要進行相應(yīng)的力學分析、設(shè)計計算 、方針模擬等。并要求用計算機軟件對重要部件進行詳細的運動學和動力學分析。設(shè)計相關(guān)的軟件。 通過這次設(shè)計，要不僅溫習好大學四年所學的大不分的理論知識，還要培養(yǎng)工程實際應(yīng)用的能力，鍛煉實際的動手和全局的駕御能力。對裝載機和除雪機械有更深的認識，加強在此方面的設(shè)計能力。 1.3 本設(shè)計研究內(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的整體方案構(gòu)想 斜刃螺栓連接式厚冰雪磙壓除雪機是針對我國道路情況設(shè)計的破冰清雪除雪設(shè)備。該設(shè)備主要起破冰作用的碾壓輥構(gòu)成。 該設(shè)備的主機架可與ZL40裝載機直接聯(lián)接。該設(shè)備碾壓輥固定在聯(lián)架臂上,聯(lián)架臂通過大臂與主機架鏟接。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的沖擊力達到破冰目的。 1.3.2 結(jié)構(gòu)原理和計算要點： 斜刃螺栓連接式厚冰雪磙壓除雪機是利用前部安裝的碾壓輥上裝有的刀板對雪進行切削，利用自身的重力和空氣錘的振動的沖擊力達到破冰目的。 (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開。 (2) 除雪機功率的計算： 除雪機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算辦法。下面對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。因為有關(guān)裝載機和除雪機構(gòu)的研究在我國已經(jīng)有了一定的進展------即使和發(fā)達國家相比還很落后-----在很多領(lǐng)域。但近幾年我們引進了很多先進的技術(shù)，特別是除雪機械方面的，加上我們的有關(guān)裝載機和其他工程機械的研究知識，將這兩方面的知識有機地結(jié)合起來，實現(xiàn)新的突破，研制出適合我國國情的公路養(yǎng)護機械-----集工程作業(yè)和除雪能力于一體的多功能機械產(chǎn)品。 (4) 擬采用的技術(shù)路線 研究冰雪的物理和力學特性------查閱國內(nèi)外有關(guān)裝載機和除雪機械、機構(gòu)的設(shè)計資料和最新進展------消化、吸收個方面的技術(shù)資料，并加以整理和創(chuàng)新------技術(shù)設(shè)計和整機設(shè)計。 1.4 本課題實現(xiàn)的現(xiàn)有條件 國內(nèi)外關(guān)于ZL40裝載機的數(shù)據(jù)和文獻資料的搜集較為便利。在理論上和方法上具有很強的借鑒意義。指導老師鄧洪超老師在我國裝載機技術(shù)和除雪機械的研究方面走在前列。對我國這方面的情況很了解，是這方面的專家。有很深的理論和實踐知識，為本課題的研究奠定了很好的理論和實證基礎(chǔ)。本人對于裝載機和除雪機械也有一定的認識，相信一定能在鄧老師的指導下順利完成課題的研究。并取得優(yōu)異的畢業(yè)設(shè)計成績！同時為我國在此領(lǐng)域的研究作出自己應(yīng)有的貢獻！ 1.5 研究的主要內(nèi)容和方法 本文針對路面上被壓實的冰雪研究路面冰雪清除機械。方法是進行理論分析和計算，并重點進行實驗研究。具體研究內(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械性質(zhì)；根據(jù)所提出的對路面上壓實冰雪進行擠壓、切削、破碎的技術(shù)思想，分析路面冰雪清除機基本原理并確定樣機基本方案；分析整機的牽引平衡和功率平衡，確定路面冰雪清除裝置的重量，進行整機匹配計算及分析。 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算 主要是對齒刀的強度、銷軸剪切強度、軸的強度以及軸承進行校核計算。 第2章 路面冰雪清除機機理研究 2.1 冰雪的物理機械性質(zhì) 路面冰雪清除機械的行走機構(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械性質(zhì)在相當大的程度上決定著清除路面上冰雪的方法，要研究行走機構(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。硬度是雪的物理機械性質(zhì)的主要指標之一，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]。 后面對路面冰雪清除機的工作阻力以及牽引力進行計算時，需要知道雪的機械性質(zhì)，表示雪的機械性質(zhì)的指標通常是內(nèi)外滑動摩擦系數(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，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。對于冬季養(yǎng)護道路的機器進行牽引計算時，必須知道機器沿著各種冰雪路面行走時的滾動阻力系數(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，因為它不僅產(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） 當溫度由-1～-20OC時雪的硬度（kPa） 松 軟 的 弱密實的 密 實 的 很密實的 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 路面冰雪清除機基本方案、原理 對于路面冰雪的清除，人們曾嘗試了各種清除原理和方案，這些原理和方案有的已在實際中使用，有的則還在探索和完善中。例如，對于清除未被壓實的浮雪，犁式清雪機和轉(zhuǎn)子式清雪機已在應(yīng)用中，二者分別采用了推移和旋切的原理。對于被壓實的雪、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)實驗證明要么原理不完善，要么清除壓實冰雪的效果不，有待于進一步完善。 針對上述情況，本文嘗試提出了一種對路面上壓實的冰雪進行擠壓、切削、破碎的技術(shù)原理。這一思想的來源可聯(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械作為動力機。 在我國，由于冬季降雪時間只占全年的三分之一，根據(jù)我國的經(jīng)濟發(fā)展狀況，單獨設(shè)計清除冰雪動力機一機一用，機械閑置時間太長，造成浪費。為此，本文以裝載機為動力機來研究清除冰雪工作裝置。 根據(jù)對路面上壓實的冰雪進行擠壓、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，冬季除冰雪時取下鏟斗換上該裝置，清除被壓實了的冰雪，其他季節(jié)裝上鏟斗，實現(xiàn)裝載機的多功能使用。作為動力機的裝載機，我們可以選擇現(xiàn)有的國產(chǎn)機型如ZL30、ZL40、ZL50裝載機。 本文確定ZL40E裝載機作為動力機進行分析研究和計算。 根據(jù)對路面上壓實的冰雪進行擠壓、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，冬季除冰雪時取下鏟斗換上該裝置，清除被壓實了的冰雪，其他季節(jié)裝上鏟斗，實現(xiàn)裝載機 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 弱密實的 小粒冰雪形成密實的 大粒冰雪形成密實的 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) 弱密實的 密實的 很密實的 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 密實凍結(jié)的雪 密實凍結(jié)的雪 密實解凍的雪 壓實的凍結(jié)雪 壓實的解凍雪 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。作為動力機的裝載機，我們可以選擇現(xiàn)有的國產(chǎn)機型如ZL30、ZL40、ZL50裝載機。 本文確定ZL40E裝載機作為動力機進行分析研究和計算。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 水平通過半徑（mm） 6322 轉(zhuǎn)向半徑（mm） 5686 發(fā)動機型號 X6110ZG3-22 標定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 路面冰雪清除機方案 動力機在行走的過程中帶動碾壓滾滾動。碾壓滾滾動時，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，對其產(chǎn)生擠壓切削破碎作用。 裝載機是一種用途十分廣泛的工程機械，它的優(yōu)點之一是可按實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械。本次設(shè)計選用ZL40E裝載機作為動力機，將路面清除冰雪裝置替換鏟斗后即為路面冰雪清除機。 路面冰雪清除機的關(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，托架與裝載機動臂和轉(zhuǎn)斗拉桿相連。利用裝載機的牽引力推動碾壓滾滾動。 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。裝載機啟動前，碾壓滾靠自身的重量附著在冰雪面上，同時對冰雪面產(chǎn)生壓力，啟動后由于裝載機的牽引力，推動碾壓滾向前滾動。由于壓力的作用，刀齒產(chǎn)生切削力切人冰雪層內(nèi)。由于滾動是連續(xù)的，所以刀齒對冰雪層產(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?shù)孛姹雍苡埠芎駮r，單靠碾壓滾自身的重量對冰雪產(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，裝置對冰雪的壓力加大，刀齒的切入力也加大。 (2) 通過司機操縱轉(zhuǎn)斗油缸動作減小或加大對冰雪的切削壓力。當操縱轉(zhuǎn)斗油缸使裝載機前輪離地時，裝置產(chǎn)生最大的對冰雪壓力，此時除裝置本身重量外，動力機機重的一半亦加在了冰雪清除裝置上，使刀齒產(chǎn)生更大的對冰雪的切削力。 2.3 整機分析及裝置重量的確定 2.3.1整機的組成 路面冰雪清除機的總體分析和設(shè)計就是根據(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)及整機尺寸等，并進行合理的布置。 本次設(shè)計由于是把ZL40E裝載機作為動力機，所以需要考慮的是把清除冰雪裝置與動力機有機的結(jié)合在一起。路面冰雪清除機主要由兩大部分組成（見圖2-2）：1、動力機（裝載機）2、清除冰雪裝置（托架、帶有刀刃的碾壓滾）。 　機器的性能不僅取決于動力機、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)及整機匹配情況及其布置的合理性。 　　針對前述的基本方案并考慮動力機的基本參數(shù)，確定本設(shè)計中路面冰雪清除機的主要性能指標如下：　　 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（按面積計算） 不小于95% ； 5） 冰雪清除裝置質(zhì)量（最大配重） 3600 kg ； 6） 整機質(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裝載機鏟斗。裝置與鏟斗的工作狀況不同，其計算工作阻力的方法也不相同。鏟斗在工作時，受到來自前方土壤的阻力，作用在斗刃、斗底、側(cè)板等部位，由經(jīng)驗公式計算。本次設(shè)計的冰雪清除裝置隨裝載機主機一邊向前滾動，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基本要求： (1) 裝置的重量不得大于動力機（原裝載機）的額定起重量Q（kN），否則機器將失去縱向穩(wěn)定性； 冰雪清除裝置的結(jié)構(gòu)尺寸不得與動力機前車架、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)上述三個條件進行冰雪清除裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計。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)，小于我們所選動力機ZL30裝載機的額定起重量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)形式對冰雪清除機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自特點。 路面冰雪清除機的功能是清除附著在地面上的堅硬的冰雪混合物。從理論上講，我們可以把冰雪層看成一個平面，使冰雪混合物與地面分離，就好比用銑刀在加工一個平面。用來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)軸可以通過軸承安裝在托架上，托架的后鉸支點分別安裝在裝載機的動臂鉸點和拉桿鉸點上。在圓筒形的滾筒的內(nèi)部可以加適當?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)計整個路面冰雪清除機的最關(guān)鍵部件。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時根據(jù)第二章2.3中述及的對冰雪清除裝置的三個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)計中齒刀與碾壓滾筒是通過螺栓來連接的，因此為了保證螺栓聯(lián)結(jié)的牢固以及其強度，碾壓滾采用雙滾筒焊接結(jié)構(gòu)，每個滾筒厚度為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 。整個冰雪清除裝置最大寬度2650mm 。 3.3 工作阻力的計算 整機工作時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磙子產(chǎn)生的阻力；碾壓滾的滾動阻力。由于刀齒和冰雪之間相互作用非常復雜，工作阻力的精確計算公式很難從理論上建立，另外，由于整機工作時外負荷是動態(tài)變化的，準確地計算工作阻力意義不大。故在此參照裝載機﹑推土機﹑鏟運機等自行式鏟土運輸機械工作阻力的計算方法，提出一個計算路面冰雪清除機工作阻力Px的經(jīng)驗公式。 （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磙子產(chǎn)生的阻力； P2—— 碾壓滾的滾動阻力。 　　　　　　 　　　　　　 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)驗公式，可以計算出路面冰雪清除機工作時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裝載機的主要性能參數(shù)可知，該阻力值不大于對應(yīng)額定滑轉(zhuǎn)率工況的一檔和二檔的牽引力。動力機在額定滑轉(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)計的好與壞將直接影響到整機清除冰雪的效果。 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，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，就能自動與地面剝離。我們在分析齒刀的數(shù)量及間距時主要是依據(jù)冰雪的這種特點。 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。 齒刀過密、間距過小甚至沒有間距，雖然刀齒受力減小，但從壓實冰雪的特點來看，造成整機成本增加，是沒有必要的。另外，周向布置排數(shù)過多、過密造成前排刀齒還沒有切入冰層，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，而是象一個機動車的防滑裝置。 布置排數(shù)過少，齒刀過稀，間距過大，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個刀片，相鄰圈上的刀片錯開1/2間距排列。刀片總數(shù)量156片。 整機啟動后，當?shù)谝慌琵X切入冰雪面后，造成冰雪層松動，如果各排齒間距過大，在工作面上看到的只能是一排排印痕，起不到對冰雪的破碎作用。由于滾動是連續(xù)的，當后排齒連續(xù)切入冰雪面時，因為各排刀齒錯開1/2齒距排列，單位面積上的冰雪層同時有若干個刀齒切入，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。焊接方式強度高，螺栓連接易于更換刀齒。本次設(shè)計采用螺栓聯(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)，通過分析比較，確定了齒。刀的幾個關(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 切削力計算 由表2-5知，密實冰雪（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 主要零件校核計算 5.1 軸承的校核計算 5.1.1 當量動載荷的校核 在本次設(shè)計中，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） 額定動載荷：94000(N) 額定靜載荷：79000(N) 潤滑方式： 脂潤滑 極限轉(zhuǎn)速： 4300(r/min) 滾動軸承的基本額定動載荷，是在一定載荷條件下確定的。根據(jù)滾動軸承的實際受載情況，在許多場合，常常同時承受徑向和軸向載荷的復合作用，為了計算軸承壽命時能與基本額定動載荷在相同的條件下比較，需將實際工作載荷轉(zhuǎn)化為一個假想載荷。在此載荷作用下，軸承的壽命與實際載荷作用下的壽命相等，稱該假想載荷為當量動載荷，以P表示。當量動載荷的一般計算公式為： 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)，考慮機器的運轉(zhuǎn)情況對軸承載荷的影響，查表5.1。 在本設(shè)計過程中，所選軸承僅受徑向力，而軸向受力為0，由機械設(shè)計冊查得軸承的徑向載荷系數(shù)X=1.0,軸向載荷系數(shù)Y=0。由于該冰雪破除機是由裝載機推動的，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)驗公式以及所分析得到的數(shù)據(jù)，可以計算該軸承在工作時所遇到的當量動載荷。 表5.1 載荷系數(shù)f 載荷性質(zhì) f 舉例 無沖擊或輕微沖擊 1.0～1.2 電機、汽輪機、通風機、水泵等 中等沖擊或中等慣性力 1.2～1.8 車輛、動力機械、起重機、造紙機、冶金機械、選礦機、卷揚機、機床等 強大沖擊 1.8～3.0 破碎機、軋鋼機、鉆探機、振動篩等 P = 1.8×18000=32400 N 由上面計算結(jié)果可知道，該軸承在工作時的當量動載荷比其額定動載荷要小得多, 所以是合格的。 5.1.2 滾動軸承壽命的計算 滾動軸承的基本額定壽命大小與載荷大小有關(guān)，對同一軸承而言，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，壽命計算公式為： L10 = （）ε106 r （5.3） 實際使用中，實際使用中，用工作小時數(shù)表示軸承壽命較為方便，所以 L10 = 106×（）ε/60n h （5.4） 式中 P—當量動載荷（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—基本額定動載荷（N）,可由軸承樣本或有關(guān)機械設(shè)計手冊查到。 標準中規(guī)定，滾動軸承的基本額定動載荷C是指能時軸承的基本額定壽命達到106轉(zhuǎn)時所能承受的假想載荷。對向心軸承是指一個大小和方向恒定的純徑向載荷，以Cr表示；對推力軸承是指一個恒定的中心軸向載荷，以Ca表示?；绢~定動載荷越大，軸承承載能力越強，它是衡量軸承承載能力的只要指標。 由以上經(jīng)驗公式以及分析數(shù)據(jù)可以計算本冰雪清除機中軸承的壽命為： L10 = 106×（）3/（60×39）= 10436 h 5.2 齒刀強度的校核分析 在本設(shè)計中，采用了計算機輔助設(shè)計軟件對齒刀的強度進行了分析，由軟件分析結(jié)果可以知道，該冰雪清除機的齒刀強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: Criterion Good Poor Bad Worst Avera Skewness 5860 ( 95.56% ) 268 ( 4.37% ) 4 ( 0.07% ) 0.936 0.449 Jacobian 6132(100.00% ) 0( 0.00% ) 0( 0.00% ) 1.000 1.000 Stretch 6132 ( 100.00% ) 0 ( 0.00% ) 0 ( 0.00% ) 0.346 0.622 Min. Length 6132 ( 100.00% ) 0 ( 0.00% ) 0 ( 0.00% ) 1.362 7.457 Max. Length 6132 ( 100.00% ) 0 ( 0.00% ) 0 ( 0.00% ) 22.224 14.041 Shape Factor 6132 ( 100.00% ) 0 ( 0.00% ) 0 ( 0.00% ) 0.395 0.677 Length Ratio 6132 ( 100.00% ) 0 ( 0.00% ) 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 ? RESTRAINT Computation Name: RestraintSet.1 Number of S.P.C : 696 LOAD Computation Name: LoadSet.1 Applied load resultant Fx = -1 . 054e+000 ?N Fy = -1 . 905e+001 ?N Fz = -3 . 452e-016 ?N Mx = 1 . 852e+000 ?Nxm My = -1 . 048e-001 ?Nxm Mz = 2 . 138e+000 ?Nxm STIFFNESS Computation Number of lines : 5085 ? ? Number of coefficients : 91467 ? ? Number of blocks : 1 ? ? Maximum number of coefficients per bloc : 91467 ? ? Total matrix size : 1 . 07 ?Mb SINGULARITY Computation Restraint: RestraintSet.1 Number of local singularities : 0 ? Number of singularities in translation : 0 ? Number of singularities in rotation : 0 ? Generated constraint type : MPC ? CONSTRAINT Computation Restraint: RestraintSet.1 Number of constraints : 696 ? Number of factorized constraints : 696 ? Number of deferred constraints : 0 ? NUMBERING Computation Restraint: RestraintSet.1 Numbering Method : SLOAN ? Number of connected nodes : 1695 ? Nodal maximum front width : 87 ? Nodal maximum band width : 540 ? FACTORIZED Computation Method : ?SPARSE ? Number of factorized degrees : 4389 ? ? Number of supernodes : 829 ? ? Number of overhead indices : 33252 ? ? Number of coefficients : 360015 ? ? Maximum front width : 294 ? ? Maximum front size : 43365 ? ? Size of the factorized matrix (Mb) : 2 . 7467 ? Number of blocks : 1 ? ? Number of Mflops for factorization : 5 . 016e+001 ? Number of Mflops for solve : 1 . 444e+000 ? Minimum relative pivot : 6 . 668e-002 ? DIRECT METHOD Computation Name: StaticSet.1 Restraint: RestraintSet.1 Load: LoadSet.1 Strain Energy : 3.923e-007 J Equilibrium Components Applied Forces Reactions Residual Relative Magnitude Error Fx (N) -1.0543e+000 1.0543e+000 5.3202e-013 2.8601e-013 Fy (N) -1.9048e+001 1.9048e+001 -7.4962e-013 4.0299e-013 Fz (N) -3.4523e-016 1.4289e-013 1.4255e-013 7.6634e-014 Mx (Nxm) 1.8515e+000 -1.8515e+000 1.3722e-013 1.4405e-013 My (Nxm) -1.0483e-001 1.0483e-001 6.8348e-014 7.1751e-014 Mz (Nxm) 2.1385e+000 -2.1385e+000 -2.2604e-013 2.3729e-013 Deformed Mesh Von Mises Stress (nodal value) 5.3 銷軸的校核計算 當路面冰雪清除機的工作裝置接觸冰雪路面的時候，清除機工作在牽引工況；而當工作裝置抬起的時候，則工作在行駛工況。在冰雪清除機分別處于這兩種不同的工況的時候，其受力都是不一樣的。 當路面冰雪清除機處于牽引工況的時候，裝置受力情況如圖5.1示 圖中，A點為支撐臂與冰雪清除裝置聯(lián)結(jié)處，B點為大臂與冰雪清除裝置聯(lián)結(jié)處。C點為冰雪清除裝置的軸心位置，而N為動力裝載機給冰雪清除裝置施加 圖5.1 裝置受力圖 的推力大小為47826N。 通過圖5.1對路面冰雪清除機處于牽引工況的時候大臂及支撐臂的受力情況進行分析，由圖中我們可以看到，用于推動路面冰雪清除機的進行工作的絕大部分推力均是又大臂來提供的。因此，在冰雪清除機處于牽引工況的時候，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，大部分的推力都是由大臂銷軸來承受的。因此，在校核計算過程中，可以假定大臂銷軸所承受的力為動力裝載機施與冰雪清除裝置的力。 大臂銷軸結(jié)構(gòu)如圖5.2所示： 圖5.2 大臂銷軸結(jié)構(gòu) 通過圖5.2分析可以得出在相同受力情況下，銷軸的應(yīng)力危險截面應(yīng)處于鉆有注油孔的一側(cè)。由于動力裝載機的大臂與冰雪清除裝置間是通過兩個相同的銷軸來進行聯(lián)結(jié)的，所以應(yīng)平均分配，即每個銷軸的受力應(yīng)為N。 銷軸受力情況如圖5.3： 圖5.3 銷軸受力情況 由圖5.3分析可知作用于銷軸兩側(cè)面上外力的合力大小相等、方向相反、且作用線相距很近。銷軸在位于兩力間的截面（剪切面）發(fā)生相對錯動，即發(fā)生剪切變形。假定剪力Q所對應(yīng)的剪應(yīng)力在剪切面上均勻分布，則剪切面上的剪應(yīng)力為： τ= Q / A （5.5） 式中A為剪切面面積。 由以上經(jīng)驗公式以及經(jīng)分析所得到的數(shù)據(jù)及可計算路面冰雪清除機在處于牽引工況時，大臂銷軸危險截面的所受的剪切力τ。 A= π×( 302-2.52 ) × 10-6 = 2.8×10-3 m2 Q= N = × 47826 = 11956.5 ?N τ= Q / A = 11956.5 / 2.8×10-3 = 4.27 MPa 由于銷軸選用的材料為45 鋼，所以由機械設(shè)計手冊查得材料45鋼的許用剪切應(yīng)力為[τ]=40 MPa，由上面計算結(jié)果可知τ<[τ]。所以在冰雪清除機處于牽引工況時，銷軸的強度是足夠的。 當冰雪清除機處于行駛工況時，裝置的受力情況如圖5.4所示： 圖5.4 裝置受力情況 圖中，A點為支撐臂與冰雪清除裝置聯(lián)結(jié)處，B點為大臂與冰雪清除裝置聯(lián)結(jié)處。C點為冰雪清除裝置的軸心位置，而N為冰雪清除裝置自重，由前面的計算可以得出N的大小為36000N。 由圖5.4