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1、目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 研究意义及目的11.2 国外除雪发展及现状41.3 国内除雪发展及现状52 积雪的性质研究62.1 道路积雪的形成原因与研究意义62.2 道路冰雪的密度62.3 积雪的抗切强度63 破冰结构的设计73.1 破冰结构的整体设计83.2 立轴旋切破冰论的结构与工作原理93.3 破冰轮立轴旋转速度与前进速度的匹配93.4 破冰轮与冰雪路面作用机理分析103.5 公转受力分析103.6 破冰轮自转受力分析124 其他辅助结构的选择124.1 扫雪装置的选择124.2 风干机的选择125 传动系统设计与校核135.1 传动系统的设计135.2 传动系统
2、关键部件的校核135.2.1 锥齿轮的设计与校核135.2.2 立轴的设计与校核17参 考 文 献21致 谢22破冰扫雪及风干一体机的设计摘 要我国的北方地区冬季特别寒冷，尤其是东北、华北、内蒙古东北部地区，每年冬天都会有很长一段时间大雪纷飞，路面上长时间冰雪覆盖，形成压实冰雪，轻则影响交通出行效率，重则危害人民的生命安全。因此，我们必须研究制造出一款方便、高效的除雪机械。除雪首先要了解冰雪在不同环境下的物理性质，然后调查研究国内外现有各类扫雪机及除雪状况，并且在分析其优缺点及破冰方式之后，设计出一款操作简单、成本低、效率高的立轴旋切破冰扫雪风干一体机。关键词： 冰雪 立轴旋切 破冰扫雪 II
3、IThe Design of Ice Breaking Snow Cleaning and Air Drying MachineAbstractWinter in northern China is particularly cold, especially in northeast China, north China and northeast Inner Mongolia. Every winter, there will be a long period of heavy snow, snow and ice cover on the road for a long time, for
4、ming compacted ice and snow, which will affect the traffic efficiency and harm peoples life safety. Therefore, we must research and manufacture a convenient and efficient snow removal machine. First of all, the physical properties of snow and ice in different environments should be understood for sn
5、ow removal. Then, all kinds of existing snow plows and snow removal conditions at home and abroad should be investigated and studied. After analyzing their advantages and disadvantages and ice breaking methods, an all-in-one machine for vertical axis rotating cutting, ice breaking, snow clearing and
6、 air drying with high efficiency should be designed. Key words: Vertical lathe cutting Ice snow Compacted snow and ice II1 绪论1.1 研究意义及目的中国民间一直流传一句古话叫做“瑞雪兆丰年”，冬季的一场大雪可以给辛勤劳作一年的劳动人民带来一个好收成。但是道路交通却因为积雪引起了了极大的麻烦与威胁，我国的华北、东北和内蒙东北部的地区1，每年都有长时间的降雪，通常由于降雪量太大以及人力物力的缺乏导致刚下的散雪不能及时被清理并且经过碾压之后的二次结冰往往会引起严重的交通事故，轻
7、则损坏财产，重则危及生命。在普通路段人们一般还可以通过降低行驶速度来确保安全，但是像在十字路口、狭窄的弯道以及下坡这些比较特殊的路段行驶时，人们对这些不安全因素的可控能力就不那么乐观了，因此往往冬天更容易出现连环追尾案。调查关部门的统计资料可知，交通事故在冬季发生的概率大约是晴天时的 5 倍2。根据有关部门资料显示，在冬季，大约30%的交通事故是由路面积雪引起的，行人骨折、外伤数量较平常提高了大约两倍，并且有相关的学者通过实验研究发现，当驾驶员在积雪的路面上驾驶时，他们的的血液流动速度、呼吸量以及外表皮肤温度较平常均有所上升。我国的南方地区2008年收到了了百年不遇的冰雪灾害3，全国上下相关部
8、门出动了大量除雪设备进行支援，但这些除雪破冰机械大部分是非专业除雪机械，并不能起到有效的作用，这直接充分的暴露了此前我国对道路积雪清扫的忽视，以及没有在此方向进行深入投资与研究的现状，根据我国目前情况，随着人们生活质量的提高，衣食住行从最基本的要求上升到了另外一个层次，人们对安全出行越来越重视，所以我们必须充分利用现有资源发展来研究制造出一些高效、可靠的除雪机械。为了满足人们对于出行安全的要求以及保护国家人们财产，目前我国已经加大了除雪的力度，通常像北京等重要都市的重要公共场所一旦降雪会立即采用各种专业机械进行除雪，但是这些专业机械大多价格高，操作复杂，工作幅度大，一般来说无法普遍应用，而北方
9、小城市以及乡镇农村街道清雪方法比较原始，目前人力除雪依然为主要方式，比如用破冰铲先打碎冰然后用铁铲和扫把将积雪清理到路边，这种方式的优点是扫雪干净，且灵活性强，缺点是清雪者的体力消耗大、效率低、除雪时间长。因此，研发一种高效率、成本低且灵活性强适用范围广的机械清雪设备将具有重要意义。1.2 国外除雪发展及现状欧美、日本等发达国家的除雪设备已经发展了六七十年5，由于发达国家与其他国家的除雪理念不一样，发达国家通常是便下雪边除雪，这样的话积雪容易清扫，故发达国家的除雪机械目前已经发展的很成熟，不但除雪迅速而且效率极高,除雪效率可达90%。目前机械化“实时除雪”理念已经被大多数发达国家所接受。机械化
10、“实时除雪”就是下雪一段时间后，路面上有一定厚度的积雪，此时出动除雪车辆，通常为一个除雪车队，车与车之间在长度和宽度方向上都间隔一定距离，既保证了除雪幅度又不影响其他车辆出行。因此未来城市除雪的主要发展方向是机械化“实时除雪”技术。机械法是通过机械直接作用与冰雪从而到达除雪的目的，优点是见效快、适用范围广、并对环境及植被无污染，能实现冰雪的异地转移 。 目前国外除雪机各种各样，并且根据路段不同有不同的除雪机，但是这些除雪机主要有两类，推移式除雪机和抛投式除雪机。第一种为推移式，这类机械通常用于新雪或者积雪没有被车辆碾压的情形。推移式除雪机械结构一般是在车前面安装一个推雪铲或者V型锄雪犁，由汽车
11、提供动力，前面的装置将雪推到两边或者一边。犁式除雪机是国外使用较早的除雪机械。早在1943年,日本就开始把V型犁装在载重卡车上用于道路除雪,经过多年的发展,国外犁式除雪机已具有较高的技术水平,以俄罗斯新产品K0 -812-2 型犁式除雪机为例,这种除雪机基础车采用MT3 - 80/82型拖拉机,其功能有除雪、清除垃圾和砂堆,既可以用于街道、人行道,也可用于公路和建筑工地的除雪;工作装置有推土板、犁刀和圆盘刷,除雪宽度:推土板2500mm ;犁刀2 500 mm;圆盘刷1800 mm。第二种为螺旋抛投式，螺旋式除雪是利用与行驶方向垂直的一个旋转滚筒将雪切成小块卷起。并通过一个抛雪竖筒将雪抛走。该
12、抛雪竖筒可以1800转动。因此可以调整抛雪的方向,同时利用一个调节板可将雪装入载重汽车的货箱中。除雪滚筒的传动由液压马达或机械传动轴驱动,通过联轴器带动一对锥齿轮传动,并将动力分至两侧。除雪滚筒具有安全剪切销,起安全保护作用,以避免障碍物卡死除雪筒,造成机器损害与危及人身安全。在每个除雪滚筒上有三个剪切保险销孔,但在每个除雪滚筒上只允许安装一根剪切保险销。剪切保险销的用途是当除雪滚筒上的叶片被夹在雪中的障碍物卡住时对滚筒起保护作用。但是剪切销剪断后,虽切断了动力,旋转的滚筒仍然储存有大量的能量15。目前美国汉德森、丹麦依波克、瑞士波雄、德国施密特为世界除雪设备生产商中的佼佼者，其中又以德国施密
13、特最为典型，如下图所示。图1-1 施密特CJS紧凑型扫雪车图1-2 施密特SUPRA 4002此外，国外还有一些非机械方法。溶解法是依靠溶解剂发热或直接喷洒化学药剂与冰雪发生化学反应从而达到融化冰雪的目的，这种方法的特点是效率高，操作简单方便，但溶解剂和化学剂价格昂贵，且容易腐蚀路面并对环境造成污染，因此溶解法在世界各国并没有普遍使用5。还有改变铺路材料法6，这种方法主要是通过在铺路所用的混合材料中添加某些具有特殊性质的材料从而在不改变原有使用性能的条件下改变道路的一些特性，比如通过添加盐化物用来使路面上冰雪的融点发生改变，采用镶嵌橡胶颗粒的方法来改变路面的变形特性以及轮胎与路面的物理接触状态
14、，由于车辆重力的作用，镶嵌物会发生物理变形，从而达到路面冰雪破碎的目的等。此类方法是最新构想并研发出来的技术，从理论上来看可一劳永逸，但是实际情况却并不如意。一方面是不好控制添加物的比例对于添加物的，另一方面是这个方法具有重大缺点，例如盐化物的添加会对车辆桥梁造成腐蚀，使安全隐患急剧增加，还会对环境造成一定程度的污染，镶嵌橡胶颗粒不仅会降低路面的承受能力，降低路面使用寿命，并且在非冬季时，车辆轮胎在于地面的反复摩擦之后会造成大量橡胶颗粒丢失，而橡胶颗粒补修工作极为复杂，成本远远大于回报，因此改变铺路材料法并没有广泛应用。最后是物理清雪法7，主要是给路面加热利用热能使积雪融化的方法，大致可以有两
15、种形式，一种是指采用专业可产生热能的机械设备对路面进行加热，此种机械属于特种机械，研发设计复杂，工作耗能高，并且不能做到一机多用，目前为止并没有得到大范围的应用，此外工作效率低，难以实现快速破冰，加热后若处理不及时容易二次结冰；另一种是优化道路结构，在冬季通过太阳能或电能来产生热量提高路面温度从而除去冰雪，此种方法有安装发热电缆法、利用太阳能加热法、地热管法以及其他可提供热量的方法，但是此种方法缺点也很明显：能量耗费大、优化道路方案复杂且实施困难、道路修补成本高以及造价高等，这种方法在北欧部分国家有所应用，但使用率不高。总而言之，发达国家除雪方面研究较早，技术比较成熟，目前除雪方法多种多样，各
16、有优缺点，以除雪机械为主，其他方法为辅。但是由于发达国家地广人稀，人均资源丰富，这些除雪机械大多能耗高，且工作幅度大，因此并不适用于我国。1.3 国内除雪发展及现状 国内除雪设备从上世纪八十年代才开始发展，一开始国家并没有重视，随着经济的增长，国家逐渐重视起除雪机械的发展，但是由于传统观念的影响，我国并没有像外国那样除新雪而是除积雪，并且通常是经车辆碾压二次结冰的积雪，此类冰雪硬度极高，因此除雪机械设计困难。而目前我国已有的的破冰装置只能有效清除浮雪，如果是压实雪甚至是融化以后再次结冰的纯薄冰，那么除雪质量就无法保证了，因此对于这类积雪，我国主要靠人力清扫，甚至一些地方用挖掘机在路上行走，利用
17、挖掘机的履带将冰压碎。无论这些方式的破冰效果怎样，这些除雪方式的效率低下以及给路面带来的的破坏往往不容忽视。由于以上缺点，当前我国普通道路的除雪方式主要还是人力除雪并且结合一些简单的机械，即半自动机械和人工相结合的方式。大型专用除雪机械目前仅用于高速公路和一级公路的破冰除雪。由于各种原因国内除雪机械远远无法和国外相比。但随着近年来积雪引起的事故不断增加，国家对除雪的重视程度大大增加，因此在除雪方面的研究不断加深，尤其是最近几年，在国家的支持和呼吁下，一些企业自主研发出了一些破冰机械。比较有名的企业有哈尔滨雪狼除雪机械设备有限公司、中联重科环卫机械分司、鞍山森远路桥股份有限公司、重庆迪马工业有限
18、责任公司、河南路太养路机械有限公司、白山市星泰矿山机械制造有限公司、江苏英达公司等3。如图1-3所示图1-3 国内除雪破冰机械示例由于我国与发达国家之间的机械技术差距较大，我国除雪机械虽然在外观上与国外除雪机械类似，但是实际除雪机械种类、使用功能远远不及国外除雪机械，并且在清扫某些面积狭窄或是除雪机械无法进入的区域，目前主要依靠人工除雪，甚至使用化学清除剂。更糟糕的是，一旦降临特大雪，当前的机械除雪装置无法使用，也不能人工除雪，因此就不得不关闭高速公路，这不但给人民的生活带来极大的不便，而且对于国家的经济发展极为不利。我国除雪机械发展落后的原因有两个。第一是硬实力不行，研发方面是我国机械人员科
19、研能力达不到发达国家水平，设计不出高效的除雪结构，加工制造方面即无法加工出可与发达国家相当精度的零件。第二是管理调控不到位，各个地方交通管理部门没有及时互相分享道路信息，这就导致出现车辆拥堵现象，给除雪带来难度。因此要对研发设计破冰除雪装置方面加大投资，积极主动学习国外发达国家技术，同时加强各地市之间的合作。202 积雪的性质研究2.1 道路积雪的形成原因与研究意义冬季道路结冰的过程大致如下：冰冻的冰雪被阳光反复融化和车辆碾压形成冰辙以及由于其他原因形成路面积水形成了坚硬的冰。本章研究的雪不是松散的雪而是由于各种原因而压实的冰雪，压实积雪形成的原因有两类，一类是刚下的松散雪未被及时打扫而被碾压
20、压实，另一类是路面积雪受热部分融化但是水分未完全蒸发而再次结冰，由此可知，积雪组成成分比较复杂，它是由压实雪和二次结冰组合而成，从而导致物理性质也不是某一组成物的单一物理性质。并且他们的物理性质还会随着温度、湿度、行人的践踏、以及被车辆的碾压次数发生变化，总的来说积雪物理性质复杂多变，难以清扫。因此积雪物理特性的研究对于开发破冰除雪设备来说是必不可少的一部分。影响机械除雪装置破冰的积雪物理性质主要有密度、抗压强度以及抗切强度。2.2 积雪的密度影响积雪密度大小的因素不仅仅是其组成部分，甚至还包括冰的形成温度、积累时间、冰雪，这些就说明了道路冰雪的一个特点具有不确定性12。如下表2-1示例表2-
21、1 不同类型的雪的密度雪的类型密度kg/m3松散雪轻板结雪密集雪强密集雪2502602503605005106002.3 积雪的抗切强度本论文的立轴旋切破冰扫雪风干一体机以垂直旋转方式工作，通过切削刃给积雪施加剪切力来将积雪从路面上剥离，因此必须研究冰雪的抗切强度。冰雪的抗切强度是仅有剪切力时剪切面的极限剪切应力值。一般剪切强度类似于或者等同于剪切面的凝聚力。所以，搞明白积雪的抗切强度破冰扫雪装置的研究设计具有事半功倍的作用。 目前对冰雪抗切强度的分析主要依据实验数据与经验公式14，冰雪的抗切强度主要影响因素有冰雪的厚度及温度,其中,抗切强度随厚度成正比例函数关系; (2-1)式中，FQ 路面
22、冰雪对切削刀具的反馈力；b1 切削刀具宽度；h 路面上被切削压实冰雪的厚度；KQ 冰雪的抗切强度。相关数据表明，冰雪的物理性质很大一部分取决于冰雪形成时的天气状况。在这篇论文中北方冬季道路上的压实积雪是主要除雪对象，因此必须在某一特定温度下获得冰雪的剪切力度。根据有关冰雪特性的相关学者们的研究结果，查到了在特定温度下压实积雪的密度与抗切强度，如表2-2所示。表2-2 不同类型的雪在-4-22时的密度和抗切强度类型密度（kg/m3）抗切强度KQ(kPa)压雪 650750 63.0168.0冰雪 750900 127.0340.0 3 重要结构的设计3.1 整体结构布局 该除雪机的结构布局从前到
23、后以此为破冰结构、扫雪结构、风干机以及悬挂升降装置，如下图所示，该机械工作幅宽为1.8m,总长度为2.4m，宽度为2m。本章主要介绍破冰装置。图3-1 破冰除雪风干一体机的整体布局3.2 破冰结构的整体设计 如图3-1所示为破冰扫雪机的破冰结构布局。首先由电动机输出动力，通过直齿轮传动，将动力传递到水平轴，然后水平轴通过斜齿轮将动力传递到两根立轴上，两根立轴旋转带动两根横轴一起同速转动，即破冰轮进行公转，并且破冰轮还可以在积雪阻力的作用下进行自转，最终实现破冰的目的。图3-2 破冰结构的整体布局3.3 破冰轮的结构与原理由以上破冰机构可了解到无论什么厚度、密度的积雪，其破坏方式大多是剪切破坏、
24、挤压破坏、扭转破坏，不同的作用方式比如振动破冰、打击破冰，积雪的破坏形式也就不同，效率不同，能耗不同，以及对机械的磨损也不同。基于以上对道路积雪物理性质的研究并结合国内外除雪机械的原理与结构，构想并研究出了立轴旋切破冰机械，该机械通过旋转破冰轮来产生碾压力、拧挤力将积雪从路面剥离从而达到进行清除积雪的目的。接下来就具体介绍一下破冰轮的结构、组件以及工作原理，下图为破冰轮的三维结构示意图。 图3-3 破冰轮三维结构示意图所有破冰机械都是通过破冰工件给积雪施加压力或者剪切力或者是混合力从而将冰雪击碎并从路面上剥离。立轴旋切破冰机械的工作部件是破冰轮，它可以给积雪施加旋切力和碾压力。破冰轮在工作时不
25、但围绕着立轴公转而且为了减少摩擦力，延长破冰齿的使用寿命，还可以围绕着水平连杆进行着自转，鉴于以上的工作方式，采用了如下设计思想16。1、为了使破冰轮能对积雪产生更大的作用力，应该适当加重破冰轮的质量，因此破冰轮采用实心板形式。2、破冰齿与腹板的接触面积较小，为了让破冰齿更加牢靠耐用，需要用一个钢圈将破冰齿焊接起来。3、为了降低工件加工难度，破冰轮与腹板并不是一体铸造的，而是先铸造腹板然后将破冰轮齿焊接到腹板上，并且在破冰轮齿上加工螺栓孔来安装定位破冰刀齿，以方便安装和替换破冰刀齿；为加固破冰轮的焊接，在其两侧焊接上钢圈。4、为了方便焊接，提高强度则在破冰齿两侧加工出半圆形凹槽。5、由于水平连
26、杆是在进行旋转运动，工作时轴承受径向力比较大，因为在诸多齿轮中，圆锥齿轮可以承受较大轴向力，所以用一对圆锥滚子轴承来承受径向力并限制破冰轮轴向运动。冰轮先围绕立轴进行公转，在公转的同时，破冰轮上面的破冰齿与地面上的冰雪发生相互作用，冰雪主要受到剪切力，同时还受到一部分挤压力，剪切力与挤压力的反作用力使得破冰轮开始自转，破冰轮自转，这样破冰齿与积雪之间的摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦，这样虽然降低了破冰齿与积雪间的摩擦力导致破冰效果变差，但是可以减少破冰齿的损伤提高装备使用寿命，从长期来看是有利的，如下图所示。图3-4 破冰轮运动示意图破冰轮轮齿完全是直角，不加任何倒角，并且完全是直齿，此种形状有以
27、下两方面好处，一方面是加大了破冰刀齿对冰雪的挤压作用，另一方面这样设计可以在一面直齿磨损坏掉以后，将破冰齿卸载下来然后换另一面，可以提高利用效率。同理也不采用圆角、倒角、或是前后角处理。破冰轮主要由三部分组成，从外到里依次为破冰齿、腹板以及中间轴部分。通过焊接将破冰轮齿连接在腹板的凹槽内，用同样的方法将加固钢筋焊接在破冰轮齿上的半圆槽内，最后通过螺栓连接将破冰齿固定到破冰轮上面。3.4 立轴旋转速度与整体前进速度的匹配由破冰轮的工作原理和工作特点可知，破冰轮的运动轨迹是一个复合运动轨迹，是由汽车前进轨迹与立轴的旋转轨迹复合而成，大体形状为螺旋曲线，如下图所示。图3-5 破冰轮的运动轨迹因此破冰
28、轮行进速度与立轴转速之间的关系至关重要，如若前进速度过快则会影响破冰区域覆盖范围，达不到预期效果，若前进速度过慢则会浪费能源。为了在合理运用资源的情况下保证破冰效果,合理的破冰轮转速与车速的匹配必不可少。 压实冰雪是该破冰机的主要工作对象，这类冰雪非常坚硬，难以击碎，所以破冰机前进速度应慢一点，经参考前人研究14得知一般破冰前进速度选取为 5km/h，根据立轴转速和装载机行进速度的关系可得立轴旋转的速度为n1=219r/min.3.5 破冰轮与冰雪路面作用机理分析 现在在温度为-20的条件下，冰雪密度为900kg/m3，钢铁与积雪的摩擦系数为0.026，抗切强度为309KPa的条件下分析破冰轮
29、和冰雪路面之间的作用机理。破冰轮公转角速度; (3-1) 破冰轮公转一周最外圈的周长为；C=2R破冰轮圆周周长；C1=2R1破冰轮公转转速n1与其自转转速n2之间的关系；n2= (3-2)得到公转速度n1=5.3r/s时，破冰轮自转转速为;从而得到破冰轮自转角速度；3.6 公转受力分析 破冰轮工作时首先围绕立轴进行公转，那么便受到离心力，其次还受到轴给的扭转力。总体来说破冰轮受到两个力沿刀齿方向的离心力FO，与水平连杆方向垂直的轴扭转力FT，其中W为立轴旋转方向。图 3-6 破冰轮围绕立轴旋转俯视图根据受力情况可得；破冰轮上各处扭力为； (3-3) h破冰厚度KQ1压实冰雪抗切强度。将破冰轮的
30、参数带入到上述公式中，从而可得立轴处的转矩为； (3-4)4 其他辅助结构的选择4.1 扫雪装置的选择破冰扫雪机械的重难点部分在于破冰部分的设计，其他部分再次只做简单介绍，说一下大体思路，并不在此做详细说明。前面已经完成破冰了，那接下来就是如何将击碎的冰雪扫离路面。这里我们可以借鉴环卫车清扫马路的清扫装置，采用滚筒式扫地毛刷进行扫雪，安装在破冰装置后面。由于这一方面的技术已经较完善，故在此不做重点介绍。4.2 风干机的选择 在破冰过程中破冰轮与积雪发生接触后必然产生热量引起部分积雪融化，此时若处理不当则会造成二次结冰，不但更加难以处理，而且会引起更大的危害。因此我们要选择一款合适的吹风机来及时
31、风干路面，降低二次结冰的可能性。4.3 悬挂升降装置的设计 悬挂升降装置决定着机械工作时的稳定性，因此要平稳可靠，该机械的悬挂升降机构如下图所示。图4-1 悬挂装置和升降装置 最右边类似于耳朵的装置为挂接环，在小卡车或者垃圾车、环卫车的前保险杠处安装同样类似的挂接环并且牢牢固定，让除雪机的挂接环与保险杠处的挂接环同轴，然后用一根长轴将两对挂接环串起来，并且限制两端的自由度，这样，除雪机就被连接到了车辆上面。 左边的长轴，为液压伸缩杆，一段连接到除雪机上，限制其左右上下的移动自由度，但不限制绕中间杆旋转的自由度，同样另一端连接到汽车前面，除了绕中间杆的自由度不加限制之外，其他自由度均加以限制。这
32、样，当液压缸上油孔进油时，除雪装置被放下，破冰轮与路面积雪发生接触，当液压缸下油孔进油时，除雪机械被升起，破冰轮离开地面。 4.4 传动系统的布局设计 破冰轮破冰动力源是单独安装的电动机，电动机安装在顶板的中间部分，经齿轮传动将动力传递给水平轴，水平轴通过两个锥齿轮将动力传递到两根立轴上，立轴旋转带动两根连接着两个破冰轮的横轴进行旋转。这样就可以带动 2 组破冰轮的同速旋转，然后破冰轮与积雪发生旋切及挤压力，从而实现旋切破冰。参 考 文 献1李盛林,孟祥拴,邱序庭.国内外道路除雪装置J.筑路机械与施工机械化，2003.1:17-19.2董斌，唐伯明，刘唐志.冰雪路面事故成因分析及对策探讨J.交
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