高速公路除冰雪裝置設計含8張CAD圖
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１、課題論證
1.1課題研究的目的與意義
我國北方冬季積雪從自然積雪到壓實積雪的密度變化范圍為0.1～0.7kg/m3，硬度變化范圍為 0～60 kg/m3，而冰的密度接近于 1.0 kg/m3，硬度范圍則為 150～300 kg/m3，遠大于一般積雪。所以相對而言，清除密度大、壓實積雪的難度要比清除硬度低、密度小的新降雪、浮雪、自然松散積雪的難度大，而清除冰雪混合物和冰層的難度更要大很多倍。物理電熱熔化、微波清除積雪效率低、費用高；化學融雪劑除雪存在難以避免的污染問題；所以機械除雪得到應用和發(fā)展。除雪機工作裝置作為除雪機的重要結(jié)構(gòu)，其性能的好壞對除雪作業(yè)的效果起著至關重要的作用。目前清除路面壓實積雪和冰雪混合物是比較困難的。盡管國內(nèi)外多年來研究了很多不同的結(jié)構(gòu)和類型，但因為其易出故障、效率不高、除凈率低等不同缺點，直到目前還沒有較為理想的除雪機械。除雪機械在結(jié)構(gòu)研發(fā)、工藝流程、零部件供給和操作管理等方面都存在技術(shù)水平低的問題，致使除雪機械故障多、壽命短、可靠性低。這些問題都亟待解決。
1.2文獻綜述（相關課題國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀）
1、國外方面：
國外清雪機械幾十年的發(fā)展，在清除道路冰雪方面積極采用新技術(shù)，新的工藝，設備種類較多，作業(yè)性能較強，產(chǎn)品競爭力很具優(yōu)勢，早期已步入機械化階段。我們需要借鑒這些成熟的經(jīng)驗。在有些發(fā)達國家，基本上雪剛降下就清除，清雪機械主要清除浮雪，實現(xiàn)80%— 90%的機械化清雪作業(yè)。 目前國外采用的主要清冰雪形式有：化學清除法、熱力清除法、綜合式清除法及機械清除法。熱力及化學清雪法主要是通過熱能及化學藥劑轉(zhuǎn)化冰雪成為較易處理的流體水形式，可此類方法能量存在很大消耗、對環(huán)境也有污染、路面被嚴重腐蝕等問題。綜合式清除法的特點是結(jié)合幾種清冰雪方式如融雪、吹雪、推雪等，由多組刀具構(gòu)成清雪鏟，做往復運動，采取周期性沖擊道路上的冰雪，通過沖擊力使冰雪分離路面。這種方法作業(yè)效率較低，路面輕易受到損壞，而且需要一定的輔助系統(tǒng)，并沒有被積極的推廣。機械清除法目前是國外主要使用的一種清除冰雪的方法，它可以一機多用，實現(xiàn)冰雪的異地運輸，機動靈活，工作效率相比較高，基本上植被及環(huán)境無破壞，無污染，故爾，這種清雪方法國外發(fā)展迅速。主要機型如 Unimog、Multiear 和 SK150，代表性的生產(chǎn)公司如英國 SCHMIDT公司、德國 DAIMLER-BENZ 公 司 和 瑞 士 的MARCELBOSCHUNG 公司VOLKSWAGEN 公司等。 德國主要生產(chǎn)雪犁式和轉(zhuǎn)子式清雪機械，采用汽車、專用機車、工程車輛等作為清雪機械的動力車。德國還研發(fā)出專業(yè)的道路機械，具備清掃道路及洗刷護欄標牌的功能，同時也能除掉道路剛降積雪。 俄羅斯 KO-812-2 型清雪機械是其研發(fā)的新產(chǎn)品，動力車為 MT3-80/82 型拖拉機，其配備的工作裝置有圓盤刷、犁刀、推土板，功能有清除垃圾、清雪、砂堆，可用做街道、人行道、公路的清雪。 日本研制的清雪機械已有很高的技術(shù)水平，早在 1943 年開始，清除道路冰雪就采取在載重汽車上安裝 V形犁的方式。根據(jù)資料，2007年日本生產(chǎn)各種清雪機械已有45678臺，主要的清雪機械產(chǎn)品都具有較高通用性，設計有用于安裝雪鏟的附件，駕駛室舒適性設計比較重視，解決了作業(yè)過程中擺動幅度大以及顛簸嚴重等問題，同時存在有通過實際作業(yè)工況變換冰雪側(cè)排方式等優(yōu)點，極大促進機械的工作工況，而且在作業(yè)性能，駕使員視野等設計均達到了較高的水準。 加拿大設有專門的道路冰雪清除機構(gòu)，這些機構(gòu)都配置有專業(yè)的清雪機械，同時主要路段設立道路氣象系統(tǒng)，有效配置清雪機械，高效、實時的清除道路冰雪，規(guī)定積雪達到 5mm 必須鏟除。 各類數(shù)據(jù)表明，國外清雪機械發(fā)展方向主要表現(xiàn)為：
（1）一車多功能化發(fā)展。即在同一類專用汽車上，安裝不同作業(yè)裝置，具備多種作業(yè)功用，增強設備適應性，針對特殊工況也可以實現(xiàn)作業(yè)，使專用清雪卡車單一向轉(zhuǎn)變?yōu)槎喙δ芑?
（2）研發(fā)高性能清雪機械。開發(fā)適應較高作業(yè)要求的專用底盤，讓清雪作業(yè)過程中的速度自動配合作業(yè)工況的負荷進行變化，達到自動變速功能。
（3）開發(fā)采用普通底盤清雪裝置。采用多種作業(yè)裝置，如清除堅硬冰雪裝置、藥劑撒布裝置、高雪堤處理裝置，促進動力車使用范圍，增強設備的使用效率。設計優(yōu)化清雪裝置，使清雪裝置經(jīng)濟安全，構(gòu)造簡便、容易操作，工作壽命長。
（4）研發(fā)智能避障機構(gòu)。增強清雪機械的作業(yè)適應性，避免損傷清雪屬具，保護路面不被破壞，避障機構(gòu)具備防形能力，向智能化的趨勢發(fā)展。
（5）研究基礎道路信息系統(tǒng)。分析冰雪性能，建立道路氣象信息系統(tǒng)，準確及時的反映道路風速、風向、濕度、溫度及冰雪性質(zhì)等信息，為提高清雪機械設計水平，高效靈活運用清雪機械提供依據(jù)。
2、國內(nèi)方面：
國內(nèi)清雪機械發(fā)展緩慢，多年來研發(fā)出十幾種類型的清雪機械，研究單位比較集中，主要是東北和西北一些單位。國內(nèi)主要機型有：CBX-216 綜合破冰除雪機，哈爾濱林業(yè)機械研究所研制；L9280 型除雪車，西安公路研究所研制；FCX-1 型除雪機，陜西高速公路管理局研制；配有清雪鏟、滾刷、融雪劑散布機等裝置的DMT5160TYH多功能除雪車，重慶迪馬公司生產(chǎn)；CL-3.6和CL-3.5 型系列除雪犁，吉林交通科學研究所研制；清除硬冰雪的 CXL-2、CXL-3 型除雪機，哈爾濱雪狼除雪機械設備有限公司生產(chǎn)；CL-2.4 型公路除雪器，吉林盤石縣公路養(yǎng)路段研制；CB1500 壓實冰雪清除機，原吉林工業(yè)大學與吉林公路機械廠協(xié)作研發(fā)；雪豹 YF系列的多功能噴氣式除雪車，北京永峰科技有限公司研制等。清雪機械具有較強的地域性作業(yè)特性。近年來，國內(nèi)部分清雪機械設計單位對國外比較先進的清冰雪技術(shù)，進行分析和改進，設計出適合我國復雜道路作業(yè)環(huán)境所需求的清雪機械，但和世界發(fā)達國家相比，在產(chǎn)品性能和數(shù)量上都有很大的差距。在國內(nèi)北方寒冷地域，年均 3~5 個多月的降雪周期，面臨幾十萬里程道路冰雪清除。目前，國內(nèi)道冰雪清除機械并沒有大面積使用和推廣，無法滿足我國當前道路清冰雪需求，主要因素表現(xiàn)在：
(1) 較低技術(shù)能力。新工藝，新技術(shù)采用較少，清雪機械設計制造技術(shù)有限，清雪作業(yè)可靠性受到很大程度的影響。
(2)設備型號短缺。由于我國區(qū)域環(huán)境差異大，冰雪情況復雜，各處清雪機械有特定要求，且國內(nèi)很多類型的清冰雪機械研發(fā)緩慢，制約生產(chǎn)制造規(guī)?；瑹o法實現(xiàn)機械化清冰雪作業(yè)。
(3)避讓功能不理想。國內(nèi)現(xiàn)存在的清冰雪設備基本避障礙功能較差，清冰雪時，常常因為避讓不及時導致工作設備和路面的損壞。
(4)生產(chǎn)量少。國內(nèi)清雪機械總量很少，和我國實際需求量很大差距。
(5)功能單一。部分冬季道路清雪機械清雪功能單一，一機多用性能缺失，設備沒有獲得充分利用，無法實現(xiàn)道路養(yǎng)護作用。
(6)路面保護能力差。當清雪機械作業(yè)過程中碰到凹凸不平的道路時，路面表層就易被破壞。雖然目前還無法制定出一個確定標準來衡量清雪機械對路面表層的損壞程度，可與國外相比較，國內(nèi)的機械產(chǎn)品在的仿形能力及作業(yè)過程對面層保護方面確實還存在很大的距離。
因此，我國冰雪清除設備還缺乏專業(yè)化，清冰雪技術(shù)與產(chǎn)品還應該促進發(fā)展及完善，所以針對我國氣候環(huán)境特征，開發(fā)技術(shù)水平高、應用范圍限制小、作業(yè)效果好及污染環(huán)境程度低的清冰雪機械，加強冰雪性質(zhì)及清雪理論的分析、完善的道路氣象信息系統(tǒng)，對保障車輛及行人安全具有相當重大意義。
1.3課題研究的內(nèi)容、總體方案及技術(shù)路線、進度安排等
本設計適合我省實際情況的高速公路快速清除路面冰雪技術(shù)及應用工藝。采用現(xiàn)有的驅(qū)動裝置與載體，以節(jié)約成本并且滿足多用途的需要。該設計受銑刨機的啟發(fā)，運用銑刨機中的銑刨鼓進行路面冰、雪的破碎，再用平地機一次性鏟除，設計可有力保障高速公路的安全暢通，滿足人民群眾對交通安全快捷的出行要求，并且顯著降低除冰、除雪成本，減少用鹽量，保護環(huán)境，保護路側(cè)植物，給駕駛員和行人提供一個暢通安全美好的通行環(huán)境。
工作進度及具體安排：??
第一周 3.21-3.25 題目調(diào)研，編寫審核表，任務書
第二周 3.28-4.1 圖書館查詢資料，編寫開題報告
第三周 4.4-4.8 科學論文翻譯
第四周 4.11-4.15 材料分析和模具結(jié)構(gòu)的確定
第五周 4.18-4.22 主要設計計算
第六周 第七周4.25-5.6 工作零件的結(jié)構(gòu)設計
第八周 5.9-5.13 支撐固定及卸料零件
第九周 5.16-5.20 其他零部件的設計與選用
第十周 第十一周5.23-63 模具的總體設計
第十二周 6.6-6.10 編寫設計說明書
第十三周 6.13-6.19 準備畢業(yè)答辯
1.4注意存在的問題
1、 支撐架連接處設計
2、 除雪鏟的設計
1.5參考文獻
[1] 《機械設計》吳宗澤主編 北京：高等教育出版社，2001
[2] 《汽車構(gòu)造》（下冊）陳家瑞主編 吉林大學 北京：機械工業(yè)出版社，2009.2
[3] 《機械制圖》(第五版) 大連理工大學工程畫教研室編 北京:高等教育出版社,2003.8
[4] 《機械設計基礎課程設計》陳立德主編 北京：高等教育出版社，2006.7
[5] 《機械設計手冊》（第二卷）機械設計手冊編委會編著.北京：機械工業(yè)出版社，2004.8
[6] 《除雪機械》. 崔憲江編譯. 北京：人民交通出版社，1988.
[7] 《實用工程材料技術(shù)手冊》.曾正明編著. 北京：機械工業(yè)出版社，2000.1
高速公路除冰雪裝置設計
摘 要
本設計為多功能清雪裝置，能夠清除浮雪、厚雪、薄冰、軋實的冰雪，可有效清除0～15cm厚浮雪和0～10cm厚的軋實冰雪，達到見黑路面效果?？蓮V泛用于市政道路、高速公路、普通公路、機場等地。
多功能除雪裝置采用現(xiàn)有的驅(qū)動裝置與載體，以節(jié)約成本并且滿足多用途的需要，該設計運用振動輪進行路面冰、雪的破碎，再用平地機一次性鏟除，設計可有力保障高速公路的安全暢通，滿足人民群眾對交通安全快捷的出行要求，并且顯著降低除冰、除雪成本，減少用鹽量，保護環(huán)境，保護路側(cè)植物，給駕駛員和行人提供一個暢通安全美好的通行環(huán)境。，將除雪機構(gòu)與其底盤車架連接，并對除雪車的雪鏟、滾刷、撒布機機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)參數(shù)設計，分析了雪鏟的工作阻力，通過對冰雪力學性質(zhì)、整車性能匹配的研究，提出設計方案。
本文的主要工作如下：
1.研究除雪裝置的結(jié)構(gòu)和整車性能，簡要介紹除雪作業(yè)參數(shù)及作業(yè)效果。
2.對比分析各種除雪機械的性能，確定本文選用的除冰雪裝置的結(jié)構(gòu)形式。對前雪鏟和刨冰的結(jié)構(gòu)及參數(shù)進行設計。
關鍵詞：除雪鏟；振動輪；掃雪排；撒布機構(gòu)；軋刮滾輪
I
Ⅰ
Abstract
The design for multifunctional snow remover, can remove the floating snow, snow, ice, rolling of ice and snow, which can effectively remove the 0 ~ 15cm thick floating snow and 0 ~ 10cm thick rolling compacted snow to see the black pavement effect. Can be widely used in municipal roads, highways, highways, airports and other places.
Multi-function clear snow machines driven by the existing devices and the carrier, in order to save cost and meet the needs of utility, the design using the milling planer milling planer drum road of ice, snow, reoccupy grader one-time eradicated, design can guarantee safety and smoothness of the highway, can satisfy the demands of the people to the traffic safety and quick travel, and a significant reduction in addition to the cost of ice and snow removal, reduce to use salt, protect the environment, protect the roadside plants, for drivers and pedestrians to provide a clear security good traffic environment. , connect the snow removal mechanism and its chassis frame, and the snow shovel of snow sweeper, roller, spreader mechanism design for structural parameters, analyzes the working resistance of the snow shovel, through the study of snow and ice mechanical properties, performance matching, the design scheme is put forward.
The main work of this paper is as follows:
1 see the structure and vehicle performance plough, brief introduction of snow removing parameters and operation effect.
2 the structure of the snow removal device is determined by the comparison and analysis of the performances of various snow removal machinery.. The structure and parameters of the front snow shovel and the roller brush are designed.
Keywords: snow shovel; vibration wheel; snow; spreading mechanism; rolling roller scraping
目錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 研究的目的及意義 1
1.2 國內(nèi)路面清雪設備的研究現(xiàn)狀 1
1.3 路面清雪技術(shù)的發(fā)展趨勢 2
第2章 除雪裝置部件設計 5
2.1 冰雪的物理機械性質(zhì) 5
2.2 除雪裝置前鏟設計 9
2.2.1 推雪鏟設計 11
2.2.2 獨立避障裝置設計 13
2.3 破冰裝置設計 14
2.3.1 破冰裝置設計 14
2.4 主要參數(shù)的確定及計算實例 15
2.5 撒布機設計 16
2.6 油路設計 17
2.6.1 液壓系統(tǒng)組成與工作原理 17
2.6.2 升降液壓裝置 18
圖2-10 工作液壓示意圖第3章 相關計算 19
第3章 相關計算 20
3.1 清雪鏟受力分析 20
3.1.1 除雪鏟除雪阻力計算 20
3.1.2 除雪鏟行駛阻力計算 20
3.1.3 除雪阻力、附著力和除雪功率的計算 20
3.2 理論計算 21
3.2.1 牽制除雪鏟功率計算條件 21
3.2.2 除雪阻力計算 22
3.2.3 行駛阻力計算 23
3.2.4 除雪阻力計算 23
3.2.5 除雪功率計算 24
3.3 車輛側(cè)向穩(wěn)定性分析 24
3.4 除雪的除凈率 25
結(jié) 論 26
致 謝 27
參考文獻 28
IV
第1章 緒論
1.1 研究的目的及意義
冬季，道路積雪給人們的日常生活和交通運輸帶來許多困難，及時清除道路積雪，是冬季道路養(yǎng)護作業(yè)的一項重要內(nèi)容。我國目前高速公路里程達到74100km居世界第二位，且3/4處于降雪和冰凍覆蓋區(qū)。路面積雪，覆冰均對高速公路的通行和交通安全產(chǎn)生嚴重影響，由于封路，甚至造成的交通事故，都造成巨大的直接經(jīng)濟損失和不利的社會影響。由于目前我國清雪方法比較原始，主要是人工法，基本上是人海戰(zhàn)術(shù)，不但浪費了較大的人力和物力，而且清雪的效率低，往往雪還沒有被清理完，就被來往的車輛壓實，又增加了清雪難度。所以，過多的降雪常常來不及得到及時有效的清除，給城市交通和人民生活帶來了許多不便。因此，尋找一種適合不用積雪路況的清雪裝置是有著重要的意義。
本設計適合我省實際情況的高速公路快速清除路面冰雪技術(shù)及應用工藝。采用現(xiàn)有的驅(qū)動裝置與載體，以節(jié)約成本并且滿足多用途的需要。該設計受銑刨機的啟發(fā)，運用銑刨機中的銑刨鼓進行路面冰、雪的破碎，再用平地機一次性鏟除，設計可有力保障高速公路的安全暢通，滿足人民群眾對交通安全快捷的出行要求，并且顯著降低除冰、除雪成本，減少用鹽量，保護環(huán)境，保護路側(cè)植物，給駕駛員和行人提供一個暢通安全美好的通行環(huán)境。
1.2 國內(nèi)路面清雪設備的研究現(xiàn)狀
我國清雪技術(shù)的研發(fā)起步較晚，始于20世紀80年代后期，相關研究單位主要集中在東北、西北、華北地區(qū)，先后有幾十種型號的除雪裝置研制成功。幾年來一些廠家參照國外先進技術(shù)，研發(fā)出適合我國清雪作業(yè)急需的梨板式和轉(zhuǎn)子式除雪裝置以及拖式撒鹽車等車型，但與世界先進國家除雪裝置發(fā)展相比，產(chǎn)品數(shù)量及性能差距較大，遠不能滿足道路清雪需求。經(jīng)過二十多年來的探索和研究，我國的路面清雪技術(shù)和設備取得了和大的進步，但是從總體上看來，我國對路面清雪設備的研發(fā)和生產(chǎn)尚處于起步階段，清雪設備的技術(shù)水平還比較落后，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
( 1 ) 技術(shù)水平低。清雪設備在結(jié)構(gòu)設計、制造、設備使用管理和維護等方面都存在問題。
( 2 ) 品種類型不全。目前，不少種類的路面清雪設備在我國還是一片空白，尤其是用于路面壓實冰雪的大型設備。
( 3 ) 避讓功能不理想。我國現(xiàn)有的清雪設備大部分避障能力較差，常常因為避障不及時導致作業(yè)屬具或者牽引主機的損壞。
( 4 ) 對路面養(yǎng)護能力差。在作業(yè)路面凹凸不平時，除冰設備容易對路面造成破壞。
1.3 路面清雪技術(shù)的發(fā)展趨勢
1.向小型化、高速化方向發(fā)展
在除雪作業(yè)中，除雪機機身的大小及除雪速度是影響交通的兩個重要因素，機身過大，除雪機占道影響交通；速度過低，影響車流通暢，同時狹窄路面的除雪也要求機身體積不宜過大為了不妨礙交通。
2.向多功能、一體化方向發(fā)展
我國現(xiàn)階段的除雪機械應該向多功能方向發(fā)展，除雪機械應能一機多用，以提高其使用率 如對現(xiàn)有的工程機械農(nóng)業(yè)機械和環(huán)衛(wèi)機械（裝載機推土機拖拉機環(huán)衛(wèi)機械清掃車等）進行技術(shù)改造，在冬季降雪時安裝除雪工作裝置進行除雪作業(yè)，其余時間可進行其他工程施工作業(yè)或道路清掃養(yǎng)護作業(yè)等。專用除雪機械應采用新技術(shù)，實現(xiàn)自動控制和自動保護功能，避免除雪裝置損壞。
3.向提高安全性、舒適性方面發(fā)展
由于除雪機械的駕駛操作具有一定的危險性，因此要最大限度地減輕駕駛員的操作強度，提高除雪機械的可操作性能，研制自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動避讓功能，避免機器和除雪裝置損壞 同時還要注意改善駕駛員的工作條件，采取防噪聲防塵等項措施，減輕駕駛室的振動，保持通風，使駕駛員在一個舒適的環(huán)境中工作。
第2章 除雪裝置部件設計
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
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
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
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)裝載機的多功能使用。
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
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。
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)。
2.2 除雪裝置前鏟設計
前雪鏟（又稱前鏟）是除雪車廣泛配備的一種犁板式除雪工作裝置，通過可拆卸固定聯(lián)接方式安裝于除雪車底盤前端。經(jīng)分析，除雪車的最佳作業(yè)時機和最經(jīng)濟的除雪作業(yè)方式就是利用前雪鏟清除剛下的新雪。常見的前鏟鏟板曲面有圓弧型、拋物線型、漸開線性等空間曲面，可對新雪、粉雪、粒雪、壓雪、冰雪混合物等采用高速推進方式，利用曲面旋移原理清理路面積雪。前鏟鏟板空間曲面設計是前鏟設計的核心內(nèi)容。
鏟式清雪裝置如圖2—1所示：
1—后托架；2—前托架；3—提升液壓缸；4—支桿；5—擺動液壓缸；6—連桿；
7—鏟體回位彈簧；8—推雪鏟；9—避障裝置回位彈簧；10—鏟刃
圖2—1 除雪車前鏟結(jié)構(gòu)示意圖
圖2—1中10用于吸收部分沖擊載荷，起到避障作用，7用于吸收較大載荷，并保證鏟體緊貼地面；升降油缸3鉸接于后托架與支架之間，負責提升及降落鏟體；擺動油缸5鉸接于或托架與鏟體之間，用于控制推雪鏟的左右擺動。擺動幅度控制在30°左右。隨除雪車的行進，積雪鏟刃剝離地面并沿鏟板曲面左螺旋外拋運動，積雪被推積到路面一側(cè)。
本設計整體裝配圖如下所示：
清雪鏟相關參數(shù)：
除雪寬度LB 除雪車工作時在行進方向上一次清除積雪的寬度，也就是除雪鏟在除雪裝置前進方向上的最小投影寬度。根據(jù)除雪車使用場合的不同，對除雪寬度的要求也不盡相同。廣場等空曠場所需要較大除雪寬度的除雪車，而交通路線上除雪車的除雪寬度一般不宜超過一個車道的寬度，避免除雪作業(yè)時阻礙交通。
前鏟除雪寬度的要求一般是前端（小端）應比同側(cè)輪胎外緣寬出200mm，后端（大端）應比同側(cè)輪胎外緣寬出400mm。鏟體太寬將導致鏟體質(zhì)量過大，使前輪負荷增加，行駛穩(wěn)定性降低；鏟體過窄將使兩側(cè)積雪回落而被輪胎碾壓，影響除雪效果。
切削角δ 是行進方向上鏟體與地面間的夾角。隨著推雪鏟的前進，具有一定切削角δ的鏟刃在垂直力F的作用下，將積雪剝離其附著面，積雪沿導板曲面向斜上方運動，最后以一定的速度從推雪鏟后端部排出。切削角的大小直接影響切削阻力的大小。具有一定粘性的雪在切削角δ較小時呈流動型，在切削角δ大時呈斷裂型。切削角是鏟刃的一個重要參數(shù)，直接影響切削阻力及切削刃強度。切削角δ太小使切削刃變薄、強度不足：但δ過大，切削阻力會顯著增大。試驗表明，切削角δ每增加10°，抗切強度系數(shù)KQ增加10%～20%，切削角δ在60°左右時抗切強度系數(shù)KQ達到最大，切削角δ大于60°后抗切強度系數(shù)KQ增加不明顯。
經(jīng)驗證明，前雪鏟在清除新雪、粉雪、粒雪和冰水混合物時，切削角δ取值在20°～30°范圍內(nèi)效果最理想。
切削刃是易損件。由于積雪路面情況復雜多變，為避免鏟刃局部受損而更換整個鏟刃板，通常把鏟刃設計成幾塊拼裝的形式，采用螺栓旋轉(zhuǎn)軸的方式連接到鏟板上。
行進角θ 指鏟體長度方向與車輛行進方向所夾銳角。行進角與除雪阻力、排雪性能、推雪鏟長度都有很大關系，行進角小，則除雪阻力小，且排雪性能好，但須有較長的鏟體才能保證必需的除雪寬度LB；行進角大，鏟體長度則可短些，但除雪阻力增大，排雪性能也將變差。
其它參數(shù) L為除雪鏟寬度；HF為雪鏟小端高度；HR為雪鏟大端高度。
2.2.1 推雪鏟設計
推雪鏟的主要工作部分是切削刃和與其聯(lián)接在一起的鏟板。切削刃是直接切雪的零件，應有足夠的耐磨性、強度、和剛度。切削刃是易損件，因此它與鏟板之間設計為可拆分段聯(lián)接。
適宜的鏟體自重利于大增大鏟體作用于路面的線壓力，因此除雪車并不刻意追求降低前鏟的總質(zhì)量，但必須考慮行車穩(wěn)定性和所用載重車前后軸的承荷能力。通常情況下除雪車前鏟推雪鏟的質(zhì)量限制在500～800kg。材質(zhì)選擇時兼顧經(jīng)濟性除連接零件外大部分零件材質(zhì)選擇Q235鋼。選取切削刃材料時除考慮耐磨性、韌性、經(jīng)濟性等因素外，須考慮工作溫度對其物理特性的影響，一般選取65Mn調(diào)制鋼。
（1）推雪鏟切削刃材質(zhì)選取
切削刃和與其連接在一起的鏟板是推雪鏟的主要工作部分。為了設計性能良好的推雪鏟，必須對切削刃和鏟板加以分析和認識。
除雪車前雪鏟主要應用于清除新降積雪，新降雪的密度隨其結(jié)構(gòu)、氣象條件以及降雪氣溫的不同而變化，其密度值一般在20～800kg∕m3之間。
通過比較認為松土和積雪的物理機械性質(zhì)較為接近，參考較為成熟的推土產(chǎn)切削刃設計理論可知，對于松土和積雪，一般認為切削角δ通常以55°左右為宜。除雪車的前鏟切削對象是新降積雪，同時除雪車為保護路面大多采用輪式行走機構(gòu)，所能提供的最大牽引力較履帶式行走機構(gòu)小，而且工作速度要求較高，所以應盡量減小工作時的切削阻力。除雪車的工作路面較為平整，適應地形變化需要的后角可略小。因此綜合考慮，推雪鏟前鏟刃切削角δ選擇為30°，并對其結(jié)構(gòu)做相應調(diào)整，切削刃厚度取8mm左右即可。
（2）前鏟的鏟板空間形狀設計
前鏟的作業(yè)對象是密度較小、顆粒間結(jié)合松散的積雪，它采用高速推進曲面旋移的理論進行除雪（除雪車前鏟作業(yè)速度為30km∕h左右）。在高速犁板上，被除雪粒不會堆積成堆，而是緊貼犁板，做空間旋移運動。推雪鏟鏟板曲面空間形狀直接影響被除顆粒的空間旋移軌跡，是除雪阻力、除雪效率等的重要影響因素。
1.鏟板鏟形 犁板式除雪車前鏟采用高速推進，利用曲面旋移原理將積雪清離路面。鏟板曲面的作用在于旋移和推運積雪。鏟板的結(jié)構(gòu)參數(shù)對雪屑運動規(guī)律、積雪容量、推運阻力都有影響。在除雪過程中，如果推運和旋移積雪的阻力小，在一個旋移運動周期內(nèi)拋射積雪的距離遠，則標志其性能良好。為了便于向道路外側(cè)排雪，推雪鏟常設計成一端小一端大，以固定的行進角（鏟板長度方向與車輛行進方向所夾的銳角θ）工作。被除雪屑的理想運動軌跡是空間螺旋外拋運動。
隨著現(xiàn)代制造工業(yè)的發(fā)展，制造工藝的改進，利用數(shù)控機床加工復雜空間曲面的技術(shù)日益成熟，為推雪鏟曲面板的設計提供了技術(shù)保障。
常用的鏟板形狀有圓弧形、拋物線形、Ⅰ類漸開線形、Ⅱ類漸開線形（如圖2—2）其中拋物線和圓弧的形狀很近似，兩者的性能也很近似。
（1）圓弧型；（2）拋物線型；（3）Ⅰ類漸開線型；（4）Ⅱ類漸開線型
圖2—2 曲面板類型
我們發(fā)現(xiàn)由于被除積雪的顆粒間結(jié)合力小，在高速鏟的作用下被剝離后會緊貼鏟板作旋移運動；而在推土鏟作業(yè)時，當被切下的土屑呈層狀沿曲面滾卷前進時，其切削性質(zhì)和推雪鏟工況相似。Grabotz和Grees利用三種曲面板對中等沙土（被切下的土屑呈層狀沿曲面滾卷前進）做了對比試驗。在其他因素相同的情況下，對比鏟板類型對切削阻力的影響，實驗數(shù)據(jù)如表2.1。
表2.1 鏟板類型對切削阻力的影響
鏟板類型 拋物線型 Ⅰ類漸開線型 Ⅱ類漸開線型
切削阻力（KN） 28.5 25 25.4
通過數(shù)據(jù)分析，并考慮到清除積雪的實際工況。推雪鏟的鏟板選用Ⅱ類漸開線型鏟板最為合適。
2.鏟板寬度 除雪車前鏟常以固定的行進角進行除雪作業(yè)。行進角是鏟板長度方向與車輛行進方向所夾的銳角θ，進行角與除雪阻力、排雪性能、推雪鏟長度都有很大關系。推雪鏟的寬度應保證工作時在除雪車前進方向上的最小投影寬度大于車寬，前端（小端）應比同側(cè)輪胎外緣寬出約200mm，后端（大端）應比同側(cè)外緣寬出約400mm。這種寬出量是為了保證在作業(yè)過程中除雪車能給自己開辟前進的道路，從而保證其作業(yè)質(zhì)量。
選擇推雪鏟的寬度應首先根據(jù)除雪車總體結(jié)構(gòu)布置，初步確定推雪鏟寬度，再按比切力加以檢驗：
B = Fe / qx （2-1）
式中 Fe—推雪車額定牽引力，N；
B—推雪鏟寬度，cm；
對于新降積雪，查閱國內(nèi)外除雪車的相關資料，推雪鏟鏟刃的水平比切力選20～100N∕cm即可滿足工作要求。
3.鏟板（裝鏟刃后）高度 可根據(jù)設計時的除雪車整體結(jié)構(gòu)、除雪能力、除雪生產(chǎn)率、除雪車額定功率等條件，估算推雪鏟大概高度，再進行調(diào)整。
本設計使用的底盤車輛型號為CAG110/125，采用Ⅱ類漸開線型鏟板，小端設計高度初定為920mm，大端高度初定為1100mm。
2.2.2 獨立避障裝置設計
我國公路及城市道路的路況級城市道路的路況普遍已有很大的改善，但仍有相當里程的路段路況較差，突出表現(xiàn)在路面平整度低和局部損壞（如裂縫、變形、崩解、錯臺、沉陷、脫皮、麻面等）另外除雪作業(yè)還可能遇到一些路面障礙物（如凸臺、井蓋、道釘、分界線反光塊、坑槽等）。如不采取障礙避讓措施，則將造成除雪設備或路面設施的損壞，甚至會威脅到駕駛?cè)藛T的人身安全。因此除雪裝置要設有功能良好的彈性避讓裝置。
本文采用機械式避障機構(gòu)，實現(xiàn)被動避障。機械避障裝置是一種被動的避障裝置，前鏟除雪作業(yè)在避障是雖然不必中斷除雪作業(yè)，但應該減速慢行。本文設計采用平行四邊形機構(gòu)避障裝置。其顯著的特點：一是：兩連桿以相同速度同向轉(zhuǎn)動；二是：連桿作平面運動。
根據(jù)作業(yè)需要，跨越障礙物高度不少于150mm，并且水平回轉(zhuǎn)角度在±35o，因此根據(jù)幾何性質(zhì)，可以初步計算出兩連桿的長度為262mm。
平行四邊形機構(gòu)是通過鏟體的運動實現(xiàn)緩沖和避讓。其優(yōu)勢是避讓效果明顯、越障高度較大，環(huán)境適應性強，因此應用也較廣泛。為盡量減少避障時的積雪遺漏，鏟刃在越過障礙物后應迅速回位進行正常的除雪作業(yè)。
平行四邊形機構(gòu)考慮到鏟體在工作時會對鏟刃造成損傷及破壞，需要更換的原因，所以鏟刃本設計為鏟體與鏟刃分離設計如圖2—3所示。
1-彈簧支架；2-連接銷；3-主鏟體；4-連接銷；5-獨立鏟刃
圖2—3 避障鏟刃
2.3 破冰裝置設計
路面破冰裝置設計，本實用新型為了解決現(xiàn)有的破冰裝置采用皮帶傳動，在除冰過程中因振動易發(fā)生皮帶滑落的問題，影響除冰效率的問題。本實用新型的支架與雙缸農(nóng)用拖拉機固定連接，防護圍墻圍設在支架的外沿，兩根支撐桿并列設置，支撐梁的一端與雙缸農(nóng)用拖拉機連接，支撐梁的另一端向上傾斜設置并與連桿的上端連接，連桿的下端與設置在支架上的減速器連接，萬向軸的一端與減速器連接，萬向軸的另一端與雙缸農(nóng)用拖拉機連接，連接板設置在減速器的正下方，連接板與減速器的輸出軸固定連接，兩個減震器分別設置在減速器輸出軸兩側(cè)的連接板上，轉(zhuǎn)動軸設置在連接板上，轉(zhuǎn)動軸的兩端分別固定設有一個破冰齒。本實用新型用于路面破冰。
2.3.1 破冰裝置設計
鏟刀前面作用在冰雪層上的力有法向力Fan和摩擦阻力Faf,該二力的合力Fa在x、y方向分解為Fax和Fay,Fax與鏟刀前進方向一致,起擠壓路面冰雪層的作用,Fay起使其與路面剪切分離的作用,與鏟刀前進方向垂直,使與路面分離的冰雪產(chǎn)生張力,并在內(nèi)部產(chǎn)生彎曲應力而脆斷。如圖所示為破冰裝置的設計：
設計鏟刀時,必須使其滿足一定的切削性能和力學性能的要求,減少切削阻力和鏟刃磨損,降低能量消耗,延長鏟刃的使用壽命,并有利于提高清除率。為了提高除雪機對雪層厚度的適應能力,破冰輥上的刀片設計為能進行機械調(diào)節(jié),以便改變與地面的接觸高度,在破冰的同時不損傷地面。 破冰輥的作用是將雪層從路面上剝離,其結(jié)構(gòu)形式為:一系列的刀片沿徑向均布于主軸圓周上,并與主軸上的輻板鉸接;在軸向上,并排地分布著多排這樣的與輻板鉸接的刀片,以形成一定的除雪幅寬。工作時刀片除與主軸一起轉(zhuǎn)動外,還可繞鉸鏈在一定角度內(nèi)擺動,刀片靠扭力彈簧保持其徑向固定位置。除雪作業(yè)時,刀輥主軸以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),同時以速度v0前進,這就使分布在主軸圓周上的刀片依次敲擊雪層然后刮擦,使雪層與路面剝離。當遇有路面凸起或阻力過大時,刀片就克服彈簧阻力繞鉸鏈擺動一定的角度,實現(xiàn)避讓障礙的動作,從而自動適應路面,起到保護路面的作用。
2.4 主要參數(shù)的確定及計算實例
(1)取車速v0=10km/h。
(2)刀具所在圓周直徑取D=500mm時,結(jié)構(gòu)上允許其圓上分布Z=14個刀片。
(3)據(jù)人工除雪經(jīng)驗,兩次敲擊的間距h≤40mm 時才能保證除雪質(zhì)量。
(4)據(jù)上述條件可計算出刀輥所應具備的轉(zhuǎn)速n=29716r/min。
(5)刀具對地面的敲擊力度可用動量來表示:P刀=m×v。 (2)
式中:P刀——除雪刀輥上單片刀頭對路面的撞擊力度;
m——單個刀頭質(zhì)量,取m=2kg;
v——刀片旋轉(zhuǎn)至與路面接觸位置時相對路面的速度,m/s。 經(jīng)計算v=5m/s,代入式(2),則P刀=2×5=10kgm/s。
(6)人力除雪時,設鐵鍬對地面的作用力F=100N,m=2kg的鐵鍬經(jīng)s=250mm距離撞擊地面,其加 速度和作用時間分別為a=50m/s2 ,t=011s,則撞擊速度v=at
=5m/s。那么人工除雪鐵鍬對路面的作用力度為:P人=m×v=10kgm/s。
經(jīng)上述計算說明輥刀對地面作用力與人力相仿。實際工作時我們可通過控制刀片質(zhì)量、彈簧扭力、刀輥轉(zhuǎn)速、行車速度等因素來保證刀片對路面的作用力度小于或等于人工除雪,或者使其在某一合適的范圍。
2.5 撒布機設計
撒布機主要主要技術(shù)參數(shù)設計：
1.料倉容積： 10立方米；
2.撒布寬度： 2-12米；
3.撒布劑量(鹽、融雪劑不含沙土)：0-40克∕平方米，寬度2-12米。
主要技術(shù)特點：
1.設備的結(jié)構(gòu)件具備優(yōu)良的強度及耐腐蝕性，符合在惡劣的環(huán)境下工作的要求；
2.采用高輕度剛，耐腐蝕等特點，并且重量輕；
3.比例閥、電動送料馬達及電動撒布盤馬達等關鍵部件采用高標準原裝件；
4.非對稱撒布等技術(shù)使除雪作業(yè)智能化，精細化。
主要特點介紹：
1.拆裝方便 靈活拆卸，需起吊裝置；拆卸部件亦是撒布機支架；卸下撒布機后，底盤車也可以做他用，提高底盤使用效率。
2.對稱撒布 車輛在任意車道作業(yè)時保證融雪劑不撒入綠色隔離帶內(nèi)，并使融雪劑在路面撒布均勻。
3.個性化設計 如發(fā)生編織袋纏繞、出料堵塞可方便的打開雜物取出，而無需將料倉卸空。
4.機后端配有梯子：方便操作人員上下啟閉防雨罩及設備維護。
2.6 油路設計
2.6.1 液壓系統(tǒng)組成與工作原理
本文多功能型除雪裝置液壓系統(tǒng)（如圖2-8所示）由升降液壓裝置和工作液壓裝置組成。
1-掃雪排液壓馬達；2-四聯(lián)泵；3-液壓表及開關；4-溢流閥；5-雪鏟擺動油缸；
6-撒布機升降油缸；7-雪鏟升降油缸；8-掃雪排升降油缸；9-多多路換向閥
圖 2-8 液壓管路布置圖
2.6.2 升降液壓裝置
升降液壓裝置由液壓油箱、升降液壓油泵、多路換向閥、油缸、吸油過濾器、管路等元件組成，工作原理如圖2-9所示。
1-吸油過濾器；2-溢流閥；3-管路；4-升降液壓油泵；5-多路換向閥；6-油缸
圖2-9升降液壓示意圖
工作液壓裝置由液壓油箱、四聯(lián)液壓油泵、溢流閥、擺線液壓馬達、吸油過濾器、管路等元件組成，工作原理如圖2-10所示。
1-吸油過濾器；2-溢流閥；3-四聯(lián)液壓油泵；4-擺線液壓馬達；5-回油過濾器
圖2-10 工作液壓示意圖 第3章 相關計算
3.1 清雪鏟受力分析
犁式除雪鏟在進行除雪作業(yè)時所受到的總阻力稱為除雪阻力。除雪阻力包括作業(yè)時除雪犁所受到的雪阻力與車輛行走阻力兩部分。
3.1.1 除雪鏟除雪阻力計算
Fp = Ff + Fc + Fa （3-1）
式中：Ff —鏟刃與路面間的滑動摩擦阻力；
Fc —分離積雪的切削阻力；
Fa —將積雪沿鏟面拋出時雪對鏟的作用力。
3.1.2 除雪鏟行駛阻力計算
Fm = Fa + Fr + Fi + Fb （3-2）
式中：Fa —空氣阻力；
Fr —滾動阻力；
Fi —上坡阻力；
Fb —加速阻力。
式（3-2）只計算了進行方向的阻力，實際還有側(cè)向空氣阻力，曲線行駛時的轉(zhuǎn)彎阻力等，這些影響甚小，一般忽略不計。
3.1.3 除雪阻力、附著力和除雪功率的計算
除雪作業(yè)總阻力Fs是由阻力和車輛的行駛阻力合成的。Fs可分解為行進方向分力：Fsx=Fpx+Fm ，側(cè)向分力：Fsy=Fpy ，垂直分力：Fsz=Fpz 。切線牽引力Fk指的是在牽引力原件作用下地面產(chǎn)生的作用于行走機構(gòu)的最大切線牽引力Fkmax≥Fsx。
除雪功率P = Fsx·υ∕η
式中：Fsx—行進方向的除雪阻力；
υ —行駛速度；
η —傳動效率。
3.2 理論計算
3.2.1 牽制除雪鏟功率計算條件
除雪寬3.8m 除雪深0.15m 除雪斷面積S=3.8×0.15=0.57m 積雪密度ρ=300kg／m 進行速度υ=30km／h 車輛總質(zhì)量Mc=12705kg 進行角θ=6° 鏟刃切削角δ=30° 空氣阻力系數(shù)μa=0.00275 刃口與路面摩擦系數(shù)μf=0.45 滾動阻力系數(shù)μr=0.046
輪胎與路面附著系數(shù)μ=0.35 車輛正面投影面積A=21m
動力傳動效率η=0.85 鏟體質(zhì)量Mp=500kg 除雪車功率221KW
道路坡度θe=0° 抗段應力τ=0
除雪車作業(yè)速度為10～20Km/h時，
Fpx = g·μf·Mp + s·p·v2(1 + 0.73sin2θ- 0.33cos2θ)
Fpy = 1.06s·p·v2·sinθ·cosθ （3—3）
Fpz = g·Mp
除雪車作業(yè)速度為20～40Km/h時，
Fpx = g·μf·Mp + s·p·v2(1 + 0.18sin2θ- 0.45cos2θ)
Fpy = 0.72s·p·v2·sinθ·cosθ （3—4）
Fpz = g·Mp
式中 μf —鏟刃與積雪路面的摩擦系數(shù)
Mp —前雪鏟質(zhì)量，kg；
S —浮雪層與前雪鏟接觸面積在除雪車前進方向上的投影面積，m2
υ —除雪車作業(yè)速度，m/s，
ρ —除雪密度，kg/m3
K —前雪鏟刃口形狀系數(shù)，K = 1
g —重力加速度，9.8m/s2。
前雪鏟鏟刃在除雪作業(yè)時，在地面與鏟刃之間有殘余積雪。參考機械特性，鋼質(zhì)材料與壓實雪的摩擦系數(shù)為0.09～0.14，鋼質(zhì)材料與瀝青混凝土的摩擦系數(shù)為0.25～0.5。因為除雪作業(yè)路面情況比較復雜，在除雪作業(yè)過程中，各種摩擦情況都會隨機出現(xiàn)，沒有規(guī)律性?？紤]到積雪的潤滑作用，
μf取值范圍一般為0.10～0.45。這里保證除雪作業(yè)總能正常進行，在計算中摩擦系數(shù)μf取值為最大值0.45。
3.2.2 除雪阻力計算
多功能型路面除雪裝置的前鏟結(jié)構(gòu)為單項犁板式，其除雪阻力Fsx為除雪作業(yè)時所受到的雪阻力 Fp與車輛行駛阻力Fm之和。
多功能除雪裝置工作時，升降油缸處于浮動狀態(tài)，前雪鏟依靠自重貼于地面，利用除雪車前進的動力將浮雪剝離路面，利用車輛速度和鏟板空間形狀使被除積雪作螺旋外拋運動，拋向右側(cè)。因此雪鏟本身質(zhì)量、鏟體與路面的摩擦系數(shù)、鏟刃與路面的夾角、鏟刃形狀、鏟體水平擺角、除雪作業(yè)寬度、除雪作業(yè)速度、浮雪密度、浮雪厚度等因素與雪阻力計算關系密切。同時，浮雪的平均抗剪應力τ亦對雪阻力計算產(chǎn)生一定影響。通常情況下，由于浮雪的抗剪應力相對較小，在計算雪阻力時一般對其忽略不計。
除雪作業(yè)速度直接影響除雪作業(yè)效率。正常除雪作業(yè)速度范圍為10～40km∕h。研究結(jié)果表明，在10～40km∕h速度內(nèi)，除雪作業(yè)速度對雪阻力的影響呈分散的兩區(qū)域性在10～20km∕h速度和20～40km∕h速度，不同速度對雪阻力的影響系數(shù)不同。根據(jù)速度影響系數(shù)，建立如下雪阻力各項分力計算分析數(shù)學模型：
除雪車作業(yè)速度為10～20km∕h時，
前雪鏟的行進角取值為6°，雪密度變化分為很大，參照第二章介紹選取積雪密度為20～800kg∕m,通常在理論計算時取其最大數(shù)值。前雪鏟在前進方向上投影寬度為3.8m，最大除雪深度0.8m，因此，前雪鏟雪阻力計算公式中S =3.04m。根據(jù)前雪鏟總體結(jié)構(gòu)及材料特性，計算得到前雪鏟質(zhì)量為750kg。
根據(jù)公式（3-3）、（3-4）及上述計算參數(shù)分析，得到如下計算結(jié)果：
除雪車作業(yè)速度為10～20km∕h時，雪阻力的各項分力為
Fpx = 23908.7～89019.8N
Fyk = 6799.9～27199.6N
Fpz = 4900N
除雪車作業(yè)速度為20～40km∕h時，雪阻力的各項分力為
Fpx = 61964.3～239037.0N
Fpy = 18475.2～73900.8N
Fpz = 4900N
設計提出的額定工況（以30km∕h的除雪速度，清除厚0.4m、密度為300kg∕m的浮雪）下，雪阻力的各項分力為：
Fpx = 27.27；Fpy = 7.79；Fpz = 4.90。
Fpx方向與除雪車前進方向相反并與路面平行，對除雪車作業(yè)產(chǎn)生阻力，完全依賴于輪胎與路面產(chǎn)生的驅(qū)動力克服，消耗發(fā)動機功率。因為前雪鏟向右側(cè)排雪，F(xiàn)py方向與X方向垂直并指向前進方向的左側(cè)，F(xiàn)py將對除雪車的側(cè)向穩(wěn)定產(chǎn)生影響。前雪鏟安裝在底盤的前部，過大的Fpy將造成除雪車尾部偏轉(zhuǎn)而無法正常除雪作業(yè)，甚至發(fā)生嚴重的事故。Fpz對除雪車正常工作影響不大。
3.2.3 行駛阻力計算
車輛行駛阻力經(jīng)驗計算公式為：
Fm = g( μa·A·v2 + μr·M ) （3—5）
式中：μa —空氣阻力系數(shù)，平頭型車輛μa=0.00275
υ —除雪車作業(yè)速度，km/h ；
A —除雪車正面投影面積，m；
μr —滾動阻力系數(shù)；積雪路面與防滑輪胎間μr=0.0189+0.000601v；
Mc —裝配前雪鏟后的鏟雪車質(zhì)量（無配重），kg；
g —重力加速度，9.8kg/m2。
多功能路面除雪裝置動力車位解放平頭自卸車，裝配上前雪鏟后，除雪車質(zhì)量為12705kg正面投影面積為21m。因此，根據(jù)公式（3—5）計算得到除雪車作業(yè)速度為10～20～40km/h時，行駛阻力為：
Fm = 1748.7～2233.6～3340.2N
設計提出的額定工況（ 以30km/h的除雪速度，除雪厚0.4m、密度為300 kg/m3的浮雪）下：
Fm = 2764.1N
3.2.4 除雪阻力計算
除雪阻力Fsx為雪阻力在X方向上的分力Fpx與行駛阻力Fm的代數(shù)和。根據(jù)上述計算結(jié)果，可以得到不同作業(yè)速度條件下的除雪阻力。
除雪作業(yè)速度為10～20km/h時，最大除雪阻力（除雪寬度3.0m深度0.8m時）為：
Fsx = 25.66～90.85KN
除雪車作業(yè)速度為20～40km/h時，最大除雪阻力（除雪寬度3.0m深度0.8m時）為：
Fsx = 63.79～241.13KN
設計提出的額定工況（30km/h的除雪速度，除雪寬度3.0m、清除厚度0.4m、密度為300 kg/m3的浮雪）下：
Fsx = 29.55KN
滾刷電機選擇：
由于速不宜過高或過低，一般推薦v=5～25m/s，最高帶速vmax<30m/s。本設計定轉(zhuǎn)速為20m/s。
由以上相關不同工況的除雪阻力及滾刷工作轉(zhuǎn)速，選擇電機為Y90S-4，額定功率1.1kw，轉(zhuǎn)速1400r/min。
3.2.5 除雪功率計算
除雪作業(yè)消耗的功率P為：
P = FSX·v /η （3—6）
式中：P —除雪功率，KW；
FSX—行進方向的除雪阻力，KN；
v —除雪車作業(yè)速度，m/s；
η—傳動效率，機械傳動取η=0.85.
按照設計要求，額定工況是以30km/h速度進行除雪作業(yè)，清除厚度0.4m、密度300 kg/m3的浮雪，此時，除雪阻力FSX = 28.32KN，除雪功率P =277.6KW。多功能除雪裝置發(fā)動機額定發(fā)動機功率為221KW。通過計算發(fā)現(xiàn)發(fā)動機功率不能滿足假設的額定工況除雪作業(yè)要求。
應考慮改用發(fā)動機功率較大的同類車型，或降低額定除雪作業(yè)速度要求。通過計算可知除雪作業(yè)速度為20km/h，除雪厚0.4m、密度為300kg/m3的浮雪時，除雪功率為138.9KW，除雪車可以正常除雪作業(yè)。
3.3 車輛側(cè)向穩(wěn)定性分析
除雪車在除雪作業(yè)時受到前進方向的分力外，同時受到側(cè)向力作用。路面與輪胎摩擦產(chǎn)生的附著力Fμ在提供車輛前進推力的同時抵抗車輛的側(cè)向滑移。根據(jù)這兩的形式特性，多功能路面除雪裝置在除雪作業(yè)過程中最有可能出現(xiàn)的側(cè)向滑移是以前輪為支點的車尾擺動。若對其側(cè)向擺動進行簡化處理，即假定輪胎所產(chǎn)生的側(cè)向抵抗力按照前輪承受1/3、后輪承受2/3核算，假定側(cè)擺支撐點為前輪，則有如下判別模型：
除雪作業(yè)速度為10～20km/h時，
5.088h·p·v2·sinθ·cosθ≤2.4μ·g[( M + △M )- Mp ] （3—7）
除雪車作業(yè)速度為20～40km/h時
3.456h·p·v2·sinθ·cosθ≤2.4μ·g[( M + △M )- Mp ] （3—8）
（3—7）、（3—8）式中：h —除雪厚度，m。
多功能路面除雪裝置在沒有配重的條件下，積雪路面所能生產(chǎn)的最大附著力為16.1～30.0KN；使用配重時，積雪路面所能產(chǎn)生的最大附著力為45.3～81.5KN。
除雪作業(yè)速度為10～20km/h時，受到的側(cè)向分力為6.8～27.2KN，除雪車滿足側(cè)向平衡要求；當除雪作業(yè)速度為20～40km/h時，受到的側(cè)向分力為18.5～73.9KN，在不使用配重的情況下，部分作業(yè)速度范圍滿足側(cè)向穩(wěn)定要求，為保證除雪車能正常作業(yè)不發(fā)生側(cè)滑，當除雪車作業(yè)以告訴清除厚積雪時應合理使用配重。設計提出的額定作業(yè)工況（以30km/h的除雪速度，清除厚0.4m、密度為300kg/m3的浮雪）下，受到的側(cè)向分力為15.58KN，在不使用配重的情況下能滿足側(cè)向穩(wěn)定性要求。
3.4 除雪的除凈率
除雪機的除凈率以殘雪量表示,有的以除凈面積與應清除面積之比表示。影響除凈率的因素,除了機器本身的結(jié)構(gòu)之外,主要是道路的路面質(zhì)量。雖然城市內(nèi)主要干線都是一級路面標準,實際上黑色路面經(jīng)過夏季高溫,難免會出現(xiàn)凹凸不平的狀況,路面不平,自然會影響機器的除凈效率。我們在進行機器設計時,必須考慮如何適應外部條件,提高機器的自身質(zhì)量。 結(jié) 論
本設計受銑刨機的啟發(fā)，運用銑刨機中的銑刨鼓進行路面冰、雪的破碎，再用平地機一次性鏟除，設計可有力保障高速公路的安全暢通，滿足人民群眾對交通安全快捷的出行要求，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，分析和研究了路面冰雪清除的機理和方案，對樣機進行了理論分析，整機匹配分析，結(jié)構(gòu)設計計算等工作。通過大量理論分析研究和試驗研究主要得出以下結(jié)論：
(1) 根據(jù)路面冰雪的物理機械性質(zhì)，提出了對路面上壓實冰雪進行擠壓、切削、破碎的技術(shù)思想，研究結(jié)果表明，這一技術(shù)原理和思路是正確的。
(2) 本文以ZL40E裝載機為動力機，配以碾壓滾為清除冰雪工作裝置，利用擠壓、切削實現(xiàn)對壓實冰雪的破碎和清除，可以達到了較理想的清除冰雪效果。
(3) 試驗研究結(jié)果表明，本文對路面冰雪清除機機理分析正確，方案確定合理，理論分析和計算正確，整機各個部分相互匹配，所提出的清除冰雪工作裝置工作阻力的經(jīng)驗公式是可用的。路面冰雪清除裝置的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如碾壓滾的結(jié)構(gòu)和參數(shù)以及刀齒的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的確定是合適的。
(4) 路面冰雪清除裝置與動力機連接方便。只需通過裝拆鉸支座銷軸即可完成冰雪清除裝置與動力機的結(jié)合及脫離，極其簡單、快速和方便，工作時只需更換工作裝置，實現(xiàn)了一機多用，大大降低成本，適合我國國情。
(5) 研究結(jié)果證明，滾刀式路面冰雪清除機械是清除路面壓實冰雪較理想的設備，有廣泛的應用前景。
通過理論分析和研究，本次設計的滾刀式螺栓聯(lián)結(jié)型路面冰雪清除機仍需在以下幾個方面做進一步深入的研究：
(1) 確定最佳刀片安裝角度和刀刃切入冰層的角度，使切入力和破冰效果達到最理想狀態(tài)；
(2) 根據(jù)實際冰層的厚度，能否自動調(diào)節(jié)刀片的角度，使
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