小型手推式道路除冰機的設(shè)計

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1、 小型手推式道路除冰機的設(shè)計 摘 要 在冬天，路面經(jīng)常被冰雪覆蓋，路面積冰給人民的生活和生產(chǎn)帶來了極大困擾。國內(nèi)許多機械企業(yè)相繼研發(fā)了除冰設(shè)備，但這些設(shè)備大部分是為了滿足高速公路、機場等國家大型路政設(shè)施的清除冰雪工作，其工作效率高、外形大、價格高，但是并不能適用于一些小型街道和小區(qū)庭院。而現(xiàn)今在我國，能夠清除這些小型環(huán)境下路面積冰的機械設(shè)備的研發(fā)課題幾乎是空白。因此，研制具有小巧輕便、操作簡單、適用于這種小型環(huán)境下使用的清除路面積冰的設(shè)備具有廣闊的發(fā)展前景。 本文介紹了現(xiàn)今國內(nèi)外清除路面冰層的技術(shù)和機械設(shè)備，分析了國內(nèi)除冰設(shè)備的缺陷和不足之處。針對此問題，結(jié)合小型街道和小區(qū)庭院

2、等類似環(huán)境下的路面特點，提出了設(shè)計小型輕便、操作簡單的除冰機的目標，并確定了總體設(shè)計方案，選用機械振動的方法清除路面積冰，振動的產(chǎn)生采用偏心塊式振動機構(gòu)。通過宏觀的機械結(jié)構(gòu)分析，完成了動力的選擇，振動滾筒、機架、鏟刀、帶傳動和軸系零部件的設(shè)計，最后完成了除冰機整機的設(shè)計，并利用AutoCad軟件繪制出了零件圖和裝配圖。結(jié)尾對設(shè)計進行總結(jié)，提出設(shè)計中存在的問題和不足，以及可改進之處。 關(guān)鍵詞： 路面冰層；除冰機；機械振動；偏心塊

3、 Design of small hand-push road de-icing machine Abstract In winter, the road is often covered with snow and ice, the road surface ice has brought great trouble to peoples life and production. Many domes

4、tic machinery enterprises have been developed de-icing equipments, but most of these devices are to complete the ice and snow removal work of the freeway, airport and other large state road infrastructure, they have high efficiency, large shape and high price, but does not apply to some small street

5、s and residential courtyards. Nowadays in our country, research and design topics of machine to removing road surface ice in these small environment is almost blank. Therefore, the design of de-icing equipments which is small, lightweight, simple, and apply to small environment has wide development

6、prospect. The article introduces the current technology and machinery equipment of clearing road surface ice in country and overseas, analyzed the domestic de-icing equipment defects and inadequacies. Aiming at this problem, combined with the pavement characteristics of small street and residential

7、 courtyard and other similar environments, presents the design of small and lightweight, simple operation de-icing machine, and to determine the overall design scheme, chooses the method of mechanical vibration for the removal of road surface ice, the vibration is produced by the eccentric block vib

8、ration mechanism. Through macroscopic analysis of the mechanical structure, completed the power selection, and the design of vibrating roller, frame, blade, belt transmission and shaft parts, finally accomplished the deicing machine design, and draw the parts and assembly drawings by using AutoCAD s

9、oftware. At the end of the article were summarized of the design, proposed the existing problems and shortcomings, as well as improvements. Key words: road surface ice; de-icing machine; mechanical vibration; eccentric block 目 錄 摘要 Abstract 1 緒論 ………………………………………………………………………………………… 1 1.1選題背景…

10、…………………………………………………………………………………1 1.2除冰機相關(guān)技術(shù)及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀………………………………………………………1 1.2.1振動滾筒部件…………………………………………………………………………… 1 1.2.2振動滾筒部件…………………………………………………………………………… 1 1.2.3振動滾筒部件…………………………………………………………………………… 2 1.3本設(shè)計的目的、意義和主要內(nèi)容 ……………………………………………………… 3 2 結(jié)構(gòu)設(shè)計 ………………………………………………………………………………… 4 2.1支撐部分

11、…………………………………………………………………………………… 4 2.2動力部分…………………………………………………………………………………… 4 2.3傳動部分…………………………………………………………………………………… 4 2.4執(zhí)行部分…………………………………………………………………………………… 4 2.4.1振動滾筒部件…………………………………………………………………………… 4 2.4.2鏟刀部件………………………………………………………………………………… 4 3 零部件設(shè)計與校核…………………………………………………………………………6 3.1振動滾

12、筒部件……………………………………………………………………………… 6 3.1.1滾筒及凸臺……………………………………………………………………………… 6 3.1.2偏心端蓋………………………………………………………………………………… 6 3.1.3滾筒動臂………………………………………………………………………………… 9 3.2機架部件…………………………………………………………………………………… 9 3.2.1動機架…………………………………………………………………………………… 9 3.2.2定機架…………………………………………………………………………………… 9

13、3.3動力選擇 ………………………………………………………………………………… 10 3.4鏟刀部件 ………………………………………………………………………………… 12 3.4.1鏟刀軸 ………………………………………………………………………………… 12 3.4.2鏟刀座 ………………………………………………………………………………… 12 3.4.3鏟刀片 ………………………………………………………………………………… 12 3.5帶傳動及其零部件 ……………………………………………………………………… 13 3.5.1帶傳動設(shè)計 …………………………………………………………

14、………………… 13 3.5.2帶輪設(shè)計 ……………………………………………………………………………… 17 3.6軸系零部件 ……………………………………………………………………………… 17 3.6.1傳動軸設(shè)計及初選軸系標準件 ……………………………………………………… 17 3.6.2軸的強度校核 ………………………………………………………………………… 18 3.6.3軸承壽命計算 ………………………………………………………………………… 25 3.6.4鍵連接的強度校核 …………………………………………………………………… 26 4 總結(jié)………………………………………

15、…………………………………………………29 參考文獻 致謝 小型手推式道路除冰機的設(shè)計 1 緒論 1.1 選題背景 我國幅員遼闊，氣候類型復雜多變。到了冬季，70%以上的國土都會有不同程度的降雪，特別是東北、西北大部分地區(qū)，一年中冬季就有3~5個月之長，個別地區(qū)甚至會更長。 到了冬季，相伴而來的便是低溫和降雪，尤其是在大雪和雨夾雪的惡劣天氣下，路面將會被大面積的積雪覆蓋。路面上的積雪如果不能及時清除，經(jīng)過行人的踩踏和車輛的碾壓以及晝夜溫度變化引起的融化再凝固過程，極易形成路面積冰。在這種路面上，不僅行人容易摔

16、倒受傷，而且車輛行駛、制動困難，容易引發(fā)交通事故。例如2008年1月，我國南方許多省份發(fā)生了50年一遇的冰雪災(zāi)害，許多公路上凍結(jié)了一層幾厘米至十數(shù)厘米厚的密實冰層，造成大面積、長時間的斷水斷電，公路交通中斷、鐵路停運、機場關(guān)閉，大量返鄉(xiāng)人口長時間滯留，嚴重影響了人們的日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，給國家造成了巨大損失。[1] 對于路面積冰這種問題，國內(nèi)許多機械企業(yè)相繼研發(fā)了除冰設(shè)備，但這些設(shè)備大部分是為了滿足高速公路、機場等國家大型路政設(shè)施的清除冰雪工作，其工作效率高、外形大、價格高，但是并不能適用于一些小型街道和小區(qū)庭院。而現(xiàn)今在我國，能夠清除這些小型環(huán)境下路面積冰的民用設(shè)備的研發(fā)課題幾乎是空白。

17、 因此，針對小區(qū)街道等環(huán)境下路面的特點，研制具有小巧輕便、操作簡單、適用于用于這種小型環(huán)境下使用的清除路面積冰的設(shè)備具有廣闊的發(fā)展前景。 1.2 除冰相關(guān)技術(shù)及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 從世界范圍來看，現(xiàn)今正在使用的清除道路積冰的方法主要有：化學清除法、人工清除法和機械清除法等。 1.2.1 化學清除法 化學清除法是通過在路面上撒化學融雪劑來降低冰雪融點，使冰雪融化進而清除路面冰雪的方法（如圖1-1）。該方法是國際上較常用的一種路面除冰雪的手段。使用最多的融雪劑是工業(yè)食鹽氯化鈉。[2] 但融雪劑會污染水源，對道路兩旁的綠化帶、農(nóng)田帶來很大危害，且會腐蝕道路橋梁等路政設(shè)施。所以

18、，化學清除法在應(yīng)用上還是受到了一定限制。 1.2.2 人工清除法 人工清除法主要是通過人利用簡單的勞動工具（如：鐵鍬等）來完成清除道路冰雪的方法（如圖1-2）。人工清除法是較早期的清除方法，通過人工清除路面上的冰雪非常徹底。但是，這種作業(yè)方法要花費的時間較長，勞動強度非常大，工作效率很低，并且需要相關(guān)部門動用大量的人力資源與物質(zhì)資源。目前，人工除冰法僅適用于清除小范圍和難點路段上的冰雪。 圖1-1 化學清除法 圖1-2 人工清除法 1.2.3 機械清除法 機械清除法是通過機械直接作用于路面冰雪，雖然

19、除凈率低，但是對環(huán)境及植被無污染，應(yīng)用范圍比較廣?，F(xiàn)有除冰設(shè)備大部分是利用機械清除法。 （1） 國外道路除冰機械的現(xiàn)狀[3~5] 國外使用除冰車已有數(shù)十年的歷史，這些年的成功經(jīng)驗是值得我們學習與借鑒的。特別在一些發(fā)達國家，除冰雪設(shè)備早已進入自動化、專業(yè)化時代。 （a）除雪卡車 （b）除雪裝載機 （c）除雪平地機 （d）防凍劑撒布車 圖1-3 日本道路清除冰雪機械 機械清除法目前是國外主要使用的清除方法，清除冰雪機

20、械主要使用行走主機的地盤進行擴展，主要利用的是非公路汽車、工程機械和農(nóng)業(yè)機械等車輛的地盤。 以非公路汽車的地盤作為擴展的初學機械，國外主要生產(chǎn)廠家有德國的DAIMLER-BENZ（奔馳）公司和VOLKSWAGEN（大眾）公司、瑞士的MARCEL BOSCHUNG（波士雄）公司、英國的SCHMIDT（斯密德）公司等，具有代表的機型有Unimog、Multicar、Pony和SK150等。 使用農(nóng)用和工程車輛作為主機擴展的冰雪清除機械的主要生產(chǎn)廠家有瑞士STEYR（斯太爾）公司和美國S&S公司與美國BOBCAT（山貓）公司。該類機械設(shè)備多選用中小型內(nèi)燃機，功率一般在20~120kW。 日本冰

21、雪清除機械的技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位，專門生產(chǎn)清雪車的廠家就有23家之多。產(chǎn)品有除雪卡車、除雪裝載機、除雪平地機、防凍劑撒布車等等，如圖1-3。 （2）國內(nèi)道路除冰機械的現(xiàn)狀[6~7] 我國通過近幾年的技術(shù)引進，在除冰機械方面取得了迅速發(fā)展。現(xiàn)有的除冰機械按其工作原理可分為以下幾種類型： 振動式：主機液壓系統(tǒng)驅(qū)動振動馬達，帶動偏心塊的旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，使得振動輪沿圓周徑向運動。對路面冰層來說，既有上、下方向的振動作用力，又有水平方向的揉搓作用力，使得振動輪表面的凸塊切入并擠壓冰層，致使冰層斷裂破碎與地面剝離，達到除冰的目的。例如徐工集團徐州裝載機廠生產(chǎn)的公路養(yǎng)護用滾輪式振動除冰設(shè)備。

22、 靜碾壓裂式：通過懸掛于裝載機前端滾壓輪上的組合刀片將冰層壓碎。主要產(chǎn)品有：哈爾濱清朗除雪保潔設(shè)備廠生產(chǎn)的“雪狼一號”、吉林工業(yè)大學等單位聯(lián)合開發(fā)的CB型碾壓式處冰雪裝置。 柔性鏈條打擊式：采用特制鏈條，前端安裝吊環(huán)，在主機的驅(qū)動下，鏈條作高速旋轉(zhuǎn)，對路面進行柔性抽打，從而獲得破冰效果。 鏟剁式：由多刀刃組成的工作鏟在曲軸的帶動下上下運動，對路面冰層進行剁擊，該機構(gòu)采用柔性連接，實現(xiàn)了對路面高低不平的自動補償。如遼寧省農(nóng)業(yè)機械化研究所開發(fā)的CBX-1800型除冰雪機。 我國的除冰雪機械雖然有了很大的發(fā)展，但總體水平與發(fā)達國家相比還有一定差距，外形大、功能單一、品種類型不全、可靠性低、壽命

23、短是國內(nèi)除冰機械存在的主要問題。 1.3 本設(shè)計的目的、意義和主要內(nèi)容 縱觀除雪破冰機械的發(fā)展現(xiàn)狀，國內(nèi)現(xiàn)有設(shè)備絕大部分價格都比較高，且功能單一，重量和外形都很大，這些設(shè)備大部分是為了滿足高速公路、機場等國家大型路政設(shè)施的清除冰雪工作，而能夠清除街道、小區(qū)、庭院等較小范圍內(nèi)路面積冰的民用除冰機械的研發(fā)課題幾乎是空白。 因此，針對小區(qū)街道等環(huán)境下路面的特點，研制具有小巧輕便、操作簡單、適用于用于民用小范圍環(huán)境下使用的清除路面積冰的設(shè)備具有廣闊的發(fā)展前景。而本設(shè)計正是為了解決這樣一個問題。 本設(shè)計總體方案：破冰采用振動滾筒來實現(xiàn)，采用偏心塊式振動機構(gòu)，然后使用鏟刀鏟除。擬定最大除冰寬度為5

24、00mm，最大除冰厚度為40mm，并假設(shè)為平整路面。除冰機的行進由人力推動。破冰除冰裝置可以升降以使機器在不工作時移動靈活。 本設(shè)計將完成以下四方面的內(nèi)容： （1）支撐部分，即支撐機架的設(shè)計； （2）動力部分，汽油內(nèi)燃機的選用； （3）傳動部分，帶傳動的設(shè)計，軸系零部件的設(shè)計校核； （4）執(zhí)行部分，包括振動滾筒部件和鏟刀部件的設(shè)計。 2 結(jié)構(gòu)設(shè)計 本設(shè)計將要完成除冰機的整機設(shè)計工作，并利用AutoCAD軟件完成零件圖和整機裝配圖的繪制。 機器整體結(jié)構(gòu)如圖2-1： 圖2-1 整機結(jié)構(gòu)圖 設(shè)計工作主要包括四個部分：支撐部分、動力部分、傳動部分和執(zhí)行部分，下面將對分

25、析各個部分的主要功用，并且進行初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 2.1 支撐部分 支撐機架是除冰機的基礎(chǔ)部件，承受機器工作過程中主要的動靜載荷和沖擊振動，支持其他零部件并保證其相對位置。在除冰機的設(shè)計中，其執(zhí)行部分主要有滾筒部件和鏟刀部件，機架的作用是支撐并固定以上兩部件，使其能夠正常工作。 因為滾筒部件和鏟刀部件以及汽油機安裝在機架上，為了實現(xiàn)機器執(zhí)行部分的上下移動，并考慮到非工作狀態(tài)時機器移動的靈活性，在除冰機的機架設(shè)計中，將機架部件分為兩大部分，即定機架和動機架。機器的動力和執(zhí)行部分均安裝在動機架上，而供機器移動前行的腳輪安裝在定機架上，兩機架間用連桿和滑道連接支撐，也憑借連桿實現(xiàn)動機架的升降，亦

26、即執(zhí)行機構(gòu)的升降。 2.2動力部分 因為除冰機是移動機械，考慮到室外能量供應(yīng)的條件限制，將把動力選擇為汽油內(nèi)燃機，具體計算過程見零件設(shè)計有關(guān)內(nèi)容。 2.3傳動部分 根據(jù)除冰機的機架結(jié)構(gòu)，滾筒軸、中間軸和鏟刀軸的空間分布情況，將傳動均選為V帶傳動。具體設(shè)計過程見零件設(shè)計有關(guān)內(nèi)容。[8] 2.4執(zhí)行部分 2.4.1振動滾筒部件 振動滾筒部件為清除路面冰層的主要部件，也為本設(shè)計中的重要部分。滾筒部件主要包括振動滾筒、偏心端蓋、滾筒軸和滾筒動臂。[9~10] 滾筒部件的工作原理是：汽油機通過帶傳動將運動和動力先后傳遞到滾筒軸、偏心端蓋和滾筒，通過偏心端蓋的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生振動離心力，離心力通過

27、螺栓傳遞到滾筒上，這樣實現(xiàn)對路面冰層的沖擊碾壓，使冰塊從路面上剝離。滾筒動臂連接機架和滾筒，和機架配合實現(xiàn)振動的止動功能以免損傷路面。 滾筒部件的詳細設(shè)計計算見零件設(shè)計中有關(guān)內(nèi)容。 2.4.2 鏟刀部件 鏟刀部件的設(shè)計在除冰機的設(shè)計中是一個特殊部分。經(jīng)過設(shè)計計算，理想狀態(tài)下，振動滾筒可將最大厚度為40mm的路面積冰層完全振碎并使其剝離地面，但實際狀況并不如此，因此另設(shè)計此鏟刀部件。 在實際條件下，鏟刀部件的功用應(yīng)該是鏟除滾筒沒有從路面上剝離的冰塊，但局限于畢業(yè)設(shè)計的時間和條件并考慮到畢業(yè)設(shè)計的性質(zhì)，只得將設(shè)計條件取為“在理想狀況下”，意即除冰滾筒可以完全將冰層振碎并從路面剝離，而鏟刀作

28、為除冰執(zhí)行機構(gòu)的額外補充部件。 在這種理想條件下，鏟刀的主要功能為鏟除振動滾筒從路面上振碎剝離的冰塊，這種功能類似于排冰鏟，將碎冰排到一側(cè)。所以本設(shè)計中此鏟刀部件不承受載荷，而且鏟刀部件的傳動只傳遞運動，并不傳遞扭矩。由于此部件的特殊性，故在進行零件設(shè)計時將只進行外形尺寸的設(shè)計，尺寸稍取盈余以滿足實際需求，并不對零件進行強度校核。茲著重說明。 3 零部件設(shè)計與校核 3.1 振動滾筒部件 3.1.1 滾筒及凸臺 滾筒的功能是將路面上的冰層刮去。為了防止?jié)L筒上的凸臺除冰時損傷路面，將除冰滾筒裝在除冰機的動臂上，并在機架

29、上設(shè)計有止動結(jié)構(gòu)，這樣從結(jié)構(gòu)上保證除冰滾筒僅僅是被除冰機的動臂托著貼近實際路面，并不直接壓在路面上。 由于除冰滾筒要安在除冰機的動臂上，按照此處的安裝空間，將除冰滾筒的外形尺寸定為：寬度mm，直徑mm。 設(shè)計除冰機的目的，不僅是將路面上的積冰壓碎，而是將其破碎并從路面上剝離。因此，僅是一個圓滾筒是不可能實現(xiàn)的。為了提高除冰滾筒對路面冰層的破碎和剝離能力，在滾筒圓周方向交錯安裝除冰凸臺。 根據(jù)文獻[1]和文獻[11]，設(shè)計出凸臺形狀，如圖3-1a所示。考慮到凸臺的工作環(huán)境以及凸臺應(yīng)有良好的耐沖擊性、耐磨性和韌性等要求，材料選為中碳鋼整體鑄造而成。 為了提高除冰效果，將凸臺排與排沿滾筒圓周

30、交錯布置，沿圓周分布24行。滾筒的整體外形如圖3-1b。 （a）凸臺斷面圖 （b）滾筒外形圖 圖3-1 除冰滾筒 3.1.2 偏心端蓋的設(shè)計 偏心塊是實現(xiàn)滾筒振動的最主要部件，振動除冰機清除路面積冰就是依靠偏心塊的旋轉(zhuǎn)運動所產(chǎn)生的離心力協(xié)同滾筒上面的刀具共同作用于路面冰層實現(xiàn)的，考慮到本設(shè)計要求零件尺寸較小，故而把偏心塊整合到滾筒端蓋上，本節(jié)進行偏心端蓋的設(shè)計計算。 圖3-2所示為三種常見偏心塊的結(jié)構(gòu)圖。 半圓偏心塊的面積和偏心距的計算，依據(jù)文獻[12~13]，偏心塊的截面面積的計算 （a）

31、多半圓偏心塊 （b）少半圓偏心塊 （c）整半圓偏心塊 圖3-2 偏心塊的結(jié)構(gòu)形式 式為： …………………………(3.1) 偏心距的計算式為： ………………………………………(3.2) 式中： ——偏心塊大圓弧長，； ——偏心塊小圓弧長，； ——大圓弧半中心角，； ——小圓弧半中心角，。 偏心塊截面面積的計算式(3.1)中，第二項及、計算式中的正負號，正號用于多半圓偏心塊（見圖3-2a）計算，負號用于少半圓偏心塊（見圖3-2b）計算。當時，則為整半圓偏心塊（見圖3-2c），此時，。 考慮到

32、a、b、c三種方案的振動效果、強度和制造工藝以及與端蓋的融合，最后決定偏心塊結(jié)構(gòu)的最終方案為圖3-2c的形式。 將，代入式(3.1)和(3.2)，得： …………………………………(3.3) …………………………………(3.4) 偏心塊的質(zhì)量和激振力（離心力）為： …………………………………………(3.5) ………………………………(3.6) 式中： ——偏心塊的材料密度，kg/m3； ——偏心塊的厚度，m； ——偏心塊的靜偏心距，N/m； ——偏心塊的角速度，rad/s。 而滾筒的

33、起振力為： ………………………………………(3.7) 式中： ——滾筒和端蓋的重力，N，其中是 滾筒和偏心端蓋的總質(zhì)量，經(jīng)Pro/ENGINEER軟件計算得出。 ——克服減震器所需要的力。 依據(jù)實驗數(shù)據(jù)，并考慮到滾筒自身重量和滾筒內(nèi)部尺寸，必須使偏心塊的激振力滿足滾筒所需要的起振力N。經(jīng)過對偏心塊各部分結(jié)構(gòu)尺寸的調(diào)整，并根據(jù)花鍵的規(guī)格，初步確定偏心塊的結(jié)構(gòu)尺寸為：mm，mm，mm，厚度mm，材料為鑄鋼45調(diào)制處理。 把偏心塊與端蓋融合，共同設(shè)計出偏心端蓋，如圖3-3，圖中凸起部分即偏心塊，符合以

34、上尺寸。 將以上各參數(shù)帶入式(3.3)~式(3.6)中，經(jīng)過計算可得偏心塊的面積mm2，偏心距mm，質(zhì)量kg，離心力N。 在除冰機工作過程中，當偏心塊的轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速600r/min時，兩個偏心塊對滾筒共同作用的離心力N，其值大于滾筒的起振力，故滿足起振需求。 圖3.1-3 偏心端蓋 3.1.3 滾筒動臂 滾筒動臂把滾筒和機架連接到一起，支撐緊固滾筒軸以滿足滾筒的工作要求，承受滾筒的振動力，并和機架配合實現(xiàn)滾筒振動的止動以免振動力損傷路面。考慮帶傳動的中心距和安裝要求，經(jīng)過幾何計算，設(shè)計滾筒動臂如圖3-4。 圖3-4 滾筒動臂（分開） 3.2 機架部件

35、 機架是除冰機的基礎(chǔ)部件，承受機器工作過程中主要的動靜載荷和沖擊振動，支持其他零部件并保證其相對位置。在除冰機的設(shè)計中，其執(zhí)行部分主要有滾筒部件和鏟刀部件，機架的作用是支撐并固定以上兩部件，使其能夠正常工作。[14] 因為滾筒部件和鏟刀部件以及汽油機安裝在機架上，為了實現(xiàn)機器執(zhí)行部分的上下移動，并考慮到非工作狀態(tài)時機器移動的靈活性，在除冰機的機架設(shè)計中，將機架部件分為兩大部分，即定機架和動機架。機器的動力和執(zhí)行部分均安裝在動機架上，而供機器移動前行的腳輪安裝在定機架上，兩機架間用連桿和滑道連接支撐以實現(xiàn)動機架的升降，亦即執(zhí)行機構(gòu)的升降。 3.2.1 動機架 動機架的功用是支撐機器的動力部

36、分、傳動部分和執(zhí)行部分，實現(xiàn)機器主要零部件的定位和固定，其材料選用HT200?？紤]到汽油機的安裝、滾筒部件、鏟刀部件的尺寸，以及與定機架之間的連接固定等方面，綜合設(shè)計出動機架的結(jié)構(gòu)，如圖3-5。需要說明的是，為了保證除冰滾筒不致破壞路面，經(jīng)過詳細幾何計算，在動機架上設(shè)計出滾筒動臂的止動滑道，詳見設(shè)計圖紙。 3.2.2 定機架 定機架的功用是支撐除定機架外的整個機器重量，并在其上安裝腳輪以實現(xiàn)機器的移動前行。 定機架采用HT200整體鑄造而成，機架滑道焊接在機架上，腳輪座使用螺栓固定在定機架上。兩機架用連桿連接，在機器工作時，用螺柱加蝶形螺母并環(huán)形緊固件把動機架定位緊固在定機架上。圖3-6

37、所示為機架滑道焊接在定機架上的部件圖，后方滑道上的螺栓孔用于連接機架推桿。 另外，定機架的設(shè)計中還要進行支撐腳輪的選擇： 通過幾何計算，選定前輪為車輪直徑50mm，額定載荷為D級的定向平板型工業(yè)腳輪GB/T 14688-1993 DP13D-5025，后輪為車輪直徑50mm，額定載荷為D級的萬向平板型工業(yè)腳輪GB/T 14688-1993 WP13D-5025。 圖3-5 動機架 圖3-6 定機架 3.3 動力選擇 根據(jù)文獻[1]有關(guān)實驗內(nèi)容知，當?shù)毒邔挾葹?07mm，振動頻率為10Hz，破碎厚度為40mm的冰層所需要的平均振動破冰力為680N。 根據(jù)以上數(shù)據(jù)

38、進行凸臺刀具除冰的受力分析：當除冰滾筒的凸臺刀具單列接觸冰層時，所需的除冰力最小，如圖3-7a所示；當除冰滾筒的凸臺刀具雙列接觸冰層時，所需的除冰力最大，如圖3-7b所示。 這兩種情況需要分開討論計算： （1） 單列刀具接觸冰層時 刀具與冰層的接觸長度為250mm，根據(jù)文獻[1]的實驗數(shù)據(jù)，在理想情況下，此時需要的破冰力為： N （2） 雙列刀具接觸冰層時 刀具與冰層的接觸長度為500mm，此時需要的破冰力為： (a)單列刀具接觸冰層 (b)雙列刀具接觸冰層 圖3-7 凸臺刀具接觸冰層示意圖 N

39、 雙列刀具接觸冰層時所需的破冰力較大，如果滿足這種情況將會需要很大動力但雙列刀具接觸冰層的概率很低，大部分情況下滾筒與冰層是單列刀具接觸，故而僅需滿足單列刀具接觸冰層的情況即可。 在這種情況下，所需破冰力N。又由3.6.2軸的強度校核中有關(guān)計算可知偏心塊的離心力與滾筒、端蓋的重力之和N，因為刀具切線與水平面間夾角。將在水平方向分解分解： N 則需要由動力機提供的力： N 根據(jù)功率計算公式 把各數(shù)據(jù)代入計算： kW 通過在宗申集團網(wǎng)站和華盛中天集團網(wǎng)站上查詢通用汽油機的參數(shù)，把動力確定為160F水平軸汽油機。其主要參數(shù)見圖3-8。 圖3-8 160F

40、汽油機主要參數(shù) 3.4 鏟刀部件 前已在2.4.2中對此部件的特殊性進行了敘述，在此處進行零件設(shè)計時只進行外形尺寸的設(shè)計，尺寸稍取盈余以滿足實際需求，將不對零件進行強度校核。此處再次說明，下文不再重復。 3.4.1 鏟刀軸 本設(shè)計中將鏟刀軸設(shè)計成方軸，以連接鏟刀座、鏟刀片并傳遞旋轉(zhuǎn)運動。鏟刀軸外形如圖3-9所示。 圖3-9 鏟刀軸 3.4.2 鏟刀座 鏟刀座連接緊固鏟刀軸和鏟刀片，傳遞旋轉(zhuǎn)運動。在鏟刀座上開出燕尾槽用來實現(xiàn)鏟刀片的定位，用螺栓緊固。鏟刀座材料選為工程塑料聚甲醛POM，其外形如圖3-10所示。 圖3-10 鏟刀座 3.4.3 鏟刀片 鏟刀片材料選為

41、工程塑料聚甲醛POM，外形如圖3-11所示。 圖3-11 鏟刀片 3.5 帶傳動及其零部件設(shè)計 根據(jù)除冰機的機架結(jié)構(gòu)，滾筒軸、中間軸和鏟刀軸的空間分布情況，傳遞功率較大而零件尺寸有一定限制的實際條件，將傳動均選為V帶傳動，V帶定為窄V帶。 3.5.1帶傳動設(shè)計 3.5.1.1 軸Ⅰ與軸Ⅱ之間帶傳動設(shè)計 已知：軸Ⅰ輸出功率kW，轉(zhuǎn)速r/min，軸Ⅱ轉(zhuǎn)速r/min。[15] （1）確定計算功率和V帶截型 1）由于汽油機為單缸，所以為重載啟動，除冰機載荷變動較大，查表選定工況系數(shù)，故： kW 2）V帶截型。根據(jù)和小帶輪的轉(zhuǎn)速

42、r/min查圖選擇SPZ型。 （2）確定帶輪直徑和 1）選小帶輪直徑。查表選為mm。 2）驗算帶速。 m/s……………………(3.8) 因為5m/s<<30m/s,故帶速合適。 3）確定從動輪直徑。 mm……………………………(3.9) 查表取標準值mm。 4）計算實際傳動比。 =250/80=3.125………………………………(3.10) （3） 確定中心距及V帶基準長度 1）初定中心距。由式： 0.7()≤ ≤2()……………………………(3.11) 得，231≤≤660，取=30

43、0mm。 2）計算V帶基準長度。 ………………………………(3.12) = =1142.2mm 查表取標準值mm 3）計算實際中心距。 ……………………………… (3.13) =300+(1120-1142.2)/2 =290mm 計算得中心距的變化范圍為286~300mm。 （4

44、）驗算包角 ……………………………… (3.14) （5）確定V帶根數(shù)z 1）單根V帶的額定功率。 由mm和r/min，查表得=3.06kW。 2）查表得各功率增量 額定功率增量kW； 包角修正系數(shù)0.91； 帶長修正系數(shù)0.93。 3）確定V帶根數(shù)z ……………………………………(3.15)

45、 取z=2根。 （6） 計算單根V帶的初拉力 由表查得SPZ型帶的單位長度質(zhì)量kg/m，所以 ……………………………………(3.16) N 應(yīng)使帶的實際初拉力 （7） 計算壓軸力 壓軸力的最小值為 N……………(3.17) 3.5.1.2 軸Ⅱ與軸Ⅲ之間帶傳動設(shè)計 已知：軸Ⅱ輸出功率kW，轉(zhuǎn)速r/min，軸Ⅲ轉(zhuǎn)速r/min。 （1）確定計算功率和V帶截型 1）由

46、于汽油機為單缸，所以為重載啟動，除冰機載荷變動較大，查表選定工況系數(shù)，故： kW 2）V帶截型。根據(jù)和小帶輪的轉(zhuǎn)速r/min查圖選擇SPZ型。 （2）確定帶輪直徑和 1）選小帶輪直徑。查表選為mm。 2）驗算帶速。將各參數(shù)代入式(3.8)得m/s，因為5m/s<<30m/s,故帶速合適。 3）確定從動輪直徑。由式(3.9)得mm，恰為標準值。 4）計算實際傳動比。由式(3.10)得。 （3） 確定中心距及V帶基準長度 1）初定中心距。由式(3.11)得： 189≤ ≤540 取=400mm

47、。 2）計算V帶基準長度。由式(3.12)得mm，查表取標準值mm。 3）計算實際中心距。由式(3.13)得mm，并由計算得中心距的變化范圍為408~428mm。 （4）驗算包角 由式(3.14)得，包角滿足要求。 （5）確定V帶根數(shù)z 1）單根V帶的額定功率。 由mm和r/min，查表得=1.90kW。 2）查表得各功率增量。 額定功率增量kW； 包角修正系數(shù)0.98； 帶長修正系數(shù)0.93。 3）確定V帶根數(shù)z。由式(3.15)得，，

48、取 根。 （6） 計算單根V帶的初拉力 由前述已知kg/m，所以由式(3.16)得N，應(yīng)使帶的實際初拉力。 （7） 計算壓軸力 壓軸力的最小值由式(3.17)得N。 3.5.1.3 軸Ⅰ與軸Ⅳ之間帶傳動設(shè)計 由2.4.2鏟刀部件結(jié)構(gòu)設(shè)計中有關(guān)說明，此傳動在理想條件下只傳遞運動，不傳遞動力，故僅對帶傳動作部分計算。 已知：軸Ⅰ轉(zhuǎn)速r/min，軸Ⅳ轉(zhuǎn)速r/min。 （1）確定V帶截型。查圖選擇SPZ型。 （2）確定帶輪直徑 因為mm，且經(jīng)過驗算，帶速滿足要求，以此確定從動輪直徑，由式(3.9)得mm，恰好為標準

49、值。 （3） 確定中心距及V帶基準長度 1）初定中心距。由式(3.11)：知168≤≤480，結(jié)合幾何計算，取=330mm。 2）計算V帶基準長度。由式(3.12)得，，查表取標準值mm。 3）計算實際中心距。由式(3.13)得，計算得中心距的變化范圍為305~320mm。 （4）驗算包角。由式(3.14)得，滿足設(shè)計要求。 （5）確定V帶根數(shù)z。確定根數(shù)根。 3.5.2帶輪設(shè)計 通過查表計算，將帶輪定為實心式，帶輪定為四孔板式，帶輪定為實心式，帶輪定為腹板式，帶輪定為腹板式。 3.6 軸系零部件 3.6.1 傳動軸設(shè)計及初選

50、軸系標準件 （1）計算各軸的傳遞功率[16~17] 查表得V帶傳動效率：0.95~0.96；滾動軸承傳動效率η2：0.98~0.99。 軸Ⅱ（中間軸）：kW 軸Ⅲ（滾筒軸）：kW （2）傳動軸直徑估算 軸的材料均采用45鋼調(diào)質(zhì)處理，由初估軸頸公式： ……………………………………………(3.18) 其中，根據(jù)軸的材料查表取，為各軸的輸入功率，為各軸的相應(yīng)計算轉(zhuǎn)速。軸上有一鍵槽時，值相應(yīng)增大5%；花鍵軸可將估算值的值減少7%作為花鍵軸小徑。 由已知數(shù)據(jù)，代入式(3.18)可得： 軸Ⅱ： mm 由于所求應(yīng)該為受扭部分的最細處

51、，即裝帶輪處的軸徑，該處各有一個鍵槽，故軸徑應(yīng)該增大10%。即mm，參考滾動軸承和密封氈圈的規(guī)格標準，把最小軸頸取為mm，選用深溝球軸承6206，圓頭平鍵規(guī)格6mm6mm28mm和6mm6mm18mm，氈圈內(nèi)徑選為25。[18] 軸Ⅲ： mm 考慮到此軸需要承受振動力，且有花鍵聯(lián)接，故將軸頸增大，參考花鍵和滾動軸承的規(guī)格標準，將最小軸頸即聯(lián)接V帶輪處軸頸定為mm，選用圓柱滾子軸承NUP207E，圓頭平鍵規(guī)格8mm7mm28mm，花鍵選為中系列836mm42mm7mm，氈圈內(nèi)徑選為30。 （3）傳動軸結(jié)構(gòu)設(shè)計。詳見圖紙。 3.6.2 軸的強度校核 （1）軸Ⅱ的校核

52、汽油機輸出軸（軸Ⅰ）與軸Ⅱ之間帶輪傳動對軸Ⅱ的壓軸力和滾筒軸（軸Ⅲ）與軸Ⅱ之間帶輪傳動對軸Ⅱ的壓軸力在側(cè)面上的分布如圖3-12： 圖3-12 軸Ⅱ帶輪傳動壓軸力分布 1）扭矩及壓軸力的計算 傳遞的扭矩 N?mm 壓軸力N，將其正交分解得： N N 壓軸力N，將其正交分解得： N N 2）計算其上支反力 作出空間受力簡圖，如圖3-13a。軸所受的載荷是從軸上零件傳來的，計算時，將軸上的分布載荷簡化為集中力，作用點取為載荷分布段的中點。 水平面內(nèi)： 且，即： 解得N，N，方向

53、如圖3-13a； 垂直面內(nèi)： 且，即： 解得N，N，方向如圖3-13a。 3）作出彎矩圖 根據(jù)空間受力簡圖，分別按垂直面和水平面計算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計算結(jié)果分別作出垂直面上的彎矩圖（圖3-13b）和水平面上的彎矩圖（圖3-13c）；然后按式(3.19)計算總彎矩并作出合成彎矩圖（圖3-13d）。 ……………………………………(3.19) 4）作出扭矩圖 上文已計算出扭矩： N?mmN?m 扭矩圖如圖3-13e所示。 5）校核軸的強度 根據(jù)當量彎矩公式： ……………………………………(3.20) 圖3-13 軸Ⅱ的載荷分析

54、圖 因為軸單向回轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，取。由計算作出當量彎矩圖（如圖3-13f）。 由當量彎矩圖可以看出，最大危險處為B點處，其當量彎矩： 121N?m B點處聯(lián)接滾動軸承，其抗彎截面系數(shù)： …………………………………………(3.21) 彎曲應(yīng)力： MPa 前已選定軸的材料為45號鋼，調(diào)制處理，查表得，，因此，故軸的強度足夠。 （2）軸Ⅲ的校核 在除冰機工作過程中，滾筒部件旋轉(zhuǎn)施加在軸Ⅲ的力是循環(huán)變化的，滾筒旋轉(zhuǎn)對軸的作用力是由兩部分組成的。其一是偏心端蓋旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力，另一個為滾筒及偏心端蓋的重力，因為滾筒和端蓋質(zhì)量較

55、大，且除冰機工作很大程度上依靠滾筒及端蓋的重力，所以校核軸的強度時，此二者的重力要計算在內(nèi)。偏心端蓋在旋轉(zhuǎn)過程中施加在軸Ⅲ上的力如圖3-14所示。當偏心端蓋旋轉(zhuǎn)到軸的正下方，即在圖中P點時，軸受到的力最大，為滾筒和端蓋的重力和兩個偏心端蓋旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力之和。所以校核軸Ⅲ強度時要使其滿足圖3-14所示情況下的受力情況。 圖3-14 軸Ⅲ的受力圖 1）扭矩及力的計算 傳遞的扭矩： N?mm 壓軸力計算： 由3.5.1帶傳動設(shè)計可知，N，由圖3-12將其正交分解得： N N 滾筒和偏心端蓋重力計算： 由Pro/ENGINEER

56、軟件計算知，滾筒質(zhì)量kg，偏心端蓋質(zhì)量kg，則軸Ⅲ上每個花鍵出所受的重力為： N 偏心端蓋旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力： 由3.1.2偏心端蓋的設(shè)計計算得離心力N。 2）計算其上支反力 作出空間受力簡圖，如圖3-15a。 垂直面內(nèi)： 且，即： 解得N，N，方向如圖3-15a； 水平面內(nèi)： 且，即： 解得N，N，方向如圖3-15a。 3）作出彎矩圖 根據(jù)空間受力簡圖，分別按垂直面和水平面計算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計算結(jié)果分別

57、作出垂直面上的彎矩圖（圖3-15b）和水平面上的彎矩圖（圖3-15c）；然后按式(3.19)計算總彎矩并作出合成彎矩圖（圖3-15d）。 4）作出扭矩圖 上文已計算出扭矩： N?mmN?m 扭矩從V帶輪傳遞到軸上，再通過兩個花鍵聯(lián)接傳遞到端蓋和滾筒上，此處作近似計算，扭矩通過一個花鍵后減半，在傳遞到第二個花鍵。由此作出扭矩圖如圖3-15e所示。 5）校核軸的強度 根據(jù)式(3.20)，因為軸單向回轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，取。由計算作出當量彎矩圖（如圖3-15f）。 由當量彎矩圖可以看出，最大危險處為B點處和C點處。 對于B點截面： B點處聯(lián)接滾動軸承，為整圓截面

58、，其抗彎截面系數(shù)根據(jù)式(3.21)計算。而當量彎矩根據(jù)式(3.20)： N?m 彎曲應(yīng)力： MPa 軸的材料為45號鋼，調(diào)制處理，查表得，因此，故軸在B點處的強度足夠。 對于C點截面： C點處為花鍵聯(lián)接，花鍵規(guī)格為，取花鍵的平均直徑代入式(3.21)計算其抗彎截面系數(shù)。 ………………………………………(3.22) 式中：——花鍵小徑 ——花鍵大徑 當量彎矩根據(jù)式(3.20)： N?m 則彎曲應(yīng)力： MPa 軸的材料為45號鋼調(diào)制處理，，因此，故軸在C點處的強度足夠。 經(jīng)過計算校核，軸Ⅲ上危險截面B處和C處強度均滿足要求，則其他截

59、面無需校核，可知軸Ⅲ強度滿足設(shè)計需求。 圖3-15 軸Ⅲ的載荷分析圖 3.6.3 軸承壽命計算 查表知，除冰機屬于間斷使用的設(shè)備，且中斷使用不致引起嚴重后果，此種設(shè)備的軸承推薦使用壽命為3000~8000h。故軸承壽命校核需滿足該數(shù)據(jù)。 軸承壽命校核根據(jù)公式： …………………………………(3.23) 式中：——軸承基本額定壽命，h； ——溫度系數(shù)； ——軸承的基本額定動載荷，N； ——軸承當量動載荷，N； ——指數(shù)，對于球軸承，，對于滾子軸承，。 （1） 軸Ⅱ軸承校核 軸Ⅱ轉(zhuǎn)速r/min，軸承選用

60、深溝球軸承6206，對其進行校核： 軸承的受力由圖3-13a知N，N，N，N。 則B點處軸承徑向載荷： N C點處軸承徑向載荷： N 因為軸承不承受軸向載荷，則軸承當量動載荷的計算根據(jù)公式： …………………………………………(3.24) 式中：——載荷系數(shù)； ——徑向動荷載 因為,故按B點處軸承計算軸承壽命，雖然除冰機會有一定沖擊力，但軸Ⅱ上的軸承并不承受沖擊力，故查表取，則根據(jù)式(3.24)： N 由于工作溫度低于120，查表得；差表得深溝球軸承6206的徑向額定動荷載C=19500N。 由以上數(shù)據(jù)代入式(3.23)可求得：

61、 hh 所以軸Ⅱ上軸承6206壽命滿足使用要求。 （2）軸Ⅲ軸承校核 軸Ⅲ轉(zhuǎn)速r/min，軸承選用圓柱滾子軸承NUP207E，對其進行校核： 軸承的受力由3-15a知N，N，N，N。 則B點處軸承徑向載荷： N E點處軸承徑向載荷： N 因為，故按B點處軸承計算軸承壽命。軸Ⅲ上的軸承承受除冰沖擊力，查表取，則根據(jù)式(3.24)： N 由于工作溫度低于120，查表得；差表得圓柱滾子軸承NUP207E的徑向額定動荷載N。 由以上數(shù)據(jù)代入式(3.23)可求得： hh 所以軸Ⅲ上軸承NUP207E壽命滿足使用要求。 3.6.4鍵連接的強度校

62、核 軸Ⅲ上的花鍵規(guī)格選為中系列836mm42mm7mm，工作長度為50mm； 平鍵均選為圓頭普通平鍵（A型鍵），如表3-1： （1）平鍵連接強度計算 假定載荷在鍵的工作面上均勻分布，普通平鍵連接的強度條件為： ……………………………………(3.25) 式中：——傳遞的轉(zhuǎn)矩，N?mm； ——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，，此處為鍵的高度，mm； ——鍵的工作長度，mm，圓頭平鍵，為鍵的公稱長度，mm；為鍵的 寬度，mm； ——軸的直徑，mm； ——鍵、軸、轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，MPa。 表3-1

63、平鍵的選擇 鍵的位置 型號尺寸b(mm)h(mm)L(mm) V帶輪 6636 V帶輪 6618 V帶輪 6628 V帶輪 8728 V帶輪 6618 1）V帶輪處平鍵6636： 傳遞的轉(zhuǎn)矩N?mm，又有mm，mm，mm，因為V帶輪材料為鑄鐵，查表得MPa，代入式(3.25)有： 由此可知此處鍵連接強度符合要求。 2）V帶輪處平鍵6618： 此鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩由3.6.2軸的強度校核中有關(guān)計算知N?mm，又有mm，mm，mm，因為V帶輪材料為鑄鋼，查表得MPa，代入式(3.25)有： 由此可知此處鍵連接強度符合要求。 3）V帶輪處平鍵8

64、728： 此鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩同V帶輪處平鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩，N?mm，又有mm，mm，mm，因為V帶輪材料為鑄鐵，查表得MPa，代入式(3.25)有： 由此可知此處鍵連接強度符合要求。 4）V帶輪處平鍵8728： 此鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩由3.6.2軸的校核中有關(guān)計算知N?mm，又有mm，mm，mm，因為V帶輪材料為鑄鋼，且此處有沖擊，查表得MPa，代入式(3.25)有： 可知此處鍵連接強度符合要求。 （2）花鍵連接強度計算 花鍵連接的強度條件為： …………………………………(3.26) 式中：——載荷分配不均系數(shù)，與齒數(shù)多少有關(guān)，一般取； ——花鍵的齒數(shù)；

65、——齒的工作長度，mm； ——花鍵齒側(cè)面的工作高度，矩形花鍵，此處為外花鍵的大徑， 為內(nèi)花鍵的小徑，為倒角尺寸，單位均為mm； ——花鍵的平均直徑，矩形花鍵，mm； ——花鍵連接的許用擠壓應(yīng)力，MPa。 花鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩同V帶輪處平鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩，N?mm；又有，mm，mm，mm，并??；花鍵材料為鋼，且經(jīng)表面熱處理，但因為設(shè)備受沖擊力，故使用情況選為“不良”，查表得MPa，代入式(3.26)有： 由此可知花鍵連接強度符合要求。 以上內(nèi)容完成了振動滾筒部件、機架部件、鏟刀部件、帶傳動及其零部件的設(shè)計，軸系零部件的設(shè)計和校

66、核以及動力機的選擇。同時已借助AutoCAD軟件完成了零件圖和裝配圖的繪制，各零件的結(jié)構(gòu)和尺寸詳見圖紙。[19~20] 4 總結(jié) 本文對小型手推式道路除冰機進行了設(shè)計和校核，所做設(shè)計工作及相關(guān)結(jié)論如下： （1） 完成了除冰執(zhí)行部分的設(shè)計。執(zhí)行部分為本設(shè)計中的主要部分，包括振動滾筒部件和鏟刀部件。在設(shè)計偏心塊振動機構(gòu)時，將偏心塊和滾筒端蓋整合到一起，直接進行了偏心端蓋的設(shè)計，節(jié)省了空間和工作量，減小了機器尺寸。鏟刀部件為執(zhí)行機構(gòu)的額外補充部件，本設(shè)計中將整體的鏟刀分開，分別設(shè)計出鏟刀軸、鏟刀座和鏟刀片，并將后兩者的材料選為工程塑料，改善了結(jié)構(gòu)特性，減小了整機質(zhì)量。 （2） 完成了支撐部分的設(shè)計。將機架分為動機架和定機架，定機架負責支撐和移動，動機架負責連接和緊固其他部件。動機架可以上下升降以使機器在非工作狀態(tài)下移動靈活。 （3） 完成了動力的計算選擇。分別說明并計算了滾筒凸臺刀具接觸冰層的兩種情況，結(jié)合振動離心力計算出所需扭矩和功率，考慮到鏟刀部件，對此功率