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哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計
摘 要
本設(shè)計為多功能清雪車，能夠清除浮雪、厚雪、薄冰、軋實的冰雪，可有效清除0～25cm厚浮雪和0～10cm厚的軋實冰雪，達(dá)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(jī)場等地。
多功能清雪車以中國一汽生產(chǎn)的CA3253P7K2T1AE型卡車為行走系統(tǒng)，以一汽解放汽車有限公司無錫柴油機(jī)廠生產(chǎn)的BF6M1013-28E3/ BF6M1013-26E3發(fā)動機(jī)為作業(yè)系統(tǒng)的驅(qū)動裝置，將除雪機(jī)構(gòu)與其底盤車架連接，并對除雪車的雪鏟、掃雪排、撒布機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，分析了雪鏟的工作阻力，通過對冰雪力學(xué)性質(zhì)、整車性能匹配的研究，提出設(shè)計方案。
本文的主要工作如下：
（1） 調(diào)研分析機(jī)械清雪的重要性能及可行性。結(jié)合國內(nèi)外目前的研究狀況，明確清雪機(jī)械的發(fā)展趨勢，確定研究方向。
（2） 研究積雪的物理機(jī)械性能。
（3） 鏟車型號的選擇及鏟的設(shè)計。確定鏟的參數(shù)，選擇適合型號車。
（4） 整車受力及積雪的運(yùn)動分析。計算清雪車在作業(yè)過程中整車的受力情況，分析各參數(shù)對清雪作業(yè)的影響；通過對雪單元體的研究，分析鏟雪作業(yè)時的積雪運(yùn)動。
（5） 穩(wěn)定性分析。鏟的特殊位置決定了其在作業(yè)過程中突出的穩(wěn)定性問題。鏟對清雪車作業(yè)穩(wěn)定性的影響較大，為保證清雪車安全作業(yè)。
關(guān)鍵詞：除雪鏟；撒布機(jī)構(gòu)；掃雪排；滾雪刷；軌道升降機(jī)構(gòu)
Abstract
This design for the multi-purpose clear sleighs, can eliminate floats the snow, the glazed frost, rolls over the solid snow and ice, but eliminates 0~25cm to float the snow and 0~10cm thick effectively thick rolls over the solid snow and ice, achieved sees the black road surface effect.But widely uses in places such as municipal administration path, highway, common freeway, airport.
This article take a Chinese steam production CA3253P7K2T1AE truck as the undercarriage system, if take a steam liberation automobile limited company Wu xi diesel engine plant production BF6M1013-28E3/ BF6M1013-26E3 engine as the work system drive, will remove snow the organization the chassis frame connection, and will carry on the design parameter design to the snow removal breaker construction, has analyzed the roller compaction gun working resistance, through to the snow and ice mechanical properties, the breaker construction, the entire vehicle performance match research, will propose the improvement program.
Keywords: shovel snow removal And cloth institutions sweep row rolling snow brush rail lifting mechanism
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)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 2
1.2.1 路面除冰技術(shù)的發(fā)展歷程 2
1.2.2 國外路面除冰設(shè)備的研究現(xiàn)狀 4
1.2.3 國內(nèi)路面除冰設(shè)備的研究現(xiàn)狀 5
1.2.4 路面除冰雪技術(shù)的發(fā)展趨勢 7
1.3 本章小結(jié) 8
第2章 路面壓實冰雪物理力學(xué)性質(zhì) 9
2.1 冰雪的成因與分類 9
2.1.1 路面冰雪分類 9
2.1.2 路面壓實冰雪的成因 10
2.1.3 影響因素 10
2.2 路面壓實冰雪力學(xué)性質(zhì) 12
2.2.1 抗壓強(qiáng)度 12
2.2.2 抗切強(qiáng)度 13
2.2.3 相關(guān)系數(shù) 14
2.3 壓實冰雪破壞準(zhǔn)則 15
2.4 本章小結(jié) 18
第3章 清雪車分類及特點 19
3.1 清雪車分類 19
3.1.1 按工作裝置特點分類 19
3.1.2 按整車特點分類 22
3.2 本章小結(jié) 22
第4章 前雪鏟板空間曲面設(shè)計 23
4.1 清雪鏟前鏟設(shè)計 23
4.2 清雪鏟鏟板曲面結(jié)構(gòu)參數(shù)確定 26
4.2.1 推雪鏟設(shè)計 26
4.2.2 獨(dú)立壁障裝置設(shè)計 29
4.3 本章小結(jié) 31
第5章 清雪車部件設(shè)計 32
5.1 滾雪刷設(shè)計 32
5.1.1 臥式滾掃刷刷毛排布形式分類 32
5.1.2 整滾刷安裝位置不同分類 33
5.1.3 按滾刷驅(qū)動分類 34
5.1.4 整滾刷刷毛選擇 35
5.2 掃雪排設(shè)計 36
5.3 撒布機(jī)設(shè)計 37
5.4 油路設(shè)計 38
5.5 本章小結(jié) 39
第6章 整車受力分析 41
6.1 清雪鏟受力分析 41
6.1.1 除雪鏟除雪阻力計算 41
6.1.2 除雪鏟行駛阻力計算 41
6.1.3 除雪阻力、附著力和除雪功率的計算 42
6.2 理論計算 42
6.2.1 牽制除雪鏟功率計算條件 42
6.2.2 除雪阻力計算 44
6.3 形式阻力計算 46
6.4 除雪阻力計算 47
6.5 除雪功率計算 48
6.6 車輛側(cè)向穩(wěn)定性分析 48
6.7 本章小結(jié) 49
結(jié) 論 50
致 謝 51
參考文獻(xiàn) 52
53
第1章 緒論
1.1 研究的目的及意義
城市道路是城市重要基礎(chǔ)設(shè)施，它構(gòu)成城市的骨架，我國北方冬季時間長，降雪量大，不及時清除積雪，將嚴(yán)重影響交通及安全，給生活、生產(chǎn)帶來諸多問題，多功能清雪車的研制，改變環(huán)衛(wèi)工作環(huán)境，減輕其勞動強(qiáng)度，提高其工作的效率和安全性，改善城市冬季交通和衛(wèi)生環(huán)境，保障道路的暢通，減少交通事故，滿足市區(qū)道路通行的需要，有重要的實用價值。
近幾十年來，國外除雪車發(fā)展非常迅速，種類越來越多，各種生產(chǎn)廠商在采用新技術(shù)、新材料、新工藝的同時，不斷提高產(chǎn)品的作業(yè)性能和操作性能，以適應(yīng)冬季除雪提出的更高要求，增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭力。
在國外，最初的清雪機(jī)械是采用推土機(jī)或裝載機(jī)，利用其推土板和裝載斗將積雪集中在一起，這后來便發(fā)展成犁式除雪車。早在1943年日本就開始把V型犁安裝在載重卡車上用于除雪。
經(jīng)過多年的發(fā)展，國外犁式除雪車以具有較高的技術(shù)水平。以俄羅斯產(chǎn)品KO281222型犁式除雪車為例，這種除雪車基礎(chǔ)車采用MT323082型拖拉機(jī)，其功用有除雪、清除垃圾和沙堆，既可以用于街道、人行道的垃圾清除，也可以用于公路和建筑工地的除雪。犁式除雪車的工作裝置有推土板、犁刀和圓盤刷，其除雪寬度為：推土板2.5m；犁刀2.5m；圓盤刷1.8m。隨著除雪技術(shù)的不斷革新，在出現(xiàn)了連續(xù)快速的大型旋轉(zhuǎn)式清雪機(jī)后，清理積雪的工作才變得簡單。
我國的除雪機(jī)械開始于20世紀(jì)80年代后期，相關(guān)研究單位主要集中在東北、西北和華北地區(qū)，先后有十幾種型號除雪車研制成功。
國內(nèi)主要研發(fā)的有西安公路研究所研制的L9280型除雪車、哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所研制的CBX-216綜合破冰除雪機(jī)、吉林交通科學(xué)研究所研制的CL-3.6和CL-3.5型系列除雪犁、吉林省盤石縣公路養(yǎng)路段研制的CL-2.4型公路除雪器、陜西高速公路管理局研制的FCX-1型除雪車、吉林省公路機(jī)械廠與原吉林工業(yè)大學(xué)共同開發(fā)的CB1500壓實冰雪清除機(jī)、重慶迪馬公司生產(chǎn)的DMT5160TYH多功能除雪車，該除雪車裝備有推雪鏟、滾刷、融雪劑散布機(jī)等裝置、哈爾濱雪狼除雪機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的用于清除硬冰雪的CXL-2、CXL-3型除雪機(jī)和北京永鋒科技有限公司研制的雪豹YF系列的多功能噴氣式除雪車等。
目前，國內(nèi)除雪車的開發(fā)研制工作還主要集中在鏟式除雪車和融雪劑散布機(jī)這兩種除雪車形式，但由于專業(yè)的除雪車，因其龐大的體積，降低了操作靈便性和除雪效率，因而選擇一款操作靈便、通用化的汽車來改裝成一除雪車，來補(bǔ)充專業(yè)除雪車的不足。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
1.2.1 路面除冰技術(shù)的發(fā)展歷程
在世界范圍內(nèi)，寒冷地區(qū)的國家冬季路面上都存在不同程度的積雪結(jié)冰。研究路面除冰技術(shù)具有十分廣泛的重要意義。路面除冰技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了人工清除、機(jī)械化清除和智能化清除三個階段。
人工除冰法主要依靠人力用簡單的勞動工具來完成路面冰雪的清除。人工除冰是最早期、最原始的除冰方法。雖然人工清除冰雪比較徹底，但是作業(yè)時間長、勞動強(qiáng)度大、效率低、耗費(fèi)大量的人力、物力和時間，作業(yè)時影響車輛通行和行車安全。目前，人工除冰法只適用于小范圍冰雪的清除或重點路段冰雪的清除。
隨著科技水平的不斷提高，交通建設(shè)的飛速發(fā)展，機(jī)械化的除冰技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前，常用的機(jī)械化除冰技術(shù)主要包括化學(xué)除冰法、熱力除冰法和機(jī)械除冰法三種。
（1）化學(xué)除冰法
化學(xué)除冰法是一種依靠撒布鹽類除雪劑來降低冰雪危害的方法。其原理是降低冰雪的冰點?；瘜W(xué)除冰法既可以用來清除路面結(jié)冰，也可以清除浮雪，是國際上比較常見的一種路面冰雪清除手段。
在一定環(huán)境條件下，化學(xué)除冰法可以有效的清除道路冰雪，改善道路安全狀況，提高道路運(yùn)輸效率。但是化學(xué)除冰法的負(fù)作用也比較明顯，主要體現(xiàn)在：
① 除冰效果受環(huán)境溫度影響較大，存在反復(fù)結(jié)冰現(xiàn)象；
② 造成瀝青路面脫層，路面大面積破損；
③ 對橋梁的結(jié)構(gòu)存在著腐蝕性，使橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性下降；
④ 腐蝕機(jī)動車輛的輪胎及車輛底盤，大大降低其性能和使用壽命；
⑤ 造成路邊的土壤鹽分增加，土壤板結(jié)硬化貧瘠；
⑥造成城市綠地黃化，樹木枯死，甚至影響道路附近農(nóng)作物的生長；
⑦ 造成水體污染，危害動物生命和人類健康。
近年來，雖然無毒性和無腐蝕性的環(huán)保型除雪劑，如生物降解型除雪劑等已經(jīng)問世，對環(huán)境和植物的破壞減少了，但是并未徹底根除。因此化學(xué)除冰法的應(yīng)用還是受到了一定的限制。
（2）熱力除冰法
熱力除冰法利用熱能使冰雪融化，消除冰雪危害，分為微波加熱、紅外線加熱、噴氣發(fā)動機(jī)加熱等類型；
① 微波加熱。利用微波穿透冰雪加熱路面，使得貼近路面的冰雪融化，消除了路面和冰雪之間的結(jié)合力使二者分離，達(dá)到清除目的；
② 紅外線加熱。使用柴油作為燃料加熱紅外線加熱板，利用其熱輻射作用使路面上的冰雪迅速融化；
③ 噴氣發(fā)動機(jī)加熱。利用噴氣式發(fā)動機(jī)排出的高溫?zé)釟饬鲗β访姹┻M(jìn)行加熱使其融化以達(dá)到清除目的。
雖然熱力除冰法清除冰雪速度快，安全性好但該方法往往耗能較大，費(fèi)用較高，所以其適用范圍也受到很大限制。
（3）機(jī)械除雪法
機(jī)械除雪法通過機(jī)械裝置對冰雪直接作用來消除冰雪危害，按其工作原理可以分以下幾種形式。
①振動式。振動式主要利用冰雪在振動作用下，小變形可以引發(fā)脆性斷裂的特點。振動輪在振動馬達(dá)帶動下振動，使其表面的刀具切入、擠壓冰雪。振動式的工作效率高，清除冰雪效果比較好，能夠有效的避免路面的損壞。但是顯而易見，振動式的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高。
②鏟剁式。鏟剁式模仿人工除冰，利用壓實冰雪硬而脆，不耐沖擊的物理性質(zhì)。由多種刀具組成的工作鏟在曲軸的帶動下上下往復(fù)運(yùn)動，對路面的壓實冰雪進(jìn)行周期性的剁擊。鏟剁式工作效率較低，容易損傷路面，應(yīng)用范圍受到限制。
③推切式。除冰鏟是推切式除冰裝置常用的結(jié)構(gòu)。鏟刃在壓力作用下切入冰雪層，在牽引主機(jī)推動下清除冰雪。除冰鏟結(jié)構(gòu)比較簡單，技術(shù)比較成熟，工作效率比較高。但是由于工作阻力大，除冰鏟清除冰雪的硬度受到很大限制，需要大功率的牽引主機(jī)。此外，鏟刃的磨損比較嚴(yán)重，對路面有一定的損傷，當(dāng)路面起伏波動較大時除冰鏟的清除效果受到影響。
④碾壓式。碾壓式利用壓實冰雪脆性高，易斷裂的特點，通過滾筒上面的組合刀片，依靠自重和主機(jī)的協(xié)調(diào)壓力使楔形刀具切入冰雪層。隨著切入深度的增加，楔形刀具對冰雪層產(chǎn)生擠壓作用，使冰雪層脆性斷裂、破碎，并與路面剝離。碾壓式結(jié)構(gòu)簡單，工作性能更好。
機(jī)械除冰易于實現(xiàn)一機(jī)多用，不使用化學(xué)藥劑，無污染，能夠很好的保護(hù)環(huán)境和植被，公路兩側(cè)的農(nóng)田或者綠化帶內(nèi)是天然的堆放場所，還利于春季土壤保墑，所以它在國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛。
隨著人們對路面除冰技術(shù)研究的不斷深入，出現(xiàn)了一類更為先進(jìn)的除冰技術(shù)--智能化除冰技術(shù)。智能化除冰技術(shù)著眼于借助路面的某些特殊功能阻止路面積雪形成或者融冰除冰，目前主要包括自應(yīng)力彈性路面技術(shù)、導(dǎo)電鋪面融冰技術(shù)、太陽能—土壤蓄熱融冰雪技術(shù)。
自應(yīng)力彈性路面技術(shù)利用彈性材料局部變形能力較強(qiáng)的特性，通過在路面鋪裝材料內(nèi)摻入一定量的橡膠顆粒，改變路面的變形特性。路面在外載荷作用下產(chǎn)生的自應(yīng)力從而有效地抑制路面積雪結(jié)冰。
導(dǎo)電鋪面融冰雪技術(shù)是指在普通瀝青或者混凝土中添加聚合物類、炭類或金屬類導(dǎo)電組分材料，使之具有良好導(dǎo)電性能。冬季將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苁孤访鏈囟壬?，冰雪自動融化，從而保障交通暢通和行車安全?
太陽能—土壤蓄熱融冰技術(shù)是指在道路中鋪設(shè)太陽能采集系統(tǒng)，在地下土壤中設(shè)置能量儲存系統(tǒng)，將太陽能收集并儲存。降雪時將能量提取至路面，提高路面的溫度融化冰雪
1.2.2 國外路面除冰設(shè)備的研究現(xiàn)狀
國外降雪頻繁的國家都很重視清雪機(jī)的研制和使用，機(jī)械清雪技術(shù)較為先進(jìn)，已經(jīng)進(jìn)入專業(yè)化的時代，產(chǎn)品在技術(shù)、工藝和性能上都較為成熟。目前，國外針對路面積雪結(jié)冰的清除技術(shù)還是以撒布除雪劑為主，設(shè)備既有綜合式的多功能專用除雪車，也有以工程車輛底盤為主機(jī)的一機(jī)多用型清雪車。國外清雪除冰設(shè)備主要生產(chǎn)廠家有瑞士BOSCHUNG公司、丹麥的EPOKE公司、德國的DAIMLER-BENZ、VOLKSWAGLN公司、英國的SCHMIDT公司、美國的S&S、BOBSCHUNG公司、日本和俄羅斯的生產(chǎn)廠家更是不勝枚舉。
瑞士BOSCHUNG公司的智能移動式撒布機(jī)，如圖1-1中（a）所示。該機(jī)存放除雪劑的料斗容積可達(dá)12立方米，除雪劑的撒布量連續(xù)可調(diào)，撒布寬度與撒布劑量自動同步，并配有自動裝卸裝置。
日本冬季降雪頻繁、其清雪機(jī)械的技術(shù)水平處于世界領(lǐng)先地位。
清雪卡車、清雪推土機(jī)、清雪平地鏟、防凍劑撒布車等清雪機(jī)械設(shè)備在日本普遍應(yīng)用。防凍劑撒布車通過噴灑防凍劑來防止路面積雪碾壓凍結(jié)，撒布性能和行駛速度的協(xié)調(diào)性較好，是保證道路安全的重要工具。高速壓雪清除機(jī)如圖1-1中（b）所示，采用4300mm寬清雪鏟，根據(jù)壓實積雪的性狀，開發(fā)了振動式和壓力信號綜合自動化監(jiān)測系統(tǒng)，有效地控制清雪鏟的推力和角度，極大的提高了清雪作業(yè)能力。CE520NN型清雪卡車是日產(chǎn)柴油工業(yè)株式會社生產(chǎn)的大型多功能清雪車，可以通過配置刮雪刀清除壓實冰雪。刮雪刀安裝在車輛前后輪中間，高度有500mm和670mm兩種。清雪卡車的主機(jī)采用10檔位變速箱，變速操作容易在清除壓實雪，車輛反復(fù)前進(jìn)、后退、變速時，車輛的舒適性、操作性、安全性有很大提高。
圖1-1國外路面除雪設(shè)備
1.2.3 國內(nèi)路面除冰設(shè)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(jì)80年代后期，相關(guān)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清雪車研制成功。幾年來一些廠家參照國外先進(jìn)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)子式清雪車以及拖式撒鹽車等車型，但與世界先進(jìn)國家清雪車發(fā)展相比，產(chǎn)品數(shù)量及性能差距較大，遠(yuǎn)不能滿足道路清雪需求。目前，國內(nèi)主要的清雪設(shè)備有沈陽路泰達(dá)除雪機(jī)械生產(chǎn)的H2800型擊振破冰清雪機(jī)、H1900型破冰清雪機(jī)，如圖1-2中（a）（b）所示；北京銀海除雪機(jī)械有限公司生產(chǎn)的HM16-TTR加熱王，如圖1-2中（c）所示；雪狼除雪機(jī)械生產(chǎn)的雪狼CXL-2清雪機(jī)，如圖1-2中（d）所示；哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所研制的CBX-216綜合破冰清雪機(jī)；徐州裝載機(jī)廠生產(chǎn)的公路養(yǎng)護(hù)用輪式震動除冰車。
（a）H2800型擊振破冰清雪機(jī) （b）H1900型破冰清雪機(jī)
（c）HM16-TTR加熱王 （d）雪狼CXL-2清雪機(jī)
圖1-2 國內(nèi)道路除雪設(shè)備
經(jīng)過二十多年來的探索和研究，我國的路面除冰技術(shù)和設(shè)備取得了和大的進(jìn)步，但是從總體上看來，我國對路面除冰設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)尚處于起步階段，除冰設(shè)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。除冰設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、設(shè)備使用管理和維護(hù)等方面都存在問題。
（2） 品種類型不全。目前，不少種類的路面除冰設(shè)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(shè)備。
（3） 避讓功能不理想。我國現(xiàn)有的除冰設(shè)備大部分避障能力較差在除冰作業(yè)中，常常因為避障不及時導(dǎo)致作業(yè)屬具或者牽引主機(jī)的損壞。
（4） 對路面養(yǎng)護(hù)能力差。在作業(yè)路面凹凸不平時，除冰設(shè)備容易對路面造成破壞。
1.2.4 路面除冰雪技術(shù)的發(fā)展趨勢
目前，路面除冰技術(shù)的主要發(fā)展趨勢
(1)高效化。高效化的發(fā)展趨勢包括兩個方面，一是作業(yè)效率高效化，二是冰雪清除程度的高效化。只有高的作業(yè)效率和高的清除效率，才能保證路面冰雪在最短的時間內(nèi)得到及時和有效的清除，保障道路暢通和安全。
??(2)低耗化。統(tǒng)計資料表明，冰雪清除設(shè)備在清除路面冰雪時的能量消耗成本占總成本的80%以上。降低能量消耗，是降低冰雪清除成本的直接和有效的方法。
??(3)智能化。由于路面形式的多樣性，尤其是城市道路路面的復(fù)雜性，要求冰雪清除設(shè)備能夠及時準(zhǔn)確地識別路面情況并作出相應(yīng)的判斷和動作，防止作業(yè)屬具損傷路面，保護(hù)冰雪清除設(shè)備，有效地清除路面冰雪。
??(4)多功能化。工作性質(zhì)的多功能性，可以實現(xiàn)一臺設(shè)備清除各類冰雪，降低設(shè)備的投入資金，減輕企業(yè)負(fù)擔(dān)；工作范圍的多功能性，可以在冰雪清除的非作業(yè)期間，拆除冰雪作業(yè)屬具，使主機(jī)從事其它作業(yè)，問接降低設(shè)備投入成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)收益。
??(5)環(huán)?；１┣宄O(shè)備的環(huán)境保護(hù)，包括設(shè)備主機(jī)對環(huán)境的影響和冰雪清除方法對環(huán)境的影響兩個方面。設(shè)備主機(jī)對環(huán)境的影響，通常包括噪聲和尾氣，因此，選取符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的主機(jī)是關(guān)鍵。
著重多功能小型化，同時中國的除雪機(jī)械還應(yīng)該著重向兼用型的方向發(fā)展，可對多種機(jī)械如卡車、推土機(jī)、建筑機(jī)械等實施改造，或配備雪犁等除雪裝置，只是在冬季降雪時進(jìn)行除雪作業(yè)，其余時間可進(jìn)行灑水、清掃等多種路面養(yǎng)護(hù)作業(yè)及其他常規(guī)作業(yè)。除雪機(jī)械應(yīng)盡量采用機(jī)、電、液新技術(shù)，實現(xiàn)自動控制，提高除雪機(jī)械的科技含量，減輕工人的勞動強(qiáng)度，提高掃雪除冰的效率。
1.3 本章小結(jié)
本文結(jié)合哈爾濱市城市道路情況，參照吉林北歐多功能清雪機(jī)進(jìn)行設(shè)計，主要研究以下幾個方面內(nèi)容：
（1）副發(fā)動機(jī)和除冰裝置的結(jié)構(gòu)形式；分析路面壓實冰雪的物理力學(xué)性能和破壞準(zhǔn)則，為清雪車的相關(guān)設(shè)計、分析計算奠定基礎(chǔ)。
（2）研究清雪車的結(jié)構(gòu)和整車性能。確定本文選用牽引裝置。
（3）研究清雪車清雪鏟工作機(jī)理。對清雪鏟結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行設(shè)計；對清雪鏟的切線阻力進(jìn)行分析計算。
第2章 路面壓實冰雪物理力學(xué)性質(zhì)
2.1 冰雪的成因與分類
2.1.1 路面冰雪分類
日本冰雪協(xié)會雪質(zhì)分類委員會經(jīng)過對道路雪質(zhì)調(diào)查，得出路面冰雪分類,本文節(jié)選出一部分，如表2.1所示。
表2.1 路面壓實冰雪分類表
分類
狀態(tài)
特征
雪粒狀態(tài)
密度/ ㎏·
新雪
結(jié)晶狀
剛下的雪
100左右
粉雪
粉狀
車輛帶起的由新雪雪片分裂而成的小顆粒雪粉積存物
直徑為0.05～0.3mm相互沒有連接的圓粒
270～410
壓雪
板狀
被壓過的積雪
雪粒直徑為0.05～0.3mm相互連接的圓粒
450～750
冰雪
板狀
壓雪滲進(jìn)水以后又凍結(jié)，厚度在1mm以上
雪粒直徑為0.05～2mm的多結(jié)晶冰，含有粒徑0.1～0.5mm的氣泡
750～900
冰膜
薄
冰
膜
凍結(jié)的水膜在地面或積雪上，厚度在1mm以下
雪粒直徑為0.1～0.4mm的多結(jié)晶冰，含有粒徑0.01～0.1mm的氣泡
2.1.2 路面壓實冰雪的成因
根據(jù)我國氣候及交通狀況，結(jié)合表2.1，將路面壓實冰雪的形成原因歸納為以下三個方面：
（1）碾壓。冬季路面降雪經(jīng)過車輛和行人的碾壓，密度較小的新雪被壓實，形成高密度的壓實雪。
（2）反復(fù)融凍。冬季由于晝夜溫差變化，路面降雪在一段時間內(nèi)出現(xiàn)反復(fù)的融化、凍結(jié)，在路面上形成堅硬的冰雪層。
（3）凍雨。凍雨是初冬或冬末春初時節(jié)的一種災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。凍雨落在路面上，隨即凍結(jié)成光滑的冰層。隨著雨量的增大，冰層也越結(jié)越厚。
以上三方面原因往往同時存在并相互作用，因此本文把壓雪、冰雪和冰層統(tǒng)稱為路面壓實冰雪。壓實冰雪在路面上的存在形式如圖2-1所示。從圖中可以看出，壓實冰雪通過粘結(jié)層和路面固結(jié)在一起。通常情況下，粘結(jié)層的厚度僅有幾毫米。
圖2-1壓實冰雪存在形式示意圖
2.1.3 影響因素
由壓實冰雪形成原因可以看出，壓實冰雪的性能不僅受溫度、水分的影響，還與外界壓力、路面雜質(zhì)、路面表面特性因素有關(guān)。
（1） 溫度
1 溫度影響積雪中水分的析出和凍結(jié)
當(dāng)溫度高于0℃時，路面積雪開始融化，水分不斷增多。水分是凍結(jié)不可缺少的重要因素。當(dāng)路面溫度接近0℃時，壓實冰雪內(nèi)部、壓實冰雪與路面之間的水分開始凝結(jié)，由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變。溫度持續(xù)下降，路面與壓實冰雪界面處的水分凝固加劇，兩者之間的粘結(jié)層強(qiáng)度不斷增大，并將壓實冰雪和路面牢牢地連接在一起。當(dāng)溫度降到一定界限后，溫度的降低再不能從壓實冰雪內(nèi)部得到更多的水分，界面間的粘結(jié)層強(qiáng)度不再增大，界面處于系統(tǒng)平衡狀態(tài)。
2 溫度影響凍結(jié)速度
溫度變化的快慢會影響冰雪的凍結(jié)速度，而凍結(jié)速度的變化影響凍結(jié)壓實冰雪的結(jié)晶形態(tài)。不同結(jié)晶形態(tài)的冰雪，其性能變化很大。
由此可見，溫度是影響路面壓實冰雪性能的重要因素，對壓實冰雪與路面的粘結(jié)起著關(guān)鍵作用。路面壓實冰雪和粘結(jié)層的性能是隨溫度不斷變化的。
（2）壓力
壓力是形成路面壓實冰雪的重要條件，冰雪受到的壓力情況與被壓實后的冰雪的性能有直接關(guān)系。壓力作用的效果直接體現(xiàn)在壓實冰雪的密度和硬度上。
①壓力影響水分的析出
降雪在壓力作用下，會有一定的雪花轉(zhuǎn)化為水。壓力作用的次數(shù)越頻發(fā)，降雪轉(zhuǎn)化為水的數(shù)量就越多。
②壓力影響壓實冰雪的密度和強(qiáng)度
壓力會使路面冰雪的密度和強(qiáng)度大大增加，這是因為所施加的壓力一方面使積雪被壓實，另一方面壓力會集中在界面上，使界面處冰雪層與路面的接觸更加緊密，水分向界面滲透加劇。滲透到路面的水分凍脹，大大增加了冰雪對路面的“抓固”作用，增加了整體的強(qiáng)度。
在現(xiàn)實情況中，冰雪受到的壓力大小和次數(shù)均無法準(zhǔn)確衡量，所以壓實冰雪的性能仍有很大的隨機(jī)性。
（3） 凍結(jié)時間
在特定溫度下系統(tǒng)的平衡依賴于凍結(jié)時間。在系統(tǒng)未進(jìn)入熱量平衡之前，凍結(jié)時間與壓實冰雪的強(qiáng)度呈線性增長關(guān)系，凍結(jié)時間越長，壓實冰雪的強(qiáng)度就越大。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入熱量平衡后，強(qiáng)度趨于平衡不再發(fā)生變化。
由此可見，路面壓實冰雪的形成過程是系統(tǒng)散失熱量，水分凝固結(jié)冰的過程。凍結(jié)時間與壓實冰雪的強(qiáng)度有直接的關(guān)系。
（4） 路面表面特性與雜質(zhì)
① 路面表面特性
壓實冰雪性能受到路面表面特性的影響，主要包括路面的粗糙度和表面濕潤性等表面特性與導(dǎo)熱性、熱膨脹性等材料熱特性。
我國等級路面分為瀝青類路面和水泥混凝土類路面兩種。北方地區(qū)路面以瀝青類路面為主。較小的空隙率使瀝青混凝土路面具有透水性小、水穩(wěn)定性好、耐久性高、有較大的抗自然因素的能力，使用年限可達(dá)15～20年以上。瀝青混凝土路面表面粗糙度大、抗水性好、比熱小、熱膨脹系數(shù)小，壓實冰雪與瀝青路面的凍結(jié)十分堅固。
② 路面雜質(zhì)
在各種公路的路面上，不可避免的存在各種雜質(zhì)，比如粉塵、泥沙、碎石顆粒物等。這些雜質(zhì)的存在對路面壓實冰雪的性能也有重要影響。
當(dāng)路面與壓實冰雪之間存在雜質(zhì)時，雜質(zhì)起到了凝結(jié)粘合的作用，水的結(jié)合凍不均勻，增大粘結(jié)層強(qiáng)度。一般情況下，粘結(jié)層的強(qiáng)度高于壓實冰雪的強(qiáng)度不同的路面的表面特征及路面雜質(zhì)的存在情況各不相同，所以路面壓實冰雪的性能是隨著路面雜質(zhì)不斷變化的。
2.2 路面壓實冰雪力學(xué)性質(zhì)
2.2.1 抗壓強(qiáng)度
壓實冰雪的抗壓強(qiáng)度是清雪車設(shè)計的重要參數(shù)之一，指壓實冰雪抵抗其他物體進(jìn)入的能力，用物體進(jìn)入冰雪時單位面積上所受到的阻力表示。壓實冰雪的抗壓強(qiáng)度因環(huán)境不同而不同，強(qiáng)度值隨密度的增加而增大，隨溫度的降低而增大，統(tǒng)計數(shù)值如表2.2所示。
表2.2 壓實冰雪的抗壓強(qiáng)度
冰雪類型
冰雪的密度 (kg/)
-1～-20時抗壓強(qiáng)度的 范圍（MPa）
壓雪
450～750
0.2～1.67
冰雪
750～900
0.9～2.94
冰層
900左右
1.0～4.0
2.2.2 抗切強(qiáng)度
抗切強(qiáng)度定義為切割每單位橫截面積壓實冰雪所需的力，包括壓實冰雪各種形式的變化強(qiáng)度。目前，抗切強(qiáng)度的計算大多利用經(jīng)驗公式
（2-1）
式中 —— 抗切強(qiáng)度，Pa；
—— 作用在刀刃上的切削阻力，N；
b —— 切削刃寬度，m；
h —— 切削層厚度，m。
利用抗切強(qiáng)度可以很簡便地進(jìn)行壓實冰雪清除裝置阻力計算和清雪車的牽引特性分析，壓實冰雪的抗切強(qiáng)度如表2.3所示
表2.3 壓實冰雪的抗切強(qiáng)度
冰雪厚度
（kg/）
抗切強(qiáng)度
（Pa）
溫度（℃）
0～-1
-2～-10
-10以下
300～400
5.0～12.0
8.0～25.0
5.0～35.0
450～750
10.0～25.0
15.0～40.0
30.0～80.0
750～900
20.0～35.0
30.0～80.0
70.0～130.0
2.2.3 相關(guān)系數(shù)
壓實冰雪清除裝置設(shè)計、清雪車的工作阻力計算和牽引性能分析涉及到冰雪的摩擦系數(shù)、冰雪路面的附著系數(shù)、冰雪路面的行駛阻力系數(shù)的選取。
冰雪的摩擦系數(shù)包括外摩擦系數(shù)和內(nèi)摩擦系數(shù)，外摩擦系數(shù)是指冰雪與其他物體之間的摩擦系數(shù)，內(nèi)摩擦系數(shù)是指冰雪內(nèi)部之間的摩擦系數(shù)。本文的外冰雪摩擦系數(shù)具體指冰雪和鋼鐵之間的摩擦系數(shù)，取值表2.4。冰雪內(nèi)摩擦系數(shù)取值如表2.5所示。內(nèi)外摩擦系數(shù)都與溫度和冰雪的密度有關(guān)。
表2.4 冰雪和鋼鐵的摩擦系數(shù)
摩擦系數(shù)
冰雪密度
（kg/）
溫度（℃）
0～-1
-2～-15
-16～-30
450～550
0.056
0.04
0.05
550～650
0.05
0.03
0.04
650～750
0.04
0.02
0.03
750以上
0.03
0.015
0.02
表2.5 冰雪的內(nèi)摩擦系數(shù)
摩擦系數(shù)
冰雪密度
（kg/）
溫度（℃）
0～-1
-2～-10
-10以下
450～750
0.40
0.44
0.50
750～900
0.42
0.47
0.53
900
0.45
0.50
0.59
路面壓實冰雪的存在很大程度上降低了路面原來的使用性能，具體路況下輪胎的附著系數(shù)和行駛阻力系數(shù)取值分別如表2.6、表2.7所示。
表2.6 冰雪路面的附著系數(shù)
壓實冰雪狀態(tài)
輪胎類型
附著系數(shù)
密實凍結(jié)
低壓胎
0.20～0.35
密實凍結(jié)
高壓胎
0.20～0.25
密實解凍
低壓胎
0.10～0.20
密實解凍
高壓胎
0.10～0.20
壓實凍結(jié)
高壓胎
0.209
壓實解凍
高壓胎
0.176
表2.7 冰雪路面的行駛阻力系數(shù)
冰雪狀態(tài)
冰雪密度
（kg/）
行駛阻力系數(shù)
輪胎
履帶
松軟
150～250
0.2～0.25
0.2
松軟潮濕
150～250
0.3
0.2
輕度壓實
250～350
0.15～0.2
0.1
碾壓
450～750
0.08～0.1
0.05
冰雪
750～900
0.06～0.08
0.07～0.1
2.3 壓實冰雪破壞準(zhǔn)則
由材料力學(xué)可知，當(dāng)材料處于簡單受力情況時，材料的危險點處于簡單應(yīng)力狀態(tài)，破壞可以由簡單試驗來確定。但是，壓實冰雪在外載荷的作用下常常處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，壓實冰雪的強(qiáng)度及其在載荷作用下的性狀和冰的應(yīng)力狀態(tài)有很大關(guān)系。目前，材料力學(xué)中的多種破壞理論都可以用來解釋壓實冰雪在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的破壞。
（1）最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則
該理論認(rèn)為最大拉應(yīng)力是引起壓實冰雪斷裂的主要因素。當(dāng)最大拉應(yīng)力達(dá)到與壓實冰雪有關(guān)的材料性質(zhì)的某一極限值時，壓實冰雪就發(fā)生斷裂破壞。最大拉應(yīng)力理論的破壞準(zhǔn)則為
將極限應(yīng)力除以安全系數(shù)n，可以得到許用應(yīng)力[]，則最大拉應(yīng)力理論的強(qiáng)度條件
≤[]
最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則只適用于單向應(yīng)力狀態(tài)及某些應(yīng)力狀態(tài)中的受拉的情況。對于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，該準(zhǔn)則有不足之處。
（2）最大正應(yīng)變準(zhǔn)則
該理論認(rèn)為材料的破壞取決于最大正應(yīng)變，只要材料內(nèi)任一方向的正應(yīng)變達(dá)到單向壓縮或單向拉伸中的破壞數(shù)值，材料就發(fā)生破壞，破壞準(zhǔn)則為
（2-4）
由廣義胡克定律 - ，代入式（2-4）得
- （2-5）
將極限應(yīng)力除以安全系數(shù)n，可以得到許用應(yīng)力[],則最大正應(yīng)變理論的強(qiáng)度條件為
-≤[] （2-6）
（3）莫爾強(qiáng)度理論及莫爾—庫侖準(zhǔn)則
莫爾強(qiáng)度理論是莫爾在1900年提出的，是目前工程中應(yīng)用最多的強(qiáng)度理論之一。該理論認(rèn)為材料內(nèi)有一點的破壞與中間主應(yīng)力無關(guān)，主要決定于主應(yīng)力和。在τ-σ平面上，可以繪制一系列的極限應(yīng)力圓，每一個極限應(yīng)力圓都反映一種達(dá)到破壞極限的應(yīng)力狀態(tài)。這一系列極限應(yīng)力圓的包絡(luò)線稱為莫爾包絡(luò)線，如圖2-2所示。包絡(luò)線代表材料的破壞條件或強(qiáng)度條件。
圖2-2 極限應(yīng)力橢圓的包絡(luò)線
1-拉壓試驗；2-抗剪試驗；3-抗壓試驗；4-包絡(luò)線；5-三軸試驗
根據(jù)莫爾理論，可以利用在τ-σ平面上畫出該點的莫爾應(yīng)力圓，來判斷材料內(nèi)某點處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下是否破壞。如果所作應(yīng)力圓在莫爾包絡(luò)線以內(nèi)，則通過該點任何面上的剪應(yīng)力都小于相應(yīng)面上的抗剪強(qiáng)度γ，說明該點沒有破壞，處于安全狀態(tài)；如果所作應(yīng)力圓剛好與包絡(luò)線相切，則通過該點有一對平面的剪應(yīng)力剛好達(dá)到相應(yīng)面上的抗剪強(qiáng)度，該點處于臨界破壞狀態(tài)。
對于不同條件的材料，莫爾強(qiáng)度條件的形式也不相同。對于抗拉強(qiáng)度很弱，抗壓強(qiáng)度很高的脆性材料，在應(yīng)用莫爾強(qiáng)度理論時，可以用單向拉伸和單向壓縮兩個極限應(yīng)力圓的公切線來代替包絡(luò)線，將包絡(luò)線進(jìn)行化簡。將該直線形式的包絡(luò)線稱為莫爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，如圖2-3所示。莫爾-庫侖破壞準(zhǔn)則認(rèn)為，當(dāng)剪切應(yīng)力γ大于內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦力μσ之和時，材料便發(fā)生脆性剪切破碎。莫爾-庫侖破斷準(zhǔn)則的表達(dá)方式為
式中 C——壓實冰雪的內(nèi)聚力，Pa；
μ—— 壓實冰雪的內(nèi)摩擦力。
圖2-3 莫爾-庫侖破斷準(zhǔn)則
綜合考慮以上三種強(qiáng)度理論，考慮到壓實冰雪的實際受力環(huán)境，在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，莫爾-庫侖準(zhǔn)則能夠較好地反映其他破壞狀況。
2.4 本章小結(jié)
本章首先闡述了路面壓實冰雪的種類、形成原因以及各種環(huán)境因素對其性能的影響；其次，分析了冰雪的抗壓強(qiáng)度、抗切強(qiáng)度、摩擦系數(shù)等力學(xué)性質(zhì)；最后分析壓實冰雪的破壞準(zhǔn)則，為后續(xù)的研究奠定基礎(chǔ)。
第3章 清雪車分類及特點
3.1 清雪車分類
除雪車由除雪工作裝置和機(jī)動車底盤兩部分組成。分類方法主要有兩種：一種是按工作裝置的特點分類：另一種是按工作裝置與機(jī)動車底盤結(jié)合的整機(jī)結(jié)構(gòu)特點分類。
3.1.1 按工作裝置特點分類
除雪車按工作裝置分為：犁板式、旋切式及其它類型。
（1） 犁板式除雪車
犁板式除雪車安裝有犁板式除雪裝置，這種除雪裝置最大的特點是結(jié)構(gòu)簡單、造價低、性能可靠。除雪作業(yè)時一直線運(yùn)動為主，應(yīng)用廣泛，是除雪車中保有量最大的類型。按犁板體結(jié)構(gòu)又分為單向犁式、V型犁式、刮雪板式、側(cè)翼板式及犁板式綜合除雪車。
圖3—1為單向犁式除雪車，其除雪裝置為單向犁式，一般都配置于除雪車前端，又稱前雪鏟或前鏟，主要用于清除新降積雪，除雪速度快。通過對推雪犁板曲面的優(yōu)化設(shè)計，配合選擇合適的前進(jìn)角，可以獲得很好的除雪，排雪性能。據(jù)統(tǒng)計，90%以上的犁板式除雪車都裝設(shè)單向犁。
圖3—2為V型犁式除雪車，其主要結(jié)構(gòu)及工作原理與單向犁式除雪車基本類似。V型犁的結(jié)構(gòu)左右對稱，在除雪作業(yè)中向兩邊同時排雪。V型犁受力對稱，推力大；但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，排雪性能不好，作業(yè)速度較單向犁低，所用機(jī)車牽引力大。
圖3—3為刮雪板式除雪車，安裝有刮雪板除雪裝置，作業(yè)對象是一定程度的壓實雪層。由于作業(yè)對象雪質(zhì)較硬，所以刮雪裝置的設(shè)計較為堅固，結(jié)構(gòu)尺寸也較小。為合理利用車輛自身重力，刮雪板一般都以固定角度安裝于所用底盤中部靠近整車重心的位置，因此又稱中鏟。
圖 3-3 刮雪板式除雪車 圖 3-4 側(cè)翼板式除雪車
圖3—4為側(cè)翼板式除雪車，在除雪車的側(cè)面裝有側(cè)翼板，側(cè)翼板又稱側(cè)鏟，主要進(jìn)行加大除雪寬度或階梯作業(yè)等某些特殊除雪作業(yè)。
犁板式綜合除雪車是為了增加除雪作業(yè)種類，把單向犁型或V型犁、刮雪板、側(cè)翼板按使用需求進(jìn)行組合，安裝在同一輛行走車輛上。這種除雪車適應(yīng)能力強(qiáng)，對行走車輛的功率要求較大。
（2） 旋切式除雪車
旋切式除雪車的除雪裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。裝有拋雪轉(zhuǎn)子的旋切式除雪車可將積雪拋出幾十米遠(yuǎn)，適于厚積雪的清除。
旋切式除雪車分為壓磙式、轉(zhuǎn)子式、螺旋轉(zhuǎn)子式等類型。
壓磙式除雪車配備的壓磙除雪裝置適用于清除堅硬的冰雪。圖3—5所示為一種拖掛式壓磙除雪車。根據(jù)壓磙裝配壓磙刀的安裝角可將其分為斜刃壓磙（圖3—6）和直刃壓磙（圖3—7）。試驗證明，斜刃壓磙的切入角能有效地清除冰雪和保護(hù)路面。
（3） 其他類型的除雪車
其他類型的除雪車主要有鏟剁式、錘擊式、掃雪與吹雪式及運(yùn)雪車、融雪劑灑布車等。在機(jī)場等一些場合還常常把各種形式的除雪裝置搭配成綜合式除雪車以獲得滿意的除雪效果。
3.1.2 按整車特點分類
除雪車的初學(xué)作業(yè)效果不僅取決于所裝配除雪裝置的結(jié)構(gòu)，還取決于機(jī)動車底盤的性能及其與工作裝置相關(guān)參數(shù)的匹配是否協(xié)調(diào)。只有正確選擇機(jī)動車底盤并合理匹配工作裝置的性能參數(shù)，才能使設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)得到充分發(fā)揮，完善整機(jī)性能。這是除雪車整車研制工作的主要任務(wù)之一。
除雪車整車的分類方法很多，可按整機(jī)適用范圍、在初學(xué)作業(yè)中的功用、所用底盤形勢和行走方式等不同分類方法進(jìn)行分類。
按整車適用范圍，即除雪車的使用場合，可把除雪車分為泛用型除雪車、人行道除雪車、鐵道除雪車和高速公路除雪車等。
按除雪作業(yè)中整車的作用，可把除雪車分為推雪車、拋雪車、裝雪車、特種除雪車輛（包括融雪車、融雪劑灑布車、掃雪車、壓雪車、吹雪車、綜合式除雪車等）。
按除雪車所使用底盤的不同可以把除雪車分為專用底盤除雪車和專用底盤除雪車兩種。專用底盤除雪車只能進(jìn)行除雪作業(yè)，而兼用底盤除雪車上的除雪工作屬具均可拆卸，在不需除雪時用于運(yùn)輸?shù)绕渌鳂I(yè)。
按除雪車行走裝置可分為輪胎式除雪車和履帶式除雪車兩種。
3.2 本章小結(jié)
本章首先對雪的物理機(jī)械性質(zhì)包括：種類、密度、抗壓強(qiáng)度、抗切強(qiáng)度及摩擦系數(shù)等作了介紹。其次，對除雪方法及除雪車分類，進(jìn)行了歸納總結(jié)。限于試驗條件，關(guān)于雪的物理機(jī)械性質(zhì)較多采用了與我國雪質(zhì)相似的前蘇聯(lián)專家的研究結(jié)果。
第4章 前雪鏟板空間曲面設(shè)計
4.1 清雪鏟前鏟設(shè)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(jī)和最經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(shè)計是前鏟設(shè)計的核心內(nèi)容。
前雪鏟個部位名稱如圖4—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—對雪鏟上連桿；7—鏟體回位彈簧；8—推雪鏟；9—壁障裝置；10—壁障裝置回位彈簧；11—限位輪；
圖4—1 除雪車前鏟結(jié)構(gòu)示意圖
圖4—1中10用于吸收部分沖擊載荷，起到壁障作用，7用于吸收較大載荷，并保證鏟體結(jié)貼地面；升降油缸3鉸接于后托架與支架之間，負(fù)責(zé)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。擺動幅度控制在左右30°。隨除雪車的行進(jìn)，積雪鏟刃剝離地面并沿鏟板曲面左螺旋外拋運(yùn)動，積雪被推積到路面一側(cè)。
清雪鏟相關(guān)參數(shù)：
(1) 前雪鏟鏟板（裝鏟刃）相關(guān)參數(shù)
圖4—2是相關(guān)示意圖。
l 除雪寬度 除雪車工作時在行進(jìn)方向上一次清除積雪的寬度，也就是除雪鏟在清雪車前進(jìn)方向上的最小投影寬度，如圖4—2所示。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(yīng)比同側(cè)輪胎外緣寬出200mm，后端（大端）應(yīng)比同側(cè)輪胎外緣寬出400mm。鏟體太寬將導(dǎo)致鏟體質(zhì)量過大，使前輪負(fù)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。
l 切削角δ 是行進(jìn)方向上鏟體與地面間的夾角，如圖4—2所示。隨著推雪鏟的前進(jìn)，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(dǎo)板曲面向斜上方運(yùn)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。圖4—3所示為鏟刃切削時雪得三種變形形式：流動型、斷裂型、剪裂型。
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(qiáng)度。切削角δ太小使切削刃變薄、強(qiáng)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(qiáng)度系數(shù)增加10%～20%，切削角δ在60°左右時抗切強(qiáng)度系數(shù)達(dá)到最大，切削角δ大于60°后抗切強(qiáng)度系數(shù)增加不明顯。
圖4—3 雪被切削時的變形情況
時間證明，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(fù)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(shè)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。
l 行進(jìn)角θ 指鏟體寬度方向與車輛行進(jìn)方向所夾銳角，θ=,如圖4—2所示。行進(jìn)角與除雪阻力、排雪性能、推雪鏟長度都有很大關(guān)系，行進(jìn)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；行進(jìn)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。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗及相關(guān)實驗，前鏟行進(jìn)角θ一般取值為50°～60°
l 其它參數(shù) L表示除雪鏟寬度；表示雪鏟小端高度；表示雪鏟大端高度。
4.2 清雪鏟鏟板曲面結(jié)構(gòu)參數(shù)確定
4.2.1 推雪鏟設(shè)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(yīng)有足夠的耐磨性、強(qiáng)度、和剛度。切削刃是易損件，因此它與鏟板之間設(shè)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(jì)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(jì)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)制剛。
（2）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(shè)計性能良好的推雪鏟，必須對切削刃和鏟板加以分析和認(rèn)識。
除雪車前雪鏟主要應(yīng)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∕之間。
通過比較認(rèn)為松土和積雪的物理機(jī)械性質(zhì)較為接近，參考較為成熟的推土產(chǎn)切削刃設(shè)計理論可知，對于松土和積雪，一般認(rèn)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(hù)路面大多采用輪式行走機(jī)構(gòu)，所能提供的最大牽引力較履帶式行走機(jī)構(gòu)小，而且工作速度要求較高，所以應(yīng)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(yīng)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(yīng)調(diào)整，如圖4—4，切削刃厚度取8mm左右即可。
圖3-5推土鏟切削刃參數(shù) 圖4—4推雪鏟切削刃參數(shù)
（3）前鏟的鏟板空間形狀設(shè)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(jìn)曲面旋移的理論進(jìn)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(yùn)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(jìn)，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(yùn)積雪。鏟板的結(jié)構(gòu)參數(shù)對雪屑運(yùn)動規(guī)律、積雪容量、推運(yùn)阻力都有影響。在除雪過程中，如果推運(yùn)和旋移積雪的阻力小，在一個旋移運(yùn)動周期內(nèi)拋射積雪的距離遠(yuǎn)，則標(biāo)志其性能良好。為了便于向道路外側(cè)排雪，推雪鏟常設(shè)計成一端小一端大，以固定的行進(jìn)角（鏟板長度方向與車輛行進(jìn)方向所夾的銳角θ）工作。被除雪屑的理想運(yùn)動軌跡是空間螺旋外拋運(yùn)動。
隨著現(xiàn)代制造工業(yè)的發(fā)展，制造工藝的改進(jìn)，利用數(shù)控機(jī)床加工復(fù)雜空間曲面的技術(shù)日益成熟，為推雪鏟曲面板的設(shè)計提供了技術(shù)保障。
常用的鏟板形狀有圓弧形、拋物線形、︱類漸開線形、︱︱類漸開線形（如圖4—5）其中拋物線和圓弧的形狀很近似，兩者的性能也很近似。
a)圓弧型 b)拋物線型 c)︱類漸開線型 d)︱︱類漸開線型
圖4—5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(yùn)動；而在推土鏟作業(yè)時，當(dāng)被切下的土屑呈層狀沿曲面滾卷前進(jìn)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(jìn)）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4.1。
表4.1鏟板類型對切削阻力的影響
鏟板類型
拋物線型
︱類漸開線型
︱︱開漸線型
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︱︱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(jìn)角進(jìn)行除雪作業(yè)。行進(jìn)角是鏟板長度方向與車輛行進(jìn)方向所夾的銳角θ，進(jìn)行角與除雪阻力、排雪性能、推雪鏟長度都有很大關(guān)系。根據(jù)經(jīng)驗及相關(guān)實驗，前鏟進(jìn)行角θ一般取值為50°～60°。推雪鏟的寬度應(yīng)保證工作時在除雪車前進(jìn)方向上的最小投影寬度大于車寬，前端（小端）應(yīng)比同側(cè)輪胎外緣寬出約200mm，后端（大端）應(yīng)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(jìn)的道路，從而保證其作業(yè)質(zhì)量。
選擇推雪鏟的寬度應(yīng)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=
式中 F—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(guān)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(shè)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(jìn)行調(diào)整。
本設(shè)計使用的底盤車輛型號為CA3253P7K2T1AE，采用︱︱類漸開線型鏟板，小端設(shè)計高度初定為920mm，大端高度初定為1100mm。
4.2.2 獨(dú)立壁障裝置設(shè)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(dāng)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(shè)備或路面設(shè)施的損壞，甚至?xí){到駕駛?cè)藛T的人身安全。因此除雪裝置要設(shè)有功能良好的彈性避讓裝置。
本文采用機(jī)械式壁障機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)被動壁障。機(jī)械壁障裝置是一種被動的壁障裝置，前鏟除雪作業(yè)在壁障是雖然不必中斷除雪作業(yè)，但應(yīng)該減速慢行。
目前國內(nèi)外除雪機(jī)械廣泛采用彈性避讓裝置為雙搖桿機(jī)構(gòu)和擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)兩種形式。壁障機(jī)構(gòu)的避讓動作可分解為上下伸縮動作和繞某一固定軸定州的旋轉(zhuǎn)動作。本文設(shè)計采用雙搖桿壁障裝置。
雙搖桿機(jī)構(gòu)如圖4—6所示，是通過鏟體的運(yùn)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(yīng)性強(qiáng)，因此應(yīng)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(yīng)迅速回位進(jìn)行正常的除雪作業(yè)。圖 4—6中虛線表示推雪鏟在壁障動態(tài)過程中的避讓位置，鏟刃作向上和回縮運(yùn)動。
圖4—6 雙搖桿壁障機(jī)構(gòu)
雙搖桿壁障機(jī)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(shè)計為鏟體與鏟刃分離設(shè)計如圖4—7所示。
圖4—7 壁障鏟刃
1、彈簧支架 2、連接銷 3、主鏟體 4、連接銷 5、獨(dú)立鏟刃
4.3 本章小結(jié)
本設(shè)計使用的底盤車輛型號為CA3253P7K2T1AE。通過分析，采用︱︱類漸開線型鏟板。 有上述確定鏟小端高度定為900mm，大端高度定為1000mm。鏟刃切削角δ=30°；鏟板寬度為3000mm;推雪鏟在工作時與前進(jìn)方向夾角為θ=60°，除雪寬度為L在行進(jìn)方向上的有效投影,本設(shè)計中除雪寬度=3000mm。所用改裝車最大寬度為2455mm，有效除雪寬度大于車寬555mm，符合實際道路通行要求。
第5章 清雪車部件設(shè)計
5.1 滾雪刷設(shè)計
臥式滾掃型清雪車主要是指刷掃裝置的轉(zhuǎn)軸與地面保持平行，多數(shù)滾掃裝備的軸線與工作主機(jī)的車輪軸線保持平行。工作形式類