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第1章 緒 論
1.1 本次設(shè)計(jì)來(lái)源、目的、意義、國(guó)內(nèi)外概況
1.1.1 本次設(shè)計(jì)的來(lái)源
本課題屬于吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院科研項(xiàng)目（國(guó)家經(jīng)貿(mào)委“國(guó)家重點(diǎn)技術(shù)改造項(xiàng)目[2003]86”）。是根據(jù)國(guó)際和國(guó)內(nèi)的最新形勢(shì)和市場(chǎng)需求而確定的研究課題。對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)和生活有很大的實(shí)際意義。是隸屬于國(guó)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(jì)研究目的
中國(guó)北方大部分地區(qū),每年有3～5個(gè)月的降雪期,道路積雪給交通運(yùn)輸及人民日常生活帶來(lái)許多困難,有時(shí)甚至阻斷交通。近幾年來(lái)高等級(jí)公路里程不斷增加,及時(shí)有效地清除路面積雪已成為亟待解決、刻不容緩的問(wèn)題,這對(duì)于提高車輛的運(yùn)輸效率、避免重大交通事故的發(fā)生,具有很大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。目前,國(guó)內(nèi)除雪作業(yè)多由人工或其它代用機(jī)械完成,其勞動(dòng)強(qiáng)度大,作業(yè)效率低。進(jìn)口外國(guó)先進(jìn)的除雪設(shè)備,造價(jià)高且不適合中國(guó)國(guó)情;而用其它的代用機(jī)械如平地機(jī)進(jìn)行除雪作業(yè),則又浪費(fèi)實(shí)用設(shè)備且對(duì)路面具有破壞性。所以,盡快開(kāi)發(fā)出適合中國(guó)國(guó)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(xiàng)艱巨而緊迫的任務(wù)。
1.1.3 本次設(shè)計(jì)研究的意義
我國(guó)北方大部分地區(qū),每年有很長(zhǎng)的降雪期,道路積雪給交通運(yùn)輸及人民日常生活帶來(lái)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(jī)用推刮的辦法無(wú)法清除,為此不得不耗費(fèi)大量人力物力進(jìn)行人工鏟除。采用機(jī)械方法清除是一項(xiàng)急需解決的難題。就目前國(guó)內(nèi)除雪機(jī)械來(lái)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(guó)外的除雪機(jī)功能較全,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價(jià)昂貴,且大多不適合國(guó)內(nèi)的道路狀況。因此開(kāi)發(fā)研制適合我國(guó)道路情況的集破冰除雪于一機(jī)的設(shè)備,具有十分重大的意義。國(guó)外的除雪機(jī)功能較全,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價(jià)昂貴,且大多不適合國(guó)內(nèi)的道路狀況。因此開(kāi)發(fā)研制適合我國(guó)道路情況的集破冰除雪于一機(jī)的設(shè)備,同樣具有十分重大的意義。
1.1.4 有關(guān)清雪機(jī)國(guó)內(nèi)外研究概況
(1) 有關(guān)清雪機(jī)國(guó)內(nèi)外研究概況
目前，世界各個(gè)國(guó)家除冰雪的方法中，應(yīng)用最普遍的是溶解法和機(jī)械法。溶解法是依靠熱作用或撒部化學(xué)藥劑使冰雪融化。其優(yōu)點(diǎn)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(wèn)世，對(duì)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(jī)械法是通過(guò)機(jī)械作用直接作用解除冰雪危害。雖然除凈率較低，但是對(duì)環(huán)境和植被無(wú)任何影響。能實(shí)現(xiàn)冰雪的異地轉(zhuǎn)移。應(yīng)用范圍比較廣。因此，筆者認(rèn)為：清除冰雪必須以機(jī)械法為主，以溶解法為輔助，才能達(dá)到快速和環(huán)保的除雪效果。
我國(guó)對(duì)除雪機(jī)械的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)都比較晚，因此還處于起步階段。目前，我國(guó)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(hù)方式，即人工作業(yè)和小型的除雪機(jī)械相結(jié)合的方式。高速公路和一級(jí)公路開(kāi)始使用大型專用除雪機(jī)械，進(jìn)行冬季養(yǎng)護(hù)。但是，除雪機(jī)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(jìn)口。機(jī)械化程度和總體水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。只是最近幾年國(guó)內(nèi)的廠家才參照國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)研制了適合我國(guó)國(guó)情的除雪機(jī)械。
綜觀國(guó)內(nèi)外的除雪機(jī)械，其類型總的來(lái)說(shuō)有三種類型：
1) 犁式除雪機(jī)
犁式除雪機(jī)的工作裝置一般安裝在主機(jī)的前端，是所有除雪機(jī)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(shí)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(diǎn)是：多數(shù)采用了雙搖桿機(jī)構(gòu)，避讓效果明顯，越障高度較大，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，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(lái)減少或消除鏟刃對(duì)地面的作用力，保護(hù)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(duì)稱，形成V形。
③ 變角度犁------指犁的排雪方向和行進(jìn)角度可以改變的除雪機(jī)械。
④ 復(fù)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(jī)長(zhǎng)的專利產(chǎn)品------調(diào)壓自動(dòng)越障式除雪裝置。鄭工、柳工和沈陽(yáng)山河等廠家生產(chǎn)的ZL50型除雪機(jī)。由于該類除雪機(jī)械擁有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、價(jià)格低廉等特性，因此受到廣大用戶的認(rèn)可，得以廣泛的使用。
2) 旋切式除雪機(jī)械
旋切式除雪機(jī)械工作方式為自行式和懸掛式兩種。主要有離心式物料風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、拋雪筒、護(hù)板和螺旋型集雪器等部分組成。結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜。工作時(shí)借助主機(jī)或者專用底盤的動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將集雪器聚攏的雪由風(fēng)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(shí)旋切式除雪機(jī)械有明顯的優(yōu)勢(shì)。但是無(wú)法清除壓實(shí)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(shí)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(duì)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(dāng)螺旋周轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(shí)雪的移動(dòng)方向?yàn)樯舷逻\(yùn)動(dòng)。
主要機(jī)型有：哈爾濱開(kāi)達(dá)公司生產(chǎn)的拋雪式除雪機(jī)和吉林大學(xué)研制的CX-30型除雪機(jī)。
3) 掃滾式除雪機(jī)械
掃滾式除雪機(jī)械工作方式為自行式和懸掛式兩種。在主機(jī)或者專用底盤的動(dòng)力作用下，驅(qū)動(dòng)掃雪滾和掃雪盤做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，掃雪滾和掃雪盤上的柔性強(qiáng)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(jī)械主要適合于較薄的或者是犁式除雪機(jī)械工作后的殘留積雪。即使路面凸凹不平也可以獲得無(wú)殘雪的除雪效果。主要生產(chǎn)廠家有：哈爾濱開(kāi)達(dá)公司和哈爾濱重型機(jī)械廠等。
國(guó)內(nèi)的除雪機(jī)械雖然有了很大的發(fā)展，但其總體水平與發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)高速公路的發(fā)展的需求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
① 技術(shù)水平低，除雪機(jī)械在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(wèn)題。致使除雪機(jī)械可靠性差、故障多、壽命短。
② 功能單一。除雪機(jī)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(jī)械一年中大部分時(shí)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(hù)部門的負(fù)擔(dān)。
③ 品種類型不全。與國(guó)外相比，現(xiàn)在有不少除冰雪機(jī)械在國(guó)內(nèi)還是一片空白。現(xiàn)有的除冰雪機(jī)械無(wú)法滿足公路和大型機(jī)場(chǎng)的除冰雪的要求。
(2) 國(guó)內(nèi)外在這個(gè)方面的發(fā)展方向：
加強(qiáng)對(duì)雪質(zhì)、雪性的基礎(chǔ)研究。
為了提高除冰雪機(jī)械的設(shè)計(jì)水平，需要對(duì)冰雪的力學(xué)性質(zhì)和物理特性進(jìn)行深入研究。特別是對(duì)壓實(shí)冰雪的理論研究。據(jù)有關(guān)資料研究：東北地區(qū)壓實(shí)冰雪占總的除雪任務(wù)的80%以上。
① 向一機(jī)多能和機(jī)電液一體化方向發(fā)展。
在現(xiàn)有的條件下，可以對(duì)汽車、拖拉機(jī)、裝載機(jī)和推土機(jī)等設(shè)備進(jìn)行改裝，冬季降雪時(shí)用來(lái)除冰雪作業(yè)，其余時(shí)間可用來(lái)進(jìn)行公路養(yǎng)護(hù)和其他作業(yè)?？梢蕴岣咴O(shè)備的利用率。采用機(jī)械、電子、液壓等技術(shù)提高除雪機(jī)械的科技含量，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
② 向大型、小型和高速方向發(fā)展。
我國(guó)的地理環(huán)境復(fù)雜，各個(gè)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(kāi)發(fā)出大型、小型的各種除冰雪機(jī)械，以滿足不同地區(qū)和工況的除冰雪要求。同時(shí)要開(kāi)發(fā)出效率高的機(jī)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(duì)于市區(qū)內(nèi)主干道，雪停止24H后需運(yùn)出城市外。
③ 加強(qiáng)行業(yè)間的技術(shù)交流與合作。走共同研發(fā)之路。
各個(gè)廠家根據(jù)自己的實(shí)際情況開(kāi)發(fā)出的產(chǎn)品各有優(yōu)缺點(diǎn)，為了加快除冰雪機(jī)械的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，應(yīng)加強(qiáng)企業(yè)間的合作，集中財(cái)力、物力和人力走共同發(fā)展之路，實(shí)現(xiàn)除冰雪的機(jī)械化。
1.2 本設(shè)計(jì)預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)
在ZL40型裝載機(jī)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(jī)大臂相連。設(shè)計(jì)出包括鏟及其連接機(jī)構(gòu)。畫出全部圖紙：裝配圖、部件圖、零件圖、總明細(xì)表。
設(shè)計(jì)時(shí)要保證相應(yīng)構(gòu)件的可靠性，所以要進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)分析、設(shè)計(jì)計(jì)算 、方針模擬等。并要求用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)重要部件進(jìn)行詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。設(shè)計(jì)相關(guān)的軟件。
通過(guò)這次設(shè)計(jì)，要不僅溫習(xí)好大學(xué)四年所學(xué)的大不分的理論知識(shí)，還要培養(yǎng)工程實(shí)際應(yīng)用的能力，鍛煉實(shí)際的動(dòng)手和全局的駕御能力。對(duì)裝載機(jī)和除雪機(jī)械有更深的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)在此方面的設(shè)計(jì)能力。
1.3 本設(shè)計(jì)研究?jī)?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(jī)的整體方案構(gòu)想
斜刃螺栓連接式厚冰雪磙壓除雪機(jī)是針對(duì)我國(guó)道路情況設(shè)計(jì)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(jī)架可與ZL40裝載機(jī)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(guò)大臂與主機(jī)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(dòng)的沖擊力達(dá)到破冰目的。
1.3.2 結(jié)構(gòu)原理和計(jì)算要點(diǎn)：
斜刃螺栓連接式厚冰雪磙壓除雪機(jī)是利用前部安裝的碾壓輥上裝有的刀板對(duì)雪進(jìn)行切削，利用自身的重力和空氣錘的振動(dòng)的沖擊力達(dá)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(cuò)開(kāi)。
(2) 除雪機(jī)功率的計(jì)算：
除雪機(jī)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(jì)算辦法。下面對(duì)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(dòng)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?yàn)橛嘘P(guān)裝載機(jī)和除雪機(jī)構(gòu)的研究在我國(guó)已經(jīng)有了一定的進(jìn)展------即使和發(fā)達(dá)國(guó)家相比還很落后-----在很多領(lǐng)域。但近幾年我們引進(jìn)了很多先進(jìn)的技術(shù)，特別是除雪機(jī)械方面的，加上我們的有關(guān)裝載機(jī)和其他工程機(jī)械的研究知識(shí)，將這兩方面的知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)新的突破，研制出適合我國(guó)國(guó)情的公路養(yǎng)護(hù)機(jī)械-----集工程作業(yè)和除雪能力于一體的多功能機(jī)械產(chǎn)品。
(4) 擬采用的技術(shù)路線
研究冰雪的物理和力學(xué)特性------查閱國(guó)內(nèi)外有關(guān)裝載機(jī)和除雪機(jī)械、機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)資料和最新進(jìn)展------消化、吸收個(gè)方面的技術(shù)資料，并加以整理和創(chuàng)新------技術(shù)設(shè)計(jì)和整機(jī)設(shè)計(jì)。
1.4 本課題實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)有條件
國(guó)內(nèi)外關(guān)于ZL40裝載機(jī)的數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)資料的搜集較為便利。在理論上和方法上具有很強(qiáng)的借鑒意義。指導(dǎo)老師鄧洪超老師在我國(guó)裝載機(jī)技術(shù)和除雪機(jī)械的研究方面走在前列。對(duì)我國(guó)這方面的情況很了解，是這方面的專家。有很深的理論和實(shí)踐知識(shí)，為本課題的研究奠定了很好的理論和實(shí)證基礎(chǔ)。本人對(duì)于裝載機(jī)和除雪機(jī)械也有一定的認(rèn)識(shí)，相信一定能在鄧?yán)蠋煹闹笇?dǎo)下順利完成課題的研究。并取得優(yōu)異的畢業(yè)設(shè)計(jì)成績(jī)！同時(shí)為我國(guó)在此領(lǐng)域的研究作出自己應(yīng)有的貢獻(xiàn)！
1.5 研究的主要內(nèi)容和方法
本文針對(duì)路面上被壓實(shí)的冰雪研究路面冰雪清除機(jī)械。方法是進(jìn)行理論分析和計(jì)算，并重點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。具體研究?jī)?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(jī)械性質(zhì)；根據(jù)所提出的對(duì)路面上壓實(shí)冰雪進(jìn)行擠壓、切削、破碎的技術(shù)思想，分析路面冰雪清除機(jī)基本原理并確定樣機(jī)基本方案；分析整機(jī)的牽引平衡和功率平衡，確定路面冰雪清除裝置的重量，進(jìn)行整機(jī)匹配計(jì)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(yàn)算
主要是對(duì)齒刀的強(qiáng)度、銷軸剪切強(qiáng)度、軸的強(qiáng)度以及軸承進(jìn)行校核計(jì)算。
第2章 路面冰雪清除機(jī)機(jī)理研究
2.1 冰雪的物理機(jī)械性質(zhì)
路面冰雪清除機(jī)械的行走機(jī)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(jī)械性質(zhì)在相當(dāng)大的程度上決定著清除路面上冰雪的方法，要研究行走機(jī)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(jī)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(jī)械性質(zhì)的主要指標(biāo)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(duì)路面冰雪清除機(jī)的工作阻力以及牽引力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要知道雪的機(jī)械性質(zhì)，表示雪的機(jī)械性質(zhì)的指標(biāo)通常是內(nèi)外滑動(dòng)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(shí)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(biāo)，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(duì)于冬季養(yǎng)護(hù)道路的機(jī)器進(jìn)行牽引計(jì)算時(shí)，必須知道機(jī)器沿著各種冰雪路面行走時(shí)的滾動(dòng)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?yàn)樗粌H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(dāng)溫度由-1～-20OC時(shí)雪的硬度（kPa）
松 軟 的
弱密實(shí)的
密 實(shí) 的
很密實(shí)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(jī)基本方案、原理
對(duì)于路面冰雪的清除，人們?cè)鴩L試了各種清除原理和方案，這些原理和方案有的已在實(shí)際中使用，有的則還在探索和完善中。例如，對(duì)于清除未被壓實(shí)的浮雪，犁式清雪機(jī)和轉(zhuǎn)子式清雪機(jī)已在應(yīng)用中，二者分別采用了推移和旋切的原理。對(duì)于被壓實(shí)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(shí)驗(yàn)證明要么原理不完善，要么清除壓實(shí)冰雪的效果不，有待于進(jìn)一步完善。
針對(duì)上述情況，本文嘗試提出了一種對(duì)路面上壓實(shí)的冰雪進(jìn)行擠壓、切削、破碎的技術(shù)原理。這一思想的來(lái)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(duì)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(jī)械作為動(dòng)力機(jī)。
在我國(guó)，由于冬季降雪時(shí)間只占全年的三分之一，根據(jù)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，單獨(dú)設(shè)計(jì)清除冰雪動(dòng)力機(jī)一機(jī)一用，機(jī)械閑置時(shí)間太長(zhǎng)，造成浪費(fèi)。為此，本文以裝載機(jī)為動(dòng)力機(jī)來(lái)研究清除冰雪工作裝置。
根據(jù)對(duì)路面上壓實(shí)的冰雪進(jìn)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(shí)取下鏟斗換上該裝置，清除被壓實(shí)了的冰雪，其他季節(jié)裝上鏟斗，實(shí)現(xiàn)裝載機(jī)的多功能使用。作為動(dòng)力機(jī)的裝載機(jī)，我們可以選擇現(xiàn)有的國(guó)產(chǎn)機(jī)型如ZL30、ZL40、ZL50裝載機(jī)。 本文確定ZL40E裝載機(jī)作為動(dòng)力機(jī)進(jìn)行分析研究和計(jì)算。
根據(jù)對(duì)路面上壓實(shí)的冰雪進(jìn)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(shí)取下鏟斗換上該裝置，清除被壓實(shí)了的冰雪，其他季節(jié)裝上鏟斗，實(shí)現(xiàn)裝載機(jī)
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(shí)的
小粒冰雪形成密實(shí)的
大粒冰雪形成密實(shí)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(shí)的
密實(shí)的
很密實(shí)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(shí)凍結(jié)的雪
密實(shí)凍結(jié)的雪
密實(shí)解凍的雪
壓實(shí)的凍結(jié)雪
壓實(shí)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(dòng)力機(jī)的裝載機(jī)，我們可以選擇現(xiàn)有的國(guó)產(chǎn)機(jī)型如ZL30、ZL40、ZL50裝載機(jī)。 本文確定ZL40E裝載機(jī)作為動(dòng)力機(jī)進(jìn)行分析研究和計(jì)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(jī)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(guò)半徑（mm） 6322
轉(zhuǎn)向半徑（mm） 5686
發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào) X6110ZG3-22
標(biāo)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(jì)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(jī)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(jī)方案
動(dòng)力機(jī)在行走的過(guò)程中帶動(dòng)碾壓滾滾動(dòng)。碾壓滾滾動(dòng)時(shí)，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(duì)其產(chǎn)生擠壓切削破碎作用。
裝載機(jī)是一種用途十分廣泛的工程機(jī)械，它的優(yōu)點(diǎn)之一是可按實(shí)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(jī)械。本次設(shè)計(jì)選用ZL40E裝載機(jī)作為動(dòng)力機(jī)，將路面清除冰雪裝置替換鏟斗后即為路面冰雪清除機(jī)。
路面冰雪清除機(jī)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(jī)動(dòng)臂和轉(zhuǎn)斗拉桿相連。利用裝載機(jī)的牽引力推動(dòng)碾壓滾滾動(dòng)。
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(jī)啟動(dòng)前，碾壓滾靠自身的重量附著在冰雪面上，同時(shí)對(duì)冰雪面產(chǎn)生壓力，啟動(dòng)后由于裝載機(jī)的牽引力，推動(dòng)碾壓滾向前滾動(dòng)。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(dòng)是連續(xù)的，所以刀齒對(duì)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(jiàn)第三章和第四章結(jié)構(gòu)分析部分。
當(dāng)?shù)孛姹雍苡埠芎駮r(shí)，單靠碾壓滾自身的重量對(duì)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(shí)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(duì)冰雪的壓力加大，刀齒的切入力也加大。
(2) 通過(guò)司機(jī)操縱轉(zhuǎn)斗油缸動(dòng)作減小或加大對(duì)冰雪的切削壓力。當(dāng)操縱轉(zhuǎn)斗油缸使裝載機(jī)前輪離地時(shí)，裝置產(chǎn)生最大的對(duì)冰雪壓力，此時(shí)除裝置本身重量外，動(dòng)力機(jī)機(jī)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(duì)冰雪的切削力。
2.3 整機(jī)分析及裝置重量的確定
2.3.1整機(jī)的組成
路面冰雪清除機(jī)的總體分析和設(shè)計(jì)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(jī)尺寸等，并進(jìn)行合理的布置。
本次設(shè)計(jì)由于是把ZL40E裝載機(jī)作為動(dòng)力機(jī)，所以需要考慮的是把清除冰雪裝置與動(dòng)力機(jī)有機(jī)的結(jié)合在一起。路面冰雪清除機(jī)主要由兩大部分組成（見(jiàn)圖2-2）：1、動(dòng)力機(jī)（裝載機(jī)）2、清除冰雪裝置（托架、帶有刀刃的碾壓滾）。
機(jī)器的性能不僅取決于動(dòng)力機(jī)、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(jī)匹配情況及其布置的合理性。
針對(duì)前述的基本方案并考慮動(dòng)力機(jī)的基本參數(shù)，確定本設(shè)計(jì)中路面冰雪清除機(jī)的主要性能指標(biāo)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(jì)算） 不小于95% ；
5） 冰雪清除裝置質(zhì)量（最大配重） 3600 kg ；
6） 整機(jī)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(jī)鏟斗。裝置與鏟斗的工作狀況不同，其計(jì)算工作阻力的方法也不相同。鏟斗在工作時(shí)，受到來(lái)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(yàn)公式計(jì)算。本次設(shè)計(jì)的冰雪清除裝置隨裝載機(jī)主機(jī)一邊向前滾動(dòng)，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(gè)基本要求：
(1) 裝置的重量不得大于動(dòng)力機(jī)（原裝載機(jī)）的額定起重量Q（kN），否則機(jī)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(dòng)力機(jī)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(gè)條件進(jìn)行冰雪清除裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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(jiàn)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(jī)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(dòng)力機(jī)ZL30裝載機(jī)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(duì)冰雪清除機(jī)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(dú)自特點(diǎn)。
路面冰雪清除機(jī)的功能是清除附著在地面上的堅(jiān)硬的冰雪混合物。從理論上講，我們可以把冰雪層看成一個(gè)平面，使冰雪混合物與地面分離，就好比用銑刀在加工一個(gè)平面。用來(lái)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(gè)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(guò)軸承安裝在托架上，托架的后鉸支點(diǎn)分別安裝在裝載機(jī)的動(dòng)臂鉸點(diǎn)和拉桿鉸點(diǎn)上。在圓筒形的滾筒的內(nèi)部可以加適當(dāng)?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(jì)整個(gè)路面冰雪清除機(jī)的最關(guān)鍵部件。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)第二章2.3中述及的對(duì)冰雪清除裝置的三個(gè)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(jì)中齒刀與碾壓滾筒是通過(guò)螺栓來(lái)連接的，因此為了保證螺栓聯(lián)結(jié)的牢固以及其強(qiáng)度，碾壓滾采用雙滾筒焊接結(jié)構(gòu)，每個(gè)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(gè)冰雪清除裝置最大寬度2650mm 。
3.3 工作阻力的計(jì)算
整機(jī)工作時(shí)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(duì)磙子產(chǎn)生的阻力；碾壓滾的滾動(dòng)阻力。由于刀齒和冰雪之間相互作用非常復(fù)雜，工作阻力的精確計(jì)算公式很難從理論上建立，另外，由于整機(jī)工作時(shí)外負(fù)荷是動(dòng)態(tài)變化的，準(zhǔn)確地計(jì)算工作阻力意義不大。故在此參照裝載機(jī)﹑推土機(jī)﹑鏟運(yùn)機(jī)等自行式鏟土運(yùn)輸機(jī)械工作阻力的計(jì)算方法，提出一個(gè)計(jì)算路面冰雪清除機(jī)工作阻力Px的經(jīng)驗(yàn)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(duì)磙子產(chǎn)生的阻力；
P2—— 碾壓滾的滾動(dòng)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(yàn)公式，可以計(jì)算出路面冰雪清除機(jī)工作時(shí)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(jī)的主要性能參數(shù)可知，該阻力值不大于對(duì)應(yīng)額定滑轉(zhuǎn)率工況的一檔和二檔的牽引力。動(dòng)力機(jī)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(jì)的好與壞將直接影響到整機(jī)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(shí)，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(dòng)與地面剝離。我們?cè)诜治鳊X刀的數(shù)量及間距時(shí)主要是依據(jù)冰雪的這種特點(diǎn)。
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(guò)密、間距過(guò)小甚至沒(méi)有間距，雖然刀齒受力減小，但從壓實(shí)冰雪的特點(diǎn)來(lái)看，造成整機(jī)成本增加，是沒(méi)有必要的。另外，周向布置排數(shù)過(guò)多、過(guò)密造成前排刀齒還沒(méi)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(gè)機(jī)動(dòng)車的防滑裝置。
布置排數(shù)過(guò)少，齒刀過(guò)稀，間距過(guò)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(gè)刀片，相鄰圈上的刀片錯(cuò)開(kāi)1/2間距排列。刀片總數(shù)量156片。
整機(jī)啟動(dòng)后，當(dāng)?shù)谝慌琵X切入冰雪面后，造成冰雪層松動(dòng)，如果各排齒間距過(guò)大，在工作面上看到的只能是一排排印痕，起不到對(duì)冰雪的破碎作用。由于滾動(dòng)是連續(xù)的，當(dāng)后排齒連續(xù)切入冰雪面時(shí)，因?yàn)楦髋诺洱X錯(cuò)開(kāi)1/2齒距排列，單位面積上的冰雪層同時(shí)有若干個(gè)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(qiáng)度高，螺栓連接易于更換刀齒。本次設(shè)計(jì)采用螺栓聯(lián)結(jié)方式。其結(jié)構(gòu)與尺寸見(jiàn)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(guò)分析比較，確定了齒。刀的幾個(gè)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(jì)算
由表2-5知，密實(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(jì)算
5.1 軸承的校核計(jì)算
5.1.1 當(dāng)量動(dòng)載荷的校核
在本次設(shè)計(jì)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(dòng)載荷：94000(N)
額定靜載荷：79000(N)
潤(rùn)滑方式： 脂潤(rùn)滑
極限轉(zhuǎn)速： 4300(r/min)
滾動(dòng)軸承的基本額定動(dòng)載荷，是在一定載荷條件下確定的。根據(jù)滾動(dòng)軸承的實(shí)際受載情況，在許多場(chǎng)合，常常同時(shí)承受徑向和軸向載荷的復(fù)合作用，為了計(jì)算軸承壽命時(shí)能與基本額定動(dòng)載荷在相同的條件下比較，需將實(shí)際工作載荷轉(zhuǎn)化為一個(gè)假想載荷。在此載荷作用下，軸承的壽命與實(shí)際載荷作用下的壽命相等，稱該假想載荷為當(dāng)量動(dòng)載荷，以P表示。當(dāng)量動(dòng)載荷的一般計(jì)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(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況對(duì)軸承載荷的影響，查表5.1。
在本設(shè)計(jì)過(guò)程中，所選軸承僅受徑向力，而軸向受力為0，由機(jī)械設(shè)計(jì)冊(cè)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(jī)是由裝載機(jī)推動(dòng)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(yàn)公式以及所分析得到的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算該軸承在工作時(shí)所遇到的當(dāng)量動(dòng)載荷。
表5.1 載荷系數(shù)f
載荷性質(zhì)
f
舉例
無(wú)沖擊或輕微沖擊
1.0～1.2
電機(jī)、汽輪機(jī)、通風(fēng)機(jī)、水泵等
中等沖擊或中等慣性力
1.2～1.8
車輛、動(dòng)力機(jī)械、起重機(jī)、造紙機(jī)、冶金機(jī)械、選礦機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、機(jī)床等
強(qiáng)大沖擊
1.8～3.0
破碎機(jī)、軋鋼機(jī)、鉆探機(jī)、振動(dòng)篩等
P = 1.8×18000=32400 N
由上面計(jì)算結(jié)果可知道，該軸承在工作時(shí)的當(dāng)量動(dòng)載荷比其額定動(dòng)載荷要小得多, 所以是合格的。
5.1.2 滾動(dòng)軸承壽命的計(jì)算
滾動(dòng)軸承的基本額定壽命大小與載荷大小有關(guān)，對(duì)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(diǎn)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(shí)，壽命計(jì)算公式為：
L10 = （）ε106 r （5.3）
實(shí)際使用中，實(shí)際使用中，用工作小時(shí)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(dāng)量動(dòng)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(dòng)載荷（N）,可由軸承樣本或有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查到。
標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，滾動(dòng)軸承的基本額定動(dòng)載荷C是指能時(shí)軸承的基本額定壽命達(dá)到106轉(zhuǎn)時(shí)所能承受的假想載荷。對(duì)向心軸承是指一個(gè)大小和方向恒定的純徑向載荷，以Cr表示；對(duì)推力軸承是指一個(gè)恒定的中心軸向載荷，以Ca表示?；绢~定動(dòng)載荷越大，軸承承載能力越強(qiáng)，它是衡量軸承承載能力的只要指標(biāo)。
由以上經(jīng)驗(yàn)公式以及分析數(shù)據(jù)可以計(jì)算本冰雪清除機(jī)中軸承的壽命為：
L10 = 106×（）3/（60×39）= 10436 h
5.2 齒刀強(qiáng)度的校核分析
在本設(shè)計(jì)中，采用了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件對(duì)齒刀的強(qiáng)度進(jìn)行了分析，由軟件分析結(jié)果可以知道，該冰雪清除機(jī)的齒刀強(qiáng)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(jì)算
當(dāng)路面冰雪清除機(jī)的工作裝置接觸冰雪路面的時(shí)候，清除機(jī)工作在牽引工況；而當(dāng)工作裝置抬起的時(shí)候，則工作在行駛工況。在冰雪清除機(jī)分別處于這兩種不同的工況的時(shí)候，其受力都是不一樣的。
當(dāng)路面冰雪清除機(jī)處于牽引工況的時(shí)候，裝置受力情況如圖5.1示
圖中，A點(diǎn)為支撐臂與冰雪清除裝置聯(lián)結(jié)處，B點(diǎn)為大臂與冰雪清除裝置聯(lián)結(jié)處。C點(diǎn)為冰雪清除裝置的軸心位置，而N為動(dòng)力裝載機(jī)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(guò)圖5.1對(duì)路面冰雪清除機(jī)處于牽引工況的時(shí)候大臂及支撐臂的受力情況進(jìn)行分析，由圖中我們可以看到，用于推動(dòng)路面冰雪清除機(jī)的進(jìn)行工作的絕大部分推力均是又大臂來(lái)提供的。因此，在冰雪清除機(jī)處于牽引工況的時(shí)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(lái)承受的。因此，在校核計(jì)算過(guò)程中，可以假定大臂銷軸所承受的力為動(dòng)力裝載機(jī)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(guò)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(xiǎn)截面應(yīng)處于鉆有注油孔的一側(cè)。由于動(dòng)力裝載機(jī)的大臂與冰雪清除裝置間是通過(guò)兩個(gè)相同的銷軸來(lái)進(jìn)行聯(lián)結(jié)的，所以應(yīng)平均分配，即每個(gè)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(duì)錯(cuò)動(dòng)，即發(fā)生剪切變形。假定剪力Q所對(duì)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(yàn)公式以及經(jīng)分析所得到的數(shù)據(jù)及可計(jì)算路面冰雪清除機(jī)在處于牽引工況時(shí)，大臂銷軸危險(xiǎn)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得材料45鋼的許用剪切應(yīng)力為[τ]=40 MPa，由上面計(jì)算結(jié)果可知τ<[τ]。所以在冰雪清除機(jī)處于牽引工況時(shí)，銷軸的強(qiáng)度是足夠的。
當(dāng)冰雪清除機(jī)處于行駛工況時(shí)，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(diǎn)為支撐臂與冰雪清除裝置聯(lián)結(jié)處，B點(diǎn)為大臂與冰雪清除裝置聯(lián)結(jié)處。C點(diǎn)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(jì)算可以得出N的大小為36000N。
由圖5.4