除雪机设计

第1章绪论

1.1 本次设计的目的、意义、国内外概况

1.1.1 本次设计研究目的

中国北方大部分地区,每年有3～5个月的降雪期,道路积雪给交通运输及人民日常生活带来许多困难,有时甚至阻断交通。近几年来高等级公路里程不断增加,及时有效地清除路面积雪已成为亟待解决、刻不容缓的问题,这对于提高车辆的运输效率、避免重大交通事故的发生,具有很大的社会经济效益。目前,国内除雪作业多由人工或其它代用机械完成,其劳动强度大,作业效率低。进口外国先进的除雪设备,造价高且不适合中国国情;而用其它的代用机械如平地机进行除雪作业,则又浪费实用设备且对路面具有破坏性。所以,尽快开发出适合中国国情的低成本、高效率、且宜大面积推广应用的除雪设备,是一项艰巨而紧迫的任务。

1.1.2 本次设计研究的意义

我国北方大部分地区,每年有很长的降雪期,道路积雪给交通运输及人民日常生活带来许多不便。尤其冻结在道路上的积雪与薄冰,采用传统除雪机用推刮的办法无法清除,为此不得不耗费大量人力物力进行人工铲除。采用机械方法清除是一项急需解决的难题。就目前国内除雪机械来看,大多数功能单一,或只能清除积雪、或只能破除积冰[1]。国外的除雪机功能较全,但结构复杂,造价昂贵,且大多不适合国内的道路状况。因此开发研制适合我国道路情况的集破冰除雪于一机的设备,具有十分重大的意义。国外的除雪机功能较全,但结构复杂,造价昂贵,且大多不适合国内的道路状况。因此开发研制适合我国道路情况的集破冰除雪于一机的设备,同样具有十分重大的意义。

1.1.3 有关清雪机国内外研究概况

(1) 有关清雪机国内外研究概况

目前，世界各个国家除冰雪的方法中，应用最普遍的是溶解法和机械法。溶解法是依靠热作用或撒部化学药剂使冰雪融化。其优点是除净率高，但是它的成本很高。而且容易造成环境污染。虽然环保型融雪药剂已经问世，对环境和植被的影响减少了，但是并未彻底根除。因此使用范围受到一定限制。

机械法是通过机械作用直接作用解除冰雪危害。虽然除净率较低，但是对环

境和植被无任何影响。能实现冰雪的异地转移。应用范围比较广。因此，笔者认为：清除冰雪必须以机械法为主，以溶解法为辅助，才能达到快速和环保的除雪效果。

我国对除雪机械的开发、生产都比较晚，因此还处于起步阶段。目前，我国的城市道路和公路冬季除雪大部分仍沿用传统的养护方式，即人工作业和小型的除雪机械相结合的方式。高速公路和一级公路开始使用大型专用除雪机械，进行冬季养护。但是，除雪机械在数量和品种规格上还很少，所以除雪设备大部分依赖进口。机械化程度和总体水平远远落后于发达国家。只是最近几年国内的厂家才参照国外的先进技术研制了适合我国国情的除雪机械。

综观国内外的除雪机械，其类型总的来说有三种类型：

1) 犁式除雪机

犁式除雪机的工作装置一般安装在主机的前端，是所有除雪机中应用最为广泛、起源最早的除雪设备。主要使用于未被压实的新降集雪，其厚度为300mm以下。犁板有整体式和分段式，有V型犁和U型犁之分。其特点是：多数采用了双摇杆机构，避让效果明显，越障高度较大，环境适应性强，可以在硬质雪区工作。有的还增加了滑靴和滚轮等装置，用来减少或消除铲刃对地面的作用力，保护了地面，减少了刀刃的磨损。

具体类型有：

①单向犁-----除雪犁以固定角度装在除雪车前部。

② V型犁-----主要结构和工作原理与单向犁相同，只是结构呈左右对称，形成V形。

③变角度犁------指犁的排雪方向和行进角度可以改变的除雪机械。

④复合犁------又叫铰接雪犁，采用两翼结构，中间垂直铰链可以自由改变形状，形成单向犁、V型犁、变角度犁等犁形。

比较典型的产品有：徐州装载机长的专利产品------调压自动越障式除雪装置。郑工、柳工和沈阳山河等厂家生产的ZL50型除雪机。由于该类除雪机械拥有结构简单、性能可靠、价格低廉等特性，因此受到广大用户的认可，得以广泛的使用。

2) 旋切式除雪机械

旋切式除雪机械工作方式为自行式和悬挂式两种。主要有离心式物料风机、风道、抛雪筒、护板和螺旋型集雪器等部分组成。结构相对比较复杂。工作时借助主机或者专用底盘的动力，驱动风机做高速旋转运动，将集雪器聚拢的雪由风道、抛雪筒抛出去。抛出距离和角度可以根据需要自己调整。在清除雪障时旋切式除雪机械有明显的优势。但是无法清除压实的积雪。

具体类型有：

①螺旋式-----螺旋轴鼓上的叶片呈左右旋向，左右旋向的叶片在轴线中部结合形成U形抛雪槽，U形抛雪槽低部稍微向后倾斜，内侧光滑，工作时轴鼓上的叶片刀刃切削破碎积雪，并将积雪集中送到中部U形槽内抛出。

②转子式-----主要以清除新雪为主要作业对象。转子叶片可以完成切雪、扒雪和抛雪。

③单螺旋转子式-------有转子和一根螺旋组成。螺旋水平布置在转子前，螺旋叶片作成左右旋向，当螺旋周转动时，把两边的积雪送到中间，再由转子抛出。

④双螺旋转子式-------双螺旋转子式的工作装置的两螺旋上、下平行地置于转子前面。

⑤立轴螺旋转子式-------该工作装置将螺旋竖放在转子两侧，螺旋叶片为左右旋向，工作时雪的移动方向为上下运动。

主要机型有：哈尔滨开达公司生产的抛雪式除雪机和吉林大学研制的CX-30型除雪机。

3) 扫滚式除雪机械

扫滚式除雪机械工作方式为自行式和悬挂式两种。在主机或者专用底盘的动力作用下，驱动扫雪滚和扫雪盘做高速旋转运动，扫雪滚和扫雪盘上的柔性强力扫雪刷，将路面积雪卷起使之脱离地面，在高压空气的作用下吹向路边。该式除雪机械主要适合于较薄的或者是犁式除雪机械工作后的残留积雪。即使路面凸凹不平也可以获得无残雪的除雪效果。主要生产厂家有：哈尔滨开达公司和哈尔滨重型机械厂等。

国内的除雪机械虽然有了很大的发展，但其总体水平与发达国家相比，产品品种及性能都还有很大差距。适应不了我国高速公路的发展的需求，主要体现在以下几个方面：

①技术水平低，除雪机械在结构设计、制造工艺、零部件供应和使用管理等方面都存在技术水平低的问题。致使除雪机械可靠性差、故障多、寿命短。

②功能单一。除雪机械具有明显的季节性，如果功能单一，只能用做除雪和除冰专用，那么，机械一年中大部分时间处于闲置状态，大大增加了除雪的成本。加重了公路养护部门的负担。

③品种类型不全。与国外相比，现在有不少除冰雪机械在国内还是一片空白。现有的除冰雪机械无法满足公路和大型机场的除冰雪的要求。

(2) 国内外在这个方面的发展方向：

加强对雪质、雪性的基础研究。

为了提高除冰雪机械的设计水平，需要对冰雪的力学性质和物理特性进行深入研究。特别是对压实冰雪的理论研究。据有关资料研究：东北地区压实冰雪占总的除雪任务的80%以上。

①向一机多能和机电液一体化方向发展。

在现有的条件下，可以对汽车、拖拉机、装载机和推土机等设备进行改装，冬季降雪时用来除冰雪作业，其余时间可用来进行公路养护和其他作业。可以提高设备的利用率。采用机械、电子、液压等技术提高除雪机械的科技含量，减轻工人的劳动强度。

②向大型、小型和高速方向发展。

我国的地理环境复杂，各个城市道路建设布局各异，冬季降雪情况不同，在除雪设备的选取上也不尽相同，因此要开发出大型、小型的各种除冰雪机械，以满足不同地区和工况的除冰雪要求。同时要开发出效率高的机械，避免除雪作业造成路面交通拥挤。例如，东北有些城市规定：对于市区内主干道，雪停止24H 后需运出城市外。

③加强行业间的技术交流与合作。走共同研发之路。

各个厂家根据自己的实际情况开发出的产品各有优缺点，为了加快除冰雪机械的开发和应用，应加强企业间的合作，集中财力、物力和人力走共同发展之路，实现除冰雪的机械化。

1.2 本设计预期达到的目标

在ZL40型装载机的前端安装除雪装置-----斜刃螺栓连接式压磙除厚冰雪装置。

采用斜刃式除雪装置，使冰雪在破冰刀刃的作用下破碎。压磙与ZL40型装载机大臂相连。设计出包括铲及其连接机构。画出全部图纸：装配图、部件图、零件图、总明细表。

设计时要保证相应构件的可靠性，所以要进行相应的力学分析、设计计算、方针模拟等。并要求用计算机软件对重要部件进行详细的运动学和动力学分析。设计相关的软件。

通过这次设计，要不仅温习好大学四年所学的大不分的理论知识，还要培养工程实际应用的能力，锻炼实际的动手和全局的驾御能力。对装载机和除雪机械有更深的认识，加强在此方面的设计能力。

1.3 本设计研究内容、研究方法及技术路线

1.3.1 斜刃螺栓连接式厚冰雪磙压除雪机的整体方案构想

斜刃螺栓连接式厚冰雪磙压除雪机是针对我国道路情况设计的破冰清雪除雪设备。该设备主要起破冰作用的碾压辊构成。

该设备的主机架可与ZL40装载机直接联接。该设备碾压辊固定在联架臂上,联架臂通过大臂与主机架铲接。碾压辊上装有刀板,刀板上的刀条直接作用在冰面上,利用自身的重力和空气锤的振动的冲击力达到破冰目的。

1.3.2 结构原理和计算要点：

斜刃螺栓连接式厚冰雪磙压除雪机是利用前部安装的碾压辊上装有的刀板对雪进行切削，利用自身的重力和空气锤的振动的冲击力达到破冰目的。

(1) 刀齿分布结构：

采用斜刃螺栓连接式，材料用耐磨仿形材料。按与地面平行布置在压磙上，前后两排刀齿位置错开。

(2) 除雪机功率的计算：

除雪机所消耗的功率包括两大部分：行走装置和工作装置所消耗的功率。行走装置所消耗的功率可以参照一般自行式车辆的计算办法。下面对除雪工作装置的所消耗的功率Na做一分析：

Na=Ne+Nf+Nr+Nd

其中：N e-----推雪板切削所需功率, KW

N f-----克服雪与板面的摩察力所需的功率, KW

N r----推雪板前雪堆移动所需的功率，KW

N d----板刃与存雪地面间的摩察力所需的功率。KW

(3) 拟采用的研究方法

采用新旧技术相结合的方法。因为有关装载机和除雪机构的研究在我国已经有了一定的进展------即使和发达国家相比还很落后-----在很多领域。但近几年我们引进了很多先进的技术，特别是除雪机械方面的，加上我们的有关装载机和其他工程机械的研究知识，将这两方面的知识有机地结合起来，实现新的突破，研制出适合我国国情的公路养护机械-----集工程作业和除雪能力于一体的多功能机械产品。

(4) 拟采用的技术路线

研究冰雪的物理和力学特性------查阅国内外有关装载机和除雪机械、机构的设计资料和最新进展------消化、吸收个方面的技术资料，并加以整理和创新------技术设计和整机设计。

1.4 本课题实现的现有条件

国内外关于ZL40装载机的数据和文献资料的搜集较为便利。在理论上和方法上具有很强的借鉴意义。指导老师邓洪超老师在我国装载机技术和除雪机械的研究方面走在前列。对我国这方面的情况很了解，是这方面的专家。有很深的理论和实践知识，为本课题的研究奠定了很好的理论和实证基础。本人对于装载机和除雪机械也有一定的认识，相信一定能在邓老师的指导下顺利完成课题的研究。并取得优异的毕业设计成绩！同时为我国在此领域的研究作出自己应有的贡献！

1.5 研究的主要内容和方法

本文针对路面上被压实的冰雪研究路面冰雪清除机械。方法是进行理论分析和计算，并重点进行实验研究。具体研究内容如下。

1.5.1冰雪切削挤压破碎技术、总体方案

主要阐述冰雪的物理机械性质；根据所提出的对路面上压实冰雪进行挤压、切削、破碎的技术思想，分析路面冰雪清除机基本原理并确定样机基本方案；分析整机的牵引平衡和功率平衡，确定路面冰雪清除装置的重量，进行整机匹配计算及分析。

1.5.2 碾压滚型式和结构

主要阐述工作装置碾压滚结构型式研究和碾压滚参数。

1.5.3 滚齿排列方式及刀刃几何参数

主要阐述齿刀在碾压滚上的排列方式；齿刀的数量和间距；齿刀几何参数确定。

1.5.4 各主要零件的校核验算

主要是对齿刀的强度、销轴剪切强度、轴的强度以及轴承进行校核计算。

第2章路面冰雪清除机机理研究

2.1 冰雪的物理机械性质

路面冰雪清除机械的行走机构以及清除冰雪的工作装置与路面上的冰雪相接触。冰雪的形成特性及其物理机械性质在相当大的程度上决定着清除路面上冰雪的方法，要研究行走机构和工作装置与冰雪的相互作用关系，首先要分析冰雪

的物理机械性质。

冰雪的基本特征之一是它的密度，其变化范围很大，如表2.1所示。硬度是雪的物理机械性质的主要指标之一，表示冰雪阻止其它物体压入的特性，其数值是根据它的密度和状态决定的，如表2.2所示。雪的硬度、密度和温度之间存在着如图2.1所示的关系，温度愈低，硬度愈高；密度愈大，硬度愈高[4]。

后面对路面冰雪清除机的工作阻力以及牵引力进行计算时，需要知道雪的机械性质，表示雪的机械性质的指标通常是内外滑动摩擦系数、切削阻力系数、附着系数和行驶阻力系数。

雪的摩擦性质决定于它的内外摩擦系数。根据雪的状态，它的内外摩擦系数分别列于表2.3和表2.4。

表示雪的切削阻力的指标，一般是用切削阻力系数k0，它是切断横断面等于1㎡的冰雪层所必需的力，k

的大小载入表2.5中。

路面上积雪之后，大大地改变了路面的使用特性。对于冬季养护道路的机器进行牵引计算时，必须知道机器沿着各种冰雪路面行走时的滚动阻力系数和

载入表2.6。

附着系数。轮胎与冰雪路面间的附着系数

c

行驶阻力系数，一般较外摩擦系数大，因为它不仅产生摩擦，而且还挤压雪。轮式和履带式车辆的行驶阻力系数按表2.7选取。

很密实的0.51～0.60 380～3000

图2.1 雪的硬度与密度和温度的关系

2.2 路面冰雪清除机基本方案、原理

对于路面冰雪的清除，人们曾尝试了各种清除原理和方案，这些原理和方案有的已在实际中使用，有的则还在探索和完善中。例如，对于清除未被压实的浮雪，犁式清雪机和转子式清雪机已在应用中，二者分别采用了推移和旋切的原理。对于被压实的雪、冰或冰雪混合物，采用的清除原理有铲剁、锤击、等，但这些方法经实验证明要么原理不完善，要么清除压实冰雪的效果不，有待于进一步完善。

针对上述情况，本文尝试提出了一种对路面上压实的冰雪进行挤压、切削、破碎的技术原理。这一思想的来源可联想到金属切削加工，如铣床的铣刀切削

雪的密度（g/㎝3）

雪的温度（O C）

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

加工金属件。根据这一思想，确定基本方案

首先选择一种汽车或自行式工程机械作为动力机。

在我国，由于冬季降雪时间只占全年的三分之一，根据我国的经济发展状况，单独设计清除冰雪动力机一机一用，机械闲置时间太长，造成浪费。为此，本文以装载机为动力机来研究清除冰雪工作装置。

根据对路面上压实的冰雪进行挤压、切削、破碎的基本思想，清除冰雪工作装置可以由托架、带有刀刃的碾压滚组成，能够与铲斗互换，冬季除冰雪时取下铲斗换上该装置，清除被压实了的冰雪，其他季节装上铲斗，实现装载机的多功能使用。作为动力机的装载机，我们可以选择现有的国产机型如ZL30、ZL40、ZL50装载机。本文确定ZL40E装载机作为动力机进行分析研究和计算。

根据对路面上压实的冰雪进行挤压、切削、破碎的基本思想，清除冰雪工作装置可以由托架、带有刀刃的碾压滚组成，能够与铲斗互换，冬季除冰雪时取下铲斗换上该装置，清除被压实了的冰雪，其他季节装上铲斗，实现装载机

的多功能使用。作为动力机的装载机，我们可以选择现有的国产机型如ZL30、ZL40、ZL50装载机。本文确定ZL40E装载机作为动力机进行分析研究和计算。其主要性能参数如下：

额定斗容量（m3） 2.1

额定装载质量（㎏） 4000

整机操作质量（㎏） 12500

轴距（㎜） 3020

轮距（㎜） 1980

最大崛起力（kN） 136.0

最大牵引力（kN） 110.5

水平通过半径（mm） 6322

转向半径（mm） 5686

发动机型号 X6110ZG3-22

标定1h功率(kW) 113.9

额定转速（r/min） 2200

行驶速度（km/h）Ⅰ:14.46 Ⅱ:46.35

最大爬坡能力（°） 30

车体最大转向角（°）左、右各38

本次设计基本方案如图2.2所示，由托架、带有刀刃的碾压滚组成的冰雪清除工作装置替换铲斗，碾压滚上的滚刀破冰，司机控制滑靴调节滚刀切入深度，以免损伤路面。

图2.2 路面冰雪清除机方案

动力机在行走的过程中带动碾压滚滚动。碾压滚滚动时，由于碾压滚上带有刀齿，碾压滚靠自身的重量，附着在冰雪面上，刀齿切入经碾压后形成的很厚的冰或冰雪混合物后，对其产生挤压切削破碎作用。

装载机是一种用途十分广泛的工程机械，它的优点之一是可按实际需要更换工作装置。将清除冰雪装置换上后，即变成了路面冰雪清除冰机械。本次设计选用ZL40E装载机作为动力机，将路面清除冰雪装置替换铲斗后即为路面冰雪清除机。

路面冰雪清除机的关键部件是它的工作装置。该装置由两部分组成，即：托架和带有刀刃的碾压滚。碾压滚与托架连接，托架与装载机动臂和转斗拉杆相连。利用装载机的牵引力推动碾压滚滚动。

碾压滚形状呈圆柱形，碾压滚上用螺栓有一定数量的刀齿，刀齿与圆柱面形

成一定的角度。装载机启动前，碾压滚靠自身的重量附着在冰雪面上，同时对冰雪面产生压力，启动后由于装载机的牵引力，推动碾压滚向前滚动。由于压力的作用，刀齿产生切削力切人冰雪层内。由于滚动是连续的，所以刀齿对冰雪层产生了连续的切削挤压，使冰雪层破碎并与地面分离。具体结构和参数见第三章和第四章结构分析部分。

当地面冰雪层很硬很厚时，单靠碾压滚自身的重量对冰雪产生的压力使刀齿产生的切入力不够，清除冰雪效果可能不十分理想。这时可以考虑：

(1) 在冰雪清除工作装置滚筒内部加配重，装置对冰雪的压力加大，刀齿的切入力也加大。

(2) 通过司机操纵转斗油缸动作减小或加大对冰雪的切削压力。当操纵转斗油缸使装载机前轮离地时，装置产生最大的对冰雪压力，此时除装置本身重量外，动力机机重的一半亦加在了冰雪清除装置上，使刀齿产生更大的对冰雪的切削力。

2.3 整机分析及装置重量的确定

2.3.1整机的组成

路面冰雪清除机的总体分析和设计就是根据其用途合理地选择和确定各总成的结构型式、性能参数及整机尺寸等，并进行合理的布置。

本次设计由于是把ZL40E装载机作为动力机，所以需要考虑的是把清除冰雪装置与动力机有机的结合在一起。路面冰雪清除机主要由两大部分组成（见图2-2）：1、动力机（装载机）2、清除冰雪装置（托架、带有刀刃的碾压滚）。

机器的性能不仅取决于动力机、清除冰雪装置各自性能的好坏，而更重要的是取决于这两大部分性能的相互协调。性能的协调如何，则取决于总体参数及整机匹配情况及其布置的合理性。

针对前述的基本方案并考虑动力机的基本参数，确定本设计中路面冰雪清除机的主要性能指标如下：

1）最大清除冰雪厚度：不小于100 mm ；

2）单程清除冰雪宽度：2268 mm ；

3）作业速度： 16～47 km/h ；

4）清除冰雪效率（按面积计算）不小于95% ；

5）冰雪清除装置质量（最大配重） 3600 kg ；

6）整机质量(最大) 12500 kg 。

2.3.2清除冰雪装置重量

冰雪清除装置替换掉ZL40E装载机铲斗。装置与铲斗的工作状况不同，其计算工作阻力的方法也不相同。铲斗在工作时，受到来自前方土壤的阻力，作用在斗刃、斗底、侧板等部位，由经验公式计算。本次设计的冰雪清除装置随装载机主机一边向前滚动，一边切削地面上的冰雪，其受到的阻力大小和重量的确定与铲斗不同。

冰雪清除装置重量的确定有三个基本要求：

(1) 装置的重量不得大于动力机（原装载机）的额定起重量Q（kN），否则机器将失去纵向稳定性；

冰雪清除装置的结构尺寸不得与动力机前车架、前桥、车轮干涉；

(2) 由装置所产生的刀刃上的切削力应足够大，且大于冰雪的切削比阻力。根据上述三个条件进行冰雪清除装置的结构设计。装置由刀刃﹑滚圈﹑轮榖﹑轴﹑端盖﹑托架﹑配重组成。配重装置在滚圈内部。其具体结构见第三章 3.1.1部分图3.1。按图可分别得到各零部件重量：

①滚圈： 10004N

②轮毂： 3646N

③轴： 1052N

④轴套： 720N

⑤托架梁: 8472N

⑥配重: 6385N

⑦其它零部件： 5721N

装置不加配重重量：G0=29615N

装置加配重重量： G1=36000N