1、精品除雪机 小型清雪机 道路除雪除冰机 除雪机械设计攻关总结道路除雪除冰机械研发技术课题和攻关总结河北五星电力设备有限公司特推出仿人力智能除冰机械。智能机械除冰稿系统，除冰效果极佳，属全国首创，螺旋导向清理冰雪，自动将冰雪清理至清扫车一侧；螺旋导向高强扫轮清扫浮雪并自动将浮雪清扫至清扫车一侧；驾驶员可通过观察、控制除冰镐工作情况和除冰雪效果；机械除冰镐易磨损的镐刃置换十分方便，并且成本低廉，多功能化设计可实现除冰、清雪、扫雪于一体，夏季可将整机前部拆下并十分方便的将装载机斗安装上，可做为装载机使用，体现整机设计巧妙，利用价值高，解决了一般清雪机的单一性。本产品全新理念设计，功能卓越，已获得国家
2、多项专利。是根据国际和国内的最新形势和市场需求而确定的研究课题。对实际的生产和生活有很大的实际意义。是隶属于国家攻关课题-多功能铲雪车研制的一部分。1.1.2本次设计研究目的中国北方大部分地区,每年有35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
3、,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。1.1.3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
4、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。1.1.4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
5、。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
6、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：单向犁-除雪犁以固定角度装在除雪车前部。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。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。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
7、、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：螺旋式-螺旋轴鼓
8、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。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。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。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。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。河北五星电力设备有限公司WX-2012型冰雪清除机(除冰
9、清雪车)具备操作简便，维护维修方便快捷，故障少等特点，各个破碎铲都是独立工作的，即使个别破碎铲出现故障不影响整机操作，低能耗；是大型清雪机每小时燃料的十分之一采用橡胶履带行走装置保证坡路和光滑的冰雪层上作业。根据用户要求2010年又采用了ZL-20加高型轮式装载机作为该机的配套主机，使其在清雪季节过后还可清楚小区内的垃圾、建筑工地的施工作业、可牵引运送垃圾的液压翻斗车等环卫车辆。液压管路采用快换接头方式、安装方便快捷、大大提高了该机利用率85%以上。液压转向，密封驾驶室，配置有供暖系统，视野开阔，操作环境舒适。可根据用户需要制造1-3米系列机型。五星冰雪除冰机的主要参数发动机型式立式、四缸、水
10、冷、直喷燃烧室?标定功率KW（护坡）48（65）?装载机44（60）标定转数r/min24002600前进挡速度km/h1.02-9.5倒档km/h0.67-2.55工作幅宽（米）1-3破碎厚度（mm）40破碎面积（m2）/h2500-6000刮除面积（m2）/h23000-整体尺寸长（m）5.3装载机7000宽（m）2.933000高（m）2.853000整机重量（kg）30004000燃油箱容积（L）120液压油箱容积（L）80小型自动除冰扫雪机工作原理基本结构：目前小型机械式清雪车主要由原动机、传动装置、集雪装置、抛雪装置、行走系统和操作系统组成。原动机可以采用电机或发动机，目前大多采用
11、汽油机或柴油机；集雪装置用来收集积雪，主要采用推雪铲或螺旋状搅龙；抛雪装置是将收集的积雪抛到路的一侧或收集装置中。主要的方式有抛雪叶轮和鼓风机两种；行走装置是来实现机器的前进，有手推式和自走式两种；操作装置主要控制设备的运转和行进方向。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。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
12、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
13、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。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
14、.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。表2.1雪的密度雪的状态密度（g/cm3）新下的雪落下30天的雪大于30天的雪密实的雪冰雪混合冰0.100.150.200.300.340.420.400.600.600.750.90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，k0的大小载入表
15、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附着系数。轮胎与冰雪路面间的附着系数载入表2.6。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。表2.2雪的硬度雪的状态雪的密度（g/cm3）当温度由-1-20OC时雪的硬度（kPa）松软的弱密实的密实的很密实的小于0.250.260.350.360.500.510.60小于506010021020003803000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
16、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，如铣床的铣刀切削表2.3内摩擦系数2雪的密度（g/3）雪的温度（OC）0附近-1-6-10以下0.120.200.300.400.47
17、0.560.240.300.350.400.420.450.290.330.390.440.470.500.340.360.460.500.530.57表2.4外摩擦系数（对钢）1雪的密度（g/3）雪的温度（OC）-2-4-16-30-100.10.20.30.40.450.500.100.0850.070.0550.0480.0250.140.0970.080.0650.0480.0330.180.110.090.0750.0560.040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
18、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
19、上该装置，清除被压实了的冰雪，其他季节装上铲斗，实现装载机表2.5雪的切削阻力系数k0雪的状态雪的密度C（g/3）雪的温度（OC）-1-3-4-22低于-22天然状态松软的弱密实的小粒冰雪形成密实的大粒冰雪形成密实的0.120.180.200.280.300.360.280.350.71.82.04.03.06.04.07.00.20.81.53.04.07.03.06.00.41.22.05.05.10.05.09.0人工状态弱密实的密实的很密实的0.300.400.450.520.550.655.012.010.025.020.035.08.025.015.040.030.080.05.0
20、35.030.080.070.0130.0表2.6轮胎与冰雪路的附着系数雪的状态轮胎类型附着系数C密实冻结的雪密实冻结的雪密实解冻的雪压实的冻结雪压实的解冻雪解冻的雪低压胎高压胎低压和高压胎高压胎高压胎低压胎0.200.350.200.250.100.200.2090.1760.060.08表2.7行驶阻力系数雪的状态雪的密度g/3）阻力系数f轮胎履带松软的松软潮湿的轻碾压的碾压的冰雪0.150.250.150.250.250.350.40.60.70.20.250.30.150.20.080.10.060.080.20.20.10.050.070.1的多功能使用。作为动力机的装载机，我们可以
21、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）:14.46:46.35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
22、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
23、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
24、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、
25、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100mm；2）单程清除冰雪宽度：2268mm；3）作业速度：1647km/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）3600kg；6）整机质量(最大)12500kg。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
26、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。
27、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：滚圈：10004N轮毂：3646N轴：1052N轴套：720N托架梁:8472N配重:6385N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由装置结构和在整机上的安装可知结构上不存在干涉现象。装置加配重重量G=36000(N)，小于我们所选动力机ZL30装载机的额定起重量Q=40000(N)。由装置重量所产生的切削力将在第四章中加以讨论。第4章齿刀的研究4.1齿刀在碾压滚上的排列数量间距齿刀是清除冰雪装置上的重要零件，齿刀设计的好与坏将直接影响到整机清除冰雪的效果。在冬季，高速
28、公路、普通公路、市区道路上积雪由于清扫不及时，而被碾压成冰或冰雪混合物状态。这层冰雪由于受到温度的变化和外力挤压密度很大。由于地面上有灰尘等其他杂质的存在，这层冰雪与地面的粘连不是十分紧密的，因此只要冰雪层被破碎，形成面积较小的碎块，就能自动与地面剥离。我们在分析齿刀的数量及间距时主要是依据冰雪的这种特点。刀齿的排列方式及数量将直接影响到工作装置的清除冰雪效果。齿刀过密、间距过小甚至没有间距，虽然刀齿受力减小，但从压实冰雪的特点来看，造成整机成本增加，是没有必要的。另外，周向布置排数过多、过密造成前排刀齿还没有切入冰层，后排刀齿已与冰雪面接触，连续工作情况下，不是有效的除去冰雪，而是象一个机动
29、车的防滑装置。布置排数过少，齿刀过稀，间距过大，使刀齿切入冰雪层后，不能产生有效的挤压，造成部分区域冰雪层不能被破碎，形不成小碎块，冰雪层难与地面分离。清除冰雪效果不好，工作效率低。齿刀碾压滚组组件如图4.1所示。刀齿在滚子轴向共布置12排，滚子分两节，每节6排。轮缘上每圈均匀布置13个刀片，相邻圈上的刀片错开1/2间距排列。刀片总数量156片。整机启动后，当第一排齿切入冰雪面后，造成冰雪层松动，如果各排齿间距过大，在工作面上看到的只能是一排排印痕，起不到对冰雪的破碎作用。由于滚动是连续的，当后排齿连续切入冰雪面时，因为各排刀齿错开1/2齿距排列，单位面积上的冰雪层同时有若干个刀齿切入，单位面
30、积切入力加大，造成有效工作面积内冰雪层完全破碎而与地面分离。4.2齿刀几何参数齿刀与滚筒的连接可以采用两种方式，即焊接和螺栓连接。焊接方式强度高，螺栓连接易于更换刀齿。本次设计采用螺栓联结方式。其结构与尺寸见图4.2所示。齿刀材料选取16Mn,因刀具角度是切削性能的重要参数，通过分析比较，确定了齿。刀的几个关键角度。齿刀前角为20，后角72，齿刀在滚筒上的安装采用前倾式，安装角160。图4.1压滚组件4.3切削力计算由表2-5知，密实冰雪（0.550.65g/m3）在-20以下的切削阻力系数p=（70-130）kPa。冰雪清除装置上的齿刀对冰雪的切削力等于装置的重量除以刀刃的接地面积。冰雪清除装置加配重对冰雪产生的压力p1=G1/A=36000/(2.2680.01)=1587.3kpap（4.1）由此可知，冰雪清除装置对冰雪产生的切削力在两种情况下均大于冰雪的切削比阻力。图4
