大型清雪机结构设计.doc
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大型清雪机结构设计.doc
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大型清雪机结构设计
摘要
此论文较为详细的说明了大型清雪机的结构设计和工作原理;接着论述了螺旋铲的结构设计并对其中一些重要零件进行了校核计算;然后是对减速器的设计与计算,提出了多种种传动方案,并论证了各自的优缺点,最终选择了一种较理想的传动方案,并对此方案进行了设计与计算;本文通过对螺旋铲的结构设计及计算,确定了螺旋铲各部分结构及尺寸;通过对传动方案的提出及优缺点分析,确定了减速器的传动件结构,由传动零件的设计及计算可知,此清雪机构的传动装置具有结构简单、紧凑,效率高,噪声小,成本低,工作可靠等优点;通过对旋抛机的结构设计及计算,确定了旋抛机的各部分结构及尺寸。
最后对本设计的可行性进行了分析。
本清雪车的结构比较简单,能够很好的完成清雪任务。
由于该清雪车结构中大量采用了标准件,故此清雪车制造和维修保养都比较方便;除此之外,清雪车的其它零部件也大都采用了型钢和一些价格较便宜的常用材料,因此,此清雪车的制造成本不会很高,而且维修保养的费用也很低。
由于此清雪车的传动机构采用了斜齿轮和锥齿轮传动,且传动件的加工精度比较高,故传动效率很高,功率损失小,节约了能源;另外,由于采用了齿轮传动,所以清雪车工作时噪音很低,符合环保要求。
关键词:
清雪机结构;螺旋铲;旋抛机
DesignofLargeSnow-clearingMachine
Abstract
Usingtheunmixedsnow-clearingofmachinerytosubstituteforman-madesnow-clearingbeingthatwehope,thisthesishascarriedondetailedanalysisanddemonstrationtothesnow-clearingmachinethatmydesigned.
Themajorworkpartsofthissnow-clearingmachinearerotarythrowingsnowplough,decelerationparachuteandrotaryspiralshovel.Thenecessityandurgencyofsnow-clearingmachineofdesignfirstlyexpoundedinthisthesis.Thenhasdiscussedthestructuredesignofrotaryspiralshovelandcalculatestothekeyparts.Thenisdesignandcalculationofdecelerationparachute,andhasputsforward4kindsoftransmissionschemestothedecelerationparachute,hasmentionedinthesamebreathtohaveprovedeachthemostexcellentandshortcoming,finallyselectedonekindtheidealtransmissionscheme,andhasbeeninprogressdesigningtothisschemeandcalculates.Nexttherotarythrowingsnowploughhascarriedondesignandcalculations.Theanalysisfinallyhasbeeninprogresstofeasible
Itisknowablewithcalculationtopassthroughtheanalysisofdetail,thesnow-clearingmachinedesignschemeisfeasible,thestructuredesignisreasonably,andtheeconomysatisfiestherequirementwithenvironmentalprotection,thereforetheenoughsatisfiedrealityworkofthissnow-clearingfunctionneeds.
Keywords:
snow-clearingmachine;rotaryspiralshovels;rotarythrowssnowplough
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目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1课题背景 1
1.2除雪机市场分析 2
1.3技术要求和主要内容 3
1.4设计方案及计划 4
1.5本文主要内容 6
第2章螺旋铲结构设计 7
2.1引言 7
2.2螺旋铲结构及组成 7
2.3销轴联轴器的结构设计及计算 7
2.3.1销轴联轴器的结构设计 7
2.3.2销轴的强度计算 7
2.4其它零部件设计及选 9
2.4.1衬套 9
2.4.2螺旋铲支撑 9
2.4.3螺旋铲叶片 9
2.4.4花键连接及螺栓的选用 10
第3章减速器结构设计及计算 10
3.1传动方案的选择 11
3.1.1传动方案的制定 11
3.1.2传动方案的确定 11
3.2传动装置的传动比分配及动力和运动参数的确定 11
3.2.1传动装置的总传动比及分配 12
3.2.2确定传动装置中各轴的运动和动力参数 12
3.3传动装置中传动零件的设计 13
3.3.1斜齿圆柱齿轮设计 13
3.3.2直齿圆锥齿轮设计 14
3.4清雪机的设计 16
3.4.1选择齿轮材料、热处理方式和精度等级 16
3.4.2确定传动尺寸 16
3.4.3校核齿根弯曲疲劳强度 17
3.4.4输入轴结构设计及计算 18
第4章旋抛机的结构设计及计算 23
4.1引言 24
4.2旋抛机结构及组成 24
4.3销轴联轴器的结构设计及计算 24
4.3.1销轴联轴器的结构设计 25
4.3.2销轴的强度计算 25
4.4旋抛机轴的设计及计算 27
4.5其它零部件设计及选用 27
4.5.1衬套 27
4.5.2花键连接及螺栓的选用 28
结论 29
参考文献 30
附录A 31
附录B 37
致谢 41
大型清雪机结构设计
第1章绪论
1.1课题背景
我国北方冬季漫长,降雪频繁、降雪量大。
高速公路和机场跑道积雪会给人们出行带来极大不便,不仅影响正常交通秩序,还存在安全隐患,极易发生交通事故,每年因路面积雪而引发的交通事故很多,数辆乃至数十辆汽车在途中首尾相撞的事故时有发生,直接威胁到人们的生命财产安全,高速公路和机场的积雪已成为交通的“白色杀手”。
为了避免上述现象发生,下雪后必须及时、彻底清除路面积雪,给人们创造一个良好的出行环境。
传统的清雪方式是人工清扫和往道路上撒盐,而这两种方法都存在弊端,人工清雪工人劳动强度大、工作环境恶劣、效率低、清雪不彻底,而且过往车辆还会威胁到工人的人身安全;而往道路上撒盐则会直接对环境造成污染。
因此我们觉得机械化清雪势在必行,它有着人工清雪所无法比拟的许多优点:
高效、低耗、清雪彻底等。
随着时代的进步和人类社会文明程度的提高,人工清雪以不能满足人们对机场和高速公路的要求,采用机械设备清雪来代替人工清雪是人们所希望的。
因此很多单位和个人都致力于研究和开发高性能清雪设备。
现在已经有一些清雪设备问世并投入使用。
它们有的是在卡车前面加装推雪板,工作时先将积雪聚拢然后由人工或装载机将雪装入卡车运走;有的在压路机的滚子上面安装铁钉;还有的采用锤击方法将积雪打碎再收起,等等。
但是这些现有的清雪设备都存在一些不足,比如:
效率不高、清雪不彻底、对道路损伤大等,而进口清雪车价格昂贵不利于普及。
所以,设计一套工作可靠、清雪彻底、效率高、对路面损伤小、能耗低、造价少的清雪设备有其实际意义。
另外,这也是一个国家、一座城市现代化与文明程度的标志之一。
此题目的完成旨在综合运用大学四年所学的知识,培养独立分析问题、解决问题的能力,正确的思想方法和工作态度将终身受益。
1.2.除雪机市场分析
图1-1大型清雪机(A)图1-2大型清雪机(B)
首先我国地域广阔,气候复杂,四季分明。
当南国春暧花开,百花争艳之时。
北国迎来的却是皑皑飘雪,万里冰封的世界。
改革开放以来,随着我国政治、经济、文化的快速增长,我国公路、铁路、机场等设施也在其带动下空前的发展。
但是,我国北方每年几十万里的道路冰雪严重阻碍了社会、经济、文化活动的发展,这一切都源于北方每年有着三四个月的冰降期。
这一问题就给冬季道路养护带来了不可或缺的必要性。
其次,站在日本市场角度看,我国除雪机械的发展趋向。
日本不仅仅是个多岛小国,更是个多雪国家,积雪覆盖率甚是广阔。
日本国土厅划定的大雪区域占国土面积的52%,约20万平方公里。
因此,日本对除雪机械技术和降雪机械都非常看重,并且在这方面有着很大的发展前景。
根据统计,到2007年日本各类除雪机械保有量为45678台,转式除雪车8467台,推土机6364台,除雪卡车7678台,除雪平地机5456台,防冻剂撒布车3135台。
相对日本来说,我国北方被大雪覆盖的公路面积约占我国国土面积的20%不止。
也就是说有200多万平方公里,约等于日本划定的大雪区域面积的10倍。
据不完全统计,在这如此广阔的土地上,运行几百台除雪机械,这与我国公路除雪要求相差甚远。
第三,我国道路建设起步晚又发展快,除了雪机械配置普遍较差。
目前,人工清扫与自然融化还是占着主要地位。
因此,除雪机械在我国有着强大的市场基础。
由于目前筑路机械种类较多,门类基本完整,开发空间相对较小。
众多厂家早已把目光抛向路面养护机械。
除雪机械的广大前景还是没有被发现和重视。
虽然有几家参照国外技术研制出一些除雪机械。
但与世界先进除雪机械技术比,无论从规格、数量、性能上都有着很大差距。
暂时还不能完全适应我国目前公路除雪技术的要求。
综上所述,除雪机械在我国有着巨大的市场潜能,是我国未来道路养护机械开发的重要方向之一。
虽然有些厂家已经介入,但由于资金、科研技术实力有限,只能进行一些初级的开发。
对有关企业而言,希望的是能够尽快组建除雪机械课题组,着手技术资料、情报信息的搜集整理工作。
以便更好的为后期开发做好准备,称早进入除雪机械市场。
为企业持续、稳定的发展提供技术储备和保障。
1.3技术要求和主要内容
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、附着系数和行驶阻力系数。
表1-1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
0.10~0.15
0.20~0.30
0.34~0.42
0.40~0.60
0.60~0.75
0.90
表1-2内摩擦系数μ2
雪的密度
(g/㎝3)
雪的温度(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1-3外摩擦系数(对钢)μ1
雪的密度
(g/㎝3)
雪的温度(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
从以上表格可知清雪机对路面冰雪的适应能力要多变。
清雪车要求结构简单、工作可靠、操纵方便、便于加工制造及维修、有过载保护机构;各回转件、移动件润滑良好;各联结处密封有效、不得出现漏油现象;工作时噪音低、防振性好;高效、节能、清雪彻底,能适应雪量变化,清雪厚度及行进速度可调;对路面状况适应性强,对路面损伤小。
作业宽度2500mm,工作时行进速度为0.3km/h—20km/h,空载时行进速度为30km/h,噪音低于80dB。
1.4设计方案及计划
综观国内外的除雪机械,其类型总的来说有以下几类型:
1)犁式除雪机具体类型有:
①单向犁②V型犁③变角度犁④复合犁
2)旋切式除雪机械具体类型有:
①螺旋式②转子式③单螺旋转子式④双螺旋转子式⑤立轴螺旋转子式,旋切式的特点是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。
综观以上结构,本次设计以旋切式为基础进行改进设计。
清雪机由输出功率为80马力以上的机车牵引,牵引机车输出转速为1000r/min以上。
清雪机主要工作部件由旋抛机和螺旋铲组成。
工作时,由螺旋铲将机车行进前方2500mm宽度范围内的积雪收拢,并不断送入旋抛机,旋抛机高速旋转形成低压区,将由螺旋铲送来的积雪快速吸入、同时加速,然后从旋抛机上方的出雪口抛入运雪车斗或抛到路边。
螺旋铲和旋抛机固定在一个钢结构架上,此钢结构架则与牵引机车相连,形成一个整体。
钢结构架可由液压缸控制,能在50cm范围内垂直升降,以适应路面变化和积雪厚度变化,牵引机车空载行驶时液压缸可将钢结构架举起实现快速行进。
另外,在钢结构上螺旋铲和旋抛机之间还安装有两个万向轮,通过万向轮轴上的螺母可以根据路面状况调节该轴的长度,万向轮可以起到支撑作用,同时,还能随路面变化自动调整螺旋铲与路面的距离防止螺旋铲碰伤路面。
在螺旋铲下方,螺旋铲和旋抛机之间安装有一组刮雪片,它始终与路面相切并与旋抛机罩相联接,刮雪片可由两个滑动垫块调整与地面的距离,它的作用是将路面极薄的雪层收起并送入旋抛机。
在螺旋铲叶片外侧还镶有尼龙刷,它的作用是将路面浮雪扫起。
刮雪片和尼龙刷共同作用达到彻底清雪的目地。
由于清雪机清雪部件与路面始终是软接触,所以此清雪机工作中不会对路面产生任何伤害。
旋抛机与螺旋铲均有过载保护装置,它们由两组销轴组成。
在螺旋铲的叶片与驱动轴之间有两个销轴,正常工作时此二销轴与其他零件组成销轴联轴器,起到传递动力的作用,如果螺旋铲工作时碰到硬物过载,销轴则会被剪断,螺旋铲停止工作,此时销轴则起到安全销的作用;同样,旋抛机叶片和驱动轴之间也有两个销轴,正常工作时传递动力,当叶片被积雪或硬物阻塞时销轴剪断螺旋铲停止工作,这样就能有效保护其它零部件不被损坏。
牵引机车输出轴有4级转速以满足不同的需要,可以根据具体情况恰当选用。
旋抛机驱动轴与螺旋铲驱动轴之间由减速器实现降速传动,速比为2.42/1,采用此速比的目的是使旋抛机有足够的能力将积雪抛出,以免积雪堵塞旋抛机叶片。
减速器采用二级齿轮传动,高速级采用斜齿轮传动,低速级采用圆锥齿轮传动。
动力传递路线是:
牵引机车输出轴→万向联轴节→旋抛机驱动轴→减速器→螺旋铲驱动轴。
单纯的除雪设备具有极强的季节性,其使用效率极低,此清雪车的另一种用途是除沙,在我国的西北部地区,一年四季常受风沙的侵袭,高速公路和机场跑道积沙也是一件另人头疼的事情,如果采用此清雪车除沙也一定会达到另人满意的效果。
此清雪车的另一优点在于,清雪机构与牵引机车采用活性连接,清雪车闲置时可将清雪机构卸下,牵引机车可另做它用。
1.5本文主要内容
本文详细论述了清雪车的全部设计过程及方案论证。
包括:
螺旋铲各部分结构设计与计算;清雪机构减速器的设计、计算与校核;清雪机构旋抛机各部分结构的设计、计算与校核;以及出雪筒、万向轮和机架的设计及计算等。
最后还对本设计进行了经济成本估算和环保分析。
通过这次设计,要温习好大学四年所学的大部分的理论知识,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。
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。
画出全部图纸:
装配图、部件图、零件图。
第2章螺旋铲结构设计
2.1引言
采用机械设备清雪的目的是要高效低耗的完成清雪任务,为了能够不间断地快速把雪收起,我在本设计中采用了螺旋铲结构。
螺旋铲的作用是将机车行进前方2500mm宽度范围内的积雪收拢并不断送入旋抛机。
2.2螺旋铲结构及组成
螺旋铲由以下几部分组成:
叶片、叶片支撑、套筒等。
螺旋铲共有两个,对称安装在减速器两侧,动力由减速器输出轴经花键、传动盘、销轴联轴器传至螺旋铲套筒,螺旋铲套筒旋转并带动螺旋铲叶片支撑和叶片一起旋转,随着机车的不断前进螺旋铲不断地将机车前方的积雪收起并送入旋抛机,这样一来就能完成收雪任务。
为了达到清雪彻底的目的,在螺旋铲叶片外侧还安装有70mm长的尼龙刷,尼龙刷随螺旋铲叶片一起旋转能将地面的浮雪扫起,这样一来就能达到清雪彻底的目的[9]。
2.3销轴联轴器的结构设计及计算
2.3.1销轴联轴器的结构设计
在引言中我提及了销轴联轴器这个概念,销轴联轴器安装在传动盘与螺旋铲套筒之间,每个螺旋铲有两个销轴联轴器,相差180度对称布置。
销轴联轴器的作用是:
当清雪机正常工作时,它起到联轴器的作用─传递动力;如果清雪机在工作过程中螺旋铲碰到硬物过载或被积雪阻塞时它将被剪断,此时动力将不再传到螺旋铲,这样一来就能很好地保护清雪机的其他机构不被破坏[1]。
综上所述,销轴联轴器有落两个作用:
(1)传递动力;
(2)过载保护。
2.3.2销轴的强度计算
由于销轴既要传递动力又要过载保护,所以销轴在结构设计和选材上要兼顾二者、得以平衡。
因此销轴材料选择优质碳素结构钢,其直径φ=16mm,选用牌号:
20(GB699-88),其σb=410N/mm2,σs=245N/mm2。
1.按剪切强度计算
其许用剪切应力[τ]为[2]:
[τ]=σs∕(3.5~5)
则:
[τ]=245/5=49Mpa
可知[3]:
τ=Q/A≤[τ](2-1)
式中:
Q—剪切面上的剪力(N);A—剪切面的面积(mm2);
[τ]—许用剪切应力(N/mm2)
Q=F/2(2-2)
式中Q—剪切面上的剪力(N);F—销轴的工作载荷(N)
则有:
τ=F/2A(2-3)
可知[4]:
T=F·d(2-4)
式中T—减速器轴传递的转距(N/mm);F—销轴的工作载荷(N)
d—两销轴的距离(mm)
由式(2-3)有:
F=τ·2A
由式(2-4)可知,当τ=[τ]时,是销轴传递转矩最大且即将被剪断的临界时刻,此时有:
F=[τ]·2A
=[τ]×2×πd2/4
=49×2×π×162/4
=19.7kN
将式上代入式(2-4),则有:
T=F·d
=19.7×220
=4334000Nmm
即:
两销轴传递的最大转距为4334000Nmm。
由于:
T=9.55×106P/n(2-5)
则有:
P=T·n/(9.55×106)
=4334000×412/(9.55×106)
=186.9Kw
2.按挤压强度计算
可知[3]:
σb=P/A=P/ntd≤[σb](2-6)
式中P——每个销轴受到的挤压力(N);
A——挤压面积(mm2);
N——销轴的数目;
T——受挤压的长度(mm);
D——销轴的直径(mm)。
则有:
σb=P/A=19.7/(33×17)=0.04Mpa<[σb]
所以销轴不会被压馈,即:
销轴在工作中不会因受挤压而破坏。
综上:
螺旋铲的销轴联轴器可传递的最大转矩为4334000Nmm,最大功率为186.9Kw,由于牵引机车的输出功率为58.8Kw以上且186.9>58.8,所以此销轴联轴器可以安全可靠地传递动力,同时又能在外力过大时及时破坏,起到安全保护的作用。
2.4其它零部件设计及选
2.4.1衬套
衬套的作用是将减速器输出轴与螺旋铲套筒隔离开,它由耐磨的锡青铜(ZCuSn10P1)[2]制成,相当于滑动轴承的作用。
清雪机正常工作时它不起作用,当清雪机过载而销轴联轴器被剪断时减速器输出轴与螺旋铲套筒脱离,此时减速器输出轴继续转动,而螺旋铲则停止转动,由于衬套的隔离作用,减速器输出轴、螺旋铲和衬套三者之间将发生相对滑动,从而可以避免损坏减速器输出轴或螺旋铲套筒。
2.4.2螺旋铲支撑
螺旋铲支撑的作用是联结螺旋铲叶片和螺旋铲套筒,它由热轧等边角钢制成,型为:
7(GB9787-88)[5]。
螺旋铲支撑的下端与螺旋铲套筒采用焊接方式连接,上端与螺旋铲叶片采用螺栓连接,这样做的目的是为了在螺旋铲叶片损坏时便于更换与维修。
2.4.3螺旋铲叶片
螺旋铲叶片采用700mm×130mm×6mm的钢板制成螺旋形、螺旋角为30°,故名螺旋铲。
每个螺旋铲有8片叶片,每两片叶片由螺旋铲支撑连接在一起形成一个整体,即一组。
再把它们按90°间隔焊接在螺旋铲套筒的圆周上,每个套筒焊接四组。
在螺旋铲叶片外侧还安装有70mm长的尼龙刷,用来清扫地面上的浮雪。
2.4.4花键连接及螺栓的选用
减速器输出轴端部的传动花键选用渐开线花键,根据文献[5]可知花键副,齿数26、模数5,30º圆齿跟内花键,公差等级6级、外花键公差等级7级,配合类别H/h。
标记为:
花键副INT/EXT26Z×5m×30R×6H/7hGB3478.1-83。
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