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1、共 49 頁 第 1 頁 裝 訂 線 目目 錄錄 第 1 章 緒論 1 1.1 本次設計來源、目的、意義、國內外概況1 1.1.1 本次設計的來源 1 1.1.2 本次設計研究目的 1 1.1.3 本次設計研究的意 義1 1.1.4 有關清雪機國內外研究概 況2 1.2 本設計預期達到的目標4 1.3 本設計研究內容、研究方法及技術路線5 1.3.1 斜刃螺栓連接式厚冰雪磙壓除雪機的整體方案構 想5 1.3.2 結構原理和計算要 點5 1.4 本課題實現的現有條件6 1.5 研究的主要內容和方法6 1.5.1 冰雪切削擠壓破碎技術、總體方案 6 1.5.2 碾壓滾型式和結 構6 1.5.3 滾
2、齒排列方式及刀刃幾何參 數6 1.5.4 各主要零件的校核驗 算6 第 2 章 路面冰雪清除機機理研究 8 2.1 冰雪的物理機械性質8 2.2 路面冰雪清除機基本方案、原理9 2.3 整機分析及裝置重量的確定 13 2.3.1 整機的組成 13 2.3.2 清除冰雪裝置重量 14 共 49 頁 第 2 頁 裝 訂 線 第 3 章 碾壓滾結構及參數15 3.1 碾壓滾結構形式 15 3.2 碾壓滾參數 15 3.3 工作阻力的計算 15 第 4 章 齒刀的研究 17 4.1 齒刀在碾壓滾上的排列數量間距 17 4.2 齒刀幾何參數 17 4.3 切削力計算 18 第5章 主要零件校核計算 19
3、 5.1 軸承的校核計算19 5.1.1 當量動載荷的校核19 5.1.2 滾動軸承壽命的計算30 5.2 齒刀強度的校核分析 21 5.3 銷軸的校核計算 26 5.4 軸的校核計算 29 5.4.1 按扭轉強度條件計算30 5.4.2 按彎扭合成強度條件計算30 第6章 電器系統 33 6.1 電源電路 33 6.2 啟動系統 33 6.3 照明和信號系統 33 6.4 儀表系統 33 6.5 預熱器 34 第 7 章 電算部分35 第 8 章 結 論43 致謝45 參考文獻46 共 49 頁 第 3 頁 裝 訂 線 全套圖紙，加全套圖紙，加 153893706 斜刃螺栓連接式厚冰雪碾壓除
4、雪機設計斜刃螺栓連接式厚冰雪碾壓除雪機設計 摘要摘要 我國北方地區(qū)冬季降雪時間長，雪量大，氣溫低，積雪數日經車輛、行 人碾壓而被壓實。路面上壓實冰雪的清除問題關系到社會生產、人民生活、交 通安全、環(huán)境保護等多個方面。目前國內外對壓實冰雪的清除還缺少行之有效 的辦法。本文結合我國北方地區(qū)降雪后的特點及我國國情，主要針對路面上被 壓實的冰雪研究了路面冰雪清除機械。 本文提出了對路面壓實冰雪進行擠壓、切削、破碎的技術原理。根據這一 原理確定了路面冰雪清除機械基本方案并分析了其工作機理。提出利用裝載機 為動力機，只需更換上清除冰雪裝置，實現了一機多用。研究了傳動系統各部 件的匹配以及冰雪清除裝置與整機
5、的匹配，進行了匹配計算和整機牽引性能分 析。根據整機方案及相關條件確定了清除冰雪裝置中關鍵部件碾壓滾的構造、 重量和有關技術參數；分析研究了碾壓滾上刀齒的結構和關鍵幾何參數，確定 了刀齒在碾壓滾上的排列方式、數量和間距，并根據冰雪的物理機械性質計算 了刀齒切削力。 關鍵詞關鍵詞 冰雪清除 切削 破碎 路面 共 49 頁 第 4 頁 裝 訂 線 Oblique Edge Bolt Join Ice Snow Presses Snow-Clearing Machine Design AbstractAbstract In the north of China, when the winter co
6、mes, the time for snowing is very long and the air temperature is low. The snow will become very hard after pressed by vehicles and foot passengers. So at this time snow cleaning became very important to peoples living, traffic safety and so on. At present, there is still no effective method for cle
7、aning the pressed snow in the world. In this paper, according to the situation of our country, the author did some researches on the snow-cleaning machine which used to clean the pressed snow on the road surface. In this paper, the author put forward a technical theory about use the method of pressi
8、ng, cutting and cracking to clean the pressed snow. According to this theory, the author brought forward a project for snow-cleaning machine and analyzed its working principle. Here used the loader as the mover, when it was time to clean snow we just needed to replace the bucket with the snow-cleani
9、ng equipments. The matching calculation of components of transmission system and the whole machine were studied and analyzed. According to the project, we could decide the structure, weight and related technical parameters of the idler wheel. At the same time, the paper also analyzed the structure a
10、nd geometry parameters of the idler wheel, gave a method about how to arrange the cutters and how to decide the reasonable amount of the cutters, how to calculate the cutters cutting force base on the snows physical and mechanical characters. 【Key【Key words】words】 SnowCleaning Cutting Cracking Road
11、surface 共 49 頁 第 5 頁 裝 訂 線 第第 1 1 章章 緒緒 論論 1.11.1 本次設計來源、目的、意義、國內外概況本次設計來源、目的、意義、國內外概況 1.1.11.1.1 本次設計的來源本次設計的來源 本課題屬于吉林大學機械科學與工程學院科研項目（國家經貿委“國家重 點技術改造項目200386”）。是根據國際和國內的最新形勢和市場需求而確 定的研究課題。對實際的生產和生活有很大的實際意義。是隸屬于國家攻關課 題-多功能鏟雪車研制的一部分。 1.1.21.1.2 本次設計研究目的本次設計研究目的 中國北方大部分地區(qū),每年有35個月的降雪期,道路積雪給交通運輸及人 民日常生
12、活帶來許多困難,有時甚至阻斷交通。近幾年來高等級公路里程不斷 增加,及時有效地清除路面積雪已成為亟待解決、刻不容緩的問題,這對于提高 車輛的運輸效率、避免重大交通事故的發(fā)生,具有很大的社會經濟效益。目前, 國內除雪作業(yè)多由人工或其它代用機械完成,其勞動強度大,作業(yè)效率低。進口 外國先進的除雪設備,造價高且不適合中國國情;而用其它的代用機械如平地機 進行除雪作業(yè),則又浪費實用設備且對路面具有破壞性。所以,盡快開發(fā)出適合 中國國情的低成本、高效率、且宜大面積推廣應用的除雪設備,是一項艱巨而 緊迫的任務。 1.1.31.1.3 本次設計研究的意義本次設計研究的意義 我國北方大部分地區(qū),每年有很長的降
13、雪期,道路積雪給交通運輸及人民日 常生活帶來許多不便。尤其凍結在道路上的積雪與薄冰,采用傳統除雪機用推 刮的辦法無法清除,為此不得不耗費大量人力物力進行人工鏟除。采用機械方 法清除是一項急需解決的難題。就目前國內除雪機械來看,大多數功能單一,或 共 49 頁 第 6 頁 裝 訂 線 只能清除積雪、或只能破除積冰1。國外的除雪機功能較全,但結構復雜,造 價昂貴,且大多不適合國內的道路狀況。因此開發(fā)研制適合我國道路情況的集 破冰除雪于一機的設備,具有十分重大的意義。國外的除雪機功能較全,但結構 復雜,造價昂貴,且大多不適合國內的道路狀況。因此開發(fā)研制適合我國道路情 況的集破冰除雪于一機的設備,同樣
14、具有十分重大的意義。 1.1.41.1.4 有關清雪機國內外研究概況有關清雪機國內外研究概況 (1) 有關清雪機國內外研究概況 目前，世界各個國家除冰雪的方法中，應用最普遍的是溶解法和機械法。 溶解法是依靠熱作用或撒部化學藥劑使冰雪融化。其優(yōu)點是除凈率高，但是它 的成本很高。而且容易造成環(huán)境污染。雖然環(huán)保型融雪藥劑已經問世，對環(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。 機械法是通過機械作用直接作用解除冰雪危害。雖然除凈率較低，但是對 環(huán)境和植被無任何影響。能實現冰雪的異地轉移。應用范圍比較廣。因此，筆 者認為：清除冰雪必須以機械法為主，以溶解法為輔助，才能達到快速和
15、環(huán)保 的除雪效果。 我國對除雪機械的開發(fā)、生產都比較晚，因此還處于起步階段。目前，我 國的城市道路和公路冬季除雪大部分仍沿用傳統的養(yǎng)護方式，即人工作業(yè)和小 型的除雪機械相結合的方式。高速公路和一級公路開始使用大型專用除雪機械， 進行冬季養(yǎng)護。但是，除雪機械在數量和品種規(guī)格上還很少，所以除雪設備大 部分依賴進口。機械化程度和總體水平遠遠落后于發(fā)達國家。只是最近幾年國 內的廠家才參照國外的先進技術研制了適合我國國情的除雪機械。 綜觀國內外的除雪機械，其類型總的來說有三種類型： 1) 犁式除雪機 犁式除雪機的工作裝置一般安裝在主機的前端，是所有除雪機中應用最為 廣泛、起源最早的除雪設備。主要使用于未
16、被壓實的新降集雪，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。其特點是：多數 采用了雙搖桿機構，避讓效果明顯，越障高度較大，環(huán)境適應性強，可以在硬 質雪區(qū)工作。有的還增加了滑靴和滾輪等裝置，用來減少或消除鏟刃對地面的 作用力，保護了地面，減少了刀刃的磨損。 具體類型有： 單向犁-除雪犁以固定角度裝在除雪車前部。 V型犁-主要結構和工作原理與單向犁相同，只是結構呈左右對稱， 形成V形。 變角度犁-指犁的排雪方向和行進角度可以改變的除雪機械。 共 49 頁 第 7 頁 裝 訂 線 復合犁-又叫鉸接雪犁，采用兩翼結構，中間垂直鉸鏈可以自由 改變形狀，形成單向犁、V型犁、變角
17、度犁等犁形。 比較典型的產品有：徐州裝載機長的專利產品-調壓自動越障式除雪 裝置。鄭工、柳工和沈陽山河等廠家生產的ZL50型除雪機。由于該類除雪機械 擁有結構簡單、性能可靠、價格低廉等特性，因此受到廣大用戶的認可，得以 廣泛的使用。 2) 旋切式除雪機械 旋切式除雪機械工作方式為自行式和懸掛式兩種。主要有離心式物料風機、 風道、拋雪筒、護板和螺旋型集雪器等部分組成。結構相對比較復雜。工作時 借助主機或者專用底盤的動力，驅動風機做高速旋轉運動，將集雪器聚攏的雪 由風道、拋雪筒拋出去。拋出距離和角度可以根據需要自己調整。在清除雪障 時旋切式除雪機械有明顯的優(yōu)勢。但是無法清除壓實的積雪。 具體類型有
18、： 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 部結合形成U形拋雪槽，U形拋雪槽低部稍微向后傾斜，內側光滑，工作時軸鼓 上的葉片刀刃切削破碎積雪，并將積雪集中送到中部U形槽內拋出。 轉子式-主要以清除新雪為主要作業(yè)對象。轉子葉片可以完成切雪、 扒雪和拋雪。 單螺旋轉子式-有轉子和一根螺旋組成。螺旋水平布置在轉子前， 螺旋葉片作成左右旋向，當螺旋周轉動時，把兩邊的積雪送到中間，再由轉子 拋出。 雙螺旋轉子式-雙螺旋轉子式的工作裝置的兩螺旋上、下平行地 置于轉子前面。 立軸螺旋轉子式-該工作裝置將螺旋豎放在轉子兩側，螺旋葉片 為左右旋向，工作時雪的移動方向為上下運動。 主要機型有：
19、哈爾濱開達公司生產的拋雪式除雪機和吉林大學研制的CX- 30型除雪機。 3) 掃滾式除雪機械 掃滾式除雪機械工作方式為自行式和懸掛式兩種。在主機或者專用底盤的 動力作用下，驅動掃雪滾和掃雪盤做高速旋轉運動，掃雪滾和掃雪盤上的柔性 強力掃雪刷，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。 該式除雪機械主要適合于較薄的或者是犁式除雪機械工作后的殘留積雪。即使 路面凸凹不平也可以獲得無殘雪的除雪效果。主要生產廠家有：哈爾濱開達公 司和哈爾濱重型機械廠等。 國內的除雪機械雖然有了很大的發(fā)展，但其總體水平與發(fā)達國家相比，產 共 49 頁 第 8 頁 裝 訂 線 品品種及性能都還有很大差距。適
20、應不了我國高速公路的發(fā)展的需求，主要體 現在以下幾個方面： 技術水平低，除雪機械在結構設計、制造工藝、零部件供應和使用管 理等方面都存在技術水平低的問題。致使除雪機械可靠性差、故障多、壽命短。 功能單一。除雪機械具有明顯的季節(jié)性，如果功能單一，只能用做除 雪和除冰專用，那么，機械一年中大部分時間處于閑置狀態(tài)，大大增加了除雪 的成本。加重了公路養(yǎng)護部門的負擔。 品種類型不全。與國外相比，現在有不少除冰雪機械在國內還是一片 空白?，F有的除冰雪機械無法滿足公路和大型機場的除冰雪的要求。 (2) 國內外在這個方面的發(fā)展方向： 加強對雪質、雪性的基礎研究。 為了提高除冰雪機械的設計水平，需要對冰雪的力學
21、性質和物理特性進行 深入研究。特別是對壓實冰雪的理論研究。據有關資料研究：東北地區(qū)壓實冰 雪占總的除雪任務的80%以上。 向一機多能和機電液一體化方向發(fā)展。 在現有的條件下，可以對汽車、拖拉機、裝載機和推土機等設備進行改裝， 冬季降雪時用來除冰雪作業(yè)，其余時間可用來進行公路養(yǎng)護和其他作業(yè)。可以 提高設備的利用率。采用機械、電子、液壓等技術提高除雪機械的科技含量， 減輕工人的勞動強度。 向大型、小型和高速方向發(fā)展。 我國的地理環(huán)境復雜，各個城市道路建設布局各異，冬季降雪情況不同， 在除雪設備的選取上也不盡相同，因此要開發(fā)出大型、小型的各種除冰雪機械， 以滿足不同地區(qū)和工況的除冰雪要求。同時要開發(fā)
22、出效率高的機械，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：對于市區(qū)內主干道，雪停 止24H后需運出城市外。 加強行業(yè)間的技術交流與合作。走共同研發(fā)之路。 各個廠家根據自己的實際情況開發(fā)出的產品各有優(yōu)缺點，為了加快除冰雪 機械的開發(fā)和應用，應加強企業(yè)間的合作，集中財力、物力和人力走共同發(fā)展 之路，實現除冰雪的機械化。 1.21.2 本設計預期達到的目標本設計預期達到的目標 在ZL40型裝載機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 共 49 頁 第 9 頁 裝 訂 線 載機大臂相連。設計出包括鏟及其
23、連接機構。畫出全部圖紙：裝配圖、部件圖、 零件圖、總明細表。 設計時要保證相應構件的可靠性，所以要進行相應的力學分析、設計計算 、方針模擬等。并要求用計算機軟件對重要部件進行詳細的運動學和動力學分 析。設計相關的軟件。 通過這次設計，要不僅溫習好大學四年所學的大不分的理論知識，還要培 養(yǎng)工程實際應用的能力，鍛煉實際的動手和全局的駕御能力。對裝載機和除雪 機械有更深的認識，加強在此方面的設計能力。 1.31.3 本設計研究內容、研究方法及技術路線本設計研究內容、研究方法及技術路線 1.3.11.3.1 斜刃螺栓連接式厚冰雪磙壓除雪機的整體方案構想斜刃螺栓連接式厚冰雪磙壓除雪機的整體方案構想 斜刃
24、螺栓連接式厚冰雪磙壓除雪機是針對我國道路情況設計的破冰清雪除 雪設備。該設備主要起破冰作用的碾壓輥構成。 該設備的主機架可與ZL40裝載機直接聯接。該設備碾壓輥固定在聯架臂上,聯 架臂通過大臂與主機架鏟接。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的沖擊力達到破冰目的。 1.3.21.3.2 結構原理和計算要點：結構原理和計算要點： 斜刃螺栓連接式厚冰雪磙壓除雪機是利用前部安裝的碾壓輥上裝有的刀板 對雪進行切削，利用自身的重力和空氣錘的振動的沖擊力達到破冰目的。 (1) 刀齒分布結構： 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
25、兩排刀齒位置錯開。 (2) 除雪機功率的計算： 除雪機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算辦法。下面對除雪工作 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 采用新舊技術相結合的方法。因為有關裝載機和除雪機構的研究在我國已 共 49 頁 第 10 頁 裝 訂 線 經有了一定的進展-即使和發(fā)達國家相比還很落后-
26、在很多領域。但 近幾年我們引進了很多先進的技術，特別是除雪機械方面的，加上我們的有關 裝載機和其他工程機械的研究知識，將這兩方面的知識有機地結合起來，實現 新的突破，研制出適合我國國情的公路養(yǎng)護機械-集工程作業(yè)和除雪能力 于一體的多功能機械產品。 (4) 擬采用的技術路線 研究冰雪的物理和力學特性-查閱國內外有關裝載機和除雪機械、機 構的設計資料和最新進展-消化、吸收個方面的技術資料，并加以整理和 創(chuàng)新-技術設計和整機設計。 1.41.4 本課題實現的現有條件本課題實現的現有條件 國內外關于ZL40裝載機的數據和文獻資料的搜集較為便利。在理論上和方 法上具有很強的借鑒意義。指導老師鄧洪超老師在
27、我國裝載機技術和除雪機械 的研究方面走在前列。對我國這方面的情況很了解，是這方面的專家。有很深 的理論和實踐知識，為本課題的研究奠定了很好的理論和實證基礎。本人對于 裝載機和除雪機械也有一定的認識，相信一定能在鄧老師的指導下順利完成課 題的研究。并取得優(yōu)異的畢業(yè)設計成績！同時為我國在此領域的研究作出自己 應有的貢獻！ 1.51.5 研究的主要內容和方法研究的主要內容和方法 本文針對路面上被壓實的冰雪研究路面冰雪清除機械。方法是進行理論分 析和計算，并重點進行實驗研究。具體研究內容如下。 1.5.11.5.1 冰雪切削擠壓破碎技術、總體方案冰雪切削擠壓破碎技術、總體方案 主要闡述冰雪的物理機械性
28、質；根據所提出的對路面上壓實冰雪進行擠壓、 切削、破碎的技術思想，分析路面冰雪清除機基本原理并確定樣機基本方案； 分析整機的牽引平衡和功率平衡，確定路面冰雪清除裝置的重量，進行整機匹 配計算及分析。 1.5.21.5.2 碾壓滾型式和結構碾壓滾型式和結構 主要闡述工作裝置碾壓滾結構型式研究和碾壓滾參數。 1.5.31.5.3 滾齒排列方式及刀刃幾何參數滾齒排列方式及刀刃幾何參數 主要闡述齒刀在碾壓滾上的排列方式；齒刀的數量和間距；齒刀幾何參數 確定。 共 49 頁 第 11 頁 裝 訂 線 1.5.41.5.4 各主要零件的校核驗算各主要零件的校核驗算 主要是對齒刀的強度、銷軸剪切強度、軸的強
29、度以及軸承進行校核計算。 共 49 頁 第 12 頁 裝 訂 線 第第 2 2 章章 路面冰雪清除機機理研究路面冰雪清除機機理研究 2.12.1 冰雪的物理機械性質冰雪的物理機械性質 路面冰雪清除機械的行走機構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械性質在相當大的程度上決定著清除路面上 冰雪的方法，要研究行走機構和工作裝置與冰雪的相互作用關系，首先要分析 冰雪的物理機械性質。 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 是雪的物理機械性質的主要指標之一，表示冰雪阻止其它物體壓入的特性，其 數值是根據它的密度和狀態(tài)決定的，如表 2.2
30、所示。雪的硬度、密度和溫度之 間存在著如圖 2.1 所示的關系，溫度愈低，硬度愈高；密度愈大，硬度愈高4。 后面對路面冰雪清除機的工作阻力以及牽引力進行計算時，需要知道雪的 機械性質，表示雪的機械性質的指標通常是內外滑動摩擦系數、切削阻力系數、 附著系數和行駛阻力系數。 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 密實的雪 冰雪混合 冰 0.100.15 0.200.30 0.340.42 0.400.60 0.600.75 0.90 雪的摩擦性質決定于它的內外摩擦系數。根據雪的狀態(tài)，它的內外摩擦系 數分別列于表 2.3 和表 2
31、.4。 表示雪的切削阻力的指標，一般是用切削阻力系數 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。對于冬季養(yǎng)護道路的機 器進行牽引計算時，必須知道機器沿著各種冰雪路面行走時的滾動阻力系數和 共 49 頁 第 13 頁 裝 訂 線 附著系數。輪胎與冰雪路面間的附著系數載入表 2.6。 c 行駛阻力系數，一般較外摩擦系數大，因為它不僅產生摩擦，而且還擠壓 雪。輪式和履帶式車輛的行駛阻力系數按表 2.7 選取。 表 2.2 雪的硬度 雪的狀態(tài)雪的密度（g/cm3）當溫度由-1-20OC 時雪的硬度 （kPa） 松 軟
32、的 弱密實的 密 實 的 很密實的 小于 0.25 0.260.35 0.360.50 0.510.60 小于 50 60100 2102000 3803000 圖 2.1 雪的硬度與密度和溫度的關系 2.22.2 路面冰雪清除機基本方案、原理路面冰雪清除機基本方案、原理 對于路面冰雪的清除，人們曾嘗試了各種清除原理和方案，這些原理和方 案有的已在實際中使用，有的則還在探索和完善中。例如，對于清除未被壓實 的浮雪，犁式清雪機和轉子式清雪機已在應用中，二者分別采用了推移和旋切 的原理。對于被壓實的雪、冰或冰雪混合物，采用的清除原理有鏟剁、錘擊、 等，但這些方法經實驗證明要么原理不完善，要么清除壓
33、實冰雪的效果不，有 待于進一步完善。 共 49 頁 第 14 頁 裝 訂 線 針對上述情況，本文嘗試提出了一種對路面上壓實的冰雪進行擠壓、切削、 破碎的技術原理。這一思想的來源可聯想到金屬切削加工，如銑床的銑刀切削 表 2.3 內摩擦系數 2 雪 的 溫 度（OC）雪的密度 （g/3）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（對鋼）1 雪 的
34、溫 度（OC） 雪的密度 （g/3）-2-4 -16 -30 -10 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械作為動力機。 在我國，由于冬季降雪時間只占全年的三分之一，根據我國的經濟發(fā)展狀 況，單獨設計清除冰雪動力機一機一用，機械閑置時間太長，造成浪費。為此， 本文以裝載機為動力機來研究清除冰雪工作裝置。 根據對
35、路面上壓實的冰雪進行擠壓、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 取下鏟斗換上該裝置，清除被壓實了的冰雪，其他季節(jié)裝上鏟斗，實現裝載機 的多功能使用。作為動力機的裝載機，我們可以選擇現有的國產機型如 ZL30、ZL40、ZL50 裝載機。 本文確定 ZL40E 裝載機作為動力機進行分析研究 和計算。 根據對路面上壓實的冰雪進行擠壓、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 共 49 頁 第 15 頁 裝 訂 線 取下鏟斗換上該裝置，清除被壓實了的冰雪，其他季節(jié)裝上鏟斗，
36、實現裝載機 表 2.5 雪的切削阻力系數 k0 雪 的 溫 度（OC）雪的狀態(tài)雪的密度 C （g/3）-1-3-4-22低于-22 天 然 狀 態(tài) 松軟的 弱密實的 小粒冰雪形成密實 的 大粒冰雪形成密實 的 0.120.18 0.200.28 0.300.36 0.280.35 0.71.8 2.04.0 3.06.0 4.07.0 0.20.8 1.53.0 4.07.0 3.06.0 0.41.2 2.05.0 5.10.0 5.09.0 人 工 狀 態(tài) 弱密實的 密實的 很密實的 0.300.40 0.450.52 0.550.65 5.012.0 10.025.0 20.035.0
37、8.025.0 15.040.0 30.080.0 5.035.0 30.080.0 70.0130.0 表 2.6 輪胎與冰雪路的附著系數 雪 的 狀 態(tài)輪 胎 類 型附著系數 C 密實凍結的雪 密實凍結的雪 密實解凍的雪 壓實的凍結雪 壓實的解凍雪 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 0.200.35 0.200.25 0.100.20 0.209 0.176 0.060.08 表 2.7 行駛阻力系數 阻 力 系 數 f雪 的 狀 態(tài)雪的密度 g/3）輪 胎履 帶 共 49 頁 第 16 頁 裝 訂 線 松軟的 松軟潮濕的 輕碾壓的 碾壓的 冰雪 0.150.
38、25 0.150.25 0.250.35 0.40.6 0.7 0.20.25 0.3 0.150.2 0.080.1 0.060.08 0.2 0.2 0.1 0.05 0.070.1 的多功能使用。作為動力機的裝載機，我們可以選擇現有的國產機型如 ZL30、ZL40、ZL50 裝載機。 本文確定 ZL40E 裝載機作為動力機進行分析研究 和計算。其主要性能參數如下： 額定斗容量（m3） 2.1 額定裝載質量（） 4000 整機操作質量（） 12500 軸距（） 3020 輪距（） 1980 最大崛起力（kN） 136.0 最大牽引力（kN） 110.5 水平通過半徑（mm） 6322 轉向
39、半徑（mm） 5686 發(fā)動機型號 X6110ZG3-22 標定 1h 功率(kW) 113.9 額定轉速（r/min） 2200 行駛速度（km/h） :14.46 :46.35 最大爬坡能力（） 30 車體最大轉向角（） 左、右各 38 本次設計基本方案如圖 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，司機控制滑靴調節(jié)滾刀切入深 度，以免損傷路面。 共 49 頁 第 17 頁 裝 訂 線 圖 2.2 路面冰雪清除機方案 動力機在行走的過程中帶動碾壓滾滾動。碾壓滾滾動時，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，刀齒切入經碾壓
40、后形成的很 厚的冰或冰雪混合物后，對其產生擠壓切削破碎作用。 裝載機是一種用途十分廣泛的工程機械，它的優(yōu)點之一是可按實際需要更 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械。本次設 計選用 ZL40E 裝載機作為動力機，將路面清除冰雪裝置替換鏟斗后即為路面冰 雪清除機。 路面冰雪清除機的關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，托架與裝載機動臂和轉斗拉桿 相連。利用裝載機的牽引力推動碾壓滾滾動。 碾壓滾形狀呈圓柱形，碾壓滾上用螺栓有一定數量的刀齒，刀齒與圓柱面 形成一定的角度。裝載機啟動前，碾壓滾靠自身的重量附著在冰雪面上，同時
41、 對冰雪面產生壓力，啟動后由于裝載機的牽引力，推動碾壓滾向前滾動。由于 壓力的作用，刀齒產生切削力切人冰雪層內。由于滾動是連續(xù)的，所以刀齒對 冰雪層產生了連續(xù)的切削擠壓，使冰雪層破碎并與地面分離。具體結構和參數 見第三章和第四章結構分析部分。 當地面冰雪層很硬很厚時，單靠碾壓滾自身的重量對冰雪產生的壓力使刀 齒產生的切入力不夠，清除冰雪效果可能不十分理想。這時可以考慮： (1) 在冰雪清除工作裝置滾筒內部加配重，裝置對冰雪的壓力加大，刀齒 的切入力也加大。 (2) 通過司機操縱轉斗油缸動作減小或加大對冰雪的切削壓力。當操縱轉 斗油缸使裝載機前輪離地時，裝置產生最大的對冰雪壓力，此時除裝置本身重
42、 量外，動力機機重的一半亦加在了冰雪清除裝置上，使刀齒產生更大的對冰雪 的切削力。 2.32.3 整機分析及裝置重量的確定整機分析及裝置重量的確定 2.3.12.3.1 整機的組成整機的組成 路面冰雪清除機的總體分析和設計就是根據其用途合理地選擇和確定各總 成的結構型式、性能參數及整機尺寸等，并進行合理的布置。 本次設計由于是把 ZL40E 裝載機作為動力機，所以需要考慮的是把清除 共 49 頁 第 18 頁 裝 訂 線 冰雪裝置與動力機有機的結合在一起。路面冰雪清除機主要由兩大部分組成 （見圖 2-2）：1、動力機（裝載機）2、清除冰雪裝置（托架、帶有刀刃的碾 壓滾） 。 機器的性能不僅取決
43、于動力機、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調。性能的協調如何，則取決于總體參數 及整機匹配情況及其布置的合理性。 針對前述的基本方案并考慮動力機的基本參數，確定本設計中路面冰雪清 除機的主要性能指標如下： 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： 1647 km/h ； 4） 清除冰雪效率（按面積計算） 不小于 95% ； 5） 冰雪清除裝置質量（最大配重） 3600 kg ； 6） 整機質量(最大) 12500 kg 。 2.3.22.3.2 清除冰雪裝置重量清除冰雪裝置重量 冰雪
44、清除裝置替換掉 ZL40E 裝載機鏟斗。裝置與鏟斗的工作狀況不同，其 計算工作阻力的方法也不相同。鏟斗在工作時，受到來自前方土壤的阻力，作 用在斗刃、斗底、側板等部位，由經驗公式計算。本次設計的冰雪清除裝置隨 裝載機主機一邊向前滾動，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基本要求： (1) 裝置的重量不得大于動力機（原裝載機）的額定起重量 Q（kN） ，否則 機器將失去縱向穩(wěn)定性； 冰雪清除裝置的結構尺寸不得與動力機前車架、前橋、車輪干涉； (2) 由裝置所產生的刀刃上的切削力應足夠大，且大于冰雪的切削比阻力。 根據上述三個條件進行冰雪清
45、除裝置的結構設計。裝置由刀刃滾圈輪榖 軸端蓋托架配重組成。配重裝置在滾圈內部。其具體結構見第三章 3.1.1 部分圖 3.1。按圖可分別得到各零部件重量： 滾圈： 10004N 輪轂： 3646N 軸： 1052N 軸套： 720N 共 49 頁 第 19 頁 裝 訂 線 托架梁: 8472N 配重: 6385N 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 由裝置結構和在整機上的安裝可知結構上不存在干涉現象。裝置加配重重 量 G=36000(N)，小于我們所選動力機 ZL30 裝載機的額定起重量 Q=40000(N)。 由裝置重量所產生
46、的切削力將在第四章中加以討論。 第第 3 3 章章 碾壓滾結構及參數碾壓滾結構及參數 3.13.1 碾壓滾結構形式碾壓滾結構形式 碾壓滾是冰雪清除工作裝置的關鍵部件，合理的結構形式對冰雪清除機的 性能起著重要的作用。碾壓滾的結構形式主要考慮圓柱形式，圓柱形式碾壓滾 有其獨自特點。 路面冰雪清除機的功能是清除附著在地面上的堅硬的冰雪混合物。從理論 上講，我們可以把冰雪層看成一個平面，使冰雪混合物與地面分離，就好比用 銑刀在加工一個平面。用來加工平面最常用的刀具就是圓柱銑刀。為此，可以 考慮在一個圓筒形的滾筒上安裝上刀片或齒刀，構成碾壓滾。而碾壓滾的旋轉 軸可以通過軸承安裝在托架上，托架的后鉸支點
47、分別安裝在裝載機的動臂鉸點 和拉桿鉸點上。在圓筒形的滾筒的內部可以加適當的配重。冰雪清除工作裝置 的結構如圖 3.1 所示。 3.23.2 碾壓滾參數碾壓滾參數 碾壓滾是本次設計整個路面冰雪清除機的最關鍵部件。在結構設計時根據 第二章 2.3 中述及的對冰雪清除裝置的三個基本要求確定了重量。裝置（包括 托架）不加配重重量為 G0=29615N ；在碾壓滾筒內部加上配重后冰雪清除裝置 重量為 G1=36000N 。由于在本次設計中齒刀與碾壓滾筒是通過螺栓來連接的， 因此為了保證螺栓聯結的牢固以及其強度，碾壓滾采用雙滾筒焊接結構，每個 滾筒厚度為 15mm，所以碾壓滾筒直徑 900mm ，寬度 2
48、268mm ,材料采用 Q235- A，厚度 30mm 。托架材料亦采用 Q235-A，厚度 30mm 。整個冰雪清除裝置 最大寬度 2650mm 。 共 49 頁 第 20 頁 裝 訂 線 3.33.3 工作阻力的計算工作阻力的計算 整機工作時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磙子產生的阻力；碾壓滾的滾動阻力。由于刀齒和冰 雪之間相互作用非常復雜，工作阻力的精確計算公式很難從理論上建立，另外， 由于整機工作時外負荷是動態(tài)變化的，準確地計算工作阻力意義不大。故在此 參照裝載機推土機鏟運機等自行式鏟土運輸機械工作阻力的計算方法，提 出一個計算路面冰雪
49、清除機工作阻力 Px的經驗公式。 21PPPx （3.1） 圖 3.1 冰雪清除工作裝置結構 式中 Px 水平工作阻力； P1 冰雪變形斷裂破碎對磙子產生的阻力； P2 碾壓滾的滾動阻力。 BhKKPn01 12fWP 則 10fWBhKKPnx （3.2） 式中 Kn刀齒不均勻影響系數， Kn =1.01.5； K0 冰雪切削阻力系數, K0 =70130kpa； B 碾壓滾寬度； H 冰雪厚度； f 阻力系數，從表 2-7 中選取。 W1 工作裝置重量(帶配重)，W1=36000N。 根據上述經驗公式，可以計算出路面冰雪清除機工作時所遇到的最大水平 切線工作阻力。 共 49 頁 第 21
50、頁 裝 訂 線 P1 = 1.51300002.2680.1=44226N P2 =0.136000=3600 N Px =47826N =47.826 kN。 從 ZL40E 裝載機的主要性能參數可知，該阻力值不大于對應額定滑轉率工 況的一檔和二檔的牽引力。動力機在額定滑轉率下具有足夠的牽引力克服水平 工作阻力。 第第 4 4 章章 齒刀的研究齒刀的研究 4.14.1 齒刀在碾壓滾上的排列齒刀在碾壓滾上的排列數量數量間距間距 齒刀是清除冰雪裝置上的重要零件，齒刀設計的好與壞將直接影響到整機 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，而被碾 壓成冰或冰雪混合物
51、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，就能自動與地面剝離。我們在 分析齒刀的數量及間距時主要是依據冰雪的這種特點。 刀齒的排列方式及數量將直接影響到工作裝置的清除冰雪效果。 齒刀過密、間距過小甚至沒有間距，雖然刀齒受力減小，但從壓實冰雪的 特點來看，造成整機成本增加，是沒有必要的。另外，周向布置排數過多、過 密造成前排刀齒還沒有切入冰層，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，而是象一個機動車的防滑裝置。 布置排數過少，齒刀過稀，間距過大，使刀
52、齒切入冰雪層后，不能產生有 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 個刀片，相鄰圈上的刀片錯開 1/2 間距排列。刀片總數量 156 片。 整機啟動后，當第一排齒切入冰雪面后，造成冰雪層松動，如果各排齒間 距過大，在工作面上看到的只能是一排排印痕，起不到對冰雪的破碎作用。由 于滾動是連續(xù)的，當后排齒連續(xù)切入冰雪面時，因為各排刀齒錯開 1/2 齒距排 共 49 頁 第 22 頁 裝 訂 線 列，單位面積上的
53、冰雪層同時有若干個刀齒切入，單位面積切入力加大，造成 有效工作面積內冰雪層完全破碎而與地面分離。 4.24.2 齒刀幾何參數齒刀幾何參數 齒刀與滾筒的連接可以采用兩種方式，即焊接和螺栓連接。焊接方式強度 高，螺栓連接易于更換刀齒。本次設計采用螺栓聯結方式。其結構與尺寸見圖 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，通過分 析比較，確定了齒。刀的幾個關鍵角度。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 4.34.3 切削力計算切削力計算 由表 2-5 知，密實冰雪（0.550.65g/m3）在-20以下的切
54、削阻力 系數p=（70-130）kPa 。冰雪清除裝置上的齒刀對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冰雪產生的壓力 p1=G1/A=36000/(2.2680.01)=1587.3 kpap （4.1） 由此可知，冰雪清除裝置對冰雪產生的切削力在兩種情況下均大于冰雪的 切削比阻力。 共 49 頁 第 23 頁 裝 訂 線 圖 4.2 刀齒結構與參數 第第 5 5 章章 主要零件校核計算主要零件校核計算 5.15.1 軸承的校核計算軸承的校核計算 5.1.15.1.1 當量動載荷的校核當量動載荷的校核 在本次設計中，軸與支架之間的聯結選用深溝球軸承 6220，其
55、主要參數為 軸承參數： 軸承內徑： 100（mm） 軸承外徑： 180（mm） 軸承寬度： 34（mm） 額定動載荷：94000(N) 額定靜載荷：79000(N) 潤滑方式： 脂潤滑 極限轉速： 4300(r/min) 滾動軸承的基本額定動載荷，是在一定載荷條件下確定的。根據滾動軸承 的實際受載情況，在許多場合，常常同時承受徑向和軸向載荷的復合作用，為 了計算軸承壽命時能與基本額定動載荷在相同的條件下比較，需將實際工作載 荷轉化為一個假想載荷。在此載荷作用下，軸承的壽命與實際載荷作用下的壽 命相等，稱該假想載荷為當量動載荷，以 P 表示。當量動載荷的一般計算公式 為： P = fp ( XR + YA ) （5.1） 式中 X徑向載荷系數； Y軸向載荷系數； R軸承所承受的徑向載荷； 共 49 頁 第 24 頁 裝 訂 線 A軸承所承受的軸向載荷。 fp載荷系數，考慮機器的運轉情況對軸承載荷的影響，查表 5.1。 在本設計過程中，所選軸承僅受徑向力，而軸向受力為 0，由機械設計冊 查得軸承的徑向載荷系數
機械畢業(yè)設計（論文）-斜刃螺栓連接式厚冰雪碾壓除雪機設計【全套圖紙】
