編號（學號）： 13464045 畢業論文 （ 2013 屆本科） 題目： 一種小型機動除冰裝置的設計 學院： 工 程 學 院 專業： 交 通 運 輸 姓名： 唐 盛 洋 指導教師： 何 鳳 宇 副教授 完成日期： 2013 年 06 月 05 日 畢業論文 (設計 )任務書 論文 (設計 ) 題目 一種小型機動除冰裝置的設計 下發任務日期 2012.10.20 學生姓名 唐盛洋 指 導教師 何鳳宇副教授 一 . 論文（設計）主要內容 本論文主要包括以下幾個方面： 1.國內外除冰機械發展現狀研究； 2.壓實冰雪的物理力學性質； 3.除冰裝置的整體結構設計； 4.除冰裝置主要部件鏟冰刀、碎冰刀和刮冰鏟的設計； 5.除冰裝置的主要參數的確定及計算。 二 .論文（設計）的基本要求 1.有關資料的收集： 要求盡量收集第一手資料，資料要真實、可靠、有代表性。 2.資料的整理與分析： 要求條理清晰，數據分析詳盡。 3.查閱相關文獻，撰寫 3000 字以上的文獻綜述： 要求貼近主題，有參考價值。 4.認真撰寫論文，字數在 10000 字以上。 三 .論文（設計）工作進度安排 階段 論文（設計）各階段名稱 日期 1 收集資料調查研究 2012.12 2013.01 2 撰寫文獻綜述和外文翻譯 2013.02 2013.03 3 撰寫開題報告和并開題 2013.03 2013.04 4 撰寫論文初稿 2013.04 2013.05 5 修改并提交論文 2013.06.01 2013.06.05 6 制作 ppt 準備答辯 2013.06.06 2013.06.08 備注： 6 月 9 日答辯 四 .應收集的資料及主要參考文獻（指導教師指定） 1湯筠筠 ,楊濤 .2008 年冬季低溫雨雪冰凍災害對公路交通影響分析 C.中國科學技術協會2008 防災減災論壇 ,2008. 2SANZO D,HECNAR S J.Effects of road deicing salt (NaCl) on larval woodfrogsJ.Environmental-Pollution,2006,140(2):247-256. 3BENJAMIN T GREEN,KEROP D JANOYAN.Use of Electrically Conductive Concrete Overlays for Passive Control of Snow and Ice on RoadC.International Conference on Energy,Enviroment and Disasters,Charlotte,NC,USA,July， 2005:795-801. 4張偉 .多功能路面除冰裝置側雪鏟研究 D.長春 :吉林大學 ,2006. 5鄧洪超 ,馬文星 ,荊寶德 .道路冰雪清除技術及發展趨勢 J.工 程機械， 2005(12):41-44. 6王杰夫 .振動清除冰雪機理及振動碾壓磙優化研究 D.長春 :吉林大學 ,2011. 7李文峰 .多功能清雪車碾壓磙工作機理及參數優化研究 D.長春 :吉林大學， 2009. 說明：此任務由指導教師填寫一式兩份，一份發給學生，一份發給指導教師留存。 沈陽農業大學畢業論文（設計）選題審批表 選題名稱 一種小型機動除冰裝置的設計 題目來源 自擬 學號 13464045 姓名 唐盛洋 專業 交通運輸 指導教師 何鳳 宇 職稱 副教授 研究 內容 1.國內外破冰除雪機械的研究現狀、研究方法及其階段性成果； 2.小型機動除冰裝置的結構和工作過程； 3.小型機動除冰裝置各部件工作原理；確定各機構的設計尺寸；對零部件進行設計與說明； 4.繪制裝配圖與零件圖。 研究 計劃 (1) 收集資料調查研究 2012.12-2013.01 (2) 撰寫文獻綜述與外文翻譯 2013.02-2013.03 (3) 撰寫開題報告并開題 2013.03-2013.04 (4) 撰寫論文初稿 2013.04-2013.05 (5) 修改并提交論 文 2013.06.01-2011.06.05 (6) 制作 PPT 準備答辯 2013.06.06-2011.06.08 特色 (1)鏟冰刀模擬人工用鐵鍬除冰的原理，能夠真正的除掉厚冰，效率很高。 (2)碎冰刀模擬植樹挖坑機挖坑的原理，在除冰過程中通過手動控制碎冰刀盤的上下進給，能適應不同厚度的冰面，除冰效果明顯。 (3)鏟冰刀在除冰過程中通過減振彈簧緩和沖擊，能夠最大限度地減少對路面的損害并保護鏟冰刀。 指 導 教 師 意 見 教 研 室 意 見 學 院 意 見 畢業論文（設計）指導記錄 學生姓名 唐盛洋 專業 交通運輸 指導教師姓名 何鳳宇 職稱 副教授 本年度指導畢業生人數 8 論文（設計）題目 一種小型機動除冰裝置的設計 時間 地點 指導內容 2012.12.20 2012.12.31 2013.01.10 2013.02.15 2013.02.26 2013.03.05 2013.03.20 2013.03.27 2013.04.01 2013.04.05 2013.04.13 2013.04.24 2013.05.08 2013.05.16 2013.05.23 2013.05.27 2013.05.30 2013.06.03 2013.06.05 2013.06.08 運輸工程教研室 運輸工程教研室 運輸工程教研室 電話、 E-mail 電話 電話 運輸工程教研室 運輸工程教研室 E-mail 電話 運輸工程教研室 運輸工程教研室 E-mail 運輸工程教研室 E-mail E-mail/QQ E-mail/QQ 運輸工程教研室 E-mail 運輸工程教研室 第一次召集學生見面，商議設計題目 按照學生興趣，指定畢業設計題目 指導學生收集相關書 籍和文獻資料 詢問資料查找和收集情況 指導假期參觀實習事宜 詢問參觀實習情況 學生寒假開心返校后碰面，詢問和檢查資 料收集情況及假期參觀實習情況 指導學生構思起草論文大綱 指導論文寫作目錄框架 知道學生開始撰寫正文 檢查指導開題報告 指導撰寫文獻綜述和外文翻譯 檢查文獻綜述和外文翻譯完成情況 按照學校要求進行畢業設計中期檢查 檢查階段內容完成情況，并指導修改完善 檢查總體完成情況，做最后的修改 檢查論文終稿 論文最后檢查與評閱 指導制作答辯 PPT 課件 檢查答辯 PPT 電子課件準備情況 學生簽字： 年 月 日 指導教師簽字： 年 月 日 教研室主任簽字： 年 月 日 沈陽農業大學畢業論文（設計）考核表 論文題目：一種小型機動除冰裝置的設計 姓名： 唐盛洋 學號： 13464045 專業： 交通運輸 指導教師評語： 唐盛洋同學的畢業設計“一種小型機動除冰裝置的設計”選題合理，且具有一定研究意義。 唐盛洋同學在查閱大量相關文獻資料基礎之上，結合所學專業知識，對破冰除雪原因進行了全面深入分析，在借鑒一些相關裝置的結構和工作原理的基礎上，完成了小型機動除冰裝置的設 計。該裝置結構簡單、工作可靠、便于安裝，有很高的的實用價值。 該同學在畢業設計期間表現積極，能夠按照指導教師要求完成定期設計工作。所撰寫的設計說明書結構嚴謹，條理清晰，語言通順，設計方案正確，計算準確，格式規范，能夠嚴格執行學校本科生畢業論文寫作的有關規定，并表現出較高的電腦使用和文本編輯水平。論文達到了交通運輸專業學士學位論文要求的學術水平，同意其進行答辯。 指導教師（簽字）： 年 月 日 評閱人評審意見： 唐盛洋同學在查閱大量相關文獻資料基礎上，結合所學專業知識，完成了對該小型機動除冰裝置 的整體方案設計，設計成果具有一定實用價值。 論文結構清楚、語言文字流暢、圖表規范，設計方案合理可行，計算分析正確，論文達到了交通運輸專業學士學位論文要求的學術水平。 評閱人（簽字）： 年 月 日 注：答辯委員會意見除填寫簡要評語、給出成績外，還要提出是否授予學位的建議答辯委員會意見： 唐盛洋同學的畢業設計“一種小型機動除冰裝置的設計”選題合理，且具有一定研究意義。 唐盛洋同學在查閱大量相關文獻資料基礎上，結合所學專業知識，完成了對該小型機動除冰裝置的整體方案設計。通過對小型機動除冰裝置的主要除冰機構鏟冰刀、碎冰刀和刮冰鏟的設計作詳細的闡 述以及對該裝置主要參數的確定及計算，清楚地理解了該除冰裝置的整體結構和工作原理。詳細闡述了其主要除冰裝置鏟冰刀、碎冰刀和刮冰鏟的的除冰結構和工作原理，鏟冰刀模擬人工用鐵鍬除冰的原理，能夠真正的除掉厚冰，效率很高，碎冰刀模擬植樹挖坑機挖坑的原理，在除冰過程中通過手動控制碎冰刀盤的上下進給，能適應不同厚度的冰面，除冰效果明顯。 論文理論聯系實際，設計合理，寫作規范，能夠嚴格執行學校本科生畢業論文寫作的有關規定，并表現出較高的電腦使用和文本編輯水平。 該生在論文答辯中，思路清晰，表達比較比較簡潔明確，回答問題比較 準確。論文達到了農學專業本科生畢業論文的要求和水平，建議授予工學學士學位。 主任委員（簽字）： 年 月 日 成績： 目 錄 摘要 . 1 Abstract . 2 前言 . 3 1 概論 . 4 1.1 道路除冰技術的發展 . 4 1.2 國外道路除冰設備的研究現狀 . 6 1.3 國內道路除冰設備的研究現狀 . 7 1.4 道路除冰技術的發展趨勢 . 8 1.5 小型除冰裝置的研制現狀和發展 . 8 2 路面壓實冰雪物理力學性質 . 10 2.1 路面壓實冰雪成因與影響因素 . 10 2.1.1 路面壓實冰雪分類 . 10 2.1.2 路面壓實冰雪成因 . 10 2.1.3 影響因素 . 11 2.2 路面壓實冰雪力學性質 . 12 2.2.1 抗壓強度 . 12 2.2.2 抗切強度 . 12 2.2.3 相關系數 . 13 2.3 壓實冰雪破壞準則 . 14 2.4 除冰作業性能參數 . 16 3 小型機動除冰裝置總體設計 . 19 3.1 除冰裝置整體方案設計 . 19 3.1.1 除冰裝置的結構特性和工作原理 . 19 3.1.2 除冰裝置的功率分配 . 20 3.1.3 機架設計 . 21 3.1.4 行走裝置設計 . 21 3.1.5 動力裝置選定 . 21 3.1.6 傳動裝置選定 . 21 4 主要部件的設計及計算 . 22 4.1 傳動比的確定 . 22 4.2 鏟冰裝置設計 . 22 4.2.1 曲柄連桿機構 . 22 4.2.2 鏟冰刀刀具的設計 . 22 4.3 碎冰裝置設計 . 27 4.4 主要部件結構參數的確定及計算 . 28 4.4.1 汽油機計算功率的確定 . 28 4.4.2 V 帶傳動計算 . 28 4.4.3 鏟冰刀理論鏟冰頻率和碎冰刀盤理論轉速 . 29 4.4.4 減速長軸的尺寸和強度校核 . 30 4.5 設計考慮因素 . 31 4.5.1 生產效率 . 31 4.5.2 除凈率 . 31 5 結論 . 32 參考文獻 . 錯誤 !未定義書簽。 致謝 . 35 全套資料帶 CAD 圖， QQ 聯系 414951605 或 1304139763 沈陽農業大學學士學位論文 1 摘要 在我國東北、西北的大部分地區，冬季持續低溫，積雪數月不化和路面濕滑成為堵塞交通甚至引發惡性事故的重要因素。因此，在寒冷地區如何快速清除公路和城市道路冰雪已成為保證公路安全和暢通的重要任務。 目前，世界各國采用的除冰（雪）方法，應用 最普遍的有兩種，即融解除冰（雪）法和機械除冰（雪）法。融解法是依靠熱作用或撒布化學藥劑使冰雪融化，其優點是除凈率高，但這種方法成本高，且容易造成環境污染。雖然環保型融雪劑已經問世，對環境和植被的影響減少了，但并未徹底根除，因此使用范圍受到一定的限制。機械法是通過機械直接作用解除冰雪的危害，雖然除凈率較低，但是對環境及植被無污染，能實現冰雪的異地轉移，應用范圍比較廣。針對目前國內外的除雪或除冰車結構復雜、售價高、使用維修成本大、推廣和普及困難的發展現狀，成功研制具有：機動靈活，操作簡單，價格低廉，適合于小型公 路和街道的使用的小型機動除冰裝置具有廣闊的發展前景。 關鍵詞： 道路；機械除冰（雪）法；機動的；除冰裝置；除凈率 一種小型機動除冰裝置的設計 2 Abstract In most parts of Chinas Northeast and Northwest, winter continues to be cold, that months ofsnow and the road surface is wet become important factors for blocking traffic or even cause afat-al accident. Therefore, how to quickly clear roads in cold regions and urban road snow and ice h-as become to ensure road safety and the smooth flow of important tasks. At present, there are two of the most popular methods of removing ice and snow are adoptedin the world, that is melting ice(snow) method and mechanical deicing(snow) method. Melting ice(snow) method depends on the rmalor spreading chemical agents to make the ice and snow melted,the benefit is that the removing ice net rate is high, but this approach brings the high costs, and it is likely to cause environmental pollution. Eco-friendly snow-melting agents have greater reducedimpact on the environment and vegetation, but not completely eradicated, sousing range is subject to certain restrictions. Mechanical method is a direct role by means of machinery to get rid of hazards of ice and snow, while the removing ice net rate is lower, and there is no pollution to the environment and vegetation, snow off-site transfer and abroad errange of applications could be achieved. In terms of the deicer for ice and snow removal has complex structure at home and abroad,high prices, high maintenance costs and difficult popularization and universal development, successfully create a flexible, simple operation, lowprice, suitable for use on small roads and streets of thesmall motor deicer has broad prospects for development. Keywords:Road； Mechanical deicing(snow) method； Flexible； Deicer； Removing ice net rate 沈陽農業大學學士學位論文 3 前 言 在我國北方冬季普遍 降雪，特別是一些高寒地區降雪期長達（ 5-6）個月，積雪給道路、機場及人們出行帶來極大的不便，甚至造成交通中斷，屢屢發生事故。 目前，除雪的常用方式有：機械除雪、融雪除雪、綜合式除雪等。機械除雪是通過機械設備清除積雪的方法；融雪除雪是利用熱能或撒布化學藥劑而使積雪融化的一種方法；綜合式除雪是機械除雪與融雪除雪相結合的一種除雪方法。機械除雪應用最為廣泛。其除雪效率高、成本低、無污染、但對結冰路面及低等級路面除雪效果差。除雪車在國外已有很多廠家生產如 :瑞士的某公司和美國的某公司；德國的某公司。 國內在除冰機械的開 發和生產比除雪機械的時間還要短，除冰機械按其工作原理可分為以下幾種類型。振動式：液壓系統驅動振動馬達，帶動偏心塊的旋轉，在離心力的作用下，使得振動輪沿圓周徑向運動。靜碾壓裂式：通過懸掛于裝載機前端滾壓輪上的組合刀片將冰層壓碎。柔性鏈條擊打式：采用特制鏈條，前端安裝吊環，在主機的驅動下，鏈條作高速旋轉，對路面進行柔性抽打，從而獲得破冰效果。 縱觀除雪破冰機械的發展現狀，現有設備絕大部分功能單一、外形大、價格高。所以研制具有：小巧輕便，操作簡單，價格低廉，適合于小型公路和街道的使用且同時具有掃雪除冰功能的設備具 有廣闊的發展前景。 一種小型機動除冰裝置的設計 4 1 概論 近年來，我國高速公路、城市道路、機場建設突飛猛進，公路里程和機場數量不斷增加。冬季路面積雪結冰的清除成為交通部門保證冬季公路和機場安全運行所面臨的重要問題。 我國幅員遼闊，氣候復雜多樣，冬季 70%以上的國土范圍有降雪。北方大部分地區 ,每年降雪期長達 3-5個月。降雪時間長、雪量大、范圍廣、浮雪清除設備缺乏，所以路面降雪在短時間內很難被完全清除。此外，冬季北方地區氣候干燥，降雪濕度小，晝夜溫差大，路面降雪經過車輛和行人的反復碾壓或反復融凍會造成路 面積雪結冰 1。由此可見，路面積雪結冰是冬季北方地區降雪危害的主要形式，現象十分普遍。 冬季路面結冰現象并不只是出現在我國北方地區。在我國長江流域，冬季由于凍雨或雨加雪天氣時有發生，路面也容易出現結冰現象。例如 2008年 1月，我國南方地區遭受罕見的低溫雨雪冰凍災害，路面結冰情況十分嚴重。 路面積雪結冰的危害十分嚴重。結冰路面的摩擦系數降低，車輛剎車距離增大，我國冬季有 30%左右的交通事故是由路面結冰引起的。路面積雪結冰不僅容易引發交通事故，嚴重時還會造成公路交通中斷、鐵路停運、機場關閉，嚴重影響人民生活和 工農業生產，給國家經濟造成嚴重損失。 2008年 1月的低溫雨雪冰凍災害對交通運輸、電力供應、農業生產等造成嚴重的影響，高速公路、國省干線道路路面結冰嚴重致使全國 23個省份的公路交通受到嚴重影響，部分干線交通多次中斷，客運停運 2。 路面積雪結冰中往往含有塵土、泥沙顆粒等雜質，質地堅硬且與地面粘結牢固。傳統的人工除冰方法需要大量的人力，勞動強度大，效率低下，清除范圍有限，而且容易損壞路面。目前，我國專業化的除冰裝備還十分匱乏。在抗擊 2008年 1月的低溫雨雪冰凍災害中就調動大批人員進行人工除冰作業，但是效率低下 。抗災中使用的清雪除冰設備以裝載機、推土機、平地機等工程機械為主，部分路段甚至動用了射流車、坦克、裝甲車等裝備幫助清雪除冰 3-4。由此可見，研發用于清除路面冰雪，保障車輛、飛機和行人安全的冬季路面養護設備具有十分重要的意義。 1.1 道路除冰技術的發展 在世界范圍內，寒冷地區的國家冬季路面上都存在不同程度的積雪結冰。研究路面除冰技術具有十分重要的意義。路面除冰技術的發展歷程經歷了人工清除、機械化清除和智能化清除三個階段 5。 人工除冰法主要依靠人力用簡單的勞動工具來完成路面冰雪的清除。人工除冰法是最早 期、最原始的除冰方法。雖然人工清除冰雪比較徹底，但是作業時間長、勞動強度大、效率低 ,耗費大量人力、物力和時間，作業時影響車輛通行及行車安全。目前，人工除冰法適用于小范圍冰雪的清除或重點難點路段冰雪的清除。 后來，隨著科技水平的不斷提高，交通建設的飛速發展，機械化的除冰技術應運而沈陽農業大學學士學位論文 5 生。目前，常用的機械化除冰技術主要包括化學除冰法、熱力除冰法和機械除冰法三種。 (1)化學除冰法 化學除冰法是一種依靠撒布鹽類除雪劑來降低冰雪危害的方法。其原理是降低冰雪的冰點?；瘜W除冰法既可以用來清除路面結冰，也可以清除浮雪 ,是國際 上比較常用的一種路面冰雪清除手段。 在一定的環境條件下，化學除冰法可以有效的清除道路冰雪，改善道路安全狀況，提高道路運輸效率。但是化學除冰法的負作用也比較明顯，主要體現在 6-8： 除冰效果受環境溫度影響較大，且存在反復結冰現象； 造成瀝青面層脫落，路面大面積破損； 對橋梁的結構存在著腐蝕性，使橋梁結構的耐久性下降； 腐蝕機動車輛的輪胎及車輛底盤，大大降低其性能和使用壽命； 造成路邊的土壤鹽分增加，土壤板結硬化貧瘠； 造成城市綠地黃化，樹木枯死，甚至影響道路附近農作物的生長； 造成水體污染， 危害動物生命和人類健康。 近年來，雖然無毒性和無腐蝕性的環保型除雪劑 9，如生物降解型除雪劑等已經問世 ,對環境和植被的破壞減少了，但是并未徹底根除。因此化學除冰法的應用還是受到了一定的限制。 (2)熱力除冰法 熱力除冰法利用熱能使冰雪融化，消除冰雪危害，分為微波加熱、紅外線加熱、噴氣發動機加熱等類型 10-12。 微波加熱。利用微波穿透冰雪加熱路面，使得貼近路面的冰雪融化，消除了路面和冰雪之間的結合力使二者分離，達到清除目的； 紅外線加熱。使用柴油作為燃料加熱紅外線加熱板，利用其熱輻射作用使路面上的 冰雪迅速融化； 噴氣發動機加熱。利用噴氣式發動機排出的高溫熱氣流對路面冰雪進行加熱使其融化以達到清除目的。 雖然熱力除冰法清除冰雪速度快，安全性較好，但該方法往往耗能較大，費用較高，所以其適用范圍也受到很大限制。 (3)機械除冰法 機械除冰法通過機械裝置對冰雪直接作用來消除冰雪危害，按其工作原理可分為以下幾種形式 13-16。 振動式。振動式主要利用冰雪在振動作用下，小變形可以引發脆性斷裂的特點。振動輪在振動馬達帶動振動，使其表面的刀具切入、擠壓冰雪。振動式的工作效率高，清除效果比較好，能夠有效的避免 路面的損壞。但是顯而易見，振動式的結構復雜，成本高。 一種小型機動除冰裝置的設計 6 鏟剁式。鏟剁式模仿人工除冰，利用壓實冰雪硬而脆，不耐沖擊的物理性質。由多組刀具組成的工作鏟在曲軸的帶動下上下往復運動，對路面的壓實冰雪進行周期性剁擊。鏟剁式工作效率較低，很容易損傷路面，應用范圍受到限制。 推切式。除冰鏟是推切式除冰裝置常用的結構。鏟刃在壓力作用下切入冰雪層，在牽引主機的推動下清除冰雪。除冰鏟結構比較簡單，技術比較成熟，工作效率比較高。但是由于工作阻力大，除冰鏟清除冰雪的硬度受到很大限制，需要大功率的牽引主機。此外，鏟刃的磨損比較嚴重 ，對路面有一定的損傷。當路面起伏波動較大時 ,除冰鏟的清除效果受到影響。 碾壓式。碾壓式利用壓實冰雪脆性高，易斷裂的特點，通過滾筒上面的組合刀片，依靠自重和主機的協調壓力使楔形刀具切入冰雪層。隨著切入深度的增加，楔形刀具對冰雪層產生擠壓作用，使冰雪層脆性斷裂、破碎，并與路面剝離。碾壓式結構簡單，工作性能較好。 機械除冰法易于實現一機多用，不使用化學藥劑，無污染，能夠很好的保護環境和植被，公路兩側的農田或者綠化帶內是天然的堆放場所，還利于春季土壤保墑，所以它在國內應用最為廣泛。 隨著人們對路面除冰技術研究不斷 深入，出現了一類更為先進的除冰技術 智能化除冰技術。智能化除冰技術著眼于借助路面的某些特殊功能阻止路面積雪形成或者融冰除冰，目前主要包括自應力彈性路面技術、導電鋪面融冰雪技術、太陽能 土壤蓄熱融冰雪技術 17-19。 自應力彈性路面技術利用彈性材料局部變形能力較強的特性，通過在路面鋪裝材料內摻入一定量的橡膠顆粒，改變路面的變形特性。路面在外荷載作下產生的自應力，從而有效的抑制路面積雪結冰。 導電鋪面融冰雪技術是指在普通瀝青或者混凝土中添加聚合物類、碳類或金屬類導電組分材料，使之具有良好導電性能。冬季將電能 轉變為熱能使路面溫度升高，冰雪自動融化，從而保障交通暢通和行車安全。 太陽能 土壤蓄熱融冰雪是指在道路中鋪設太陽能采集系統，在地下土壤中設置能量儲存系統，將太陽能收集并儲存。降雪時將能量提取至路面，提高路面溫度融雪化冰。 1.2 國外道路除冰設備的研究現狀 國外降雪頻繁的國家都很重視清雪機械的研制和使用，機械清雪技術較為先進，已經進入專業化時代，產品在技術、工藝和性能上都比較成熟。目前，國外針對路面積雪結冰的清除技術還是以撒布除雪劑為主，設備既有綜合式的多功能專用除冰裝置，也有以工程車輛底盤為主機的一機多用 型除冰裝置 20-21。國外清雪除冰設備主要的生產廠家有瑞士 BOSCHUNG公司、丹麥的 EPOKE公司、德國的 DAIMLER-BENZ、 VOLKSWAGEN公司、英國的 SCHMIDT公司、美國 S&S、 BOBCAT公司。日本和俄羅斯的生產廠家更是不勝枚舉。瑞 沈陽農業大學學士學位論文 7 士 BOSCHUNG公司的智能移動式撒布機，如圖 1.1所示。日本的高速壓雪清除機，如圖 1.2所示。 圖 1.1 智能移動式撒布機 圖 1.2 高速壓雪清除機 1.3 國內道路除冰設備的研究現狀 國內研制 與開發路面除冰設備是 20世紀 80年代以后，起步較晚。研究與生產單位大多在我國冬季降雪較多的東北、西北和華北地區。最近幾年，國內一些生產廠家把國外先進技術和我國國情相結合 ,先后研制出一些滿足我國除冰要求的新產品。國內現有的除冰設備主要有吉林省公路機械廠與原吉林工業大學共同開發的 CB1500壓實冰雪清除機；哈爾濱天達科技有限公司生產的 H2800型、 H1900型擊振式破冰清雪機，如圖 1.3和1.4所示。 圖 1.3 H2800型擊振式破冰清雪機 圖 1.4 H1900型 擊振式破冰清雪機 經過二十多年的探索和研究，我國的路面除冰技術和設備取得了很大進步。但是從一種小型機動除冰裝置的設計 8 總體上看，我國對路面除冰設備的研發和生產尚處于起步階段，除冰設備的技術水平還比較落后，主要體現在以下幾個方面 22： (1)技術水平低。除冰設備在結構設計、制造、設備使用管理和維護等方面都存在問題。 (2)品種類型不全。目前，不少種類的路面除冰設備在我國還是一片空白，尤其是用于清除路面壓實冰雪的大型設備。 (3)避讓功能不理想。我國現有的除冰設備大部分避障能力較差，在除冰作業中，常常因為避障不及時導致作業屬具或者牽引 主機的損壞。 (4)對路面保護能力差。在作業路面凹凸不平時，除冰設備容易對路面造成破壞。 1.4 道路除冰技術的發展趨勢 目前，路面除冰技術的主要發展趨勢是 23： (1)多功能化。路面冰雪狀態和性能多樣化要求除冰設備具有多功能性，也即一機多用，降低設備的成本。 (2)高效化。高效化包括作業效率和除凈程度兩個方面，高效化作業是保證路面冰雪在最短的時間內得到及時、有效的清除的必然要求。 (3)環?；Ｔ谘邪l道路除冰設備時，選擇合理有效的除冰方法和符合環保標準的牽引主機和是環?；年P鍵。 (4)積極探索智能化 除冰技術。提高公路建設的技術水平，充分利用智能化路面除冰技術科技含量高、環保性好的優勢，研發出適合我國氣候和地質狀況的智能化道路，實現冰雪的智能化清除，保障行車安全和交通暢通。 1.5 小型除冰裝置的研制現狀和發展 近年來，大型破冰除雪設備已經遠遠不能完全滿足實際道路破冰除雪工作。大型除冰設備在告訴公路、機場等應用較廣，但是不太適合一些狹窄街道、人行道等的破冰除雪工作，因而研制機動靈活，操作簡單，價格低廉，適合于小型公路和街道的使用的小型機動除冰裝置具有廣闊的發展前景。 針對目前國內外的除雪或除冰車結構復雜 、售價高、使用維修成本大、推廣和普及困難的發展現狀，研制出小型掃雪除冰車具有重要意義?？v觀除雪破冰機械的發展現狀，現有設備絕大部分功能單一、外形大、價格高，小型機動除冰裝置的研制前景廣闊。目前，小型機動除冰裝置的研制發展較快，例如李天生、李方等研制的多功能小型掃雪除冰車，如圖 1.5 所示；牟艷秋等研制的一種小型破冰除雪機，如圖 1.6 所示。 然而諸如此類的掃雪除冰裝置破冰多采用除冰滾筒來實現，主要是通過滾筒碾壓切削冰雪完成破冰除雪工作，對路面的保護性較差，工作效率較低，此外，冰雪清除厚度有限，在厚度不同的積雪積 冰路面工作起來適應性較差，不能很好地根據冰層的厚度來調節除冰裝置進行除冰工作，經濟性較差，推廣應用起來比較困難。針對這些問題，本沈陽農業大學學士學位論文 9 文以 2012年遼寧省創新創業訓練項目為依托，主要進行以下幾個方面的研究： (1)分析路面壓實冰雪的物理力學性質及其破壞準則。 (2)在對比分析除冰裝置不同形狀的鏟冰刀的基礎上，確定該小型機動除冰裝置的鏟冰刀的最佳形狀是三棱錐形；對除冰裝置的主要機構和參數進行設計。 圖 1.5 多功能小型掃雪除冰車 圖 1.6 一種小型破冰除雪機 一種小型機動除冰裝置的設計 10 2 路面壓實冰雪物理力學性質 2.1 路面壓實冰雪成因與影響因素 2.1.1 路面壓實冰雪分類 日本冰雪協會雪質分類委員會經過對道路雪質調查，得出路面冰雪分類 24，本文節選出一部分，如表 2.1所示。從表中可以看出，壓雪、冰雪和冰膜的狀態均為板狀，組成中含有氣泡和間隙，密度在 450-900 3/kg m 之間。 表 2.1 路面壓實冰雪分類表 2.1.2 路面壓實冰雪成因 根據我國氣候及交通狀況，結合表 2.1，將路面壓實冰雪的形成原因歸納為以下三個方面： (1)碾壓。冬季路面降雪經過車輛和行人的碾壓，密度較小的新雪被壓實，形成高密實度的壓實雪。 (2)反復融凍。冬季由于晝夜溫差變化，路面降雪在一段時期內出現反復的融化、凍結， 在路面上形成堅硬的冰雪層。 (3)凍雨。凍雨是初冬或冬末春初時節的一種災害性天氣現象。凍雨落在路面上，隨即凍結成光滑的冰層。隨著雨量的增大，冰層也越結越厚。 以上三方面原因往往同時存在并相互作用，因此本文把壓雪，冰雪和冰層統稱為路面壓實冰雪。壓實冰雪在路面上的存在形式如圖 2.1所示。從圖中可以看出，壓實冰雪通過粘結層和路面固結在一起。通常情況下，粘結層的厚度僅有幾毫米。 圖 2.1 壓實冰雪存在形式示意圖 分類 狀態 特征 雪粒狀態 密度 / 3/kg m 壓雪 板狀 被碾壓過的積雪 雪粒 直徑為 0.05-0.3mm 相互連接的圓粒 450-750 冰雪 板狀 壓雪滲進水以后又凍結， 厚度在 1mm 以上 雪粒直徑為 0.05-2mm 的多結晶冰， 含有粒徑 0.1-0.5mm 的氣泡 750-900 冰膜 薄膜狀 凍結的水膜附在地面或積雪上，厚度在 1mm 以下 雪粒直徑為 0.1-0.4mm 的多結晶冰，含有粒徑 0.01-0.1mm 的氣泡 900 左右 沈陽農業大學學士學位論文 11 2.1.3 影響因素 由壓實冰雪形成原因可以看出，壓實冰雪的性能不僅受溫度、水分的影響，還與外界壓力 、路面雜質、面表面特性等因素有關 25。 (1)溫度 溫度影響積雪中水分的析出和凍結 當溫度高于 0 路面積雪開始融化，水分不斷增多。水分是凍結不可缺少的重要因素。當路面溫度接近 0 時，壓實冰雪內部、壓實冰雪與路面之間的水分開始凝結，由液態向固態轉變。溫度持續下降，路面與壓實冰雪界面處的水分凝固加劇，兩者之間的粘結層強度不斷增大，并將壓實冰雪和路面牢牢地接在一起。當溫度降到一定界限后，溫度的降低再不能從壓實冰雪內部得到更多的水分，界面間的粘結層強度不再增大，界面處于系統平衡狀態。 溫度影響凍結速度 溫度 變化的快慢會影響冰雪的凍結速度，而凍結速度的變化影響凍結壓實冰雪的結晶形態。不同結晶形態的冰雪，其性能變化很大。由此可見，溫度是影響路面壓實冰雪性能的重要因素，對壓實冰雪與路面的粘結起著關鍵作用。路面壓實冰雪和粘結層的性能是隨著溫度不斷變化的。 (2)壓力 壓力是形成路面壓實冰雪的重要條件，冰雪受到的壓力情況與被壓實后的冰雪的性能有直接關系。壓力作用的效果直接體現在壓實冰雪的密度和硬度上。 壓力影響水分的析出 降雪在壓力作用下，會有一定的雪轉化為水。壓力作用的次數越頻繁，降雪轉化為水的數量就越多。 壓力 影響壓實冰雪的密度和強度 壓力會使路面冰雪的密度和強度大大增加，這是因為所施加的壓力一方面使積雪被壓實，另一方面壓力會集中在界面上，使界面處冰雪層與路面的接觸更加緊密，水分向界面滲透加劇。滲透到路面的水分凍脹，大大增加了冰雪對路面的“抓固”作用，增加了整體的強度。 在現實情況中，冰雪受到的壓力大小和次數均無法準確衡量，所以壓實冰雪的性能仍有很大的隨機性。 (3)凍結時間 在特定溫度下系統的平衡依賴于凍結時間。在系統未進入熱量平衡之前，凍結時間與壓實冰雪的強度呈線性增長關系，凍結時間越長，壓實冰雪的強度就越大 。當系統進入熱量平衡后，強度趨于平衡不再發生變化。由此可見，路面壓實冰雪的形成過程是系統散失熱量，水分凝固結冰的過程。凍結時間與壓實冰雪的強度有直接的關系。 一種小型機動除冰裝置的設計 12 (4)路面表面特性與雜質 路面表面特性 壓實冰雪性能受到路面表面特性的影響，主要包括路面的粗糙度和表面濕潤性等表面特性與導熱性、熱膨脹性等材料熱特性 26。 我國等級路面分為瀝青類路面和水泥混凝土類路面兩種。北方地區路面以瀝青類路面為主。較小的空隙率使瀝青混凝土路面具有透水性小、水穩性好、耐久性高、有較大的抵抗自然因素的能力，使用年限可達 15-20 年以上。瀝青混凝土路面表面粗糙度大，抗水性好，比熱小，熱膨脹系數小，壓實冰雪與瀝青路面的凍結將十分堅固。 路面雜質 在各種公路的路面上，不可避免的存在各種雜質，比如粉塵、泥沙、碎石顆粒物等這些雜質的存在對路面壓實冰雪的性能也有重要影響。 當路面與壓實冰雪層之間存在雜質時，雜質起到了凝結核的作用，水的結凍不均勻，增大粘結層強度。一般情況下，粘結層的強度高于壓實冰雪的強度。 不同的路面的表面特性及路面雜質的存在情況各不相同，所以路面壓實冰雪的性能是隨著路面雜質不斷變化的。 2.2 路面壓實冰雪力學性質 2.2.1 抗壓強度 壓實冰雪的抗壓強度是除冰裝置設計的重要參數之一，指壓實冰雪抵抗其它物體進入的能力，用剛體進入冰雪時單位面積上所受到的阻力表示 27。壓實冰雪的抗壓強度因環境不同而不同，強度值隨密度的增大而增大，隨溫度的降低而增大，統計數值如表 2.2所示。 表 2.2 壓實冰雪的抗壓強度 2.2.2 抗切強度 抗切強度q定義為切割每單位橫截面積壓實冰雪所需的力，包括壓實冰雪各種形式的變形強度 28。目前，抗切強度的計算大多利用經驗公式 qq Fbh （ 2.1） 冰雪類型 -1 至 -20時抗壓強度的范圍 /MPa 密度 / 3/kg m 壓雪 0.2-1.67 450-750 冰雪 0.9-2.94 750-900 冰層 1.0-4.0 900 左右 沈陽農業大學學士學位論文 13 式中： q 抗切強度 ， Pa ； qF 作用在刀刃上的切削阻力 ， N ； b 切削刃寬度 ， m ； h 切削層厚度 ， m ； 利用抗切強度q可以很簡便地進行壓實冰雪清除裝置阻力計算和除冰 裝置的 牽引特性分析，壓實冰雪的抗切強度如表 2.3 所示。 表 2.3 壓實冰雪的抗切強 2.2.3 相關系數 壓實冰雪清除裝置設計、除冰裝置的工作阻力計算和牽引性能分析涉及到冰雪的摩擦系數、冰雪路面的附著系數、冰雪路面的行駛阻力系數的選取 29。 冰雪的摩擦系數包括外摩擦系數和內摩擦系數，外摩擦系數是指冰雪與其他物體之間的摩擦系數，內摩擦系數是指冰雪內部之間的摩擦系數。本文冰雪的外摩擦系數具體指冰雪和鋼鐵之間的摩擦系數，取值參考表 2.4。冰雪內摩擦系數取值如表 2.5 所示。內外摩擦系數都與溫度和冰雪的密度有關。 表 2.4 冰雪和鋼鐵的摩擦系數 路面壓實冰雪的存在很大程度上降低了路面原來的使用性能，具體路況下輪胎的附著系數和行駛阻力系數取值分別如表 2.6、表 2.7 所示。 抗切強度 / 310Pa 冰雪密度 / 3/kg m 溫度 / 0 至 -1 -2 至 -10 -10 以下 300-400 5.0-12.0 8.0-25.0 5.0-35.0 450-750 10.0-25.0 15.0-40.0 30.0-80.0 750-900 20.0-35.0 30.0-80.0 70.0-130.0 摩擦系數 冰雪密度 / 3/kg m 溫度 / 0 至 -1 -2 至 -15 -16 至 -30 450-550 0.056 0.04 0.05 550-650 0.05 0.03 0.04 650-750 0.04 0.02 0.03 750 以上 0.03 0.015 0.02 一種小型機動除冰裝置的設計 14 表 2.5 冰雪的內摩擦系數 表 2.6 冰雪路面的附著系數 表 2.7 冰雪路面的行駛阻力系數 2.3 壓實冰雪破壞準則 由材料力學可知，當材料處于簡單受力情況時，材料 的危險點處于簡單應力狀態，破壞可以由簡單試驗來確定。但是，壓實冰雪在外載荷的作用下常常處于復雜的應力狀態，壓實冰雪的強度及其在載荷作用下的性狀和冰的應力狀態有著很大的關系。目前，材料力學中的多種破壞理論都可以用來解釋壓實冰雪在復雜應力狀態下的破壞 30。 (1)最大拉應力準則 該理論認為最大拉應力是引起壓實冰雪斷裂的主要因素。當最大拉應力達到與壓實冰雪有關的材料性質的某一極限值時，壓實冰雪就發生斷裂破壞。最大拉應力理論的破壞準則為 1 b (2.2) 摩擦系數 冰雪密度 / 3/kg m 溫度 / 0 至 -1 -2 至 -10 -10 以下 450-750 0.40 0.44 0.50 750-900 0.42 0.47 0.53 900 0.45 0.50 0.59 壓實冰雪狀態 輪胎類型 附著系數 密實凍結 低壓胎 0.20-0.35 密實凍結 高壓胎 0.20-0.25 密實解凍 低壓胎 0.10-0.20 密實解凍 高壓胎 0.10-0.20 壓實凍結 高壓胎 0.209 壓實解凍 高壓胎 0.176 冰雪狀態 冰雪密度 / 3/kg m 行駛阻力系數 輪胎 履帶 松軟 150-250 0.2-0.25 0.2 松軟潮濕 150-250 0.3 0.2 輕度碾壓 250-350 0.15-0.2 0.1 碾壓 450-750 0.08-0.1 0.05 冰雪 750-900 0.06-0.08 0.07-0.1 沈陽農業大學學士學位論文 15 將極限應力b除以安全系數 n ，可以得到許用應力 ，則最大拉應力理論的強度條件為 1 (2.3) 最大拉應力準則只適用于單向應力狀態及某些應力狀態中的受拉的情況。對于復雜應力狀態，該準則有不足之處。 (2)最大正應變準則 該 理論認為材料的破壞取決于最大正應變，只要材料內任一方向的正應變達到單向壓縮或單向拉伸中的破壞數值，材料就發生破壞，破壞準則為 1 bE (2.4) 由廣義胡克定律m a x 1 1 2 31 ( ) E ，代入 (2.4)得 1 2 3() b (2.5) 將極限應力b除以安全系數 n ，可以得到許用應力 ，則最大正英變理論的強度條件為 1 2 3( ) (2.6) (3)莫爾強度理論及莫爾 -庫侖準則 莫爾強度理論是莫爾在 1900 年提出的，是目前工程中應用最多的強度理論之一。該理論認為材料內某一點的破壞與中間主應力無關，主要決定于主應力1和3。在 平面上，可以繪制一系列的極限應力圓，每一極限應力圓都反映一種達到破壞極限的應力狀態。這一系列極限應力圓的包絡線稱為莫爾包絡線，如圖 2.2 所示。包絡線代表材料的破壞條件或強度條件。 圖 2.2 極限應力圓的包絡線 1-抗拉試驗； 2-抗剪試驗； 3-抗壓試驗； 4-包絡線； 5-三軸試驗 一種小型機動除冰裝置的設計 16 根據莫爾理論，可以利用在 平面上畫出該點的莫爾應力圓 ,來判斷材料內某點于復雜應力狀態下是 否破壞。如果所作應力圓在莫爾包絡線以內，則通過該點任何面上的剪應力都小于相應面上的抗剪強度 ，說明該點沒有破壞，處于安全狀態；如果所作應力圓剛好與包絡線相切，則通過該點有一對平面上的剪應力剛好達到相應面上的抗剪強度，該點處于臨界破壞狀態。 對于不同性質的材料，莫爾強度條件的形式也各不相同。對于抗拉強度很弱，抗壓強度很高的脆性材料，在應用莫爾強度理論時，可以用單向拉伸和單向壓縮兩個極限應力圓的公切線來代替包絡線將，包絡線進行化簡。將該直線形式的包絡線稱為莫爾 -庫侖強度準則，如圖 2.3 所示。莫爾 -庫侖破壞準則認為，當剪切應力 大于內聚力 C 和內摩擦力 之和時，材料便發生脆性剪切破碎。莫爾 -庫侖破斷準則的表達式為 C （ 2.7） 式中： C 壓實冰雪的內聚力， Pa ； 壓實冰雪的內摩擦系數 。 圖 2.3 莫爾 -庫侖破斷準則 綜合考慮以上三種強度理論，考慮到壓實冰雪的實際受力環境，在復雜應力狀態下，莫爾 -庫倫準則能夠較好的反映其破壞狀況。 2.4 除冰作業性能參數 (1)除凈率 除凈率是指除冰裝置清除路面壓實冰雪的干凈程度，是衡量除冰裝置工作性能的關鍵指標之一。除凈率一般定義為清除干凈的路面面積與待清除路面面積的比值 31。除凈率的計算公式為 1SS (2.8) 式中： 除凈率； 1S 清除干凈的路面面積， 2m ； 沈陽農業大學學士學位論文 17 S 待清除路面面積， 2m ； 一般情況下露出 90%的路面，殘留的冰雪就達不到形成公害的程度，交通可以暢通。因此，除冰裝置的除凈率要達到 90%以上，否則，除冰作業就失去有效性。 (2)工作效率 工作效率是除冰裝置的重要性能指標，衡量除冰裝置在短時間能恢復路面交通的能力。工作效率主要體現在兩個方面：行走速度和清除寬度。要獲得較高的工作效率就必須對行走速度和清除寬度做出限定。 除冰作業時，除冰裝置的工作阻力很大，因此行走速度就受到很大的限制。為了保證除冰裝置有較高的工作效率，一般情況下，行走速度不應低于 5 /kmh 。 清除寬度是指除冰裝置一次作業能夠清除的最大寬度。清除寬度 主要根據牽引主機的寬度范圍和交通法規的要求確定。清除寬度不宜過大，也不宜過小。除冰寬度過大，影響車輛行車安全，增大行車阻力，降低行車速度。清除寬度過小，降低工作效率。清除寬度一般取 2-3m 。 在保證除凈率的前提下，行走速度越快，清除寬度越大，工作效率越高。工作效率越高，短時間內清除大面積路面冰雪的能力就越強，所需要配備的除冰裝置數量就越少。 (3)清除厚度 根據我國雪情資料分析，一次降雪的厚度一般不超過 15cm ，路面壓實冰雪厚度一般不超過 3-4cm 。由于降雪受風吹、車壓等環境因素影響，致使壓實冰雪的厚度具有不均勻性、不規律性，除冰裝置清除壓實冰雪的厚度應當不低于 5cm 。本文最大清除厚度為 0.1m 。 (4)結構性 在保證達到性能要求的前提下，除冰裝置的結構組成越簡單越好。一般情況下，結構越簡單，操作就簡單，運轉也靈活，可靠性越好，加工工藝性也越好，成本也低，經濟 性就好。 (5)路面保護性 由于除冰裝置的工作對象是壓實冰雪，而壓實冰雪與路面又粘結在一起，因此作業時容易破壞路面。保護路面不受損傷是道路除冰作業的最基本的要求，任何一種在道路路面通行的車輛和作業機械都不得損壞路面，否則是不允許其通行和作業的。 (6)避障能力 除冰裝置除冰作業時，不可避免的要遇到路面障礙物。能否順利避開障礙物，而且不影響除冰作業的工作性能是除冰裝置要具備的重要能力。避障功能可以通過在除冰裝置上配備避讓裝置或者通過合理的設計來實現。 (7)經濟性 好的經濟性是對一切機械設備的共性要求。對于除 冰裝置而言，經濟性要求尤為突一種小型機動除冰裝置的設計 18 出。因為城市除雪經費數額有限，如果除冰裝置的價格過高，則環衛部門無力購置和使用。研發除冰裝置時，要盡可能降低設備的成本，適應我國的國情。 沈陽農業大學學士學位論文 19 3 小型機動 除冰裝置總體設計 3.1 除冰裝置整體方案設計 3.1.1 除冰裝置的結構特性和工作原理 除冰裝置由車架和安裝在它上面的汽油機、減速器、傳動裝置、操作裝置等組成。其機構示意圖和結構簡圖分別見圖 3.1 和圖 3.2。 圖 3.1 除冰裝置結構示意圖 1-鏟冰刀； 2-減振彈簧； 3-滑動軸承； 4-曲柄盤； 5-帶傳動； 6-圓錐齒輪； 7-固定螺栓； 8-固定軸承； 9-軸承座； 10-圓錐齒輪軸（垂直軸）； 11-上下進給控制機構； 12-碎冰刀盤； 13-碎冰刀； 14-刮冰鏟； 15-汽油機； 16-車輪 圖 3.2 除冰裝置總體結構 一種小型機動除冰裝置的設計 20 通過理論設計，在農業機械化實驗室把各種零件加工、制造組裝好。該小型機動除冰裝置的整體設計實物圖如圖 3.3 所示。 圖 3.3 小型機動除冰裝置整體設計實物圖 該除冰裝置主要由鏟冰刀、碎冰刀（安裝在圓錐齒輪軸上）和刮冰鏟三部分組成。第一套除冰機構是鏟冰刀，主要是利 用曲柄滑塊上下往復運動實現鏟冰刀的鏟冰運動，這樣就模擬了人工除冰的原理，有較高的效率。第二套除冰機構是碎冰刀，主要是運用汽油機作為動力源驅動圓錐齒輪機構帶動碎冰刀旋轉達到除厚冰的目的。第三套除冰機構利用刮冰鏟將碎冰塊收集并把碎冰塊推向道路的一旁。在鏟冰刀、碎冰刀和刮冰鏟的共同作用下，冰基本被除盡并推向道路的一旁，可以達到很好的除冰效果且非常有利于下一步的道路冰雪清理工作。 3.1.2 除冰裝置的功率分配 在該小型機動除雪裝置的動力設計中，主要研究整機行走消耗的功率、破冰裝置消耗的功率以及刮冰鏟清除冰雪消耗功 率的計算。對于其他消耗功率較小的裝置不再單獨計算，而是統一考慮在系數 k 之中，因此，破冰裝置的總功率 (kw )為： ()p k p p p 汽 行 走 破 冰 刮 冰 鏟 （ 3.1） 式中： p汽汽油機功率； p行 走 行走功率； p破 冰 破冰裝 置所用功率； p刮 冰 鏟 刮冰鏟所用功率； 由上式看出，在行走功率為零時，汽油機功率可以全部傳給破冰（鏟冰刀和碎冰刀）裝置和刮冰鏟裝置，而在破冰裝置和刮冰鏟裝置功率為零時，發動機功率可以全部成為行走動力。因此，在破冰量很大時，車速不宜過高；而在破冰量很小時，可以相應提高沈陽農業大學學士學位論文 21 車速，所以，該小型機動除冰裝置的傳動效率較高。 3.1.3 機架設計 機架是連接汽油機及除冰機構的安裝車體。由于在工作過程中產生振動并且需要承載的重量較大，故需要選用硬度較高，強度較大的角鐵。為了能 與汽油機的寬度相協調，機架設計長度為 1100mm 、寬度為 600mm ，高度為 700mm ， 通過焊接使其連接在一起。 3.1.4 行走裝置設計 該機動除冰裝置的行走裝置較簡單，四個小車輪通過螺栓聯接使車輪固定在機架上?？梢哉{節四個小車輪來調節整個機架的高度，增強了對積冰積雪厚度不同的路面冰雪清理工作的適應性。 3.1.5 動力裝置選定 小型機動除冰裝置以汽油機作為 動力源，通過動力傳遞裝置依次將動力傳遞到鏟冰刀、碎冰刀和刮冰鏟。根據實際除冰工作的需要，選定重慶爾翔 EX152F 汽油機作為動力裝置。該汽油機的額定功率為 2.2kw ，最大額定轉速為 4000 /minr 。經過計算可得輸出轉矩為 5.3Nm 。 3.1.6 傳動裝置選定 除冰裝置的傳動原理如下：汽油機經減速器減速后，經帶傳動帶動曲柄轉動，利用曲柄滑塊運動實現鏟冰 刀上下往復運動。除此之外，通過帶傳動驅動圓錐齒輪機構帶動碎冰刀旋轉。考慮到緩沖、減震、過載保護、原動機等對傳動裝置的要求，采用帶 (普通 V 帶 A 型 )傳動。 除冰裝置的傳動參數如表 3.1 所示。 表 3.1 除冰裝置的傳動參數 汽油機額定功率 2.2kw 一級減速長軸 450mm 汽油機最大額定轉速 4000 /minr 一級減速長軸 420mm 汽油機轉矩 5.3Nm 一級減速長軸 300mm 大帶輪直徑 180mm 車架長度 1100mm 小帶輪直徑 60mm 車架寬度 600mm A 型 V 帶長度 800mm ,1000mm ,1100mm 車架高度 700mm 一種小型機動除冰裝置的設計 22 4 主要部件的設計及計算 4.1 傳動比的確定 汽油機的最大額定轉速是 4000 汽油機的最大額定轉速 N 是 4000 / minr ，額定功率P 是 2.2kw 。汽油機動力傳遞到各軸是采用帶和圓錐齒輪傳動，大帶輪的半徑 R 均是90mm ，小帶輪的半徑 r 均是 30mm 。根據實際除冰工作的需要，汽油機到一級減速長軸、一級減速長軸到二級減速長軸、二級減速長軸到三級 減速長軸之間的傳動比均為20190 330d Ri dr 。一對圓錐齒輪的傳動比為 1i 。 4.2 鏟冰裝置設計 小型機動除冰裝置的第一套除冰機構是鏟冰裝置。鏟冰裝置主要由曲柄連桿機構、滑動軸承和與曲柄連桿機構聯接在一起的鏟冰刀構成。 4.2.1 曲柄連桿機構 曲柄連桿機構是由曲柄盤和連桿構成，是第一套除冰機構的重要組成部分。通過曲柄連桿機構將二級減速軸傳來的動力傳遞給鏟冰刀，帶動鏟冰刀上下運動完成鏟冰工作。 曲柄盤的直徑 cmdq 6，連桿長度為 15cm 。 4.2.2 鏟冰刀刀具的設計 為了更好地達到除冰效果，鏟冰刀刀具的形狀選擇顯得尤為重要。為此，在設計鏟冰刀刀具形狀之前，我們選擇了扁鏟形、三棱錐和四棱錐三種形狀的鏟冰刀做自由落體實驗來模擬鏟冰刀的鏟冰工作過程。扁鏟形、三棱錐和四棱錐三種形狀的鏟冰刀質量均0.975kg ，形狀如圖 4.1、圖 4.2 和圖 4.3 所示。 圖 4.1 扁鏟形鏟冰刀 沈陽農業大學學士學位論文 23 圖 4.2 三棱錐形鏟冰刀 圖 4.3 四棱錐形鏟冰刀 三種不同形狀的鏟冰刀刀具（質量均 0.975kg ）通過分別從不同高度自由落體，下落到同一冰面，經過測定，得到三組不同實驗數據如表 4.1、表 4.2 和表 4.3 所示。 表 4.1 扁鏟形鏟冰刀（質量 0.975kg ）實驗數據 實驗次數 下落高度（ mm ） 破冰深度（ mm ） 1 1100 8 2 1000 7 3 900 7 4 800 6 5 700 6 6 600 5 一種小型機動除冰裝置的設計 24 表 4.2 三棱錐形鏟冰刀（質量 0.975kg ）實驗數據 實驗次數 下落高度（ mm ） 破冰深度（ mm ） 1 1100 10 2 1000 9 3 900 8 4 800 6 5 700 6 6 600 5 表 4.3 四棱錐形鏟冰刀（質量 0.975kg ）實驗數據 實驗次數 下落高度（ mm ） 破冰深度（ mm ） 1 1100 9 2 1000 8 3 900 8 4 800 8 5 700 7 6 600 7 利用 Excel 對以上三組數據進行優化處理，如圖 4.4、 4.5 和 4.6 所示。 對這三圖進行分析可知，三棱錐形鏟冰刀實驗中的直線斜率最大，表明破冰深度隨下落高度的變化明顯，可推知同樣條件下，三棱錐形的鏟 冰刀鏟冰效果最佳。而實驗過程中對不同形狀鏟冰刀鏟冰實驗結果的記錄（選取下落高度為 800mm ），如圖 4.7、 4.8 和 4.9 所示，該結果也表明同條件下，三棱錐形鏟冰刀除冰效果最佳。 扁鏟形鏟冰刀實驗結果分析y = 0.0054x + 1.8857R2 = 0.937701234567890 200 400 600 800 1000 1200線性 ( 扁鏟形鏟冰刀實驗結果分析)圖 4.4 扁鏟形鏟冰刀實驗結果分析 沈陽農業大學學士學位論文 25 三棱錐形鏟冰刀實驗結果分析y = 0.0103x - 1.4095R2 = 0.95760246810120 200 400 600 800 1000 1200線性 ( 三棱錐形鏟冰刀實驗結果分析) 圖 4.5 三棱錐形鏟冰刀實驗結果分析 四棱錐形鏟冰刀實驗結果分析y = 0.0037x + 4.6762R2 = 0.85210123456789100 200 400 600 800 1000 1200線 性 ( 四 棱 錐 形 鏟 冰 刀 實 驗結果分析) 圖 4.6 四棱錐形鏟冰刀實驗結果分析 圖 4.7 扁鏟形鏟冰刀實驗結果（下落高度為 800mm ） 一種小型機動除冰裝置的設計 26 圖 4.8 三棱錐形鏟冰 刀實驗結果（下落高度為 800mm ） 圖 4.9 四棱錐形鏟冰刀實驗結果（下落高度為 800mm ） 通過以上分析可知，同條件下，三棱錐形鏟冰刀鏟冰效果優于扁鏟形鏟冰刀和四棱錐形鏟冰刀，故設計鏟冰刀為三棱錐形鏟冰刀。 鏟冰刀的設計 汽油機作為動力源通過 V帶傳動減速后將動力輸出到一級減速軸，一級減速軸通過 V 帶傳動減速后將動力傳到二級減速軸及與曲柄盤配合的長軸。減速后的二級軸帶動曲柄滑塊機構運動，因而與曲柄滑塊 聯接的鏟冰刀架和鏟冰刀也隨之做上下往復運動實現模擬人工除冰的原理將冰鏟掉。鏟冰刀上下往復運動的理論行程是曲柄盤的直徑，理論運動周期是曲柄盤的運動周期。通過控制曲柄盤運動周期就控制了鏟冰刀上下往復運動的周期?？紤]到實際的除冰工作過程以及零件的加工容易程度，鏟冰刀在三棱錐形的設計基礎上稍作了改變，實際結構如圖 4.10 和圖 4.11 所示。 沈陽農業大學學士學位論文 27 圖 4.10 鏟冰刀正視圖 圖 4.11 鏟冰刀左視圖 4.3 碎冰裝置設計 小型機動除冰裝置的碎 冰裝置 的第二套除冰機構是鏟冰裝置。碎冰裝置主要由圓錐齒輪軸（垂直軸）、碎冰刀盤、碎冰刀和控制碎冰刀盤在圓錐齒輪軸上下運動的上下進給控制機構組成。 考慮到有時道路上的冰雪厚度不同，為了方便清除道路上不同厚度的冰雪，我們設計了通過操作手柄手動來控制碎冰刀上下進給運動。安裝在碎冰刀盤上的碎冰刀隨刀盤的轉動實現旋轉除冰的目的。二級減速軸通過 V 帶傳動減速后將動力傳到三級減速軸，它通過圓錐齒輪機構實現動力的換向并將動力傳遞到安裝碎冰刀盤的垂直軸進而實現碎冰刀的旋轉除冰運動。碎冰刀盤可在垂直軸的下端一定范圍（約 3cm 范圍）上下運動。垂直軸的末端安裝限位彈簧防止碎冰刀盤在垂直軸上運動時與軸脫落，同時可起到一定的減振作用。碎冰刀盤上端與一個軸承固定相連后安裝在垂直軸上，軸承與操作手柄相連。通過手動控制操作手柄可以實現碎冰刀盤在垂直軸的下端上下往復運動，進而實現碎冰刀的上下進給運動。這樣道路上不同厚度的冰雪即可順利的被清除。設計結構如圖4.12 和圖 4.13 所示。 圖 4.12 碎冰刀正視圖 圖 4.13 碎冰刀左視圖 一種小型機動除冰裝置的設計 28 4.4 主要部件 結構參數的確定及計算 4.4.1 汽油機計算功率的確定 所選汽油機的額定功率為 2.2kw ,最大額定轉速 4 0 0 0 / m innr ，設為額定功率 P ，查得工作情況系數 1.3AK ，所以計算功率： 1 . 3 2 . 2 2 . 8 6 ( )c a AP K P k w （ 4.1） 4.4.2 V 帶傳動計算 帶傳動是具有中間撓性件、靠摩擦工作的轉動，具有能緩沖吸振、傳動平穩、噪聲小、結構簡單、允許有較大的傳動中心距較大等優點，并且過載時帶可以在帶輪上打滑，可以防止其他零件的損壞，故在此設計中選帶傳動。帶傳動如圖 4.14 所示： 圖 4.14 帶傳動 動力為汽油機，額定功率為 2.2P kw ，額定轉速 4 0 0 0 / m innr ,汽油機輸出軸上小帶輪作為主動輪，主動輪基準直徑 mmd 601 ， 則與一級減速長軸配合的 大帶輪的基準直徑為： )(9.180)02.01(6013004000)1(1212 mmdnnd （ 4.2） 一級減速長軸上大帶輪的基準直徑為 )(1802 mmd ，一級減速長軸的轉速 2n 偏大，但誤差仍在 5%范圍內，故允許。此時帶速： )/(56.12100060 40006014.3100060 11 smndv （ 4.3） 帶速 v 在 5-25m/s 范圍內，帶速合適。同理可求得其他各減速軸的 帶速和軸轉速。 確定 V 帶的基準長度 和傳動的中心距： )()(7.021021 ddadd （ 4.4） 根據實際結構，初定中心距 mma 4000 ，帶基準長度： 沈陽農業大學學士學位論文 29 )(8.11854004)60180()18060(214.340024)()(22202122100mmaddddaL （ 4.5） 選取帶的基準長度 mmLd 1200，計算所需的中心距 )(4072 00 mmLLaa d ，同理可求得其他各減速軸帶長和中心距。 驗算主動輪上的包角： 00 0 021( ) 5 7 . 31 8 0 1 6 3 . 1 1 1 2 0dda （ 4.6） 所以主動輪上的包角合適。 確定 V 帶的張緊力。 A 型普通 V帶單位長度質量 0 .1 0 /q kg m ，由公式： 2202 . 5 2 . 55 0 0 ( 1 ) 5 0 0 2 . 8 6 ( 1 )0 . 9 6 0 . 1 7 . 5 3 6 3 1 0 . 1 ( )1 7 . 5 3 6caP kF q v Nzv （ 4.7） 確定帶傳動作用在軸上的載荷： 102 s i n ( ) 6 1 3 . 5 ( )2QF z F N （ 4.8） 4.4.3 鏟冰刀理論鏟冰頻率和碎冰刀盤理論轉速 通過上面減速軸轉速的計算我們得到二級減速軸的轉速 min/4442 rn 即 srn /4.72 這也是曲柄盤的轉速，即在 1s 內曲柄盤轉動 7.4 周。理論上隨著曲柄盤轉動一周鏟冰刀完成一次上下往復除冰運動，并且其上下往復運動理論最大行程是曲柄盤的直徑cmdq 6 ，即在 1s 內鏟冰刀理論上完成 7.4 次上下往復除冰運動，也就是鏟冰刀理論鏟冰頻率 4.7f ，實際上由于摩擦等因素在動力傳遞過程中鏟冰刀鏟 冰頻率要小于鏟冰刀理論鏟冰頻率 f ，這符合現實生活中的人工用鐵鍬鏟冰頻率。 由于一對圓錐齒輪的傳動比為 1:1 ，這樣碎冰刀盤理論轉速sn與三級減速軸的轉速大小3n相等，即3snn。三級減速軸的轉速大小3n可通過上面的計算得 min/2223 rn 即srnns /7.33 ，這樣通過計算得出碎冰刀的理論扭矩： 一種小型機動除冰裝置的設計 30 395500000 . 2TTTPT nWd 32 . 295500001330 5 . 0 6 ( )0 . 2 2 5T M P a45 . 7 3 1 0PTGI 32200 3 . 1 6 ( )3 . 1 4 2 2 2pM N mn （ 4.9） 實際工作時我們可通過控制刀片質量、碎冰刀盤轉速、行車速度等因素來保證刀片對路面的作用力度小于或等于人工除雪，或者使其在某一合適的范圍。 4.4.4 減速長軸的尺寸和強度校核 減速長軸的尺寸的確定，主要依據結構布置上的要求并考慮加工工藝和裝配工藝要求而定。在設計時，由皮帶輪的工作位置和尺寸可初步確定長軸的長度，根據設計的要求，可 確定一級減速長軸長為 450mm ，二級減速長軸長為 420mm ，三級減速長軸長為300mm 。 由減速長軸結構布置考慮到加工和裝配而確定的軸的尺寸，一般來說強度是足夠的，僅對其危險斷面進行驗算即可。對于本設計來說，在設計的過程中，軸的強度和剛度都留有一定的余量，下面對一級減速長軸進行校核。 因為一級減速長軸在運轉的過程中，所受的彎矩很小，可以忽略，可以認為其只受扭矩。此中情況下，軸的扭矩強 度條件公式為 （ 4.10） 式中： T 扭轉切應力 ， MPa ； T 軸所受的扭矩 ， N mm ； TW 軸的抗扭截面系數， 3mm ； p 軸傳遞的功率 ， kw ； d 計算截面處軸的直徑， mm ； T 許用扭轉切應力， MPa 。 其中 2.2P kw ， 1 3 3 0 / m innr ， 24d mm 代入上式得： （ 4.11） 由查表可知 5 .5T M pa ，故 TT，符合 強度要求。 軸的扭轉變形用每米長的扭轉角 來表示。其計算公式為： （ 4.12） 式中： T 軸所受的扭矩， N mm ； G 軸的材料的剪切彈性模量， MPa ,對于鋼材， 48 .1 1 0G M P a ； 沈陽農業大學學士學位論文 31 444157975 . 7 3 1 0 0 . 33 . 1 4 2 58 . 1 1 032 PI 軸截面的極慣性矩， 4mm ， 32/4dIp ； 將已知數據代入上式可得： （ 4.13） 對于一般傳動軸可取 0 .5 1 ( ) / m ；故也符合剛度要求。 4.5 設計考慮因素 4.5.1 生產效率 生產效率 ( 2 /km h )以單位時間內清除的道路面積計 : =wv （ 4.14） 式中： w 除冰裝置的工作幅寬， m ； v 除冰裝置的工作速度， hkm/ 。 實際工作時應當均衡這兩個因素，使除冰裝置能最大程度地滿足生產要求。 4.5.2 除凈率 除冰裝置的除凈率以殘雪量表示， 除凈率一般定義為清除干凈的路面面積與待清除路面面積的比值 。影響除凈率的因素，除了機器本身的結構之外，主要是道路的路面質量。雖然城市內主要干線都是一級路面標準，實際上黑色路面經過夏季高溫，難免會出現凹凸不平的狀況，路面不平，自然會影響機器的除凈效率。我們在進行機器設計時，必須考慮如何適應外部 條件，提高機器的自身質量。 一種小型機動除冰裝置的設計 32 5 結論 本設計創新點明顯，具有很好的推廣應用前景。 （ 1）鏟冰刀模擬人工用鐵鍬除冰的原理，能夠真正的除掉厚冰，效率很高。 （ 2）碎冰刀模擬植樹挖坑機挖坑的原理，在除冰過程中通過手動控制碎冰刀盤的 上下進給，能適應不同厚度的冰面，除冰效果明顯。 （ 3）鏟冰刀在下除冰過程中通過減振彈簧緩和沖擊，能夠最大限度的減少對路面 的損害并保護鏟冰刀。 （ 4）動力傳遞多采用 V帶傳動， V帶張緊裝置可以按需分配動力傳遞，適應性強。 V 帶傳動能緩沖吸振，噪聲小，過載時可以打滑，降低對設備的損傷。 專業化的冰雪道路清除機械的研究對保障道路通暢，特別是保障寒冷地區的道路通暢有非常重要的作用。但是，冰雪的性質與氣候、溫度等諸多因素有關，