某除雪車的機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算過程案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u3448某除雪車的機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算過程案例分析 1127311.1整車示意 1161611.2推雪前鏟的設(shè)計(jì) 2173581.3碾壓磙設(shè)計(jì) 973861.4撒布系統(tǒng)介紹 13213621.5鼓風(fēng)系統(tǒng) 15整車示意該多功能車由推雪鏟、吹風(fēng)系統(tǒng)、碾壓磙、撒布罐、撒布機(jī)和智能感知器等組成，是在二類底盤的基礎(chǔ)上直接加裝的，兼容性能好。除雪破冰是本車的主要功能，前雪鏟負(fù)責(zé)鏟雪，吹雪系統(tǒng)可通過高速的氣流將推鏟殘留的積雪吹散。碾壓磙負(fù)責(zé)破冰。最后的撒布機(jī)可將儲(chǔ)存在撒布罐的融雪劑噴灑出來，防止道路結(jié)冰。夏天時(shí)，該車并未閑置，吹風(fēng)系統(tǒng)可反轉(zhuǎn)配合磙刷掃路，而且撒布機(jī)也可負(fù)責(zé)撒睡，實(shí)現(xiàn)真正的多功能智能車。以上工作的動(dòng)力來源與駕駛室后部的副發(fā)動(dòng)機(jī)。除此之外，本車特意設(shè)計(jì)的智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方式真正實(shí)現(xiàn)了為夜間或視線受阻時(shí)大大提高行車安全性的目的。整車示意圖：雪鏟2-二類底盤3-副發(fā)動(dòng)機(jī)4-鼓風(fēng)系統(tǒng)5-碾壓磙6撒布罐7花灑圖3-0多功能智能除雪車結(jié)構(gòu)(智能設(shè)備圖中未標(biāo)出)推雪前鏟的設(shè)計(jì)1.2.1推雪前鏟的含義大多數(shù)除雪車中，推雪前鏟是必不可少的，有些車輛甚至只有推雪鏟，這在我國部分落后地區(qū)十分常見，這種犁板式除雪工作裝置通過可拆卸固定聯(lián)接方式安裝在二級(jí)底盤前端。推雪鏟的結(jié)構(gòu)主要可以分為一體和分體式。圖3-2為本文研究車輛的簡單示意圖，也是分析推雪鏟設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。清除剛剛降落的新雪，對(duì)于除雪車而言是最高效率同時(shí)也是最經(jīng)濟(jì)的方式。常見的的曲面選擇主要有三種，分別是圓弧狀、漸開線狀和拋物線狀空間曲面，根據(jù)曲面旋轉(zhuǎn)原理，這些曲面的鏟板可不同類型的積雪以及混合物等積雪進(jìn)行清理。所以本小結(jié)的核心內(nèi)容便是對(duì)前鏟設(shè)計(jì)的空間曲面的設(shè)計(jì)。圖3.1除雪車推雪鏟工作示意簡圖推雪鏟各部分名稱如圖3.2所示。圖3.2除雪車前鏟結(jié)構(gòu)示意圖1.2.2推雪鏟鏟板圖3.3是推雪鏟的相關(guān)參數(shù)如圖3.3所示1.自頂向下角度的鏟板 2.鏟刃圖3.3 推雪鏟相關(guān)參數(shù)=1\*GB3①除雪寬度LB 由于除雪車前鏟與前進(jìn)方向是有一定夾角的，其目的將積雪退至道路兩旁，因此實(shí)際參與推雪的長度不等于實(shí)際鏟寬，如圖3.3所示，LB=L×cosθ對(duì)于LB的一般要求是：假設(shè)與前端同側(cè)的輪胎的外邊緣寬為Lf，因此前端的寬度約為Lf=2\*GB3②切削角δ如圖3.3所示，推雪前鏟與道路的表面形成的夾角。在推雪鏟的工作過程中，鏟刃插入積雪之中，由于與地面存在一定夾角，會(huì)給冰雪一個(gè)斜向上的力，在力的作用下，積雪被鏟起。積雪在鏟板之中沿著鏟板的引導(dǎo)方向，從雪鏟的后部離開鏟板。積雪在鏟板上因切削角的大小不同，呈現(xiàn)三種形式。較小時(shí)，冰雪會(huì)在雪鏟上呈現(xiàn)流動(dòng)的形式如圖3.4(a)，反之則會(huì)呈現(xiàn)斷裂的狀態(tài)如圖3.4(b)，繼續(xù)加大則會(huì)呈現(xiàn)如圖3.4(c)所示的剪裂狀態(tài)，因此要充分考慮在切削角的大小的重要性。其變形如圖3.4。圖3.4雪被切削時(shí)變形情況同時(shí)鏟刃的強(qiáng)度受δ影響。如果切削角δ太小，則會(huì)導(dǎo)致鏟刃的厚度變小，那么鏟刃的強(qiáng)度便會(huì)較弱，但當(dāng)δ過大時(shí)，切削積雪時(shí)受到的阻力會(huì)陡然升高，查閱文獻(xiàn)，可以了解若切削角δ一次增加10度，那么鏟刃的抗切強(qiáng)度系數(shù)KQ就會(huì)在原來的基礎(chǔ)上增加0.1KQ到0.2K為了使除雪車在清除各類積雪時(shí)都能夠擁有較好的性能，根據(jù)實(shí)踐，當(dāng)20°≤δ由于除雪車工作真實(shí)道路時(shí)，能夠的情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，因此切削刃很易受到損傷，從而引起鏟刃的更換，因此，在設(shè)計(jì)鏟刃時(shí)，可采用拼裝的形式，這樣就會(huì)防止某塊鏟刃受到不可修復(fù)損傷時(shí)，需要更換整體鏟板的狀況。多塊鏟刃在拼裝在推雪鏟鏟板時(shí)使用螺栓連接。=3\*GB3③推雪鏟偏轉(zhuǎn)角θ指鏟體邊緣線與車輛前進(jìn)垂直方向所形成銳角θ=12(θF+θR)，參照?qǐng)D3-3所示。推雪鏟偏轉(zhuǎn)角對(duì)于除雪阻力、推雪鏟長度、推雪能力、都有很大的影響，推雪鏟偏轉(zhuǎn)角小，此時(shí)的除雪阻力較小，而且推雪能力也較好，但會(huì)縮短一次推雪寬度LB；反之，鏟體長度要求可以降低，但會(huì)顯著增加除雪作業(yè)中的阻力，推雪能力也將變差。查閱相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)50°≤θ =4\*GB3④其他相關(guān)參數(shù) 推雪鏟水平寬度L；表示推雪鏟的最小高度HS；推雪鏟大端高度HL。1.2.3鏟板曲面結(jié)構(gòu)參數(shù)確定（1）推雪鏟材料選擇在機(jī)場的除雪工作時(shí)，負(fù)責(zé)切削的鏟刃及其連接一體的鏟板在做著最主要的工作。為了防止切削刃的經(jīng)常受損，因此需要要求切削刃必須擁有達(dá)到要求的強(qiáng)度、剛度和耐磨性，除此之外還應(yīng)該將鏟板之間的聯(lián)接設(shè)計(jì)為可拆分式?？芍谛熊嚪€(wěn)定性和車軸載荷可以接受范圍內(nèi)增加鏟體的整體質(zhì)量，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說可以加大對(duì)道路表面的壓力，從而提高推雪效率。因此在設(shè)計(jì)過程中不會(huì)刻意想辦法降低雪鏟的質(zhì)量。只有500kg～800kg之間，都是可以接受的范圍。在處于滿足工作所必需的強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，為了降低成本的消耗，選擇Q235鋼作為除連接件外的大部分部件的材質(zhì)。但是在進(jìn)行切削刃的選材時(shí)，考慮其到工作特性和物理特性，一般選擇耐磨性、韌性更強(qiáng)65Mn調(diào)質(zhì)鋼制備，除此之外該材質(zhì)還有成本較低、可承受溫差高等優(yōu)勢(shì)。（2）推雪鏟切削刃參數(shù)選取推雪前鏟的工作原理決定了其不適合鏟出壓實(shí)的積雪，主要是清除的剛剛降落的冰雪，收到冰雪的結(jié)構(gòu)，降雪時(shí)的氣溫等條件影響，冰雪的密度ρ的一般取值范圍在20kg/m3為了簡化實(shí)驗(yàn)，我們決定采用與積雪的物理和機(jī)械性質(zhì)接近的松土作為研究對(duì)象，而且對(duì)于其的研究和技術(shù)應(yīng)用在針對(duì)于切削刃的設(shè)計(jì)方面也也更為成熟。我們發(fā)現(xiàn)，切削刃的強(qiáng)度和受到的阻力，會(huì)在切削角取到30°左右的時(shí)候，達(dá)到最佳平衡點(diǎn)，此時(shí)的效果和性能也是最優(yōu)的。如圖3.5所示，∠1>20°時(shí)但可以滿足推土鏟切削刃的強(qiáng)度需求，當(dāng)∠2>30°時(shí)，可以同時(shí)兼顧切削原理和切削作業(yè)過程地形變化；所以對(duì)于推土鏟的切削角δ大多都會(huì)在55°左右。雖然除雪車采用的輪式前進(jìn)機(jī)構(gòu)與履帶式相比能夠提供的牽引力相對(duì)較小，從除雪車的雪鏟所要清除的是剛剛降落的新雪考慮，輪式是更優(yōu)的選擇，而且輪式會(huì)減少對(duì)道路的損壞。為保證作業(yè)時(shí)的正常前進(jìn)速度，應(yīng)該盡量去降低前進(jìn)過程中遭受的阻力。由于城市道路表面較為平整，除雪車不必去適應(yīng)復(fù)雜多變的地形，因此推雪鏟的后角可略小。綜合這兩個(gè)因素，在對(duì)鏟刃的結(jié)構(gòu)作出適當(dāng)改變基礎(chǔ)上，推雪鏟鏟刃切削角δ推土鏟 推雪鏟圖3.5 兩種切削刃的參數(shù)（3）推雪鏟的鏟板空間形狀設(shè)計(jì)處于工作狀態(tài)的除雪車，行駛速度一般在三十千米每小時(shí)左右，由于推雪鏟的鏟板一般呈曲面狀，所以在高速推進(jìn)時(shí)，根據(jù)曲面旋轉(zhuǎn)理論，道路的積雪被鏟板鏟起的同時(shí)，由于積雪的顆粒間的結(jié)合力小，便會(huì)緊緊貼著鏟板，沿著鏟板的曲面空間形狀做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。很明顯積雪由于一直貼緊鏟板，故其運(yùn)動(dòng)軌跡直接受鏟板曲面空間形狀影響，此時(shí)鏟板的曲面主要起著引導(dǎo)積雪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的作用，因此積雪的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)律，一次參與運(yùn)動(dòng)積雪的多少都會(huì)受到鏟板結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)推雪鏟的鏟板的空間形狀也會(huì)對(duì)作業(yè)時(shí)鏟板受到的阻力大小、和作業(yè)效率以及產(chǎn)生重要的影響。鏟板鏟型 在進(jìn)行除雪作業(yè)時(shí)，為了防止在鏟板進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的積雪，在運(yùn)動(dòng)過后仍會(huì)返回道路表面，因此在進(jìn)行鏟板的曲面設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)將其設(shè)計(jì)為大小兩端，同時(shí)以固定的推雪鏟偏轉(zhuǎn)角度（上文所述theta角）前進(jìn)，將積雪直接排向道路一側(cè)，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，積雪的旋轉(zhuǎn)軌跡為空間螺旋外拋曲線，且外拋曲率驅(qū)動(dòng)小為理想外拋軌跡?，F(xiàn)代數(shù)控制造技術(shù)在我國正經(jīng)歷日新月異的快速發(fā)展道路，技術(shù)更迭塊，加工質(zhì)量和精度越來越高。以我國現(xiàn)有技術(shù)水平，完全有能力通過數(shù)控機(jī)床加工出例如I和II類漸開線等各種具有高度復(fù)雜的空間曲面，這為我們的設(shè)計(jì)工作提供了強(qiáng)有力的支撐。圖3.6 常見鏟板曲面類型由于圓弧型和拋物線型的形狀相似，因此二者性能也相似。Grabotz和Drees利用土屑做了各類空間曲面的鏟板在切削沙土?xí)r的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3-1所示。由于土屑與積雪都具有顆粒之間結(jié)合力小的特點(diǎn)，因此可以通過對(duì)土屑的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來替代推雪鏟在切削道路積雪的情況。鏟板類型拋物線型I類漸開線型II類漸開線型切削切力28.52825.4表3-1 其他條件相同時(shí)鏟板類型對(duì)切削阻力的影響通過上述表格分析，我們決定選用II類漸開線作為本文鏟雪前鏟的空間曲面結(jié)構(gòu)，此選擇充分考慮到了真實(shí)的除雪車作業(yè)所面臨的情況。=2\*GB3②鏟板寬度 推雪鏟常以固定的推雪鏟偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行除雪作業(yè)。實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)表明，推雪鏟偏轉(zhuǎn)角θ取值一般在50o～60o。鏟板的寬度應(yīng)該保證一次推雪寬度LB要大于車寬，前端應(yīng)保證比同側(cè)輪胎外邊緣寬出約200mm，對(duì)于后端應(yīng)寬出約400mm，以保證在作業(yè)過程中除雪車能夠有能力開辟前進(jìn)的道路，從而保證進(jìn)行除雪作業(yè)時(shí)的除雪質(zhì)量。推雪鏟的寬度要接受比切力檢驗(yàn)，應(yīng)限制其20N/m≤qx≤qx=F式中 Fe——除雪車的額定牽引力，N qx——比切力，N/cm B——推雪前鏟寬度，cm。=3\*GB3③鏟板高度Hc 在設(shè)計(jì)改參數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮裝在鏟刃之后的高度。之后首先考慮待設(shè)計(jì)除雪車的整體結(jié)構(gòu)，一定要能夠符合裝配準(zhǔn)則，同時(shí)考慮除雪車的工作效率，額定功率等，初步給予一個(gè)恰當(dāng)數(shù)值，再進(jìn)行利用仿真軟件仿真，在根據(jù)仿真情況調(diào)整。1.2.4利用UG軟件構(gòu)建模型采用II類漸開線參數(shù)方程如下：x=R(cost+sint)式中：t——α+θ； R——為基圓半徑。根據(jù)積雪在進(jìn)入鏟板的運(yùn)動(dòng)軌跡，為了防止鏟內(nèi)雪持續(xù)在鏟體空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此當(dāng)本文的最大除雪高度（不應(yīng)高于小端的高度）為900mm時(shí)，小端處能夠容納積雪的能力不應(yīng)超過大端處的12，可得小端的基圓Rsmall取值利用UG建模，鏟板空間曲面相應(yīng)表達(dá)如公式（3.3）X——式中：t1和t公式3.3 UG建模公式為便于排雪，兩端漸開線上端點(diǎn)處的法線方向與豎直方向夾角選為115°圖3.8 新型鏟板模型示意圖1.2.5推雪鏟設(shè)計(jì)總結(jié)結(jié)合上述分析，本設(shè)計(jì)采用改裝車，底盤為二類底盤，便于改裝與組裝。推雪鏟的詳細(xì)參數(shù)如下：工藝材料小端高度大端高度刃切削角鏟板寬度方向角除雪寬度II類漸開可展直紋955mm1410mm30°3900mm60°3025mm采用的改裝車的車身最寬處約Lmax=2490碾壓磙設(shè)計(jì)3.3.1 碾壓磙裝配碾壓磙裝配情況如圖3.0所示，碾壓磙處于底盤中部，碾壓磙上的刀刃負(fù)責(zé)破除壓實(shí)雪，碎冰功能。3.3.2 碾壓磙基本結(jié)構(gòu)及參數(shù)碾壓磙的基本組成為：心軸、端板、磙筒、連接架、刀具、配重等關(guān)鍵部分組成。其結(jié)構(gòu)示意圖可見圖3.9，碾壓磙三維實(shí)體圖可見圖3.10。碾壓磙的配重和磙筒內(nèi)圓焊接，起著調(diào)節(jié)裝置重量，提升除冰作業(yè)穩(wěn)定性，防止抖動(dòng)的功能。刀具按一定磙則分布在磙筒外圓，主要起切削、碎冰作用。而心軸和連接架、端板主要起支撐封閉作用。本文設(shè)計(jì)的碾壓磙質(zhì)量約3938kg，軸向長度為2500mm，直徑1000mm，磙筒直徑800mm。圖3.9碾壓磙結(jié)構(gòu)示意心軸；2-端板；3-磙筒；4-配重；5-刀具圖3.10碾壓磙三維實(shí)體圖3.3.3 碾壓磙參數(shù)=1\*GB3①刀具幾何參數(shù) 本設(shè)計(jì)方案中選擇楔形刀具，影響刀具切削、除冰性能的重要參數(shù)是刀具前角α和后角β。其中刀具前角α和后角β均為銳角。本文在設(shè)計(jì)時(shí)選擇α=52o，β=20o。刀具的刃部寬度為107mm，根部為112 根據(jù)除雪車的正常工作運(yùn)行情況分析可知，刀具在工作中極易受到較大摩擦和沖擊，容易導(dǎo)致刀具的損壞。所以在選擇刀具的材料時(shí)要求刀具的焊接性能較好，除此之外還要求有較好的低溫沖擊性能，因此選擇16Mn。同時(shí)保證刀具損壞后能夠及時(shí)更換，以持續(xù)除冰，提高除冰效率。刀具的幾何參數(shù)示意圖和三維實(shí)體圖如圖3.11。圖3.11刀具幾何參數(shù)示意圖 刀具三維實(shí)體圖示意圖刀具需滿足公式：p=mg式中 p——刀具對(duì)冰雪的比切力，Pa； m——碾壓磙的質(zhì)量，kg； A——刀刃與冰雪的接觸面積，m2 σq——壓實(shí)雪的抗切強(qiáng)度，Pa抗切強(qiáng)度冰雪密度溫度/0~-1-2~-10-10以下300~4005.0~12.08.0~25.05.0~35.0450~75010.0~25.015.0~40.030.0~80.0750~90020.0~35.030.0~80.070.0~130.0表3-2 壓實(shí)冰雪抗切強(qiáng)度根據(jù)公式3.3，帶入數(shù)據(jù)p=3938011×0.107×0.002≈1.7×107=2\*GB3②刀具安裝角刀具安裝角指刀具長度方向與碾壓磙磙筒切線方向的夾角，刀具角δ的取值范圍在0～90°或90°。因此可分為斜刃式和直刃式。斜刃式具有較直刃式更高的刀具強(qiáng)度，刀具不易損壞，對(duì)道路表面?zhèn)Ω秃透叩那宄?，因此本文設(shè)計(jì)采用斜刃式，且安裝角選擇30°，其示意圖如圖3.12所示。圖3.12斜刃式碾壓磙=3\*GB3③刀具排布參數(shù)分析該部分主要是為了解決-路面冰雪在被刀具破碎的同時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生一定面積的碎塊，冰雪碎塊破碎不徹底，依舊會(huì)對(duì)清除效率產(chǎn)生一定影響。所以必須對(duì)碾壓磙的刀具排布合理與否作出定量分析。 =1\*romani周向刀具數(shù)目圖3.13 刀具周向數(shù)目示意圖根據(jù)圖3.13所示，刀具周向數(shù)目指的是碾壓磙外周一圈排布刀具數(shù)目，θ表示相鄰刀具之間的夾角。若刀具周向數(shù)目過小，刀具之間間距過大，則會(huì)導(dǎo)致前一把刀已經(jīng)切入壓實(shí)雪之中而后一把刀距離前一把過遠(yuǎn)，無法產(chǎn)生有效的擠壓，造成破碎壓實(shí)雪的效率大打折扣，嚴(yán)重影響除冰效果；若刀具周向數(shù)目過大，則會(huì)導(dǎo)致前刀具尚未切入冰雪，但是下一把已經(jīng)提前插入冰雪之中。無法在持續(xù)的工作中連續(xù)破除冰雪。很容易得到，刀具數(shù)目的計(jì)算公式為： Z=式中 Z——刀具數(shù)目； θ——相鄰刀具之間的夾角，θ≥ 本文θ選擇24°，即一圈上刀具數(shù)目為15把。=2\*romanii相鄰兩圈刀具相位差圖3.14相鄰兩圈刀具相位差示意圖1，3-同一圈上相鄰兩個(gè)刀具；2-鄰圈上刀具根據(jù)圖3.14所示相鄰兩圈刀具相位差是指相鄰兩圈刀具錯(cuò)開的角度，ε的一般取值范圍為0～θ2當(dāng)?shù)毒咤e(cuò)開的角度ε的取值在合理區(qū)間時(shí)，相鄰兩圈刀具交錯(cuò)進(jìn)行布置，使得單個(gè)刀具對(duì)冰雪層的切入力加大。清雪車啟動(dòng)后，碾壓磙連續(xù)磙動(dòng)，碾壓磙上多把刀具協(xié)同工作，造成有效工作面積內(nèi)冰雪層完全破碎進(jìn)而與地面剝離。ε過小甚至取0時(shí)，刀具對(duì)冰雪層的切入力減小，不利于壓實(shí)雪的破碎。本文取ε為12°。撒布系統(tǒng)介紹3.4.1 水路系統(tǒng)鏟雪車的撒布系統(tǒng)主要由動(dòng)力系統(tǒng)、水路系統(tǒng)和一定容積的水箱組成。水箱的截面選擇橢圓形最適合工藝加工。水路系統(tǒng)是該車的核心設(shè)計(jì)，也是實(shí)現(xiàn)多功能的關(guān)鍵。水路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.15圖3.15水路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖該車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，接通取力器，通過操縱駕駛室的開關(guān)，使灑水泵旋轉(zhuǎn)。通過不同的出口如高壓水槍、萬向鴨嘴、花灑等進(jìn)行不同的灑水作業(yè)，那