路面冰雪除雪机设计

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

学科门类： 单位代码 ：

毕业设计说明书（论文）

斜刃螺栓连接式厚冰雪碾压除雪机设计

学生姓名

所学专业 班 级 学 号 指导教师

XXXXXXXXX系

二○**年XX月

开题报告

共 64 页 第 1 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

1 课题来源、目的、意义、国内外概况

1.1 本课题的来源

本课题属于吉林大学机械科学与工程学院2000级本科生的毕业设计指导教师的科研项目（国家经贸委“国家重点技术改造项目[2003]86”）。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。

1.2 本课题研究目的

中国北方大部分地区,每年有3～5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,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。

1.3 本课题研究的意义

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。

1.4 本课题国内外研究概况

1.4.1 本课题国内外研究概况

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。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

共 64 页 第 2 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

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：

1) 向犁-----除雪犁以固定角度装在除雪车前部。 2) 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。

3)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 4)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、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： 1) 螺旋式-----螺旋轴鼓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。

2) 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。

3) 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。

4) 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。

5) 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。

主要机型有：哈尔滨开达公司生产的抛雪式除雪机和吉林大学研制的

共 64 页 第 3 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

CX-30型除雪机。

(3) 扫滚式除雪机械

扫滚式除雪机械工作方式为自行式和悬挂式两种。在主机或者专用底盘的动力作用下，驱动扫雪滚和扫雪盘做高速旋转运动，扫雪滚和扫雪盘上的柔性强力扫雪刷，将路面积雪卷起使之脱离地面，在高压空气的作用下吹向路边。该式除雪机械主要适合于较薄的或者是犁式除雪机械工作后的残留积雪。即使路面凸凹不平也可以获得无残雪的除雪效果。主要生产厂家有：哈尔滨开达公司和哈尔滨重型机械厂等。

国内的除雪机械虽然有了很大的发展，但其总体水平与发达国家相比，产品品种及性能都还有很大差距。适应不了我国高速公路的发展的需求，主要体现在以下几个方面：

1)技术水平低，除雪机械在结构设计、制造工艺、零部件供应和使用管理等方面都存在技术水平低的问题。致使除雪机械可靠性差、故障多、寿命短。

2)功能单一。除雪机械具有明显的季节性，如果功能单一，只能用做除雪和除冰专用，那么，机械一年中大部分时间处于闲置状态，大大增加了除雪 的成本。加重了公路养护部门的负担。

3)品种类型不全。与国外相比，现在有不少除冰雪机械在国内还是一片空白。现有的除冰雪机械无法满足公路和大型机场的除冰雪的要求。

1.4.2 国内外在这个方面的发展方向：

(1) 加强对雪质、雪性的基础研究。 为了提高除冰雪机械的设计水平，需要对冰雪的力学性质和物理特性进行深入研究。特别是对压实冰雪的理论研究。据有关资料研究：东北地区压实冰雪占总的除雪任务的80%以上。

(2) 向一机多能和机电液一体化方向发展。 在现有的条件下，可以对汽车、拖拉机、装载机和推土机等设备进行改装，冬季降雪时用来除冰雪作业，其余时间可用来进行公路养护和其他作业。可以提高设备的利用率。采用机械、电子、液压等技术提高除雪机械的科技含量，减轻工人的劳动强度。

(3) 向大型、小型和高速方向发展。

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。

(4) 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。

2 本课题预期达到的目标

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

共 64 页 第 4 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

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。

3 本课题研究内容、研究方法及技术路线

3.1 斜刃螺栓连接式厚冰雪磙压除雪机的整体方案构想

斜刃螺栓连接式厚冰雪磙压除雪机是针对我国道路情况设计的破冰清雪除雪设备。该设备主要起破冰作用的碾压辊构成。

该设备的主机架可与ＺＬ40装载机直接联接。该设备碾压辊固定在联架臂上,联架臂通过大臂与主机架铲接。碾压辊上装有刀板,刀板上的刀条直接作用在冰面上,利用自身的重力和空气锤的振动的冲击力达到破冰目的。

3.2 结构原理和计算要点

斜刃螺栓连接式厚冰雪磙压除雪机是利用前部安装的碾压辊上装有的刀板对雪进行切削，利用自身的重力和空气锤的振动的冲击力达到破冰目的。

(1) 叶片结构：

采用斜刃螺栓连接式，材料用耐磨仿形材料。按与地面平行布置在压磙上，前后两排叶片位置错开。

(2) 除雪机功率的计算：

除雪机所消耗的功率包括两大部分：行走装置和工作装置所消耗的功率。行走装置所消耗的功率可以参照一般自行式车辆的计算办法。下面对除雪工作装置的所消耗的功率Na做一分析：

Na=Ne+Nf+Nr+Nd

其中： Ne-----推雪板切削所需功率。KW

Nf-----克服雪与板面的摩察力所需的功率。KW Nr----推雪板前雪堆移动所需的功率，KW

Nd----板刃与存雪地面间的摩察力所需的功率。KW

3.3 拟采用的研究方法

采用新旧技术相结合的方法。因为有关装载机和除雪机构的研究在我国已经有了一定的进展------即使和发达国家相比还很落后-----在很多领域。但近几年我们引进了很多先进的技术，特别是除雪机械方面的，加上我们的有关装载机和其他工程机械的研究知识，将这两方面的知识有机地结合起来，实现新的突破，研制出适合我国国情的公路养护机械-----集工程作业和除雪能力于一体的多功能机械产品。

3.4 拟采用的技术路线

共 64 页 第 5 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

4研究冰雪的物理和力学特性------查阅国内外有关装载机和除雪机械、机构的设计资料和最新进展------消化、吸收个方面的技术资料，并加以整理和创新------技术设计和整机设计。

4 本课题实现的现有条件

国内外关于ZL40装载机的数据和文献资料的搜集较为便利。在理论上和方法上具有很强的借鉴意义。指导老师李萌老师对我国这方面的情况很了解，是这方面的专家。有很深的理论和实践知识，为本课题的研究奠定了很好的理论和实证基础。本人对于装载机和除雪机械也有一定的认识，相信一定能在李老师的指导下顺利完成课题的研究。并取得优异的毕业设计成绩！同时为我国在此领域的研究作出自己应有的贡献！

谢谢朋友对我文章的赏识，充值后就可以下载说明书。我这里还有一个压缩包，里面有相应的word说明书（附带：开题报告、外文翻译）和CAD图纸。需要压缩包的朋友请联系QQ客服：1459919609。下载后我可以将压缩包免费送给你。需要其他设计题目直接联系！！！

共 64 页 第 6 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

斜刃螺栓连接式厚冰雪碾压除雪机设计

[摘要] 我国北方地区冬季降雪时间长，雪量大，气温低，积雪数日经车辆、行人碾压而被压实。路面上压实冰雪的清除问题关系到社会生产、人民生活、交通安全、环境保护等多个方面。目前国内外对压实冰雪的清除还缺少行之有效的办法。本文结合我国北方地区降雪后的特点及我国国情，主要针对路面上被压实的冰雪研究了路面冰雪清除机械。

本文提出了对路面压实冰雪进行挤压、切削、破碎的技术原理。根据这一原理确定了路面冰雪清除机械基本方案并分析了其工作机理。提出利用装载机为动力机，只需更换上清除冰雪装置，实现了一机多用。研究了传动系统各部件的匹配以及冰雪清除装置与整机的匹配，进行了匹配计算和整机牵引性能分析。根据整机方案及相关条件确定了清除冰雪装置中关键部件碾压滚的构造、重量和有关技术参数；分析研究了碾压滚上刀齿的结构和关键几何参数，确定了刀齿在碾压滚上的排列方式、数量和间距，并根据冰雪的物理机械性质计算了刀齿切削力。

[关键词] 冰雪清除 切削 破碎 路面

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

Oblique Edge Bolt Join Ice Snow Presses

Snow-Clearing Machine Design

[Abstract] In the north of China, when the winter comes, 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 people’s living, traffic safety and so on. At present, there is still no effective method for cleaning 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 pressing, 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-cleaning 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 and 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 cutter’s cutting force base on the snow’s physical and mechanical characters.

【Key words】 Snow—Cleaning Cutting Cracking Road surface

共 64 页 第 8 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

目 录

第1章 绪论 ??????????????????????????? 1

1.1本次设计来源、目的、意义、国内外概况????????????1 1.1.1 本次设计的来源???????????????????? 1 1.1.2 本次设计研究目的??????????????????? 1 1.1.3 本次设计研究的意义???????????????????1 1.1.4 有关清雪机国内外研究概况????????????????2 1.2 本设计预期达到的目标????????????????????4 1.3 本设计研究内容、研究方法及技术路线?????????????5 1.3.1 斜刃螺栓连接式厚冰雪磙压除雪机的整体方案构想??????5 1.3.2 结构原理和计算要点???????????????????5

1.4 本课题实现的现有条件????????????????????6 1.5 研究的主要内容和方法????????????????????6 1.5.1冰雪切削挤压破碎技术、总体方案????????????? 6 1.5.2 碾压滚型式和结构????????????????????6 1.5.3 滚齿排列方式及刀刃几何参数???????????????6 1.5.4 各主要零件的校核验算??????????????????6

第2章 路面冰雪清除机机理研究?????????????????? 8

2.1 冰雪的物理机械性质?????????????????????8 2.2 路面冰雪清除机基本方案、原理????????????????9 2.3 整机分析及装置重量的确定????????????????? 13 2.3.1整机的组成?????????????????????? 13

2.3.2清除冰雪装置重量??????????????????? 14

第3章 碾压滚结构及参数?????????????????????15

3.1 碾压滚结构形式?????????????????????? 15 3.2 碾压滚参数???????????????????????? 15 3.3 工作阻力的计算?????????????????????? 15 第4章 齿刀的研究???????????????????????? 17

4.1 齿刀在碾压滚上的排列﹑数量﹑间距????????????? 17 4.2 齿刀几何参数??????????????????????? 17 4.3 切削力计算???????????????????????? 18

共 64 页 第 9 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

第5章 主要零件校核计算????????????????????? 19

5.1 轴承的校核计算??????????????????????19 5.1.1 当量动载荷的校核???????????????????19 5.1.2 滚动轴承寿命的计算??????????????????30 5.2 齿刀强度的校核分析???????????????????? 21 5.3 销轴的校核计算?????????????????????? 26 5.4 轴的校核计算??????????????????????? 29 5.4.1 按扭转强度条件计算??????????????????30 5.4.2 按弯扭合成强度条件计算????????????????30

第6章 电器系统????????????????????????? 33

6.1 电源电路????????????????????????? 33 6.2 启动系统????????????????????????? 33 6.3 照明和信号系统?????????????????????? 33 6.5 预热器?????????????????????????? 34 第7章 电算部分?????????????????????????35 第8章 结 论??????????????????????????43 致谢???????????????????????????????45 参考文献?????????????????????????????46

6.4 仪表系统????????????????????????? 33

共 64 页 第 10 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

的突破，研制出适合我国国情的公路养护机械-----集工程作业和除雪能力于一体的多功能机械产品。

(4) 拟采用的技术路线

研究冰雪的物理和力学特性------查阅国内外有关装载机和除雪机械、机构的设计资料和最新进展------消化、吸收个方面的技术资料，并加以整理和创新------技术设计和整机设计。

1.4 本课题实现的现有条件

国内外关于ZL40装载机的数据和文献资料的搜集较为便利。在理论上和方法上具有很强的借鉴意义。指导老师邓洪超老师在我国装载机技术和除雪机械的研究方面走在前列。对我国这方面的情况很了解，是这方面的专家。有很深的理论和实践知识，为本课题的研究奠定了很好的理论和实证基础。本人对于装载机和除雪机械也有一定的认识，相信一定能在邓老师的指导下顺利完成课题的研究。并取得优异的毕业设计成绩！同时为我国在此领域的研究作出自己应有的贡献！

1.5 研究的主要内容和方法

本文针对路面上被压实的冰雪研究路面冰雪清除机械。方法是进行理论分析和计算，并重点进行实验研究。具体研究内容如下。

1.5.1冰雪切削挤压破碎技术、总体方案

主要阐述冰雪的物理机械性质；根据所提出的对路面上压实冰雪进行挤压、切削、破碎的技术思想，分析路面冰雪清除机基本原理并确定样机基本方案；分析整机的牵引平衡和功率平衡，确定路面冰雪清除装置的重量，进行整机匹配计算及分析。

1.5.2 碾压滚型式和结构

主要阐述工作装置碾压滚结构型式研究和碾压滚参数。

1.5.3 滚齿排列方式及刀刃几何参数

主要阐述齿刀在碾压滚上的排列方式；齿刀的数量和间距；齿刀几何参数确定。

1.5.4 各主要零件的校核验算

共 64 页 第 16 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

主要是对齿刀的强度、销轴剪切强度、轴的强度以及轴承进行校核计算。

共 64 页 第 17 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

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2.1所示的关系，温度愈低，硬度愈高；密度愈大，硬度愈高。

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 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 密 度（g/cm） 3[4]

0.10～0.15 0.20～0.30 0.34～0.42 0.40～0.60 0.60～0.75 0.90

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?c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

共 64 页 第 18 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

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/cm） 3当温度由-1～-20C时雪的硬度（kPa） O松 软 的 弱密实的 密 实 的 很密实的

小于0.25 0.26～0.35 0.36～0.50 0.51～0.60 小于50 60～100 210～2000 380～3000

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

共 64 页 第 19 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

表2.3 内摩擦系数μ雪的密度 （g/㎝） 0.12 0.20 0.30 0.40 0.47 0.56 32 O雪 的 温 度（C） 0附近 0.24 0.30 0.35 0.40 0.42 0.45 -1 ～-6 0.29 0.33 0.39 0.44 0.47 0.50 -10以下 0.34 0.36 0.46 0.50 0.53 0.57

表2.4 外摩擦系数（对钢）μ雪的密度 （g/㎝） 0.1 0.2 0.3 0.4 0.45 0.50 31 O 雪 的 温 度（C） -2～-4 0.10 0.085 0.07 0.055 0.048 0.025 -16 ～-30 -1～0 0.18 0.11 0.09 0.075 0.056 0.040 0.14 0.097 0.08 0.065 0.048 0.033

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

共 64 页 第 20 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

表2.5 雪的切削阻力系数k0 雪的状态 雪的密度ρC （g/㎝） 3雪 的 温 度（C） -1～-3 -4～-22 低于-22 O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 人 工 状 态 弱密实的 密实的 很密实的 0.30～0.40 0.45～0.52 0.55～0.65 5.0～12.0 10.0～25.0 8.0～25.0 15.0～40.0 5.0～35.0 30.0～80.0 0.12～0.18 0.20～0.28 0.30～0.36 0.28～0.35 0.7～1.8 2.0～4.0 3.0～6.0 4.0～7.0 0.2～0.8 1.5～3.0 4.0～7.0 3.0～6.0 0.4～1.2 2.0～5.0 5.～10.0 5.0～9.0 20.0～35.0 30.0～80.0 70.0～130.0

表2.6 轮胎与冰雪路的附着系数 雪 的 状 态 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 轮 胎 类 型 低压胎 高压胎 低压和高压胎 高压胎 高压胎 低压胎

表2.7 行驶阻力系数 雪 的 状 态 雪的密度 g/㎝） 松软的 松软潮湿的 轻碾压的 碾压的 冰雪 0.15～0.25 0.15～0.25 0.25～0.35 0.4～0.6 0.7 3附着系数θC 0.20～0.35 0.20～0.25 0.10～0.20 0.209 0.176 0.06～0.08 阻 力 系 数 f 轮 胎 0.2～0.25 0.3 0.15～0.2 0.08～0.1 0.06～0.08

履 带 0.2 0.2 0.1 0.05 0.07～0.1 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、

共 64 页 第 21 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

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） Ⅰ:14.46 Ⅱ: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。

共 64 页 第 22 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

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、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

共 64 页 第 23 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

除机的主要性能指标如下：

1） 最大清除冰雪厚度： 不小于100 mm ； 2） 单程清除冰雪宽度： 2268 mm ； 3） 作业速度： 16～47 km/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） 3600 kg ； 6） 整机质量(最大) 12500 kg 。

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。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：

①滚圈： 10004N ②轮毂： 3646N ③轴： 1052N ④轴套： 720N ⑤托架梁: 8472N ⑥配重: 6385N ⑦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)。

共 64 页 第 24 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

由装置重量所产生的切削力将在第四章中加以讨论。

第3章 碾压滚结构及参数

3.1 碾压滚结构形式

碾压滚是冰雪清除工作装置的关键部件，合理的结构形式对冰雪清除机的性能起着重要的作用。碾压滚的结构形式主要考虑圆柱形式，圆柱形式碾压滚有其独自特点。

路面冰雪清除机的功能是清除附着在地面上的坚硬的冰雪混合物。从理论上讲，我们可以把冰雪层看成一个平面，使冰雪混合物与地面分离，就好比用铣刀在加工一个平面。用来加工平面最常用的刀具就是圆柱铣刀。为此，可以考虑在一个圆筒形的滚筒上安装上刀片或齿刀，构成碾压滚。而碾压滚的旋转轴可以通过轴承安装在托架上，托架的后铰支点分别安装在装载机的动臂铰点和拉杆铰点上。在圆筒形的滚筒的内部可以加适当的配重。冰雪清除工作装置的结构如图3.1所示。

3.2 碾压滚参数

碾压滚是本次设计整个路面冰雪清除机的最关键部件。在结构设计时根据第二章2.3中述及的对冰雪清除装置的三个基本要求确定了重量。装置（包括托架）不加配重重量为G0=29615N ；在碾压滚筒内部加上配重后冰雪清除装置重量为 G1=36000N 。由于在本次设计中齿刀与碾压滚筒是通过螺栓来连接的，因此为了保证螺栓联结的牢固以及其强度，碾压滚采用双滚筒焊接结构，每个滚筒厚度为15mm，所以碾压滚筒直径900mm ，宽度2268mm ,材料采用Q235-A，厚度δ30mm 。托架材料亦采用Q235-A，厚度δ30mm 。整个冰雪清除装置最大宽度2650mm 。

3.3 工作阻力的计算

整机工作时受到的水平切线方向工作阻力主要有两部分组成：刀齿切入后，由于冰雪变形断裂破碎对磙子产生的阻力；碾压滚的滚动阻力。由于刀齿和冰雪之间相互作用非常复杂，工作阻力的精确计算公式很难从理论上建立，另外，由于整机工作时外负荷是动态变化的，准确地计算工作阻力意义不大。故在此参照装载机﹑推土机﹑铲运机等自行式铲土运输机械工作阻力的计算方法，提

共 64 页 第 25 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

出一个计算路面冰雪清除机工作阻力Px的经验公式。

Px?P1?P2 （3.1）

图3.1 冰雪清除工作装置结构

式中 Px—— 水平工作阻力；

P1—— 冰雪变形断裂破碎对磙子产生的阻力； P2—— 碾压滚的滚动阻力。

P1?KnK0Bh P2?fW1

则 Px?KnK0Bh?fW1 （3.2） 式中 Kn——刀齿不均匀影响系数， Kn =1.0～1.5；

K0 —— 冰雪切削阻力系数, K0 =70～130kpa； B —— 碾压滚宽度；

H —— 冰雪厚度； f —— 阻力系数，从表2-7中选取。 W1 — 工作装置重量(带配重)，W1=36000N。

根据上述经验公式，可以计算出路面冰雪清除机工作时所遇到的最大水平切线工作阻力。

P1 = 1.5×130000×2.268×0.1=44226N

P2 =0.1×36000=3600 N Px =47826N =47.826 kN。

从ZL40E装载机的主要性能参数可知，该阻力值不大于对应额定滑转率工况的一档和二档的牵引力。动力机在额定滑转率下具有足够的牵引力克服水平工作阻力。

共 64 页 第 26 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

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

共 64 页 第 27 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

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1 6Mn,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（ρ≥0.55～0.65g/m）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/(2.268×0.01)=1587.3 kpa＞[p] （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。

3

图4.2 刀齿结构与参数

共 64 页 第 28 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

第5章 主要零件校核计算

5.1 轴承的校核计算

5.1.1 当量动载荷的校核

在本次设计中，轴与支架之间的联结选用深沟球轴承6220，其主要参数为轴承参数：

轴承内径： 100（mm） 轴承外径： 180（mm） 轴承宽度： 34（mm） 额定动载荷：94000(N) 额定静载荷：79000(N) 润滑方式： 脂润滑 极限转速： 4300(r/min)

滚动轴承的基本额定动载荷，是在一定载荷条件下确定的。根据滚动轴承

的实际受载情况，在许多场合，常常同时承受径向和轴向载荷的复合作用，为了计算轴承寿命时能与基本额定动载荷在相同的条件下比较，需将实际工作载荷转化为一个假想载荷。在此载荷作用下，轴承的寿命与实际载荷作用下的寿命相等，称该假想载荷为当量动载荷，以P表示。当量动载荷的一般计算公式为：

P = fp ( XR + YA ) （5.1） 式中 X—径向载荷系数；

Y—轴向载荷系数；

R—轴承所承受的径向载荷； A—轴承所承受的轴向载荷。

fp—载荷系数，考虑机器的运转情况对轴承载荷的影响，查表5.1。 在本设计过程中，所选轴承仅受径向力，而轴向受力为0，由机械设计册查得轴承的径向载荷系数X=1.0,轴向载荷系数Y=0。由于该冰雪破除机是由装载机推动的，所以其载荷性质应该属于中等冲击或中等惯性力，其载荷系数fp取

共 64 页 第 29 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

1.8。

根据上述经验公式以及所分析得到的数据，可以计算该轴承在工作时所遇到的当量动载荷。

表5.1 载荷系数f

载荷性质 无冲击或轻微冲击 中等冲击或中等惯性力 强大冲击 1.8～3.0 f 1.0～1.2 1.2～1.8 举例 电机、汽轮机、通风机、水泵等 车辆、动力机械、起重机、造纸机、冶金机械、选矿机、卷扬机、机床等 破碎机、轧钢机、钻探机、振动筛等

P = 1.8×18000=32400 N

由上面计算结果可知道，该轴承在工作时的当量动载荷比其额定动载荷要小得多, 所以是合格的。

5.1.2 滚动轴承寿命的计算

滚动轴承的基本额定寿命大小与载荷大小有关，对同一轴承而言，载荷越大，引起的接触应力也越大，因而在发生点蚀破坏前所经历的应力变化总转数也就越少，即轴承的额定寿命越低，两者之间的关系可用疲劳曲线表示。轴承的载荷-寿命曲线方程为：

PL10 = C × 1 = 常数 （5.2）

则基本额定寿命以106转为单位时，寿命计算公式为：

Cε

L10 = （）106 r （5.3）

P实际使用中，实际使用中，用工作小时数表示轴承寿命较为方便，所以

Cε

L10 = 106×（）/60n h （5.4）

P式中 P—当量动载荷（N）;

ε—寿命指数，球轴承 ε=3，滚子轴承ε=10/3； n—轴承转速（r/min）;

C—基本额定动载荷（N）,可由轴承样本或有关机械设计手册查到。

标准中规定，滚动轴承的基本额定动载荷C是指能时轴承的基本额定寿命达到106转时所能承受的假想载荷。对向心轴承是指一个大小和方向恒定的纯径向载荷，以Cr表示；对推力轴承是指一个恒定的中心轴向载荷，以Ca表示。基本额定动载荷越大，轴承承载能力越强，它是衡量轴承承载能力的只要指标。

由以上经验公式以及分析数据可以计算本冰雪清除机中轴承的寿命为：

ε

ε

共 64 页 第 30 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

L10 = 10×（

6

940003

）/（60×39）= 10436 h 324005.2 齿刀强度的校核分析

在本设计中，采用了计算机辅助设计软件对齿刀的强度进行了分析，由软件分析结果可以知道，该冰雪清除机的齿刀强度完全可以满足要求。其分析结果以及源程序如下：

Analysis1.CATAnalysis MESH:

Entity Nodes Elements Size 1695 6132 ELEMENT TYPE:

Connectivity TE4 Statistics 6132 ( 100.00% ) ELEMENT QUALITY:

Criterion Good Poor Bad Worst Avera 共 64 页 第 31 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

Skewness 5860 ( 95.56% ) 268 ( 4.37% ) 4 ( 0.07% ) 0.936 0.449 Jacobian 6132(100.00% ) 6132 0( 0.00% ) 0( 0.00% ) 1.000 1.000 Stretch ( 100.00% ) 6132 Min. Length ( 100.00% ) 6132 Max. Length ( 100.00% ) Shape Factor Length Ratio 6132 0 ( 0.00% ) 0 ( 0.00% ) 0.346 0.622 0 ( 0.00% ) 0 ( 0.00% ) 1.362 7.457 0 ( 0.00% ) 0 ( 0.00% ) 22.224 14.041 0 ( 0.00% ) ( 100.00% ) 6132 0 ( 0.00% ) ( 100.00% ) 0 ( 0.00% ) 0.395 0.677 0 ( 0.00% ) 4.058 1.965 Properties.1

Material Steel.1.1 ( ASTM-A36 ) : Structural Young Modulus Poisson Ratio 2e+011N_m2 0.266 共 64 页 第 32 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

Static Case Boundary Conditions

STRUCTURE Computation

Number of nodes Number of elements Number of D.O.F.

Number of Contact Elements Number of Kinematic relations

: : : : :

1695 6132 5085 0 0

RESTRAINT Computation

Name: RestraintSet.1 Number of S.P.C : 696

LOAD Computation

Name: LoadSet.1

Applied load resultant

Fx Fy Fz Mx My Mz

= = = = = =

-1 -1 -3 1 -1 2

. . . . . .

054e+000 905e+001 452e-016 852e+000 048e-001 138e+000

N N N Nxm Nxm Nxm

共 64 页 第 33 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

STIFFNESS Computation

Number of lines Number of coefficients Number of blocks

Maximum number of coefficients per bloc Total matrix size

: : : : :

5085 91467 1 91467 1

.

07

Mb

SINGULARITY Computation

Restraint: RestraintSet.1

Number of local singularities Number of singularities in translation

Number of singularities in rotation

Generated constraint type

: :

0 0

: :

0 MPC

CONSTRAINT Computation

Restraint: RestraintSet.1

Number of constraints

Number of factorized constraints Number of deferred constraints

: : :

696 696 0

NUMBERING Computation

Restraint: RestraintSet.1

Numbering Method Number of connected nodes Nodal maximum front width

: : :

SLOAN 1695 87

共 64 页 第 34 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

Nodal maximum band width : 540

FACTORIZED Computation

Method Number degrees

Number of supernodes Number of overhead indices Number of coefficients Maximum front width Maximum front size Size of the factorized matrix (Mb) Number of blocks Number of Mflops for factorization

Number of Mflops for solve Minimum relative pivot

of

factorized

: : : : : : : : : : : :

SPARSE 4389 829 33252 360015 294 43365 2 1 5 1 6

. . . .

016e+001 444e+000 668e-002 7467

DIRECT METHOD Computation

Name: StaticSet.1

Restraint: RestraintSet.1 Load: LoadSet.1

Strain Energy : 3.923e-007 J

Equilibrium

共 64 页 第 35 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

Components Applied Forces Relative Reactions Residual Magnitude Error 2.8601e-013 4.0299e-013 7.6634e-014 1.4405e-013 7.1751e-014 2.3729e-013 Fx (N) -1.0543e+000 -1.9048e+001 -3.4523e-016 1.0543e+000 5.3202e-013 Fy (N) 1.9048e+001 -7.4962e-013 Fz (N) 1.4289e-013 1.4255e-013 Mx (Nxm) 1.8515e+000 -1.8515e+000 1.3722e-013 My (Nxm) -1.0483e-001 1.0483e-001 6.8348e-014 Mz (Nxm) 2.1385e+000 -2.1385e+000 -2.2604e-013 Deformed Mesh

Von Mises Stress (nodal value)

5.3 销轴的校核计算

当路面冰雪清除机的工作装置接触冰雪路面的时候，清除机工作在牵引工况；而当工作装置抬起的时候，则工作在行驶工况。在冰雪清除机分别处于这两种不同的工况的时候，其受力都是不一样的。

当路面冰雪清除机处于牵引工况的时候，装置受力情况如图5.1示 图中，A点为支撑臂与冰雪清除装置联结处，B点为大臂与冰雪清除装置联结处。C点为冰雪清除装置的轴心位置，而N为动力装载机给冰雪清除装置施加

共 64 页 第 36 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

图5.1 装置受力图

的推力大小为47826N。

通过图5.1对路面冰雪清除机处于牵引工况的时候大臂及支撑臂的受力情况进行分析，由图中我们可以看到，用于推动路面冰雪清除机的进行工作的绝大部分推力均是又大臂来提供的。因此，在冰雪清除机处于牵引工况的时候，主要校核用于大臂与冰雪清除装置联结的销轴即可。由受力分析图可以看到，大部分的推力都是由大臂销轴来承受的。因此，在校核计算过程中，可以假定大臂销轴所承受的力为动力装载机施与冰雪清除装置的力。

大臂销轴结构如图5.2所示：

图5.2 大臂销轴结构

通过图5.2分析可以得出在相同受力情况下，销轴的应力危险截面应处于钻有注油孔的一侧。由于动力装载机的大臂与冰雪清除装置间是通过两个相同

1的销轴来进行联结的，所以应平均分配，即每个销轴的受力应为N。

2销轴受力情况如图5.3：

共 64 页 第 37 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

图5.3 销轴受力情况

由图5.3分析可知作用于销轴两侧面上外力的合力大小相等、方向相反、且作用线相距很近。销轴在位于两力间的截面（剪切面）发生相对错动，即发生剪切变形。假定剪力Q所对应的剪应力在剪切面上均匀分布，则剪切面上的剪应力为：

η= Q / A （5.5）

式中A为剪切面面积。

由以上经验公式以及经分析所得到的数据及可计算路面冰雪清除机在处于牵引工况时，大臂销轴危险截面的所受的剪切力η。

A= π×( 30-2.5 ) × 10 = 2.8×10 m

11Q= N = × 47826 = 11956.5 N

44-3

η= Q / A = 11956.5 / 2.8×10 = 4.27 MPa

由于销轴选用的材料为45 钢，所以由机械设计手册查得材料45钢的许用剪切应力为[η]=40 MPa，由上面计算结果可知η<[η]。所以在冰雪清除机处于牵引工况时，销轴的强度是足够的。

当冰雪清除机处于行驶工况时，装置的受力情况如图5.4所示：

图5.4 装置受力情况

2

2

-6

-3

2

图中，A点为支撑臂与冰雪清除装置联结处，B点为大臂与冰雪清除装置联

共 64 页 第 38 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

结处。C点为冰雪清除装置的轴心位置，而N为冰雪清除装置自重，由前面的计算可以得出N的大小为36000N。

由图5.4分析可知：

Nb≈36000×143/110 = 46800N Na≈36000×170/110 = 55636N

其中Nb为大臂与冰雪清除装置联结销轴所承受的力，Na为支撑臂与冰雪清除装置联结销轴所承受的力。由5.1分析，可知在路面冰雪清除机处于行驶工况的时候，销轴的应力危险截面应位于臂与冰雪清楚装置联结的销轴上，并位于开有注油孔的一侧。

所以由以上经验公式以及经分析所得到的数据及可计算路面冰雪清除机在处于行驶工况时，支撑臂销轴应力危险截面的所受的剪切力η力危险截面所受的剪切力η2。

A1= π×( 25-2.5 ) × 10 = 1.9×10 m

11Q1= Na = × 55636 = 13909 N

44-3

η1= Q1/ A1= 13909 / 1.9×10 = 7.32 MPa A2 = π×( 30-2.5 ) × 10 = 2.8×10 m

11Q2 = Nb = × 47826 = 11956.5 N

44η

2

1以及大臂销轴应

22-6-32

22-6-32

= Q2/A2= 11956.5 / 2.8×10 = 4.27 MPa

-3

由于销轴选用的材料为45 钢，所以由机械设计手册查得材料45钢的许用剪切应力为[η]=40 MPa，由上面计算结果可知无论支撑臂销轴或者大臂销轴的应力危险截面所受的剪切应力η均小于[η]。所以在冰雪清除机处于牵引工况时，销轴的强度是足够的。

5.4 轴的校核计算

根据承受载荷的不同，轴可分为转轴、心轴和传动轴三大类。工作中既承受弯矩又承受扭矩的轴称为转轴，如齿轮减速器中的轴，这类轴在各类机械设备中最为常见；而只承受弯矩而不承受扭矩的轴称为心轴，心轴又分为传动心轴和固定心轴两种，如铁路车辆的轴，自行车的前轴。只承受扭矩而不承受弯矩（或弯矩很小）的轴称为传动轴，如汽车的传动轴等。在本次设计的路面冰雪清除装置中的轴应属于心轴类中的固定心轴。

轴在完成结构设计之后，还应进行校核计算，轴的设计计算准则是首先满足轴的强度要求，此外，对某些轴（如机床主轴）还需满足刚度要求，对高速轴还应校核轴的振动稳定性。由于轴系部件的结构比较复杂，应先简化成力学模型，然后再进行计算。在对于一般的轴的校核计算过程中（如变速箱中齿轮轴等），

共 64 页 第 39 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

载荷在零件（如齿轮）上分布的长度相对于轴的长度来说是比较小的，故一般以集中载荷来代替分布载荷，其载荷作用点取轮毂宽度的中点，轴与轴上零件的自重通常忽略不计，轴上支反力作用点的位置通常作为铰支座处理。

但是在本次设计中，载荷在轴上的分布长度相对于轴的长度来说还是比较大的，因此不能一集中载荷来代替分布的载荷。轴的受力情况如图5.5所示：

图5.5 轴的受力情况

根据轴的受载情况，可采用不同的计算方法。常用的计算方法有下面几种。

5.4.1 按扭转强度条件计算。

对只受扭矩作用或主要承受扭矩作用的传动轴，应按扭转强度条件来进行校核计算。对于受扭矩T的圆截面轴，其扭转强度条件为

P3

ηT = T/WT = 9550000 / 0.2d ≤[η] T MPa （5.6）

n式中 ηT — 扭转切应力，MPa；

T — 轴所受的扭矩，N.mm WT — 轴的抗扭截面系数，mm； n — 轴的转速，r/min； P — 轴传递的功率，kW； d — 计算截面处的直径，mm；

[η] T — 许用扭转切应力，MPa，可用相关机械设计手册查得。

5.4.2 按弯扭合成强度条件计算

3

对于转轴，当轴上零件和轴承位置已知，并且轴上所受载荷的大小、方向和位置已定时，可按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算。

针对轴的某些危险截面（即当量弯矩大而直径可能不足的截面），对于实心圆轴的强度校核公式为

ζca = Mca / W = M2???T?/0.1d ≤ [ζ-1]b MPa （5.7）

23

共 64 页 第 40 页

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6su7.html