一種小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的設(shè)計(jì)【2013年最新整理畢業(yè)論文】

編號（學(xué)號）： 13464045 畢業(yè)論文 （ 2013 屆本科） 題目： 一種小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的設(shè)計(jì) 學(xué)院： 工 程 學(xué) 院 專業(yè)： 交 通 運(yùn) 輸 姓名： 唐 盛 洋 指導(dǎo)教師： 何 鳳 宇 副教授 完成日期： 2013 年 06 月 05 日 畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) )任務(wù)書 論文 (設(shè)計(jì) ) 題目 一種小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的設(shè)計(jì) 下發(fā)任務(wù)日期 2012.10.20 學(xué)生姓名 唐盛洋 指 導(dǎo)教師 何鳳宇副教授 一 . 論文（設(shè)計(jì)）主要內(nèi)容 本論文主要包括以下幾個(gè)方面： 1.國內(nèi)外除冰機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀研究； 2.壓實(shí)冰雪的物理力學(xué)性質(zhì)； 3.除冰裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 4.除冰裝置主要部件鏟冰刀、碎冰刀和刮冰鏟的設(shè)計(jì)； 5.除冰裝置的主要參數(shù)的確定及計(jì)算。 二 .論文（設(shè)計(jì)）的基本要求 1.有關(guān)資料的收集： 要求盡量收集第一手資料，資料要真實(shí)、可靠、有代表性。 2.資料的整理與分析： 要求條理清晰，數(shù)據(jù)分析詳盡。 3.查閱相關(guān)文獻(xiàn)，撰寫 3000 字以上的文獻(xiàn)綜述： 要求貼近主題，有參考價(jià)值。 4.認(rèn)真撰寫論文，字?jǐn)?shù)在 10000 字以上。 三 .論文（設(shè)計(jì)）工作進(jìn)度安排 階段 論文（設(shè)計(jì)）各階段名稱 日期 1 收集資料調(diào)查研究 2012.12 2013.01 2 撰寫文獻(xiàn)綜述和外文翻譯 2013.02 2013.03 3 撰寫開題報(bào)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(zhǔn)備答辯 2013.06.06 2013.06.08 備注： 6 月 9 日答辯 四 .應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)（指導(dǎo)教師指定） 1湯筠筠 ,楊濤 .2008 年冬季低溫雨雪冰凍災(zāi)害對公路交通影響分析 C.中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)2008 防災(zāi)減災(zāi)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(cè)雪鏟研究 D.長春 :吉林大學(xué) ,2006. 5鄧洪超 ,馬文星 ,荊寶德 .道路冰雪清除技術(shù)及發(fā)展趨勢 J.工 程機(jī)械， 2005(12):41-44. 6王杰夫 .振動(dòng)清除冰雪機(jī)理及振動(dòng)碾壓磙優(yōu)化研究 D.長春 :吉林大學(xué) ,2011. 7李文峰 .多功能清雪車碾壓磙工作機(jī)理及參數(shù)優(yōu)化研究 D.長春 :吉林大學(xué)， 2009. 說明：此任務(wù)由指導(dǎo)教師填寫一式兩份，一份發(fā)給學(xué)生，一份發(fā)給指導(dǎo)教師留存。 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）選題審批表 選題名稱 一種小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的設(shè)計(jì) 題目來源 自擬 學(xué)號 13464045 姓名 唐盛洋 專業(yè) 交通運(yùn)輸 指導(dǎo)教師 何鳳 宇 職稱 副教授 研究 內(nèi)容 1.國內(nèi)外破冰除雪機(jī)械的研究現(xiàn)狀、研究方法及其階段性成果； 2.小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的結(jié)構(gòu)和工作過程； 3.小型機(jī)動(dòng)除冰裝置各部件工作原理；確定各機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸；對零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)與說明； 4.繪制裝配圖與零件圖。 研究 計(jì)劃 (1) 收集資料調(diào)查研究 2012.12-2013.01 (2) 撰寫文獻(xiàn)綜述與外文翻譯 2013.02-2013.03 (3) 撰寫開題報(bào)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(zhǔn)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(jī)挖坑的原理，在除冰過程中通過手動(dòng)控制碎冰刀盤的上下進(jìn)給，能適應(yīng)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(hù)鏟冰刀。 指 導(dǎo) 教 師 意 見 教 研 室 意 見 學(xué) 院 意 見 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）指導(dǎo)記錄 學(xué)生姓名 唐盛洋 專業(yè) 交通運(yùn)輸 指導(dǎo)教師姓名 何鳳宇 職稱 副教授 本年度指導(dǎo)畢業(yè)生人數(shù) 8 論文（設(shè)計(jì)）題目 一種小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的設(shè)計(jì) 時(shí)間 地點(diǎn) 指導(dǎo)內(nèi)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(yùn)輸工程教研室 運(yùn)輸工程教研室 運(yùn)輸工程教研室 電話、 E-mail 電話 電話 運(yùn)輸工程教研室 運(yùn)輸工程教研室 E-mail 電話 運(yùn)輸工程教研室 運(yùn)輸工程教研室 E-mail 運(yùn)輸工程教研室 E-mail E-mail/QQ E-mail/QQ 運(yùn)輸工程教研室 E-mail 運(yùn)輸工程教研室 第一次召集學(xué)生見面，商議設(shè)計(jì)題目 按照學(xué)生興趣，指定畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 指導(dǎo)學(xué)生收集相關(guān)書 籍和文獻(xiàn)資料 詢問資料查找和收集情況 指導(dǎo)假期參觀實(shí)習(xí)事宜 詢問參觀實(shí)習(xí)情況 學(xué)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(shí)習(xí)情況 指導(dǎo)學(xué)生構(gòu)思起草論文大綱 指導(dǎo)論文寫作目錄框架 知道學(xué)生開始撰寫正文 檢查指導(dǎo)開題報(bào)告 指導(dǎo)撰寫文獻(xiàn)綜述和外文翻譯 檢查文獻(xiàn)綜述和外文翻譯完成情況 按照學(xué)校要求進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查 檢查階段內(nèi)容完成情況，并指導(dǎo)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(dǎo)制作答辯 PPT 課件 檢查答辯 PPT 電子課件準(zhǔn)備情況 學(xué)生簽字： 年 月 日 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 教研室主任簽字： 年 月 日 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）考核表 論文題目：一種小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的設(shè)計(jì) 姓名： 唐盛洋 學(xué)號： 13464045 專業(yè)： 交通運(yùn)輸 指導(dǎo)教師評語： 唐盛洋同學(xué)的畢業(yè)設(shè)計(jì)“一種小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的設(shè)計(jì)”選題合理，且具有一定研究意義。 唐盛洋同學(xué)在查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)資料基礎(chǔ)之上，結(jié)合所學(xué)專業(yè)知識(shí)，對破冰除雪原因進(jìn)行了全面深入分析，在借鑒一些相關(guān)裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，完成了小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的設(shè) 計(jì)。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、便于安裝，有很高的的實(shí)用價(jià)值。 該同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間表現(xiàn)積極，能夠按照指導(dǎo)教師要求完成定期設(shè)計(jì)工作。所撰寫的設(shè)計(jì)說明書結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，條理清晰，語言通順，設(shè)計(jì)方案正確，計(jì)算準(zhǔn)確，格式規(guī)范，能夠嚴(yán)格執(zhí)行學(xué)校本科生畢業(yè)論文寫作的有關(guān)規(guī)定，并表現(xiàn)出較高的電腦使用和文本編輯水平。論文達(dá)到了交通運(yùn)輸專業(yè)學(xué)士學(xué)位論文要求的學(xué)術(shù)水平，同意其進(jìn)行答辯。 指導(dǎo)教師（簽字）： 年 月 日 評閱人評審意見： 唐盛洋同學(xué)在查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)資料基礎(chǔ)上，結(jié)合所學(xué)專業(yè)知識(shí)，完成了對該小型機(jī)動(dòng)除冰裝置 的整體方案設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成果具有一定實(shí)用價(jià)值。 論文結(jié)構(gòu)清楚、語言文字流暢、圖表規(guī)范，設(shè)計(jì)方案合理可行，計(jì)算分析正確，論文達(dá)到了交通運(yùn)輸專業(yè)學(xué)士學(xué)位論文要求的學(xué)術(shù)水平。 評閱人（簽字）： 年 月 日 注：答辯委員會(huì)意見除填寫簡要評語、給出成績外，還要提出是否授予學(xué)位的建議答辯委員會(huì)意見： 唐盛洋同學(xué)的畢業(yè)設(shè)計(jì)“一種小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的設(shè)計(jì)”選題合理，且具有一定研究意義。 唐盛洋同學(xué)在查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)資料基礎(chǔ)上，結(jié)合所學(xué)專業(yè)知識(shí)，完成了對該小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的整體方案設(shè)計(jì)。通過對小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的主要除冰機(jī)構(gòu)鏟冰刀、碎冰刀和刮冰鏟的設(shè)計(jì)作詳細(xì)的闡 述以及對該裝置主要參數(shù)的確定及計(jì)算，清楚地理解了該除冰裝置的整體結(jié)構(gòu)和工作原理。詳細(xì)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(jié)構(gòu)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(jī)挖坑的原理，在除冰過程中通過手動(dòng)控制碎冰刀盤的上下進(jìn)給，能適應(yīng)不同厚度的冰面，除冰效果明顯。 論文理論聯(lián)系實(shí)際，設(shè)計(jì)合理，寫作規(guī)范，能夠嚴(yán)格執(zhí)行學(xué)校本科生畢業(yè)論文寫作的有關(guān)規(guī)定，并表現(xiàn)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(dá)比較比較簡潔明確，回答問題比較 準(zhǔn)確。論文達(dá)到了農(nóng)學(xué)專業(yè)本科生畢業(yè)論文的要求和水平，建議授予工學(xué)學(xué)士學(xué)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(shù)的發(fā)展 . 4 1.2 國外道路除冰設(shè)備的研究現(xiàn)狀 . 6 1.3 國內(nèi)道路除冰設(shè)備的研究現(xiàn)狀 . 7 1.4 道路除冰技術(shù)的發(fā)展趨勢 . 8 1.5 小型除冰裝置的研制現(xiàn)狀和發(fā)展 . 8 2 路面壓實(shí)冰雪物理力學(xué)性質(zhì) . 10 2.1 路面壓實(shí)冰雪成因與影響因素 . 10 2.1.1 路面壓實(shí)冰雪分類 . 10 2.1.2 路面壓實(shí)冰雪成因 . 10 2.1.3 影響因素 . 11 2.2 路面壓實(shí)冰雪力學(xué)性質(zhì) . 12 2.2.1 抗壓強(qiáng)度 . 12 2.2.2 抗切強(qiáng)度 . 12 2.2.3 相關(guān)系數(shù) . 13 2.3 壓實(shí)冰雪破壞準(zhǔn)則 . 14 2.4 除冰作業(yè)性能參數(shù) . 16 3 小型機(jī)動(dòng)除冰裝置總體設(shè)計(jì) . 19 3.1 除冰裝置整體方案設(shè)計(jì) . 19 3.1.1 除冰裝置的結(jié)構(gòu)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(jī)架設(shè)計(jì) . 21 3.1.4 行走裝置設(shè)計(jì) . 21 3.1.5 動(dòng)力裝置選定 . 21 3.1.6 傳動(dòng)裝置選定 . 21 4 主要部件的設(shè)計(jì)及計(jì)算 . 22 4.1 傳動(dòng)比的確定 . 22 4.2 鏟冰裝置設(shè)計(jì) . 22 4.2.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu) . 22 4.2.2 鏟冰刀刀具的設(shè)計(jì) . 22 4.3 碎冰裝置設(shè)計(jì) . 27 4.4 主要部件結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定及計(jì)算 . 28 4.4.1 汽油機(jī)計(jì)算功率的確定 . 28 4.4.2 V 帶傳動(dòng)計(jì)算 . 28 4.4.3 鏟冰刀理論鏟冰頻率和碎冰刀盤理論轉(zhuǎn)速 . 29 4.4.4 減速長軸的尺寸和強(qiáng)度校核 . 30 4.5 設(shè)計(jì)考慮因素 . 31 4.5.1 生產(chǎn)效率 . 31 4.5.2 除凈率 . 31 5 結(jié)論 . 32 參考文獻(xiàn) . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 致謝 . 35 全套資料帶 CAD 圖， QQ 聯(lián)系 414951605 或 1304139763 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 摘要 在我國東北、西北的大部分地區(qū)，冬季持續(xù)低溫，積雪數(shù)月不化和路面濕滑成為堵塞交通甚至引發(fā)惡性事故的重要因素。因此，在寒冷地區(qū)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(wù)。 目前，世界各國采用的除冰（雪）方法，應(yīng)用 最普遍的有兩種，即融解除冰（雪）法和機(jī)械除冰（雪）法。融解法是依靠熱作用或撒布化學(xué)藥劑使冰雪融化，其優(yōu)點(diǎn)是除凈率高，但這種方法成本高，且容易造成環(huán)境污染。雖然環(huán)保型融雪劑已經(jīng)問世，對環(huán)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(jī)械法是通過機(jī)械直接作用解除冰雪的危害，雖然除凈率較低，但是對環(huán)境及植被無污染，能實(shí)現(xiàn)冰雪的異地轉(zhuǎn)移，應(yīng)用范圍比較廣。針對目前國內(nèi)外的除雪或除冰車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、售價(jià)高、使用維修成本大、推廣和普及困難的發(fā)展現(xiàn)狀，成功研制具有：機(jī)動(dòng)靈活，操作簡單，價(jià)格低廉，適合于小型公 路和街道的使用的小型機(jī)動(dòng)除冰裝置具有廣闊的發(fā)展前景。 關(guān)鍵詞： 道路；機(jī)械除冰（雪）法；機(jī)動(dòng)的；除冰裝置；除凈率 一種小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的設(shè)計(jì) 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(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)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(qū)降雪期長達(dá)（ 5-6）個(gè)月，積雪給道路、機(jī)場及人們出行帶來極大的不便，甚至造成交通中斷，屢屢發(fā)生事故。 目前，除雪的常用方式有：機(jī)械除雪、融雪除雪、綜合式除雪等。機(jī)械除雪是通過機(jī)械設(shè)備清除積雪的方法；融雪除雪是利用熱能或撒布化學(xué)藥劑而使積雪融化的一種方法；綜合式除雪是機(jī)械除雪與融雪除雪相結(jié)合的一種除雪方法。機(jī)械除雪應(yīng)用最為廣泛。其除雪效率高、成本低、無污染、但對結(jié)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(chǎn)如 :瑞士的某公司和美國的某公司；德國的某公司。 國內(nèi)在除冰機(jī)械的開 發(fā)和生產(chǎn)比除雪機(jī)械的時(shí)間還要短，除冰機(jī)械按其工作原理可分為以下幾種類型。振動(dòng)式：液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)馬達(dá)，帶動(dòng)偏心塊的旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，使得振動(dòng)輪沿圓周徑向運(yùn)動(dòng)。靜碾壓裂式：通過懸掛于裝載機(jī)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(huán)，在主機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，鏈條作高速旋轉(zhuǎn)，對路面進(jìn)行柔性抽打，從而獲得破冰效果。 縱觀除雪破冰機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀，現(xiàn)有設(shè)備絕大部分功能單一、外形大、價(jià)格高。所以研制具有：小巧輕便，操作簡單，價(jià)格低廉，適合于小型公路和街道的使用且同時(shí)具有掃雪除冰功能的設(shè)備具 有廣闊的發(fā)展前景。 一種小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的設(shè)計(jì) 4 1 概論 近年來，我國高速公路、城市道路、機(jī)場建設(shè)突飛猛進(jìn)，公路里程和機(jī)場數(shù)量不斷增加。冬季路面積雪結(jié)冰的清除成為交通部門保證冬季公路和機(jī)場安全運(yùn)行所面臨的重要問題。 我國幅員遼闊，氣候復(fù)雜多樣，冬季 70%以上的國土范圍有降雪。北方大部分地區(qū) ,每年降雪期長達(dá) 3-5個(gè)月。降雪時(shí)間長、雪量大、范圍廣、浮雪清除設(shè)備缺乏，所以路面降雪在短時(shí)間內(nèi)很難被完全清除。此外，冬季北方地區(qū)氣候干燥，降雪濕度小，晝夜溫差大，路面降雪經(jīng)過車輛和行人的反復(fù)碾壓或反復(fù)融凍會(huì)造成路 面積雪結(jié)冰 1。由此可見，路面積雪結(jié)冰是冬季北方地區(qū)降雪危害的主要形式，現(xiàn)象十分普遍。 冬季路面結(jié)冰現(xiàn)象并不只是出現(xiàn)在我國北方地區(qū)。在我國長江流域，冬季由于凍雨或雨加雪天氣時(shí)有發(fā)生，路面也容易出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。例如 2008年 1月，我國南方地區(qū)遭受罕見的低溫雨雪冰凍災(zāi)害，路面結(jié)冰情況十分嚴(yán)重。 路面積雪結(jié)冰的危害十分嚴(yán)重。結(jié)冰路面的摩擦系數(shù)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(jié)冰引起的。路面積雪結(jié)冰不僅容易引發(fā)交通事故，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成公路交通中斷、鐵路停運(yùn)、機(jī)場關(guān)閉，嚴(yán)重影響人民生活和 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，給國家經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重?fù)p失。 2008年 1月的低溫雨雪冰凍災(zāi)害對交通運(yùn)輸、電力供應(yīng)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等造成嚴(yán)重的影響，高速公路、國省干線道路路面結(jié)冰嚴(yán)重致使全國 23個(gè)省份的公路交通受到嚴(yán)重影響，部分干線交通多次中斷，客運(yùn)停運(yùn) 2。 路面積雪結(jié)冰中往往含有塵土、泥沙顆粒等雜質(zhì)，質(zhì)地堅(jiān)硬且與地面粘結(jié)牢固。傳統(tǒng)的人工除冰方法需要大量的人力，勞動(dòng)強(qiáng)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(yè)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(zāi)害中就調(diào)動(dòng)大批人員進(jìn)行人工除冰作業(yè)，但是效率低下 ?？篂?zāi)中使用的清雪除冰設(shè)備以裝載機(jī)、推土機(jī)、平地機(jī)等工程機(jī)械為主，部分路段甚至動(dòng)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(fā)用于清除路面冰雪，保障車輛、飛機(jī)和行人安全的冬季路面養(yǎng)護(hù)設(shè)備具有十分重要的意義。 1.1 道路除冰技術(shù)的發(fā)展 在世界范圍內(nèi)，寒冷地區(qū)的國家冬季路面上都存在不同程度的積雪結(jié)冰。研究路面除冰技術(shù)具有十分重要的意義。路面除冰技術(shù)的發(fā)展歷程經(jīng)歷了人工清除、機(jī)械化清除和智能化清除三個(gè)階段 5。 人工除冰法主要依靠人力用簡單的勞動(dòng)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(yè)時(shí)間長、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低 ,耗費(fèi)大量人力、物力和時(shí)間，作業(yè)時(shí)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(diǎn)難點(diǎn)路段冰雪的清除。 后來，隨著科技水平的不斷提高，交通建設(shè)的飛速發(fā)展，機(jī)械化的除冰技術(shù)應(yīng)運(yùn)而沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 生。目前，常用的機(jī)械化除冰技術(shù)主要包括化學(xué)除冰法、熱力除冰法和機(jī)械除冰法三種。 (1)化學(xué)除冰法 化學(xué)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(diǎn)?；瘜W(xué)除冰法既可以用來清除路面結(jié)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(huán)境條件下，化學(xué)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(yùn)輸效率。但是化學(xué)除冰法的負(fù)作用也比較明顯，主要體現(xiàn)在 6-8： 除冰效果受環(huán)境溫度影響較大，且存在反復(fù)結(jié)冰現(xiàn)象； 造成瀝青面層脫落，路面大面積破損； 對橋梁的結(jié)構(gòu)存在著腐蝕性，使橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性下降； 腐蝕機(jī)動(dòng)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(jié)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(nóng)作物的生長； 造成水體污染， 危害動(dòng)物生命和人類健康。 近年來，雖然無毒性和無腐蝕性的環(huán)保型除雪劑 9，如生物降解型除雪劑等已經(jīng)問世 ,對環(huán)境和植被的破壞減少了，但是并未徹底根除。因此化學(xué)除冰法的應(yīng)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(fā)動(dòng)機(jī)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(jié)合力使二者分離，達(dá)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(fā)動(dòng)機(jī)加熱。利用噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高溫?zé)釟饬鲗β访姹┻M(jìn)行加熱使其融化以達(dá)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(fèi)用較高，所以其適用范圍也受到很大限制。 (3)機(jī)械除冰法 機(jī)械除冰法通過機(jī)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(dòng)式。振動(dòng)式主要利用冰雪在振動(dòng)作用下，小變形可以引發(fā)脆性斷裂的特點(diǎn)。振動(dòng)輪在振動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)振動(dòng)，使其表面的刀具切入、擠壓冰雪。振動(dòng)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(dòng)式的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。 一種小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的設(shè)計(jì) 6 鏟剁式。鏟剁式模仿人工除冰，利用壓實(shí)冰雪硬而脆，不耐沖擊的物理性質(zhì)。由多組刀具組成的工作鏟在曲軸的帶動(dòng)下上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對路面的壓實(shí)冰雪進(jìn)行周期性剁擊。鏟剁式工作效率較低，很容易損傷路面，應(yīng)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(jié)構(gòu)。鏟刃在壓力作用下切入冰雪層，在牽引主機(jī)的推動(dòng)下清除冰雪。除冰鏟結(jié)構(gòu)比較簡單，技術(shù)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(jī)。此外，鏟刃的磨損比較嚴(yán)重 ，對路面有一定的損傷。當(dāng)路面起伏波動(dòng)較大時(shí) ,除冰鏟的清除效果受到影響。 碾壓式。碾壓式利用壓實(shí)冰雪脆性高，易斷裂的特點(diǎn)，通過滾筒上面的組合刀片，依靠自重和主機(jī)的協(xié)調(diào)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(chǎn)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(jié)構(gòu)簡單，工作性能較好。 機(jī)械除冰法易于實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，不使用化學(xué)藥劑，無污染，能夠很好的保護(hù)環(huán)境和植被，公路兩側(cè)的農(nóng)田或者綠化帶內(nèi)是天然的堆放場所，還利于春季土壤保墑，所以它在國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛。 隨著人們對路面除冰技術(shù)研究不斷 深入，出現(xiàn)了一類更為先進(jìn)的除冰技術(shù) 智能化除冰技術(shù)。智能化除冰技術(shù)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(yīng)力彈性路面技術(shù)、導(dǎo)電鋪面融冰雪技術(shù)、太陽能 土壤蓄熱融冰雪技術(shù) 17-19。 自應(yīng)力彈性路面技術(shù)利用彈性材料局部變形能力較強(qiáng)的特性，通過在路面鋪裝材料內(nèi)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(chǎn)生的自應(yīng)力，從而有效的抑制路面積雪結(jié)冰。 導(dǎo)電鋪面融冰雪技術(shù)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(dǎo)電組分材料，使之具有良好導(dǎo)電性能。冬季將電能 轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苁孤访鏈囟壬?，冰雪自?dòng)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(shè)太陽能采集系統(tǒng)，在地下土壤中設(shè)置能量儲(chǔ)存系統(tǒng)，將太陽能收集并儲(chǔ)存。降雪時(shí)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(shè)備的研究現(xiàn)狀 國外降雪頻繁的國家都很重視清雪機(jī)械的研制和使用，機(jī)械清雪技術(shù)較為先進(jìn)，已經(jīng)進(jìn)入專業(yè)化時(shí)代，產(chǎn)品在技術(shù)、工藝和性能上都比較成熟。目前，國外針對路面積雪結(jié)冰的清除技術(shù)還是以撒布除雪劑為主，設(shè)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(jī)的一機(jī)多用 型除冰裝置 20-21。國外清雪除冰設(shè)備主要的生產(chǎn)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(chǎn)廠家更是不勝枚舉。瑞 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 士 BOSCHUNG公司的智能移動(dòng)式撒布機(jī)，如圖 1.1所示。日本的高速壓雪清除機(jī)，如圖 1.2所示。 圖 1.1 智能移動(dòng)式撒布機(jī) 圖 1.2 高速壓雪清除機(jī) 1.3 國內(nèi)道路除冰設(shè)備的研究現(xiàn)狀 國內(nèi)研制 與開發(fā)路面除冰設(shè)備是 20世紀(jì) 80年代以后，起步較晚。研究與生產(chǎn)單位大多在我國冬季降雪較多的東北、西北和華北地區(qū)。最近幾年，國內(nèi)一些生產(chǎn)廠家把國外先進(jìn)技術(shù)和我國國情相結(jié)合 ,先后研制出一些滿足我國除冰要求的新產(chǎn)品。國內(nèi)現(xiàn)有的除冰設(shè)備主要有吉林省公路機(jī)械廠與原吉林工業(yè)大學(xué)共同開發(fā)的 CB1500壓實(shí)冰雪清除機(jī)；哈爾濱天達(dá)科技有限公司生產(chǎn)的 H2800型、 H1900型擊振式破冰清雪機(jī)，如圖 1.3和1.4所示。 圖 1.3 H2800型擊振式破冰清雪機(jī) 圖 1.4 H1900型 擊振式破冰清雪機(jī) 經(jīng)過二十多年的探索和研究，我國的路面除冰技術(shù)和設(shè)備取得了很大進(jìn)步。但是從一種小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的設(shè)計(jì) 8 總體上看，我國對路面除冰設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)尚處于起步階段，除冰設(shè)備的技術(shù)水平還比較落后，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 22： (1)技術(shù)水平低。除冰設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、設(shè)備使用管理和維護(hù)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(shè)備在我國還是一片空白，尤其是用于清除路面壓實(shí)冰雪的大型設(shè)備。 (3)避讓功能不理想。我國現(xiàn)有的除冰設(shè)備大部分避障能力較差，在除冰作業(yè)中，常常因?yàn)楸苷喜患皶r(shí)導(dǎo)致作業(yè)屬具或者牽引 主機(jī)的損壞。 (4)對路面保護(hù)能力差。在作業(yè)路面凹凸不平時(shí)，除冰設(shè)備容易對路面造成破壞。 1.4 道路除冰技術(shù)的發(fā)展趨勢 目前，路面除冰技術(shù)的主要發(fā)展趨勢是 23： (1)多功能化。路面冰雪狀態(tài)和性能多樣化要求除冰設(shè)備具有多功能性，也即一機(jī)多用，降低設(shè)備的成本。 (2)高效化。高效化包括作業(yè)效率和除凈程度兩個(gè)方面，高效化作業(yè)是保證路面冰雪在最短的時(shí)間內(nèi)得到及時(shí)、有效的清除的必然要求。 (3)環(huán)?；?。在研發(fā)道路除冰設(shè)備時(shí)，選擇合理有效的除冰方法和符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的牽引主機(jī)和是環(huán)?；年P(guān)鍵。 (4)積極探索智能化 除冰技術(shù)。提高公路建設(shè)的技術(shù)水平，充分利用智能化路面除冰技術(shù)科技含量高、環(huán)保性好的優(yōu)勢，研發(fā)出適合我國氣候和地質(zhì)狀況的智能化道路，實(shí)現(xiàn)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(xiàn)狀和發(fā)展 近年來，大型破冰除雪設(shè)備已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能完全滿足實(shí)際道路破冰除雪工作。大型除冰設(shè)備在告訴公路、機(jī)場等應(yīng)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(jī)動(dòng)靈活，操作簡單，價(jià)格低廉，適合于小型公路和街道的使用的小型機(jī)動(dòng)除冰裝置具有廣闊的發(fā)展前景。 針對目前國內(nèi)外的除雪或除冰車結(jié)構(gòu)復(fù)雜 、售價(jià)高、使用維修成本大、推廣和普及困難的發(fā)展現(xiàn)狀，研制出小型掃雪除冰車具有重要意義?？v觀除雪破冰機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀，現(xiàn)有設(shè)備絕大部分功能單一、外形大、價(jià)格高，小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的研制前景廣闊。目前，小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的研制發(fā)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(jī)，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(shí)現(xiàn)，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(hù)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(yīng)性較差，不能很好地根據(jù)冰層的厚度來調(diào)節(jié)除冰裝置進(jìn)行除冰工作，經(jīng)濟(jì)性較差，推廣應(yīng)用起來比較困難。針對這些問題，本沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 文以 2012年遼寧省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目為依托，主要進(jìn)行以下幾個(gè)方面的研究： (1)分析路面壓實(shí)冰雪的物理力學(xué)性質(zhì)及其破壞準(zhǔn)則。 (2)在對比分析除冰裝置不同形狀的鏟冰刀的基礎(chǔ)上，確定該小型機(jī)動(dòng)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(jī)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 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(jī) 一種小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的設(shè)計(jì) 10 2 路面壓實(shí)冰雪物理力學(xué)性質(zhì) 2.1 路面壓實(shí)冰雪成因與影響因素 2.1.1 路面壓實(shí)冰雪分類 日本冰雪協(xié)會(huì)雪質(zhì)分類委員會(huì)經(jīng)過對道路雪質(zhì)調(diào)查，得出路面冰雪分類 24，本文節(jié)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(tài)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(shí)冰雪分類表 2.1.2 路面壓實(shí)冰雪成因 根據(jù)我國氣候及交通狀況，結(jié)合表 2.1，將路面壓實(shí)冰雪的形成原因歸納為以下三個(gè)方面： (1)碾壓。冬季路面降雪經(jīng)過車輛和行人的碾壓，密度較小的新雪被壓實(shí)，形成高密實(shí)度的壓實(shí)雪。 (2)反復(fù)融凍。冬季由于晝夜溫差變化，路面降雪在一段時(shí)期內(nèi)出現(xiàn)反復(fù)的融化、凍結(jié)， 在路面上形成堅(jiān)硬的冰雪層。 (3)凍雨。凍雨是初冬或冬末春初時(shí)節(jié)的一種災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。凍雨落在路面上，隨即凍結(jié)成光滑的冰層。隨著雨量的增大，冰層也越結(jié)越厚。 以上三方面原因往往同時(shí)存在并相互作用，因此本文把壓雪，冰雪和冰層統(tǒng)稱為路面壓實(shí)冰雪。壓實(shí)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(shí)冰雪通過粘結(jié)層和路面固結(jié)在一起。通常情況下，粘結(jié)層的厚度僅有幾毫米。 圖 2.1 壓實(shí)冰雪存在形式示意圖 分類 狀態(tài) 特征 雪粒狀態(tài) 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(jìn)水以后又凍結(jié)， 厚度在 1mm 以上 雪粒直徑為 0.05-2mm 的多結(jié)晶冰， 含有粒徑 0.1-0.5mm 的氣泡 750-900 冰膜 薄膜狀 凍結(jié)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(jié)晶冰，含有粒徑 0.01-0.1mm 的氣泡 900 左右 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 2.1.3 影響因素 由壓實(shí)冰雪形成原因可以看出，壓實(shí)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(zhì)、面表面特性等因素有關(guān) 25。 (1)溫度 溫度影響積雪中水分的析出和凍結(jié) 當(dāng)溫度高于 0 路面積雪開始融化，水分不斷增多。水分是凍結(jié)不可缺少的重要因素。當(dāng)路面溫度接近 0 時(shí)，壓實(shí)冰雪內(nèi)部、壓實(shí)冰雪與路面之間的水分開始凝結(jié)，由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變。溫度持續(xù)下降，路面與壓實(shí)冰雪界面處的水分凝固加劇，兩者之間的粘結(jié)層強(qiáng)度不斷增大，并將壓實(shí)冰雪和路面牢牢地接在一起。當(dāng)溫度降到一定界限后，溫度的降低再不能從壓實(shí)冰雪內(nèi)部得到更多的水分，界面間的粘結(jié)層強(qiáng)度不再增大，界面處于系統(tǒng)平衡狀態(tài)。 溫度影響凍結(jié)速度 溫度 變化的快慢會(huì)影響冰雪的凍結(jié)速度，而凍結(jié)速度的變化影響凍結(jié)壓實(shí)冰雪的結(jié)晶形態(tài)。不同結(jié)晶形態(tài)的冰雪，其性能變化很大。由此可見，溫度是影響路面壓實(shí)冰雪性能的重要因素，對壓實(shí)冰雪與路面的粘結(jié)起著關(guān)鍵作用。路面壓實(shí)冰雪和粘結(jié)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(shí)冰雪的重要條件，冰雪受到的壓力情況與被壓實(shí)后的冰雪的性能有直接關(guān)系。壓力作用的效果直接體現(xiàn)在壓實(shí)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(huì)有一定的雪轉(zhuǎn)化為水。壓力作用的次數(shù)越頻繁，降雪轉(zhuǎn)化為水的數(shù)量就越多。 壓力 影響壓實(shí)冰雪的密度和強(qiáng)度 壓力會(huì)使路面冰雪的密度和強(qiáng)度大大增加，這是因?yàn)樗┘拥膲毫σ环矫媸狗e雪被壓實(shí)，另一方面壓力會(huì)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(qiáng)度。 在現(xiàn)實(shí)情況中，冰雪受到的壓力大小和次數(shù)均無法準(zhǔn)確衡量，所以壓實(shí)冰雪的性能仍有很大的隨機(jī)性。 (3)凍結(jié)時(shí)間 在特定溫度下系統(tǒng)的平衡依賴于凍結(jié)時(shí)間。在系統(tǒng)未進(jìn)入熱量平衡之前，凍結(jié)時(shí)間與壓實(shí)冰雪的強(qiáng)度呈線性增長關(guān)系，凍結(jié)時(shí)間越長，壓實(shí)冰雪的強(qiáng)度就越大 。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入熱量平衡后，強(qiáng)度趨于平衡不再發(fā)生變化。由此可見，路面壓實(shí)冰雪的形成過程是系統(tǒng)散失熱量，水分凝固結(jié)冰的過程。凍結(jié)時(shí)間與壓實(shí)冰雪的強(qiáng)度有直接的關(guān)系。 一種小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的設(shè)計(jì) 12 (4)路面表面特性與雜質(zhì) 路面表面特性 壓實(shí)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(dǎo)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(qū)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(wěn)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(dá) 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(shù)小，壓實(shí)冰雪與瀝青路面的凍結(jié)將十分堅(jiān)固。 路面雜質(zhì) 在各種公路的路面上，不可避免的存在各種雜質(zhì)，比如粉塵、泥沙、碎石顆粒物等這些雜質(zhì)的存在對路面壓實(shí)冰雪的性能也有重要影響。 當(dāng)路面與壓實(shí)冰雪層之間存在雜質(zhì)時(shí)，雜質(zhì)起到了凝結(jié)核的作用，水的結(jié)凍不均勻，增大粘結(jié)層強(qiáng)度。一般情況下，粘結(jié)層的強(qiáng)度高于壓實(shí)冰雪的強(qiáng)度。 不同的路面的表面特性及路面雜質(zhì)的存在情況各不相同，所以路面壓實(shí)冰雪的性能是隨著路面雜質(zhì)不斷變化的。 2.2 路面壓實(shí)冰雪力學(xué)性質(zhì) 2.2.1 抗壓強(qiáng)度 壓實(shí)冰雪的抗壓強(qiáng)度是除冰裝置設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一，指壓實(shí)冰雪抵抗其它物體進(jìn)入的能力，用剛體進(jìn)入冰雪時(shí)單位面積上所受到的阻力表示 27。壓實(shí)冰雪的抗壓強(qiáng)度因環(huán)境不同而不同，強(qiáng)度值隨密度的增大而增大，隨溫度的降低而增大，統(tǒng)計(jì)數(shù)值如表 2.2所示。 表 2.2 壓實(shí)冰雪的抗壓強(qiáng)度 2.2.2 抗切強(qiáng)度 抗切強(qiáng)度q定義為切割每單位橫截面積壓實(shí)冰雪所需的力，包括壓實(shí)冰雪各種形式的變形強(qiáng)度 28。目前，抗切強(qiáng)度的計(jì)算大多利用經(jīng)驗(yàn)公式 qq Fbh （ 2.1） 冰雪類型 -1 至 -20時(shí)抗壓強(qiáng)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(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 式中： q 抗切強(qiáng)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(qiáng)度q可以很簡便地進(jìn)行壓實(shí)冰雪清除裝置阻力計(jì)算和除冰 裝置的 牽引特性分析，壓實(shí)冰雪的抗切強(qiáng)度如表 2.3 所示。 表 2.3 壓實(shí)冰雪的抗切強(qiáng) 2.2.3 相關(guān)系數(shù) 壓實(shí)冰雪清除裝置設(shè)計(jì)、除冰裝置的工作阻力計(jì)算和牽引性能分析涉及到冰雪的摩擦系數(shù)、冰雪路面的附著系數(shù)、冰雪路面的行駛阻力系數(shù)的選取 29。 冰雪的摩擦系數(shù)包括外摩擦系數(shù)和內(nèi)摩擦系數(shù)，外摩擦系數(shù)是指冰雪與其他物體之間的摩擦系數(shù)，內(nèi)摩擦系數(shù)是指冰雪內(nèi)部之間的摩擦系數(shù)。本文冰雪的外摩擦系數(shù)具體指冰雪和鋼鐵之間的摩擦系數(shù)，取值參考表 2.4。冰雪內(nèi)摩擦系數(shù)取值如表 2.5 所示。內(nèi)外摩擦系數(shù)都與溫度和冰雪的密度有關(guān)。 表 2.4 冰雪和鋼鐵的摩擦系數(shù) 路面壓實(shí)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(shù)和行駛阻力系數(shù)取值分別如表 2.6、表 2.7 所示。 抗切強(qiáng)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(shù) 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(jī)動(dòng)除冰裝置的設(shè)計(jì) 14 表 2.5 冰雪的內(nèi)摩擦系數(shù) 表 2.6 冰雪路面的附著系數(shù) 表 2.7 冰雪路面的行駛阻力系數(shù) 2.3 壓實(shí)冰雪破壞準(zhǔn)則 由材料力學(xué)可知，當(dāng)材料處于簡單受力情況時(shí)，材料 的危險(xiǎn)點(diǎn)處于簡單應(yīng)力狀態(tài)，破壞可以由簡單試驗(yàn)來確定。但是，壓實(shí)冰雪在外載荷的作用下常常處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，壓實(shí)冰雪的強(qiáng)度及其在載荷作用下的性狀和冰的應(yīng)力狀態(tài)有著很大的關(guān)系。目前，材料力學(xué)中的多種破壞理論都可以用來解釋壓實(shí)冰雪在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的破壞 30。 (1)最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則 該理論認(rèn)為最大拉應(yīng)力是引起壓實(shí)冰雪斷裂的主要因素。當(dāng)最大拉應(yīng)力達(dá)到與壓實(shí)冰雪有關(guān)的材料性質(zhì)的某一極限值時(shí)，壓實(shí)冰雪就發(fā)生斷裂破壞。最大拉應(yīng)力理論的破壞準(zhǔn)則為 1 b (2.2) 摩擦系數(shù) 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(shí)冰雪狀態(tài) 輪胎類型 附著系數(shù) 密實(shí)凍結(jié) 低壓胎 0.20-0.35 密實(shí)凍結(jié) 高壓胎 0.20-0.25 密實(shí)解凍 低壓胎 0.10-0.20 密實(shí)解凍 高壓胎 0.10-0.20 壓實(shí)凍結(jié) 高壓胎 0.209 壓實(shí)解凍 高壓胎 0.176 冰雪狀態(tài) 冰雪密度 / 3/kg m 行駛阻力系數(shù) 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(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 將極限應(yīng)力b除以安全系數(shù) n ，可以得到許用應(yīng)力 ，則最大拉應(yīng)力理論的強(qiáng)度條件為 1 (2.3) 最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則只適用于單向應(yīng)力狀態(tài)及某些應(yīng)力狀態(tài)中的受拉的情況。對于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，該準(zhǔn)則有不足之處。 (2)最大正應(yīng)變準(zhǔn)則 該 理論認(rèn)為材料的破壞取決于最大正應(yīng)變，只要材料內(nèi)任一方向的正應(yīng)變達(dá)到單向壓縮或單向拉伸中的破壞數(shù)值，材料就發(fā)生破壞，破壞準(zhǔn)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(yīng)力b除以安全系數(shù) n ，可以得到許用應(yīng)力 ，則最大正英變理論的強(qiáng)度條件為 1 2 3( ) (2.6) (3)莫爾強(qiáng)度理論及莫爾 -庫侖準(zhǔn)則 莫爾強(qiáng)度理論是莫爾在 1900 年提出的，是目前工程中應(yīng)用最多的強(qiáng)度理論之一。該理論認(rèn)為材料內(nèi)某一點(diǎn)的破壞與中間主應(yīng)力無關(guān)，主要決定于主應(yīng)力1和3。在 平面上，可以繪制一系列的極限應(yīng)力圓，每一極限應(yīng)力圓都反映一種達(dá)到破壞極限的應(yīng)力狀態(tài)。這一系列極限應(yīng)力圓的包絡(luò)線稱為莫爾包絡(luò)線，如圖 2.2 所示。包絡(luò)線代表材料的破壞條件或強(qiáng)度條件。 圖 2.2 極限應(yīng)力圓的包絡(luò)線 1-抗拉試驗(yàn)； 2-抗剪試驗(yàn)； 3-抗壓試驗(yàn)； 4-包絡(luò)線； 5-三軸試驗(yàn) 一種小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的設(shè)計(jì) 16 根據(jù)莫爾理論，可以利用在 平面上畫出該點(diǎn)的莫爾應(yīng)力圓 ,來判斷材料內(nèi)某點(diǎn)于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下是 否破壞。如果所作應(yīng)力圓在莫爾包絡(luò)線以內(nèi)，則通過該點(diǎn)任何面上的剪應(yīng)力都小于相應(yīng)面上的抗剪強(qiáng)度 ，說明該點(diǎn)沒有破壞，處于安全狀態(tài)；如果所作應(yīng)力圓剛好與包絡(luò)線相切，則通過該點(diǎn)有一對平面上的剪應(yīng)力剛好達(dá)到相應(yīng)面上的抗剪強(qiáng)度，該點(diǎn)處于臨界破壞狀態(tài)。 對于不同性質(zhì)的材料，莫爾強(qiáng)度條件的形式也各不相同。對于抗拉強(qiáng)度很弱，抗壓強(qiáng)度很高的脆性材料，在應(yīng)用莫爾強(qiáng)度理論時(shí)，可以用單向拉伸和單向壓縮兩個(gè)極限應(yīng)力圓的公切線來代替包絡(luò)線將，包絡(luò)線進(jìn)行化簡。將該直線形式的包絡(luò)線稱為莫爾 -庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，如圖 2.3 所示。莫爾 -庫侖破壞準(zhǔn)則認(rèn)為，當(dāng)剪切應(yīng)力 大于內(nèi)聚力 C 和內(nèi)摩擦力 之和時(shí)，材料便發(fā)生脆性剪切破碎。莫爾 -庫侖破斷準(zhǔn)則的表達(dá)式為 C （ 2.7） 式中： C 壓實(shí)冰雪的內(nèi)聚力， Pa ； 壓實(shí)冰雪的內(nèi)摩擦系數(shù) 。 圖 2.3 莫爾 -庫侖破斷準(zhǔn)則 綜合考慮以上三種強(qiáng)度理論，考慮到壓實(shí)冰雪的實(shí)際受力環(huán)境，在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，莫爾 -庫倫準(zhǔn)則能夠較好的反映其破壞狀況。 2.4 除冰作業(yè)性能參數(shù) (1)除凈率 除凈率是指除冰裝置清除路面壓實(shí)冰雪的干凈程度，是衡量除冰裝置工作性能的關(guān)鍵指標(biāo)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(jì)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(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)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(dá)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(dá)到 90%以上，否則，除冰作業(yè)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(biāo)，衡量除冰裝置在短時(shí)間能恢復(fù)路面交通的能力。工作效率主要體現(xiàn)在兩個(gè)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(yè)時(shí)，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(yīng)低于 5 /kmh 。 清除寬度是指除冰裝置一次作業(yè)能夠清除的最大寬度。清除寬度 主要根據(jù)牽引主機(jī)的寬度范圍和交通法規(guī)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(shí)間內(nèi)清除大面積路面冰雪的能力就越強(qiáng)，所需要配備的除冰裝置數(shù)量就越少。 (3)清除厚度 根據(jù)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(shí)冰雪厚度一般不超過 3-4cm 。由于降雪受風(fēng)吹、車壓等環(huán)境因素影響，致使壓實(shí)冰雪的厚度具有不均勻性、不規(guī)律性，除冰裝置清除壓實(shí)冰雪的厚度應(yīng)當(dāng)不低于 5cm 。本文最大清除厚度為 0.1m 。 (4)結(jié)構(gòu)性 在保證達(dá)到性能要求的前提下，除冰裝置的結(jié)構(gòu)組成越簡單越好。一般情況下，結(jié)構(gòu)越簡單，操作就簡單，運(yùn)轉(zhuǎn)也靈活，可靠性越好，加工工藝性也越好，成本也低，經(jīng)濟(jì) 性就好。 (5)路面保護(hù)性 由于除冰裝置的工作對象是壓實(shí)冰雪，而壓實(shí)冰雪與路面又粘結(jié)在一起，因此作業(yè)時(shí)容易破壞路面。保護(hù)路面不受損傷是道路除冰作業(yè)的最基本的要求，任何一種在道路路面通行的車輛和作業(yè)機(jī)械都不得損壞路面，否則是不允許其通行和作業(yè)的。 (6)避障能力 除冰裝置除冰作業(yè)時(shí)，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(yè)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(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。 (7)經(jīng)濟(jì)性 好的經(jīng)濟(jì)性是對一切機(jī)械設(shè)備的共性要求。對于除 冰裝置而言，經(jīng)濟(jì)性要求尤為突一種小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的設(shè)計(jì) 18 出。因?yàn)槌鞘谐┙?jīng)費(fèi)數(shù)額有限，如果除冰裝置的價(jià)格過高，則環(huán)衛(wèi)部門無力購置和使用。研發(fā)除冰裝置時(shí)，要盡可能降低設(shè)備的成本，適應(yīng)我國的國情。 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 3 小型機(jī)動(dòng) 除冰裝置總體設(shè)計(jì) 3.1 除冰裝置整體方案設(shè)計(jì) 3.1.1 除冰裝置的結(jié)構(gòu)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(jī)、減速器、傳動(dòng)裝置、操作裝置等組成。其機(jī)構(gòu)示意圖和結(jié)構(gòu)簡圖分別見圖 3.1 和圖 3.2。 圖 3.1 除冰裝置結(jié)構(gòu)示意圖 1-鏟冰刀； 2-減振彈簧； 3-滑動(dòng)軸承； 4-曲柄盤； 5-帶傳動(dòng)； 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(jìn)給控制機(jī)構(gòu)； 12-碎冰刀盤； 13-碎冰刀； 14-刮冰鏟； 15-汽油機(jī)； 16-車輪 圖 3.2 除冰裝置總體結(jié)構(gòu) 一種小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的設(shè)計(jì) 20 通過理論設(shè)計(jì)，在農(nóng)業(yè)機(jī)械化實(shí)驗(yàn)室把各種零件加工、制造組裝好。該小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的整體設(shè)計(jì)實(shí)物圖如圖 3.3 所示。 圖 3.3 小型機(jī)動(dòng)除冰裝置整體設(shè)計(jì)實(shí)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(jī)構(gòu)是鏟冰刀，主要是利 用曲柄滑塊上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)鏟冰刀的鏟冰運(yùn)動(dòng)，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(jī)構(gòu)是碎冰刀，主要是運(yùn)用汽油機(jī)作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)圓錐齒輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)碎冰刀旋轉(zhuǎn)達(dá)到除厚冰的目的。第三套除冰機(jī)構(gòu)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(dá)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(jī)動(dòng)除雪裝置的動(dòng)力設(shè)計(jì)中，主要研究整機(jī)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(jì)算。對于其他消耗功率較小的裝置不再單獨(dú)計(jì)算，而是統(tǒng)一考慮在系數(shù) 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(jī)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(shí)，汽油機(jī)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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率可以全部成為行走動(dòng)力。因此，在破冰量很大時(shí)，車速不宜過高；而在破冰量很小時(shí)，可以相應(yīng)提高沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 車速，所以，該小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的傳動(dòng)效率較高。 3.1.3 機(jī)架設(shè)計(jì) 機(jī)架是連接汽油機(jī)及除冰機(jī)構(gòu)的安裝車體。由于在工作過程中產(chǎn)生振動(dòng)并且需要承載的重量較大，故需要選用硬度較高，強(qiáng)度較大的角鐵。為了能 與汽油機(jī)的寬度相協(xié)調(diào)，機(jī)架設(shè)計(jì)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(shè)計(jì) 該機(jī)動(dòng)除冰裝置的行走裝置較簡單，四個(gè)小車輪通過螺栓聯(lián)接使車輪固定在機(jī)架上?？梢哉{(diào)節(jié)四個(gè)小車輪來調(diào)節(jié)整個(gè)機(jī)架的高度，增強(qiáng)了對積冰積雪厚度不同的路面冰雪清理工作的適應(yīng)性。 3.1.5 動(dòng)力裝置選定 小型機(jī)動(dòng)除冰裝置以汽油機(jī)作為 動(dòng)力源，通過動(dòng)力傳遞裝置依次將動(dòng)力傳遞到鏟冰刀、碎冰刀和刮冰鏟。根據(jù)實(shí)際除冰工作的需要，選定重慶爾翔 EX152F 汽油機(jī)作為動(dòng)力裝置。該汽油機(jī)的額定功率為 2.2kw ，最大額定轉(zhuǎn)速為 4000 /minr 。經(jīng)過計(jì)算可得輸出轉(zhuǎn)矩為 5.3Nm 。 3.1.6 傳動(dòng)裝置選定 除冰裝置的傳動(dòng)原理如下：汽油機(jī)經(jīng)減速器減速后，經(jīng)帶傳動(dòng)帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，利用曲柄滑塊運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)鏟冰 刀上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。除此之外，通過帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)圓錐齒輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)碎冰刀旋轉(zhuǎn)。考慮到緩沖、減震、過載保護(hù)、原動(dòng)機(jī)等對傳動(dòng)裝置的要求，采用帶 (普通 V 帶 A 型 )傳動(dòng)。 除冰裝置的傳動(dòng)參數(shù)如表 3.1 所示。 表 3.1 除冰裝置的傳動(dòng)參數(shù) 汽油機(jī)額定功率 2.2kw 一級減速長軸 450mm 汽油機(jī)最大額定轉(zhuǎn)速 4000 /minr 一級減速長軸 420mm 汽油機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)動(dòng)除冰裝置的設(shè)計(jì) 22 4 主要部件的設(shè)計(jì)及計(jì)算 4.1 傳動(dòng)比的確定 汽油機(jī)的最大額定轉(zhuǎn)速是 4000 汽油機(jī)的最大額定轉(zhuǎn)速 N 是 4000 / minr ，額定功率P 是 2.2kw 。汽油機(jī)動(dòng)力傳遞到各軸是采用帶和圓錐齒輪傳動(dòng)，大帶輪的半徑 R 均是90mm ，小帶輪的半徑 r 均是 30mm 。根據(jù)實(shí)際除冰工作的需要，汽油機(jī)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(dòng)比均為20190 330d Ri dr 。一對圓錐齒輪的傳動(dòng)比為 1i 。 4.2 鏟冰裝置設(shè)計(jì) 小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的第一套除冰機(jī)構(gòu)是鏟冰裝置。鏟冰裝置主要由曲柄連桿機(jī)構(gòu)、滑動(dòng)軸承和與曲柄連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)接在一起的鏟冰刀構(gòu)成。 4.2.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu) 曲柄連桿機(jī)構(gòu)是由曲柄盤和連桿構(gòu)成，是第一套除冰機(jī)構(gòu)的重要組成部分。通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)將二級減速軸傳來的動(dòng)力傳遞給鏟冰刀，帶動(dòng)鏟冰刀上下運(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì) 為了更好地達(dá)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(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(zhì)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(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)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(zhì)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(jīng)過測定，得到三組不同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 4.1、表 4.2 和表 4.3 所示。 表 4.1 扁鏟形鏟冰刀（質(zhì)量 0.975kg ）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 實(shí)驗(yàn)次數(shù) 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(jī)動(dòng)除冰裝置的設(shè)計(jì) 24 表 4.2 三棱錐形鏟冰刀（質(zhì)量 0.975kg ）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 實(shí)驗(yàn)次數(shù) 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(zhì)量 0.975kg ）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 實(shí)驗(yàn)次數(shù) 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(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，如圖 4.4、 4.5 和 4.6 所示。 對這三圖進(jìn)行分析可知，三棱錐形鏟冰刀實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程中對不同形狀鏟冰刀鏟冰實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析)圖 4.4 扁鏟形鏟冰刀實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 三棱錐形鏟冰刀實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析) 圖 4.5 三棱錐形鏟冰刀實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 四棱錐形鏟冰刀實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí) 驗(yàn)結(jié)果分析) 圖 4.6 四棱錐形鏟冰刀實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 圖 4.7 扁鏟形鏟冰刀實(shí)驗(yàn)結(jié)果（下落高度為 800mm ） 一種小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的設(shè)計(jì) 26 圖 4.8 三棱錐形鏟冰 刀實(shí)驗(yàn)結(jié)果（下落高度為 800mm ） 圖 4.9 四棱錐形鏟冰刀實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yōu)于扁鏟形鏟冰刀和四棱錐形鏟冰刀，故設(shè)計(jì)鏟冰刀為三棱錐形鏟冰刀。 鏟冰刀的設(shè)計(jì) 汽油機(jī)作為動(dòng)力源通過 V帶傳動(dòng)減速后將動(dòng)力輸出到一級減速軸，一級減速軸通過 V 帶傳動(dòng)減速后將動(dòng)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(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，因而與曲柄滑塊 聯(lián)接的鏟冰刀架和鏟冰刀也隨之做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)模擬人工除冰的原理將冰鏟掉。鏟冰刀上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的理論行程是曲柄盤的直徑，理論運(yùn)動(dòng)周期是曲柄盤的運(yùn)動(dòng)周期。通過控制曲柄盤運(yùn)動(dòng)周期就控制了鏟冰刀上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的周期?？紤]到實(shí)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(shè)計(jì)基礎(chǔ)上稍作了改變，實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖 4.10 和圖 4.11 所示。 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)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(shè)計(jì) 小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的碎 冰裝置 的第二套除冰機(jī)構(gòu)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(yùn)動(dòng)的上下進(jìn)給控制機(jī)構(gòu)組成。 考慮到有時(shí)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(shè)計(jì)了通過操作手柄手動(dòng)來控制碎冰刀上下進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。安裝在碎冰刀盤上的碎冰刀隨刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)除冰的目的。二級減速軸通過 V 帶傳動(dòng)減速后將動(dòng)力傳到三級減速軸，它通過圓錐齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的換向并將動(dòng)力傳遞到安裝碎冰刀盤的垂直軸進(jìn)而實(shí)現(xiàn)碎冰刀的旋轉(zhuǎn)除冰運(yùn)動(dòng)。碎冰刀盤可在垂直軸的下端一定范圍（約 3cm 范圍）上下運(yùn)動(dòng)。垂直軸的末端安裝限位彈簧防止碎冰刀盤在垂直軸上運(yùn)動(dòng)時(shí)與軸脫落，同時(shí)可起到一定的減振作用。碎冰刀盤上端與一個(gè)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(dòng)控制操作手柄可以實(shí)現(xiàn)碎冰刀盤在垂直軸的下端上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)碎冰刀的上下進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。這樣道路上不同厚度的冰雪即可順利的被清除。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(jī)動(dòng)除冰裝置的設(shè)計(jì) 28 4.4 主要部件 結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定及計(jì)算 4.4.1 汽油機(jī)計(jì)算功率的確定 所選汽油機(jī)的額定功率為 2.2kw ,最大額定轉(zhuǎn)速 4 0 0 0 / m innr ，設(shè)為額定功率 P ，查得工作情況系數(shù) 1.3AK ，所以計(jì)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(dòng)計(jì)算 帶傳動(dòng)是具有中間撓性件、靠摩擦工作的轉(zhuǎn)動(dòng)，具有能緩沖吸振、傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小、結(jié)構(gòu)簡單、允許有較大的傳動(dòng)中心距較大等優(yōu)點(diǎn)，并且過載時(shí)帶可以在帶輪上打滑，可以防止其他零件的損壞，故在此設(shè)計(jì)中選帶傳動(dòng)。帶傳動(dòng)如圖 4.14 所示： 圖 4.14 帶傳動(dòng) 動(dòng)力為汽油機(jī)，額定功率為 2.2P kw ，額定轉(zhuǎn)速 4 0 0 0 / m innr ,汽油機(jī)輸出軸上小帶輪作為主動(dòng)輪，主動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑 mmd 601 ， 則與一級減速長軸配合的 大帶輪的基準(zhǔn)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(zhǔn)直徑為 )(1802 mmd ，一級減速長軸的轉(zhuǎn)速 2n 偏大，但誤差仍在 5%范圍內(nèi)，故允許。此時(shí)帶速： )/(56.12100060 40006014.3100060 11 smndv （ 4.3） 帶速 v 在 5-25m/s 范圍內(nèi)，帶速合適。同理可求得其他各減速軸的 帶速和軸轉(zhuǎn)速。 確定 V 帶的基準(zhǔn)長度 和傳動(dòng)的中心距： )()(7.021021 ddadd （ 4.4） 根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)，初定中心距 mma 4000 ，帶基準(zhǔn)長度： 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 29 )(8.11854004)60180()18060(214.340024)()(22202122100mmaddddaL （ 4.5） 選取帶的基準(zhǔn)長度 mmLd 1200，計(jì)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(yàn)算主動(dòng)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(dòng)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(zhì)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(dòng)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(zhuǎn)速 通過上面減速軸轉(zhuǎn)速的計(jì)算我們得到二級減速軸的轉(zhuǎn)速 min/4442 rn 即 srn /4.72 這也是曲柄盤的轉(zhuǎn)速，即在 1s 內(nèi)曲柄盤轉(zhuǎn)動(dòng) 7.4 周。理論上隨著曲柄盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周鏟冰刀完成一次上下往復(fù)除冰運(yùn)動(dòng)，并且其上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)理論最大行程是曲柄盤的直徑cmdq 6 ，即在 1s 內(nèi)鏟冰刀理論上完成 7.4 次上下往復(fù)除冰運(yùn)動(dòng)，也就是鏟冰刀理論鏟冰頻率 4.7f ，實(shí)際上由于摩擦等因素在動(dòng)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(xiàn)實(shí)生活中的人工用鐵鍬鏟冰頻率。 由于一對圓錐齒輪的傳動(dòng)比為 1:1 ，這樣碎冰刀盤理論轉(zhuǎn)速sn與三級減速軸的轉(zhuǎn)速大小3n相等，即3snn。三級減速軸的轉(zhuǎn)速大小3n可通過上面的計(jì)算得 min/2223 rn 即srnns /7.33 ，這樣通過計(jì)算得出碎冰刀的理論扭矩： 一種小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的設(shè)計(jì) 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(shí)際工作時(shí)我們可通過控制刀片質(zhì)量、碎冰刀盤轉(zhuǎn)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(qiáng)度校核 減速長軸的尺寸的確定，主要依據(jù)結(jié)構(gòu)布置上的要求并考慮加工工藝和裝配工藝要求而定。在設(shè)計(jì)時(shí)，由皮帶輪的工作位置和尺寸可初步確定長軸的長度，根據(jù)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)布置考慮到加工和裝配而確定的軸的尺寸，一般來說強(qiáng)度是足夠的，僅對其危險(xiǎn)斷面進(jìn)行驗(yàn)算即可。對于本設(shè)計(jì)來說，在設(shè)計(jì)的過程中，軸的強(qiáng)度和剛度都留有一定的余量，下面對一級減速長軸進(jìn)行校核。 因?yàn)橐患墱p速長軸在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，所受的彎矩很小，可以忽略，可以認(rèn)為其只受扭矩。此中情況下，軸的扭矩強(qiáng) 度條件公式為 （ 4.10） 式中： T 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 ， MPa ； T 軸所受的扭矩 ， N mm ； TW 軸的抗扭截面系數(shù)， 3mm ； p 軸傳遞的功率 ， kw ； d 計(jì)算截面處軸的直徑， mm ； T 許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)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(qiáng)度要求。 軸的扭轉(zhuǎn)變形用每米長的扭轉(zhuǎn)角 來表示。其計(jì)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(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)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(shù)據(jù)代入上式可得： （ 4.13） 對于一般傳動(dòng)軸可取 0 .5 1 ( ) / m ；故也符合剛度要求。 4.5 設(shè)計(jì)考慮因素 4.5.1 生產(chǎn)效率 生產(chǎn)效率 ( 2 /km h )以單位時(shí)間內(nèi)清除的道路面積計(jì) : =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(shí)際工作時(shí)應(yīng)當(dāng)均衡這兩個(gè)因素，使除冰裝置能最大程度地滿足生產(chǎn)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(jī)器本身的結(jié)構(gòu)之外，主要是道路的路面質(zhì)量。雖然城市內(nèi)主要干線都是一級路面標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際上黑色路面經(jīng)過夏季高溫，難免會(huì)出現(xiàn)凹凸不平的狀況，路面不平，自然會(huì)影響機(jī)器的除凈效率。我們在進(jìn)行機(jī)器設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮如何適應(yīng)外部 條件，提高機(jī)器的自身質(zhì)量。 一種小型機(jī)動(dòng)除冰裝置的設(shè)計(jì) 32 5 結(jié)論 本設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)明顯，具有很好的推廣應(yīng)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(jī)挖坑的原理，在除冰過程中通過手動(dòng)控制碎冰刀盤的 上下進(jìn)給，能適應(yīng)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(hù)鏟冰刀。 （ 4）動(dòng)力傳遞多采用 V帶傳動(dòng)， V帶張緊裝置可以按需分配動(dòng)力傳遞，適應(yīng)性強(qiáng)。 V 帶傳動(dòng)能緩沖吸振，噪聲小，過載時(shí)可以打滑，降低對設(shè)備的損傷。 專業(yè)化的冰雪道路清除機(jī)械的研究對保障道路通暢，特別是保障寒冷地區(qū)的道路通暢有非常重要的作用。但是，冰雪的性質(zhì)與氣候、溫度等諸多因素有關(guān)，