除雪車浮雪鏟作業(yè)特性仿真分析

除雪車浮雪鏟作業(yè)特性仿真分析

0dqx路面除雪車應(yīng)用采用機(jī)械方法清除路面磨損，具有環(huán)保、高效、實(shí)時(shí)、經(jīng)濟(jì)等顯著優(yōu)勢(shì)。自20世紀(jì)50年代以來，日本開始研究基于墊雪槽的修正路面磨損。目前,日本、加拿大、美國等國家已經(jīng)研制出形式多樣、種類繁多的機(jī)械式除雪設(shè)備,并廣泛應(yīng)用于各類路面的積雪清除。我國從上世紀(jì)70年代末期開始研究機(jī)械除雪技術(shù),但受到設(shè)計(jì)手段、相關(guān)技術(shù)水平、冰雪物理特性基礎(chǔ)研究等條件限制發(fā)展緩慢,除雪設(shè)備使用范圍狹小,大多數(shù)道路管理部門仍然采用對(duì)環(huán)境和道路具有相當(dāng)危害程度的鹽融法除雪。為了研究適合于我國道路條件、符合國情的路面積雪清除設(shè)備、推廣國產(chǎn)除雪設(shè)備的應(yīng)用,作者承擔(dān)了DQX路面除雪車項(xiàng)目的研究。安裝于DQX路面除雪車前部的浮雪鏟具有垂直升降和水平擺動(dòng)機(jī)構(gòu),可根據(jù)道路具體情況清除寬度為2.5～2.8m的車道上的浮雪,最大除雪作業(yè)速度為40km/h。浮雪鏟除雪作業(yè)計(jì)算包括除雪阻力計(jì)算、切線牽引力計(jì)算及除雪功率計(jì)算3部分,并據(jù)此建立聯(lián)立數(shù)學(xué)分析模型,利用計(jì)算機(jī)模擬分析DQX路面除雪車浮雪清除作業(yè)時(shí)的側(cè)向穩(wěn)定性、牽引特性及功率匹配特性,檢驗(yàn)浮雪鏟作業(yè)參數(shù)的可行性,為浮雪鏟的除雪試驗(yàn)制定指導(dǎo)性試驗(yàn)計(jì)劃。1計(jì)算的雪阻力DQX型路面除雪車的浮雪鏟結(jié)構(gòu)為單向犁板式,其除雪阻力Fsx為浮雪鏟除雪作業(yè)時(shí)受到的雪的阻力Fp與車輛的行駛阻力Fm之和。1.1浮雪機(jī)構(gòu)及浮雪挖掘的標(biāo)準(zhǔn)工況計(jì)算分析浮雪鏟依靠鏟體自重使鏟刃與路面緊密接觸,利用除雪車前進(jìn)的動(dòng)力與速度將浮雪清離路面,并沿浮雪鏟拋向側(cè)面。因此,浮雪鏟本身的質(zhì)量、鏟體與路面的摩擦系數(shù)、鏟刃與路面的夾角、鏟刃形狀、鏟體水平擺角、除雪作業(yè)寬度、除雪作業(yè)速度、浮雪密度、浮雪厚度等因素都與雪阻力計(jì)算密切相關(guān)。同時(shí),浮雪的平均抗剪應(yīng)力亦對(duì)雪阻力計(jì)算產(chǎn)生一定影響,但由于其值相對(duì)較小,計(jì)算時(shí)通常忽略不計(jì)。為便于計(jì)算分析,建立如圖1所示的浮雪鏟受力直角坐標(biāo)系。定義除雪車前進(jìn)方向?yàn)閄軸正向,車體左向?yàn)閅軸正向,垂直向上方向?yàn)閆軸正向。定義浮雪鏟鏟體與地面間夾角θc為切削角,鏟體長度方向與車輛行進(jìn)方向所夾銳角θ為行進(jìn)角,按圖1坐標(biāo)系把浮雪鏟受到的雪阻力Fp分解為前進(jìn)方向分力Fpx、側(cè)向分力Fpy和垂直分力Fpz。除雪作業(yè)速度小于10km/h時(shí),作業(yè)效率太低,除雪作業(yè)速度大于70km/h,則違反道路交通相關(guān)法律、法規(guī)。因此,確定除雪作業(yè)速度區(qū)域?yàn)?0～70km/h。研究結(jié)果表明,在10～70km/h速域內(nèi),除雪作業(yè)速度對(duì)雪阻力的影響呈分散的兩區(qū)域——10～20km/h速域和20～70km/h速域。不同速域?qū)ρ┳枇Φ挠绊懴禂?shù)不同。根據(jù)速域影響系數(shù),建立如下雪阻力各向分力計(jì)算分析數(shù)學(xué)模型:除雪車作業(yè)速度為10～20km/h時(shí):除雪車作業(yè)速度為20～70km/h時(shí):式中:μf為鏟刃與路面的摩擦系數(shù);Mp為浮雪鏟質(zhì)量,kg;S為浮雪層與浮雪鏟接觸斷面積,m2;v為除雪車作業(yè)速度,m/s;ρ為雪密度,kg/m3;K為浮雪鏟刃口形狀系數(shù),K=1;g為重力加速度,g=9.81m/s2。浮雪鏟鏟刃在除雪作業(yè)時(shí)與路面的摩擦是在有雪參與的條件下鋼鐵材料的鏟刃與路面間的摩擦。鋼質(zhì)材料與壓實(shí)雪的摩擦系數(shù)為0.1,鋼質(zhì)材料與瀝青混凝土的摩擦系數(shù)為0.25～0.5。大多數(shù)情況下,積雪在鏟刃與瀝青混凝土之間起潤滑作用。因此,鏟刃和路面的摩擦系數(shù)的取值范圍為0.15～0.45。在除雪作業(yè)過程中,各種摩擦情況都會(huì)隨機(jī)出現(xiàn),沒有規(guī)律性。因此,計(jì)算中通常取摩擦系數(shù)的最大值,即μf=0.45。行進(jìn)角與浮雪鏟排雪性能、排雪長度具有直接關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在浮雪鏟其他參數(shù)相同的條件下,行進(jìn)角在50°～60°時(shí)浮雪鏟的排雪性能最佳,并可有效控制除雪作業(yè)寬度,使單次除雪作業(yè)寬度符合不同道路的車道寬度要求。通常行進(jìn)角取為60°。雪密度變化范圍很大,并受地域條件的影響。我國降雪條件與俄羅斯較接近,故多采用前蘇聯(lián)的研究成果,認(rèn)為積雪密度為10～800kg/m3,通常在理論計(jì)算時(shí)取其最大值。設(shè)計(jì)要求DQX除雪車一次作業(yè)清除浮雪最大寬度為2.8m,最大除雪深度0.9m,因此,計(jì)算得出浮雪鏟最大除雪斷面積為2.88m2。根據(jù)設(shè)計(jì)方案,浮雪鏟結(jié)構(gòu)基本確定,根據(jù)雪鏟總體結(jié)構(gòu)及材料特性,計(jì)算得到浮雪鏟質(zhì)量為500kg。根據(jù)公式(1)、(2)及上述計(jì)算參數(shù)分析,得到如下計(jì)算結(jié)果。除雪車作業(yè)速度為10～20km/h時(shí),雪阻力的各向分力為:除雪車作業(yè)速度為20～70km/h時(shí),雪阻力的各向分力為:雪阻力的X向分力Fpx的方向與除雪車前進(jìn)方向相反并與路面平行,對(duì)除雪車作業(yè)產(chǎn)生阻力,完全依賴于輪胎與路面產(chǎn)生的摩擦力克服,消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率。雪阻力的Y向分力Fpy與浮雪鏟的擺動(dòng)方向相反,并與X向垂直,對(duì)除雪車的側(cè)向穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響。由于Fpy力作用于安裝在底盤前部的浮雪鏟,過大的Y向分力將造成除雪車尾部偏轉(zhuǎn)而無法正常進(jìn)行除雪作業(yè),甚至發(fā)生嚴(yán)重事故。雪阻力的Z向分力Fpz對(duì)除雪車影響不大。1.2地面試驗(yàn)面投影車輛行駛阻力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為:式中:μa為空氣阻力系數(shù),平頭型車輛μa=0.00275;A為除雪車正面投影面積,m2;μr為滾動(dòng)阻力系數(shù),積雪路面與防滑輪胎間μr=0.0189+0.000601v;M為除雪車車體質(zhì)量,kg。DQX路面除雪車車體為解放平頭自卸車,車體質(zhì)量為15000kg;正面投影面積為8.466m2。因此,根據(jù)公式(3)計(jì)算得到除雪車作業(yè)速度為10～20～70km/h時(shí),行駛阻力為:1.3m的代數(shù)和代數(shù)除雪阻力Fsx為雪阻力在X方向上的分力Fpx與行駛阻力Fm的代數(shù)和。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,可以得到不同作業(yè)速度條件下的除雪阻力。除雪車作業(yè)速度為10～20km/h時(shí),除雪阻力為:除雪車作業(yè)速度為20～70km/h時(shí),除雪阻力為:2切線引力的浮標(biāo)變化路面與輪胎摩擦產(chǎn)生的附著力Fμ等于牽引車輛的最大切線牽引力Fkmax。積雪路面所能產(chǎn)生的最大附著力為:式中:μ為附著系數(shù),積雪路面與防滑輪胎的附著系數(shù)一般取值為0.25～0.35。最大切線牽引力為:3發(fā)動(dòng)機(jī)及機(jī)組功率除雪作業(yè)消耗的功率P為:式中:η為傳動(dòng)效率,機(jī)械傳動(dòng)取η=0.85。DQX路面除雪車發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為192kW,若清除0.9m厚、密度為800kg/m3的浮雪,并以10～20km/h速度進(jìn)行除雪作業(yè),除雪功率為104.38～725.69kW,發(fā)動(dòng)機(jī)只能滿足部分除雪作業(yè)速度的功率要求;以20～70km/h速度作業(yè)時(shí)的除雪功率為520～20657.09kW,發(fā)動(dòng)機(jī)不能滿足其功率要求。4計(jì)算與評(píng)價(jià)的分析與模型的構(gòu)建4.1浮雪作業(yè)速度計(jì)算除雪車在沒有增加配重的情況下所能提供的最大切線牽引力為35.56～49.79kN,而除雪車清除0.9m厚、密度為800kg/m3的浮雪并以10～20km/h速度作業(yè)時(shí)需要31.94～111.03kN的牽引力,以20～70km/h速度作業(yè)時(shí)需要79.56～903.01kN的牽引力。因此,加大切線牽引力簡單易行的方法是為除雪車增加配重。若設(shè)定額定作業(yè)速度為40km/h、附著系數(shù)μ取其最小值0.25、浮雪密度為800kg/m3,并設(shè)配重質(zhì)量為ΔM,由公式(2)、(3)、(4)組成聯(lián)立方程,即:由式(6)計(jì)算可得ΔM=131141.2217kg≈132t。僅從牽引力方面考慮,若清除0.9m厚、密度為800kg/m3的浮雪,無法達(dá)到40km/h的除雪作業(yè)速度。若假定為除雪車配重為25t,除雪厚度和浮雪密度不變,附著系數(shù)為0.25,用公式(1)、(2)、(3)、(4)組成的聯(lián)立方程組計(jì)算、判斷最大除雪作業(yè)速度如下:由相應(yīng)判別條件,根據(jù)公式(7)可以計(jì)算得到v≤1.8km/h。因此,在清除0.9m厚浮雪時(shí),除雪車的作業(yè)速度非常低。切線牽引力必須大于除雪阻力除雪作業(yè)才能順利進(jìn)行。影響切線牽引力和除雪阻力的因素包括作業(yè)速度、配重、雪層厚度、鏟刃與路面摩擦系數(shù)、浮雪密度這些因素中,能人為掌握的只有配重和速度。通常情況下,在除雪作業(yè)前車體配重已經(jīng)確定,在除雪作業(yè)過程中不能隨機(jī)變動(dòng),因此,除雪作業(yè)時(shí)必須根據(jù)非人為隨機(jī)因素適當(dāng)調(diào)整車輛的行駛速度,以保證除雪作業(yè)效率最高。4.2側(cè)向穩(wěn)定性分析除雪車在除雪作業(yè)時(shí)除受到前進(jìn)方向的分力外,同時(shí)受到側(cè)向力作用。路面與輪胎摩擦產(chǎn)生的附著力Fμ在提供車輛前進(jìn)推力的同時(shí)抵抗車輛的側(cè)向滑移。根據(jù)車輛的行駛特性,DQX路面除雪車在除雪作業(yè)過程中最有可能出現(xiàn)的側(cè)向滑移是以前輪為支點(diǎn)的車尾擺動(dòng)。若對(duì)其側(cè)向擺動(dòng)進(jìn)行簡化處理,即假定輪胎所產(chǎn)生的側(cè)向抵抗力按照前輪承擔(dān)1/3、后輪承擔(dān)2/3核算,并假定側(cè)擺支撐點(diǎn)為前輪,則有如下判別模型。除雪車作業(yè)速度為10～20km/h時(shí):除雪車作業(yè)速度為20～70km/h時(shí):式中:h為雪層厚度,m。DQX路面除雪車在沒有配重的條件下,積雪路面所能產(chǎn)生的最大附著力為35.56～49.79kN。當(dāng)除雪車作業(yè)速度為10～20km/h時(shí),受到的側(cè)向分力為8.16～32.64kN,除雪車滿足側(cè)向平衡要求;作業(yè)速度為20～70km/h時(shí),受到的側(cè)向分力為22.17～271.59kN,部分作業(yè)速度范圍滿足側(cè)向穩(wěn)定要求。4.3dqx除雪車速度、功率與側(cè)向穩(wěn)定數(shù)學(xué)分析模型綜合考慮除雪車作業(yè)過程中除雪阻力、切線牽引力、側(cè)向穩(wěn)定性、除雪功率等因素,根據(jù)DQX除雪車選用底盤的技術(shù)參數(shù)并結(jié)合上述分析、計(jì)算,可以建立以下DQX除雪車速度、功率與側(cè)向穩(wěn)定數(shù)學(xué)分析模型。除雪車作業(yè)速度為10～20km/h時(shí):除雪車作業(yè)速度為20～70km/h時(shí):5dqx路面除雪車運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析根據(jù)數(shù)學(xué)分析模型式(10)和(11)編譯計(jì)算分析軟件,就可以對(duì)DQX路面除雪車進(jìn)行相應(yīng)的仿真分析。作者建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)三維分析模型如圖2所示。針對(duì)DQX路面除雪車及浮雪鏟的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定μf、h、ρ、v、μ、ΔM為參變量,其他參數(shù)為定變量。輸入6個(gè)參變量的5個(gè)參數(shù)數(shù)值就可以確定第6個(gè)參變量,并對(duì)其進(jìn)行側(cè)向穩(wěn)定性、牽引特性及功率匹配特性以及運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真分析。若輸入?yún)⒆兞繑?shù)值:[h]=0.2[m],[v]=30[km/h],[μf]=0.25,[ρ]=200[kg/m3],[μ]=0.25,[ΔM]=?[kg],然后執(zhí)行分析。顯示除雪車的最小配重為[ΔM]=0[kg]、除雪功率[P]=156.42[kW]、側(cè)滑力矩[Ty]=53.8737[kN·m]、側(cè)滑抵抗最大力矩[Tyd]=88.2900[kN·m]。繼續(xù)執(zhí)行操作,則對(duì)在此參變量下的DQX路面除雪車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真分析。若其他參變量相同,輸入[ΔM]=0[kg],[v]=?[km/h],顯示在沒有配重情況下除雪車的最大速度[vmax]=32.7195[km/h]、除雪功率[P]=192.00[kW]、側(cè)滑力矩[Ty]=64.0837[kN·m]、最大側(cè)滑抵抗力矩[Tyd]=88.290