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┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第1章 緒 論 1.1 本次設(shè)計(jì)來(lái)源、目的、意義、國(guó)內(nèi)外概況 1.1.1 本次設(shè)計(jì)的來(lái)源 本課題屬于吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院科研項(xiàng)目（國(guó)家經(jīng)貿(mào)委“國(guó)家重點(diǎn)技術(shù)改造項(xiàng)目[2003]86”）。是根據(jù)國(guó)際和國(guó)內(nèi)的最新形勢(shì)和市場(chǎng)需求而確定的研究課題。對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)和生活有很大的實(shí)際意義。是隸屬于國(guó)家攻關(guān)課題----多功能鏟雪車研制的一部分。 1.1.2 本次設(shè)計(jì)研究目的 中國(guó)北方大部分地區(qū),每年有3～5個(gè)月的降雪期,道路積雪給交通運(yùn)輸及人民日常生活帶來(lái)許多困難,有時(shí)甚至阻斷交通。近幾年來(lái)高等級(jí)公路里程不斷增加,及時(shí)有效地清除路面積雪已成為亟待解決、刻不容緩的問(wèn)題,這對(duì)于提高車輛的運(yùn)輸效率、避免重大交通事故的發(fā)生,具有很大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。目前,國(guó)內(nèi)除雪作業(yè)多由人工或其它代用機(jī)械完成,其勞動(dòng)強(qiáng)度大,作業(yè)效率低。進(jìn)口外國(guó)先進(jìn)的除雪設(shè)備,造價(jià)高且不適合中國(guó)國(guó)情;而用其它的代用機(jī)械如平地機(jī)進(jìn)行除雪作業(yè),則又浪費(fèi)實(shí)用設(shè)備且對(duì)路面具有破壞性。所以,盡快開(kāi)發(fā)出適合中國(guó)國(guó)情的低成本、高效率、且宜大面積推廣應(yīng)用的除雪設(shè)備,是一項(xiàng)艱巨而緊迫的任務(wù)。 1.1.3 本次設(shè)計(jì)研究的意義 我國(guó)北方大部分地區(qū),每年有很長(zhǎng)的降雪期,道路積雪給交通運(yùn)輸及人民日常生活帶來(lái)許多不便。尤其凍結(jié)在道路上的積雪與薄冰,采用傳統(tǒng)除雪機(jī)用推刮的辦法無(wú)法清除,為此不得不耗費(fèi)大量人力物力進(jìn)行人工鏟除。采用機(jī)械方法清除是一項(xiàng)急需解決的難題。就目前國(guó)內(nèi)除雪機(jī)械來(lái)看,大多數(shù)功能單一,或只能清除積雪、或只能破除積冰[1]。國(guó)外的除雪機(jī)功能較全,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價(jià)昂貴,且大多不適合國(guó)內(nèi)的道路狀況。因此開(kāi)發(fā)研制適合我國(guó)道路情況的集破冰除雪于一機(jī)的設(shè)備,具有十分重大的意義。國(guó)外的除雪機(jī)功能較全,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價(jià)昂貴,且大多不適合國(guó)內(nèi)的道路狀況。因此開(kāi)發(fā)研制適合我國(guó)道路情況的集破冰除雪于一機(jī)的設(shè)備,同樣具有十分重大的意義。 1.1.4 有關(guān)清雪機(jī)國(guó)內(nèi)外研究概況 (1) 有關(guān)清雪機(jī)國(guó)內(nèi)外研究概況 目前，世界各個(gè)國(guó)家除冰雪的方法中，應(yīng)用最普遍的是溶解法和機(jī)械法。溶解法是依靠熱作用或撒部化學(xué)藥劑使冰雪融化。其優(yōu)點(diǎn)是除凈率高，但是它的成本很高。而且容易造成環(huán)境污染。雖然環(huán)保型融雪藥劑已經(jīng)問(wèn)世，對(duì)環(huán)境和植被的影響減少了，但是并未徹底根除。因此使用范圍受到一定限制。 機(jī)械法是通過(guò)機(jī)械作用直接作用解除冰雪危害。雖然除凈率較低，但是對(duì)環(huán)境和植被無(wú)任何影響。能實(shí)現(xiàn)冰雪的異地轉(zhuǎn)移。應(yīng)用范圍比較廣。因此，筆者認(rèn)為：清除冰雪必須以機(jī)械法為主，以溶解法為輔助，才能達(dá)到快速和環(huán)保的除雪效果。 我國(guó)對(duì)除雪機(jī)械的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)都比較晚，因此還處于起步階段。目前，我國(guó)的城市道路和公路冬季除雪大部分仍沿用傳統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)方式，即人工作業(yè)和小型的除雪機(jī)械相結(jié)合的方式。高速公路和一級(jí)公路開(kāi)始使用大型專用除雪機(jī)械，進(jìn)行冬季養(yǎng)護(hù)。但是，除雪機(jī)械在數(shù)量和品種規(guī)格上還很少，所以除雪設(shè)備大部分依賴進(jìn)口。機(jī)械化程度和總體水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。只是最近幾年國(guó)內(nèi)的廠家才參照國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)研制了適合我國(guó)國(guó)情的除雪機(jī)械。 綜觀國(guó)內(nèi)外的除雪機(jī)械，其類型總的來(lái)說(shuō)有三種類型： 1) 犁式除雪機(jī) 犁式除雪機(jī)的工作裝置一般安裝在主機(jī)的前端，是所有除雪機(jī)中應(yīng)用最為廣泛、起源最早的除雪設(shè)備。主要使用于未被壓實(shí)的新降集雪，其厚度為300mm以下。犁板有整體式和分段式，有V型犁和U型犁之分。其特點(diǎn)是：多數(shù)采用了雙搖桿機(jī)構(gòu)，避讓效果明顯，越障高度較大，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可以在硬質(zhì)雪區(qū)工作。有的還增加了滑靴和滾輪等裝置，用來(lái)減少或消除鏟刃對(duì)地面的作用力，保護(hù)了地面，減少了刀刃的磨損。 具體類型有： ① 單向犁-----除雪犁以固定角度裝在除雪車前部。 ② V型犁-----主要結(jié)構(gòu)和工作原理與單向犁相同，只是結(jié)構(gòu)呈左右對(duì)稱，形成V形。 ③ 變角度犁------指犁的排雪方向和行進(jìn)角度可以改變的除雪機(jī)械。 ④ 復(fù)合犁------又叫鉸接雪犁，采用兩翼結(jié)構(gòu)，中間垂直鉸鏈可以自由改變形狀，形成單向犁、V型犁、變角度犁等犁形。 比較典型的產(chǎn)品有：徐州裝載機(jī)長(zhǎng)的專利產(chǎn)品------調(diào)壓自動(dòng)越障式除雪裝置。鄭工、柳工和沈陽(yáng)山河等廠家生產(chǎn)的ZL50型除雪機(jī)。由于該類除雪機(jī)械擁有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、價(jià)格低廉等特性，因此受到廣大用戶的認(rèn)可，得以廣泛的使用。 2) 旋切式除雪機(jī)械 旋切式除雪機(jī)械工作方式為自行式和懸掛式兩種。主要有離心式物料風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、拋雪筒、護(hù)板和螺旋型集雪器等部分組成。結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜。工作時(shí)借助主機(jī)或者專用底盤的動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將集雪器聚攏的雪由風(fēng)道、拋雪筒拋出去。拋出距離和角度可以根據(jù)需要自己調(diào)整。在清除雪障時(shí)旋切式除雪機(jī)械有明顯的優(yōu)勢(shì)。但是無(wú)法清除壓實(shí)的積雪。 具體類型有： ① 螺旋式-----螺旋軸鼓上的葉片呈左右旋向，左右旋向的葉片在軸線中部結(jié)合形成U形拋雪槽，U形拋雪槽低部稍微向后傾斜，內(nèi)側(cè)光滑，工作時(shí)軸鼓上的葉片刀刃切削破碎積雪，并將積雪集中送到中部U形槽內(nèi)拋出。 ② 轉(zhuǎn)子式-----主要以清除新雪為主要作業(yè)對(duì)象。轉(zhuǎn)子葉片可以完成切雪、扒雪和拋雪。 ③ 單螺旋轉(zhuǎn)子式-------有轉(zhuǎn)子和一根螺旋組成。螺旋水平布置在轉(zhuǎn)子前，螺旋葉片作成左右旋向，當(dāng)螺旋周轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，把兩邊的積雪送到中間，再由轉(zhuǎn)子拋出。 ④ 雙螺旋轉(zhuǎn)子式-------雙螺旋轉(zhuǎn)子式的工作裝置的兩螺旋上、下平行地置于轉(zhuǎn)子前面。 ⑤立軸螺旋轉(zhuǎn)子式-------該工作裝置將螺旋豎放在轉(zhuǎn)子兩側(cè)，螺旋葉片為左右旋向，工作時(shí)雪的移動(dòng)方向?yàn)樯舷逻\(yùn)動(dòng)。 主要機(jī)型有：哈爾濱開(kāi)達(dá)公司生產(chǎn)的拋雪式除雪機(jī)和吉林大學(xué)研制的CX-30型除雪機(jī)。 3) 掃滾式除雪機(jī)械 掃滾式除雪機(jī)械工作方式為自行式和懸掛式兩種。在主機(jī)或者專用底盤的動(dòng)力作用下，驅(qū)動(dòng)掃雪滾和掃雪盤做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，掃雪滾和掃雪盤上的柔性強(qiáng)力掃雪刷，將路面積雪卷起使之脫離地面，在高壓空氣的作用下吹向路邊。該式除雪機(jī)械主要適合于較薄的或者是犁式除雪機(jī)械工作后的殘留積雪。即使路面凸凹不平也可以獲得無(wú)殘雪的除雪效果。主要生產(chǎn)廠家有：哈爾濱開(kāi)達(dá)公司和哈爾濱重型機(jī)械廠等。 國(guó)內(nèi)的除雪機(jī)械雖然有了很大的發(fā)展，但其總體水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，產(chǎn)品品種及性能都還有很大差距。適應(yīng)不了我國(guó)高速公路的發(fā)展的需求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： ① 技術(shù)水平低，除雪機(jī)械在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、零部件供應(yīng)和使用管理等方面都存在技術(shù)水平低的問(wèn)題。致使除雪機(jī)械可靠性差、故障多、壽命短。 ② 功能單一。除雪機(jī)械具有明顯的季節(jié)性，如果功能單一，只能用做除雪和除冰專用，那么，機(jī)械一年中大部分時(shí)間處于閑置狀態(tài)，大大增加了除雪的成本。加重了公路養(yǎng)護(hù)部門的負(fù)擔(dān)。 ③ 品種類型不全。與國(guó)外相比，現(xiàn)在有不少除冰雪機(jī)械在國(guó)內(nèi)還是一片空白?，F(xiàn)有的除冰雪機(jī)械無(wú)法滿足公路和大型機(jī)場(chǎng)的除冰雪的要求。 (2) 國(guó)內(nèi)外在這個(gè)方面的發(fā)展方向： 加強(qiáng)對(duì)雪質(zhì)、雪性的基礎(chǔ)研究。 為了提高除冰雪機(jī)械的設(shè)計(jì)水平，需要對(duì)冰雪的力學(xué)性質(zhì)和物理特性進(jìn)行深入研究。特別是對(duì)壓實(shí)冰雪的理論研究。據(jù)有關(guān)資料研究：東北地區(qū)壓實(shí)冰雪占總的除雪任務(wù)的80%以上。 ① 向一機(jī)多能和機(jī)電液一體化方向發(fā)展。 在現(xiàn)有的條件下，可以對(duì)汽車、拖拉機(jī)、裝載機(jī)和推土機(jī)等設(shè)備進(jìn)行改裝，冬季降雪時(shí)用來(lái)除冰雪作業(yè)，其余時(shí)間可用來(lái)進(jìn)行公路養(yǎng)護(hù)和其他作業(yè)?？梢蕴岣咴O(shè)備的利用率。采用機(jī)械、電子、液壓等技術(shù)提高除雪機(jī)械的科技含量，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。 ② 向大型、小型和高速方向發(fā)展。 我國(guó)的地理環(huán)境復(fù)雜，各個(gè)城市道路建設(shè)布局各異，冬季降雪情況不同，在除雪設(shè)備的選取上也不盡相同，因此要開(kāi)發(fā)出大型、小型的各種除冰雪機(jī)械，以滿足不同地區(qū)和工況的除冰雪要求。同時(shí)要開(kāi)發(fā)出效率高的機(jī)械，避免除雪作業(yè)造成路面交通擁擠。例如，東北有些城市規(guī)定：對(duì)于市區(qū)內(nèi)主干道，雪停止24H后需運(yùn)出城市外。 ③ 加強(qiáng)行業(yè)間的技術(shù)交流與合作。走共同研發(fā)之路。 各個(gè)廠家根據(jù)自己的實(shí)際情況開(kāi)發(fā)出的產(chǎn)品各有優(yōu)缺點(diǎn)，為了加快除冰雪機(jī)械的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，應(yīng)加強(qiáng)企業(yè)間的合作，集中財(cái)力、物力和人力走共同發(fā)展之路，實(shí)現(xiàn)除冰雪的機(jī)械化。 1.2 本設(shè)計(jì)預(yù)期達(dá)到的目標(biāo) 在ZL40型裝載機(jī)的前端安裝除雪裝置-----斜刃螺栓連接式壓磙除厚冰雪裝置。 采用斜刃式除雪裝置，使冰雪在破冰刀刃的作用下破碎。壓磙與ZL40型裝載機(jī)大臂相連。設(shè)計(jì)出包括鏟及其連接機(jī)構(gòu)。畫出全部圖紙：裝配圖、部件圖、零件圖、總明細(xì)表。 設(shè)計(jì)時(shí)要保證相應(yīng)構(gòu)件的可靠性，所以要進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)分析、設(shè)計(jì)計(jì)算 、方針模擬等。并要求用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)重要部件進(jìn)行詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。設(shè)計(jì)相關(guān)的軟件。 通過(guò)這次設(shè)計(jì)，要不僅溫習(xí)好大學(xué)四年所學(xué)的大不分的理論知識(shí)，還要培養(yǎng)工程實(shí)際應(yīng)用的能力，鍛煉實(shí)際的動(dòng)手和全局的駕御能力。對(duì)裝載機(jī)和除雪機(jī)械有更深的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)在此方面的設(shè)計(jì)能力。 1.3 本設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容、研究方法及技術(shù)路線 1.3.1 斜刃螺栓連接式厚冰雪磙壓除雪機(jī)的整體方案構(gòu)想 斜刃螺栓連接式厚冰雪磙壓除雪機(jī)是針對(duì)我國(guó)道路情況設(shè)計(jì)的破冰清雪除雪設(shè)備。該設(shè)備主要起破冰作用的碾壓輥構(gòu)成。 該設(shè)備的主機(jī)架可與ZL40裝載機(jī)直接聯(lián)接。該設(shè)備碾壓輥固定在聯(lián)架臂上,聯(lián)架臂通過(guò)大臂與主機(jī)架鏟接。碾壓輥上裝有刀板,刀板上的刀條直接作用在冰面上,利用自身的重力和空氣錘的振動(dòng)的沖擊力達(dá)到破冰目的。 1.3.2 結(jié)構(gòu)原理和計(jì)算要點(diǎn)： 斜刃螺栓連接式厚冰雪磙壓除雪機(jī)是利用前部安裝的碾壓輥上裝有的刀板對(duì)雪進(jìn)行切削，利用自身的重力和空氣錘的振動(dòng)的沖擊力達(dá)到破冰目的。 (1) 刀齒分布結(jié)構(gòu)： 采用斜刃螺栓連接式，材料用耐磨仿形材料。按與地面平行布置在壓磙上，前后兩排刀齒位置錯(cuò)開(kāi)。 (2) 除雪機(jī)功率的計(jì)算： 除雪機(jī)所消耗的功率包括兩大部分：行走裝置和工作裝置所消耗的功率。行走裝置所消耗的功率可以參照一般自行式車輛的計(jì)算辦法。下面對(duì)除雪工作裝置的所消耗的功率Na做一分析： Na=Ne+Nf+Nr+Nd 其中：Ne-----推雪板切削所需功率, KW Nf-----克服雪與板面的摩察力所需的功率, KW Nr----推雪板前雪堆移動(dòng)所需的功率，KW Nd----板刃與存雪地面間的摩察力所需的功率。KW (3) 擬采用的研究方法 采用新舊技術(shù)相結(jié)合的方法。因?yàn)橛嘘P(guān)裝載機(jī)和除雪機(jī)構(gòu)的研究在我國(guó)已經(jīng)有了一定的進(jìn)展------即使和發(fā)達(dá)國(guó)家相比還很落后-----在很多領(lǐng)域。但近幾年我們引進(jìn)了很多先進(jìn)的技術(shù)，特別是除雪機(jī)械方面的，加上我們的有關(guān)裝載機(jī)和其他工程機(jī)械的研究知識(shí)，將這兩方面的知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)新的突破，研制出適合我國(guó)國(guó)情的公路養(yǎng)護(hù)機(jī)械-----集工程作業(yè)和除雪能力于一體的多功能機(jī)械產(chǎn)品。 (4) 擬采用的技術(shù)路線 研究冰雪的物理和力學(xué)特性------查閱國(guó)內(nèi)外有關(guān)裝載機(jī)和除雪機(jī)械、機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)資料和最新進(jìn)展------消化、吸收個(gè)方面的技術(shù)資料，并加以整理和創(chuàng)新------技術(shù)設(shè)計(jì)和整機(jī)設(shè)計(jì)。 1.4 本課題實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)有條件 國(guó)內(nèi)外關(guān)于ZL40裝載機(jī)的數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)資料的搜集較為便利。在理論上和方法上具有很強(qiáng)的借鑒意義。指導(dǎo)老師鄧洪超老師在我國(guó)裝載機(jī)技術(shù)和除雪機(jī)械的研究方面走在前列。對(duì)我國(guó)這方面的情況很了解，是這方面的專家。有很深的理論和實(shí)踐知識(shí)，為本課題的研究奠定了很好的理論和實(shí)證基礎(chǔ)。本人對(duì)于裝載機(jī)和除雪機(jī)械也有一定的認(rèn)識(shí)，相信一定能在鄧?yán)蠋煹闹笇?dǎo)下順利完成課題的研究。并取得優(yōu)異的畢業(yè)設(shè)計(jì)成績(jī)！同時(shí)為我國(guó)在此領(lǐng)域的研究作出自己應(yīng)有的貢獻(xiàn)！ 1.5 研究的主要內(nèi)容和方法 本文針對(duì)路面上被壓實(shí)的冰雪研究路面冰雪清除機(jī)械。方法是進(jìn)行理論分析和計(jì)算，并重點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。具體研究?jī)?nèi)容如下。 1.5.1冰雪切削擠壓破碎技術(shù)、總體方案 主要闡述冰雪的物理機(jī)械性質(zhì)；根據(jù)所提出的對(duì)路面上壓實(shí)冰雪進(jìn)行擠壓、切削、破碎的技術(shù)思想，分析路面冰雪清除機(jī)基本原理并確定樣機(jī)基本方案；分析整機(jī)的牽引平衡和功率平衡，確定路面冰雪清除裝置的重量，進(jìn)行整機(jī)匹配計(jì)算及分析。 1.5.2 碾壓滾型式和結(jié)構(gòu) 主要闡述工作裝置碾壓滾結(jié)構(gòu)型式研究和碾壓滾參數(shù)。 1.5.3 滾齒排列方式及刀刃幾何參數(shù) 主要闡述齒刀在碾壓滾上的排列方式；齒刀的數(shù)量和間距；齒刀幾何參數(shù)確定。 1.5.4 各主要零件的校核驗(yàn)算 主要是對(duì)齒刀的強(qiáng)度、銷軸剪切強(qiáng)度、軸的強(qiáng)度以及軸承進(jìn)行校核計(jì)算。 第2章 路面冰雪清除機(jī)機(jī)理研究 2.1 冰雪的物理機(jī)械性質(zhì) 路面冰雪清除機(jī)械的行走機(jī)構(gòu)以及清除冰雪的工作裝置與路面上的冰雪相接觸。冰雪的形成特性及其物理機(jī)械性質(zhì)在相當(dāng)大的程度上決定著清除路面上冰雪的方法，要研究行走機(jī)構(gòu)和工作裝置與冰雪的相互作用關(guān)系，首先要分析冰雪的物理機(jī)械性質(zhì)。 冰雪的基本特征之一是它的密度，其變化范圍很大，如表2.1所示。硬度是雪的物理機(jī)械性質(zhì)的主要指標(biāo)之一，表示冰雪阻止其它物體壓入的特性，其數(shù)值是根據(jù)它的密度和狀態(tài)決定的，如表2.2所示。雪的硬度、密度和溫度之間存在著如圖2.1所示的關(guān)系，溫度愈低，硬度愈高；密度愈大，硬度愈高[4]。 后面對(duì)路面冰雪清除機(jī)的工作阻力以及牽引力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要知道雪的機(jī)械性質(zhì)，表示雪的機(jī)械性質(zhì)的指標(biāo)通常是內(nèi)外滑動(dòng)摩擦系數(shù)、切削阻力系數(shù)、附著系數(shù)和行駛阻力系數(shù)。 表2.1 雪的密度 雪 的 狀 態(tài) 密 度（g/cm3） 新下的雪 落下30天的雪 大于30天的雪 密實(shí)的雪 冰雪混合 冰 0.10～0.15 0.20～0.30 0.34～0.42 0.40～0.60 0.60～0.75 0.90 雪的摩擦性質(zhì)決定于它的內(nèi)外摩擦系數(shù)。根據(jù)雪的狀態(tài)，它的內(nèi)外摩擦系 數(shù)分別列于表2.3和表2.4。 表示雪的切削阻力的指標(biāo)，一般是用切削阻力系數(shù)k0，它是切斷橫斷面等于1㎡的冰雪層所必需的力，k0的大小載入表2.5中。 路面上積雪之后，大大地改變了路面的使用特性。對(duì)于冬季養(yǎng)護(hù)道路的機(jī)器進(jìn)行牽引計(jì)算時(shí)，必須知道機(jī)器沿著各種冰雪路面行走時(shí)的滾動(dòng)阻力系數(shù)和 附著系數(shù)。輪胎與冰雪路面間的附著系數(shù)載入表2.6。 行駛阻力系數(shù)，一般較外摩擦系數(shù)大，因?yàn)樗粌H產(chǎn)生摩擦，而且還擠壓 雪。輪式和履帶式車輛的行駛阻力系數(shù)按表2.7選取。 表2.2 雪的硬度 雪的狀態(tài) 雪的密度（g/cm3） 當(dāng)溫度由-1～-20OC時(shí)雪的硬度（kPa） 松 軟 的 弱密實(shí)的 密 實(shí) 的 很密實(shí)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 圖2.1 雪的硬度與密度和溫度的關(guān)系 2.2 路面冰雪清除機(jī)基本方案、原理 對(duì)于路面冰雪的清除，人們?cè)鴩L試了各種清除原理和方案，這些原理和方案有的已在實(shí)際中使用，有的則還在探索和完善中。例如，對(duì)于清除未被壓實(shí)的浮雪，犁式清雪機(jī)和轉(zhuǎn)子式清雪機(jī)已在應(yīng)用中，二者分別采用了推移和旋切的原理。對(duì)于被壓實(shí)的雪、冰或冰雪混合物，采用的清除原理有鏟剁、錘擊、等，但這些方法經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明要么原理不完善，要么清除壓實(shí)冰雪的效果不，有待于進(jìn)一步完善。 針對(duì)上述情況，本文嘗試提出了一種對(duì)路面上壓實(shí)的冰雪進(jìn)行擠壓、切削、破碎的技術(shù)原理。這一思想的來(lái)源可聯(lián)想到金屬切削加工，如銑床的銑刀切削 表2.3 內(nèi)摩擦系數(shù)μ2 雪的密度 （g/㎝3） 雪 的 溫 度（OC） 0附近 -1 ～-6 -10以下 0.12 0.20 0.30 0.40 0.47 0.56 0.24 0.30 0.35 0.40 0.42 0.45 0.29 0.33 0.39 0.44 0.47 0.50 0.34 0.36 0.46 0.50 0.53 0.57 表2.4 外摩擦系數(shù)（對(duì)鋼）μ1 雪的密度 （g/㎝3） 雪 的 溫 度（OC） -2～-4 -16 ～-30 -1～0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.45 0.50 0.10 0.085 0.07 0.055 0.048 0.025 0.14 0.097 0.08 0.065 0.048 0.033 0.18 0.11 0.09 0.075 0.056 0.040 加工金屬件。根據(jù)這一思想，確定基本方案 首先選擇一種汽車或自行式工程機(jī)械作為動(dòng)力機(jī)。 在我國(guó)，由于冬季降雪時(shí)間只占全年的三分之一，根據(jù)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，單獨(dú)設(shè)計(jì)清除冰雪動(dòng)力機(jī)一機(jī)一用，機(jī)械閑置時(shí)間太長(zhǎng)，造成浪費(fèi)。為此，本文以裝載機(jī)為動(dòng)力機(jī)來(lái)研究清除冰雪工作裝置。 根據(jù)對(duì)路面上壓實(shí)的冰雪進(jìn)行擠壓、切削、破碎的基本思想，清除冰雪工作裝置可以由托架、帶有刀刃的碾壓滾組成，能夠與鏟斗互換，冬季除冰雪時(shí)取下鏟斗換上該裝置，清除被壓實(shí)了的冰雪，其他季節(jié)裝上鏟斗，實(shí)現(xiàn)裝載機(jī)的多功能使用。作為動(dòng)力機(jī)的裝載機(jī)，我們可以選擇現(xiàn)有的國(guó)產(chǎn)機(jī)型如ZL30、ZL40、ZL50裝載機(jī)。 本文確定ZL40E裝載機(jī)作為動(dòng)力機(jī)進(jìn)行分析研究和計(jì)算。 根據(jù)對(duì)路面上壓實(shí)的冰雪進(jìn)行擠壓、切削、破碎的基本思想，清除冰雪工作裝置可以由托架、帶有刀刃的碾壓滾組成，能夠與鏟斗互換，冬季除冰雪時(shí)取下鏟斗換上該裝置，清除被壓實(shí)了的冰雪，其他季節(jié)裝上鏟斗，實(shí)現(xiàn)裝載機(jī) 表2.5 雪的切削阻力系數(shù)k0 雪的狀態(tài) 雪的密度ρC （g/㎝3） 雪 的 溫 度（OC） -1～-3 -4～-22 低于-22 天 然 狀 態(tài) 松軟的 弱密實(shí)的 小粒冰雪形成密實(shí)的 大粒冰雪形成密實(shí)的 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 人 工 狀 態(tài) 弱密實(shí)的 密實(shí)的 很密實(shí)的 0.30～0.40 0.45～0.52 0.55～0.65 5.0～12.0 10.0～25.0 20.0～35.0 8.0～25.0 15.0～40.0 30.0～80.0 5.0～35.0 30.0～80.0 70.0～130.0 表2.6 輪胎與冰雪路的附著系數(shù) 雪 的 狀 態(tài) 輪 胎 類 型 附著系數(shù)φC 密實(shí)凍結(jié)的雪 密實(shí)凍結(jié)的雪 密實(shí)解凍的雪 壓實(shí)的凍結(jié)雪 壓實(shí)的解凍雪 解凍的雪 低壓胎 高壓胎 低壓和高壓胎 高壓胎 高壓胎 低壓胎 0.20～0.35 0.20～0.25 0.10～0.20 0.209 0.176 0.06～0.08 表2.7 行駛阻力系數(shù) 雪 的 狀 態(tài) 雪的密度 g/㎝3） 阻 力 系 數(shù) f 輪 胎 履 帶 松軟的 松軟潮濕的 輕碾壓的 碾壓的 冰雪 0.15～0.25 0.15～0.25 0.25～0.35 0.4～0.6 0.7 0.2～0.25 0.3 0.15～0.2 0.08～0.1 0.06～0.08 0.2 0.2 0.1 0.05 0.07～0.1 的多功能使用。作為動(dòng)力機(jī)的裝載機(jī)，我們可以選擇現(xiàn)有的國(guó)產(chǎn)機(jī)型如ZL30、ZL40、ZL50裝載機(jī)。 本文確定ZL40E裝載機(jī)作為動(dòng)力機(jī)進(jìn)行分析研究和計(jì)算。其主要性能參數(shù)如下： 額定斗容量（m3） 2.1 額定裝載質(zhì)量（㎏） 4000 整機(jī)操作質(zhì)量（㎏） 12500 軸距（㎜） 3020 輪距（㎜） 1980 最大崛起力（kN） 136.0 最大牽引力（kN） 110.5 水平通過(guò)半徑（mm） 6322 轉(zhuǎn)向半徑（mm） 5686 發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào) X6110ZG3-22 標(biāo)定1h功率(kW) 113.9 額定轉(zhuǎn)速（r/min） 2200 行駛速度（km/h） Ⅰ:14.46 Ⅱ:46.35 最大爬坡能力（°） 30 車體最大轉(zhuǎn)向角（°） 左、右各38 本次設(shè)計(jì)基本方案如圖2.2所示，由托架、帶有刀刃的碾壓滾組成的冰雪清除工作裝置替換鏟斗，碾壓滾上的滾刀破冰，司機(jī)控制滑靴調(diào)節(jié)滾刀切入深度，以免損傷路面。 圖2.2 路面冰雪清除機(jī)方案 動(dòng)力機(jī)在行走的過(guò)程中帶動(dòng)碾壓滾滾動(dòng)。碾壓滾滾動(dòng)時(shí)，由于碾壓滾上帶有刀齒，碾壓滾靠自身的重量，附著在冰雪面上，刀齒切入經(jīng)碾壓后形成的很厚的冰或冰雪混合物后，對(duì)其產(chǎn)生擠壓切削破碎作用。 裝載機(jī)是一種用途十分廣泛的工程機(jī)械，它的優(yōu)點(diǎn)之一是可按實(shí)際需要更換工作裝置。將清除冰雪裝置換上后，即變成了路面冰雪清除冰機(jī)械。本次設(shè)計(jì)選用ZL40E裝載機(jī)作為動(dòng)力機(jī)，將路面清除冰雪裝置替換鏟斗后即為路面冰雪清除機(jī)。 路面冰雪清除機(jī)的關(guān)鍵部件是它的工作裝置。該裝置由兩部分組成，即：托架和帶有刀刃的碾壓滾。碾壓滾與托架連接，托架與裝載機(jī)動(dòng)臂和轉(zhuǎn)斗拉桿相連。利用裝載機(jī)的牽引力推動(dòng)碾壓滾滾動(dòng)。 碾壓滾形狀呈圓柱形，碾壓滾上用螺栓有一定數(shù)量的刀齒，刀齒與圓柱面形成一定的角度。裝載機(jī)啟動(dòng)前，碾壓滾靠自身的重量附著在冰雪面上，同時(shí)對(duì)冰雪面產(chǎn)生壓力，啟動(dòng)后由于裝載機(jī)的牽引力，推動(dòng)碾壓滾向前滾動(dòng)。由于壓力的作用，刀齒產(chǎn)生切削力切人冰雪層內(nèi)。由于滾動(dòng)是連續(xù)的，所以刀齒對(duì)冰雪層產(chǎn)生了連續(xù)的切削擠壓，使冰雪層破碎并與地面分離。具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)見(jiàn)第三章和第四章結(jié)構(gòu)分析部分。 當(dāng)?shù)孛姹雍苡埠芎駮r(shí)，單靠碾壓滾自身的重量對(duì)冰雪產(chǎn)生的壓力使刀齒產(chǎn)生的切入力不夠，清除冰雪效果可能不十分理想。這時(shí)可以考慮： (1) 在冰雪清除工作裝置滾筒內(nèi)部加配重，裝置對(duì)冰雪的壓力加大，刀齒的切入力也加大。 (2) 通過(guò)司機(jī)操縱轉(zhuǎn)斗油缸動(dòng)作減小或加大對(duì)冰雪的切削壓力。當(dāng)操縱轉(zhuǎn)斗油缸使裝載機(jī)前輪離地時(shí)，裝置產(chǎn)生最大的對(duì)冰雪壓力，此時(shí)除裝置本身重量外，動(dòng)力機(jī)機(jī)重的一半亦加在了冰雪清除裝置上，使刀齒產(chǎn)生更大的對(duì)冰雪的切削力。 2.3 整機(jī)分析及裝置重量的確定 2.3.1整機(jī)的組成 路面冰雪清除機(jī)的總體分析和設(shè)計(jì)就是根據(jù)其用途合理地選擇和確定各總成的結(jié)構(gòu)型式、性能參數(shù)及整機(jī)尺寸等，并進(jìn)行合理的布置。 本次設(shè)計(jì)由于是把ZL40E裝載機(jī)作為動(dòng)力機(jī)，所以需要考慮的是把清除冰雪裝置與動(dòng)力機(jī)有機(jī)的結(jié)合在一起。路面冰雪清除機(jī)主要由兩大部分組成（見(jiàn)圖2-2）：1、動(dòng)力機(jī)（裝載機(jī)）2、清除冰雪裝置（托架、帶有刀刃的碾壓滾）。 　機(jī)器的性能不僅取決于動(dòng)力機(jī)、清除冰雪裝置各自性能的好壞，而更重要的是取決于這兩大部分性能的相互協(xié)調(diào)。性能的協(xié)調(diào)如何，則取決于總體參數(shù)及整機(jī)匹配情況及其布置的合理性。 　　針對(duì)前述的基本方案并考慮動(dòng)力機(jī)的基本參數(shù)，確定本設(shè)計(jì)中路面冰雪清除機(jī)的主要性能指標(biāo)如下：　　 1） 最大清除冰雪厚度： 不小于100 mm ； 2） 單程清除冰雪寬度： 　　2268 mm ； 3） 作業(yè)速度： 16～47 km/h ； 4） 清除冰雪效率（按面積計(jì)算） 不小于95% ； 5） 冰雪清除裝置質(zhì)量（最大配重） 3600 kg ； 6） 整機(jī)質(zhì)量(最大) 12500 kg 。 2.3.2清除冰雪裝置重量 冰雪清除裝置替換掉ZL40E裝載機(jī)鏟斗。裝置與鏟斗的工作狀況不同，其計(jì)算工作阻力的方法也不相同。鏟斗在工作時(shí)，受到來(lái)自前方土壤的阻力，作用在斗刃、斗底、側(cè)板等部位，由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。本次設(shè)計(jì)的冰雪清除裝置隨裝載機(jī)主機(jī)一邊向前滾動(dòng)，一邊切削地面上的冰雪，其受到的阻力大小和重量的確定與鏟斗不同。 冰雪清除裝置重量的確定有三個(gè)基本要求： (1) 裝置的重量不得大于動(dòng)力機(jī)（原裝載機(jī)）的額定起重量Q（kN），否則機(jī)器將失去縱向穩(wěn)定性； 冰雪清除裝置的結(jié)構(gòu)尺寸不得與動(dòng)力機(jī)前車架、前橋、車輪干涉； (2) 由裝置所產(chǎn)生的刀刃上的切削力應(yīng)足夠大，且大于冰雪的切削比阻力。 根據(jù)上述三個(gè)條件進(jìn)行冰雪清除裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。裝置由刀刃﹑滾圈﹑輪榖﹑軸﹑端蓋﹑托架﹑配重組成。配重裝置在滾圈內(nèi)部。其具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)第三章3.1.1部分圖3.1。按圖可分別得到各零部件重量： ①滾圈： 10004N ②輪轂： 3646N ③軸： 1052N ④軸套： 720N ⑤托架梁: 8472N ⑥配重: 6385N ⑦其它零部件： 5721N 裝置不加配重重量：G0=29615N 裝置加配重重量： G1=36000N 由裝置結(jié)構(gòu)和在整機(jī)上的安裝可知結(jié)構(gòu)上不存在干涉現(xiàn)象。裝置加配重重量G=36000(N)，小于我們所選動(dòng)力機(jī)ZL30裝載機(jī)的額定起重量Q=40000(N)。由裝置重量所產(chǎn)生的切削力將在第四章中加以討論。 第3章 碾壓滾結(jié)構(gòu)及參數(shù) 3.1 碾壓滾結(jié)構(gòu)形式 碾壓滾是冰雪清除工作裝置的關(guān)鍵部件，合理的結(jié)構(gòu)形式對(duì)冰雪清除機(jī)的性能起著重要的作用。碾壓滾的結(jié)構(gòu)形式主要考慮圓柱形式，圓柱形式碾壓滾有其獨(dú)自特點(diǎn)。 路面冰雪清除機(jī)的功能是清除附著在地面上的堅(jiān)硬的冰雪混合物。從理論上講，我們可以把冰雪層看成一個(gè)平面，使冰雪混合物與地面分離，就好比用銑刀在加工一個(gè)平面。用來(lái)加工平面最常用的刀具就是圓柱銑刀。為此，可以考慮在一個(gè)圓筒形的滾筒上安裝上刀片或齒刀，構(gòu)成碾壓滾。而碾壓滾的旋轉(zhuǎn)軸可以通過(guò)軸承安裝在托架上，托架的后鉸支點(diǎn)分別安裝在裝載機(jī)的動(dòng)臂鉸點(diǎn)和拉桿鉸點(diǎn)上。在圓筒形的滾筒的內(nèi)部可以加適當(dāng)?shù)呐渲亍１┣宄ぷ餮b置的結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。 3.2 碾壓滾參數(shù) 碾壓滾是本次設(shè)計(jì)整個(gè)路面冰雪清除機(jī)的最關(guān)鍵部件。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)第二章2.3中述及的對(duì)冰雪清除裝置的三個(gè)基本要求確定了重量。裝置（包括托架）不加配重重量為G0=29615N ；在碾壓滾筒內(nèi)部加上配重后冰雪清除裝置重量為 G1=36000N 。由于在本次設(shè)計(jì)中齒刀與碾壓滾筒是通過(guò)螺栓來(lái)連接的，因此為了保證螺栓聯(lián)結(jié)的牢固以及其強(qiáng)度，碾壓滾采用雙滾筒焊接結(jié)構(gòu)，每個(gè)滾筒厚度為15mm，所以碾壓滾筒直徑900mm ，寬度2268mm ,材料采用Q235-A，厚度δ30mm 。托架材料亦采用Q235-A，厚度δ30mm 。整個(gè)冰雪清除裝置最大寬度2650mm 。 3.3 工作阻力的計(jì)算 整機(jī)工作時(shí)受到的水平切線方向工作阻力主要有兩部分組成：刀齒切入后，由于冰雪變形斷裂破碎對(duì)磙子產(chǎn)生的阻力；碾壓滾的滾動(dòng)阻力。由于刀齒和冰雪之間相互作用非常復(fù)雜，工作阻力的精確計(jì)算公式很難從理論上建立，另外，由于整機(jī)工作時(shí)外負(fù)荷是動(dòng)態(tài)變化的，準(zhǔn)確地計(jì)算工作阻力意義不大。故在此參照裝載機(jī)﹑推土機(jī)﹑鏟運(yùn)機(jī)等自行式鏟土運(yùn)輸機(jī)械工作阻力的計(jì)算方法，提出一個(gè)計(jì)算路面冰雪清除機(jī)工作阻力Px的經(jīng)驗(yàn)公式。 （3.1） 圖3.1 冰雪清除工作裝置結(jié)構(gòu) 式中 Px—— 水平工作阻力； P1—— 冰雪變形斷裂破碎對(duì)磙子產(chǎn)生的阻力； P2—— 碾壓滾的滾動(dòng)阻力。 　　　　　　 　　　　　　 則 （3.2） 式中 Kn——刀齒不均勻影響系數(shù)， Kn =1.0～1.5； K0 —— 冰雪切削阻力系數(shù), K0 =70～130kpa； B —— 碾壓滾寬度； H —— 冰雪厚度； f —— 阻力系數(shù)，從表2-7中選取。 W1 — 工作裝置重量(帶配重)，W1=36000N。 　　根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)公式，可以計(jì)算出路面冰雪清除機(jī)工作時(shí)所遇到的最大水平切線工作阻力。 P1 = 1.5×130000×2.268×0.1=44226N P2 =0.1×36000=3600 N Px =47826N =47.826 kN。 從ZL40E裝載機(jī)的主要性能參數(shù)可知，該阻力值不大于對(duì)應(yīng)額定滑轉(zhuǎn)率工況的一檔和二檔的牽引力。動(dòng)力機(jī)在額定滑轉(zhuǎn)率下具有足夠的牽引力克服水平工作阻力。 第4章 齒刀的研究 4.1 齒刀在碾壓滾上的排列﹑數(shù)量﹑間距 齒刀是清除冰雪裝置上的重要零件，齒刀設(shè)計(jì)的好與壞將直接影響到整機(jī)清除冰雪的效果。 在冬季，高速公路、普通公路、市區(qū)道路上積雪由于清掃不及時(shí)，而被碾壓成冰或冰雪混合物狀態(tài)。這層冰雪由于受到溫度的變化和外力擠壓密度很大。由于地面上有灰塵等其他雜質(zhì)的存在，這層冰雪與地面的粘連不是十分緊密的，因此只要冰雪層被破碎，形成面積較小的碎塊，就能自動(dòng)與地面剝離。我們?cè)诜治鳊X刀的數(shù)量及間距時(shí)主要是依據(jù)冰雪的這種特點(diǎn)。 刀齒的排列方式及數(shù)量將直接影響到工作裝置的清除冰雪效果。 齒刀過(guò)密、間距過(guò)小甚至沒(méi)有間距，雖然刀齒受力減小，但從壓實(shí)冰雪的特點(diǎn)來(lái)看，造成整機(jī)成本增加，是沒(méi)有必要的。另外，周向布置排數(shù)過(guò)多、過(guò)密造成前排刀齒還沒(méi)有切入冰層，后排刀齒已與冰雪面接觸，連續(xù)工作情況下，不是有效的除去冰雪，而是象一個(gè)機(jī)動(dòng)車的防滑裝置。 布置排數(shù)過(guò)少，齒刀過(guò)稀，間距過(guò)大，使刀齒切入冰雪層后，不能產(chǎn)生有效的擠壓，造成部分區(qū)域冰雪層不能被破碎，形不成小碎塊，冰雪層難與地面分離。清除冰雪效果不好，工作效率低。 齒刀碾壓滾組組件如圖4.1所示。 刀齒在滾子軸向共布置12排，滾子分兩節(jié)，每節(jié)6排。輪緣上每圈均勻布置13個(gè)刀片，相鄰圈上的刀片錯(cuò)開(kāi)1/2間距排列。刀片總數(shù)量156片。 整機(jī)啟動(dòng)后，當(dāng)?shù)谝慌琵X切入冰雪面后，造成冰雪層松動(dòng)，如果各排齒間距過(guò)大，在工作面上看到的只能是一排排印痕，起不到對(duì)冰雪的破碎作用。由于滾動(dòng)是連續(xù)的，當(dāng)后排齒連續(xù)切入冰雪面時(shí)，因?yàn)楦髋诺洱X錯(cuò)開(kāi)1/2齒距排列，單位面積上的冰雪層同時(shí)有若干個(gè)刀齒切入，單位面積切入力加大，造成有效工作面積內(nèi)冰雪層完全破碎而與地面分離。 4.2 齒刀幾何參數(shù) 齒刀與滾筒的連接可以采用兩種方式，即焊接和螺栓連接。焊接方式強(qiáng)度高，螺栓連接易于更換刀齒。本次設(shè)計(jì)采用螺栓聯(lián)結(jié)方式。其結(jié)構(gòu)與尺寸見(jiàn)圖4.2所示。 齒刀材料選取1 6Mn,因刀具角度是切削性能的重要參數(shù)，通過(guò)分析比較，確定了齒。刀的幾個(gè)關(guān)鍵角度。齒刀前角為20°，后角 72°，齒刀在滾筒上的安裝采用前傾式，安裝角160°。 圖4.1 壓滾組件 4.3 切削力計(jì)算 由表2-5知，密實(shí)冰雪（ρ≥0.55～0.65g/m3）在-20℃以下的切削阻力系數(shù)[p]=（70-130）kPa 。冰雪清除裝置上的齒刀對(duì)冰雪的切削力等于裝置的重量除以刀刃的接地面積。 冰雪清除裝置加配重對(duì)冰雪產(chǎn)生的壓力 p1=G1/A=36000/(2.268×0.01)=1587.3 kpa＞[p] （4.1） 由此可知，冰雪清除裝置對(duì)冰雪產(chǎn)生的切削力在兩種情況下均大于冰雪的切削比阻力。 圖4.2 刀齒結(jié)構(gòu)與參數(shù) 第5章 主要零件校核計(jì)算 5.1 軸承的校核計(jì)算 5.1.1 當(dāng)量動(dòng)載荷的校核 在本次設(shè)計(jì)中，軸與支架之間的聯(lián)結(jié)選用深溝球軸承6220，其主要參數(shù)為軸承參數(shù)： 軸承內(nèi)徑： 100（mm） 軸承外徑： 180（mm） 軸承寬度： 34（mm） 額定動(dòng)載荷：94000(N) 額定靜載荷：79000(N) 潤(rùn)滑方式： 脂潤(rùn)滑 極限轉(zhuǎn)速： 4300(r/min) 滾動(dòng)軸承的基本額定動(dòng)載荷，是在一定載荷條件下確定的。根據(jù)滾動(dòng)軸承的實(shí)際受載情況，在許多場(chǎng)合，常常同時(shí)承受徑向和軸向載荷的復(fù)合作用，為了計(jì)算軸承壽命時(shí)能與基本額定動(dòng)載荷在相同的條件下比較，需將實(shí)際工作載荷轉(zhuǎn)化為一個(gè)假想載荷。在此載荷作用下，軸承的壽命與實(shí)際載荷作用下的壽命相等，稱該假想載荷為當(dāng)量動(dòng)載荷，以P表示。當(dāng)量動(dòng)載荷的一般計(jì)算公式為： P = fp ( XR + YA ) （5.1） 式中 X—徑向載荷系數(shù)； Y—軸向載荷系數(shù)； R—軸承所承受的徑向載荷； A—軸承所承受的軸向載荷。 fp—載荷系數(shù)，考慮機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況對(duì)軸承載荷的影響，查表5.1。 在本設(shè)計(jì)過(guò)程中，所選軸承僅受徑向力，而軸向受力為0，由機(jī)械設(shè)計(jì)冊(cè)查得軸承的徑向載荷系數(shù)X=1.0,軸向載荷系數(shù)Y=0。由于該冰雪破除機(jī)是由裝載機(jī)推動(dòng)的，所以其載荷性質(zhì)應(yīng)該屬于中等沖擊或中等慣性力，其載荷系數(shù)fp取1.8。 根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)公式以及所分析得到的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算該軸承在工作時(shí)所遇到的當(dāng)量動(dòng)載荷。 表5.1 載荷系數(shù)f 載荷性質(zhì) f 舉例 無(wú)沖擊或輕微沖擊 1.0～1.2 電機(jī)、汽輪機(jī)、通風(fēng)機(jī)、水泵等 中等沖擊或中等慣性力 1.2～1.8 車輛、動(dòng)力機(jī)械、起重機(jī)、造紙機(jī)、冶金機(jī)械、選礦機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、機(jī)床等 強(qiáng)大沖擊 1.8～3.0 破碎機(jī)、軋鋼機(jī)、鉆探機(jī)、振動(dòng)篩等 P = 1.8×18000=32400 N 由上面計(jì)算結(jié)果可知道，該軸承在工作時(shí)的當(dāng)量動(dòng)載荷比其額定動(dòng)載荷要小得多, 所以是合格的。 5.1.2 滾動(dòng)軸承壽命的計(jì)算 滾動(dòng)軸承的基本額定壽命大小與載荷大小有關(guān)，對(duì)同一軸承而言，載荷越大，引起的接觸應(yīng)力也越大，因而在發(fā)生點(diǎn)蝕破壞前所經(jīng)歷的應(yīng)力變化總轉(zhuǎn)數(shù)也就越少，即軸承的額定壽命越低，兩者之間的關(guān)系可用疲勞曲線表示。軸承的載荷-壽命曲線方程為： PεL10 = Cε × 1 = 常數(shù) （5.2） 則基本額定壽命以106轉(zhuǎn)為單位時(shí)，壽命計(jì)算公式為： L10 = （）ε106 r （5.3） 實(shí)際使用中，實(shí)際使用中，用工作小時(shí)數(shù)表示軸承壽命較為方便，所以 L10 = 106×（）ε/60n h （5.4） 式中 P—當(dāng)量動(dòng)載荷（N）; ε—壽命指數(shù)，球軸承 ε=3，滾子軸承ε=10/3； n—軸承轉(zhuǎn)速（r/min）; C—基本額定動(dòng)載荷（N）,可由軸承樣本或有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查到。 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，滾動(dòng)軸承的基本額定動(dòng)載荷C是指能時(shí)軸承的基本額定壽命達(dá)到106轉(zhuǎn)時(shí)所能承受的假想載荷。對(duì)向心軸承是指一個(gè)大小和方向恒定的純徑向載荷，以Cr表示；對(duì)推力軸承是指一個(gè)恒定的中心軸向載荷，以Ca表示。基本額定動(dòng)載荷越大，軸承承載能力越強(qiáng)，它是衡量軸承承載能力的只要指標(biāo)。 由以上經(jīng)驗(yàn)公式以及分析數(shù)據(jù)可以計(jì)算本冰雪清除機(jī)中軸承的壽命為： L10 = 106×（）3/（60×39）= 10436 h 5.2 齒刀強(qiáng)度的校核分析 在本設(shè)計(jì)中，采用了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件對(duì)齒刀的強(qiáng)度進(jìn)行了分析，由軟件分析結(jié)果可以知道，該冰雪清除機(jī)的齒刀強(qiáng)度完全可以滿足要求。其分析結(jié)果以及源程序如下： Analysis1.CATAnalysis MESH: Entity Size Nodes 1695 Elements 6132 ELEMENT TYPE: Connectivity Statistics TE4 6132 ( 100.00% ) ELEMENT QUALITY: Criterion Good Poor Bad Worst Avera Skewness 5860 ( 95.56% ) 268 ( 4.37% ) 4 ( 0.07% ) 0.936 0.449 Jacobian 6132(100.00% ) 0( 0.00% ) 0( 0.00% ) 1.000 1.000 Stretch 6132 ( 100.00% ) 0 ( 0.00% ) 0 ( 0.00% ) 0.346 0.622 Min. Length 6132 ( 100.00% ) 0 ( 0.00% ) 0 ( 0.00% ) 1.362 7.457 Max. Length 6132 ( 100.00% ) 0 ( 0.00% ) 0 ( 0.00% ) 22.224 14.041 Shape Factor 6132 ( 100.00% ) 0 ( 0.00% ) 0 ( 0.00% ) 0.395 0.677 Length Ratio 6132 ( 100.00% ) 0 ( 0.00% ) 0 ( 0.00% ) 4.058 1.965 Properties.1 Material Young Modulus Poisson Ratio Steel.1.1 : Structural ( ASTM-A36 ) 2e+011N_m2 0.266 Static Case Boundary Conditions STRUCTURE Computation Number of nodes : 1695 ? Number of elements : 6132 ? Number of D.O.F. : 5085 ? Number of Contact Elements : 0 ? Number of Kinematic relations : 0 ? RESTRAINT Computation Name: RestraintSet.1 Number of S.P.C : 696 LOAD Computation Name: LoadSet.1 Applied load resultant Fx = -1 . 054e+000 ?N Fy = -1 . 905e+001 ?N Fz = -3 . 452e-016 ?N Mx = 1 . 852e+000 ?Nxm My = -1 . 048e-001 ?Nxm Mz = 2 . 138e+000 ?Nxm STIFFNESS Computation Number of lines : 5085 ? ? Number of coefficients : 91467 ? ? Number of blocks : 1 ? ? Maximum number of coefficients per bloc : 91467 ? ? Total matrix size : 1 . 07 ?Mb SINGULARITY Computation Restraint: RestraintSet.1 Number of local singularities : 0 ? Number of singularities in translation : 0 ? Number of singularities in rotation : 0 ? Generated constraint type : MPC ? CONSTRAINT Computation Restraint: RestraintSet.1 Number of constraints : 696 ? Number of factorized constraints : 696 ? Number of deferred constraints : 0 ? NUMBERING Computation Restraint: RestraintSet.1 Numbering Method : SLOAN ? Number of connected nodes : 1695 ? Nodal maximum front width : 87 ? Nodal maximum band width : 540 ? FACTORIZED Computation Method : ?SPARSE ? Number of factorized degrees : 4389 ? ? Number of supernodes : 829 ? ? Number of overhead indices : 33252 ? ? Number of coefficients : 360015 ? ? Maximum front width : 294 ? ? Maximum front size : 43365 ? ? Size of the factorized matrix (Mb) : 2 . 7467 ? Number of blocks : 1 ? ? Number of Mflops for factorization : 5 . 016e+001 ? Number of Mflops for solve : 1 . 444e+000 ? Minimum relative pivot : 6 . 668e-002 ? DIRECT METHOD Computation Name: StaticSet.1 Restraint: RestraintSet.1 Load: LoadSet.1 Strain Energy : 3.923e-007 J Equilibrium Components Applied Forces Reactions Residual Relative Magnitude Error Fx (N) -1.0543e+000 1.0543e+000 5.3202e-013 2.8601e-013 Fy (N) -1.9048e+001 1.9048e+001 -7.4962e-013 4.0299e-013 Fz (N) -3.4523e-016 1.4289e-013 1.4255e-013 7.6634e-014 Mx (Nxm) 1.8515e+000 -1.8515e+000 1.3722e-013 1.4405e-013 My (Nxm) -1.0483e-001 1.0483e-001 6.8348e-014 7.1751e-014 Mz (Nxm) 2.1385e+000 -2.1385e+000 -2.2604e-013 2.3729e-013 Deformed Mesh Von Mises Stress (nodal value) 5.3 銷軸的校核計(jì)算 當(dāng)路面冰雪清除機(jī)的工作裝置接觸冰雪路面的時(shí)候，清除機(jī)工作在牽引工況；而當(dāng)工作裝置抬起的時(shí)候，則工作在行駛工況。在冰雪清除機(jī)分別處于這兩種不同的工況的時(shí)候，其受力都是不一樣的。 當(dāng)路面冰雪清除機(jī)處于牽引工況的時(shí)候，裝置受力情況如圖5.1示 圖中，A點(diǎn)為支撐臂與冰雪清除裝置聯(lián)結(jié)處，B點(diǎn)為大臂與冰雪清除裝置聯(lián)結(jié)處。C點(diǎn)為冰雪清除裝置的軸心位置，而N為動(dòng)力裝載機(jī)給冰雪清除裝置施加 圖5.1 裝置受力圖 的推力大小為47826N。 通過(guò)圖5.1對(duì)路面冰雪清除機(jī)處于牽引工況的時(shí)候大臂及支撐臂的受力情況進(jìn)行分析，由圖中我們可以看到，用于推動(dòng)路面冰雪清除機(jī)的進(jìn)行工作的絕大部分推力均是又大臂來(lái)提供的。因此，在冰雪清除機(jī)處于牽引工況的時(shí)候，主要校核用于大臂與冰雪清除裝置聯(lián)結(jié)的銷軸即可。由受力分析圖可以看到，大部分的推力都是由大臂銷軸來(lái)承受的。因此，在校核計(jì)算過(guò)程中，可以假定大臂銷軸所承受的力為動(dòng)力裝載機(jī)施與冰雪清除裝置的力。 大臂銷軸結(jié)構(gòu)如圖5.2所示： 圖5.2 大臂銷軸結(jié)構(gòu) 通過(guò)圖5.2分析可以得出在相同受力情況下，銷軸的應(yīng)力危險(xiǎn)截面應(yīng)處于鉆有注油孔的一側(cè)。由于動(dòng)力裝載機(jī)的大臂與冰雪清除裝置間是通過(guò)兩個(gè)相同的銷軸來(lái)進(jìn)行聯(lián)結(jié)的，所以應(yīng)平均分配，即每個(gè)銷軸的受力應(yīng)為N。 銷軸受力情況如圖5.3： 圖5.3 銷軸受力情況 由圖5.3分析可知作用于銷軸兩側(cè)面上外力的合力大小相等、方向相反、且作用線相距很近。銷軸在位于兩力間的截面（剪切面）發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，即發(fā)生剪切變形。假定剪力Q所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力在剪切面上均勻分布，則剪切面上的剪應(yīng)力為： τ= Q / A （5.5） 式中A為剪切面面積。 由以上經(jīng)驗(yàn)公式以及經(jīng)分析所得到的數(shù)據(jù)及可計(jì)算路面冰雪清除機(jī)在處于牽引工況時(shí)，大臂銷軸危險(xiǎn)截面的所受的剪切力τ。 A= π×( 302-2.52 ) × 10-6 = 2.8×10-3 m2 Q= N = × 47826 = 11956.5 ?N τ= Q / A = 11956.5 / 2.8×10-3 = 4.27 MPa 由于銷軸選用的材料為45 鋼，所以由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得材料45鋼的許用剪切應(yīng)力為[τ]=40 MPa，由上面計(jì)算結(jié)果可知τ<[τ]。所以在冰雪清除機(jī)處于牽引工況時(shí)，銷軸的強(qiáng)度是足夠的。 當(dāng)冰雪清除機(jī)處于行駛工況時(shí)，裝置的受力情況如圖5.4所示： 圖5.4 裝置受力情況 圖中，A點(diǎn)為支撐臂與冰雪清除裝置聯(lián)結(jié)處，B點(diǎn)為大臂與冰雪清除裝置聯(lián)結(jié)處。C點(diǎn)為冰雪清除裝置的軸心位置，而N為冰雪清除裝置自重，由前面的計(jì)算可以得出N的大小為36000N。 由圖5.4