路面冰雪除雪机设计(5)

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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、

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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。

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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

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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)。

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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

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