新型破冰除雪機設(shè)計與試驗①

劉喜平， 劉春香， 閆曉麗， 王 杰

(1.黑龍江工程學(xué)院黑龍江哈爾濱150050;2.長春設(shè)備工藝研究所，吉林長春 130000;2.大慶外事服務(wù)職業(yè)高中，黑龍江大慶 163000)

0 引言

我國大部分地區(qū)地處北溫帶，冬季氣候寒冷，尤其是我國東北、華北和內(nèi)蒙東北部的大部分地區(qū)降雪期長達3 ～5 個月，且雪量大[1，2].隨著我國公路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，特別是北方交通運輸?shù)陌l(fā)展，冰雪路面對行車的安全及迅捷性有很大的危害.每年道路冰雪人們的出行帶來諸多不便，給多個國家?guī)碇卮髶p失[3].2005年11月，德國西北部因冰雪災(zāi)害導(dǎo)致2000多起交通事故，直接經(jīng)濟損失達1108歐元.據(jù)不完全統(tǒng)計，2010年～2011年僅湖南、貴州、四川三省因冰雪災(zāi)害而引發(fā)的惡性交通高達8起[4].除雪作業(yè)機械化對提高車輛的運輸效率和避免交通事故的發(fā)生，減少經(jīng)濟損失具有重大意義[5].

根據(jù)除雪機械工作原理的不同可以把除雪機分為推移式、螺旋拋投式、滾壓式、鏟剁式、錘擊式5 種[6，7].國外除雪機的研發(fā)較早，發(fā)展迅速，技術(shù)成熟，但價格較為昂貴，[8～10]而我國除雪機的開發(fā)與生產(chǎn)較晚，技術(shù)還不夠完善，尤其是破冰除雪機械的發(fā)展緩慢，目前我國除雪機存在作業(yè)速度低，避讓功能不理想，除凈率低，功能單一的問題[11～14].針對這些問題本文文研制了一種集破冰、清雪功能、避讓性能優(yōu)越、除凈率高的破冰除雪機.

1 除雪機的設(shè)計及工作原理

1.1 破冰裝置的設(shè)計

道路上的冰層非常堅硬，不易縱向變形，但其破斷強度較低，其在不同溫度下的物理特性(強度)如下:

溫度t的范圍為－5℃ ～－40℃，在一般條件下冰的安全系數(shù)K=3.0.

(1)抗拉強度σH:

(2)抗壓強度σT:

(3)抗剪強度σS:

(4)抗折強度σR:

經(jīng)過上述分析可知冰的抗壓強度和抗拉強度較小，北方瀝青路面的抗壓強度為 σ瀝=260Mpa[1].而冰或壓實雪與路面的附著力隨著溫度的降低也越來越小，可以忽略不計.因此破冰可從抗壓強度和抗拉強度這兩個方向入手設(shè)計破冰裝置，設(shè)計的破冰機構(gòu)如圖1所示，楔形刀片與刀鏈上的鏈節(jié)裝配如圖2所示.

圖1 破冰機構(gòu)

破冰機構(gòu)由支架、軸承座、從動鏈輪、刀鏈、楔形刀片、驅(qū)動鏈輪等組成，驅(qū)動鏈輪6和從動鏈輪3通過軸承座2安裝在支架1上，刀鏈4為特制的具有安裝刀座的鏈條，楔形刀片5通過螺栓將其安裝在刀鏈4上.驅(qū)動鏈輪6的旋轉(zhuǎn)帶動刀鏈4做周向轉(zhuǎn)動.當(dāng)?shù)镀c冰層或壓實雪接觸時，由于冰的抗壓強度較小，刀片很容易進入到冰層或壓實雪中，隨著切入深度的增加，刀片的楔形截面對冰層或壓實雪產(chǎn)生擠壓作用，同時旋轉(zhuǎn)的刀鏈對冰層或壓實雪產(chǎn)生推拉的作用，由于冰和壓實雪的抗拉強度較小，很容易使冰層或壓實雪產(chǎn)生橫向位移和變形，進而發(fā)生脆性斷裂和剝離，從而實現(xiàn)破冰清雪的目的.

圖2 楔形刀片與鏈節(jié)裝配圖

1.2 破冰除雪機的設(shè)計

在多數(shù)情況下由于不能及時清除道路積雪，道路積雪被踩踏擠壓或經(jīng)過反復(fù)融化和凍結(jié)形成了冰層、冰雪混合物或者壓實雪.這種冰雪混合物很堅硬，與松散積雪相比更難清除.本文應(yīng)用破冰機構(gòu)設(shè)計了一種新型的破冰除雪機，破冰除雪機的結(jié)構(gòu)如圖3所示.

破冰除雪機由集雪裝置、懸掛架、十字聯(lián)軸器、液壓馬達、鏈傳動機構(gòu)、柔性避障裝置、破冰機構(gòu)等構(gòu)成，集雪裝置1固裝在懸掛架2上，破冰機構(gòu)7通過4個柔性避障裝置6連接到懸掛架2上，柔性避障裝置6主要工作部件為彈簧，液壓馬達4通過螺栓固接在懸掛架2上，液壓馬達4的動力通過鏈傳動機構(gòu)5將動力傳輸?shù)狡湎路降钠票鶛C構(gòu)的驅(qū)動輪上，各個破冰機構(gòu)的驅(qū)動輪通過十字聯(lián)軸器3連接來傳遞動力.工作時將破冰除雪機懸掛在XG920T型輪式裝載機前，并將液壓馬達的油管連接到裝載機的液壓系統(tǒng)中，除雪機正常運轉(zhuǎn)工作時，破冰裝置清楚路面的冰層、冰雪混合物或者壓實雪，破冰機構(gòu)與集雪裝置協(xié)同工作，利用集雪裝置將碎冰雪清理成堆.當(dāng)?shù)缆飞嫌姓系K時，柔性避障裝置6便起作用，彈簧被壓縮從而避過障礙物，避免破冰機構(gòu)的損壞，當(dāng)破冰機構(gòu)越過障礙物時，彈簧恢復(fù)原形，破冰機構(gòu)繼續(xù)進行除雪破冰作業(yè).

圖3 破冰除雪機

破冰除雪機設(shè)計有破冰機構(gòu)、冰雪收集、柔性避障及減震等裝置.實現(xiàn)壓實雪、薄冰凍層快速破碎并收集的工作，并充分的考慮了道路中可能出現(xiàn)的各種情況，這樣大大減少了機械對路面的破壞及設(shè)備的保護.同時破冰除雪機還能夠清楚新鮮積雪，實現(xiàn)一機多用，達到高效、徹底、經(jīng)濟、適用的工作要求.

2 除雪功率計算

除雪機功率的確定對牽引車輛的選擇提供了可靠的依據(jù)，既能避免動力的不足又能避免動力的浪費，因此除雪機功率的確定具有重要意義[1].

2.1 除雪機主要技術(shù)參數(shù)

(1)除松散雪速度:25～30km/h;寬度:2 m;

(2)除硬(壓實)雪速度:8～10km/h;寬度:2 m;

(3)單程除冰速度:4～6km/h;單程除冰寬度:2 m;

(4)除雪厚度:10～100 mm;

(6)除雪效率:90%以上;

(7)避障高度:40mm;

(8)外形尺寸(l×b×h)(m):2.15×2.33×0.6

2.2 除雪機功率計算

(1)破冰機構(gòu)功率計算破冰機構(gòu)的阻力Fp為

式中:h為除雪厚度，0.03m;s為除雪斷面積，m2;ρ為積雪密度，600kg/m3;v為除雪機行走速度，2.8m/s;θ為行進角，30°;θc為道路坡度，0°;Wp為除雪機質(zhì)量，700kg;μf為刃口與路面摩擦系數(shù)，0.1;η為動力傳送效率，0.9;τ為抗斷應(yīng)力，pa;H為壓實雪的抗壓強度，pa.

抗斷應(yīng)力公式為

破冰功率計算公式為

(2)集雪裝置功率計算

式中:NJ為推雪板作業(yè)所需功率;Nr為集雪板前雪堆移運所需功率;Nf為克服雪與板面摩擦阻力所需功率;Nd板刃與存雪地面的摩擦阻力所需功率.

由于雪與鋼的摩擦系數(shù)很小，所以在計算時和可以忽略不計，則集雪裝置所需功率可簡化為

集雪板前雪堆移運功率公式為

式中:V為集雪板前雪堆的體積，0.42m3;r為雪的密度，100kg/m3;θx雪的內(nèi)摩擦角，51°

(3)除雪總功率

除雪總功率為破冰機構(gòu)功率與集雪裝置功率之和，

可見除雪時只需要牽引車輛提供20.1KW的功率即可，XG920T型輪式裝載機的額定功率為64KW，選用XG920T型輪式裝載機的底盤可行.

3 試驗研究

除雪機的一項重要指標(biāo)是除凈率，除雪機的除凈率以殘雪量表示，一般以除凈面積與應(yīng)清除面積之比表示.影響除凈率的因素包括道路的路面狀況以及機器本身的結(jié)構(gòu)[15].路面的不平自然會影響機器的除凈率，設(shè)計的機器要能夠適應(yīng)不同的外部條件.為了檢測除雪機的可行性及除凈率，對除雪機進行了試驗研究.試驗路面分別為哈市公濱路段及幸福鄉(xiāng)公路，哈市公濱路段的積雪厚度為10mm，積雪平均密度為600kg/m3，試驗里程為0.1km，路況較好，路面有小面積結(jié)冰和硬質(zhì)積雪;幸福鄉(xiāng)公路的積雪厚度為30mm，積雪平均密度為550kg/m3，試驗里程為0.1km，路況復(fù)雜，路面有井蓋、道釘、坑槽等，大面積結(jié)冰和硬質(zhì)積雪.試驗結(jié)果列于表1中.

從試驗結(jié)果中可看出，除雪機能夠可靠運行，除凈率能夠達到設(shè)計要求.試驗中發(fā)現(xiàn)除凈率隨車速的增加而降低，隨避障高度的增加也呈現(xiàn)下降趨勢，這主要由于行駛速度越快，避障時破冰機構(gòu)的反應(yīng)越大，在空中停留時間越長，從而影響除雪效率;障礙物附近的區(qū)域除雪機無法清除，障礙物高度越高影響區(qū)域越大，所以隨避障高度的增加除凈率呈現(xiàn)下降趨勢.

表1 試驗結(jié)果

4 結(jié)論

(1)根據(jù)冰的力學(xué)特性設(shè)計的破冰除雪機能夠可靠運行，在8 km/h除凈率高達90%，且除雪機的避障性能良好.

(2)破冰除雪機的除凈率隨車速及避障高度的增加均呈現(xiàn)下降趨勢.

(3)除雪機除雪時只需要牽引車輛提供20.1KW的功率即可.

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