平地機(jī)側(cè)鏟推雪板的設(shè)計及計算

戚洪強(qiáng) 王 躍 齊冬青 魏 靜

(徐州徐工道路機(jī)械事業(yè)部，江蘇221004)

在我國北方地區(qū)，每年都會有3～5個月降雪期，大量的道路都存在著積雪，實現(xiàn)機(jī)械化除雪是未來的發(fā)展方向。而專業(yè)除雪機(jī)械由于價格貴，閑置期長，造成一定資源浪費。由于平地機(jī)除雪具有適應(yīng)性較強(qiáng)、作業(yè)速度快、費用低等優(yōu)點，并能夠勝任各類高速公路、機(jī)場、社區(qū)的除雪任務(wù)，是鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路、機(jī)場、城市道路、高速公路等養(yǎng)護(hù)部門必備的冬季除雪機(jī)械。側(cè)鏟是平地機(jī)除雪的重要輔具，一般安裝在平地機(jī)左側(cè)或右側(cè)，增加單次除雪寬度，從而大大提高平地機(jī)除雪效率，被國內(nèi)外除雪廠家所青睞。推雪板是側(cè)鏟的作業(yè)裝置，推雪板各參數(shù)嚴(yán)重影響側(cè)鏟排雪的性能和平地機(jī)的除雪效率。以我公司最新開發(fā)的GR260平地機(jī)側(cè)鏟為例，分析計算推雪板受力。

1 建立平地機(jī)受力模型

GR2605發(fā)動機(jī)功率為205 kW，側(cè)鏟受力圖如圖1所示，側(cè)鏟推雪板在除雪作業(yè)時，所受到力為行駛方向推雪板阻力Fp、鏟刀推雪阻力Fc與車輛行走阻力Fm三部分。

2 推雪板類型選擇與設(shè)計

2.1 弧線推雪板類型選擇

常用的推雪板形狀主要有圓弧型、拋物線型、Ⅰ類漸開線型、Ⅱ類漸開線型，如圖2所示。其中圓弧形狀與拋物線形狀較為相似，兩者排雪性能也近似相同。

1—GR260 2—拉桿 3—推雪板 4—前進(jìn)角 5—推雪板阻力Fp 6—鏟刀 7—鏟刀推雪阻力Fc 8—車輛行走阻力Fm

圖2 常用的推雪板形狀

在側(cè)鏟與鏟刀正常除雪作業(yè)時，當(dāng)被切下的積雪呈現(xiàn)層狀沿曲面滾卷向前的現(xiàn)象，其切削積雪的性質(zhì)與推土工況近似。哥波斯與德雷斯利用以上推土板三種曲面形狀，對中粘度土壤(被切下土壤呈現(xiàn)層狀并且沿曲面滾卷向前)做了對比實驗[3]。在其它因素與條件相同的情況下，對比推雪板類型對切削阻力的影響，實驗數(shù)據(jù)見表1。

通過以上數(shù)據(jù)分析，考慮到清除積雪實際工況，推雪鏟選用II類漸開線型鏟板最為合適。

表1 推土板形狀對切削阻力的影響

圖3 積雪運動示意圖

2.2 II類漸開線型推雪板設(shè)計

為方便推雪板開發(fā)，假設(shè)積雪不可壓縮，平地機(jī)車速度為30 kmh，積雪在碰到刀片時，沿著刀片的切削方向有一個運動分量，積雪在此方向具有分動能，使積雪在推雪板向上滾動，而推雪板與前進(jìn)方向有一個前進(jìn)角，隨著推雪板向前運動，前期積雪成為向推雪板外側(cè)移動的一個分量，所以積雪又斜向上運動，等到積雪的分動能消耗完，在重力作用下，會向下運動，伴隨推雪板向前運動，積雪斜向下運動，如圖3所示。曲線1是比較理想狀態(tài)，積雪隨之平甩到推雪板外側(cè)，從而達(dá)到除雪目的，但是如果平地機(jī)車速度只有10 kmh，積雪動能不足，向推雪板外側(cè)速度分量小，導(dǎo)致積雪出現(xiàn)如曲線2所示的狀態(tài)，即過程1→過程2→過程3→過程4，曲線2的積雪過程2到底部B后，隨積雪再次被刀片切削，再向斜上方運動，再完成斜向上、接著斜向下運動，直至排出推雪板。所以綜合考慮影響排雪的主要因素有車速、前進(jìn)角、推雪板的兩側(cè)基圓大小、推雪板高度、推雪長度、切削角等。基于以上分析，為方便功率計算，內(nèi)側(cè)基圓半徑為600 mm，外側(cè)基圓半徑為900 mm，推土板長度為3364 mm，兩端漸開線上端點處的法線方向與豎直方向夾角選為18°向內(nèi)，即切削角度為18°，內(nèi)側(cè)高度為875 mm，外側(cè)高度為1120 mm。

3 計算分析

3.1 推雪板的功率計算

(1)推雪板所受阻力

Fp=F1+Fr+Fa

(1)

式中，F(xiàn)1為除雪刀片與路面之間滑動摩擦力；Fr為積雪離開推雪板后切削阻力；Fa為積雪沿推雪鏟弧面拋出后對推雪板的作用力。

(2)推雪板轉(zhuǎn)移的行駛阻力

Fm=Fg+Fs+Fb

(2)

式中，F(xiàn)g為平地機(jī)滾動阻力；Fs為平地機(jī)上坡阻力；Fb為平地機(jī)加速阻力。

式(2)計算了前進(jìn)方向的阻力，沒有加上平地機(jī)轉(zhuǎn)彎時的附加阻力，由于附加阻力影響較小，且不容易計算，忽略不計。

(3)平地機(jī)除雪總阻力

除雪總阻力F為推雪板阻力與行車阻力之和，F(xiàn)可分解為前進(jìn)方向分力：

Fax=Fpx+Fm

(3)

推雪板阻力Fpx為：

Fpx=9.8μWp(4)

式中，F(xiàn)ax為平地機(jī)除雪總阻力在前進(jìn)方向的分力；Fpx為推雪板阻力；μ為輪胎與路面附著系數(shù)；Wp為推雪板質(zhì)量；S為除雪斷面積；ρ為積雪密度；θ為側(cè)鏟前進(jìn)角。

側(cè)向分力：Fay=Fpy

垂直分力：Faz=Fpz

推雪板側(cè)向分力Fpy為：

Fpy=0.72Sρv2sinθcosθ

(5)

為使側(cè)鏟正常除雪，其最大牽引力必須大于或等于外部阻力之和，即FKmax≥F

(4)平地機(jī)除雪功率

除雪功率為：

P=Faxvη

(6)

Fax=9.8μWp+Sρv2(1+0.18sinθ-0.45cos2θ)

(7)

式中，v為平地機(jī)前進(jìn)速度；η為總的傳動效率。

(5)鏟刀功率

由于鏟刀自重，為保證此部分功率不與行走功率重合，需要根據(jù)經(jīng)驗，按照鏟刀推動前方積雪重量計算：

鏟刀除雪功率為：

Pc=Vρgμv

(8)

V=4πR3Lk3

(9)

式中，Pc為鏟刀除雪功率；V為鏟刀前方積雪重量；R為鏟刀弧度半徑；L為鏟刀長度；k為體積修數(shù)。

(6)行走功率

假設(shè)平地機(jī)勻速行駛，并且沒有作業(yè)，行駛功率為：

Pm=mgμv

(10)

式中，Pm為行駛功率；m為整車重量；μ為輪胎與路面附著系數(shù)。

Fpy=0.72Sρv2sinθcosθ=2058 N

(11)

行走阻力為：

Fm=Fg+Fs+Fb=9.8(μaAv2+μrW1cosθe+W1sinθe)+a(W+ΔW)=9560 N

推雪板除雪阻力為：Fay=Fpy=2058 N

附著力為：Fμ=μ(9.8W-Fpz)=3670 N

Fax=Fpx+Fm=21.616 kN

顯然Fμ>Fax

推雪板除雪功率：P=Faxvη=65 kW

鏟刀除雪功率：Pc=Vρgμv=15 kW

行駛功率：Pm=mgμv=90 kW

最大阻力總功率：P總=P+Pc+Pm=150 kW

根據(jù)以上計算可知，最大阻力總功率為150 kW，小于GR260最大功率205 kW，推雪板的設(shè)計功率能夠滿足正常作業(yè)。

3.2 推雪板參數(shù)驗證

式中，v0積雪在離開推雪板速度；v為平地機(jī)前進(jìn)速度；R1為內(nèi)側(cè)基圓半徑；R2外側(cè)基圓半徑。

4 總結(jié)

此次開發(fā)設(shè)計選擇II類漸開線型鏟板，并建立平地機(jī)推雪板的受力模型。其主要阻力包括三部分，即推雪板阻力Fp、鏟刀推雪阻力Fc與車輛行走阻力Fm，通過計算得出最大阻力為21.616 kN，推雪板所需推雪功率65 kW，行走功率為90 kW，鏟刀功率為15 kW，最大阻力功率為150 kW，小于整車最大功率205 kW，最后按照最小平地機(jī)常用除雪速度v=20 kmh，計算出積雪拋出推雪板的速度為1.8 ms，經(jīng)驗證側(cè)鏟推雪板的參數(shù)完全滿足要求。