冰雪路面快速清理電動車設計分析

趙馨雅，王 禹，劉 磊，馮怡然，陶學恒

1. 大連工業(yè)大學 機械工程與自動化學院，遼寧 大連 116034 2. 大連大兵救援裝備有限公司，遼寧 大連 116034 3. 沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110168

0 引 言

中國北方地區(qū)每年都有大量的降雪，隨著降雪量的增大與其所受壓力不同，會形成由雪、冰、霜組成的冰雪路面，冰雪路面得不到及時處理會給車輛和行人帶來不便，甚至嚴重影響交通安全[1-3]。傳統(tǒng)的除冰雪方式是使用人工除雪、除冰，不但耗費大量的人力物力，而且效率極低[4-6]。

有些地區(qū)使用融雪劑進行除雪，融化的積雪帶著融雪劑滲入路面或路邊泥土中，對路面與生態(tài)環(huán)境造成破壞，而當溫度降低時融化的雪水會再次凍結(jié)成冰[7-9]，并未從根本上解決問題。相較于傳統(tǒng)的除雪除冰方式，現(xiàn)今的除雪車和破冰機械因效率高、工作面積大而被廣泛使用，如施密特的除雪車[10]。大多數(shù)除雪設備的功能較為單一，只能執(zhí)行鏟雪、破冰、收集中的1個或者2個動作，無法對冰雪路面進行一系列連續(xù)的清理[11-14]，也無法清理對車輛行駛安全影響最大的霜凍層。

為了解決現(xiàn)今除雪車功能單一的問題，本文提供一種新的設計方案，將鏟雪、破冰、收集、汽化除霜的動作集合一體，通過對除雪鏟、破冰裝置和汽化除霜裝置進行單獨設計與計算，在保證路面不受損的前提下，使該除雪車在除雪、除冰、除霜過程中最大程度地提高清潔度，并減小行進阻力，保障工作效率。

1 總體技術方案及工作原理

冰雪路面快速清理電動車集除雪、破冰、收集、汽化除霜于一體，適用于公路路面除冰雪、城市道路除冰雪等工作。它依靠車的推力進行推雪，傳感裝置安裝在車底盤前部，通過地面形狀探測視覺圖像傳感器、激光測距傳感器，實時監(jiān)測路面冰雪范圍情況[15]，及時發(fā)現(xiàn)路況變化并對破冰裝置高度進行調(diào)整，圓盤毛刷高速旋轉(zhuǎn)，帶起冰屑由收集器收集，最后通過汽化除霜裝置使霜凍層汽化。該車由充電電源提供動力，改變了傳統(tǒng)動力提供的方式，減少對環(huán)境的污染。總體設計如圖1所示。

圖1 除雪車總體設計

冰雪路面快速清理電動車主要由除雪鏟、破冰裝置、清掃裝置、收集裝置、汽化除霜裝置組成。除雪鏟由鏟刃和角度調(diào)節(jié)器組成，由角度調(diào)節(jié)器對除雪鏟的除雪角度進行調(diào)整，可將積雪推向路邊[16-17]；破冰裝置由傳動裝置和端面銑刀組成，傳動裝置受減速器、傳感裝置和轉(zhuǎn)速結(jié)調(diào)節(jié)器的控制，帶動端面銑刀進行破冰；汽化除霜裝置通過吹出高溫高壓熱風對霜凍層進行汽化，避免因突然降溫而使融化冰雪再次結(jié)冰的不安全現(xiàn)象。冰雪路面快速清理電動車的結(jié)構組成如圖2所示。

圖2 冰雪路面快速清理電動車的結(jié)構組成

2 除雪鏟的外形設計及排雪速度計算

2.1 除雪鏟的外形設計

2.1.1 除雪鏟的曲面設計

為更好地完成清雪工作，減小除雪鏟行進時的積雪阻力，對除雪鏟的排雪曲面進行設計。

犁板式除雪鏟通過除雪車的推進和曲面的旋移將路面雪層清理向路邊，因此曲面的形狀對除雪的阻力有影響。根據(jù)國外專家對3種曲面板推移沙土的試驗，在保證其他因素相同的情況下，對曲面板受到的阻力進行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 鏟板類型對切削阻力的影響

由表1可知，漸開線形的曲面切削阻力最小，因此選用漸開線等螺距螺旋面[18]，該曲面不但可以減小行進阻力，還可以增大拋雪距離。

漸開線上的每一個點都繞著等距螺旋線的z軸作一樣的螺旋運動，從而形成漸開線等螺距螺旋面。 使鏟起的雪繞著z軸作相同角速度的圓周運動[19]，與此同時沿z軸作相同速度的勻速直線運動，使積雪流暢地排向道路兩邊，減少融化雪水回流路面的情況，如圖3所示。

圖3 等螺距螺旋漸開線的形成過程

通過查找機械設計手冊可知，漸開線等螺距螺旋面數(shù)學模型為：

式中： φ為常數(shù)，表示曲面上不同的螺旋線，它們具有相同的導程 h，不同的螺旋角；為常數(shù)，漸開線的不同位置； r0為漸開線半徑；h為導程。

2.1.2 除雪鏟的鏟刃設計

傳統(tǒng)的除雪鏟鏟刃為一層，在除雪過程中會殘留部分積雪。因此，本文將除雪鏟的鏟刃設計為2層，分為上層鏟刃和下層鏟刃，上層鏟刃長于下層鏟刃，在上層鏟刃上開45°貫穿孔，用以排除下層鏟刃鏟除的積雪，保證下層鏟刃連續(xù)工作，不會因卡雪而降低工作效率，如圖4所示。

圖4 除雪鏟鏟刃

2.2 除雪鏟排雪速度計算

除雪作業(yè)的速度范圍在10～40 km·h1，研究結(jié)果表明，速度為10～20 km·h1和20～40 km·h1兩個區(qū)域，其對雪的阻力的影響系數(shù)不同。為了盡可能減小雪阻力，選取除雪作業(yè)速度在10～20 km·h1，根據(jù)經(jīng)驗及相關試驗結(jié)果，取除雪鏟的行進角度θ=γ=60°，切削角=ε=60°，雪粒開始進入鏟刃板的初始角度λ=60°；雪與鋼鐵之間的摩擦系數(shù)f=0.080。

雪粒軌道切線與刃角夾角度的關系為

tan λ0=tan λ cos ε

(4)

可得 λ0= 40.890°

式中：λ0為雪粒相對軌跡切線與鏟刃的夾角。切線與平面夾角的關系為

cos δ =cos γ cos λ0+sin γ sin λ0cos ε

(5)

式中：δ為切線與平面夾角， δ=48.590° 。壓縮極限程度值

ψ0=cos δ-f×sin δ=0.601

(6)壓縮程度值

(7)摩擦角與摩擦系數(shù)的關系為

f=tan φ

(8)

式中：φ為摩擦角?？捎嬎愕忙?4.57°?；谏鲜鲇嬎悖叛┧俣?/p>

V=ψ×V=3.970 m·s1P

(9)

式中：VP為除雪鏟排雪速度，V為除雪作業(yè)速度。

由上述設計計算知，排雪速度在10～20 km·h1，說明設計的除雪鏟拋雪效果極佳，因其曲面等螺距螺旋漸開線設計和雙層鏟刃設計不但能大幅減小車體前進阻力，而且能提高積雪清潔程度。

3 破冰裝置設計

對破冰裝置進行設計時，不但要考慮對地面的壓力，還需考慮刀具的更換情況。破冰裝置由電缸、法蘭、花鍵、保護彈簧、端面銑刀組成，傳感器將探測的路面狀況傳遞到電磁行程開關控制電缸的行程，由法蘭連接電缸與花鍵軸帶動端面銑刀對地面的冰層進行清洗。電缸的上下運動帶動端面銑刀上下運動，以保證端面銑刀與地面的距離。保護彈簧在一定程度上保護端面銑刀，減少磨損以及更換刀具的次數(shù)，降低成本，如圖5所示。

端面銑刀底盤為圓形，圓盤上每隔60°安裝有銑刀，銑刀交錯安裝保證除冰的效果，刀盤的外側(cè)包有彈性材料，在銑刀運動時保護刀盤以減少磨損，整個銑刀與地面具有一定傾斜角，可減少由于地形變化對銑刀造成的損傷。端面銑刀的轉(zhuǎn)速由傳感裝置和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器控制，銑刀可以進行單個更換，為企業(yè)降低成本。如圖6所示。

圖5 破冰裝置剖面

圖6 端面銑刀設計

為了保證除冰效果，整個端面銑刀采用不對稱逆銑的方式對冰面進行銑削。與此同時，對于單排2個的端面銑刀排列方式，其直徑大小對清除效果同樣有影響，不但影響2個端面銑刀的重疊部分除冰效果，同時影響除冰的厚度，如圖7所示。

對端面銑刀的直徑進行計算[20]，即

圖7 銑削示意

(10)

式中：ξ為切入角，取80°；β為切離角，取57°；ac為切削冰面寬度，取65 mm。

4 汽化除霜裝置設計

汽化除霜裝置通過電加熱的模式對雙排彈簧狀螺旋電熱阻絲進行加熱，裝置所吹出的風經(jīng)彈簧狀螺旋電熱阻絲加熱吹向霜凍層，達到汽化除霜的作用。所吹出的熱風需要具備一定的風量才能使霜凍層汽化，因此對所用的風量進行計算。

設：地面霜凍層的溫度為-10 ℃，使其汽化的溫度在110 ℃；汽化除霜裝置的長為2 m，寬為0.5 m；霜凍層的厚度為0.012 m。

霜凍層的體積

v=0.012 m3

(11)冰的質(zhì)量

m=v×ρ=10.800 kg

(12)

式中：ρ為水的密度。

Q=Q1+Q2+Q3+Q4=3.189×107J

(13)

式中：Q1為-10 ℃冰升溫至0 ℃冰吸收的熱量；Q2為0°冰轉(zhuǎn)變?yōu)? ℃水吸收的熱量；Q3為0 ℃水升溫至100 ℃水吸收的熱量；Q4為100 ℃水轉(zhuǎn)變?yōu)?00 ℃水蒸氣吸收的熱量。

風扇總排出熱量Q’=CP×W×ΔT

(14)

式中：CP為比熱；W為質(zhì)量；ΔT為容器潤徐升溫80 ℃。排出熱量與排出風量的關系為

Q’=0.24×(P/60)×1 200×ΔT

(15)

計算可得

新時期，企業(yè)發(fā)展過程中需要面對更加激烈的市場競爭環(huán)境，在這種情況下，采取有效措施不斷提升企業(yè)的綜合競爭力以及員工工作績效具有重要意義，在這一過程中要求企業(yè)對充分挖掘心理資本的潛在激勵效應重要性產(chǎn)生深刻認知[6]。在實際進行工作分析的過程中，應對不同職位員工的心理資本需求進行深入分析，并集中思考員工的心理資本需求；在實際展開人才選拔以及招聘工作的過程中，應對心理資本進行集中測試與考察，為突出企業(yè)在市場經(jīng)濟中的競爭優(yōu)勢提供保障；同時還應高度重視日常培訓工作，綜合應用多種培訓模式，為企業(yè)員工在長期工作中形成積極的心理狀態(tài)提供保障。

P=697 901.661 CFM

(16)

式中：P為排出的風量。

本文設計采用傳統(tǒng)吹風機的原理，通過上述計算可知，裝置所吹出風量通過彈簧狀螺旋電熱阻絲加熱所帶出的熱量能夠使-10 ℃的薄冰層融化并汽化，因此對北方冬季的霜凍層溫度，該除霜裝置能夠使其汽化，從而達到除霜作用。

5 除雪車行駛可行性分析

為了保障設計的除雪車能夠進行正常工作，對除雪作業(yè)中的除雪阻力及除雪功率進行計算，以確保除雪車功率滿足設定工況除雪作業(yè)功率要求。

5.1 計算條件

根據(jù)北方地區(qū)冬季破冰除雪要求，依托除雪區(qū)域的基本參數(shù)并參照國內(nèi)外現(xiàn)有除雪參數(shù)，確定刃口與路面摩擦系數(shù)μh=0.100 00，除雪鏟質(zhì)量ω=900 kg，除雪寬度3.60 m，除雪深度0.30 m，除雪面積S=1.08 m2，積雪密度ρ=400 kg·m3，行進角為θ=60°，切削角為=60°，行進速度V==4.170 m·s1，雪的抗剪強度τ=0.024 H+9.2×104，除雪車功率為135 kW，車輛投影面積A=21 m2，刃口形狀系數(shù)K=3，空氣阻力系數(shù)μk=0.002 75 ，滾動阻力系數(shù)μf=0.046 00，傳動效率η=0.85。

5.2 除雪阻力

除雪阻力為除雪作業(yè)時受到的雪阻力與除雪車行駛阻力之和。

5.2.1 除雪鏟雪阻力計算

在除雪過程中，除雪鏟通過除雪車的推進力使其將積雪從地面剝離，再通過漸開線等螺距螺旋面的鏟板將雪推向路邊。在這一過程中雪鏟的質(zhì)量、刃口形狀系數(shù)、鏟刃與路面的夾角、除雪寬度、除雪行進速度、積雪密度、除雪厚度等一些因素對雪的阻力有著一定的影響，建立雪阻力各向分力計算分析數(shù)學模型，并通過計算條件得到結(jié)果。

除雪鏟所受雪阻力

(17)

式中：Fpx為x軸上所受雪阻力；ω為除雪鏟質(zhì)量； S為除雪面積； V為行進速度；ρ為積雪密度；θ為行進角；為切削角；τ為雪的抗剪強度。

(18)

式中：Fpy為y軸上所受雪阻力。

(19)

式中：Fpz為z軸上所受雪阻力； K為刃口形狀系數(shù)。

5.2.2 行駛阻力計算

轉(zhuǎn)移的行駛阻力

Fm=μk×A×V2+μf×(M×g-Fpz)=3 276.88 N

(20)

式中：μk為空氣阻力系數(shù)；μf為滾動阻力系數(shù)。

5.2.3 除雪阻力計算

除雪阻力是雪阻力在x軸上的分力和行駛阻力之和。根據(jù)上述結(jié)果可得到

FSx=19 548.34 N

(21)

式中：FSX為除雪阻力。

5.3 除雪功率計算

(22)

式中：P為除雪功率； η為傳動效率。

根據(jù)上面的計算可知，除雪車的功率135 kW大于除雪功率95.90 kW，所以該除雪車可以正常作業(yè)。

6 結(jié)語

(1)通過對不同鏟板曲面的分析和加工工藝的考慮，漸開線等螺距螺旋面鏟板在運動過程中所受阻力最小為25.4 kN。鏟板曲面的設計和雙層鏟刃的設計使得整個除雪鏟在作業(yè)中能夠快速清除路面積雪，在給定的除雪作業(yè)速度下其排雪速度達到3.97 m·s1。

(2)相對于傳統(tǒng)的破冰方式，該設計采用了圓盤式的全面銑刀并每隔60°設以銑刀，能夠有效減少刀具的磨損。與此同時，為了保證端面銑刀能夠全面覆蓋冰層達到銑削效果，通過對銑削過程的分析，計算出端面銑刀的直徑為890 mm。

(3)相較于傳統(tǒng)的除雪車，本文設計的除雪車所帶有的吹出風量為697 901.661 CFM的汽化除霜裝置，能夠有效去除-10 ℃路面的霜凍層，減小路面因濕滑而引起的交通事故。

多功能電動除雪車不但解決了現(xiàn)今除雪車功能單一的問題，同時盡可能地減小了除雪車作業(yè)過程中的行進阻力，提高了破冰效率，增加了破冰刀具的使用壽命，減小了對路面的破壞，解決了霜凍層的問題。多功能電動除雪車的下一步研究方向是盡可能縮小車的體積，并解決多種路況的冰雪清除問題。