小型除冰機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高 圣 董淑婧

(大連科技學(xué)院，遼寧 大連 116052)

1 小型除冰機(jī)的意義

在冬季時(shí)天氣一般普遍寒冷，在寒冷的天氣下工人對除冰機(jī)械的直接操作不僅浪費(fèi)體力，還會(huì)因?yàn)樘鞖膺^于寒冷造成凍傷的狀況。對于我國在城市中的除冰清雪作業(yè)還是采用清潔工人或大型的除冰清雪機(jī)械的作業(yè)來解決的。由于我國街道的復(fù)雜性存在有道路過窄的情況，從而間接限制了那些大型機(jī)械的操作空間，只能通過工人來解決過窄道路的除冰困境。本文設(shè)計(jì)的小型除冰機(jī)的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)功能多樣化、極高的效率、避障能力強(qiáng)，可以應(yīng)用在各種場所，在各種路況上都能達(dá)到它的效果，從而有效地解決了我國當(dāng)前在除冰雪方面的困境。通過小型除冰機(jī)的加入減輕工人的勞動(dòng)，可以做到不管是狹窄的街道還是公路都能進(jìn)行除冰作業(yè)。而且小型除冰機(jī)的制造成本相比較小很多、使用的限制范圍也縮小了很多，可以對其進(jìn)行大面積地推廣使用。

2 小型除冰機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

工作原理：利用手扶架推動(dòng)車身行走和控制方向，通過發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，由帶輪及皮帶通過帶傳動(dòng)帶動(dòng)動(dòng)力軸轉(zhuǎn)動(dòng)，然后通過帶輪的帶傳動(dòng)連接的攪龍軸帶動(dòng)攪龍轉(zhuǎn)動(dòng)，然后利用攪龍的兩個(gè)相向旋轉(zhuǎn)的葉片將冰雪碎塊集中到一起，通過揚(yáng)雪裝置的向后推力，將冰雪碎塊通過管道輸送到儲(chǔ)藏箱中，由于儲(chǔ)藏箱的輸送管道末端存在斜度，迫使集冰雪碎塊通過刮板運(yùn)輸器下落到道路右邊，從而達(dá)到除冰的目的。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.2 工作過程

啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后齒輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)各個(gè)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由帶傳動(dòng)系統(tǒng)來帶動(dòng)連接的攪龍進(jìn)行旋轉(zhuǎn)工作，發(fā)動(dòng)機(jī)通過帶傳動(dòng)連接到減速器后減速器上的帶輪經(jīng)帶傳動(dòng)帶動(dòng)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)和底部清掃裝置的工作，工人輔助除冰機(jī)開始工作，首先打開自護(hù)撒鹽槽并用除雪鏟對積雪進(jìn)行清除，通過攪龍的帶動(dòng)收集到儲(chǔ)藏箱中，與此同時(shí)對冰面進(jìn)行了一次撒鹽，此時(shí)再由碾壓滾對冰面進(jìn)行破碎，同積雪一樣被收集到儲(chǔ)藏箱中，最后對路面進(jìn)行清掃。

1-碾壓滾輪；2-攪龍；3-除雪鏟；4-自主撒鹽槽；5-刮板式升運(yùn)器；6-帶輪；7-千斤頂；8-萬向輪；9-動(dòng)力裝置；10-減速器；11-清掃器；12-車輪；13-車架圖1 小型除冰機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

3 工作部件參數(shù)的計(jì)算與校核

3.1 車輪軸的設(shè)計(jì)與校核

傳動(dòng)軸對整個(gè)小型除冰機(jī)機(jī)構(gòu)的各個(gè)部件間的傳輸動(dòng)力起著十分重要的作用，各個(gè)部件所需的動(dòng)力都需要發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的直接供給通過齒輪轉(zhuǎn)化的方式將輸出動(dòng)力傳向傳動(dòng)軸，從而帶動(dòng)小型除冰機(jī)結(jié)構(gòu)上的部件依次開始工作。傳動(dòng)軸如圖2所示：

圖2 傳動(dòng)軸

軸的設(shè)計(jì)過程如下：

軸的工作情況：無腐蝕條件下工作

軸的轉(zhuǎn)速：n0=1500r/min

軸的輸入功率：p0=10kW

所設(shè)計(jì)的軸是實(shí)心軸，材料牌號(hào)：42CrMo正火。

硬度(HB)：230MPa，抗拉強(qiáng)度：600MPa。

3.1.1車輪軸的設(shè)計(jì)計(jì)算

依據(jù)扭矩的數(shù)值初步計(jì)算輸入軸的直徑，選用42CrM0合金鋼調(diào)質(zhì)，硬度217-255HBS。

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，并查得，取c=118。

3.1.2 確定各軸段的直徑和長度(根據(jù)設(shè)計(jì)要求)

軸的總長為798mm，軸的段數(shù)為6，各段的直徑及長度見表1；軸段的載荷信息見表2。

表1 各軸段長度及直徑

表2 各軸段的載荷信息

軸所受支撐的信息如表3所示。

表3 軸的支撐信息

3.1.3 軸的校核

1)垂直支反力計(jì)算

距左端距離15mm，垂直支反力FA，距左端距離418.5mm，垂直支反力FB

FQ=FA+FB

解得：FB=183.38NFA=71.3N

2)繪制垂直彎矩圖3(面C左側(cè)彎矩)

圖3 力矩圖

MCV=FA×209=1.49×104(N·mm)

截面C右側(cè)彎矩：

3)繪制當(dāng)量彎矩圖

C處有可能是危險(xiǎn)截面，取α≈0.6

4)校核危險(xiǎn)截面處的強(qiáng)度

故軸的強(qiáng)度足夠。

3.2 碾壓滾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

碾壓滾是本設(shè)計(jì)小型除冰機(jī)除冰雪清除工作裝置的最主要部件，要想發(fā)揮小型除冰機(jī)的性能需要除冰裝置擁有合理的結(jié)構(gòu)形式。對于碾壓滾的結(jié)構(gòu)形式主要是以圓柱形為首選，圓柱形的碾壓滾有減緩摩擦阻力的作用，減少消耗的功率。

小型除冰機(jī)的功能是除去附著在地面上的冰層和壓實(shí)雪層的一種小型裝置。單從理論上來說，我們是可以把冰層或者壓實(shí)雪層看成一個(gè)平面的，要達(dá)到冰層或壓實(shí)雪層與地面之間分離開，可以比喻成是在用車床對一個(gè)加工平面進(jìn)行粗加工。數(shù)控車床的圓柱銑刀最為常用了，它常常被來加工切削平面。因此，我們可以將刀片或者齒刀設(shè)計(jì)安裝在圓筒形的滾筒上，形成碾壓滾。小型除冰機(jī)的碾壓滾結(jié)構(gòu)圖4所示：

圖4 碾壓滾結(jié)構(gòu)圖

3.2.1 碾壓滾參數(shù)

碾壓滾是設(shè)計(jì)小型除冰機(jī)中最為重要的部件。在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上通過對小型除冰機(jī)中除雪裝置的3個(gè)要求確定了重量。不加配重時(shí)的除雪裝置重量為G0=29615；配重后的除冰裝置加上碾壓滾筒內(nèi)部的重量為G1=36000N。碾壓滾筒的半徑r=95mm，寬度：795mm，碾壓滾選擇的材料：Q235-A。托架材料也用Q235-A，厚度為δ=20mm。整個(gè)除冰裝置的最大寬度為795mm。

3.2.2 對工作阻力進(jìn)行計(jì)算

對除冰機(jī)的所有工作流程進(jìn)一步剖析，小型除冰機(jī)的整個(gè)結(jié)構(gòu)在水平切線方向所受到的工作阻力主要包含兩部分：當(dāng)?shù)洱X碾壓到冰雪層里，因?yàn)楸?huì)發(fā)生變形斷裂以及破碎，不僅會(huì)對磙子產(chǎn)生阻力，而且會(huì)對碾壓滾產(chǎn)生相對滾動(dòng)阻力。由于冰雪層與刀齒之間存在著十分復(fù)雜的相互作用，對工作阻力精確計(jì)算的公式在理論上很難成立，除此之外，小型除冰機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，因?yàn)閯?dòng)態(tài)變化的外負(fù)荷，想要進(jìn)行計(jì)算其工作阻力的意義不是很大。所以，需要通過這種自行式鏟土運(yùn)輸機(jī)械，如：裝載機(jī)械﹑推土機(jī)械﹑鏟運(yùn)機(jī)械等對工作阻力進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算小型除冰機(jī)對路面清除工作時(shí)的工作阻力Px的經(jīng)驗(yàn)公式：

Px=P1+P2

根據(jù)以上公式，帶入數(shù)值后可以計(jì)算出小型除冰機(jī)在除冰工作時(shí)所遇到的最大水平切線的工作阻力為26496kW。從發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)可推斷出該阻力值小于等于所對應(yīng)的額定滑轉(zhuǎn)率工作情況時(shí)的牽引力數(shù)值。

3.3 減速器的選擇

從發(fā)動(dòng)機(jī)傳出的轉(zhuǎn)速很快導(dǎo)致小型除冰機(jī)的前進(jìn)速度很難接近工人們能接受的速度，所以需要選擇一種減速器來達(dá)到工人可以很靈活地對除冰機(jī)的操作，減小其轉(zhuǎn)速是唯一的解決方案。考慮到除冰機(jī)的容積量大小，則需要一種較小型的減速器。綜合機(jī)械市場出售的各種減速器來看，最終選取了AQH25型減速器來降低轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)工人對除冰機(jī)的操作。AQH25型減速器不僅可以用于正向運(yùn)轉(zhuǎn)減速器，還可以做到反向運(yùn)轉(zhuǎn)且最高轉(zhuǎn)速不大于2000r/min，而且此減速器最主要是可以在-40℃的低溫下條件下工作。AQH25型減速器帶有9種不同的傳動(dòng)比及3種低速軸軸端的形式，我們可以根據(jù)工作上的要求來進(jìn)行取舍。同時(shí)，AQH25型減速器的外形尺寸為440×230×325mm，符合小型除冰結(jié)構(gòu)域的安裝要求。

4 結(jié)語

本文對小型除冰機(jī)的工作原理進(jìn)行了介紹，對小型除冰機(jī)的各個(gè)部分在預(yù)期要達(dá)到的效果上確定了合理的設(shè)計(jì)方案。對主要部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析以及對各個(gè)零件的材料選擇、尺寸、強(qiáng)度校核的正確計(jì)算。考慮到冬天天氣寒冷的因素來對減速器進(jìn)行選擇，依據(jù)實(shí)際情況選擇合適功率的發(fā)動(dòng)機(jī)。