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畢業(yè)設計報告(論文) 報告(論文)題目：犁式除雪車除雪裝置設計 作者所在系部： 機電工程學院 作者所在專業(yè)： 車輛工程 作者所在班級： B13141 作 者 姓 名 ： 羅輝 作 者 學 號 ： 201322273 指導教師姓名： 劉志強 完 成 時 間 ： 2017.05.28 北華航天工業(yè)學院教務處制 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)設計 北華航天工業(yè)學院 畢業(yè)設計(論文)任務書(理工類) 學生姓名： 羅輝 專 業(yè)： 車輛工程 班 級： B13141 學 號： 201322273 指導教師： 劉志強 職 稱： 講師 完成時間： 2017-03 畢業(yè)設計(論文)題目： 犁式除雪車設計 題目來源 教師科研課 題 縱向課題（?。? 題目類型 理論研究（　） 注：請直接在所屬項目括號內打“√” 橫向課題（?。? 應用研究（?。? 教師自擬課題（√?。? 應用設計（√） 學生自擬課題（　） 其 他（?。? 總體設計要求及技術要點： 設計以犁式除雪車的除雪裝置，完成除雪任務 工作環(huán)境及技術條件： 設計參數(shù)： 底盤尺寸（長寬高） 4000x2000x2000mm，額定載貨質量 3000kg，自身質量1200kg，最高車速100km/h，最大爬坡度30%。 發(fā)動機功率最大80kw/4000rpm，最大扭矩300Nm/2000rpm，軸距2600mm，輪距前后都是1400mm，最小轉向直徑12m驅動輪半徑280mm，主減速器傳動比6.17，變速器一檔傳動比6.4，其他參數(shù)可自定。 數(shù)據(jù)如果有沖突，可以適當自己調整 工作內容及最終成果： 1.設計目標： 根據(jù)產品設計要求，完整地設計出裝配圖一套、零件圖若干，設計出的產品能應用于實際生產中。 2.設計要求：系統(tǒng)地說明設計過程中問題的解決（確定傳動和結構方案及零件材料的選擇）及全部計算。計算內容應包括有關計算簡圖，如主要參數(shù)的選擇及設計與校核、傳動方案簡圖、相關零件的結構簡圖、零件的受力分析圖、彎矩和扭矩圖等。 3.計算過程完整有序，計算結果正確清晰，文字說明簡明通順。計算過程只需列出已知條件、計算公式，將有關數(shù)據(jù)代入公式，省略計算過程，直接寫出計算結果。將計算結果整理后，寫入右邊欄內，并注明此結果是否“合用”或“安全”等結論。 4.任務完成驗收時提供材料：設計說明書一份，總裝配圖2張、零件圖若干。 時間進度安排： 指導教師簽字： 2017 年 月 日 教研室主任意見： 教研室主任簽字： 2017 年 月 日 III 目 錄 第一章 緒 論 - 4 - 1.1 概述 - 4 - 1.1.1除雪車的定義 - 4 - 1.1.2除雪車的功用 - 4 - 1.1.3犁式除雪車的主要結構 - 4 - 1.1.4除雪車的分類 - 6 - 1.1.5除雪車發(fā)展現(xiàn)狀 - 6 - 1.1.6除雪車行業(yè)發(fā)展趨勢 - 7 - 1.2 設計依據(jù) - 7 - 1.2.1根據(jù)計劃任務書規(guī)定的產品品種、質量、規(guī)模進行設計 - 7 - 1.2.2合理地選擇裝配方式和設備及設計指標 - 7 - 1.2.3全面解決工廠生產、場外運輸和各處物料儲備 - 8 - 1.2.4注意考慮設計后挖潛的可能和留有發(fā)展余地 - 8 - 1.2.6注意環(huán)境保護、減少污染 - 8 - 1.2.7方便施工、安裝、方便生產、維修 - 8 - 1.3 設計的范圍和內容 - 8 - 1.3.1 機械結構的設計 - 8 - 1.3.2控制系統(tǒng)的設計 - 9 - 第二章 除雪車工況分析 - 10 - 2.1 我國降雪量定級方法 - 10 - 2.2我國未來降雪趨勢 - 10 - I 2.3 我國主要降雪區(qū)域分布 - 10 - 2.3.1我國除雪車工況分析 - 11 - 2.3.2執(zhí)行標準及設計標準說明 - 11 - 2.4 材料衡算 - 11 - 2.4.1犁刀材料 - 11 - 2.4.3材料性能 - 12 - 2.5 控制系統(tǒng) - 12 - 2.5.1液壓控制 - 12 - 第三章 受力與剛度計算 - 13 - 3.1 除雪阻力計算 - 13 - 3.1.1除雪斷面面積計算 - 13 - 3.1.2除雪作業(yè)受力分析 - 13 - 3.1.3牽引力計算 - 15 - 3.1.4行駛阻力計算 - 15 - 3.1.5牽引平衡 - 16 - 3.1.6 功率平衡 - 16 - 3.2犁刀的受力分析與計算 - 16 - 第四章 結 論 - 18 - 4.1 本設計的技術先進性與經濟合理性 - 18 - 4.2 本設計存在的主要問題 - 18 - 參考文獻 - 19 - V 摘 要 本設計犁式除雪車除雪裝置設計，根據(jù)設計任務及現(xiàn)場環(huán)境的要求，通過查閱大量的相關資料，逐步完成本設計工作。主要包括以下方面： 闡明犁式除雪車工作原理，制定出合理的設計方案，旨在設計適用于國內環(huán)境的通用除雪車。對我國降雪較多地區(qū)進行調查，并確定最高降雪量。計算分析受力情況，選擇合適通用車身，同時對犁刀的結構進行合理設計。利用CAXA軟件繪制犁刀結構相關圖紙。 關鍵詞：降雪量分析，受力分析，犁式除雪車，犁刀設計 I 北華航天工業(yè)學院 ABSTRACT The design of the plow-type snow removal snow removal device design, according to the design tasks and on-site environmental requirements, through access to a large number of relevant information, and gradually complete the design work. Mainly include the following: Clarify the working principle of plow-type snow removal car, to develop a reasonable design, designed to design for the domestic environment of the general snow removal. To investigate more areas of snowfall in China and to determine the maximum amount of snowfall. Calculate the analysis of force, select the appropriate general body, while the structure of the plow knife reasonable design. Using CAXA software to draw the structure of the plow structure. Key Words: Snowfall analysis, Force analysis, Flow snow removal, Creep design. VII 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)設計 第一章 緒 論 1.1 概述 1.1.1除雪車的定義 除雪車是用于掃除道路、鐵軌、機場等場所積雪的專用車輛，除雪車是由機動車推送，借助專用的除雪轉職，將積雪推向線路一側或兩側，從而保證積雪的順利清除。除雪車按照除雪原理可大致分為犁板式、旋切式、掃滾式三類，其中犁式除雪車主要以犁刀為除雪裝置進行積雪掃除。除此以外，也有使用化學、物理手段降低積雪硬度、融點等方法的清雪裝置。 1.1.2除雪車的功用 我國北方高寒地區(qū)每年降雪4到6個月，道路積雪對交通運輸造成了惡劣影響，以至于交通事故頻發(fā)，甚至中斷交通。為了保證高質量，高效率的通車環(huán)境，我國引進并改善了除雪車來改善積雪對交通的影響。 除雪車的主要功能是清除積雪，除此以外，還有具備多樣功能的多功能除雪車。多功能除雪車可以做到集推雪、掃雪、攪雪、拋雪、融冰、除霜等功能于一體，起到一車多用的作用。既節(jié)約的資源成本，又節(jié)約了時間加快了工作效率，確保道路時刻保持通暢?，F(xiàn)如今，我國最常使用的除雪車為犁式除雪車和撒鹽機。 1.1.3犁式除雪車的主要結構 犁式除雪機主要由犁刃與導板及懸掛裝置組成，例如德國拜爾哈克公司的犁式除雪機，犁式推雪板的導板由特殊工程橡膠材料制造，結構簡單、彈性好、反應快、噪音低、吸振能力強，使用成本低。高度可調(可選手動螺旋桿或液壓式)的充氣輪胎支撐裝置，自位輪結構對重型推雪板尤其重要。2個伸縮式液壓缸調整雪板左右角度，可使推雪板工作角度調為30度、32度、34度、36度。推雪板端裝有路緣石擋塊，以防鏟刃與路緣石干涉。一對輪式停放支架，以方便移動推雪板；推雪板上端防濺裝置可防止高速除雪時雪花飛濺到駕駛室擋風玻璃。固定簡易型可使雪板工作速度達40 km\h，可調型可使工作速度更高，另外還配有鏟刃快速安全更換裝置，大型推雪板還可裝配路拱適應調節(jié)裝置。雪板前傾角度有9度和21度，以適應軟硬雪的施工要求。 1.1.3.1車身 車身是除雪車前進的動力來源，在不同的工作環(huán)境下，除雪作業(yè)的進行會有不同的要求。在這種情況下，便可以使用不同的車身來適應新的工作狀況，以達到最佳的除雪目的。一般來說，在普通的道路除雪條件下，我們使用家用車就可以完成除雪任務，但 1 在如顛簸的山路，過厚的積雪路況，冰面等情況下，就要使用特殊種類的車身來進行除雪工作。我國的除雪車主要以中重型運輸車輛或工業(yè)車輛作為車身進行除雪工作，以適應我國道路的積雪情況。 1.1.3.2懸掛裝置 除雪車車身于除雪鏟之間需要除雪裝置進行連接，根據(jù)需要的不同和除雪規(guī)模的差異，可以使用帶有液壓、電機調節(jié)的特殊懸掛裝置。 圖1.1 除雪裝置組件 1.1.3.3震動組件和越障機構 除雪車在除雪作業(yè)中，不可避免會遇到障礙物或者不平坦的路面狀況。為了防止在除雪作業(yè)中遇到這些情況，除雪裝置應具有越障以及減震的功能。 1.1.3.4主架 主架是除雪裝置的主體，是連接各個部分的主體，由于除雪裝置的主要受力體即為主體，因此，主體需要有較大的剛度。 1.1.3.5電控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng) 部分具有調節(jié)功能的除雪車，可以使用電控、液壓系統(tǒng)來調節(jié)雪鏟的高度、傾斜角度、前傾角等，來應對不同的除雪狀況。 圖1.2液壓控制裝置 1.1.4除雪車的分類 除雪車按其除雪原理不同分為犁板式、旋切式、掃滾式三類，使用的除雪裝置分別為：犁刀、螺旋集雪器、滾筒。其中，旋切試除雪車主要針對路面硬積雪、積冰的特殊情況，掃滾式除雪車應對較薄的浮雪。犁式除雪車是我國使用的最頻繁的除雪車種類，犁式除雪機械結構形式分為單向式、V型式、單向翼形式和雙向翼形式，主要用來應對較厚的公路積雪。三種除雪車相比，犁式除雪車具有結構簡單，成本較低，開發(fā)難度低的優(yōu)勢。 1.1.5除雪車發(fā)展現(xiàn)狀 我國對除雪車的發(fā)展較晚，約始于1980年左右，隨著改革開放，我國道路不斷新建和開闊，各種機動車輛猛增，對積雪的處理要求的提高，促進了除雪車的開發(fā)進程。我國的除雪車研究機構多集中于三北地區(qū)，先后生產出了幾十種樣機，在除雪工作中發(fā)揮了一定的作用。同時，為了提高技術的先進性，有關部門也引進了外國的道路養(yǎng)護技術和相應的專業(yè)道路養(yǎng)護設備。其中就有不少具有除雪功能，如奔馳1650萬能工程車。 我國曾經在研究了國內降雪情況、道路情況、機械使用條件和有關部門的要求后，在1982年研究了J-80犁式除雪車。在白江河公路全長3500公里的作業(yè)實驗中，其良好的性能表現(xiàn)得到了高度評價。 除雪裝置對于處于高緯度的地區(qū)和國家來說是冬季除雪的必要養(yǎng)護裝置。除雪作業(yè)對于維持正常運行、確保行車安全、延長路面使用壽命有重大意義。降雪較頻繁的國家都十分重視除雪機械的研制與使用，如加拿大、日本、德國、法國、英國、瑞典、俄羅斯等國家，都實現(xiàn)了機械化。 最早的除雪機發(fā)明于1951年，并于1952年進入市場銷售。1966年成立了較大型的除雪車生產公司-Gilson除雪機，他們改良了市場上的除雪機產品，推出了面向個人家庭的小型除雪機。到了1970年，隨著馬力的增強，大型除雪機也得到了改良，足以應付較大風暴帶來的積雪影響。 目前，國外除雪車外形基本定型于1970年，在此之外，新增了其他種類的新型鏟雪車，轉子除雪車就是其中之一。在電子技術發(fā)展的現(xiàn)在，人們已經開始將鏟雪設備與電子設備相結合，來達到更為簡單、方便、安全和快捷的除雪效果。 1.1.6除雪車行業(yè)發(fā)展趨勢 除雪車在國外的飛速發(fā)展，使其品種越來越齊全，功能越來越強大，出現(xiàn)了一批具有高創(chuàng)造性和高質量的品牌，英國的SCHMIDT、瑞士的STEYR等?？傊畤獬C呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢： 多功能化，在除雪的基礎上增加融雪、路面清掃等功能； 高性能化，為了應對除雪中應力的變化，除雪車開始使用液力變矩器。 高安全性，除雪工作中，可能遭遇緊急的道路變化，受到很大沖擊，因此需要一定的安全性保證人員安全。 專業(yè)領域化，大型、小型除雪機分別面對不同情況而得到充分使用。 我國道路環(huán)境比較復雜，除雪設備技術未能達到較高水平，在躲避障礙能力上不足，經常損壞設備，造成不必要的損失，再者我國大部分地區(qū)一年降雪時間在3到4個月左右，一年中除雪工作一般在幾十次，一年中大部分時間處于閑置狀態(tài)，大大加大了道路養(yǎng)護的費用支出。減少成本是大課題。 我國除雪機的發(fā)展尚不完善，與外國的先進型號仍有一定技術上的差距。要積極地加強技術合作，打破專利封鎖。集中人力物力優(yōu)勢，聯(lián)合開發(fā)除雪機械，盡早研制出高速度、高性能的除雪設備，實現(xiàn)除雪自動化，節(jié)約人力，既可以減少惡劣環(huán)境下的人力勞動，也可以提高我國的城市機械化水平。 犁式除雪車作為小型簡單可靠地除雪設備，在我國有一定的使用價值。 1.2 設計依據(jù) 本設計是根據(jù)北華航天工程學院機電工程學院下達的畢業(yè)設計任務書進行設計的，設計課題為《犁式除雪車除雪裝置設計》。 1.2.1根據(jù)計劃任務書規(guī)定的產品品種、質量、規(guī)模進行設計 計劃任務書規(guī)定產品的規(guī)模往往有一定的范圍，設計規(guī)模在該范圍之內或略超出該范圍，都認為是合適的；但如果限于設備選型，設計達到的規(guī)模略低于該范圍，則應說明原因，取得上級同意后，才能繼續(xù)設計。 1.2.2合理地選擇裝配方式和設備及設計指標 主要結構的確定至關重要，設計完成后，要想改變結構狀況十分困難。因此車身的選擇和結構確定應慎重從事，須通過方案對比后確定，并應盡可能考慮工況，采用安全可靠、技術先進、成熟、經濟合理的設計方案。 1.2.3全面解決工廠生產、場外運輸和各處物料儲備 由于工廠生產要求長期連續(xù)運轉，而有些設備則需要一定的時間進行計劃檢修；同時受各處復雜條件如場外運輸?shù)纫蛩氐闹萍s，所以各種物料都應有適當?shù)膬?。各種堆場、儲庫的容量，應滿足各處物料存期的要求。儲存期的確定應使生產有一定的機動性，以利于工廠均衡連續(xù)地生產。但儲存期也不要太長，以免增加基建工程量和費用及占用工廠的流動資金。 1.2.4注意考慮設計后挖潛的可能和留有發(fā)展余地 除雪車從設計到制造投產往往要好幾年的時間，而生產技術卻是向前發(fā)展的。因此設備能力應能切實滿足生產要求并留有余地。此外，應結合設計時的國內外未來時期對設計產品需求情況的預測，以及當前國民經濟發(fā)展的方針政策，考慮在設計中是否需要或應留有多大的設計余地。考慮除雪工作的原則，既要便于今后的開發(fā)，使車輛工作時盡量不影響原有機能，又要盡可能增加當前車輛的功能和潛力。 1.2.6注意環(huán)境保護、減少污染 設計應嚴格執(zhí)行國家環(huán)境保護、工業(yè)衛(wèi)生等方面的有關規(guī)定。對可能產生的污染應采取相應的防治措施，確保工作人員在良好的環(huán)境下從事生產，保護廣大職工的身體健康。 1.2.7方便施工、安裝、方便生產、維修 應做到生產流程順暢、緊湊、簡捷。充分考慮設備安裝、操作、檢修的方便。 1.3 設計的范圍和內容 其范圍涉及到工況的調查，工作功率的計算，車身的選擇，除雪裝置受力情況，剛度計算，結構設計，結構圖繪制等。 1.3.1 機械結構的設計 除雪車機械結構的設計的內容大致包括：犁刀整體設計、主架設計、防震越障裝置設計、剛度驗證、功率計算、車身選擇。有關計算簡圖，如主要參數(shù)的選擇及設計與校核、傳動方案簡圖、相關零件的結構簡圖、零件的受力分析圖、彎矩和扭矩圖等。 1.3.2控制系統(tǒng)的設計 包括液控和電控兩部分。 第二章 除雪車工況分析 我國降雪覆蓋范圍基本沒有出現(xiàn)明顯變化。依據(jù)全國無缺測、具有連續(xù)日降雪觀測的臺站資料波譜分析顯示,1970—2000年我國降雪量年變化波譜組成比較簡單,但具有明顯的區(qū)域性分布特征和兩種相反的變化趨勢。劃分出4個降雪量年變化相似區(qū)域:除東北少部分地區(qū)、內蒙中部至華北地區(qū)、青藏高原東緣至四川盆地和部分地區(qū),降雪量持續(xù)呈線性和非線性減少外,我國絕大部分地區(qū)年降雪量總體呈增加趨勢,但80年代中后期開始減少。降雪量月變化也存在區(qū)域性分布特征,并與區(qū)域氣溫和地理特征有關。 2.1 我國降雪量定級方法 *小雪：24小時內降雪量小于2.5mm的降雪過程。 *中雪：24小時內降雪量2.5 ～4.9mm的降雪過程。 *大雪：24小時內降雪量5.0 ～9.9mm的降雪過程。 *暴雪：24小時內降雪量大于等于10.0mm的降雪過程。 2.2我國未來降雪趨勢 據(jù)有關資料所述，在對全國738個地面觀測臺站1960-2004年的逐日積雪深度資料,對中國地區(qū)過去40余年的積雪時空變化特征進行分析后，我國2010-2050年積雪深度和雪水當量年際變化均有減少的趨勢,且青藏高原減少最為顯著,東北地區(qū)和北部地區(qū)積雪減少值小于青藏高原地區(qū)。但考慮除雪車工作狀況，我們不會使用青藏高原的降雪數(shù)據(jù)來決定除雪車性能，而是采用比較具有泛用性的東北地區(qū)來衡量我國降雪、積雪水平。未來2021-2050年積雪深度和雪水當量的年變化對比1971-2000年,春季的積雪量減少,而冬半年的積雪量可能有少量增加。采用氣溫、降水與降雪量的關系計算的結果顯示,在A2、A1B和B1情景下,降雪量在中國地區(qū)未來40年亦有減少趨勢,減少較大地區(qū)位于青藏高原南部邊緣到中東部地區(qū)。2021-2050年的降雪量對比1971-2000年,降雪量在1-5月減少明顯。 2.3 我國主要降雪區(qū)域分布 中國地區(qū)季節(jié)性積雪存在著三個高值中心：青藏高原西南和南部地區(qū)、北部和東北—內蒙古地區(qū),這也是積雪年際變化變化大的地區(qū),也即為中國地區(qū)積雪年際異常變化的敏感區(qū)。因此在選擇模擬的積雪情況時，主要采用這三個地點的降雪情況。綜合積雪深度和積雪日數(shù)的變化趨勢,可大致分為三種變化類型：增加和減小同步,同步增加區(qū)主要在的天山以北、青藏高原的東部地區(qū)、內蒙古高原的中東部到大興安嶺以西的地區(qū),同步減少區(qū)大體在內蒙古西部、黃土高原和長江中下游地區(qū)；積雪深度增加但積雪日數(shù)減少,主要在東北平原東部的部分地區(qū),長江上游的部分地區(qū)；積雪深度減小而積雪日數(shù)增加,主要位于青藏高原中部的部分地區(qū)。可以看出，我國的主要降雪區(qū)域為：青藏高原、地區(qū)和東北地區(qū)。 而在主要降雪區(qū)域中，東北地區(qū)的降雪時間和分布比較穩(wěn)定，相對于其他兩個區(qū)域而言，更易于采集數(shù)據(jù)。 2.3.1我國除雪車工況分析 根據(jù)我國降雪量信息及降雪分布信息，我國除雪車一般在哈爾濱、長春等地具有較高的使用頻率，由于除雪車的工作能力要適應大多數(shù)的工作環(huán)境，故選擇降雪量較大的哈爾濱作為參考工作地點。 根據(jù)相關數(shù)據(jù)顯示，哈爾濱在1、2月份的降雪量最多，近幾年也會出現(xiàn)連續(xù)40小時以上的暴雪天氣，為了使除雪車能夠應對絕大多數(shù)的工作情況，我們選用在連續(xù)兩日暴雪情況下的積雪路面作為參考的工況，用以選擇計算除雪車相關性能參數(shù)以及除雪裝置的相關剛度參數(shù)。 2.3.2執(zhí)行標準及設計標準說明 本文設計以犁刀為主要裝置進行除雪車設計及說明，犁式除雪車是我國使用的最主要的除雪裝置。 2.3.2.1執(zhí)行標準 設計相關標準符合《中華人民共和國國家標準:除雪車(GB/T25977-2010)》規(guī)定。 車輛使用過程符合《公路監(jiān)督檢查專用車輛管理辦法》之規(guī)定。 2.3.2.2設計標準 參考《GB/T 25977-2010》除雪車設計標準。 2.4 材料衡算 材料計算是結構驗證的基礎，在整個設計過程中至關重要，并且是保證設計方案可行的保障。當設計方案確定并在完成裝配圖前，即可進行剛度計算，設計工作即從定性分析發(fā)展到定量計算。 2.4.1犁刀材料 （1） 除雪車犁刀材質選擇：16Mn（Q345）低合金結構鋼。 （2） 犁刀的大臂；鏟斗；機身材質全部都是 16Mn（Q345）低合金結構鋼。 （3） 犁刀刀刃：65Mn彈簧鋼。 2.4.3材料性能 根據(jù)查看材料屈服強度表，可知Q345按照最新標準GB/T1591-2008 ，Mn元素含量要求≤1.70，屈服強度要求為345MPa。密度7.85g/cm3。65Mn的屈服強度要求為785MPa。 2.5 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)采用常規(guī)犁式除雪車控制系統(tǒng)，可以調節(jié)除雪車犁刀的舉升與傾斜角度。以便在除雪機不工作時，舉升雪鏟，避免損壞雪鏟。 2.5.1液壓控制 液壓油從掛載車上截取，液壓油箱要保持足夠的油量。并依照掛載車用油要求執(zhí)行。采用低溫環(huán)境下（-32℃左右）能正常使用的液壓油，如航空液壓油等。 采用組合式多路電磁閥可以控制除雪鏟的左右轉向角。此設計使用了工程車使用的標準液壓缸，并且對油路進行了設計，可通過液壓裝置分別對雪鏟的不同工作狀態(tài)進行調整，如雪鏟的舉升和轉動。 第三章 受力與剛度計算 3.1 除雪阻力計算 路面除雪車的除雪鏟結構為單向犁板式，其除雪阻力 Fsx 為浮雪鏟除雪作業(yè)時受到的雪的阻力Fp與車輛的行駛阻力Fm之和。 3.1.1除雪斷面面積計算 我們以參考哈爾濱在數(shù)日暴雪天氣下的積雪情況作為參考工況，初定雪密度為800kg/m2，車輛在路面行駛需要寬度約為3m，犁刀有效除雪寬度定為3m，最大積雪厚度為0.9m，因此，可以得出，除雪裝置的有效除雪面積為2.7m2。根據(jù)已知狀況，犁刀除雪角在50°-60°時除雪效率最佳，選擇60°角作為除雪車的除雪行進角，故可得出除雪鏟最大除雪斷面面積為3.11m2。 3.1.2除雪作業(yè)受力分析 在自身重力的作用下，除雪鏟會與地面緊密接觸在一起，除雪車在前進時，因為速度較大，積雪將被鏟離地面，并沿浮雪鏟拋向側面。因此，浮雪鏟本身的質量、鏟體與路面的摩擦系數(shù)、鏟刃與路面的夾角、鏟刃形狀、鏟體水平擺角、除雪作業(yè)寬度、除雪作業(yè)速度、浮雪密度、浮雪厚度等因素都與雪阻力計算密切相關。同時，浮雪的平均抗剪應力亦對雪阻力計算產生一定影響，但由于其值相對較小，計算時通常忽略不計。 為便于計算分析，建立如圖 3.1 所示的浮雪鏟受力直角坐標系。定義除雪車前進方向為 X 軸正向，車體左向為 Y 軸正向，垂直向上方向為 Z軸正向。定義浮雪鏟鏟體與地面間夾角γ為切削角，鏟體長度方向與車輛行進方向所夾銳角!為行進角，按圖 1 坐標系把浮雪鏟受到的雪阻力Fp 分解為前進方向分力 Fpx 、側向分力 Fpy 和垂直分力Fμc。圖3.2為除雪鏟在除雪過程中所受到的雪阻力與重力等的直角坐標系。 圖3.1除雪阻力坐標系 圖3.2除雪鏟坐標系 當除雪作業(yè)速度小于10 km/h，作業(yè)效率太低，除雪作業(yè)速度大于70km/h，則違反道路交通相關法律、法規(guī)。因此，確定除雪作業(yè)速度區(qū)域為10~70km/h。研究結果表明，在10~70km/h速域內，除雪作業(yè)速度對雪阻力的影響呈分散的兩區(qū)域———10~20km/h速域和 20~70km/h速域。不同速域對雪阻力的影響系數(shù)不同。根據(jù)速域影響系數(shù)，建立如下雪阻力各向分力計算分析數(shù)學模型： 除雪車工作時的數(shù)學模型為： 式中：μf 為鏟刃與路面的摩擦系數(shù)； Mp 為雪鏟質量（kg）； S 為浮雪層與雪鏟接觸斷面積（m2）； v為除雪車作業(yè)速度，（m/s）； ρ 為雪密度，（kg/m3）； K 為浮雪鏟刃口形狀系數(shù)（K=1）； g 為重力加速度g=9.81m/s2； θ為行進角（°）； θτ為切削叫（°）； τ雪的抗剪強度（Pa），τ=0.024H+9.2*104其中H為雪的抗壓強度，可查表獲得。 當除雪作業(yè)速度為10km/h-20km/h時，可獲得計算公式： 當除雪作用速度為20km/h-70km/h時，可獲得計算公式： 浮雪鏟鏟刃在除雪作業(yè)時與路面的摩擦是在有雪參與的條件下鋼鐵材料的鏟刃與路面間的摩擦。鋼質材料與壓實雪的摩擦系數(shù)為0.1，鋼質材料與瀝青混凝土的摩擦系數(shù)為0.25~0.5。大多數(shù)情況下，鏟刃和路面的摩擦系數(shù)的取值范圍為0.15~0.45。在除雪作業(yè)過程中，各種摩擦情況都會隨機出現(xiàn)，沒有規(guī)律性 。因此，計算中通常取摩擦系數(shù)的最大值，即f=0.45。積雪密度變化范圍很大，為了保證除雪車可以滿足大部分除雪條件，我們選用最大值800kg/m3作為計算使用的雪密度。 在犁刀結構一定的條件下，計算除雪鏟的質量，帶入除雪斷面面積為3.11m2，鏟面厚度為2.5mm，經過計算可得除雪鏟質量約為600kg。 計算10km/h-20km/h的雪阻力： Fpx=31224.87-124899.49N Fpy=8953.09-35812.36N Fpz=5886N 計算20km/h-70km/h的雪阻力： Fpx=81292.28-964053.34N Fpy=35812.36-293140.64N Fpz=5886N 3.1.3牽引力計算 除雪車在工作中的最大牽引力Fmax等于積雪路面所能提供的最大摩擦力Fμ Fμ=μ（gM-Fpz） 式中：μ為附著系數(shù)，等于0.3； M為整車整備質量，選取重型型卡車質量15000kg為整備質量。 則可得出最大牽引力Fmax=0.3*(9.81*15000-5886)=42379.2N 3.1.4行駛阻力計算 在計算過程中，我們將除雪車的工作過程看做勻速行駛過程，其行駛阻力的計算公式為： F阻=μ阻Av2+μτ（Mg-Fpz） 式中μ阻為空氣阻力系數(shù)取值0.00275； μτ為滾動阻力系數(shù)，取值0.0189+0.00061v； A為車頭投影面面積，取值8m2。 計算可得除雪車行駛阻力F阻=2911.34N 3.1.5牽引平衡 為使除雪車可以正常進行除雪工作，除雪車的牽引力必須大于等于雪阻力與行駛阻力之和，即Fmax≥Fμ+Fpx。帶入可得Fpx≤39467.86N，小于124899.49N但大于31224.87N，故可知除雪速度應在10km/h到20km/h之間，經計算可得除雪速度v=11.4km/h。 3.1.6 功率平衡 除雪作業(yè)消耗功率可由公式P=(Fpx+Fm)v/η計算獲得，其中η為機械效率取值為0.85，經過計算得除雪功率P=185.94kw，一般來說重型卡車發(fā)動機功率大于200kw，故在此工況下可以應對任何密度的路面積雪問題。 3.2犁刀的受力分析與計算 1．受力分析 犁刀在工作時，受力最大的點為前段的刃部，以及與刃部相連的鏟頭部分，因此，在檢驗結構剛度時，只需要檢驗這兩部分即可。受力圖如下圖所示： 圖3.2犁刀受力分析 可知除雪車在進行除雪工作時，犁刀刀尖受兩個力的作用，我們可以用除雪阻力來代替這兩個力對犁刀的作用，將除雪阻力分為垂直于犁刀表面的FA與平行于犁刀表面的FB，我們在檢測刀尖的剛度時，只需要考慮FA的作用即可。而FA=Fpxsin60°，帶入前面計算的雪阻力可得FA=34180.17N。 2. 應力計算 由公式Σ=F/A來計算刀尖處的應力，將經過分析得出的結果帶入可得： Σ1=34180.17N÷3.11m2=10990.35Pa遠遠小于材料屈服強度。 計算除雪裝置推面應力，犁刀刀尖長度為20cm即0.2m除雪角度為60°，則離地面距離L=0.2sin60°=0.17m，積雪厚度為h=0.9m，故有F=FA*(h-L)/h=27723.92N。帶入計算推面應力得： Σ2=27723.92N÷2.52m2=11001.56Pa，亦小于材料屈服強度。 第四章 結 論 4.1 本設計的技術先進性與經濟合理性 本設計為犁式除雪車除雪裝置設計，對我國國內降雪及工作狀況進行了詳細分析，使用已有的底盤車身，進行的符合我國國情使用的犁式除雪車，降雪分析、結構設計、剛度檢驗，以及主要參數(shù)和細節(jié)均有涉及。關于底盤選擇，秉承盡量選擇適當?shù)男吞?、尺寸、功率，以避免浪費的原則，且保證設備的功能性完善，利于維護。在保證工作效率和工作質量的前提下，做到環(huán)保、節(jié)能、快速的多重要求。 4.2 本設計存在的主要問題 本設計在結構上為保證工作狀況要求，對積雪狀況的處理為最壞情況，因此在小量降雪的情況下顯得過于浪費。設計中更多的考慮城市工況、平坦道路，對于崎嶇道路和窄小的山路沒有考慮。產品成本和原料的買進沒有進行估算、計算成本等經濟指標。總體來講，本設計不是很細致，還有一些改進之處。 17 參考文獻 [1]徐興奎.1970—2000年中國降雪量變化和區(qū)域性分布特征[J].冰川凍土,2011,(03):497-503. 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