除雪车的设计大学毕业设计论文Word格式.docx

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3.1概述14

3.2避让装置的选择15

3.3圆柱螺旋拉伸弹簧的设计15

3.4本章小结15

4智能控制模块16

4.1驱动电机模块的设计16

4.2驱动舵机模块的设计17

4.3控制舵机的程序18

4.4辅助装置模块18

4.5本章小结19

5结论20

参考文献21

附录21

致谢22

除雪车的设计

机械电子工程专业学生于涛

指导教师杨桂林

摘要：

本设计是以ST89C51单片机控制电机以及舵机来实现快速破冰除雪。

先以浮雪铲去除上层浮雪、积雪，利用独有的齿轮切割将冰雪分割成小块，对已破碎和残留的冰雪利用毛刷将小块冰雪清扫出路面工作区。

对为了防止融化后的水再次结冰，在清扫完碎冰后，采用大功率多级离心式鼓风机将路面的这些少量冰雪吹到路边。

并且使用了避让装置，减少对除雪车和路面造成的损伤，还利用了太阳能电池给除雪车提供动力，减少资源的使用。

次设计可减少相对环境危害，减少路面破坏，更能一次性破冰除雪，减小道路安全隐患!

关键词：

齿轮；

除雪车；

浮雪铲；

毛刷；

鼓风机

DesignOfsnowremovalvehicle

StudentmajoringinmechatronicengineeringYuTao

TutorYangGuilin

Abstract:

ThedesignisbasedonST89C51single-chipmicrocomputertocontrolthemotorandactuatortorealizefasticesnow.Toremovethefloatingsnowshovelsnow,snow,usedistinctivegearcuttingandcutintosmallpiecesofbroken,andtheresidualiceusebrushtocleanoutpatchesofsnowandiceroadarea.Inordertopreventthemeltedwaterfreezesagain,incleaningtheice,usinghigh-powermultistagecentrifugalblowerwillpavementthesefewsnowblowntotheroadside.Andtheuseoftheavoidancedevice,reducethesnowplowsandpavementdamage,alsousesolarcellstosnowremovingvehicleprovidespower,reducetheuseofresources.Designcanreducetherelativeenvironmentalhazards,reducethepavementdamage,canone-timeice-breakingsnow,reduceroadsafety!

Keywords:

Gearwheel；

Snowremovalvehicle；

Snow-shovel；

Hairbrush；

Blower

引言

冰雪灾害，是指因长时间大量降冻雨或降雪造成大范围积雪结冰成灾的自然现象。

随着社会的不断发展，在社会财富日益增多的同时，导致发生冰雪灾害的危险性也在增多，其危害性也越来越大。

我国北方大部分地区，每年有3～5个月的降雪期，道路积雪给交通运输及人民日常生活带来许多不便。

尤其冻结在道路上的积雪与薄冰，采用传统除雪机用推刮的办法无法清除，为此不得不耗费大量人力物力进行人工铲除。

采用机械方法清除是一项急需解决的难题。

就目前国内除雪机械来看，大多数功能单一，或只能清除积雪、或只能破除积冰。

国外的除雪机功能较全，但结构复杂，造价昂贵，且大多不适合国内的道路状况。

因此开发研制适合我国道路情况的除雪的设备，具有十分重大的意义。

针对上述情况，本设计充分利用ST89C51单片机，驱动电机、舵机模块和除雪装置实现快速有效的破冰除雪。

该设计还利用太阳能电池实现无污染节约能源来提供动力，用浮雪铲将路面上的积雪推到非工作区，切割齿轮和毛刷配合除去积雪下的冰，最后用鼓风机吹掉破碎的冰雪。

并且采用了避让装置减少对除雪车和路面带来的破坏。

将破冰除雪功能整合在一起，形成了功能强大的多功能除雪车，在保证路面不受损伤，环境不受破坏的前提下，提高了除雪效率。

1除雪车的概述

1.1除雪车的技术概况

除雪车是用于清除路面冰雪，保障车辆、飞机和行人安全的冬季路场养护专用设备[7]。

近几十年来，国外除雪车发展非常迅速，种类越来越多，各生产厂商在采用新技术、新材料、新工艺的同时，不断提高产品竞争力。

目前，国外除雪车的主要发展趋势如下：

（1）开发高性能专用底盘。

普通采用液力距器、动力换挡装置和全自动电液控制系统。

可在除雪车作业时实现自动变速档功能，使作业速度自动适应除雪作业的负荷变化，不仅减轻了司机的负担，还能保证高速除雪的要求。

（2）研发配置于普通底盘的除雪属具，提高机器的使用效率，拓宽机器的使用范围。

研制高效的消除坚硬冰雪装置、拓宽作业装置、滑雪装置、高雪堤处理装置、药剂撤布装置等多种作业装置、并对已有除雪装置结构、铲板形状、除雪切入角、叶片形状的进化优化设计，使除雪属具结构简单、受力合理、操作方便、提高使用寿面、经济性和安全性。

（3）研制具有仿形能力的避让机构，保护路面及除雪工作装置，提高除雪车的路面适应能力，向高速度、智能化、机电液一体化方向发展。

（4）国外很重视除雪车的工作对象——雪的研究。

为了提高设计水平，他们对雪的物理性质进行较深入的研究。

他们认为只有掌握了雪的特性，才能在设计上充分利用理论进行指导，摆脱目前主要靠实验校核机械性能的做法。

我国除雪技术研究起步较晚，始于20世纪80年代后期，相关研究单位主要集中在东北、西北河华北地区，先后有几十种型号的除雪车研制成功。

最近几年，一些厂家参照国外的先进技术，研制出适合我国除雪作业急需的犁板式和转子式除雪车以及拖式撒盐车等车型，但与世界先进国家除雪车发展相比，产品数量及性能差距较大，远不能满足道路除雪要求。

我国北方广大地区每年都有3~5个月的降雪期，几十万公里的道路存在积雪清除问题。

随着我国经济的快速发展和高等级公里的不断增加，开发适合我国多雪地区的除雪车，加强对冰雪性质和除雪机理的研究，建立完善的道路气象信息系统十分必要。

1.2课题背景

我国北方地区冬季一般为5~6个月时间，黑龙江、新疆、内蒙古等省份的个别地区甚至长达8个月之久，每年都有几次较大降雪过程，部分地区还会形成雪灾，给人民生产生活、交通运输及交通安全带来很大影响。

据统计2008年1月13日起，罕见的冰雪天气袭击贵州省，黔东南大地遭受1984年以来最大的冰雪灾害。

黔东南州下辖的7个县供电陆续出现中断，累计受灾户数达12.98万多户。

在黔东南州凯里市，参与抢修电网的武警用冲锋枪击碎电线上厚厚的覆冰。

2011年1月以来中国南方连遭低温雨雪冰冻天气侵袭，并已造成中国南方8省区1791万人受灾。

在冰冻天气暂告一段后，16日开始，中国南方低温雨雪冰冻过程将再次加强。

冰雪路面交通事故发生率是平时的4~5倍，每年因此造成的经济损失达几千万元。

冰雪对道路交通安全产生直接和严重影响，因此最大程度的降低冰雪对交通安全造成的危害是迫在眉睫的，结合我国国民经济和社会发展，开展道路除雪技术研究，采用有针对性的预防措施和处理方法，已成为一个重要而紧迫的课题，对道路的安全具有非常重要的价值。

1.3除雪车的发展历史

1.3.1目前除雪工作现状

（1）人工除雪冬季的降雪，初时为浮雪，经行人踩踏、车辆辗压变成坚硬的冰雪路面。

在我国北方的中小城市，除雪工作主要靠人力。

按有关规定，雪停后就要走向街头除雪，一个中等城市，每年要动用几十万人次进行除雪劳动，主要是使用铁锨、镐头和一些较简单的手工除雪工具，政府组织分片包干，机关、学校、工厂、商店等均需抽调人员参加劳动。

人工除雪作业时间长，劳动强度大，工作效率低，耗费人力物力，而且大量人员集中在机动车道上作业很不安全，交通事故时有发生。

目前北方大多数城市都不同程度的使用这种原始落后的除雪方式。

（2）机械除雪目前世界上冰雪清除机械主要有犁板式铲式、抛扬式、高速气流吹扫式、热熔式等。

发达国家多以除新雪为主，机械化程度较高，技术比较成熟，如日本、美国、北欧、加拿大等国家的机械化除雪率可达80%~90%。

在我国，由于传统的除雪理念是雪停后才开始除雪，实际上在降雪过程中路面积雪经行人及车辆辗压已被压实形成冰雪路面，除雪方式实际上市除压实雪。

压实雪除雪机械设计技术难度较大，设备制造成本较高，除净率低，工作效率低，功率消耗非常大，使用效果不理想，且绝大多数压实雪除雪机需要大功率车辆作为配套动力，燃油消耗较高，整套设备投入很大，动辄几十万元，难以大量投入应用。

还有少部分城市投入巨资从国外引进多功能大型除雪设备，这些设备大多价格昂贵，使用与维护费用高，并不适合我国国情。

（3）融雪剂除雪融雪剂除雪也是目前广泛使用的一种除雪方式。

融雪剂多为钠基，除雪机理是降低冰点，加速积雪的融化，消除起来也比较容易。

然而融雪剂的使用会给环境造成污染，腐蚀车辆、路面和桥梁。

早在60年代初，美国和加拿大在路面撒氯化钠盐粉，使得原始设计寿命为50年的路面和桥梁结构，在不到10年时间里就遭到了严重的破坏。

80年代中期一些发达国家开始使用钙、镁醋酸盐的环保型融雪剂，比普通融雪剂价格高很多。

另外，所谓环保型只是相对而言，实际上对环境仍然有一定的影响和破坏，只是程度不同而已。

据报道，北京市2002年12月15日~23日不到10天时间就使用融雪剂七千吨，2003年上半年，北京城区51条道路和绿地37万株绿篱受害枯死，约占全市绿篱5%~10%，草地受害三十万平方米，几万株灌木和乔木枯死，直接经济损失近千万元。

长期大量使用融雪剂除对植物的损伤外对水源的影响也很大，含有大量融雪剂的残雪最终会通过各种渠道进入江河或地下，造成水体污染，这种污染的持续时间更长，影响范围更广。

因此，融雪剂的使用量应严格控制，合理使用，用量越少越好。

就未来发展趋势看，融雪剂的使用将会受到越来越严格的限制，使用量及使用范围将非常有限。

1.3.2除雪车的发展趋势

北方城市冬季清除积雪是改善环境、发展经济的重要工作之一。

总结多年的除雪经验和体会及各种除雪方式的比较，我们认为，人工除雪低效落后早已不适合城市发展建设的需要，融雪剂除雪会损坏道路、桥梁、车辆、污染城市环境等[10]。

而机械化才是比较科学合理的除雪方式。

目前欧、美等发达国家基本都采用机械化技术[12]。

机械化技术的应用时城市、机场、高速公路等道路除雪的发展方向，也是城市经济发展水平和文明程度的标志，更是衡量决策者、管理者视野的尺度。

机械化技术经发达国家使用已被证实是科学，合理，高效的除雪作业方式，这种技术在中国北方城市的推广应用势在必行。

机械化师一项系统工程，真正实现不仅需要转变政府及管理者的观念，还要有相应的资金投入，此外，除雪设备的科学管理、现有资源的整合优化，使用与维护经费的来源等都是需要研究解决的问题。

总结，除雪车的发展趋势是：

（1）高效化作业效率高，除雪程度高

（2）低耗化（3）智能化尽量适应道路的复杂性（4）多功能化可实现一台设备清楚各类冰雪降低设备投入（5）环保化清雪设备要保护环境，降低路面破坏

1.4除雪车的研究目的和研究意义

本课题研究目的就是本着实事求是的思想，充分考虑经济需求、环境需求、使用需求、生产需求等，追求实现除雪车多功能的合理设计。

设计涉及电子、机械等多个学科领域，是一个综合性的应用研究课题。

设计中以保护环境、路面为前提，通过长时间市场调查，根据现有资料、工艺、设备及发展趋势，从而完除雪车的验证和设计，并将通过试验和修正，使整个系统可靠性较高，比较实用，使其成为易于维护和进一步进行功能扩展，尽笔者所能推动产生一种全新的除雪车设计理念和设计模式，进而推动除雪车的设计进步及革命。

1.5除雪车的分类与特点

除雪车由清雪工作装置和机动车底盘两个部分组成。

分类方法主要有两种：

一种是按工作装置的特点分类；

另一类是按工作装置与机动车底盘结合的整机结构特点分类[1]。

除雪车按工作装置的特点分为犁板式[2]、旋切式及其他类型。

（1）犁板式除雪车犁板式除雪车安装有犁板式清雪装置，这种装置最大特点就是结构简单、造价低、性能可靠。

滑雪作业式以直线运动为主，应用广泛，是除雪车中保有量最大的类型。

按犁板结构又可分为单向犁式、V型犁式、刮雪板式、侧翼板式、及犁板式综合除雪车。

犁板式综合除雪车是为增加除雪作业种类，把单向犁或V型犁、刮雪板、侧翼板按使用需求进行组合，安装在同一辆行走车辆上。

这种除雪车适应能力强，对行走车辆的功率要求较大。

（2）转子式除雪车旋切式除雪车的清雪装置结构比较复杂。

装有抛雪转子的旋切式除雪车可将积雪抛出几十米远，适合厚积雪清除。

旋切式除雪车分为压磙式、螺旋转子式、转子式等类型。

压磙式除雪车配备的压磙装置适用于清除坚硬的冰雪。

根据压磙装配磙刀的安装角可将其分为斜刃压磙和直刃压磙。

实验证明，斜刃压磙的切入角能有效地清除冰雪和保护路面。

单螺旋转子式除雪车和转子式除雪车，是两种常见的配有抛雪转子的旋切式清雪车，工作装置由集雪装置、抛雪转子、抛雪筒及连接装置组成。

集雪装置将雪从两边向中间运送至叶片呈辐射状的抛雪转子，在高速旋转叶片离心力作用下，沿叶片表面运动至转子壳体顶部开口处抛雪，由抛雪筒导入合适区域。

（3）其他类型除雪车其他类型的除雪车主要有铲剁式、锤击式、扫雪与吹雪式及运雪车、融雪剂洒布车等。

在机场等一些场合还常常把各种形式的除雪装置搭配成综合式除雪车以获得满意的清雪效果。

除雪车整车的分类方法很多，可按整车使用范围、在除雪作业中的功用、所用底盘形式和行走方式等不同分类方法进行分类。

按整车适用范围，即除雪车的使用场合，可把除雪车分为泛用型除雪车、人行道除雪车、铁道除雪车和高速公路除雪车等。

按除雪车作业中的作用，可把除雪车分为推雪车、抛雪车、装雪车及特种除雪车辆（包括融雪车、融雪剂洒布车、扫雪车、吹雪车、综合式除雪车等）。

按除雪车所用的底盘的不同可以把除雪车分为专用底盘除雪车和兼用底盘除雪车两种。

专用底盘除雪车只能进行除雪作业，而兼用底盘除雪车上的除雪工作属具均可拆卸，在不需要清雪时用于运输等其他作业。

按除雪车行走装置可分为轮胎式除雪车和履带式除雪车两种。

1.6本章小结

本设计着眼于市场需求，以除雪车为载体，以保护环境、路面，高效率的破冰除雪为前提[14]，通过长时间市场调查，结合有经验的车间师傅和市场需求，设计了此款除雪车，其在功能上集成了雪铲除雪、避让装置、齿轮破冰、毛刷扫冰雪、智能等模块。

除雪车的设计与制造设计电子、机械等多个学科领域，是一个综合性的以应用研究课题，试验证明整个系统可靠性较高，比较实用，而且易于维护和扩展，具有产品化意义。

2除雪车的结构设计

2.1浮雪铲的设计

2.1.1相关概念及名词解释

（1）除雪宽度LB除雪车工作时在行进方向上一次清除积雪的宽度，也就是除雪铲在除雪车前进方向上的最小投影宽度。

根据除雪车使用场合的不同，对除雪宽度的要求也不尽相同。

广场等空旷场所需要较大除雪宽度的除雪车，而交通路线上除雪车的除雪宽度一般不宜超过一个车道的宽度，避免除雪作业时阻碍交通。

（2）切削角θC进行方向上铲体与地面间的夹角。

如图2-1所示。

随着浮雪铲[3]的前进，具有一定切削角θC的铲刃在垂直力F的作用下，将积雪剥离其附着面，积雪沿导板曲面向斜上方运动，最后以一定的速度从浮雪铲后端部排出。

切削角的大小直接影响切削阻力的大小。

切削角θC太小时切削刃变薄，强度不足；

但θc过大，切削阻力会显著增大。

实验表明，切削角θc每增加10°

，抗切强度系数K增加10%~20%，切削角θC在60°

左右时抗切强度系数K达到最大值，切削角θC>

60°

，后抗切强度系统K增加不明显。

图2-1切削角、行进角示意图

（3）行进角θ铲体宽度方向与车辆行进方向所夹锐角θ为

θ=1/2（θF+θR）（2-1）

行进角与除雪阻力、排雪性能、浮雪铲长度都有很大关系。

行进角小，则除雪阻力小，且排雪性能好，但须有较长的铲体才能保证必需的除雪宽度LB；

行进角大，铲体长度则可短些，但除雪阻力增大，排雪性能也将变差。

2.1.2浮雪铲铲板曲面结构参数选择

浮雪铲是除雪车广泛配备的一种犁板式清雪工作装置，通过可拆卸固定连接方式安装于除雪车底盘前端。

雪铲导板的形状一般呈复杂的空间曲面，可对新雪、粉雪、粒雪、压雪、冰水混合物等采用高速推进方式，利用曲面旋移原理清理路面。

浮雪铲导板曲面设计是除雪铲设计的核心内容。

2.1.3雪铲的铲板空间形状选择

（1）铲板铲形犁板式除雪车前铲采用高速推进，利用曲面旋移原理将积雪清理路面。

除雪铲板曲面的作用在于旋移和推运积雪。

铲板的结构参数对雪屑运功规律、积雪容量、推运阻力都有影响。

在除雪过程中，如果推运和旋移积雪的阻力小，在一个旋移运动周期内抛射积雪的距离远，则标志其性能良好。

为了便于向道路外侧排雪，浮雪铲常被设计成一端大一端小，以固定的行进角工作。

被除雪屑的理想运动轨迹是空间螺旋外抛运动。

图2-2浮雪铲铲板形状

常用的浮雪铲板形状有圆弧型、抛物线型、Ⅰ类渐开线型、Ⅱ类渐开线型，其中抛物线和圆弧的形状很近似，两者的性能也很接近。

由于被除积雪的颗粒间结合力小，在高速铲的作用下被剥离后会紧贴铲板作旋移运动；

而在推土铲作业时，当被切下的土屑呈层状沿曲面滚卷前进时，其切削性质和推雪铲工况相似。

国外专家利用三种曲面板对中等沙土做了对比试验。

在其它因素相同的情况下，对比铲板类型对切削阻力的影响，试验数据如表2-1.

表2-1铲板类型对切削阻力的影响

铲板类型

圆弧形

抛物线型

Ⅰ类渐开线型

Ⅱ类渐开线型

切削阻力

28.5

28

25.4

通过对数据的对比分析，结合实际工作情况。

本课题除雪车铲形状采用Ⅱ类渐开线型。

浮雪铲的三维设计图如图所示。

图2-3浮雪铲的三维设计图

（2）铲板宽度除雪车雪铲常以固定的行进角进行除雪作业。

行进角与除雪阻力、排雪性能、除雪铲长度都有很大关系。

根据经验及相关实验，浮雪铲的行进角一般取值为50°

~60°

，由于浮雪铲的偏转角为30°

，根据角度关系可知θF=90°

-30°

=60°

，然后通过几何计算求得θR为46°

，所以行进角θ=1/2（θF+θR）=53°

。

推雪铲的宽度应保证工作时在除雪车的前进方向上的最小投影宽度大于车宽，前端（小端）应比同侧轮胎外缘宽出约200mm，后端（大端）应比同侧轮胎外缘宽出约400mm。

这种宽度出量是为了保证在作业过程中除雪车能给自己开辟前进的道路，从而保证其作业质量。

（3）雪铲铲板特征雪铲铲板一般呈一端大一端小的空间螺旋雏形，为了保证清雪宽度常采用不对称安装。

铲板前端高度一般取1000mm，后端高度取1400mm且要利于排雪。

为防止飞雪影响驾驶员视线，雪铲一定要有一定量的固定前伸部分。

2.1.4雪铲铲板切削刃参数选择

切削刃和其连接在一起的铲板是推雪铲的主要工作部分。

为了设计性能良好的浮雪铲，必须对切削刃和铲板加以分析。

除雪车雪铲主要应用于清除新降积雪，新降雪的密度随其结构、气象条件以及降雪气温的不同而变化，其密度值一般在20~800kg/m之间。

通过比较认为松土和积雪的物理机械性质较为接近，参考较为成熟的推土铲切削刃设计理论可知，对于松土和积雪，一般认为切削角θC通常以55°

为宜。

除雪车雪铲切削对象时新降雪，同时除雪车位保护路面大多采用轮式行走机构，所能提供的最大牵引力较履带式行走机构小，而且工作速度要求较高，所以应尽量减小工作时的切削阻力。

除雪车的工作路面较为平整，适合地形变化需要的后角略小。

因此综合考虑，除雪铲铲刃切削角θC选择为30°

切削刃厚度取20mm左右，除雪深度为100mm，切削刃是易损件，由于积雪路面情况复杂多变，为避免铲刃局部受损而更换整个铲刃板，通常把铲刃设计成多块刃板组合而成，可以翻转调换使用，延长使用寿命。

2.1.5雪铲材料

浮雪铲的主要工作部分是切削刃和与其联接在一起的铲板。

切削刃是直接切雪的零件，应有足够的耐磨性、强度和刚度。

切削刃是易损件，因此它与铲板之间设计为可拆分段联接。

适宜的铲体自重利于增大铲体作用于路面的线压力，因此除雪车并不刻意追求降低雪铲的总质量，且今年来铲体质量有增大的趋势。

但必须考虑行车稳定性和所用载重车前后轴的承荷能力，通常情况下除雪车雪铲工作装置的总质量限制在500~800kg。

材质选择时兼顾经济性，切削刃材料除考虑耐磨、韧性、经济性等因素外，须考虑工作温度对其物理特性的影响，表2-2为几种常用钢材的力学性能和退火硬度。

除连接零件外，除雪工作装置大部分零件材质选择Q235钢。

而切削刃一般选择65Mn调质钢。

表2-2常用钢材的力学性能和退火硬度

钢号

力学性能

退火硬度

HB≤

σb/MPa

σ/MPa

20Mn2

785

590

187

Q235

375~460

≥235

-

45

600

355

197

40Cr

520

980

207

65Mn

735

430

229

2.2破冰扫雪装置的设计

2.2.1破冰扫雪装置的概述

在冬季，下雪有时是一场接连一场，路面的雪经过车辆行人滚压后，雪粘附在地面，经过阳光的照射雪不能很快的融化和蒸发最后又经过一个天气寒冷结成了冰，随着冰厚度的增加，容易形成冰灾，破冰的任务越来越重要，而且明显增大难度，因此，破冰现在成为了一项重要而艰巨的任务。

现有的除雪车内还未有利用齿轮切割冰雪的，利用齿轮切割的除雪车完全可有能力切割冰雪，与以往的针式切割相比，减小了断齿断针，以减小机械使用费用。

因此，我们在除雪车的中部加了齿轮用于除去路面上结成的冰，将切割齿轮与车轮平行放置，在其上端装上压力弹簧，可以调节至合适的高度，给冰面合适的压力，齿轮如图所示，选用这种齿轮既可以减少对路面造成的损失，也可以有效的完成破雪作业。

在车的后面通过使用毛刷对已破碎和残留的冰雪扫出路面工作区。

对为了防止融化后的水再次结冰，在清扫完碎冰后，采用大功率多级离心式鼓风机将路面的这些少量冰雪吹到路边，以保证不影响交通，使除雪工作一气呵成，大大提高了效率，节省了除雪时间，节省了人力、物力、财力。

将破冰扫雪集于一体，既可以有效的破冰除雪，有减少了对路面造成的损伤。

2.2.2