雪地救援铲雪车设计毕业作品.docx
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雪地救援铲雪车设计毕业作品
【毕设】
【业计】
（届）
雪地救援铲雪车设计
所在学院
专业班级
机械设计制造及其自动化
学生姓名
指导教师
完成日期
雪地救援铲雪车设计
摘要：
雪灾是我国大部分地方历年来重大的自然灾害之一，因降雪而造成的交通堵塞甚至瘫痪是造成经济损失以及不好的社会影响的重要原因，研究本课题的目的是通过构建铲雪车这个模型，来了解国家解决道路严重积雪而给人们生活带来不便造成的经济损失的方法，同时对政府抗雪工作做出自己一点贡献。
本文通过研究铲雪车采用切削挤压破碎技术以及总体方案，使我们能够更清楚地了解铲雪的工作原理以及工作过程，并且深入了解国家针对积雪这一问题而做出的措施的先进之处。
关键词：
切削挤压破碎技术；铲雪车；设计
Thesnowplowdesignaid
Abstract；Snowdisasterisourcountrymostplacesovertheyears,majornaturaldisasters,duetosnowfallcausedtrafficjamsandevenparalysisiscausedbytheeconomiclossandbadsocialinfluenceofimportantreasons,researchonthistopicisdesignedbyconstructingsnowploughthismodel,tounderstandthecountrysolvestheseriousroadsnowwhiletopeoplethelifebringsinconveniencecausedeconomiclossmethod,whiletheantisnowmakealittlecontribution.
Thispaperstudiesthesnowploughbycuttingandcrushingtechnologyscheme,wecanmoreclearlyunderstandtheshovelworkingprincipleandworkingprocess,andinsightintothestateforsnowthisproblemandmademeasuresadvancedplace
Keywords：
Cuttingcrushingtechnology；kitty；design
1绪论………………………………………………………………………1
1.1本次设计目的、意义、国内外概况…………………………………………………………1
1.1.1本次设计研究目的…………………………………………………………………1
1.1.2本次设计研究的意义………………………………………………………………1
1.1.3有关清雪机国内外研究概况………………………………………………………1
1.2本设计预期达到的目标……………………………………………………………………2
1.3本设计研究内容、研究方法及技术路线…………………………………………………2
1.3.1雪地救援铲雪车的整体方案构想…………………………………………………2
1.3.2结构原理和计算要点…………………………………………………2
1.4本课题实现的现有条件……………………………………………………………………3
1.5研究的主要内容和方法……………………………………………………………………3
1.5.1冰雪切削挤压破碎技术、总体方案…………………………………………………3
1.5.2碾压滚型式和结构…………………………………………………………………3
1.5.3滚齿排列方式及刀刃几何参数……………………………………………………3
1.5.4各主要零件的校核验算……………………………………………………………3
2路面冰雪清除机机理研究……………………………………………3
2.1冰雪的物理机械性质………………………………………………………………………3
2.2路面冰雪清除机基本方案、原理…………………………………………………………5
2.3整机分析及装置重量的确定……………………………………………82.3.1整机的组成…………………………………………………………………………8
2.3.2清除冰雪装置重量…………………………………………………………………9
3碾压滚结构及参数………………………………………………………9
3.1碾压滚结构形式…………………………………………………………………………10
3.2碾压滚参数………………………………………………………………………………10
3.3工作阻力的计算…………………………………………………………………………10
4齿刀的研究……………………………………………………………11
4.1齿刀在碾压滚上的排列﹑数量﹑间距…………………………………………………11
4.2齿刀几何参数……………………………………………………………………………11
4.3切削力计算………………………………………………………………………………12
5主要零件校核计算………………………………………………13
5.1轴承的校核计算…………………………………………………………………………13
5.1.1当量动载荷的校核…………………………………………………………………13
5.1.2滚动轴承寿命的计算………………………………………………………………14
5.2齿刀强度的校核分析……………………………………………………………………14
5.3销轴的校核计算…………………………………………………………………………19
5.4轴的校核计算……………………………………………………………………………22
5.4.1按扭转强度条件计算………………………………………………………………22
5.4.2按弯扭合成强度条件计算…………………………………………………………23
6电器系统…………………………………………………………………24
6.1电源电路…………………………………………………………………………………24
6.2启动系统…………………………………………………………………………………24
6.3照明和信号系统…………………………………………………………………………24
6.4仪表系统…………………………………………………………………………………24
6.5预热器……………………………………………………………………………………24
结论……………………………………………………………………………………25
参考文献……………………………………………………………………………25
致谢……………………………………………………………………………26
1绪论
1.1本次设计研究目的、意义、国内外概况
1.1.1本次设计研究目的
中国大部分地区,每年有较长时间降雪期,道路积雪给人民日常生活带来许多困难,有时甚至阻断交通。
随着高等级公路里程不断增加,及时有效地清除路面积雪已成为亟待解决、刻不容缓的问题,这一问题直接影响社会经济效益。
目前,国内除雪作业多由人工或其它代用机械完成,其劳动强度大,作业效率低。
进口外国先进的除雪设备,造价高且不适合中国国情;而用其它的代用机械如平地机进行除雪作业,则又浪费实用设备且对路面具有破坏性。
所以,尽快开发出低成本、高效率、且宜大面积推广应用同时要适合中国国情除雪设备,是一项紧急任务。
1.1.2本次设计研究的意义
由于冻结在道路上的积雪与薄冰,采用传统办法无法清除,为此只能采用人工除雪的方法。
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,且较多不符合国内的道路状况。
因此开发研制适合我国道路情况的集破冰除雪于一机的装置,具有重大的意义。
1.1.3有关清雪机国内外研究概况
（1）有关清雪机国内外研究概况
现在世界应用最常见的是溶解法和机械法。
溶解法的优点是除净率高，但是它的成本很高。
而且容易造成环境污染。
虽然环保型融雪药剂已经问世，对环境和植被的影响减少了，但是并未彻底根除。
因此使用范围受到一定限制。
机械法是通过机械作用直接作用解除冰雪危害。
尽管除净率较低，但是对环境和植被无任何影响。
能实现冰雪的异地转移。
应用范围比较广。
因此，众人认为清除冰雪必须以机械法为主，以溶解法为辅助，才能达到快速和环保的除雪效果。
我国对除雪机械的开发、生产都比较晚，因此还处于起步阶段。
目前，我国在除雪这方面所用的机械远远落后于发达国家。
国内的除雪机械不足主要体现在以下几个方面：
①技术水平低
②功能单一
③品种类型不全
（2）国内外在这个方面的发展方向：
加强对雪质、雪性的基础研究。
为了提高除冰雪机械的设计水平，需要对冰雪的力学性质和物理特性进行深一步研究。
特别是对压实冰雪的理论研究。
据有关资料研究：
压实冰雪占了很大的比率。
①向一机多能和机电液一体化方向发展
②向大型、小型和高速方向发展
③加强行业间的技术交流与合作。
走共同研发之路
1.2本设计预期达到的目标
采用雪地救援铲雪车铲雪车使冰雪在破冰刀刃的作用下破碎。
压磙与动力机大臂相连。
设计出包括铲及其连接机构。
根据部件画出装配图、部件图、零件图、总明细表。
设计时要保证相应构件的可靠性，所以要进行相应的力学分析、设计计算、方针模拟等。
对重要部件进行详细的运动学和动力学分析。
设计相关的软件。
通过这次设计，不仅可以温习大学四年所学知识，还要培养实践应用能力，锻炼实际的动手和全局的驾御能力。
这样对装载机和除雪机械有更深的认识，加强在此方面的设计能力。
1.3本设计研究内容、研究方法及技术路线
1.3.1雪地救援铲雪车的整体方案构想
雪地救援铲雪车是针对我国道路情况设计的破冰清雪除雪设备。
该设备主要由破冰作用的碾压辊构成。
该设备的主机架可与ZL40装载机直接联接。
该设备碾压辊固定在联架臂上,联架臂通过大臂与主机架铲接。
碾压辊上装有刀板,刀板上的刀条直接作用在冰面上,利用自身的重力和空气锤的振动的冲击力达到破冰目的。
1.3.2结构原理和计算要点：
雪地救援产铲雪车是利用前部安装的碾压辊上装有的刀板对雪进行切削，利用自身的重力和空气锤的振动的冲击力达到破冰目的。
（1）刀齿分布结构：
采用的铲雪车，材料用耐磨仿形材料。
按与地面平行布置在压磙上，前后两排刀齿位置错开。
（2）除雪机功率的计算：
除雪机所消耗的功率包括两大部分：
行走装置和工作装置所消耗的功率。
行走装置所消耗的功率可以参照一般自行式车辆的计算办法。
下面对除雪工作装置的所消耗的功率Na做一分析：
Na=Ne+Nf+Nr+Nd
其中：
Ne-----推雪板切削所需功率,KW
Nf-----克服雪与板面的摩察力所需的功率,KW
Nr----推雪板前雪堆移动所需的功率，KW
Nd----板刃与存雪地面间的摩察力所需的功率。
KW
（3）拟采用的研究方法
采用新旧技术相结合的方法。
因为有关装载机和除雪机构的研究在我国已经有了一定的进展，不过在很多领域还是与发达国家有一定的差距。
但近几年我们引进了很多先进的技术，特别是除雪机械方面的，加上我们的有关装载机和其他工程机械的研究知识，将这两方面的知识有机地结合起来，有重大突破，研制出适合我国国情的公路养护机械，这是集工程作业和除雪能力于一体的多功能机械产品。
（4）拟采用的技术路线
研究冰雪的物理和力学特性------查阅国内外有关装载机和除雪机械、机构的设计资料和最新进展------消化、吸收个方面的技术资料，并加以整理和创新------技术设计和整机设计。
1.4本课题实现的现有条件
国内外关于ZL40装载机的数据和文献资料的搜集较为方便。
在理论上和方法上具有很强的借鉴意义。
指导老师对我国这方面的情况有一定了解，有很深的理论和实践知识，为本课题的研究奠定了很好的理论和实证基础。
本人对于装载机和除雪机械有浅在认识。
1.5研究的主要内容和方法
本文针对路面上被压实的冰雪研究路面冰雪铲雪车。
方法是进行理论分析和计算，并重点进行实验研究。
具体研究内容如下。
1.5.1冰雪切削挤压破碎技术、总体方案
主要阐述冰雪的物理机械性质；根据所提出的对路面上压实冰雪进行挤压、切削、破碎的技术思想，分析铲雪车路面冰雪清除机基本原理并确定样机基本方案；分析整机的牵引平衡和功率平衡，确定路面冰雪清除装置的重量，进行整机匹配计算及分析。
1.5.2碾压滚型式和结构
主要阐述工作装置碾压滚结构型式研究和碾压滚参数。
1.5.3滚齿排列方式及刀刃几何参数
主要阐述齿刀在碾压滚上的排列方式；齿刀的数量和间距；齿刀几何参数确定。
1.5.4各主要零件的校核验算
主要是对齿刀的强度、销轴剪切强度、轴的强度以及轴承进行校核计算。
2路面冰雪清除机机理研究
2.1冰雪的物理机械性质
铲雪车的行走机构以及清除冰雪的工作装置与路面上的冰雪相接触。
冰雪的形成特性及其物理机械性质在很大的程度上决定着清除路面上冰雪的方法，要研究行走机构和工作装置与冰雪的相互作用关系，主要要分析冰雪的物理机械性质。
冰雪的基本特征之一是它的密度，其变化范围很大，如表2.1所示。
硬度是雪的物理机械性质的主要指标之一，表示冰雪阻止其它物体压入的特性，其数值是由它的密度和状态决定的，如表2.2所示。
雪的硬度、密度和温度之间存在着如图2.1所示的关系，温度越低，硬度越高；密度越大，硬度越高[4]。
后面对路面冰雪清除机的工作阻力以及牵引力进行计算时，需要知道雪的机械性质，表示雪的机械性质的指标通常是内外滑动摩擦、切削阻力、附着和行驶阻力这一系列系数。
表2-1雪的密度
雪的状态
密度（g/cm3）
新下的雪
落下30天的雪
大于30天的雪
密实的雪
冰雪混合
冰
0.10～0.15
0.20～0.30
0.34～0.42
0.40～0.60
0.60～0.75
0.90
雪的摩擦性质决定于它的内外摩擦系数。
根据雪的状态，它的内外摩擦系
数分别列于表2.3和表2.4。
表示雪的切削阻力的指标，一般是用切削阻力系数k0，它是切断横断面等于1㎡的冰雪层所必需的力，k0的大小载入表2.5中。
路面上积雪之后，大大地改变了路面的使用特性。
对于冬季养护道路的机器进行牵引计算时，必须知道机器沿着各种冰雪路面行走时的滚动阻力系数和
附着系数。
轮胎与冰雪路面间的附着系数
载入表2.6。
行驶阻力系数，一般较外摩擦系数大，因为它不仅产生摩擦，而且还挤压
雪。
轮式和履带式车辆的行驶阻力系数按表2.7选取。
表2-2雪的硬度
雪的状态
雪的密度（g/cm3）
当温度由-1～-20OC时雪的硬度（kPa）
松软的
弱密实的
密实的
很密实的
小于0.25
0.26～0.35
0.36～0.50
0.51～0.60
小于50
60～100
210～2000
380～3000
图2-1雪的硬度与密度和温度的关系
2.2路面冰雪清除机基本方案、原理
对于路面冰雪的清除，人们曾使用了各种清除原理和方案，这些原理和方案有的已在实际中使用，有的则还在探索和完善中。
针对上述情况，本文尝试提出了一种对路面上压实的冰雪进行挤压、切削、破碎的技术原理。
这一思想的来源可联想到金属切削加工，如铣床的铣刀切削
表2-3内摩擦系数μ2
雪的密度
（g/㎝3）
雪的温度（OC）
0附近
-1～-6
-10以下
0.12
0.20
0.30
0.40
0.47
0.56
0.24
0.30
0.35
0.40
0.42
0.45
0.29
0.33
0.39
0.44
0.47
0.50
0.34
0.36
0.46
0.50
0.53
0.57
表2-4外摩擦系数（对钢）μ1
雪的密度
（g/㎝3）
雪的温度（OC）
-2～-4
-16～-30
-1～0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.45
0.50
0.10
0.085
0.07
0.055
0.048
0.025
0.14
0.097
0.08
0.065
0.048
0.033
0.18
0.11
0.09
0.075
0.056
0.040
加工金属件。
根据这一思想，确定基本方案
首先选择一种汽车或自行式工程机械作为动力机。
在我国，由于冬季降雪时间占全年的三分之一，根据我国的经济发展状况，单独设计清除冰雪动力机一机一用，机械闲置时间太长，造成浪费。
为此，本文以装载机为动力机来研究清除冰雪工作装置。
根据冰雪挤压切削破碎这一思想，铲雪车工作装置可以由托架、带有刀刃的碾压滚组成，能够与铲斗互换，冬季除冰雪时取下铲斗换上该装置，清除被压实了的冰雪，其他季节装上铲斗，实现装载机的多功能使用。
作为动力机的装载机，我们可以选择现有的国产机型如ZL30、ZL40、ZL50装载机。
本文一ZL40这一装载机作为动力机进行研究计算。
其主要性能指标如下
表2-5雪的切削阻力系数k0
雪的状态
雪的密度ρC
（g/㎝3）
雪的温度（OC）
-1～-3
-4～-22
低于-22
天然状态
松软的
弱密实的
小粒冰雪形成密实的
大粒冰雪形成密实的
0.12～0.18
0.20～0.28
0.30～0.36
0.28～0.35
0.7～1.8
2.0～4.0
3.0～6.0
4.0～7.0
0.2～0.8
1.5～3.0
4.0～7.0
3.0～6.0
0.4～1.2
2.0～5.0
5.～10.0
5.0～9.0
人工状态
弱密实的
密实的
很密实的
0.30～0.40
0.45～0.52
0.55～0.65
5.0～12.0
10.0～25.0
20.0～35.0
8.0～25.0
15.0～40.0
30.0～80.0
5.0～35.0
30.0～80.0
70.0～130.0
表2-6轮胎与冰雪路的附着系数
雪的状态
轮胎类型
附着系数φC
密实冻结的雪
密实冻结的雪
密实解冻的雪
压实的冻结雪
压实的解冻雪
解冻的雪
低压胎
高压胎
低压和高压胎
高压胎
高压胎
低压胎
0.20～0.35
0.20～0.25
0.10～0.20
0.209
0.176
0.06～0.08
表2-7行驶阻力系数
雪的状态
雪的密度
g/㎝3）
阻力系数f
轮胎
履带
松软的
松软潮湿的
轻碾压的
碾压的
冰雪
0.15～0.25
0.15～0.25
0.25～0.35
0.4～0.6
0.7
0.2～0.25
0.3
0.15～0.2
0.08～0.1
0.06～0.08
0.2
0.2
0.1
0.05
0.07～0.1
额定斗容量（m3）2.1
额定装载质量（㎏）4000
整机操作质量（㎏）12500
轴距（㎜）3020
轮距（㎜）1980
最大崛起力（kN）136.0
最大牵引力（kN）110.5
水平通过半径（mm）6322
转向半径（mm）5686
发动机型号X6110ZG3-22
标定1h功率（kW）113.9
额定转速（r/min）2200
行驶速度（km/h）Ⅰ:
14.46Ⅱ:
46.35
最大爬坡能力（°）30
车体最大转向角（°）左、右各38
本次设计基本方案如图2.2所示，由托架、带有刀刃的碾压滚组成的冰雪清除工作装置替换铲斗，碾压滚上的滚刀破冰，司机控制滑靴调节滚刀切入一定深度，以免损伤路面。
图2-2路面冰雪清除机方案
动力机在行走的过程中带动碾压滚滚动。
碾压滚滚动时，由于碾压滚上带有刀齿，碾压滚靠自身的重量，附在冰雪面上，刀齿切入经碾压后形成的很厚的冰或冰雪混合物后，对其产生挤压切削破碎作用。
装载机最主要的优点是可以根据实际需要更换工作装置。
路面冰雪清除机的关键部件是它的工作装置。
该装置由两部分组成，即：
托架和带有刀刃的碾压滚。
碾压滚形状是圆柱形，碾压滚上用螺栓有一定数量的刀齿，刀齿与圆柱面形成一定的角度。
装载机启动前，碾压滚靠自身的重量附着在冰雪面上，同时对冰雪面产生压力，启动后由于装载机的牵引力，推动碾压滚向前滚动。
由于压力的作用，刀齿产生切削力切人冰雪层内。
由于滚动是连续的，所以刀齿对冰雪层产生了连续的切削挤压，使冰雪层破碎并与地面分离。
当地面冰雪层很硬很厚时，碾压滚自身的重量对冰雪产生的压力使刀齿产生的切入力不够大，清除冰雪效果可能不是十分理想。
这时应该考虑：
（1）在冰雪清除工作装置滚筒内部加配重，装置对冰雪的压力加大，刀齿的切入力也加大。
（2）通过司机操纵转斗油缸动作减小或加大对冰雪的切削压力。
当操纵转斗油缸使装载机前轮离地时，装置产生对冰雪最大压力，此时除装置本身重量外，动力机机重的一半亦加在了冰雪清除装置上，使刀齿产生较大的对冰雪的切削力。
2.3整机分析及装置重量的确定
2.3.1整机的组成
路面冰雪清除机的总体分析和设计就是根据其用途合理地选择和确定各总成的结构型式、性能参数及整机尺寸等，并进行合理的布置。
本次设计由于是把ZL40E装载机作为动力机，所以需要考虑的是把清除冰雪装置与动力机有机的结合在一起。
路面冰雪清除机主要由两部分组成（见图2-2）：
1、动力机（装载机）2、清除冰雪装置（托架、带有刀刃的碾压滚）。
机器的性能不但取决于动力机、清除冰雪装置各自性能的好坏，而更重要的是取决于这两部分性能的相互协调。
性能的协调如何，则取决于总体参数及整机匹配情况及其布置的合理性。
针对前述的基本方案并考虑动力机的基本参数，确定本设计中路面冰雪清除机的主要性能指标如下：
1）最大清除冰雪厚度：
不小于100mm；
2）单程清除冰雪宽度：
2268mm；
3）作业速度：
16～47km/h；
4）清除冰雪效率（按面积计算）不小于95%；
5）冰雪清除装置质量（最大配重）3600kg；
6）整机质量（最大）12500kg。
2.3.2清除冰雪装置重量
冰雪清除装置替换掉ZL40E装载机铲斗。
装置与铲斗的工作状况不同，其计算工作阻力的方法也不相同。
铲斗在工作时，受到来自前方土壤的阻力，作用在斗刃、斗底、侧板这些部位，由公式计算。
本次设计的冰雪清除装置随装载机主机一边向前滚动，一边切削地面上的冰雪，其受到的阻力大小和重量的确定与铲斗不同。
铲雪车清除装置重量的确定主要有三个基本要求：
（1）装置的重量不得大于动力机（原装载机）的额定起重量Q（kN），否则机器将
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