小型除雪机结构设计.docx
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小型除雪机结构设计
小型除雪机结构设计
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第一章绪论..........................................................1
1.1除雪机的背景分析..................................................1
1.2除雪机现状........................................................2
1.3本课题的研究目标..................................................4
1.4本课题研究内容和方法..............................................4第二章方案选择与结构设计..............................................5
2.1总体方案的几种组合及比较..........................................5
2.2小型转子式清雪机工作原理简述.......................................5
2.2.1基本结构.........................................................5
2.2.2工作原理.........................................................6
2.3原动机的选择......................................................6
2.4传动方式的选择....................................................8
2.5集雪器的设计......................................................9
2.6抛雪转子的设计.....................................................9第三章传动机构的设计.................................................10
3.1动力参数的计算...................................................10
3.2皮带传动的计算校核..............................................11
3.3传动齿轮的设计与校核.............................................17第四章各轴的结构与尺寸设计...........................................19
4.1中间传动轴的设计..................................................19
4.2绞龙螺旋轴的设计..................................................19
4.3小带轮轴的设计...................................................20
4.4转子轴的设计.....................................................20
4.5各轴的强度校核...................................................21谢辞..................................................错误～未定义书签。
参考文献...............................................................24
第一章绪论
1.1除雪机的背景分析
我国地处北半球，亚洲东部、太平洋西岸，幅员辽阔，气候类型复杂多样。
北方地区冬季普遍降雪，由于冬季季风气候特别强盛，降雪的南限纬度大致在北纬24度，比世界上同纬度的任何大陆都要低。
各地降雪初期与纬度和地形有关，一般说来，降雪初期从北到南推迟;终雪期第二年从南向北推迟。
北方地区的冬季降雪后如果清理不及时，将对交通造成不便，多数情况下地位为松散积雪，或呈半融化状态的积雪，会形成一层雪水混合物，单凭人工清扫非常吃力。
这几年西部地区公路事业的发展比较迅猛，中西部地区所占比重虽然较少，但增长速度快，有的年份是成倍增长的。
这些地区也是降雪较多的地区，加上东北等地区，全国需要除雪的公路里程占全国的近一半。
随着交通运输量的迅猛增长，冬季降雪对交通的影响已成为一个不能忽视的问题。
目前，我国高速公路在建设之初大多都已配套引进了国外大型的专用除雪设备，而其他等级公路和城市道路的除雪主要还是靠人工。
因此，可以说我国的冬季除雪技术市场还是一个空白。
目前，世界各个国家除冰雪的方法中，应用最普遍的是溶解法和机械法。
溶解法是依靠热作用或撒部化学药剂使冰雪融化。
其优点是除净率高，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。
虽然除净率较低，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，多数人认为:
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。
国内的除雪机械虽然有了很大的发展，但其总体水平与发达国家相比，产品品种及性能都还有很大差距。
适应不了我国高速公路的发展的需求，主要体现在以下几个方面:
（1）技术水平低，除雪机械在结构设计、制造工艺、零部件供应和使用管理等方面都存在技术水平低的问题。
致使除雪机械可靠性差、故障多、寿命短。
（2）功能单一。
除雪机械具有明显的季节性，如果功能单一，只能用做除雪和除冰专用，那么，机械一年中大部分时间处于闲置状态，大大增加了除雪的成本。
加重了公路养护部门的负担。
1
（3）品种类型不全。
与国外相比，现在有不少除冰雪机械在国内还是一片空白。
现有的除冰雪机械无法满足公路和大型机场的除冰雪的要求。
1.2除雪机现状
（一）除雪方法及除雪机类型介绍
目前，世界各个国家除冰雪的方法中，应用最普遍的是溶解法和机械法。
溶解法是依靠热作用或撒部化学药剂使冰雪融化。
其优点是除净率高，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。
虽然除净率较低，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，多数人认为:
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。
图1为除雪前后视图。
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，我国的城市道路和公路冬季除雪大部分仍沿用传统的养护方式，即人工作业和小型的除雪机械相结合的方式。
高速公路和一级公路开始使用大型专用除雪机械，进行冬季养护。
但是，除雪机械在数量和品种规格上还很少，所以除雪设备大部分依赖进口。
机械化程度和总体水平远远落后于发达国家。
只是最近几年国内的厂家才参照国外的先进技术研制了适合我国国情的除雪机械。
（二）除雪机的类型
综观国内外的除雪机械，其类型总的来说有三种类型:
1、犁式除雪机
犁式除雪机的工作装置一般安装在主机的前端，是所有除雪机中应用最为广泛、起源最早的除雪设备。
主要使用于未被压实的新降集雪，其厚度为300mm以下。
犁板有整体式和分段式，有V型犁和U型犁之分。
其特点是:
多数采用了双摇杆机构，避让效果明显，越障高度较大，环境适应性强，可以在硬质雪区工作。
有的还增加了滑靴和滚轮等装置，用来减少或消除铲刃对地面的作用力，保护了地面，减少了刀刃的磨损。
具体类型有:
（1）单向犁-----除雪犁以固定角度装在除雪车前部。
2
（2）V型犁-----主要结构和工作原理与单向犁相同，只是结构呈左右对称，形成V形。
（3）变角度犁------指犁的排雪方向和行进角度可以改变的除雪机械。
（4）复合犁------又叫铰接雪犁，采用两翼结构，中间垂直铰链可以自由改变形状，形成单向犁、V型犁、变角度犁等犁形。
比较典型的产品有:
徐州装载机长的专利产品------调压自动越障式除雪装置。
郑工、柳工和沈阳山河等厂家生产的ZL50型除雪机。
由于该类除雪机械拥有结构简单、性能可靠、价格低廉等特性，因此受到广大用户的认可，得以广泛的使用。
2、旋切式除雪机械
旋切式除雪机械工作方式为自行式和悬挂式两种。
主要有离心式物料风机、风道、抛雪筒、护板和螺旋型集雪器等部分组成。
结构相对比较复杂。
工作时借助主机或者专用底盘的动力，驱动风机做高速旋转运动，将集雪器聚拢的雪由风道、抛雪筒抛出去。
抛出距离和角度可以根据需要自己调整。
在清除雪障时旋切式除雪机械有明显的优势。
但是无法清除压实的积雪。
具体类型有:
（1）螺旋式-----螺旋轴鼓上的叶片呈左右旋向，左右旋向的叶片在轴线中部结合形成U形抛雪槽，U形抛雪槽低部稍微向后倾斜，内侧光滑，工作时轴鼓上的叶片刀刃切削破碎积雪，并将积雪集中送到中部U形槽内抛出。
（2）转子式-----主要以清除新雪为主要作业对象。
转子叶片可以完成切雪、扒雪和抛雪。
（3）单螺旋转子式-------有转子和一根螺旋组成。
螺旋水平布置在转子前，螺旋叶片作成左右旋向，当螺旋周转动时，把两边的积雪送到中间，再由转子抛出。
（4）双螺旋转子式-------双螺旋转子式的工作装置的两螺旋上、下平行地置于转子前面。
（5）立轴螺旋转子式-------该工作装置将螺旋竖放在转子两侧，螺旋叶片为左右旋向，工作时雪的移动方向为上下运动。
主要机型有:
哈尔滨开达公司生产的抛雪式除雪机和吉林大学研制的CX-30型除雪机。
3、扫滚式除雪机械
扫滚式除雪机械工作方式为自行式和悬挂式两种。
在主机或者专用底盘的动力作用
3
下，驱动扫雪滚和扫雪盘做高速旋转运动，扫雪滚和扫雪盘上的柔性强力扫雪刷，将路面积雪卷起使之脱离地面，在高压空气的作用下吹向路边。
该式除雪机械主要适合于较薄的或者是犁式除雪机械工作后的残留积雪。
即使路面凸凹不平也可以获得无残雪的除雪效果。
（三）国内除雪机的发展及不足
国内的除雪机械虽然有了很大的发展，但其总体水平与发达国家相比，产品品种及性能都还有很大差距。
适应不了我国高速公路的发展的需求，主要体现在以下几个方面:
（1）技术水平低，除雪机械在结构设计、制造工艺、零部件供应和使用管理等方面都存在技术水平低的问题。
致使除雪机械可靠性差、故障多、寿命短。
（2）功能单一。
除雪机械具有明显的季节性，如果功能单一，只能用做除雪和除冰专用，那么，机械一年中大部分时间处于闲置状态，大大增加了除雪的成本。
加重了公路养护部门的负担。
（3）品种类型不全。
与国外相比，现在有不少除冰雪机械在国内还是一片空白。
现有的除冰雪机械无法满足公路和大型机场的除冰雪的要求。
1.3本课题的研究目标
北方地区的冬季降雪后如果清理不及时，将对交通造成不便，多数情况下地位为松散积雪，或呈半融化状态的积雪，会形成一层雪水混合物，单凭人工清扫非常吃力，针对此种情况设计一种适合冬季铺装路面使用的除雪机器，除雪过程中不能对路面造成破坏。
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。
并要求用计算机软件对重要部件进行CAD、CAXA等软件的二维绘图。
1.4本课题研究内容和方法
针对路面上被压实的冰雪研究路面冰雪清除机械。
方法是进行理论分析和计算，并重点进行实验研究。
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。
4
第二章方案选择与结构设计
2.1总体方案的几种组合及比较
方案一:
利用吹风的方式，从鼓风机里吹出的高速气流将积雪吹到路边，吹雪式清雪车运行速度较高，有很高的生产率，但它只适用于新鲜雪，对于压实的积雪或冰层无能为力，只能在机场、桥梁和高速路上应用，成本很高，不适合开发小型产品。
方案二:
利用一个置于清雪车前部的铲子，随着清雪车的不断前进，将积雪推至路的一边。
推移式清雪车只能将积雪推到路边，不具备集雪能力，且只适用于新鲜雪或破碎后的压实雪，效率较低，容易划伤地面。
方案三:
利用机械传动的方式，由集雪器先将积雪搅碎，并输送至一个高速旋转的叶轮，将其抛到路边。
螺旋转子式清雪车适用范围广，无论是松散雪、压实雪清雪效果和效率要比前两方案好，而且这种方案设计，设计出的产品体积小、成本低、操作方便灵活，适用于道路窄的地方。
因此选用第三种方案。
2.2小型转子式清雪机工作原理简述
2.2.1基本结构
绞龙螺旋转子式清雪机的结构，主要由原动机、传动装置、抛雪器、集雪器和车体等五个部件组成:
（1）原动机:
通常选用汽油机或柴油机提供动力。
（2）传动装置:
传递运动与扭矩。
（3）集雪器:
由集雪螺旋、挡板和推雪板等组成。
（4）抛雪器，由抛雪筒、抛雪转子等组成。
（5）车体及行走装置，支撑连接其它部件，并具备行走功能。
集雪器收集切削积雪，并将处理后的积雪送入抛雪器。
抛雪器将积雪沿抛雪筒抛掷到指定位置。
5
图1-1清雪机的结构示意图
2.2.2工作原理
清雪车由车体和安装在它上面的原动机、传动装置、集雪器以及安装在集雪器上的抛雪器组成。
当人以一定速度推动小车时，积雪从前方不断进入集雪器中，集雪器由反向安装的双向螺旋轴、推雪板和挡板组成，由于螺旋轴的高速旋转，积雪被切碎并通过双向螺旋的横向位移迅速集中于集雪器中部抛雪转子室的入口处，随车体的前进而进入转子室，在转子叶片的带动下，被不断沿抛雪筒抛出到指定位置。
2.3原动机的选择
除雪功率的计算
除雪机所消耗的功率包括两大部分:
行走的装置和除雪装置所耗的功率。
NNNN,，，a123
N-推雪板作业所需功率1
N-螺旋铣削集雪器所需的功率2
N-抛雪转子抛雪的功率3
NNNNN=，，，1.1crfd
N-推雪板切雪所需功率c
6
N-推雪板前雪堆运移所需功率r
N-克服雪与板面摩擦阻力功率f
N-与地面的摩擦阻力d
N、N忽略不计，所以NNN=，fd1cr1）Nk,,,,，，，hBv=5220305530w=0.25839kwcc
式中:
k单位面积的切削阻力，KNc
h-平均切雪厚度，cm
B-切雪板厚度，cm
v-行走速度，cm/s2）NVrvtgtg==70.10.30.351=0.18373,,,，，，，,r
3式中:
V-推雪板前雪堆的体积，cm
3r-雪的密度，g/cm
-雪的内摩擦角
螺旋铣削集雪器其螺旋线和受力是一个空间三维体系。
设雪堆单位面积上的压力与
雪的变形阻力相平衡，并且雪为连续流体介质，更方面变化速度均匀，流量Q=l?
h?
v
2.螺旋集雪器消耗的功率计算
2N=0.735[0.0133+0.042（d-40vn）cosa+0.0133sinacosaKFq]，，,2111p
μ-雪与钢板间的动摩擦系数。
V-机械行走速度。
P-螺距s=0.064m,d-螺旋直径d=0.256m11n-螺旋转速，f-冰雪压缩破坏阻力1
Q-除雪量
0.080.32N=0.735[0.0133+0.042（0.45-40）cos31+0.01330.08sin31cos310.6，，，:
，:
:
，20.2790
4-27.5106.310，，，，
=0.9907
7
rQ3）NVR=cos,,,,,311f2g
-20.036.310，，=160.145cos6317，，，:
，210，
故整机消耗的总功率
Na=N+N+N=0.25839+0.18373+0.9907+1.69=3.12282kw123
原动机的选择
动力采用微型发动机，根据除雪所消耗的功率选用海仁品牌的柴油机，详细参数如下:
型号:
DG5000，输出功率:
4.2kw，额度电流:
19A，频率:
50/60HZ，转速3000r/min，如下图:
图2-1柴油机参数
2.4传动方式的选择
1.传动方式
首先由一个带传动将汽油机输出，传递到中间传动轴。
传动轴一部分通过同级带传动传动到单级圆锥齿轮减速器处，通过另一个锥齿轮与抛雪转子相连。
另一部分通过带传动与集雪绞龙连接。
人推动清雪机向前运动清雪。
2.车体的设计
车体的作用是固定连接集雪器、汽油机等零部件，并具备行走功能。
其主体采用r=5mm的角钢焊制而成，并包括扶手，车轮等附件。
车体前段用焊接固定连接集雪器，汽油机和减速器直接固定在机架上，柴油机后置减少自重。
机架由车轮轴载重，前部设计两个万向小车轮，一方面可以分担一部分重量，另一方面可以改变除雪车前进的方向。
8
2.5集雪器的设计
集雪器亦称为螺旋集雪器，配置在整机前方，左右对称旋向相反，是对路面积雪的切削元件和将积雪向中央集拢的传送工具，使雪从集雪器中部流入抛雪转子。
图2-2小型清雪机螺旋绞龙
集雪器螺旋线的方向为左螺旋和右螺旋各半，分置于两侧，通过气快速旋转时的横向位移将雪推向中间。
在转子清雪机中，集雪螺旋设计成带状或叶片状焊接在轴套上，轴套与轴用螺栓固定，也可以直接焊在轴上，不过一定在焊接之前一定要在焊接之前将轴清理得干干净净，这样才能将螺旋集雪器固定牢固，保证集雪期的稳定。
当螺旋角小
3B于45度时，刀片顶端直径,，式中B工作宽度近似等于除雪宽度，去除雪宽度D,,2
DnL=700mm，经计算=450mm，集雪螺旋转速必须满足生产率，即单位时间内集雪器最,j
2,Dns460，lhvj,,QQn大集雪量，整机除雪量Q=l?
h?
v，所以，越大，转速n,jjj2460，,Ds
23也越快。
集雪量Q=l?
h?
v=0.7×0.3×0.3=6.3×10m/s。
根据结构，螺旋角为31度，螺距为0.064mm,轴径为76mm。
2.6抛雪转子的设计
螺旋集雪器配置在整机前方,左右对称旋向相反,是对路面集雪的切削元件和将积雪向中央集拢的传送工具,使雪从集雪器中部流人抛雪转子。
抛雪转子的工作过程,可比作叶片式鼓风机,而将雪看作小颗粒工质。
积雪经螺旋集雪器传送到转子前方,由
9
于高速旋转着的转子产生内外气流速度压力差的作用,使积雪进人高速旋转的转子中,并迅速充满转子叶片间的空间。
进入转子的雪在离心力的作用下,沿转子径向叶片端部运动,并被推压到转子壳体内的圆弧表面,随转子叶片作旋转运动,到达抛雪口时便被抛出。
转子壳体内表面上的雪抛出速度,等于叶片顶部的圆周速度。
其他雪粒沿径向移动,从转子抛出的绝对速度等于其出口时的径向速度和叶片顶部圆周速度的矢量和。
主要参
t数有叶片卸载角,、叶片外径R和工作长度、转子抛雪生产能力Qt和抛雪距离L。
gx
图2-3抛雪转子外形图
第三章传动机构的设计
3.1动力参数的计算
1、计算各轴运动及动力参数，
0轴:
即柴油机轴P=P=4.2kw0r
n=3000r/min0
T=9549P/n=95494.2/3000=13.37N?
m，011
?
轴:
即中间轴P=P=P,=4.20.95=3.99kw，，，00101带
n=n/i=3000/2=1500r/min0011
10
T=9549P/n=95493.99/1500=25.40N?
m，111
,?
轴:
即锥齿轮低速轴P=P=4.20.960.97=3.91kw，，，，21承齿
n=n/i=1500/2.3=652r/min2112
T=9549P/n=95493.91/652=57.27N?
m，222
,?
轴:
即锥齿轮高速轴P=P=3.910.970.96=3.64kw，，，，32承齿
n=n/i=6523=1956r/min，3323
=9549P/n=21.77N?
mT333
?
轴:
即搅龙输出轴P=P=3.910.95=3.71kw，，34链
n=n/i=6521.08=704r/min，4224
T=9549P/n=9549*3.71/704=52.36N?
m444
图3-1整体布局图3.2皮带传动的计算校核
3.2.1皮带传动1:
1、确定设计功率P，由表查得工作情况系数K=1.1，故cA
11
P=KP=1.14.2=4.62kw，cA
2、选取V带型号，根据P，n由图3-12确定工作点处于A型区，故选A型。
c0
3、确定带轮基准直径d，dd1d2
（1）选择小带轮直径d，d小，则传动所占空间小，重量轻，但d太小，则弯曲应d1d1d1
力太大。
所以d>=d，并取标准值，查表得A型d为75mm，所以取d=80mm。
b1d1dmindmind1
（2）验算带速v=dn/（60*1000）=9.21m/sd10
普通V带的速度一般要求在5—25m/s范围之内。
故选择的带的速度符合要求。
（3）确定从动轮基准直径dd2
d=id=2*80=160mmd2d1
4、确定V带的基准长度L和传动中心距ad
根据0.7（d+d）<=a<=2（d+d），初步确定中心距:
0d1d2d1d2
a,200mm0
带所需的带的长度:
2,,=,a，（d+d）/2，（d-d）,,a00cd1d2d2d1
784.8mm
根据L，查表选取接近的基准长度L=800mm。
cd
确定中心距a，由于V带传动中心距一般均设计成可调的，故a=a+（L-,）/2=208mm0dc
调整范围:
a=a+0.03L=208+0.03*800=232mmdmax
a=a-0.015L=208-0.015*800=196mmdmin
:
:
:
:
5、验算包角,:
=180-（d-d）*60/a=180-（160-80）*60/208=157>120，符合要求。
d1d2
6、确定带根数z:
单根V带所能传递的功率
P'=K（P+ΔP+ΔP）kW0a012
-,1/180包角系数K=1.25（1-5）=0.9317a
12
-4由表查得:
c=3.78*101
-3c=9.81*102
-15=9.6*10c3
-5c=4.65*104
=2n/60=230.3rad/sω,11
2d1由公式得p=d*ω[c-c/d-c（dω）-clg（dω）]03d1d1d1112141
=3.54ΔP=cdωlg{2/[1+10c（1-s）/scd]}=0.068d1d114124
ΔP=cdωlg（L/L）=-0.034d0d1241
P'=K（P+ΔP+ΔP）=3.330a012
V带根数z
z=P/P'=2.64，取z=3
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