新型破冰除雪机设计与试验①

刘喜平， 刘春香， 闫晓丽， 王 杰

(1.黑龙江工程学院黑龙江哈尔滨150050;2.长春设备工艺研究所，吉林长春 130000;2.大庆外事服务职业高中，黑龙江大庆 163000)

0 引言

我国大部分地区地处北温带，冬季气候寒冷，尤其是我国东北、华北和内蒙东北部的大部分地区降雪期长达3 ～5 个月，且雪量大[1，2].随着我国公路建设的蓬勃发展，特别是北方交通运输的发展，冰雪路面对行车的安全及迅捷性有很大的危害.每年道路冰雪人们的出行带来诸多不便，给多个国家带来重大损失[3].2005年11月，德国西北部因冰雪灾害导致2000多起交通事故，直接经济损失达1108欧元.据不完全统计，2010年～2011年仅湖南、贵州、四川三省因冰雪灾害而引发的恶性交通高达8起[4].除雪作业机械化对提高车辆的运输效率和避免交通事故的发生，减少经济损失具有重大意义[5].

根据除雪机械工作原理的不同可以把除雪机分为推移式、螺旋抛投式、滚压式、铲剁式、锤击式5 种[6，7].国外除雪机的研发较早，发展迅速，技术成熟，但价格较为昂贵，[8～10]而我国除雪机的开发与生产较晚，技术还不够完善，尤其是破冰除雪机械的发展缓慢，目前我国除雪机存在作业速度低，避让功能不理想，除净率低，功能单一的问题[11～14].针对这些问题本文文研制了一种集破冰、清雪功能、避让性能优越、除净率高的破冰除雪机.

1 除雪机的设计及工作原理

1.1 破冰装置的设计

道路上的冰层非常坚硬，不易纵向变形，但其破断强度较低，其在不同温度下的物理特性(强度)如下:

温度t的范围为－5℃ ～－40℃，在一般条件下冰的安全系数K=3.0.

(1)抗拉强度σH:

(2)抗压强度σT:

(3)抗剪强度σS:

(4)抗折强度σR:

经过上述分析可知冰的抗压强度和抗拉强度较小，北方沥青路面的抗压强度为 σ沥=260Mpa[1].而冰或压实雪与路面的附着力随着温度的降低也越来越小，可以忽略不计.因此破冰可从抗压强度和抗拉强度这两个方向入手设计破冰装置，设计的破冰机构如图1所示，楔形刀片与刀链上的链节装配如图2所示.

图1 破冰机构

破冰机构由支架、轴承座、从动链轮、刀链、楔形刀片、驱动链轮等组成，驱动链轮6和从动链轮3通过轴承座2安装在支架1上，刀链4为特制的具有安装刀座的链条，楔形刀片5通过螺栓将其安装在刀链4上.驱动链轮6的旋转带动刀链4做周向转动.当刀片与冰层或压实雪接触时，由于冰的抗压强度较小，刀片很容易进入到冰层或压实雪中，随着切入深度的增加，刀片的楔形截面对冰层或压实雪产生挤压作用，同时旋转的刀链对冰层或压实雪产生推拉的作用，由于冰和压实雪的抗拉强度较小，很容易使冰层或压实雪产生横向位移和变形，进而发生脆性断裂和剥离，从而实现破冰清雪的目的.

图2 楔形刀片与链节装配图

1.2 破冰除雪机的设计

在多数情况下由于不能及时清除道路积雪，道路积雪被踩踏挤压或经过反复融化和冻结形成了冰层、冰雪混合物或者压实雪.这种冰雪混合物很坚硬，与松散积雪相比更难清除.本文应用破冰机构设计了一种新型的破冰除雪机，破冰除雪机的结构如图3所示.

破冰除雪机由集雪装置、悬挂架、十字联轴器、液压马达、链传动机构、柔性避障装置、破冰机构等构成，集雪装置1固装在悬挂架2上，破冰机构7通过4个柔性避障装置6连接到悬挂架2上，柔性避障装置6主要工作部件为弹簧，液压马达4通过螺栓固接在悬挂架2上，液压马达4的动力通过链传动机构5将动力传输到其下方的破冰机构的驱动轮上，各个破冰机构的驱动轮通过十字联轴器3连接来传递动力.工作时将破冰除雪机悬挂在XG920T型轮式装载机前，并将液压马达的油管连接到装载机的液压系统中，除雪机正常运转工作时，破冰装置清楚路面的冰层、冰雪混合物或者压实雪，破冰机构与集雪装置协同工作，利用集雪装置将碎冰雪清理成堆.当道路上有障碍时，柔性避障装置6便起作用，弹簧被压缩从而避过障碍物，避免破冰机构的损坏，当破冰机构越过障碍物时，弹簧恢复原形，破冰机构继续进行除雪破冰作业.

图3 破冰除雪机

破冰除雪机设计有破冰机构、冰雪收集、柔性避障及减震等装置.实现压实雪、薄冰冻层快速破碎并收集的工作，并充分的考虑了道路中可能出现的各种情况，这样大大减少了机械对路面的破坏及设备的保护.同时破冰除雪机还能够清楚新鲜积雪，实现一机多用，达到高效、彻底、经济、适用的工作要求.

2 除雪功率计算

除雪机功率的确定对牵引车辆的选择提供了可靠的依据，既能避免动力的不足又能避免动力的浪费，因此除雪机功率的确定具有重要意义[1].

2.1 除雪机主要技术参数

(1)除松散雪速度:25～30km/h;宽度:2 m;

(2)除硬(压实)雪速度:8～10km/h;宽度:2 m;

(3)单程除冰速度:4～6km/h;单程除冰宽度:2 m;

(4)除雪厚度:10～100 mm;

(6)除雪效率:90%以上;

(7)避障高度:40mm;

(8)外形尺寸(l×b×h)(m):2.15×2.33×0.6

2.2 除雪机功率计算

(1)破冰机构功率计算破冰机构的阻力Fp为

式中:h为除雪厚度，0.03m;s为除雪断面积，m2;ρ为积雪密度，600kg/m3;v为除雪机行走速度，2.8m/s;θ为行进角，30°;θc为道路坡度，0°;Wp为除雪机质量，700kg;μf为刃口与路面摩擦系数，0.1;η为动力传送效率，0.9;τ为抗断应力，pa;H为压实雪的抗压强度，pa.

抗断应力公式为

破冰功率计算公式为

(2)集雪装置功率计算

式中:NJ为推雪板作业所需功率;Nr为集雪板前雪堆移运所需功率;Nf为克服雪与板面摩擦阻力所需功率;Nd板刃与存雪地面的摩擦阻力所需功率.

由于雪与钢的摩擦系数很小，所以在计算时和可以忽略不计，则集雪装置所需功率可简化为

集雪板前雪堆移运功率公式为

式中:V为集雪板前雪堆的体积，0.42m3;r为雪的密度，100kg/m3;θx雪的内摩擦角，51°

(3)除雪总功率

除雪总功率为破冰机构功率与集雪装置功率之和，

可见除雪时只需要牵引车辆提供20.1KW的功率即可，XG920T型轮式装载机的额定功率为64KW，选用XG920T型轮式装载机的底盘可行.

3 试验研究

除雪机的一项重要指标是除净率，除雪机的除净率以残雪量表示，一般以除净面积与应清除面积之比表示.影响除净率的因素包括道路的路面状况以及机器本身的结构[15].路面的不平自然会影响机器的除净率，设计的机器要能够适应不同的外部条件.为了检测除雪机的可行性及除净率，对除雪机进行了试验研究.试验路面分别为哈市公滨路段及幸福乡公路，哈市公滨路段的积雪厚度为10mm，积雪平均密度为600kg/m3，试验里程为0.1km，路况较好，路面有小面积结冰和硬质积雪;幸福乡公路的积雪厚度为30mm，积雪平均密度为550kg/m3，试验里程为0.1km，路况复杂，路面有井盖、道钉、坑槽等，大面积结冰和硬质积雪.试验结果列于表1中.

从试验结果中可看出，除雪机能够可靠运行，除净率能够达到设计要求.试验中发现除净率随车速的增加而降低，随避障高度的增加也呈现下降趋势，这主要由于行驶速度越快，避障时破冰机构的反应越大，在空中停留时间越长，从而影响除雪效率;障碍物附近的区域除雪机无法清除，障碍物高度越高影响区域越大，所以随避障高度的增加除净率呈现下降趋势.

表1 试验结果

4 结论

(1)根据冰的力学特性设计的破冰除雪机能够可靠运行，在8 km/h除净率高达90%，且除雪机的避障性能良好.

(2)破冰除雪机的除净率随车速及避障高度的增加均呈现下降趋势.

(3)除雪机除雪时只需要牵引车辆提供20.1KW的功率即可.

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