集成钢丝绳切削式除冰刷设计

王 旭，王会春，储江伟，李洪亮，彭 敏

(1.东北林业大学交通学院，哈尔滨 150040;2.黑龙江省高速公路管理局，哈尔滨 150040)

东北是我国降雪的主发生区。受天气变化和降雪区域不同的影响，积雪的存在形式主要有疏松性、致密性、水雪复合型和冰雪复合型积雪［1］。随着交通路网的不断发展，全国需要清雪的道路总长度占全国道路的一半［2］。尤其在城市，冬季降雪对交通的影响已经到了不容忽视的地步。城市道路的冰雪根据其密度和含水率不同可分为自然积雪、压实积雪和融冻冰雪3种［3］。道路经常因积雪堆积路面导致阻塞交通，而降雪后路面积雪得不到及时清理，经过车辆碾压后形成坚硬的压实积雪或者融冻冰雪。虽然道路除雪设备是清理道路积雪最有效、最环保的方法，但传统除雪设备对坚硬的压实冰雪和融冻冰雪无法清理，给民众的出行带来诸多安全隐患［4］。因此，急需一种新型除雪设备来满足城市除冰除雪的需要。

1 冰与冰雪路面特点

冰是一种复杂的脆性材料，它的硬度随温度的降低而升高。冰的抗压能力远大于抗拉强度，冰在受到破坏时根据受力情况和结构不同可发生大范围崩裂、局部破碎和弯曲破坏。根据冰材料的复杂性，即在不同的应变速率下表现出不同的破坏特性［5］，如图1所示。冰在应变速度大于130 mm/min时受到的破坏为脆性破坏，产生大面积碎裂。

图1 冰材料在不同应变下形状改变形式

在路面上的冰和江河中的冰不同。路面冰主要由于积雪融冻、车辆碾压等原因形成。在主要交通路段，路面结冰积雪一般不超过几厘米［6］。而其中又夹杂着直径0.1～0.5 mm的气泡和大量的尘土颗粒，其硬度和材料结合性比一般冰要低。我国规定一般条件下冰的抗压强度为750 kN/m2。

2 切削式除冰原理

目前，国内的切削式除冰设备是一大空白，现有的除冰设备大多采用高压力压碎冰层或者用铲车铲除冰面。这2种方式不仅机械效率较低，还会对路面产生严重破坏［7－14］。本设计采用切削式的除冰方案，即用钢丝绳的端面对冰雪进行高速切削式清除，如图2所示。

图2 崩碎切削示意图

冰材料属于硬脆材料，切削时未经塑性变形即被挤裂，发生崩碎切削。由于钢丝绳的硬度远大于冰的硬度，因此，采用柔度可调的钢丝绳作为切削刀具。

2.1 切削速度vc

切削速度公式:

式中:vc为切削速度(m/s);dw为刷头直径(mm);n为刷头转速(r/min)。

受到速度大于130 mm/min的应变时，冰材料发生脆性破坏，此时的除冰效果最佳。考虑实际除冰工作情况，除冰刷的刷头直径设计为0.5 m，刷头转速确定为300 r/min，切削速度为282.6 m/min。

2.2 进给量

工件或刀具每转一周时，刀具与工件在进给运动方向上的相对位移量为进给量。在除冰刷工作时切削进给量可以用除冰机具的前进速度来表示。背刀吃量可不考虑。

3 集成钢丝绳切削式除冰刷结构

3.1 总体结构

本设计主要针对路面压实积雪和薄冰难以清除而且对行车安全影响最大的情况，以选定的半刚性切削式路面薄冰清除原理和方法为基础。对集成钢丝绳切削式除冰刷的刷盘进行设计，刷盘采用多根钢丝绳组合，以钢丝绳端面为切削刀具，对压实积雪和融冻冰雪以切削的方式进行清除的方案。此外，在对薄冰的清除效果上，不仅可以有效清除路面光滑的薄冰，还可以通过刷头的切削作用有效破坏薄冰光滑的平面，起到防滑的作用。除冰刷的总体由底座、液压马达、导向键等零部件构成的除冰刷动力传动系统;由压紧弹簧、柔度调节盘构成的除冰刷柔度调节系统和由钢丝绳上压盖、钢丝绳托盘和若干段钢丝绳组合构成的刷盘组成，如图3所示。

图3 除冰刷结构示意图

作为集成钢丝绳切削式除冰刷关键部件，柔度调节系统可实现切削式除冰机的钢丝绳刷的硬度调节，以适应不同硬度和厚度的路面冰雪的清除要求。在图3所示结构中，柔度调节盘与轴固定连接，钢丝绳上压盘在弹簧和导向键的作用下可以带动钢丝绳进行上下移动。柔度调节盘和钢丝绳托盘的直径不同，通过两者的纵向位置不同来改变钢丝绳的弯曲角度。钢丝绳压盘在底端时，压缩弹簧受力最小，此时钢丝绳处于最大分散状态，对路面的压力最小;反之，钢丝绳压盘在最上端时，钢丝绳处于束紧状态，并对地面产生最大压力。另外，在工作时遇到不平路面时通过弹簧实现减振效果，使其具有随路形自振的功能，刷头与路面柔性接触，不损伤路面。这种改变实现了对不同硬度的冰雪采用不同强度的清除方式，从而最大程度增加工作效率，并减少对路面的损伤。

工作刷主要结构由上压盘、托盘、刷头3部分组成。为保证工作刷在不同高度的冰层上能顺利通过不致受阻，设计中刷头的材料取具有柔性的钢丝绳，其结构复杂、形式多样。为设计简单、有效，选取结构形式为1×7的单股直径10 mm绳类，公称抗拉强度为1570 MPa，钢丝绳的最小破断拉力为122 kN。本设计中的钢丝绳在工作时主要损坏为磨损破坏，抗拉强度和最小破断能力都在使用范围之内。另外，以钢丝绳作为刷头，当钢丝绳磨损破坏时，绳股结构随之改变，可能由原来的一股变为多股，即可以在一定程度上有效地增大工作刷的工作效率。

3.2 主要参数

本文设计的除冰刷结构简单、造价低，其主要技术参数如表1所示。

表1 除冰刷主要技术参数

3.3 主机的选择及总体简图

在对主机的使用要求上需满足社会持有量多、使用广泛、具备液压系统等特点。国外多数国家都选择已经生产并普遍使用的机动车辆作为驱动底盘。本设计采用小型货车作为动力源［15］。除冰机安装示意图，如图4所示。

图4 除冰机安装示意图

在主机与除冰刷的中间安装推雪板和升降系统，可以随时调节除冰刷的除冰强度，推雪板可以把清除的冰雪推至道路一边，方便清理。

除冰刷的结构简单、方便拆卸，冬季可以作为除冰车辆使用，在其他季节可以拆除，作为普通车辆日常营运。

4 动力参数的确定

4.1 刷头参数计算

机构工作时受到的主要作用力为刷头切削冰层的切削阻力，计算时按单个钢丝绳刷头计。

每个钢丝绳刷头切削阻力Fi为

式中:pb为一般条件下冰的抗压强度(750 MPa/m2);s为钢丝绳和冰层的挤压面积，初定为0.6 cm2。计算得出每根钢丝绳的切削阻力为4.5 N。若初定刷盘钢丝绳为72根，则主要参数计算如下。

除冰刷刷头转矩Ts:

刷头工作平均半径r选为0.3 m，则由式(3)得刷头转矩Ts为97.2 N·m。

除冰刷刷头功率Ps:

式中:n为刷头转速，由式(4)计算得刷头功率Ps为3.0 kW。

4.2 液压马达选用

根据式(3)求得转矩 Ts为97.2 N·m，刷头转速为300 r/min。查机械设计手册可初定液压马达型号为MFB20柱塞马达。其几何排量 V为42.8 ml/r，最高工作压力为 17.2 MPa。

液压马达流量ql:

式中:V为液压马达几何排量;ny为液压马达转速300 r/min。求得液压马达流量ql为12.8 L/min。

液压马达工作压力py:式中:Ts为输出转矩。计算得出液压马达的工作压力py为15 MPa，符合液压马达的工作要求。

液压马达输出功率Po:

计算得液压马达的输出功率为3.2 kW。

机械效率ηm:

计算得机械效率ηm为0.93。

因此该型号MFB20柱塞马达满足集成钢丝绳切削式除冰刷的使用要求。

5 性能特点

1)不损伤路面。变柔度铣削式除冰刷能有效清理路面压实冰雪。在清理压实冰雪时，刷盘通过弹簧实现减振，具有随路形自振功能;钢丝绳刷头与路面柔性接触，可以减少除冰机械装备对路面的损伤。

2)作业效果好，效率高。由于具有柔度调节系统，可以对铣削式除冰刷的柔度进行调节，以适用于不同硬度和厚度路面结冰的清除，使清除效果和效率显著提高。

3)“一机多用”功能。除雪设备具有结构简单、操作方便等优点，置于主机前端，视野开阔，转运方便，在冬季可进行除雪作业，其他季节可装备其他装置使用，拆卸简单、便于维护，实现了“一机多用”功能。

6 结束语

切削式除冰刷在针对国内积雪特点并借鉴国外先进除雪技术的基础上，采用自主研发的动力系统、柔度调节系统和刷盘组合而成，具有结构简单、工作灵活、造价低、性能可靠的特点。

根据我国除冰除雪市场的需求，民众对道路使用条件要求的提高，除冰设备将逐步推广使用。针对不同冰雪和不同路况出动不同的除冰除雪设备，即用多种不同功能的除冰除雪车辆进行流程作业。

未来的除冰除雪设备不仅要具备清理压实冰雪和浮雪的能力，还应具有将清理后的积雪自动装车等一系列功能，以适应除雪市场的需求。

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