脉冲式融雪剂撒布机构设计

摘 要：非均匀撒布工艺研究对道路除雪具有重要的指导意义，基于非均匀撒布工艺进行了脉冲式融雪剂撒布机构的设计。首先分析工艺确定撒布机构具有直线撒布和斜线撒布功能，然后进行方案对比，分别采用多螺旋结构和四连杆机构，并对结构参数进行了计算，最后对样机进行测试，验证了撒布机构的可靠性。

关键词：非均匀撒布；融雪剂；撒布机构；机构设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.192

1 引言

道路除雪是冬季道路养护作业的重要工作，目前主要工艺是采用推雪铲进行初步除雪，然后抛撒融雪剂进一步将落雪消除干净。初步除雪之后道路面往往还残留有部分落雪，此部分落雪如果不进一步消除干净，结冰之后会对道路通行产生极大的安全隐患。当前融雪剂抛撒方式主要为人工抛撒和机械抛撒，采用的方式也是均匀抛撒思路，将融雪剂均匀的撒布在落雪表面，降低落雪融化温度，达到除雪目的[1]。

融雪剂抛撒有助于道路疏通，但其腐蚀特性也对路面及周边环境造成了危害[2]。当前采用均匀抛撒方式进行融雪剂撒布，融雪剂的用量非常大，因此需要探索新的撒布方式以降低融雪剂的使用量，减少其对环境的危害。文献[3]首先论证了非均匀撒布方式相对于均匀撒布方式的优点，加大局部区域融雪剂撒布浓度形成快速的融雪线，并以雪融水带动周边区域的落雪融化，达到快速除雪的目的；通过试验对均匀撒布、点撒布、线撒布和混合线性撒布的融雪效果以及融雪剂使用量进行了对比，得出混合线性撒布效果最优。当前的撒布装置主要为均匀撒布机械，因此急需根据非均匀撒布工艺要求设计非均匀撒布机构。本文依托于山西省交通厅重点科研攻关项目“脉冲式融雪剂撒布车研发”（编号：2014-1-10），进行了脉冲式融雪剂撒布机构的设计。首先根据非均匀撒布工艺要求进行了撒布机构的方案设计，然后根据方案利用ADAMS进行了撒布机构的优化设计，最后对样机进行测试验证了方案的可靠性。

2 方案设计

2.1 撒布工艺分析

通过对非均匀撒布工艺进行对比，采用混合线性撒布方式，效果如图1所示。混合线性撒布方式包括直线撒布和斜线撒布，因此非均匀撒布机构需要包括直线撒布和斜线撒布两部分。

2.2 直线撒布方案

直线撒布需要通过输送设备来实现，当前的输送设备包括螺旋式、皮带式和刮板式[4]。脉冲式融雪剂撒布机构需要精确控制融雪剂撒布密度，并且撒布密度需要随着车速变化而改变。螺旋传输方式可以通过改变螺旋参数和转动速度方式来控制融雪剂的输送量，因此经过对比选用螺旋方式来进行融雪剂输送。采用混合线性撒布方式，需要将融雪剂撒布成平行的多段线，撒布方式包括单螺旋撒布和多螺旋撒布。

单螺旋撒布方式在螺旋底部设置多个落料口，通过调节落料口的大小和螺旋的转速来控制撒布密度。采用此方式可实现直线撒布，但由于撒布密度与落料口大小有关，在改变撒布密度时需要调节落料口大小，在实际生产时需要增加落料口调节装置，增加了控制系统的复杂度。

多螺旋撒布方式如图2所示，包括垂直螺旋和水平螺旋，垂直螺旋有一个进料口，多个出料口，水平螺旋有一个进料口和一个出料口，其中水平方向螺旋的出料口进行融雪剂撒布。由于水平撒布螺旋为一进一出，只要通过控制水平螺旋的转速即可以控制融雪剂的撒布密度，控制系统逻辑简便。

通过对比单螺旋和多螺旋撒布方式的优缺点，采用多螺旋方式进行融雪剂直线撒布。

2.3 斜线撒布方案

混合线性撒布工艺中斜线的撒布要求落料口在撒布过程中沿水平螺旋平行方向做往复运动，可以通过直线导轨、四连杆机构来实现[5]。

直线导轨撒布结构如图3所示，包括料口、柔性软管、导轨、滑块、落料口，工作时融雪剂从料口进入，经过柔性软管到达落料口，落料口随着滑块在导轨上做直线往复运动，实现融雪剂的斜线撒布。直线导轨结构需要增加限位开关、滑块移动装置等，安装、控制较为复杂，并且融雪剂通过柔性软管到达出料口，在使用过程中易出现打结。

四连杆撒布机构如图4所示，包括曲柄滑块和平行四边形两部分。曲柄滑块由圆盘O、滑块D、摇杆L1组成，滑块D固定在圆盘O上，摇杆L1上开槽，且绕B点转动，圆盘O绕点O转动，带动滑块D在摇杆槽内运动，驱动摇杆L1转动，做摆动运动。平行四边形由杆L1、L2、L3、L4组成，在摇杆L1摆动时，通过点F带动L2、L3摆动，L2、L3的点A、C处连接斜线撒布落料口，从而带动落料口做往复运动，实现斜线撒布。

通过对比，直线导轨机构在安装和控制方面均比四连杆机构复杂，因此本文采用四连杆机构来实现混合线性的斜线撒布。

3 机构设计

脉冲式融雪剂撒布车撒布参数如表1所示，根据参数进行撒布机构设计。

3.1 直线撒布机构设计

（1）融雪剂撒布量。融雪剂撒布量决定了撒布螺旋的尺寸及转速，根据公式（1），可得最大融雪劑撒布量为2240kg/h。

（1）

（2）垂直螺旋计算。撒布机构包含两个垂直螺旋，将融雪剂输送到水平螺旋，垂直螺旋的输送量根据公式（2）可得，为1456kg/h，其中1.3为设计系数。

（2）

螺旋选择参数包括叶片直径、轴直径、螺距等，综合考虑螺旋安装条件，具体参数如表2所示。

螺旋转速根据公式（3）确定，代入参数，可得垂直螺旋转速为189r/min，根据电机转速和减速机减速比，确定减速机减速比为7，转速为200r/min.

（3）

（3）水平螺旋计算。水平螺旋按照设计线型进行融雪剂撒布，包含8个落料口，其中水平螺旋6个，斜线撒布机构2个，根据公式（4）可得水平螺旋的输送量为364kg/h。

（4）

根据公式（3）可得水平螺旋转速为47r/min，根据电机转速和减速机减速比，确定减速机减速比为29，转速为52r/min.

3.2 斜线撒布机构设计

斜线撒布机构为四连杆机构，主要性能参数为平行四边形摆动角α和行程速比β。斜线撒布机构极限位置示意如图5所示。

图中，点A，B，C，D，E，F，G为四连杆机构初始点，点D，E，F，G为四连杆机构的极限点，r为滑块的运动半径（即OD长度），可知摆动角α为

（5）

行程速比可按公式（6）求得

（6）

斜线撒布机构摆动角度和行程速比与OD和OB的长度有关，根据公式（5）和公式（6）可知摆动角α越大，则行程速比β越大，从而导致摆动机构急回加剧；另外为了保证斜线撒布融雪剂能将线性融雪剂连通，又要求摆动角α尽可能大。

根据实际安装情况，OB长度为90mm，在OB固定时，随着OD增大，α和β都在增大，需要选择OD长度刚好满足撒布要求。在摆动角度α大于80度时便可满足撒布要求，因此本文选取滑块半径OD为60mm，OB为90mm。求得结果后，利用ADAMS进行仿真，可知机构摆动角α为（-41.5°～41.5°），能够满足斜线撒布机构要求。

根据实际撒布速度要求，撒布机构转动速度应大于50r/min，因此选取减速比为29的减速机，实际转速为52r/min。

4 样机测试

脉冲式融雪剂撒布机构如图7所示，由3台电机进行驱动，垂直螺旋和水平螺旋单独驱动，通过变频控制水平螺旋来调整融雪剂撒布密度。斜线撒布机构落料口位于垂直螺旋下端，由垂直螺旋输送融雪剂，斜线摆动机构带动落料口转动，形成斜线。

脉冲式融雪剂撒布机构撒布线性如图8所示，实际为双曲线撒布，能够实现混合线性的撒布。通过连续测试，撒布机构运行稳定，满足使用要求。

5 结论

根据“非均匀撒布”工艺进行了脉冲式融雪剂撒布机构设计，首先根据实际工艺要求进行了直线撒布和斜线撒布的方案设计，通过对比采用多螺旋结构进行融雪剂直线撒布，采用四连杆机构进行融雪剂斜线撒布。经过仿真和样机测试，撒布机构能够满足“非均匀撒布”工艺要求，运行稳定。

参考文献：

[1]喻文兵，李双洋，冯文杰，易鑫.道路融雪除冰技术现状与发展趋势分析[J].冰川冻土，2011，33（04）：933-938.

[2]赵光楠，吴德东.融雪剂的危害与防治研究[J].环境科学与管理， 2010，35（04）：56-59.

[3]霍尚斌.融雪剂非均匀撒布技术的研究[J].山西交通科技， 2015（06）：14-17.

[4]董茜，韩刚，解鑫.带式输送机驱动裝置机械结构的可靠性分析[J].太原科技大学学报，2016，37（05）：385-388.

[5]王浩，尹志宏.往复式切割器传动机构对称性及运动性能分析[J]. 机械传动，2015，39（10）：125-128.

基金项目：山西省交通厅科研攻关项目2014-1-10

作者简介：刘文辉（1987-），男，山西吕梁人，硕士，助理工程师，研究方向：机械设计，机电一体化控制。