平地机侧铲推雪板的设计及计算

戚洪强 王 跃 齐冬青 魏 静

(徐州徐工道路机械事业部，江苏221004)

在我国北方地区，每年都会有3～5个月降雪期，大量的道路都存在着积雪，实现机械化除雪是未来的发展方向。而专业除雪机械由于价格贵，闲置期长，造成一定资源浪费。由于平地机除雪具有适应性较强、作业速度快、费用低等优点，并能够胜任各类高速公路、机场、社区的除雪任务，是乡镇公路、机场、城市道路、高速公路等养护部门必备的冬季除雪机械。侧铲是平地机除雪的重要辅具，一般安装在平地机左侧或右侧，增加单次除雪宽度，从而大大提高平地机除雪效率，被国内外除雪厂家所青睐。推雪板是侧铲的作业装置，推雪板各参数严重影响侧铲排雪的性能和平地机的除雪效率。以我公司最新开发的GR260平地机侧铲为例，分析计算推雪板受力。

1 建立平地机受力模型

GR2605发动机功率为205 kW，侧铲受力图如图1所示，侧铲推雪板在除雪作业时，所受到力为行驶方向推雪板阻力Fp、铲刀推雪阻力Fc与车辆行走阻力Fm三部分。

2 推雪板类型选择与设计

2.1 弧线推雪板类型选择

常用的推雪板形状主要有圆弧型、抛物线型、Ⅰ类渐开线型、Ⅱ类渐开线型，如图2所示。其中圆弧形状与抛物线形状较为相似，两者排雪性能也近似相同。

1—GR260 2—拉杆 3—推雪板 4—前进角 5—推雪板阻力Fp 6—铲刀 7—铲刀推雪阻力Fc 8—车辆行走阻力Fm

图2 常用的推雪板形状

在侧铲与铲刀正常除雪作业时，当被切下的积雪呈现层状沿曲面滚卷向前的现象，其切削积雪的性质与推土工况近似。哥波斯与德雷斯利用以上推土板三种曲面形状，对中粘度土壤(被切下土壤呈现层状并且沿曲面滚卷向前)做了对比实验[3]。在其它因素与条件相同的情况下，对比推雪板类型对切削阻力的影响，实验数据见表1。

通过以上数据分析，考虑到清除积雪实际工况，推雪铲选用II类渐开线型铲板最为合适。

表1 推土板形状对切削阻力的影响

图3 积雪运动示意图

2.2 II类渐开线型推雪板设计

为方便推雪板开发，假设积雪不可压缩，平地机车速度为30 kmh，积雪在碰到刀片时，沿着刀片的切削方向有一个运动分量，积雪在此方向具有分动能，使积雪在推雪板向上滚动，而推雪板与前进方向有一个前进角，随着推雪板向前运动，前期积雪成为向推雪板外侧移动的一个分量，所以积雪又斜向上运动，等到积雪的分动能消耗完，在重力作用下，会向下运动，伴随推雪板向前运动，积雪斜向下运动，如图3所示。曲线1是比较理想状态，积雪随之平甩到推雪板外侧，从而达到除雪目的，但是如果平地机车速度只有10 kmh，积雪动能不足，向推雪板外侧速度分量小，导致积雪出现如曲线2所示的状态，即过程1→过程2→过程3→过程4，曲线2的积雪过程2到底部B后，随积雪再次被刀片切削，再向斜上方运动，再完成斜向上、接着斜向下运动，直至排出推雪板。所以综合考虑影响排雪的主要因素有车速、前进角、推雪板的两侧基圆大小、推雪板高度、推雪长度、切削角等。基于以上分析，为方便功率计算，内侧基圆半径为600 mm，外侧基圆半径为900 mm，推土板长度为3364 mm，两端渐开线上端点处的法线方向与竖直方向夹角选为18°向内，即切削角度为18°，内侧高度为875 mm，外侧高度为1120 mm。

3 计算分析

3.1 推雪板的功率计算

(1)推雪板所受阻力

Fp=F1+Fr+Fa

(1)

式中，F1为除雪刀片与路面之间滑动摩擦力；Fr为积雪离开推雪板后切削阻力；Fa为积雪沿推雪铲弧面抛出后对推雪板的作用力。

(2)推雪板转移的行驶阻力

Fm=Fg+Fs+Fb

(2)

式中，Fg为平地机滚动阻力；Fs为平地机上坡阻力；Fb为平地机加速阻力。

式(2)计算了前进方向的阻力，没有加上平地机转弯时的附加阻力，由于附加阻力影响较小，且不容易计算，忽略不计。

(3)平地机除雪总阻力

除雪总阻力F为推雪板阻力与行车阻力之和，F可分解为前进方向分力：

Fax=Fpx+Fm

(3)

推雪板阻力Fpx为：

Fpx=9.8μWp(4)

式中，Fax为平地机除雪总阻力在前进方向的分力；Fpx为推雪板阻力；μ为轮胎与路面附着系数；Wp为推雪板质量；S为除雪断面积；ρ为积雪密度；θ为侧铲前进角。

侧向分力：Fay=Fpy

垂直分力：Faz=Fpz

推雪板侧向分力Fpy为：

Fpy=0.72Sρv2sinθcosθ

(5)

为使侧铲正常除雪，其最大牵引力必须大于或等于外部阻力之和，即FKmax≥F

(4)平地机除雪功率

除雪功率为：

P=Faxvη

(6)

Fax=9.8μWp+Sρv2(1+0.18sinθ-0.45cos2θ)

(7)

式中，v为平地机前进速度；η为总的传动效率。

(5)铲刀功率

由于铲刀自重，为保证此部分功率不与行走功率重合，需要根据经验，按照铲刀推动前方积雪重量计算：

铲刀除雪功率为：

Pc=Vρgμv

(8)

V=4πR3Lk3

(9)

式中，Pc为铲刀除雪功率；V为铲刀前方积雪重量；R为铲刀弧度半径；L为铲刀长度；k为体积修数。

(6)行走功率

假设平地机匀速行驶，并且没有作业，行驶功率为：

Pm=mgμv

(10)

式中，Pm为行驶功率；m为整车重量；μ为轮胎与路面附着系数。

Fpy=0.72Sρv2sinθcosθ=2058 N

(11)

行走阻力为：

Fm=Fg+Fs+Fb=9.8(μaAv2+μrW1cosθe+W1sinθe)+a(W+ΔW)=9560 N

推雪板除雪阻力为：Fay=Fpy=2058 N

附着力为：Fμ=μ(9.8W-Fpz)=3670 N

Fax=Fpx+Fm=21.616 kN

显然Fμ>Fax

推雪板除雪功率：P=Faxvη=65 kW

铲刀除雪功率：Pc=Vρgμv=15 kW

行驶功率：Pm=mgμv=90 kW

最大阻力总功率：P总=P+Pc+Pm=150 kW

根据以上计算可知，最大阻力总功率为150 kW，小于GR260最大功率205 kW，推雪板的设计功率能够满足正常作业。

3.2 推雪板参数验证

式中，v0积雪在离开推雪板速度；v为平地机前进速度；R1为内侧基圆半径；R2外侧基圆半径。

4 总结

此次开发设计选择II类渐开线型铲板，并建立平地机推雪板的受力模型。其主要阻力包括三部分，即推雪板阻力Fp、铲刀推雪阻力Fc与车辆行走阻力Fm，通过计算得出最大阻力为21.616 kN，推雪板所需推雪功率65 kW，行走功率为90 kW，铲刀功率为15 kW，最大阻力功率为150 kW，小于整车最大功率205 kW，最后按照最小平地机常用除雪速度v=20 kmh，计算出积雪抛出推雪板的速度为1.8 ms，经验证侧铲推雪板的参数完全满足要求。