小型除雪机机械创新设计说明

《机械创新设计》课程作业题目：小型便道除雪机的设计
目录
一.摘要 (3)
二、设计目的意义： (4)
2.1课题研究目的：.................................. (4)
2.2课题研究的意义： (5)
2.3本课题国外研究概况： (5)
2.3.1 本课题国外研究概况： (5)
2.3.2 国外在这个方面的发展方向： (6)
2.2路面冰雪清除机基本方案、原理 (10)
三、原理方案设计： (11)
3.1功能分析： (11)
3.2求功能元解： (11)
3.3方案组合： (12)
3.4总体方案的几种组合及比较： (12)
四、机构设计（包括方案的原理以及基本机构简图）： (13)
1基本结构 (13)
2工作原理 (14)
3具体方案的确定 (15)
设计车体 (16)
故本小型便道除雪机的最优设计方案为：A1-B4-C2-D2-E2。

即为电动机控制的螺旋推板式的利用曲柄摇杆机构倒雪的
便道除雪机。

(21)
铲雪车的主要结构设计 (22)
五、结构设计： (24)
小型清雪车的设计计算及校核 (26)
带传动计算 (26)
轴承寿命计算和润滑方式的选择 (27)
寿命计算 (27)
润滑方式的选择 (29)
轴的校核 (29)
三维造型、人机工程学应用和有限元分析 (31)
三维造型 (31)
小型便道除雪机整体造型 (31)
工作部分造型 (31)
行走部分造型 (32)
辞............................................... - 1 -参考文献 .......................................... - 2 -附录.......................................... - 3 -
一.摘要
我国北方冬季降雪量大, 给各城市、园林、宾馆、别墅、庭院的道路, 机场跑道与场区路面, 林区运材道路, 以及高速公路等的交通运愉工作造成了极大困难和不便, 交通事故屡屡发生。

为了及时清除路面上的自然降雪, 给交通运愉创造良好的安全条件, 减少交通事故的发生, 在我国，传统的除雪理念是雪停后才开始除雪，由于路面积雪大多不能及时清理而被车辆碾压成实雪或冰，因此除雪对象实际上是压实雪。

在这种理念影响下，过去除雪机械的设计也主要是针对清除压实雪而开展的，并研制出各种清除压实雪的机械设备。

压实雪除雪机械设计技术难度较大，设备制造成本较高，除净率低，工作效率低，绝大多数压实雪除雪机需要大功率车辆作为配套动力，燃油消耗大，整套设备资金投入大，动辄数十万元，难以大量推广应用。

总结多年的除雪经验和体会及对各种除雪方式的比较，笔者认为机械化“实时除雪”才是科学合理的除雪方式。

从工程学的角度看，积雪被压实的过程需要消耗大量能量，雪被压实后再把它从地面上清除掉就要加倍消耗更大的能量和更多的时间，从而造成很大的浪费。

相比较而言，“实时除雪”所消耗的能量只有前者的几十分之一，是效率最高最省时省力的除雪方法。

目前欧、美等工业发达国家基本上都采用机械化“实时除雪”技术。

机械化“实时除雪”技术实际上就是使用散雪除雪机械在降雪过程中进行除雪，边下雪，边清除，多台除雪车保持一定距离成梯形队伍排列循环清理路面，过往车辆可在除雪车之间穿梭绕行而不影响交通，避免了积雪在路面停留时间过长而被碾压成实雪或冰。

开发适合我国国情的除雪机械, 探索与高速公路管理相适应的作业方式, 将有着深远的意义。

二、设计目的意义：
2.1课题研究目的：
中国北方大部分地区,每年有3～5个月的降雪期,道路积雪给交通运输及人民日常生活带来许多困难,有时甚至阻断交通。

近几年来高等级公路里程不断增加,及时有效地清除路面积雪已成为亟待解决、刻不容缓的问题,这对于提高车辆的运输效率、避免重大交通事故的发生,具有很大的社会经济效益。

目前,国除雪作业多由人工或其它代用机械完成,其劳动强度大,作业效率低。

进口外国先进的除雪设备,造价高且不适合中国国情;而用其它的代用机械如平地机进行除雪作业,则又浪费实用设备且对路面具有破坏性。

所以,尽快开发出适合中国国情的低成本、高效率、且宜大面积推广应用的除雪设备,是一项艰巨而紧迫的任务。

2.2课题研究的意义：
我国北方大部分地区,每年有很长的降雪期,道路积雪给交通运输及人民日常生活带来许多不便。

尤其冻结在道路上的积雪与薄冰,采用传统除雪机用推刮的办法无法清除,为此不得不耗费大量人力物力进行人工铲除。

采用机械方法清除是一项急需解决的难题。

就目前国除雪机械来看,大多数功能单一,或只能清除积雪、或只能破除积冰[1]。

国外的除雪机功能较全,但结构复杂,造价昂贵,且大多不适合国的道路状况。

因此开发研制适合我国道路情况的集破冰除雪于一机的设备,具有十分重大的意义。

国外的除雪机功能较全,但结构复杂,造价昂贵,且大多不适合国的道路状况。

因此开发研制适合我国道路情况的集破冰除雪于一机的设备,同样具有十分重大的意义。

2.3本课题国外研究概况：
2.3.1 本课题国外研究概况：
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。

应用围比较广。

因此，笔者认为：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。

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。

国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。

2.3.2 国外在这个方面的发展方向：
(1) 加强对雪质、雪性的基础研究。

为了提高除冰雪机械的设计水平，需要对冰雪的力学性质和物理特性进行深入
研究。

特别是对压实冰雪的理论研究。

据有关资料研究：东北地区压实冰雪占总的除雪任务的80%以上。

(2) 向一机多能和机电液一体化方向发展。

在现有的条件下，可以对汽车、拖拉机、装载机和推土机等设备进行改装，冬
季降雪时用来除冰雪作业，其余时间可用来进行公路养护和其他作业。

可以提高
设备的利用率。

采用机械、电子、液压等技术提高除雪机械的科技含量，减轻工人的劳动强度。

(3) 向大型、小型和高速方向发展。

我国的地理环境复杂，各个城市道路建设布局各异，冬季降雪情况不同，在除雪设备的选取上也不尽相同，因此要开发出大型、小型的各种除冰雪机械，以满足不同地区和工况的除冰雪要求。

同时要开发出效率高的机械，避免除雪作业造成路面交通拥挤。

例如，东北有些城市规定：对于市区主干道，雪停止24H后需运出城市外。

(4) 加强行业间的技术交流与合作。

走共同研发之路。

各个厂家根据自己的实际情况开发出的产品各有优缺点，为了加快除冰雪机械的开发和应用，应加强企业间的合作，集中财力、物力和人力走共同发展之路，实现除冰雪的机械化。

冰雪的物理机械性质
路面冰雪清除机械的行走机构以及清除冰雪的工作装置与路面上的冰雪相接触。

冰雪的形成特性及其物理机械性质在相当大的程度上决定着清除路面上冰雪的方法，要研究行走机构和工作装置与冰雪的相互作用关系，首先要分析冰雪的物理机械性质。

冰雪的基本特征之一是它的密度，其变化围很大，如表2.1所示。

硬度是雪的物理机械性质的主要指标之一，表示冰雪阻止其它物体压入的特性，其数值是根据它的密度和状态决定的，如表2.2所示。

雪的硬度、密度和温度之间存在着如图2.1所示的关系，温度愈低，硬度愈高；密度愈大，硬度愈高[4]。

后面对路面冰雪清除机的工作阻力以及牵引力进行计算时，需要知道雪的机械性质，表示雪的机械性质的指标通常是外滑动摩擦系数、切削阻力系数、附着系数和行驶阻力系数。

2.2雪的密度
雪的摩擦性质决定于它的外摩擦系数。

根据雪的状态，它的外摩擦系
数分别列于表2.3和表2.4。

表示雪的切削阻力的指标，一般是用切削阻力系数k
，它是切断横断面等于
的大小载入表2.5中。

1㎡的冰雪层所必需的力，k
路面上积雪之后，大改变了路面的使用特性。

对于冬季养护道路的机器进行牵引计算时，必须知道机器沿着各种冰雪路面行走时的滚动阻力系数和
载入表2.6。

附着系数。

轮胎与冰雪路面间的附着系数
c
行驶阻力系数，一般较外摩擦系数大，因为它不仅产生摩擦，而且还挤压雪。

轮式和履带式车辆的行驶阻力系数按表2.7选取。

图2.1 雪的硬度与密度和温度的关系
2.2 路面冰雪清除机基本方案、原理
对于路面冰雪的清除，人们曾尝试了各种清除原理和方案，这些原理和方案有的已在实际中使用，有的则还在探索和完善中。

例如，对于清除未被压实的浮雪，犁式清雪机和转子式清雪机已在应用中，二者分别采用了推移和旋切的原理。

对于被压实的雪、冰或冰雪混合物，采用的清除原理有铲剁、锤击、等，但这些方法经实验证明要么原理不完善，要么清除压实冰雪的效果不，有待于进一步完善。

针对上述情况，本文尝试提出了一种对路面上压实的冰雪进行挤压、切削、破碎的技术原理。

这一思想的来源可联想到金属切削加工，如铣床的铣刀切削
加工金属件。

根据这一思想，确定基本方案
三、原理方案设计：
3.1功能分析：
道路除雪
3.2求功能元解：
探索功能元解并列出形态学矩阵综合表，如下表所示：
小型便道除雪机的形态学矩阵综合表
前端铲雪 驱动（尖端铲雪、平板推雪） 堆积（旋转清扫） 取放（融雪剂融化）
后端存雪 和清除 驱动 传动 移位
复位
3.3方案组合：
可能组合的方案数N为
N=5*4*3*4*3=720
所以得出的五个方案为： A1-B1-C1-D1-E1；
A2-B1-C3-D2-E2；
A5-B3-C3--D2-E2；
A4-B3-C1-D1-E3；
A1-B4-C2-D2-E2。

3.4总体方案的几种组合及比较：
方案一：利用吹风和融雪剂的方式，从鼓风机里吹出的高速气流将积雪吹到路边，将融雪剂喷洒到雪上，进行雪的融化。

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：通过气动马达装置进行动力传输，利用弧线形推板将雪堆积起来，将雪通过传输装置传送到燕尾槽并且通过齿轮传动装置将雪及时传到相应的便道两边，并通过后续的推雪步骤进行将余雪铲除。

由于本方案中的传动装置以及积雪装置无法及时使道路上的雪清除并且不能起到根本性的清雪。

方案四：本方案通过采用液压马达进行前端积雪的蓄积和积雪的融化和传动过程来实现，但其存在融雪剂释放时间不同，以及续集积雪所产生的阻力和积雪处于半融化状态的无法除尽的缺点，因为本次设计是主要针对居家以及小型的道路设
计的简洁除雪机，需要考虑道路的宽度以及融雪剂是否能够完全融化而不产生道路积水堵塞的现象。

因为融雪剂融化时会产生冰雪融化成水的过程，会产生比较多的积水，本方案可能会产生锈蚀或者其他影响机器可用性的问题。

故此方案的某一结构欠佳。

方案五：利用机械传动的方式，由集雪器先将积雪搅碎，并输送至一个方形积雪槽，将其收集好，等到一次或积雪槽已经积满雪时，利用气动传动装置将装雪装置弹出并把雪堆放到合理的地方。

螺旋转子式清雪车适用围广，无论是松散雪、压实雪清雪效果和效率要比前四种方案好，而且通过螺旋转子的清雪将清除的雪通过部的曲柄摇杆急回机构将存雪槽通过移动副快速且稳定地将雪倒出，并且一次性将雪移动到指定地点。

避免了以往除雪机只是将雪从当前位置吹到两边，那种除雪机仅仅适用于大型道路以及对道路两边路面质量系数要求不高的地方，而我们现在是针对与小型道路的除雪机应该更加袖珍化，实用化，节省资源为主。

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。

因此选用第五种方案。

故本小型便道除雪机的最优设计方案为：A1-B4-C2-D2-E2。

即为电动机控制的螺旋推板式的利用曲柄摇杆机构倒雪的便道除雪机。

四、机构设计（包括方案的原理以及基本机构简图）：
最优方案的机构设计：小型机械转子式清雪机工作原理简述
1基本结构
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，提供动力(2)传动装置，传递运动（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。

图1清雪机的结构示意图
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。

机构传动方案设计原理图：
采用曲柄摇杆急回机构机构进行设计积雪传动方案：
考虑了机械原理中很多种移动副，最终结合除雪机中部装置应简化给存雪保
证大量的空间，故选择了低运动副即摇杆滑块机构。

3 具体方案的确定
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汽油机，详细参数如下：
表一KM178F（A）汽油机
型号KM178F（A）
型式立式、单缸、四冲程、风冷、直喷式缸径*行程mm 78×62
活塞排量L 0.296
功率Kw 3.68
起动方式反冲式手拉起动或电起动
油箱容量L 3.5
净重kg 33
发动机转速r/min 3000
外形尺寸mm 385×420×450
传动方式的选择
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，通过联轴器与抛雪转子相连。

另一部分通过链传动与集雪绞龙连接。

人推动清雪机向前运动清雪。

图2 小型清雪机的结构视图
1.清雪铲
2.抛雪筒
3.传动系统
4.发动机
5.扶手
6.机架
7.小车轮
8.大车轮
设计车体
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。

车体前段用螺栓固定连接集雪器，汽油机和减速器直接固定在机架上，汽油机后置减少自重。

机架由车轮轴载重，前部设计两个小车轮分担一部分重量。

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3 小型清雪机螺旋绞龙
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, 由于高速旋转着的转子产生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。

主要参数有叶片卸载角
x 、
叶片外径R 和工作长度g t
、转子抛雪生产能力Qt 和抛雪距离L 。

图 4 抛雪转子示意图
转子卸载角，21
(1)4
1X m
m
arctga a π
ϕ≥
-
++=1.1,
式中
m
a -系数，考虑雪的重量及雪与叶片间的摩擦力的影响，可近似取
111m a =
+μ=0.8-0.9，取m a =0.9
表2 外摩擦阻力系数1μ
+2～-1
-4
-16～-30
0.1 0.3 0.5
0.18 0.09 0.04
0.1 0.07 0.025
0.14 0.08 0.33
片间的充填程度。

机架
本次设计中，机架的设计主要是配合着其他部件的装配尺寸，通过用角钢焊
接而成的。

其外形结构如下图所示：
图5 机架
基本结构
方案五：利用机械传动的方式
目前小型机械式清雪车主要由原动机、传动装置、集雪装置、抛雪装置、行走系统和操作系统组成。

原动机可以采用电机或发动机，目前大多采用汽油机或柴油机；集雪装置用来收集积雪，主要采用推雪铲或螺旋状搅龙；抛雪装置是将收集的积雪抛到路的一侧或收集装置中。

主要的方式有抛雪叶轮和鼓风机两种；行走装置是来实现机器的前进，有手推式和自走式两种；操作装置主要控制设备的运转和行进方向。

工作原理
工作时由原动机提供动力，经由蜗轮蜗杆传动或带传动将动力传递到工作部分和行走系统。

积雪由集雪装置收集到一个腔体，再由抛雪装置清除出机体，抛雪叶轮利用高速旋转时的离心力将积雪抛出；鼓风机利用气流将积雪吹出。

这样在人力推动(手推式)或原动机带动(自走式)下，清雪车不断前进，就能实现连续的清除积雪。

小型机械式清雪车结构示意图如下：
原动
机
传动装置
车架
行走装置抛雪
装置
集雪
装置
积雪
图2-1小型旋转式清雪车结构示意图
具体方案的确定以及机构传动机构的设计：
功能求解列出功能元解形态学矩阵
因 素
形 态
1 2 3 A 集雪器的材料 铁片 钢片 合金 B 集雪器的形状 螺旋状搅龙
推雪铲 单向犁 C 集雪器的大小 大 中 小 D 工人人在空间的状态
坐车驾驶 驾驶 站这推 E 将雪抛出 抛雪叶轮 鼓风机 输送带 F
除雪机的动力
柴油
电动
人力加电动
原动机的选择
动力采用微型发动机，本课题的设计需求大约是每小时扫雪量为1000㎡，以积雪平均密度为250㎏/3
m ,积雪厚度以30cm 计算，那么每小时扫雪量为： 1.0×3
10㎡×0.3m ×250㎏/3m ＝7.5×4
10kg
在抛雪轮的作用下，设计最大抛雪高度为4m ，那么排雪消耗的功率为： mgh ／t ＝7.5×4
10 kg ×10N/kg ×4m ÷3600s=833w
集雪搅龙在积雪的作用下阻力矩m=20Nm,那么集雪搅龙消耗的功率为：
20Nm×2×3.14×10r/s=1256w,其中10r/s是搅龙转速。

估计整机重量为200kg，与路面的摩擦系数取0.2,前进速度约为1m/s, 那么前进消耗的功率为：200 kg×10N/kg×0.2×1m/s=400w
整机消耗的功率为：833w+1256w+400w=2.49Kw
在这一设计要求下，对动力源选型，考虑到清雪车在工作时可能遇到踏实的积雪，故选用功率稍大的发动机，以满足不同工作状况下需要。

选用凯马动力生产的KM170F汽油机，详细参数如下：
表2-1 KM170F汽油机参数
传动方式的选择
首先由一个带传动将动力由汽油机传出，向前通过一个蜗轮蜗杆传到工作装置，向后通过一个蜗轮蜗杆传到行走系统。

结构简图如下：
图2-2小型清雪车结构简图
1. 搅龙
2. 清雪铲
3. 抛雪筒
4. 传动系统
5. 发动机
6. 操作装置
7. 车轮
8. 车架
9. 抛雪轮
集雪装置设计
本设计采用带状螺旋集雪轮，这样的设计能对集雪有很好的破碎作用，同时又不容易发生堵塞。

基本结构如下：
图2-3带状螺旋集雪轮简图
以上形式的集雪装置把切雪、集雪、运雪三大功能于一身，具有很好的效果。

其中左边搅龙左旋，右边搅龙右旋，这样积雪所受的力指向两个搅龙的中间部位，使积雪较容易的进入后面比清雪铲要窄的抛雪室。

故本小型便道除雪机的最优设计方案为：A1-B4-C2-D2-E2。

即为电动机控制的螺旋推板式的利用曲柄摇杆机构倒雪的便道除雪机。

铲雪车的主要结构设计
4. 1破冰辊的设计
铲刀前面作用在冰雪层上的力有法向力和摩擦阻力 ,该二力的合力在x、y 方向分解为两个力,x方向的力与铲刀前进方向一致，起挤压路面冰雪层的作用，y方向的力起使其与路面剪切分离的作用，与铲刀前进方向垂直，使与路面分离的冰雪产生力，并在部产生弯曲应力而脆断。

图3为铲刀受力图。

设计铲刀时，必须使其满足一定的切削性能和力学性能的要求，减少切削阻力和铲刃磨损，降低能量消耗，延长铲刃的使用寿命，并有利于提高清除率。

为了提高除雪机对雪层厚度的适应能力，破冰辊上的刀片设计为能进行机械调节，以便改变与地面的接触高度，在破冰的同时不损伤地面。

破冰辊的作用是将雪层从路面上剥离，其结构形式为：一系列的刀片沿径向均布于主轴圆周上，并与主轴上的辐板铰接;在轴向上，并排地分布着多排这样的与辐板铰接的刀片，以形成一定的除雪幅宽。

工作时刀片除与主轴一起转动外，还可绕铰链在一定角度摆动，刀片靠扭力弹簧保持其径向固定位置。

除雪作业时，刀辊主轴以一定的转速旋转，同时以速煌度:。

前进，这就使分布在主轴圆周上的刀片依次敲击雪
层然后刮擦，使雪层与路面剥离。

当遇有路面凸起或阻力过大时，刀片就克服弹簧阻力绕铰链摆动一定的角度，实现避让障碍的动作，从而自动适应路面，起到保护路面的作用。

图4为破冰辊结构示意图。