一种小型路面除冰雪机械装置设计_王铁庆.pdf
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1、1342023 年 5 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备一种小型路面除冰雪机械装置设计王铁庆,戴天乐(西北农林科技大学机电学院,陕西 杨凌 712100)摘要:【目的】道路除雪装置多为大型除雪机械,而适用于居民小区、校园等道路除冰雪作业的机械装置较少。【方法】研究团队设计了一款集破冰机构、清扫机构、集雪铲和自行式行走底盘于一体的小型路面除冰雪机械装置,该装置整机外廓尺寸较小,经济性好,采用电力驱动,可自行驱动行走,操纵简单、轻便,并用三维设计软件对破冰滚筒刀具进行了运动仿真分析,将参考点设置在破冰刀刃的末端,参考坐标系设置为离该刀具最近
2、零件的坐标系,使小链轮以180 r/min的转速匀速运转,带动破冰滚筒旋转,可以得到刀具末端运动的位置曲线。【结果】刀具末端距离周边零件的最小距离为17.82 mm,不会发生干涉碰撞;底盘高低可以调节,执行机构独立控制,破冰滚筒和清扫滚筒可以无级调速,适应性较好。【结论】破冰滚筒刀具能分别满足运动不干涉和强度的要求,可以通过破冰、清扫和集雪推送的联合作用,完成小区路面压实冰雪的清除作业。关键词:除冰雪机械;道路积雪;小区路面;设计中图分类号:U418.3+26 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1672-3872.2023.10.040小区道路人工除雪效率较低、劳动强度较大
3、1,而采用融雪剂除雪对道路、车辆等有一定的腐蚀危害,对环境不够友好2-4。孙潘罡等5设计了一种以常规装载机作为配套动力的新型除冰机构;李艳龙等6设计了一种针对小区、校园等小范围使用的多转子离心式抛雪机,主要用于清除道路积雪,不太适用于除冰作业;冯宁等7研制了一种小型冰雪路面除冰机,通过凿、铲结合的方式清除路面结冰,由液压马达驱动,不能独立行走,需要与挖掘机、装载机、铲车等工程机械连接使用;孙海朋8研制了一款柴油机驱动的小型除冰机械,并进行了三维建模和整机的虚拟装配设计;李晓建等9设计了一种由汽油机驱动的小型清雪除冰机,可针对较狭窄的街道进行清雪除冰作业;牟艳秋等10设计了一种柴油机驱动的小型破
4、冰除雪机,在冬季柴油机易出现启动困难的现象,存在工作噪声较大、废气排放污染空气等缺点。目前,适用于居民小区、校园等区域较狭窄道路的小型除冰雪机械装置不多,尤其是体积较小、造价较低、噪声小和无排放的环境友好型的除冰雪机械很少。基于此,研究团队设计了一种适用于小区的小型路面除冰雪机械装置,该装置具有破冰除雪功能,可自行驱动行走,操纵简单、轻便,体积较小,通过性好,对交通影响小,纯电力驱动,噪声小,无废气排放,环境友好。1 总体设计方案与工作原理小型路面除冰雪机械装置原理图如图1所示,该装置采用电池组作为动力源,两台调速电动机分别通过链传动带动破冰滚筒和清扫滚筒旋转工作,装置后方的集雪铲(装有加热元
5、件)将已铲除的冰雪推向一侧。装有轮毂电机的驱动轮牵引机器行走,装置后端为万向轮,通过操纵扶手可实现装置的转向控制等操控。扶手上有控制按钮和调速旋钮,用来控制破冰滚筒、清扫滚筒和集雪铲加热元件工作以及车辆的行驶。1.驱动轮;2.机架;3.破冰滚筒;4.大链轮;5.电动机;6.小链轮;7.电池组;8.清扫滚筒;9.扶手;10.万向轮;11.集雪铲。图1小型路面除冰雪机械装置原理图2 破冰滚筒设计破冰滚筒采用钢制滚筒外壁装配特殊刀具的结构,工作时,滚筒上的刀具以一定的角度与冰雪层发生碰撞并使冰雪层破碎,破冰滚筒结构图如图 2 所示。根据总体设计的要求,破冰滚筒的宽度设计为840 mm、直径设计为40
6、0 mm。滚筒基体侧面用圆形钢板焊接封闭,侧板上加工有螺纹孔和连接法兰,用作者简介:王铁庆(1980),男,河北文安人,博士研究生,讲师,研究方向为机械设计及理论。2023 年 5 月下135Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备来固定特殊设计的支撑轴。刀具在滚筒上采用斜刃安装,参考以往的研究11,采用安装角为40。1.滚筒基体;2.刀具;3.侧板;4.连接法兰;5.支撑轴。图2破冰滚筒结构图3 清扫滚筒设计清扫滚筒的作用是把前面破冰滚筒卷起的破碎冰雪通过刷毛拨向后方,并清洁地面上的残留冰雪,清扫滚筒结构图如图3所示。为了增强清扫力度,采用钢丝尼
7、龙混合刷毛,尼龙刷毛富有弹性,能在清扫作业时对地面提供较强的弹性压力,钢丝刷毛能够提供刮削力,清除地面上附着较牢固的残余冰雪。为了将已破碎的冰雪向中间聚拢,方便集雪铲进行收集,刷毛在清扫滚筒上呈螺旋状、左右两侧对称布置。1.滚筒基体;2.刷毛。图3清扫滚筒结构图4 集雪铲设计集雪铲用于收集并推送破碎后的冰雪,将其推移到机器一侧的路旁或绿化带中,集雪铲及其布置结构如图4所示。共设计有三个集雪铲:正后方的大集雪铲最宽,背面布置有电阻加热元件,能使集雪铲保持一定的加热温度,防止冰雪冻结在表面上;另外两个小集雪铲布置在机架中部两侧,起辅助作用,可将飞溅出的破碎冰雪向中间聚拢。1.大集雪铲;2.机架;3
8、.小集雪铲。图4集雪铲及其布置结构5 底盘设计底盘主要实现支撑、装配固定其他各零部件以及行走控制等功能。其主要由主机架、前轮架、升降千斤顶、前后车轮、操控扶手等组成,底盘结构图如图 5 所示。为了控制破冰滚筒刀具切入冰雪层的深度,以获取较好的除冰雪效果,可通过升降千斤顶的升降来控制底盘主机架前部的高低,操控扶手上的横梁上设置有控制按钮装置,用于控制机器的工作和行驶。1.前轮;2.前轮架;3.升降千斤顶;4.主机架;5.操控扶手;6.后轮。图5底盘结构图6 防护外壳设计为了保护机器操作者的安全、防止清除冰雪过程中的冰雪飞溅、阻止异物卷入和满足电气系统防水的需要,为该机械装置设计了防护外壳,防护外
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