孫潘罡 陳 松 遲樹廷

（1.青島工貿(mào)職業(yè)學校，山東 青島 266041；2.黑河市農(nóng)機研究所，黑龍江 黑河 164300）

1 研究背景

我國北方高寒地區(qū)常年低溫，冬季漫長。高速公路和中小城市（包括鄉(xiāng)鎮(zhèn)）的除冰雪問題沒有完全解決。一是在嚴寒條件下，有些公路路段坡度大，機械除冰很難解決積雪不及時清除、反復(fù)形成凍融冰層的問題。二是機械故障率高。除冰雪工作部件作業(yè)時與地面硬接觸，對路面損傷嚴重，并且故障不斷，不能正常作業(yè)。三是除冰雪設(shè)備的研發(fā)資金投入不足。四是環(huán)境污染。有些道路在機械清除冰雪質(zhì)量不達標的情況下，還要輔助撒鹽和溶雪劑，導(dǎo)致環(huán)境污染。

從2010年以來，國內(nèi)部分大城市批量引進了國外大型除冰除雪機械。這些機械效率高、作業(yè)質(zhì)量好，但是價格高，維修保養(yǎng)困難。如加拿大RPM公司生產(chǎn)的P-500-R、TM-350、A90、LM-220、T220-B除冰除雪機，德國奔馳公司生產(chǎn)的SCHMID等型號專用除冰車，價格一般在300萬～500萬人民幣。瑞典VOLVO公司的220/60除冰機在國內(nèi)應(yīng)用較多。而且這些價格昂貴的機械主要還是用于機場和大城市的專用場地，中小城市街道和高速公路作業(yè)迫切需要效率高、成本低、自動化控制能力強的新型除冰雪機械。

2 研發(fā)要點

研究新型除冰雪機械，主要攻關(guān)目標是除冰。而除冰主要是解決高速公路和中小城市街道的結(jié)冰問題，尤其是高寒地區(qū)封凍時間長，雪量大。黑龍江北部和內(nèi)蒙古東部有長達130天～160天的結(jié)冰期。高速公路收費站及服務(wù)區(qū)距離遠，遇到大雪結(jié)冰，堵車關(guān)閉高速是經(jīng)常的事。而且有些地段坡度大，急轉(zhuǎn)彎，有長達幾千米甚至十幾千米的坡度路段。在高速公路上除冰，要求作業(yè)時不能長時間占用車道，空駛速度及作業(yè)速度要快，清理過的冰雪必須及時推送到路下，防止出現(xiàn)作業(yè)占道和冰雪清后占道。

根據(jù)這些特點，對高速公路和中小城市除冰雪機械的基本技術(shù)要求如下。一是速度快。不僅要求作業(yè)速度快，而且空駛速度快，即作業(yè)速度要求2m/s以上，空駛速度8m/s以上。二是不能長時間占用行車道。作業(yè)幅寬要求2.2m以上。三是有較強的爬坡作業(yè)能力。四是適應(yīng)凹凸結(jié)冰地面，特別適應(yīng)彎道偏斜結(jié)冰路面。五是有自動化控制功能，完成駕駛員一鍵控制操作。

3 新機型總體配置與關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 選擇配套動力

根據(jù)本機設(shè)計要求，一是動力要在110kW～147kW。根據(jù)目前我國動力機械現(xiàn)狀，有2種動力機型可優(yōu)先選擇，分別是四輪驅(qū)動大功率拖拉機和大功率裝載機。拖拉機動力輸出要靠動力輸出軸輸出，液壓泵功率小，不便于與自動化控制。大功率裝載機，沒有動力輸出裝置，液壓泵輸出功率大，便于自動化控制。二是要有較強的爬坡能力和較快的運輸空載速度。選擇ZL70型裝載機是因為該機型有四輪驅(qū)動坡度作業(yè)爬升驅(qū)動力大、液壓系統(tǒng)流量大、壓力高的特點，可將裝載機翻斗液壓油缸油路連接到除冰雪機械的油路。該機型液壓系統(tǒng)壓力為15MPa，排量152mL/r，流量335 L/min，可以滿足作業(yè)要求。三是能夠一機多用，提高機械綜合使用效能，改裝方便，冬季改裝成清冰雪狀態(tài)，其他季節(jié)可以恢復(fù)裝載作業(yè)狀態(tài)。在我國北方地區(qū)，ZL70裝載機應(yīng)用廣泛，保有量大，便于配套。且三點懸掛互換簡單，很容易改變機型。液壓馬達驅(qū)動傳動簡單，便于自動化控制。

3.2 裝載機除冰臺平衡問題

大支臂兩側(cè)裝有平衡彈簧組，用于平衡除冰臺質(zhì)量，減少除冰臺對地面的壓力強度。拉力行程150mm，最大拉力3000N。

3.3 裝載機作業(yè)電磁閥控制

內(nèi)裝有4聯(lián)電磁比例換向閥。裝有PLC程序控制雪臺工況的組合。裝有其他輔助控制的AD轉(zhuǎn)換及先導(dǎo)液控電磁轉(zhuǎn)換機構(gòu)。輸入端包括霍爾轉(zhuǎn)數(shù)傳感器、油缸拉力傳感器、除冰輥平衡臂扭矩傳感器、手動輸入傳感器等。輸出端包括除冰輥升降油缸、除冰臺升降油缸、除冰輥馬達、掃雪除冰輥馬達。

3.4 機架結(jié)構(gòu)

由高強度矩形管焊接組成，后端通過三點懸掛鏈接裝載機，機架前端連接除冰輥、掃雪除冰輥。上部連接除冰輥輪。除冰輥、掃雪除冰輥、平衡臂、后端連接裝載機支臂。下部連接支撐浮動輪。

3.5 除冰輥組合

除冰輥裝置是該機核心部件，如圖1所示，技術(shù)要求雙側(cè)液壓馬達驅(qū)動，除要求是機器前進速度的3～4倍。前進速度設(shè)置在2.2m/s～2.8m/s。V=3V～4V，即4V×2.8m/s=11.2m/s。除冰輥直徑設(shè)計受結(jié)構(gòu)尺寸限制，質(zhì)量不能過大；又涉及離心力，也不能過小。參照掃路機參數(shù)，該機取筒直徑D為420mm，齒高H為120mm，筒外緣D為660mm，作業(yè)幅寬2200mm。

因此

式中：V為冰輥線速度；r為除冰輥半徑；n為除冰輥轉(zhuǎn)數(shù)。

圖1 除冰部件組合

根據(jù)除冰輥轉(zhuǎn)數(shù)，設(shè)計要求324r/min，需要減速傳動。液壓馬達驅(qū)動部分又是除冰輥的支撐裝置，需要考慮結(jié)構(gòu)強度及傳動的合理性。根據(jù)國內(nèi)液壓馬達產(chǎn)品種類，可選用L型液壓馬達?？v向為馬達配置位置，橫向為減速位置，橫向外緣配置球型支撐鏈接支臂，解決了橫向仿形的問題。霍爾傳感器動盤安裝在除冰輥支撐盤上，霍爾傳感器觸頭通過支架連接在支撐臂上。除冰輥橫向穩(wěn)定器通過拉桿鏈接在球鉸鏈。傳感器的作用是檢測除冰輥的轉(zhuǎn)速，當除冰部件的阻力較小時，接觸地面瞬時增加阻力可降低轉(zhuǎn)數(shù)，PLC控制液壓提升油缸，提升除冰輥高度。

3.6 掃冰（雪）除雪輥

該裝置傾斜機架30°。除冰輥有效長2320mm，直徑80mm，轉(zhuǎn)數(shù)430r/min，由液壓油缸高度支撐控制，后部鉸鏈機架，液壓馬達驅(qū)動。由駕駛員控制該掃雪輥的高低，將除冰輥粉碎的殘冰及積雪清掃到右側(cè)路邊。由于掃雪輥線速度高（設(shè)計為 18m/s）、離心力大，可將碎冰吹到隔離帶外側(cè)不占道。該掃雪毛刷及液壓馬達與現(xiàn)有的道路清掃機部件通用。

3.7 平衡臂組合

該裝置是除冰輥重要的支撐和控制部件，與野轎車前橋平衡臂類似。當路面出現(xiàn)傾斜，一側(cè)高一側(cè)低時，平衡臂就會出現(xiàn)一側(cè)拉伸一側(cè)壓縮的情況。平衡臂兩側(cè)裝有拉力傳感器。中部裝有扭矩傳感器，拉力與扭矩傳感器模擬信號通過AD轉(zhuǎn)換變數(shù)字信號。PLC將數(shù)據(jù)處理通過微動開關(guān)控制液動電磁伺服閥，由液壓電磁換向閥控制左右油缸高度，使除冰輥可以自動控制高度。

3.8 仿形輪組合

2組仿形輪分別支撐于兩側(cè)機架下面，如圖2所示。作業(yè)時除冰機架由該仿形輪支撐，機架高低由駕駛員通過液壓系統(tǒng)控制。該機以液壓輸出功率大的裝載機為配套動力，配有平衡除冰臺的輔助彈簧，配有可縱向、橫向仿形并液控電磁控制的除冰裝置，配有扭矩、拉力、霍爾轉(zhuǎn)數(shù)傳感器為組合的多性能傳感部件及相配套的AD轉(zhuǎn)換器，以及PLC程控搭配成機電一體化自動控制的除冰機械系統(tǒng)。

圖2 仿形輪組合

4 關(guān)鍵部件受力分析

4.1 分析手段和目的

應(yīng)用SOLIDWORKS simulstion軟件對設(shè)計進行有限元分析。求證應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，優(yōu)化部件整體設(shè)計。該組件是傳感器部件核心組件，左右2個拉力傳感器，中間1個扭力傳感器。如圖3所示，傳感器是貼片式黏結(jié)在拉力工件上，拉件物理變化轉(zhuǎn)變電信號輸入至AD轉(zhuǎn)換器。傳導(dǎo)信號又是平衡左右除冰輥受力的部件，該分析主要研究和判定結(jié)構(gòu)在一定載荷下，局部是否存在應(yīng)力集中狀態(tài)，及其對結(jié)構(gòu)的影響。

4.2 材料賦予以及對結(jié)構(gòu)的簡化處理

材料整體均為普Q235，彈性模量為210000MPa，泊松比為0.29。

4.3 主要部件分析

本機主要部件分析如下：1）下懸掛座分析。該部件下部銷連接除冰輥，上部螺栓連接吊桿。該部件拉伸與壓縮的變量，改變傳感器橋式電阻變化，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換輸入PLC控制除冰油缸升降。該部件結(jié)構(gòu)強度不能過高，不能過低。受拉伸的長度變化、輕度變化與傳感器貼片相匹配。2）吊桿強度分析。吊桿用D28mm材質(zhì)Q235無縫鋼管制作。呈“S” 形，在加載1500N時出現(xiàn)如下變形：無論是拉伸和壓縮，均出現(xiàn)塑性變形，安全系數(shù)為1.2。該設(shè)計需要進一步優(yōu)化。3）平衡軸受力分析。平衡軸是指兩側(cè)平衡臂，由D33mm的Q235無縫鋼管焊接組成，施加外部載荷1500N后，平衡軸與平衡臂承受的主要是扭矩，應(yīng)力集中在軸與臂焊合口上，不能滿足設(shè)計，需要重新優(yōu)化設(shè)計。

圖3 平衡臂組合

5 功率計算

本機功耗主要分為3個部分，如公式（2）所示。

式中：P為本機總消耗功率；P為裝載機行走功率；P為裝載機清掃功率；P為除冰功率。

5.1 行走功率P行計算

分析2種工況。一是空駛45km/h，最大爬坡40度時所需功率。二是在除冰作業(yè)時，不低于作業(yè)速度2m/s（7.2km/h）時所需功率。

式中：f′— 滾動摩擦系數(shù)；W—裝載機質(zhì)量17100N，除冰除雪機質(zhì)量1100N?？傆?8200N。G—重力加速度，9.8N/kg；Z—支撐輪數(shù)量4個。

代入數(shù)值可得：F= f′·W·G/Z =0.02×18200×9.8÷4=891.8N

考慮爬坡按40°計算，結(jié)果如下。

a/c=sin40°=1÷0.64=1.56×891.8=1387N

考慮惡劣天氣風阻力：

式中：A—裝載機迎風面積，ZL70型裝載機為9m2左右；C—風阻系數(shù)，與前進速度平方成正比，該機為0.3。

作用力F=F+F=1387+341=1728N；

功率P = F·R·ω；

裝載機輪直徑D—1650mm，半徑R—825mm；角速度ω—弧度/min。

n=N/πD=45000/3.14×2×825×60=529m/min（空駛時）；n=N/πD=45000/3.14×2×825×60=83m/min（除冰作業(yè)時）；P=F=1728×529/9549=95.7kW（空駛45km/h，爬40°坡時）。P=F=1728×83/9549=15kW（作業(yè)7.2km/h，爬40°坡時）。

據(jù)該分析：裝載機行走功率對爬坡敏感性不大，但對提高速度敏感性強，當速度由7.2km/h提升到45km/h時，功率由15kW提升到95kW。

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5.2 清掃功率計算

清掃輥位于除冰輥后部，所清理的碎冰已經(jīng)處于懸浮狀態(tài)，密度很小便于輸送。P=V·h·L·γ·g·A/cos30°/60；清掃輥長L—2320mm；轉(zhuǎn)數(shù)n—429r/min；夾角α—30°；直徑D-800mm；前進速度V—2m/s；冰層厚h—22mm；碎冰密度γ—0.68t/m；輥梳線速度v—12m/s。

輸送量計算：

P =V·h·L·γ·g·A/cos30°×60

=2×0.02×2.3×0.68×1.154×9.8×60= 42kW

5.3 除冰功率計算

除冰部件是機械核心部件，如圖4所示，由雙側(cè)減速液壓馬達直接驅(qū)動。

圖4 除冰部件

除冰刀作業(yè)時接觸冰面有前傾角α、后傾角B、除冰刀寬度b，刀刃作用力F，如圖5所示。

圖5 除冰刀作業(yè)示意圖

式中：h—除冰刀除冰厚度10mm～25mm，該設(shè)計取20mm；D— 刀具寬度150mm，15組除冰輥，工作幅寬2200mm；δ—冰抗壓強度0.5MPa/cm2～2MPa/cm2，該設(shè)計取1.5MPa/cm2；f—內(nèi)摩擦系數(shù)，該設(shè)計取0.12；α—前傾角35°；B—后傾角10°。

F=0.22×2×1.50×0.12×10000=792/N

轉(zhuǎn)矩公式：P=FV=f（2×r×π）n/1000/60= 792×2×3.14×330×320/1000/60=8753W≈8.7kW

因此總功率為

P=P+P+P=15+42+8.7=65.7kW

6 結(jié)語

用裝載機作為除冰除雪機的配套動力，設(shè)計時采用SOLIDWORKS軟件對總體機構(gòu)進行配置。除冰機構(gòu)采用先進的外球鉸鏈內(nèi)液壓馬達驅(qū)動，清冰雪裝置采用常規(guī)輥刷裝置。除冰裝置可縱向和橫向仿形，除冰輥采用霍爾傳感器，兩側(cè)采用拉壓力傳感器，平衡臂采用NS扭矩傳感器，控制器采用PLC控制系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)應(yīng)用液控電磁換向閥。經(jīng)過優(yōu)化配置該方案可行。

經(jīng)過試驗分析，該設(shè)計總體配置均衡；采用的工作部件技術(shù)先進，結(jié)構(gòu)合理；機電液自動控制除冰裝置的位置，提高了除冰效率和作業(yè)質(zhì)量，減少對路面的損傷；能夠滿足高速公路和中小城市街道快速除冰、坡度除冰、遠距離除冰作業(yè)等要求。

經(jīng)SOLIDWORKS有限元分析，發(fā)現(xiàn)的問題主要有：平衡臂設(shè)計結(jié)構(gòu)強度不足，支臂根部存在應(yīng)力集中，抗疲勞強度不足等問題，應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計方案，改進材料或改進結(jié)構(gòu)。