【文章內(nèi)容簡介】 6 為保障犁板式除雪車能夠正常作業(yè)，其最大切線牽引力必須大于外部總阻力，即 公式17 通常情況下，有發(fā)動機轉(zhuǎn)矩所決定的最大牽引力大于附著力，發(fā)動機功率應(yīng)適當(dāng)?shù)膬洹? 除雪功率P由下式求得：公式18式中 P——除雪功率，kW；——行進方向的除雪阻力，11954N?！凶咚俣?，15km/h；——傳動效率，機械傳動取 =。由以上計算可知，且除雪車所選擇的發(fā)動機功率大于除雪功率55kw，故除雪車可以正常工作。 本章小節(jié)本文設(shè)計的除雪車，除雪鏟鏟板設(shè)計為II類漸開線型鏟板，除雪鏟鏟板切削角為30176。，除雪鏟行進角為60176。，除雪鏟高度為1米，除雪寬度為3米，符合道路同性要求且滿足了設(shè)計要求。3掃雪輥的設(shè)計 掃雪輥設(shè)計方案對于掃雪機掃雪輥的設(shè)計,首先在從網(wǎng)上查證資料到到以往的掃雪輥的刷毛設(shè)計采用，以及輥的設(shè)計，提出更為合理的方案 刷毛的選擇20世紀(jì)60年代末，國外便開始使用除雪車來清除冬季積雪，早年的掃雪車的掃雪刷一般是采用特質(zhì)的刷子，其可清理路面上的少量積雪且效果良好。早期的刷毛多是竹制品，日本鐵路清雪車大多數(shù)都是采用竹質(zhì)刷毛，但竹制刷毛存在易折損且不耐磨的缺點，后來逐漸被工程塑料、鋼絲及化工纖維所代替。圖31 掃雪刷毛Figure31 Brush to sweep 竹質(zhì)刷毛早期的刷毛多是竹質(zhì)品，它存在易折損、不耐磨等缺點。這種竹質(zhì)刷毛的清雪機械在多年前的日本較為常見，但由于竹條形式各異、粗細不等，安裝前需要人為挑選和加工，這些特性決定其安裝固定也不是很牢靠，在高轉(zhuǎn)速作業(yè)條件時，根部連接極易松動。近年來，這樣材質(zhì)的刷掃型清雪機械已經(jīng)不太常見。 鋼絲刷毛前幾年清雪車剛剛在我國問世之時，曾經(jīng)有部分生產(chǎn)清雪車的廠家選用鋼絲做為刷毛[8]。據(jù)了解，鋼絲毛刷生產(chǎn)制作的難度較小，生產(chǎn)廠家極為廣泛，同時制造成本底。鋼絲不容易斷絲,耐磨度好，能解決普通軟質(zhì)刷毛不能清除粘附物,硬質(zhì)刷毛對灰塵等清除不徹底的問題［2］。鋼絲毛刷在使用的過程中，隨著使用次數(shù)的增多，推積在鋼絲毛刷上的污泥和積雪也逐漸增多，隨著溫度的變化，這些污泥和積雪會腐蝕鋼絲刷，在經(jīng)過鋼絲毛刷工作時的反復(fù)變形，會加快毛刷的折斷和脫落。鋼絲毛刷在于地面的接觸中，反復(fù)摩擦容易產(chǎn)生火花，故其不宜在易燃易爆場所使用，如加油站、加氣站等。 尼龍刷毛隨著我國科技的不斷進步，化工行業(yè)的不斷發(fā)展，我國研制出了不同種類的掃雪毛刷。各種新型的工程塑料也正在被廣泛使用于各個場合，尼龍就是其中一種被廣泛應(yīng)用的工程塑料,具有多種優(yōu)異的性能。尼龍1010存在缺口沖擊強度差和低溫韌性差的缺點，其沖擊強度對缺口比較敏感。 尼龍鋼絲刷毛尼龍鋼絲刷毛是指由尼龍刷毛和鋼絲刷毛共同組成的輥刷。尼龍1010比重為85%，鋼絲比重15%。我國北方溫度較低，尼龍1010在這種低溫條件下能夠保持良好的耐磨性、耐疲勞性及抗沖擊性。鋼絲不容易斷絲, 耐磨度好，能解決普通軟質(zhì)刷毛不能清除粘附物,硬質(zhì)刷毛對灰塵等清除不徹底的問題。結(jié)合硬質(zhì)刷毛和軟質(zhì)刷毛優(yōu)點,對于細小的污物如灰塵等,以及粘附在器物表面的污物都能較好地清除鑒于此，本文所研究的螺旋滾掃清雪屬具所使用的刷毛材料選定為尼龍鋼絲刷毛。 刷毛簇排布設(shè)計刷毛簇排布是指刷毛在滾筒上的整體排布規(guī)律，主要包括：刷毛簇間距、刷毛簇直徑、刷毛簇間隙互補等參數(shù) 刷毛簇的間距刷毛簇之間的間距大小是指兩個刷毛簇之間的距離（滾刷軸向距離），這個間距的選定需要考慮刷毛簇接地時觸及范圍的最大直徑，刷毛簇的間距不能超過最大直徑，否則會有漏掃現(xiàn)象的出現(xiàn)，即刷毛簇作業(yè)變形時，相鄰兩排刷毛在同一滾筒縱向軸截面上的投影，相鄰兩簇刷毛的投影軸向始終存在間隙，在滾刷前進行駛作業(yè)過程中始終有部分積雪沿這個縫隙漏出，殘留于地面，導(dǎo)致清掃不徹底。由于刷毛簇之間存在間隙，前后排刷毛如果縱橫對齊排布則始終會產(chǎn)生無法彌補的間隙，導(dǎo)致積雪漏掃現(xiàn)象發(fā)生；如果前后排刷毛間隙錯開排布，即前排間隙與后排刷毛簇對齊則會大大減少積雪漏掃。 刷毛簇直徑刷毛簇直徑是指刷毛簇根部圓柱捆的平均直徑大小，其大小與刷毛直徑大小、每簇刷毛上的刷毛之間的間隙大小有關(guān)。刷毛簇直徑過大會使刷毛簇上圓周外側(cè)的刷毛受內(nèi)側(cè)刷毛作用而傾斜過大，從而導(dǎo)致傾斜的刷毛接地壓力縮小，清掃能力下降，不能使刷毛得到充分利用。同時在直徑較大的情況下，各簇上的外側(cè)刷毛之間會互相產(chǎn)生明顯的干涉，導(dǎo)致干涉區(qū)域不能有效作業(yè)，影響清掃質(zhì)量。 掃雪輥有效作業(yè)寬度對于滾掃型清雪機械的作業(yè)性能主要有以下兩個評價指標(biāo)，一個是生產(chǎn)率，另一個則是有效性系數(shù)。 生產(chǎn)率H生產(chǎn)率是指掃雪車連續(xù)工作一小時的清掃面積，是衡量滾掃類清雪裝備作業(yè)效率和作業(yè)能力的一個重要指標(biāo)［3］。公式19式中：H ──掃雪車的生產(chǎn)率，m；B ──清雪寬度，m；──作業(yè)牽引速度，m/s；──清掃行程的重疊系數(shù)，=～ 0 .9。 清掃質(zhì)量評價指標(biāo)清掃質(zhì)量用清掃有效性系數(shù)表示，一般有如下衡量標(biāo)準(zhǔn)，公式20式中：──清掃有效性系數(shù)；──清掃前路面的積雪量，g/m──清掃后路面的積雪量，g/m 牽引速度及滾刷旋轉(zhuǎn)速度滾刷在不同的牽引速度及自身旋轉(zhuǎn)速度下清雪效果也會有顯著差異，二者既構(gòu)成約束又需要匹配。牽引速度相對過快，會導(dǎo)致螺旋推雪不到位，即橫向推雪還沒有推移至道路一側(cè)，滾刷已經(jīng)被裝載機拖至新的位置，而且容易產(chǎn)生“拖雪現(xiàn)象”。即由于滾刷自身旋轉(zhuǎn)過慢而前進速度過快，滾刷拖雪前進；旋轉(zhuǎn)速度相對過快，會導(dǎo)致螺旋推雪過快，即橫向推雪已經(jīng)推移至道路一側(cè)，由于前進速度較慢，產(chǎn)生重復(fù)推雪，這樣既沒做到功率合理分配，又增加了刷毛的磨損，降低了刷毛的使用壽命。同時旋轉(zhuǎn)速度過大，會使路面積雪過度飛濺，雖然其上有擋雪板遮蓋，但下半部分依然有積雪會飛濺至裝載機或支撐架上，影響整機清潔，部分零部件可能因此銹蝕。以上所說的牽引速度和旋轉(zhuǎn)速度大小均是相對而言，因為螺旋式滾刷既要完成縱向掃雪又要完成橫向推雪，兩個清雪任務(wù)同時進行，速度差異必然導(dǎo)致任務(wù)完成不同步，匹配好兩個速度的大小關(guān)系，避免“縱向拖雪”現(xiàn)象、“橫向推掃不到位”現(xiàn)象，對清雪效率的提高以及道路清掃質(zhì)量的提高均有非常重要的意義［4］。除了機具自身原因?qū)е碌那逖┬Ч患阎?，一些客觀環(huán)境因素對清雪質(zhì)量也會造成一定影響，例如氣候因素、道路交通狀況、路面特點等。氣候因素主要指溫度變化，例如在降雪后較短時間內(nèi)由于氣溫回升，新降干雪不能保持原有物理特性，粘度增大，與地面附著力也相應(yīng)加大，此時掃雪工作會變得力不從心，雖然清雪車各部分工作穩(wěn)定正常，但仍不能達到理想的清雪效果。風(fēng)力、風(fēng)向、風(fēng)速對清掃作業(yè)也可能會產(chǎn)生一定的副作用。有時特殊的路面特點也會對清雪效果產(chǎn)生影響，比如坡路工況、狹窄多彎工況、交通要塞車流量多的地段都可能產(chǎn)生不理想的清雪效果。因為清雪作業(yè)力求及時、快速，我們不能等待合適的天氣和道路交通狀況選擇時機進行作業(yè)，所以我們應(yīng)提前對影響清雪的因素做出正確的判斷，根據(jù)操作人員的工作經(jīng)驗或智能化探測方法來保證清雪工作的順利進行。隨著科技的進步，人們對客觀世界的認(rèn)識了解也逐漸加深，臥式滾掃型清雪車在豐富自身功能、提高作業(yè)效率的同時，適應(yīng)客觀不利因素的能力也會日益加強［5］。 滾刷的牽引速度為了方便駕駛員的操作，減少駕駛員對轉(zhuǎn)速的控制，本文將滾刷的牽引速度看作成固定值25km/h，即最大作業(yè)速度低于25km/h，進而確定滾刷的轉(zhuǎn)速。操作人員只要控制好行車速度（即牽引速度）就可以保證清雪質(zhì)量。 滾刷的旋轉(zhuǎn)速度假設(shè)刷毛沿路面隨除雪車移動的距離為s。分析單根刷毛的運動及變形過程，并根據(jù)s的兩種求解方法可以列出等式，從而求出圓周轉(zhuǎn)速n。若滾刷在除雪車清雪過程中用時間t轉(zhuǎn)過β，則公式21式中：n──滾刷圓周轉(zhuǎn)速，r/min。刷毛沿路面隨裝載機移動的距離s為：公式22圖33 滾刷排布軸向相位差示意圖Figure33Rolling brush s axial phase difference schemes由圖 33 可知［6］公式23式中：R──螺旋滾刷半徑，m；h ──刷毛變形量，一般 h=0 .01～β──在運動初始階段，刷毛與地面剛接觸，刷毛未發(fā)生變形時，刷毛與垂線之間的夾角。根據(jù)經(jīng)驗，一般公式24公式25所以有公式26綜合以上各式可以推算出滾刷圓周轉(zhuǎn)速n：公式27依據(jù)前期設(shè)計方案，各參數(shù)取值如表31所示，表31 各參數(shù)取值Table 31 the values of the parameters參變量滾刷半徑（R）/m刷毛變形量（h）/m牽引速度數(shù)值分別代入求解，這樣可以計算出圓柱滾刷轉(zhuǎn)速為： n =。 對滾刷圓周轉(zhuǎn)速的校核上述的滾刷圓周轉(zhuǎn)速的計算是在理想狀態(tài)下進行的，及忽略了干雪相關(guān)特性以及清雪作業(yè)要求，僅考慮滾刷的幾何結(jié)構(gòu)與運動之間的關(guān)系進行推導(dǎo)的。但實際情況往往要復(fù)雜得多，在進行滾刷的轉(zhuǎn)速計算時，以該轉(zhuǎn)速作業(yè)是否會出現(xiàn)“軸向推雪不到位”現(xiàn)象；當(dāng)考慮路面對浮雪顆粒的反作用力及安裝角時，以該轉(zhuǎn)速作業(yè)是否會出現(xiàn)清掃不徹底現(xiàn)象。因此對所求圓周轉(zhuǎn)速有必要做進一步校核與驗證，下面針對該校核方法進行說明［7］。（1）避免出現(xiàn)“軸向推雪不到位”情況當(dāng)滾刷牽引速度相對其旋轉(zhuǎn)速度大到一定程度時，就會出現(xiàn)軸向推雪還未完全推送至路旁，滾掃裝備便已被牽引至前方另一位置。未被推送至路旁的積雪會因滾刷的前移而殘留在路面上，這樣嚴(yán)重的影響了清雪作業(yè)質(zhì)量。下面針對軸向推雪不到位現(xiàn)象進行相關(guān)分析。因為滾刷在推雪作業(yè)時主要是依靠各滾刷間隔的軸向移動來進行積雪輸送，每個螺旋間隔從滾刷一端移動至另一端，其受力和運動情況可認(rèn)為是相同的，所以這里選取任意某個刷毛間隔進行分析。在滾刷隨工作主機前進移動過程中，積雪不斷涌入各刷毛間隔內(nèi)部，如圖34所示。圖中“虛線矩形”代表滾刷觸雪區(qū)域，矩形內(nèi)部“實線平行四邊形”代表任意刷毛間隔。積雪沿進入，雪量不斷累積增多，逐漸靠近刷毛間隔出雪口。當(dāng)軸向推雪速度相對牽引速度慢到一定程度時，積雪在刷毛間隔內(nèi)會越過刷毛間隔出雪口，流出觸雪區(qū)域，殘留在路面上，如圖35所示。這種現(xiàn)象就是由于軸向推雪不到位產(chǎn)生［8］。圖34 積雪進入螺旋間隔Figure34 Snow into the spiral interval圖35軸向推雪不到位Figure35 Axis to push the snow is not in place橫向推雪速度與牽引速度的正確選擇能夠有效的避免軸向推雪不到位現(xiàn)象。保證積雪在從出雪口流出之前，積雪已經(jīng)被推送至道路一側(cè)。所以應(yīng)有以下關(guān)系，公式28式中： L──滾刷有效清掃長度,m；──間隔軸向移動速度，m/s；──間隔牽引方向移動速度，m/s；s ──觸雪區(qū)域縱向?qū)挾?，m。滾刷外緣的圓周線速度Vm為，公式29式中：──滾刷最外緣的線速度，m/s；n──滾刷圓周轉(zhuǎn)速，r/min；R ──滾刷半徑，m。利用三角函數(shù)關(guān)系求得觸雪區(qū)域縱向?qū)挾萻為:公式30式中： s ──觸雪區(qū)域縱向?qū)挾?，m；R ──滾刷半徑，m；β──刷毛觸雪部分所對應(yīng)的夾角，rad。由上可得，公式31（2）考慮滾刷安裝角及浮雪受力情況因為臥式滾掃型清雪車滾刷的安裝除了其軸線與工作主機車軸平行（即平面安裝角θ =0的情況）之外，還有很大一部分清雪車的滾刷安裝角度不為0。為了使研究更具有普遍性，這里針對帶有一定安裝角θ的滾刷為研究對象，將本文中的滾刷安裝角θ =0視為其中的一個特例。滾刷在作業(yè)時，路面浮雪顆粒實際至少要受到兩個作用力，即刷毛沿其切線方向的彈掃力和沿與牽引方向相反的阻力，二力的作用結(jié)果如圖36所示［9］。圖中為刷滾向前移動的牽引速度；AB為路面某浮雪顆粒在滾刷作用下的運動速度，其方向沿滾刷的切線方向，與滾刷軸線垂直；是浮雪顆粒受到路面反作用力而產(chǎn)生的向后運動的速度，在數(shù)值上=。依據(jù)矢量合成準(zhǔn)則，浮雪顆粒實際運動速度AC應(yīng)為，AC=AB+=AB+BC圖37 浮雪顆粒在二力作用下的運動分析Figure37 Floating snow particles in two forces movement analysis上圖所示情況為設(shè)計過程中所希望的結(jié)果，即滾刷對浮雪顆粒的作用力比地面對其的反作用力大一定數(shù)值。此時該浮雪顆粒的實際運動速度為AC指向刷滾運行的前方一側(cè)，這樣在滾刷向前運動的過程中，它會受到滾刷上其他刷毛的再次彈掃作用，直至掃出路面，達到清掃道路的目的。但是，如果出現(xiàn)相反的情況，如右圖所示，滾刷向前移動的速度大于滾刷對浮雪顆粒的切向彈掃速度，此時合運動AC的方向會指向掃滾軸線的后方一側(cè)，這意味著浮雪顆粒不能被清掃掉，只能殘留在路面上，顯然這是設(shè)計過程中所不希望的。上面兩種情況，都已說明了滾刷轉(zhuǎn)速高低或向前行駛速度的大小會直接影響滾掃型清雪車的工作效率及性能。對其合理的取值與滾刷偏角的選擇具有同等重要的意義［10］。為了進一步分析，考慮一種特殊情況，.(2)中△B′C′A所示的臨界狀態(tài)。這時，浮雪顆粒的合運動速度與滾刷的軸線相重合，即AC′處在滾刷軸線前方與后方的分界線上，該浮雪顆粒有可能被滾刷掃走，也可能被遺留在路面上。幾何關(guān)系知，在△B′C′A中,∠C′AB′=90176?！螧′=θ所以有， A B′ =C′B′ cosθ同時因為 cosθ≤ 1，由此可知，A B′≤C′B′這是在臨界狀態(tài)時形成的幾何關(guān)系，為使AC′偏離刷滾軸線而指向滾刷的前方一側(cè)，須滿足以下條件，AB ′ C ′B ′在數(shù)值上，它們分別為，公式32式中：n──滾刷的旋轉(zhuǎn)的速度，r/min；──滾刷牽引方向行駛速度，m/s；──滾刷的外徑，m。故有即，經(jīng)過反復(fù)驗證，清雪效果比較理想。由此，計算公式可以修正為，一般對于滾掃型清雪車而言，如果其同時具有兩種以上的清掃作業(yè)速度，其中至少有一個速度是可以調(diào)節(jié)變換的，以確保速度之間的匹配關(guān)系。對于本文所研究的螺旋滾掃式清雪車，前面所求解