集成鋼絲繩切削式除冰刷設計

王 旭，王會春，儲江偉，李洪亮，彭 敏

(1.東北林業大學交通學院，哈爾濱 150040;2.黑龍江省高速公路管理局，哈爾濱 150040)

東北是我國降雪的主發生區。受天氣變化和降雪區域不同的影響，積雪的存在形式主要有疏松性、致密性、水雪復合型和冰雪復合型積雪［1］。隨著交通路網的不斷發展，全國需要清雪的道路總長度占全國道路的一半［2］。尤其在城市，冬季降雪對交通的影響已經到了不容忽視的地步。城市道路的冰雪根據其密度和含水率不同可分為自然積雪、壓實積雪和融凍冰雪3種［3］。道路經常因積雪堆積路面導致阻塞交通，而降雪后路面積雪得不到及時清理，經過車輛碾壓后形成堅硬的壓實積雪或者融凍冰雪。雖然道路除雪設備是清理道路積雪最有效、最環保的方法，但傳統除雪設備對堅硬的壓實冰雪和融凍冰雪無法清理，給民眾的出行帶來諸多安全隱患［4］。因此，急需一種新型除雪設備來滿足城市除冰除雪的需要。

1 冰與冰雪路面特點

冰是一種復雜的脆性材料，它的硬度隨溫度的降低而升高。冰的抗壓能力遠大于抗拉強度，冰在受到破壞時根據受力情況和結構不同可發生大范圍崩裂、局部破碎和彎曲破壞。根據冰材料的復雜性，即在不同的應變速率下表現出不同的破壞特性［5］，如圖1所示。冰在應變速度大于130 mm/min時受到的破壞為脆性破壞，產生大面積碎裂。

圖1 冰材料在不同應變下形狀改變形式

在路面上的冰和江河中的冰不同。路面冰主要由于積雪融凍、車輛碾壓等原因形成。在主要交通路段，路面結冰積雪一般不超過幾厘米［6］。而其中又夾雜著直徑0.1～0.5 mm的氣泡和大量的塵土顆粒，其硬度和材料結合性比一般冰要低。我國規定一般條件下冰的抗壓強度為750 kN/m2。

2 切削式除冰原理

目前，國內的切削式除冰設備是一大空白，現有的除冰設備大多采用高壓力壓碎冰層或者用鏟車鏟除冰面。這2種方式不僅機械效率較低，還會對路面產生嚴重破壞［7－14］。本設計采用切削式的除冰方案，即用鋼絲繩的端面對冰雪進行高速切削式清除，如圖2所示。

圖2 崩碎切削示意圖

冰材料屬于硬脆材料，切削時未經塑性變形即被擠裂，發生崩碎切削。由于鋼絲繩的硬度遠大于冰的硬度，因此，采用柔度可調的鋼絲繩作為切削刀具。

2.1 切削速度vc

切削速度公式:

式中:vc為切削速度(m/s);dw為刷頭直徑(mm);n為刷頭轉速(r/min)。

受到速度大于130 mm/min的應變時，冰材料發生脆性破壞，此時的除冰效果最佳。考慮實際除冰工作情況，除冰刷的刷頭直徑設計為0.5 m，刷頭轉速確定為300 r/min，切削速度為282.6 m/min。

2.2 進給量

工件或刀具每轉一周時，刀具與工件在進給運動方向上的相對位移量為進給量。在除冰刷工作時切削進給量可以用除冰機具的前進速度來表示。背刀吃量可不考慮。

3 集成鋼絲繩切削式除冰刷結構

3.1 總體結構

本設計主要針對路面壓實積雪和薄冰難以清除而且對行車安全影響最大的情況，以選定的半剛性切削式路面薄冰清除原理和方法為基礎。對集成鋼絲繩切削式除冰刷的刷盤進行設計，刷盤采用多根鋼絲繩組合，以鋼絲繩端面為切削刀具，對壓實積雪和融凍冰雪以切削的方式進行清除的方案。此外，在對薄冰的清除效果上，不僅可以有效清除路面光滑的薄冰，還可以通過刷頭的切削作用有效破壞薄冰光滑的平面，起到防滑的作用。除冰刷的總體由底座、液壓馬達、導向鍵等零部件構成的除冰刷動力傳動系統;由壓緊彈簧、柔度調節盤構成的除冰刷柔度調節系統和由鋼絲繩上壓蓋、鋼絲繩托盤和若干段鋼絲繩組合構成的刷盤組成，如圖3所示。

圖3 除冰刷結構示意圖

作為集成鋼絲繩切削式除冰刷關鍵部件，柔度調節系統可實現切削式除冰機的鋼絲繩刷的硬度調節，以適應不同硬度和厚度的路面冰雪的清除要求。在圖3所示結構中，柔度調節盤與軸固定連接，鋼絲繩上壓盤在彈簧和導向鍵的作用下可以帶動鋼絲繩進行上下移動。柔度調節盤和鋼絲繩托盤的直徑不同，通過兩者的縱向位置不同來改變鋼絲繩的彎曲角度。鋼絲繩壓盤在底端時，壓縮彈簧受力最小，此時鋼絲繩處于最大分散狀態，對路面的壓力最小;反之，鋼絲繩壓盤在最上端時，鋼絲繩處于束緊狀態，并對地面產生最大壓力。另外，在工作時遇到不平路面時通過彈簧實現減振效果，使其具有隨路形自振的功能，刷頭與路面柔性接觸，不損傷路面。這種改變實現了對不同硬度的冰雪采用不同強度的清除方式，從而最大程度增加工作效率，并減少對路面的損傷。

工作刷主要結構由上壓盤、托盤、刷頭3部分組成。為保證工作刷在不同高度的冰層上能順利通過不致受阻，設計中刷頭的材料取具有柔性的鋼絲繩，其結構復雜、形式多樣。為設計簡單、有效，選取結構形式為1×7的單股直徑10 mm繩類，公稱抗拉強度為1570 MPa，鋼絲繩的最小破斷拉力為122 kN。本設計中的鋼絲繩在工作時主要損壞為磨損破壞，抗拉強度和最小破斷能力都在使用范圍之內。另外，以鋼絲繩作為刷頭，當鋼絲繩磨損破壞時，繩股結構隨之改變，可能由原來的一股變為多股，即可以在一定程度上有效地增大工作刷的工作效率。

3.2 主要參數

本文設計的除冰刷結構簡單、造價低，其主要技術參數如表1所示。

表1 除冰刷主要技術參數

3.3 主機的選擇及總體簡圖

在對主機的使用要求上需滿足社會持有量多、使用廣泛、具備液壓系統等特點。國外多數國家都選擇已經生產并普遍使用的機動車輛作為驅動底盤。本設計采用小型貨車作為動力源［15］。除冰機安裝示意圖，如圖4所示。

圖4 除冰機安裝示意圖

在主機與除冰刷的中間安裝推雪板和升降系統，可以隨時調節除冰刷的除冰強度，推雪板可以把清除的冰雪推至道路一邊，方便清理。

除冰刷的結構簡單、方便拆卸，冬季可以作為除冰車輛使用，在其他季節可以拆除，作為普通車輛日常營運。

4 動力參數的確定

4.1 刷頭參數計算

機構工作時受到的主要作用力為刷頭切削冰層的切削阻力，計算時按單個鋼絲繩刷頭計。

每個鋼絲繩刷頭切削阻力Fi為

式中:pb為一般條件下冰的抗壓強度(750 MPa/m2);s為鋼絲繩和冰層的擠壓面積，初定為0.6 cm2。計算得出每根鋼絲繩的切削阻力為4.5 N。若初定刷盤鋼絲繩為72根，則主要參數計算如下。

除冰刷刷頭轉矩Ts:

刷頭工作平均半徑r選為0.3 m，則由式(3)得刷頭轉矩Ts為97.2 N·m。

除冰刷刷頭功率Ps:

式中:n為刷頭轉速，由式(4)計算得刷頭功率Ps為3.0 kW。

4.2 液壓馬達選用

根據式(3)求得轉矩 Ts為97.2 N·m，刷頭轉速為300 r/min。查機械設計手冊可初定液壓馬達型號為MFB20柱塞馬達。其幾何排量 V為42.8 ml/r，最高工作壓力為 17.2 MPa。

液壓馬達流量ql:

式中:V為液壓馬達幾何排量;ny為液壓馬達轉速300 r/min。求得液壓馬達流量ql為12.8 L/min。

液壓馬達工作壓力py:式中:Ts為輸出轉矩。計算得出液壓馬達的工作壓力py為15 MPa，符合液壓馬達的工作要求。

液壓馬達輸出功率Po:

計算得液壓馬達的輸出功率為3.2 kW。

機械效率ηm:

計算得機械效率ηm為0.93。

因此該型號MFB20柱塞馬達滿足集成鋼絲繩切削式除冰刷的使用要求。

5 性能特點

1)不損傷路面。變柔度銑削式除冰刷能有效清理路面壓實冰雪。在清理壓實冰雪時，刷盤通過彈簧實現減振，具有隨路形自振功能;鋼絲繩刷頭與路面柔性接觸，可以減少除冰機械裝備對路面的損傷。

2)作業效果好，效率高。由于具有柔度調節系統，可以對銑削式除冰刷的柔度進行調節，以適用于不同硬度和厚度路面結冰的清除，使清除效果和效率顯著提高。

3)“一機多用”功能。除雪設備具有結構簡單、操作方便等優點，置于主機前端，視野開闊，轉運方便，在冬季可進行除雪作業，其他季節可裝備其他裝置使用，拆卸簡單、便于維護，實現了“一機多用”功能。

6 結束語

切削式除冰刷在針對國內積雪特點并借鑒國外先進除雪技術的基礎上，采用自主研發的動力系統、柔度調節系統和刷盤組合而成，具有結構簡單、工作靈活、造價低、性能可靠的特點。

根據我國除冰除雪市場的需求，民眾對道路使用條件要求的提高，除冰設備將逐步推廣使用。針對不同冰雪和不同路況出動不同的除冰除雪設備，即用多種不同功能的除冰除雪車輛進行流程作業。

未來的除冰除雪設備不僅要具備清理壓實冰雪和浮雪的能力，還應具有將清理后的積雪自動裝車等一系列功能，以適應除雪市場的需求。

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