基于有限元的人力除雪裝置設計分析

柳晉晉 符寶鼎 孫國良 邢振偉

摘 要：針對雪后路面壓實積雪難以清除這一重要問題，設計分析并制造一款新型人力除雪裝置。這一除雪裝置掛載與人力車上，通過電機驅動，由轉動導桿機構控制除雪刀旋轉沖擊除雪，同時由收集裝置上的滾刷轉動，將破碎的冰塊兒帶入收集裝置。經有限元分析和試驗結果表明，該裝置簡單方便，強度可靠。

關鍵詞：除雪裝置；轉動導桿機構；有限元分析

我國的北方許多地區，每年都存在較長的降雪期。下雪時的道路積雪對于人們的生活和生產造成了很大的影響。人們總是習慣于降雪后清除積雪，但是積雪經過行人的踩踏及車輛的碾壓會在道路表面形成硬實的冰雪混合物。人力除雪非常的費力耗時，在這個情況下要求制造符合我國實際的機械除雪車[1]。

清除壓實雪機械設計投入成本高，除雪效果不夠理想。而目前廣泛使用的融雪劑除雪法，能夠高效快速的清除壓實雪，可它對于環境和公路設施有很大的破壞，對水源植被的影響也很大。雖然環境友好型除雪劑已經問世，但是對于環境和植被的影響不能完全消除。因此研究一種廉價、環保、高效、操作簡單的除雪裝置有重大的意義[2]。

1 工作原理和方案設計

1.1 機車工作原理

人力除雪車總布局圖如圖1所示。，用腳踩下操作桿調節千斤頂10，支撐桿12向下轉動，同時拉壓桿18帶動滑塊21在擺桿19上的滑槽中滑動，使得擺桿19向下轉動，當除雪刀到達合適位置時，收集裝置上的滾輪22與地面接觸。啟動電動機3，動力通過帶傳動傳遞到鏈輪軸11上，再經鏈傳動傳遞到除雪裝置，使得除雪裝置上的轉盤轉動，在轉盤轉動的過程中，除雪裝置上的除雪刀發生周期性收縮即上升時縮回下降時伸出，到達最低點時沖擊路面上的冰雪，在人腳蹬除雪車前進的過程中，收集裝置上的滾輪22帶動滾刷13轉動，使破碎的冰雪進入收集器，達到除雪的效果。

1.2 方案設計

1.2.1 除雪裝置的設計

除雪裝置的三維模型如圖2所示，它由除雪刀轉盤、導桿、方管支座、直線軸承、雙頭螺桿、聯軸器、和主軸等組成。其中沖壓機構是人力除雪車的重要組成機構之一，它由曲柄滑塊機構組成，聯軸器6作為曲柄，雙頭螺桿5作為連桿，導桿2相當于滑塊。在除雪車前進的過程中，當動力通過鏈傳動傳給鏈輪，鏈輪帶動轉盤7轉動時，聯軸器6帶動主軸轉動，進而使導桿2在直線軸承中移動，除雪刀1隨導桿2一起伸出。當到豎直位置的最低點，利用主軸偏心，完成一次沖擊動作。由于轉盤7的慣性，加之額外的力的作用，給除雪車提供了足夠的動力，達到了除雪目的。為保證強度，雙頭螺桿和導桿均選用45號鋼。

1.2.2 收集裝置的設計

收集裝置由滾刷、滾輪、滾軸、收集器、支架等組成。在除雪車前進的過程中，滾輪1帶動滾刷3轉動，使破碎的冰雪進入收集器5。滾刷毛具有一定的傾斜角度是為了減少刷毛的磨損，同時能夠使破碎的冰雪進入收集器。收集器5的結構設計成折線形，以保證已進入的冰雪不從收集器中脫落。收集裝置如圖3所示。

1.2.3 除雪刀的設計

由于除雪刀在使用中應滿足一定的強度、硬度、耐磨性和韌性，因此本車刀選用的材料是經過氮化和表面淬火處理的ZGMn13Cr2高錳鋼，氮化和淬火處理后的鋼表面硬度得到大幅提高，而ZGMn13Cr2高錳鋼本身具有耐沖擊，耐磨等特點，也具有一定的塑性、韌性，是適合除雪的。

在實驗過程中我們發現刀具的切入角度會很大程度的影響除雪效果，所以在實驗中試階段我們改進了刀具的切入角度以及刃的形式，并不是單一的刃，而是復雜的多角度的。當所要破碎的冰層較厚時，可采用點接觸式除雪刀，以達到更好的除雪效果。

2 典型零部件結構設計

2.1 轉盤設計

轉盤設計圖如圖4所示，為了給除雪車提供更好的動力，本機采用大圓盤帶動曲柄滑塊

機構運動，利用圓盤的慣性可以先使機器轉動起來然后再除雪，會更加容易。轉盤上對稱的八個孔能夠減輕轉盤的重量，同時可以提供動平衡。

2.2 導桿的連接設計

導桿的連接質量直接影響除雪的效果，所以本設計采用了兩個端點軸承配合的方式作為導桿的連接。導桿連接設計圖和實物圖如圖5所示。

3 主要零件的有限元分析

通過多次試驗測試分析以及計算分析得知除雪刀需要承受很大力的作用力且工作狀況最為惡劣，是設備最主要的受力零件，其剛度和變形對使用過程影響較大。因此對除雪刀進行有限元應力分析。其分析過程如下[3]：

由以上測試數據可知此除雪刀的最大變形量和最大應力均滿足許用值，在允許變形范圍內，故此除雪刀符合要求。

4 結論

該人力除雪裝置經過對人工模擬的冰凍路面與實際降雪后的冰雪路面的實地清除測試，最厚可以破除1.5cm左右的冰凍路面，冰雪清除率可以達到85%以上。可以有效的保障降雪后道路交通的安全。

本裝置操作簡單靈活機動，實用性較強且造價成本相對低廉。不會占用過多的道路面積，保證及時清理積雪的同時又不會影響車輛行人通行。在正常工作時間內，可以代替20個左右環衛工人的勞動量，能夠填補大型機械作業的盲區，及時有效的清理冰雪。平均除雪花費也減少80%以上，但是仍然存在一些結構不足，還需要開發新的機構來簡化其結構，同時還要提高裝置的通用性，提高其穩定性及適應性。以面對復雜情況下除雪任務。

參考文獻：

[1]胡海英.國內除雪機械現狀及發展趨勢[J].工程機械與維修，2011（08）.

[2]祁玉龍，孟慶勇，王文藝.除雪除冰設備的現狀和發展趨勢[J].鐵道建筑技術，2012（10）：88-90.

[3]紀冷桐，趙軍，張啞.有限元技術基礎[M].北京：化學工業出版社，2007.4.

[4]陸季挺，靳長征.高速公路快速除雪作業[J].筑路機械與施工機械化，1999，（2）：43-45.

[5]徐東明，劉莉莉.除雪車功能裝置[J].專用汽車，2001，（3）：29-42.

[6]張長榮.振動壓裂式破冰雪機的研制[J].筑路機械與施工機械化，1999，（6）：16-17.

[7]穆存遠，孫立新，等.城市道路積雪物理機械性能測試研究[J].機械設計與制造，2001（3）：73-74.

作者簡介：第一作者：柳晉晉，遼寧工業大學。