小型除冰機的結構設計

高 圣 董淑婧

(大連科技學院，遼寧 大連 116052)

1 小型除冰機的意義

在冬季時天氣一般普遍寒冷，在寒冷的天氣下工人對除冰機械的直接操作不僅浪費體力，還會因為天氣過于寒冷造成凍傷的狀況。對于我國在城市中的除冰清雪作業還是采用清潔工人或大型的除冰清雪機械的作業來解決的。由于我國街道的復雜性存在有道路過窄的情況，從而間接限制了那些大型機械的操作空間，只能通過工人來解決過窄道路的除冰困境。本文設計的小型除冰機的結構可以實現功能多樣化、極高的效率、避障能力強，可以應用在各種場所，在各種路況上都能達到它的效果，從而有效地解決了我國當前在除冰雪方面的困境。通過小型除冰機的加入減輕工人的勞動，可以做到不管是狹窄的街道還是公路都能進行除冰作業。而且小型除冰機的制造成本相比較小很多、使用的限制范圍也縮小了很多，可以對其進行大面積地推廣使用。

2 小型除冰機的總體結構設計

2.1 整機結構及工作原理

工作原理：利用手扶架推動車身行走和控制方向，通過發動機提供動力，由帶輪及皮帶通過帶傳動帶動動力軸轉動，然后通過帶輪的帶傳動連接的攪龍軸帶動攪龍轉動，然后利用攪龍的兩個相向旋轉的葉片將冰雪碎塊集中到一起，通過揚雪裝置的向后推力，將冰雪碎塊通過管道輸送到儲藏箱中，由于儲藏箱的輸送管道末端存在斜度，迫使集冰雪碎塊通過刮板運輸器下落到道路右邊，從而達到除冰的目的。結構圖如圖1所示。

2.2 工作過程

啟動發動機后齒輪進行旋轉帶動各個帶輪轉動，由帶傳動系統來帶動連接的攪龍進行旋轉工作，發動機通過帶傳動連接到減速器后減速器上的帶輪經帶傳動帶動車輪的轉動和底部清掃裝置的工作，工人輔助除冰機開始工作，首先打開自護撒鹽槽并用除雪鏟對積雪進行清除，通過攪龍的帶動收集到儲藏箱中，與此同時對冰面進行了一次撒鹽，此時再由碾壓滾對冰面進行破碎，同積雪一樣被收集到儲藏箱中，最后對路面進行清掃。

1-碾壓滾輪；2-攪龍；3-除雪鏟；4-自主撒鹽槽；5-刮板式升運器；6-帶輪；7-千斤頂；8-萬向輪；9-動力裝置；10-減速器；11-清掃器；12-車輪；13-車架圖1 小型除冰機的結構圖

3 工作部件參數的計算與校核

3.1 車輪軸的設計與校核

傳動軸對整個小型除冰機機構的各個部件間的傳輸動力起著十分重要的作用，各個部件所需的動力都需要發動機輸出的直接供給通過齒輪轉化的方式將輸出動力傳向傳動軸，從而帶動小型除冰機結構上的部件依次開始工作。傳動軸如圖2所示：

圖2 傳動軸

軸的設計過程如下：

軸的工作情況：無腐蝕條件下工作

軸的轉速：n0=1500r/min

軸的輸入功率：p0=10kW

所設計的軸是實心軸，材料牌號：42CrMo正火。

硬度(HB)：230MPa，抗拉強度：600MPa。

3.1.1車輪軸的設計計算

依據扭矩的數值初步計算輸入軸的直徑，選用42CrM0合金鋼調質，硬度217-255HBS。

根據機械設計基礎，并查得，取c=118。

3.1.2 確定各軸段的直徑和長度(根據設計要求)

軸的總長為798mm，軸的段數為6，各段的直徑及長度見表1；軸段的載荷信息見表2。

表1 各軸段長度及直徑

表2 各軸段的載荷信息

軸所受支撐的信息如表3所示。

表3 軸的支撐信息

3.1.3 軸的校核

1)垂直支反力計算

距左端距離15mm，垂直支反力FA，距左端距離418.5mm，垂直支反力FB

FQ=FA+FB

解得：FB=183.38NFA=71.3N

2)繪制垂直彎矩圖3(面C左側彎矩)

圖3 力矩圖

MCV=FA×209=1.49×104(N·mm)

截面C右側彎矩：

3)繪制當量彎矩圖

C處有可能是危險截面，取α≈0.6

4)校核危險截面處的強度

故軸的強度足夠。

3.2 碾壓滾結構設計

碾壓滾是本設計小型除冰機除冰雪清除工作裝置的最主要部件，要想發揮小型除冰機的性能需要除冰裝置擁有合理的結構形式。對于碾壓滾的結構形式主要是以圓柱形為首選，圓柱形的碾壓滾有減緩摩擦阻力的作用，減少消耗的功率。

小型除冰機的功能是除去附著在地面上的冰層和壓實雪層的一種小型裝置。單從理論上來說，我們是可以把冰層或者壓實雪層看成一個平面的，要達到冰層或壓實雪層與地面之間分離開，可以比喻成是在用車床對一個加工平面進行粗加工。數控車床的圓柱銑刀最為常用了，它常常被來加工切削平面。因此，我們可以將刀片或者齒刀設計安裝在圓筒形的滾筒上，形成碾壓滾。小型除冰機的碾壓滾結構圖4所示：

圖4 碾壓滾結構圖

3.2.1 碾壓滾參數

碾壓滾是設計小型除冰機中最為重要的部件。在結構的設計上通過對小型除冰機中除雪裝置的3個要求確定了重量。不加配重時的除雪裝置重量為G0=29615；配重后的除冰裝置加上碾壓滾筒內部的重量為G1=36000N。碾壓滾筒的半徑r=95mm，寬度：795mm，碾壓滾選擇的材料：Q235-A。托架材料也用Q235-A，厚度為δ=20mm。整個除冰裝置的最大寬度為795mm。

3.2.2 對工作阻力進行計算

對除冰機的所有工作流程進一步剖析，小型除冰機的整個結構在水平切線方向所受到的工作阻力主要包含兩部分：當刀齒碾壓到冰雪層里，因為冰雪會發生變形斷裂以及破碎，不僅會對磙子產生阻力，而且會對碾壓滾產生相對滾動阻力。由于冰雪層與刀齒之間存在著十分復雜的相互作用，對工作阻力精確計算的公式在理論上很難成立，除此之外，小型除冰機處于工作狀態時，因為動態變化的外負荷，想要進行計算其工作阻力的意義不是很大。所以，需要通過這種自行式鏟土運輸機械，如：裝載機械﹑推土機械﹑鏟運機械等對工作阻力進行計算。計算小型除冰機對路面清除工作時的工作阻力Px的經驗公式：

Px=P1+P2

根據以上公式，帶入數值后可以計算出小型除冰機在除冰工作時所遇到的最大水平切線的工作阻力為26496kW。從發動機的性能參數可推斷出該阻力值小于等于所對應的額定滑轉率工作情況時的牽引力數值。

3.3 減速器的選擇

從發動機傳出的轉速很快導致小型除冰機的前進速度很難接近工人們能接受的速度，所以需要選擇一種減速器來達到工人可以很靈活地對除冰機的操作，減小其轉速是唯一的解決方案。考慮到除冰機的容積量大小，則需要一種較小型的減速器。綜合機械市場出售的各種減速器來看，最終選取了AQH25型減速器來降低轉速，從而實現工人對除冰機的操作。AQH25型減速器不僅可以用于正向運轉減速器，還可以做到反向運轉且最高轉速不大于2000r/min，而且此減速器最主要是可以在-40℃的低溫下條件下工作。AQH25型減速器帶有9種不同的傳動比及3種低速軸軸端的形式，我們可以根據工作上的要求來進行取舍。同時，AQH25型減速器的外形尺寸為440×230×325mm，符合小型除冰結構域的安裝要求。

4 結語

本文對小型除冰機的工作原理進行了介紹，對小型除冰機的各個部分在預期要達到的效果上確定了合理的設計方案。對主要部件的結構進行了受力分析以及對各個零件的材料選擇、尺寸、強度校核的正確計算。考慮到冬天天氣寒冷的因素來對減速器進行選擇，依據實際情況選擇合適功率的發動機。