北方高寒地區(qū)高速公路和城市道路除冰雪機(jī)械的研究

孫潘罡 陳 松 遲樹廷

（1.青島工貿(mào)職業(yè)學(xué)校，山東 青島 266041；2.黑河市農(nóng)機(jī)研究所，黑龍江 黑河 164300）

1 研究背景

我國(guó)北方高寒地區(qū)常年低溫，冬季漫長(zhǎng)。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(yán)寒條件下，有些公路路段坡度大，機(jī)械除冰很難解決積雪不及時(shí)清除、反復(fù)形成凍融冰層的問題。二是機(jī)械故障率高。除冰雪工作部件作業(yè)時(shí)與地面硬接觸，對(duì)路面損傷嚴(yán)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(jī)械清除冰雪質(zhì)量不達(dá)標(biāo)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(guó)內(nèi)部分大城市批量引進(jìn)了國(guó)外大型除冰除雪機(jī)械。這些機(jī)械效率高、作業(yè)質(zhì)量好，但是價(jià)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(jī)，德國(guó)奔馳公司生產(chǎn)的SCHMID等型號(hào)專用除冰車，價(jià)格一般在300萬(wàn)～500萬(wàn)人民幣。瑞典VOLVO公司的220/60除冰機(jī)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多。而且這些價(jià)格昂貴的機(jī)械主要還是用于機(jī)場(chǎng)和大城市的專用場(chǎng)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(dòng)化控制能力強(qiáng)的新型除冰雪機(jī)械。

2 研發(fā)要點(diǎn)

研究新型除冰雪機(jī)械，主要攻關(guān)目標(biāo)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(shí)間長(zhǎng)，雪量大。黑龍江北部和內(nèi)蒙古東部有長(zhǎng)達(dá)130天～160天的結(jié)冰期。高速公路收費(fèi)站及服務(wù)區(qū)距離遠(yuǎn)，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(zhǎng)達(dá)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(shí)不能長(zhǎng)時(shí)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(shí)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(diǎn)，對(duì)高速公路和中小城市除冰雪機(jī)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(zhǎng)時(shí)間占用行車道。作業(yè)幅寬要求2.2m以上。三是有較強(qiáng)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(dòng)化控制功能，完成駕駛員一鍵控制操作。

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

3.1 選擇配套動(dòng)力

根據(jù)本機(jī)設(shè)計(jì)要求，一是動(dòng)力要在110kW～147kW。根據(jù)目前我國(guó)動(dòng)力機(jī)械現(xiàn)狀，有2種動(dòng)力機(jī)型可優(yōu)先選擇，分別是四輪驅(qū)動(dòng)大功率拖拉機(jī)和大功率裝載機(jī)。拖拉機(jī)動(dòng)力輸出要靠動(dòng)力輸出軸輸出，液壓泵功率小，不便于與自動(dòng)化控制。大功率裝載機(jī)，沒有動(dòng)力輸出裝置，液壓泵輸出功率大，便于自動(dòng)化控制。二是要有較強(qiáng)的爬坡能力和較快的運(yùn)輸空載速度。選擇ZL70型裝載機(jī)是因?yàn)樵摍C(jī)型有四輪驅(qū)動(dòng)坡度作業(yè)爬升驅(qū)動(dòng)力大、液壓系統(tǒng)流量大、壓力高的特點(diǎn)，可將裝載機(jī)翻斗液壓油缸油路連接到除冰雪機(jī)械的油路。該機(jī)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(jī)多用，提高機(jī)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(guó)北方地區(qū)，ZL70裝載機(jī)應(yīng)用廣泛，保有量大，便于配套。且三點(diǎn)懸掛互換簡(jiǎn)單，很容易改變機(jī)型。液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)簡(jiǎn)單，便于自動(dòng)化控制。

3.2 裝載機(jī)除冰臺(tái)平衡問題

大支臂兩側(cè)裝有平衡彈簧組，用于平衡除冰臺(tái)質(zhì)量，減少除冰臺(tái)對(duì)地面的壓力強(qiáng)度。拉力行程150mm，最大拉力3000N。

3.3 裝載機(jī)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(tái)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(jī)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(dòng)輸入傳感器等。輸出端包括除冰輥升降油缸、除冰臺(tái)升降油缸、除冰輥馬達(dá)、掃雪除冰輥馬達(dá)。

3.4 機(jī)架結(jié)構(gòu)

由高強(qiáng)度矩形管焊接組成，后端通過三點(diǎn)懸掛鏈接裝載機(jī)，機(jī)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(jī)支臂。下部連接支撐浮動(dòng)輪。

3.5 除冰輥組合

除冰輥裝置是該機(jī)核心部件，如圖1所示，技術(shù)要求雙側(cè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，除要求是機(jī)器前進(jìn)速度的3～4倍。前進(jìn)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(jì)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(jī)參數(shù)，該機(jī)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(jì)要求324r/min，需要減速傳動(dòng)。液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)部分又是除冰輥的支撐裝置，需要考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及傳動(dòng)的合理性。根據(jù)國(guó)內(nèi)液壓馬達(dá)產(chǎn)品種類，可選用L型液壓馬達(dá)。縱向?yàn)轳R達(dá)配置位置，橫向?yàn)闇p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(dòng)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(cè)除冰輥的轉(zhuǎn)速，當(dāng)除冰部件的阻力較小時(shí)，接觸地面瞬時(shí)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(jī)架30°。除冰輥有效長(zhǎng)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(jī)架，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。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(jì)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(dá)與現(xiàn)有的道路清掃機(jī)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(dāng)路面出現(xiàn)傾斜，一側(cè)高一側(cè)低時(shí)，平衡臂就會(huì)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(hào)通過AD轉(zhuǎn)換變數(shù)字信號(hào)。PLC將數(shù)據(jù)處理通過微動(dòng)開關(guān)控制液動(dòng)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(dòng)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(jī)架下面，如圖2所示。作業(yè)時(shí)除冰機(jī)架由該仿形輪支撐，機(jī)架高低由駕駛員通過液壓系統(tǒng)控制。該機(jī)以液壓輸出功率大的裝載機(jī)為配套動(dòng)力，配有平衡除冰臺(tái)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(jī)電一體化自動(dòng)控制的除冰機(jī)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(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)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(jì)。該組件是傳感器部件核心組件，左右2個(gè)拉力傳感器，中間1個(gè)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(hào)輸入至AD轉(zhuǎn)換器。傳導(dǎo)信號(hào)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(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

4.2 材料賦予以及對(duì)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)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(jī)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(qiáng)度不能過高，不能過低。受拉伸的長(zhǎng)度變化、輕度變化與傳感器貼片相匹配。2）吊桿強(qiáng)度分析。吊桿用D28mm材質(zhì)Q235無(wú)縫鋼管制作。呈“S” 形，在加載1500N時(shí)出現(xiàn)如下變形：無(wú)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(jì)需要進(jìn)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(wú)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(jì)，需要重新優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖3 平衡臂組合

5 功率計(jì)算

本機(jī)功耗主要分為3個(gè)部分，如公式（2）所示。

式中：P為本機(jī)總消耗功率；P為裝載機(jī)行走功率；P為裝載機(jī)清掃功率；P為除冰功率。

5.1 行走功率P行計(jì)算

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

式中：f′— 滾動(dòng)摩擦系數(shù)；W—裝載機(jī)質(zhì)量17100N，除冰除雪機(jī)質(zhì)量1100N。總計(jì)18200N。G—重力加速度，9.8N/kg；Z—支撐輪數(shù)量4個(gè)。

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(jì)算，結(jié)果如下。

a/c=sin40°=1÷0.64=1.56×891.8=1387N

考慮惡劣天氣風(fēng)阻力：

式中：A—裝載機(jī)迎風(fēng)面積，ZL70型裝載機(jī)為9m2左右；C—風(fēng)阻系數(shù)，與前進(jìn)速度平方成正比，該機(jī)為0.3。

作用力F=F+F=1387+341=1728N；

功率P = F·R·ω；

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

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

以崗位能力點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)，以項(xiàng)目為載體的過程教學(xué)模式具有系列考核指標(biāo)，學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)管理網(wǎng)絡(luò)信息化便于教師記錄過程信息與考核結(jié)果，避免了傳統(tǒng)紙質(zhì)記錄的不便與管理的繁瑣。通過信息平臺(tái)向?qū)W生實(shí)時(shí)公開過程考核情況，以使學(xué)生了解自身的學(xué)習(xí)狀況，及時(shí)制定彌補(bǔ)措施，公開透明的評(píng)價(jià)方式也利于形成好的學(xué)習(xí)風(fēng)氣。

5.2 清掃功率計(jì)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(zhǎng)L—2320mm；轉(zhuǎn)數(shù)n—429r/min；夾角α—30°；直徑D-800mm；前進(jìn)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(jì)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(jì)算

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

圖4 除冰部件

除冰刀作業(yè)時(shí)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(jì)取20mm；D— 刀具寬度150mm，15組除冰輥，工作幅寬2200mm；δ—冰抗壓強(qiáng)度0.5MPa/cm2～2MPa/cm2，該設(shè)計(jì)取1.5MPa/cm2；f—內(nèi)摩擦系數(shù)，該設(shè)計(jì)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(yǔ)

用裝載機(jī)作為除冰除雪機(jī)的配套動(dòng)力，設(shè)計(jì)時(shí)采用SOLIDWORKS軟件對(duì)總體機(jī)構(gòu)進(jìn)行配置。除冰機(jī)構(gòu)采用先進(jìn)的外球鉸鏈內(nèi)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，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(yàn)分析，該設(shè)計(jì)總體配置均衡；采用的工作部件技術(shù)先進(jìn)，結(jié)構(gòu)合理；機(jī)電液自動(dòng)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(duì)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(yuǎn)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(jì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，支臂根部存在應(yīng)力集中，抗疲勞強(qiáng)度不足等問題，應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，改進(jìn)材料或改進(jìn)結(jié)構(gòu)。