小型除冰机的结构设计

高 圣 董淑婧

(大连科技学院，辽宁 大连 116052)

1 小型除冰机的意义

在冬季时天气一般普遍寒冷，在寒冷的天气下工人对除冰机械的直接操作不仅浪费体力，还会因为天气过于寒冷造成冻伤的状况。对于我国在城市中的除冰清雪作业还是采用清洁工人或大型的除冰清雪机械的作业来解决的。由于我国街道的复杂性存在有道路过窄的情况，从而间接限制了那些大型机械的操作空间，只能通过工人来解决过窄道路的除冰困境。本文设计的小型除冰机的结构可以实现功能多样化、极高的效率、避障能力强，可以应用在各种场所，在各种路况上都能达到它的效果，从而有效地解决了我国当前在除冰雪方面的困境。通过小型除冰机的加入减轻工人的劳动，可以做到不管是狭窄的街道还是公路都能进行除冰作业。而且小型除冰机的制造成本相比较小很多、使用的限制范围也缩小了很多，可以对其进行大面积地推广使用。

2 小型除冰机的总体结构设计

2.1 整机结构及工作原理

工作原理：利用手扶架推动车身行走和控制方向，通过发动机提供动力，由带轮及皮带通过带传动带动动力轴转动，然后通过带轮的带传动连接的搅龙轴带动搅龙转动，然后利用搅龙的两个相向旋转的叶片将冰雪碎块集中到一起，通过扬雪装置的向后推力，将冰雪碎块通过管道输送到储藏箱中，由于储藏箱的输送管道末端存在斜度，迫使集冰雪碎块通过刮板运输器下落到道路右边，从而达到除冰的目的。结构图如图1所示。

2.2 工作过程

启动发动机后齿轮进行旋转带动各个带轮转动，由带传动系统来带动连接的搅龙进行旋转工作，发动机通过带传动连接到减速器后减速器上的带轮经带传动带动车轮的转动和底部清扫装置的工作，工人辅助除冰机开始工作，首先打开自护撒盐槽并用除雪铲对积雪进行清除，通过搅龙的带动收集到储藏箱中，与此同时对冰面进行了一次撒盐，此时再由碾压滚对冰面进行破碎，同积雪一样被收集到储藏箱中，最后对路面进行清扫。

1-碾压滚轮；2-搅龙；3-除雪铲；4-自主撒盐槽；5-刮板式升运器；6-带轮；7-千斤顶；8-万向轮；9-动力装置；10-减速器；11-清扫器；12-车轮；13-车架图1 小型除冰机的结构图

3 工作部件参数的计算与校核

3.1 车轮轴的设计与校核

传动轴对整个小型除冰机机构的各个部件间的传输动力起着十分重要的作用，各个部件所需的动力都需要发动机输出的直接供给通过齿轮转化的方式将输出动力传向传动轴，从而带动小型除冰机结构上的部件依次开始工作。传动轴如图2所示：

图2 传动轴

轴的设计过程如下：

轴的工作情况：无腐蚀条件下工作

轴的转速：n0=1500r/min

轴的输入功率：p0=10kW

所设计的轴是实心轴，材料牌号：42CrMo正火。

硬度(HB)：230MPa，抗拉强度：600MPa。

3.1.1车轮轴的设计计算

依据扭矩的数值初步计算输入轴的直径，选用42CrM0合金钢调质，硬度217-255HBS。

根据机械设计基础，并查得，取c=118。

3.1.2 确定各轴段的直径和长度(根据设计要求)

轴的总长为798mm，轴的段数为6，各段的直径及长度见表1；轴段的载荷信息见表2。

表1 各轴段长度及直径

表2 各轴段的载荷信息

轴所受支撑的信息如表3所示。

表3 轴的支撑信息

3.1.3 轴的校核

1)垂直支反力计算

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

FQ=FA+FB

解得：FB=183.38NFA=71.3N

2)绘制垂直弯矩图3(面C左侧弯矩)

图3 力矩图

MCV=FA×209=1.49×104(N·mm)

截面C右侧弯矩：

3)绘制当量弯矩图

C处有可能是危险截面，取α≈0.6

4)校核危险截面处的强度

故轴的强度足够。

3.2 碾压滚结构设计

碾压滚是本设计小型除冰机除冰雪清除工作装置的最主要部件，要想发挥小型除冰机的性能需要除冰装置拥有合理的结构形式。对于碾压滚的结构形式主要是以圆柱形为首选，圆柱形的碾压滚有减缓摩擦阻力的作用，减少消耗的功率。

小型除冰机的功能是除去附着在地面上的冰层和压实雪层的一种小型装置。单从理论上来说，我们是可以把冰层或者压实雪层看成一个平面的，要达到冰层或压实雪层与地面之间分离开，可以比喻成是在用车床对一个加工平面进行粗加工。数控车床的圆柱铣刀最为常用了，它常常被来加工切削平面。因此，我们可以将刀片或者齿刀设计安装在圆筒形的滚筒上，形成碾压滚。小型除冰机的碾压滚结构图4所示：

图4 碾压滚结构图

3.2.1 碾压滚参数

碾压滚是设计小型除冰机中最为重要的部件。在结构的设计上通过对小型除冰机中除雪装置的3个要求确定了重量。不加配重时的除雪装置重量为G0=29615；配重后的除冰装置加上碾压滚筒内部的重量为G1=36000N。碾压滚筒的半径r=95mm，宽度：795mm，碾压滚选择的材料：Q235-A。托架材料也用Q235-A，厚度为δ=20mm。整个除冰装置的最大宽度为795mm。

3.2.2 对工作阻力进行计算

对除冰机的所有工作流程进一步剖析，小型除冰机的整个结构在水平切线方向所受到的工作阻力主要包含两部分：当刀齿碾压到冰雪层里，因为冰雪会发生变形断裂以及破碎，不仅会对磙子产生阻力，而且会对碾压滚产生相对滚动阻力。由于冰雪层与刀齿之间存在着十分复杂的相互作用，对工作阻力精确计算的公式在理论上很难成立，除此之外，小型除冰机处于工作状态时，因为动态变化的外负荷，想要进行计算其工作阻力的意义不是很大。所以，需要通过这种自行式铲土运输机械，如：装载机械﹑推土机械﹑铲运机械等对工作阻力进行计算。计算小型除冰机对路面清除工作时的工作阻力Px的经验公式：

Px=P1+P2

根据以上公式，带入数值后可以计算出小型除冰机在除冰工作时所遇到的最大水平切线的工作阻力为26496kW。从发动机的性能参数可推断出该阻力值小于等于所对应的额定滑转率工作情况时的牵引力数值。

3.3 减速器的选择

从发动机传出的转速很快导致小型除冰机的前进速度很难接近工人们能接受的速度，所以需要选择一种减速器来达到工人可以很灵活地对除冰机的操作，减小其转速是唯一的解决方案。考虑到除冰机的容积量大小，则需要一种较小型的减速器。综合机械市场出售的各种减速器来看，最终选取了AQH25型减速器来降低转速，从而实现工人对除冰机的操作。AQH25型减速器不仅可以用于正向运转减速器，还可以做到反向运转且最高转速不大于2000r/min，而且此减速器最主要是可以在-40℃的低温下条件下工作。AQH25型减速器带有9种不同的传动比及3种低速轴轴端的形式，我们可以根据工作上的要求来进行取舍。同时，AQH25型减速器的外形尺寸为440×230×325mm，符合小型除冰结构域的安装要求。

4 结语

本文对小型除冰机的工作原理进行了介绍，对小型除冰机的各个部分在预期要达到的效果上确定了合理的设计方案。对主要部件的结构进行了受力分析以及对各个零件的材料选择、尺寸、强度校核的正确计算。考虑到冬天天气寒冷的因素来对减速器进行选择，依据实际情况选择合适功率的发动机。