冰雪路面快速清理电动车设计分析

赵馨雅，王 禹，刘 磊，冯怡然，陶学恒

1. 大连工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 大连 116034 2. 大连大兵救援装备有限公司，辽宁 大连 116034 3. 沈阳新松机器人自动化股份有限公司，辽宁 沈阳 110168

0 引 言

中国北方地区每年都有大量的降雪，随着降雪量的增大与其所受压力不同，会形成由雪、冰、霜组成的冰雪路面，冰雪路面得不到及时处理会给车辆和行人带来不便，甚至严重影响交通安全[1-3]。传统的除冰雪方式是使用人工除雪、除冰，不但耗费大量的人力物力，而且效率极低[4-6]。

有些地区使用融雪剂进行除雪，融化的积雪带着融雪剂渗入路面或路边泥土中，对路面与生态环境造成破坏，而当温度降低时融化的雪水会再次冻结成冰[7-9]，并未从根本上解决问题。相较于传统的除雪除冰方式，现今的除雪车和破冰机械因效率高、工作面积大而被广泛使用，如施密特的除雪车[10]。大多数除雪设备的功能较为单一，只能执行铲雪、破冰、收集中的1个或者2个动作，无法对冰雪路面进行一系列连续的清理[11-14]，也无法清理对车辆行驶安全影响最大的霜冻层。

为了解决现今除雪车功能单一的问题，本文提供一种新的设计方案，将铲雪、破冰、收集、汽化除霜的动作集合一体，通过对除雪铲、破冰装置和汽化除霜装置进行单独设计与计算，在保证路面不受损的前提下，使该除雪车在除雪、除冰、除霜过程中最大程度地提高清洁度，并减小行进阻力，保障工作效率。

1 总体技术方案及工作原理

冰雪路面快速清理电动车集除雪、破冰、收集、汽化除霜于一体，适用于公路路面除冰雪、城市道路除冰雪等工作。它依靠车的推力进行推雪，传感装置安装在车底盘前部，通过地面形状探测视觉图像传感器、激光测距传感器，实时监测路面冰雪范围情况[15]，及时发现路况变化并对破冰装置高度进行调整，圆盘毛刷高速旋转，带起冰屑由收集器收集，最后通过汽化除霜装置使霜冻层汽化。该车由充电电源提供动力，改变了传统动力提供的方式，减少对环境的污染。总体设计如图1所示。

图1 除雪车总体设计

冰雪路面快速清理电动车主要由除雪铲、破冰装置、清扫装置、收集装置、汽化除霜装置组成。除雪铲由铲刃和角度调节器组成，由角度调节器对除雪铲的除雪角度进行调整，可将积雪推向路边[16-17]；破冰装置由传动装置和端面铣刀组成，传动装置受减速器、传感装置和转速结调节器的控制，带动端面铣刀进行破冰；汽化除霜装置通过吹出高温高压热风对霜冻层进行汽化，避免因突然降温而使融化冰雪再次结冰的不安全现象。冰雪路面快速清理电动车的结构组成如图2所示。

图2 冰雪路面快速清理电动车的结构组成

2 除雪铲的外形设计及排雪速度计算

2.1 除雪铲的外形设计

2.1.1 除雪铲的曲面设计

为更好地完成清雪工作，减小除雪铲行进时的积雪阻力，对除雪铲的排雪曲面进行设计。

犁板式除雪铲通过除雪车的推进和曲面的旋移将路面雪层清理向路边，因此曲面的形状对除雪的阻力有影响。根据国外专家对3种曲面板推移沙土的试验，在保证其他因素相同的情况下，对曲面板受到的阻力进行对比，结果如表1所示。

表1 铲板类型对切削阻力的影响

由表1可知，渐开线形的曲面切削阻力最小，因此选用渐开线等螺距螺旋面[18]，该曲面不但可以减小行进阻力，还可以增大抛雪距离。

渐开线上的每一个点都绕着等距螺旋线的z轴作一样的螺旋运动，从而形成渐开线等螺距螺旋面。 使铲起的雪绕着z轴作相同角速度的圆周运动[19]，与此同时沿z轴作相同速度的匀速直线运动，使积雪流畅地排向道路两边，减少融化雪水回流路面的情况，如图3所示。

图3 等螺距螺旋渐开线的形成过程

通过查找机械设计手册可知，渐开线等螺距螺旋面数学模型为：

式中： φ为常数，表示曲面上不同的螺旋线，它们具有相同的导程 h，不同的螺旋角；为常数，渐开线的不同位置； r0为渐开线半径；h为导程。

2.1.2 除雪铲的铲刃设计

传统的除雪铲铲刃为一层，在除雪过程中会残留部分积雪。因此，本文将除雪铲的铲刃设计为2层，分为上层铲刃和下层铲刃，上层铲刃长于下层铲刃，在上层铲刃上开45°贯穿孔，用以排除下层铲刃铲除的积雪，保证下层铲刃连续工作，不会因卡雪而降低工作效率，如图4所示。

图4 除雪铲铲刃

2.2 除雪铲排雪速度计算

除雪作业的速度范围在10～40 km·h1，研究结果表明，速度为10～20 km·h1和20～40 km·h1两个区域，其对雪的阻力的影响系数不同。为了尽可能减小雪阻力，选取除雪作业速度在10～20 km·h1，根据经验及相关试验结果，取除雪铲的行进角度θ=γ=60°，切削角=ε=60°，雪粒开始进入铲刃板的初始角度λ=60°；雪与钢铁之间的摩擦系数f=0.080。

雪粒轨道切线与刃角夹角度的关系为

tan λ0=tan λ cos ε

(4)

可得 λ0= 40.890°

式中：λ0为雪粒相对轨迹切线与铲刃的夹角。切线与平面夹角的关系为

cos δ =cos γ cos λ0+sin γ sin λ0cos ε

(5)

式中：δ为切线与平面夹角， δ=48.590° 。压缩极限程度值

ψ0=cos δ-f×sin δ=0.601

(6)压缩程度值

(7)摩擦角与摩擦系数的关系为

f=tan φ

(8)

式中：φ为摩擦角。可计算得φ=4.57°。基于上述计算，排雪速度

V=ψ×V=3.970 m·s1P

(9)

式中：VP为除雪铲排雪速度，V为除雪作业速度。

由上述设计计算知，排雪速度在10～20 km·h1，说明设计的除雪铲抛雪效果极佳，因其曲面等螺距螺旋渐开线设计和双层铲刃设计不但能大幅减小车体前进阻力，而且能提高积雪清洁程度。

3 破冰装置设计

对破冰装置进行设计时，不但要考虑对地面的压力，还需考虑刀具的更换情况。破冰装置由电缸、法兰、花键、保护弹簧、端面铣刀组成，传感器将探测的路面状况传递到电磁行程开关控制电缸的行程，由法兰连接电缸与花键轴带动端面铣刀对地面的冰层进行清洗。电缸的上下运动带动端面铣刀上下运动，以保证端面铣刀与地面的距离。保护弹簧在一定程度上保护端面铣刀，减少磨损以及更换刀具的次数，降低成本，如图5所示。

端面铣刀底盘为圆形，圆盘上每隔60°安装有铣刀，铣刀交错安装保证除冰的效果，刀盘的外侧包有弹性材料，在铣刀运动时保护刀盘以减少磨损，整个铣刀与地面具有一定倾斜角，可减少由于地形变化对铣刀造成的损伤。端面铣刀的转速由传感装置和转速调节器控制，铣刀可以进行单个更换，为企业降低成本。如图6所示。

图5 破冰装置剖面

图6 端面铣刀设计

为了保证除冰效果，整个端面铣刀采用不对称逆铣的方式对冰面进行铣削。与此同时，对于单排2个的端面铣刀排列方式，其直径大小对清除效果同样有影响，不但影响2个端面铣刀的重叠部分除冰效果，同时影响除冰的厚度，如图7所示。

对端面铣刀的直径进行计算[20]，即

图7 铣削示意

(10)

式中：ξ为切入角，取80°；β为切离角，取57°；ac为切削冰面宽度，取65 mm。

4 汽化除霜装置设计

汽化除霜装置通过电加热的模式对双排弹簧状螺旋电热阻丝进行加热，装置所吹出的风经弹簧状螺旋电热阻丝加热吹向霜冻层，达到汽化除霜的作用。所吹出的热风需要具备一定的风量才能使霜冻层汽化，因此对所用的风量进行计算。

设：地面霜冻层的温度为-10 ℃，使其汽化的温度在110 ℃；汽化除霜装置的长为2 m，宽为0.5 m；霜冻层的厚度为0.012 m。

霜冻层的体积

v=0.012 m3

(11)冰的质量

m=v×ρ=10.800 kg

(12)

式中：ρ为水的密度。

Q=Q1+Q2+Q3+Q4=3.189×107J

(13)

式中：Q1为-10 ℃冰升温至0 ℃冰吸收的热量；Q2为0°冰转变为0 ℃水吸收的热量；Q3为0 ℃水升温至100 ℃水吸收的热量；Q4为100 ℃水转变为100 ℃水蒸气吸收的热量。

风扇总排出热量Q’=CP×W×ΔT

(14)

式中：CP为比热；W为质量；ΔT为容器润徐升温80 ℃。排出热量与排出风量的关系为

Q’=0.24×(P/60)×1 200×ΔT

(15)

计算可得

新时期，企业发展过程中需要面对更加激烈的市场竞争环境，在这种情况下，采取有效措施不断提升企业的综合竞争力以及员工工作绩效具有重要意义，在这一过程中要求企业对充分挖掘心理资本的潜在激励效应重要性产生深刻认知[6]。在实际进行工作分析的过程中，应对不同职位员工的心理资本需求进行深入分析，并集中思考员工的心理资本需求；在实际展开人才选拔以及招聘工作的过程中，应对心理资本进行集中测试与考察，为突出企业在市场经济中的竞争优势提供保障；同时还应高度重视日常培训工作，综合应用多种培训模式，为企业员工在长期工作中形成积极的心理状态提供保障。

P=697 901.661 CFM

(16)

式中：P为排出的风量。

本文设计采用传统吹风机的原理，通过上述计算可知，装置所吹出风量通过弹簧状螺旋电热阻丝加热所带出的热量能够使-10 ℃的薄冰层融化并汽化，因此对北方冬季的霜冻层温度，该除霜装置能够使其汽化，从而达到除霜作用。

5 除雪车行驶可行性分析

为了保障设计的除雪车能够进行正常工作，对除雪作业中的除雪阻力及除雪功率进行计算，以确保除雪车功率满足设定工况除雪作业功率要求。

5.1 计算条件

根据北方地区冬季破冰除雪要求，依托除雪区域的基本参数并参照国内外现有除雪参数，确定刃口与路面摩擦系数μh=0.100 00，除雪铲质量ω=900 kg，除雪宽度3.60 m，除雪深度0.30 m，除雪面积S=1.08 m2，积雪密度ρ=400 kg·m3，行进角为θ=60°，切削角为=60°，行进速度V==4.170 m·s1，雪的抗剪强度τ=0.024 H+9.2×104，除雪车功率为135 kW，车辆投影面积A=21 m2，刃口形状系数K=3，空气阻力系数μk=0.002 75 ，滚动阻力系数μf=0.046 00，传动效率η=0.85。

5.2 除雪阻力

除雪阻力为除雪作业时受到的雪阻力与除雪车行驶阻力之和。

5.2.1 除雪铲雪阻力计算

在除雪过程中，除雪铲通过除雪车的推进力使其将积雪从地面剥离，再通过渐开线等螺距螺旋面的铲板将雪推向路边。在这一过程中雪铲的质量、刃口形状系数、铲刃与路面的夹角、除雪宽度、除雪行进速度、积雪密度、除雪厚度等一些因素对雪的阻力有着一定的影响，建立雪阻力各向分力计算分析数学模型，并通过计算条件得到结果。

除雪铲所受雪阻力

(17)

式中：Fpx为x轴上所受雪阻力；ω为除雪铲质量； S为除雪面积； V为行进速度；ρ为积雪密度；θ为行进角；为切削角；τ为雪的抗剪强度。

(18)

式中：Fpy为y轴上所受雪阻力。

(19)

式中：Fpz为z轴上所受雪阻力； K为刃口形状系数。

5.2.2 行驶阻力计算

转移的行驶阻力

Fm=μk×A×V2+μf×(M×g-Fpz)=3 276.88 N

(20)

式中：μk为空气阻力系数；μf为滚动阻力系数。

5.2.3 除雪阻力计算

除雪阻力是雪阻力在x轴上的分力和行驶阻力之和。根据上述结果可得到

FSx=19 548.34 N

(21)

式中：FSX为除雪阻力。

5.3 除雪功率计算

(22)

式中：P为除雪功率； η为传动效率。

根据上面的计算可知，除雪车的功率135 kW大于除雪功率95.90 kW，所以该除雪车可以正常作业。

6 结语

(1)通过对不同铲板曲面的分析和加工工艺的考虑，渐开线等螺距螺旋面铲板在运动过程中所受阻力最小为25.4 kN。铲板曲面的设计和双层铲刃的设计使得整个除雪铲在作业中能够快速清除路面积雪，在给定的除雪作业速度下其排雪速度达到3.97 m·s1。

(2)相对于传统的破冰方式，该设计采用了圆盘式的全面铣刀并每隔60°设以铣刀，能够有效减少刀具的磨损。与此同时，为了保证端面铣刀能够全面覆盖冰层达到铣削效果，通过对铣削过程的分析，计算出端面铣刀的直径为890 mm。

(3)相较于传统的除雪车，本文设计的除雪车所带有的吹出风量为697 901.661 CFM的汽化除霜装置，能够有效去除-10 ℃路面的霜冻层，减小路面因湿滑而引起的交通事故。

多功能电动除雪车不但解决了现今除雪车功能单一的问题，同时尽可能地减小了除雪车作业过程中的行进阻力，提高了破冰效率，增加了破冰刀具的使用寿命，减小了对路面的破坏，解决了霜冻层的问题。多功能电动除雪车的下一步研究方向是尽可能缩小车的体积，并解决多种路况的冰雪清除问题。