论文—除雪车雪铲设计

猛龙哥

摘  要
本文以东风轻型洒水车为动力，将除雪铲与其底盘大梁连接，并对除雪车的前铲进行结构参数设计，分析了前铲工作阻力，通过对铲板空间曲面、避障四杆机构、整车性能匹配的研究，提出改进方案。
本文的主要工作如下：
1、研究分析除雪车的国内外现状及发展趋势；
2、考虑除雪作业要求、工艺性、结构性等因素，参照相关试验数据选取合适的前雪铲结构参数。对前雪铲铲板空间曲面进行分析、设计；
3、通过除雪车作业计算，分析前雪铲作业时整车的牵引特性及功率匹配特性，提出改进方案。
关键词：除雪车、铲板曲面、除雪装置、四杆机构、独立摆动油缸

Abstract
In this paper, Dongfeng-powered light goods vehicles, snow shovel and its connections beams chassis and the car before the snow shovel structural design parameters, the analysis of the spade work of the former resistance by shovel on the board surface space, four-bar obstacle avoidance, vehicle Match the performance of research to improve the program.
The main ones are as follows:
1、Research and analysis Qingxue cars at home and abroad and the status quo in the near future;
2、To consider removing the operating requirements of the process, structural factors such as, in the light of the relevant test data to select the right snow shovel before the structural parameters. Former shovel snow shovel board space surface analysis and design;
3、Through the snow vehicles operating basis, before the snow shovel analysis of the operation of vehicle traction and power characteristics match the characteristics of the improvement program.
Key words：the snow shovel structural、now shovel board surface、four-bar obstacle avoidance












目  录
摘  要        I
Abstract        II
第1章 绪论        1
1.1 研究目的和意义        1
1.2 国内研究现状        1
1.3 国外研究现状        2
1.4 除雪车的主要发展趋势        2
1.5 本文研究内容        3
第2 章除雪车总体结构设计        4
2.1 除雪车的整体设计        4
第3章 雪铲铲板空间曲面设计        5
3.1 相关概念及名词解释        5
3.1.1 雪铲        5
3.1.2雪铲铲板（装铲刃）相关参数        5
3.2 雪铲铲板曲面结构参数确定        6
3.2.1 雪铲材料        6
3.2.2 雪铲切削刃参数选择        7
3.2.3 雪铲的铲板空间形状设计        7
3.3 本章小节        9
第4章 除雪车弹性避让装置        10
4.1 除雪机械设置弹性避让装置的必要性        10
4.2四杆机构的设计思想        10
4.3  本章小节        11
第5章 除雪车作业的计算        12
5.1 计算内容及已知相关参数        12
5.2除雪铲的力学模型及计算        13
5.2.1建立坐标系        13
5.2.2行驶阻力计算        16
5.2.3除雪阻力计算        17
5.3 切线牵引力计算        18
5.4除雪功率的计算        19
5.5本章小节        19
第6章 除雪装置的液压系统        20
6.1液压系统的构成        20
6.1.1 独立摆动油缸的设计        20
6.2液压系统的原理        20
结  论        21
参考文献        22
致  谢        23
附 录1        24
附 录2        26



第1章 绪论
1.1 研究目的和意义
近几十年来，高速公路、城市高架桥、飞机场大量兴建，汽车、火车等交通工具的数量不断增加、速度不断提高。如何改善道路、机场的运行状况，提高安全性成为目前交通所面临的主要问题。其中，道路积雪是北方地区冬季行车安全的最大隐患。路面积雪中断交通，使汽车、飞机刹车失灵。高速公路路面积雪，对交通的危害更加突出。交通路面上的积雪被称为交通安全的“白色杀手”，尤其在大雪和雨夹雪天气条件下，大部分高速公路出于安全考虑常采取限速行驶甚至不得不关闭数天，严重制约经济发展。特别是在雪后气温变化较大，积雪不能得到及时清除使路面结冰的情况下，交通工具的安全受到极大威胁。因此，道路除雪成为当地路政部门冬季的重要工作，并对除雪机械提出了广泛的市场要求，从而为除雪机械的开发研制提供了良好的市场机遇。
目前，除雪方式大致分为三类：一是化学除雪，虽然效率高，但成本高且污染环境，破坏路面及植被，故被限制使用；二是人工除雪，效率低，劳动强度大，不能适应社会文明程度的发展；三是机械除雪，是目前北方城市除雪的主导方式，但现有机械清雪设备价格昂贵，清雪效果较差，不能满足现有要求，既经济又实用的除雪车急缺，因此设计道路除雪车具有一定的现实意义。
1.2 国内研究现状
我国的除雪机械研究起步较晚，受到设计手段，相关技术水平等条件限制发展缓慢，除雪设备使用范围狭小，大多数道路管理部门仍采用化学除雪，对环境和道路具有相当大的危害。最近几年，国内一些厂家参照国外先进技术，先后研制出适合我国除雪作业急需的犁板式和转子式除雪车，但与世界先进国家除雪车发展相比，产品数量及性能差距较大，远不能满足道路除雪要求。我国北方广大地区每年都有3-5个月的降雪期，几十万公里的道路存在积雪清除问题，随着我国经济的快速发展和高等级公路里程的不断增加，开发适应我国多雪地区的除雪车，加强对冰雪性质和除雪理论研究，建立完善的道路气象信息系统十分重要。
1.3 国外研究现状
近几十年来，国外除雪车发展非常迅速，种类越来越多，各生产厂商在采用新技术、新材料、新工艺的同时，不断提高产品的作业性能和操作性能，以适应冬季除雪提出的更高要求，增强产品的竞争力。
在重工业技术发达的德国转子式和犁式除雪车有十几种，动力机采用工程车辆、载重汽车或专用机车。德国还开发了一种多功能路面机械，既能清扫路面、清洗标牌护栏，又能清除路面浮雪。我国高速公路有关单位进口过这种多功能机械，但价格极其昂贵。俄罗斯新产KO-812-2型犁式除雪车动力车采用MT3-80/82型拖拉机，其功能有除雪、清除垃圾和砂堆，可以用于街道、人行道、公路的除雪，其配备的工作装置有推土板、犁刀和圆盘刷。早在1943年，日本就开始把V形犁装在载重卡车上用于道路清雪。经过多年的发展，国外犁式除雪车已具有较高的技术水平。加拿大政府规定，积雪达到5厘米必须铲除，各大城市都设有专门的道路积雪清扫部门，这些部门是常设机构，都配备有专门的铲雪车和其它除雪设备，并且在主要路段建设善了道路气象系统，灵活使用各种除雪机械，及时、高效的铲除路面积雪。
1.4 除雪车的主要发展趋势
（1）一车多用化趋势
除雪车是专用汽车，为提高其适应性，以满足各种特殊需要，国外的发展趋势是谋求专用汽车的一车多用化，使专用汽车功能由单一向多功能发展。
（2）开发高性能专用除雪车底盘
为满足较高的工作要求，国外除雪车专用汽车底盘普遍采用液力变矩器、动力换档装置和全自动电液控制系统，实现自动变速换档功能，使作业速度自动适应除雪作业的负荷变化。
（3）优化能配置于普通车辆底盘的高效除雪装置
优化高效的清除坚硬冰雪装置、高雪堤处理装置、撒布装置等多种作业装置，提高动力机的使用效率。并对已有除雪装置的结构、铲板形状、除雪切入角、叶片形状等进行优化设计，使除雪装置结构简单、受力合理、操作方便，提高其使用寿命、经济性和安全性。
（4）建立道路气象系统
道路气象系统能及时、准确地提供路面温度、湿度、风向、风速、冰雪性质等方面信息，为灵活、高效地使用除雪车辆提供重要依据。
（5）优化具有仿形能力的避让机构
为保护路面和除雪工作装置，提高除雪车的路面适应能力，避让机构向高速度、智能化、机电液一体化的方向发展。
1.5 本文研究内容
（1）雪铲结构及铲板曲面设计分析，通过分析，提出合理的新型铲板曲面及结构参数。
（2）避障四杆机构设计及其液压机构的功能特点。
（3）雪铲除雪作业力学分析，针对设计使用的动力机—东风轻型平头洒水车（型号EQ1101GLJ），对雪铲作业时的除雪阻力，行驶阻力，除雪功率等进行分析。

第2 章除雪车总体结构设计
除雪车的工作效果不仅取决于所装配除雪结构的优劣，还取决于机动车底盘的性能以及机动车底盘与工作装置之间的有关参数匹配是否协调。只有正确选择机动车底盘与工作装置的各性能参数并保证它们之间的合理匹配，才能使设备的技术经济指标得到充分发挥，完善整车性能。
指导思想如下：
1、除雪作业的多功能化，即冰雪、实雪与浮雪都能够被清除路面；
2、实现车辆作业范围的多功能化，即车体原有功能不消除，在非除雪作业阶段快速拆卸除雪装置，恢复车体原有功能；
车辆的选取：选用型号为EQ1101GLJ型轻型平头柴油洒水车底盘，发动机功率196KW。

第3章 雪铲铲板空间曲面设计
3.1 相关概念及名词解释
3.1.1雪铲
雪铲（又称前铲）是除雪车广泛配备的一种犁板式除雪工作装置，通过可拆卸固定联接方式安装于除雪车底盘前端。
常见的雪铲铲板曲面有圆弧型、抛物线型、渐开线型等空间曲面。可对新雪、粉雪、粒雪、压雪、冰雪水混合物等采用高速推进方式，利用曲面旋移原理清理路面积雪，并使积雪沿铲体向一侧滑移而到达道路边沿。
图3-1中拉簧2用于吸收部分冲击载荷，并使铲刃紧贴地面。两个升降油缸9铰接于底盘拖架7和举臂架8上，用于控制推雪铲的升降。摆动油缸12铰接于前拖架4与后拖架5之间，用于控制推雪铲的左右摆动。工作时，摆动油缸推动或拉动前拖架 4 ，此时前托架4与雪铲1一起转过一定角度（约30°）后用销子和后拖架5固定，升降油缸降低，推雪铲铲刃紧贴地面。随着除雪车的行进，积雪被铲刃剥离地面并沿铲板曲面作螺旋外抛运动，积雪被推积到道路一侧。上连杆 3 和下连杆 11 的作用是在避障时抬起推雪铲。

1—雪铲 2—拉簧 3—上连杆 4—前托架 5—后托架 6—举臂连杆
7—底盘托架 8—举臂架 9—升降油缸 10—摆动油缸 11—下连杆
图3-1除雪车前铲结构示意图
3.1.2雪铲铲板相关参数
①除雪宽度  除雪车工作时在行进方向上一次清除积雪的宽度，也就是除雪铲在清雪车前进方向上的最小投影宽度。根据除雪车使用场合的不同，对除雪宽度的要求也不尽相同。广场等空旷场所需要较大除雪宽度的除雪车，而交通路线上除雪车的除雪宽度一般不宜超过一个车道的宽度，避免除雪作业时阻碍交通。
②切削角 是行进方向上铲体与地面间的夹角。随着推雪铲的前进，具有一定切削的铲刃在垂直力的作用下，将积雪剥离其附着面，积雪沿导板曲面向斜上方运动，最后以一定的速度从推雪铲后端部排出。切削角的大小直接影响切削阻力的大小。切削角太小使切削刃变薄、强度不足；但过大，切削阻力会显著增大。实验表明，切削角每增加 ，抗切强度系数增加10%～20%，切削角在 左右时抗切强度系数达最大值，切削角大于后抗切强度系数增加不明显。
实践证明，前雪铲在清除新雪、粉雪、粒雪、压雪和冰水混合物时，切削角取值在 范围内效果理想。
③行进角 铲体宽度方向与车辆行进方向所夹锐角。行进角与除雪阻力、排雪性能、推雪铲长度都有很大关系，行进角小，则除雪阻力小，且排雪性能好，但须有较长的铲体才能保证必需的除雪宽度；行进角大，铲体长度则可短些，但除雪阻力增大，排雪性能也将变差。根据经验及相关实验，前铲行进角一般取值为 。
3.2 雪铲铲板曲面结构参数确定
3.2.1推雪铲材料
推雪铲的主要工作部分是切削刃和与其联接在一起的铲板。切削刃是直接切雪的零件，应有足够的耐磨性、强度、和刚度。切削刃是易损件，因此它与铲板之间设计为可拆分段联接。
适宜的铲体自重利于增大铲体作用于路面的线压力，因此除雪车并不刻意追求降低前铲的总质量，但必须考虑行车稳定性和所用载重车前后轴的承荷能力。通常情况下除雪车前铲推雪铲的质量限制在500～800kg。材质选择时兼顾经济性，除连接零件外，大部分零件材质选择Q235钢。选取切削刃材料时除考虑耐磨性、韧性、经济性等因素外，须考虑工作温度对其物理特性的影响，一般选取65Mn调质钢。
3.2.2推雪铲切削刃参数选取
切削刃和与其联接在一起的铲板是推雪铲的主要工作部分。为了设计性能良好的推雪铲，必须对切削刃和铲板加以分析和认识。
除雪车雪铲主要应用于清除新降积雪，新降雪的密度随其结构、气象条件以及降雪气温的不同而变化，其密度值一般在20～800kg/m之间。通过比较认为松土和积雪的物理机械性质较为接近，参考较为成熟的推土铲切削刃设计理论可知，对于松土和积雪，一般认为切削角取 时切削刃强度和切削阻力组合最佳。切削刃厚度取1cm左右，切削刃是易损件，由于积雪路面情况复杂多变，为避免铲刃局部受损而更换整个铲刃板，通常把铲刃设计成多块刃板组合而成，可以翻转调换使用，延长使用寿命
3.2.3雪铲的铲板空间形状设计
雪铲的作业对象是密度较小、颗粒间结合松散的积雪，它采用高速推进曲面旋移的理论进行除雪。在高速犁板上，被除雪粒不会堆积成堆，而是紧贴犁板，做空间旋移运动。推雪铲铲板曲面空间形状直接影响被除颗粒的空间旋移轨迹，是除雪阻力、除雪效率等的重要影响因素。
①铲板铲型   犁板式除雪车前铲采用高速推进，利用曲面旋移原理将积雪清离路面。铲板曲面的作用在于旋移和推运积雪。铲板的结构参数对雪屑运动规律、积雪容量、推运阻力都有影响。在除雪过程中，如果推运和旋移积雪的阻力小，在一个旋移运动周期内抛射积雪的距离远，则标志其性能良好。被除雪屑的理想运动轨迹是空间螺旋外抛运动。
随着现代制造工业的发展，制造工艺的改进，利用数控卷板机可加工复杂曲面类型。常用的铲板形状有圆弧型、抛物线型、I类渐开线型、II类渐开线型（如图3-3）

a）         b）       c）          d）
a）圆弧型 b）抛物线型）c)I 类渐开线型 d）II 类渐开线型
图3-3 曲面板类型
由于被除积雪的颗粒间结合力小，在高速铲的作用下被剥离后会紧贴铲板作旋移运动；而在推土铲作业时，当被切下的土屑呈层状沿曲面滚卷前进时，其切削性质和推雪铲工况相似。国外专家利用三种曲面板对中等沙土做了对比实验。在其它因素相同的情况下，对比铲板类型对切削阻力的影响，实验数据如表3-1。
表 3–1 铲板类型对切削阻力的影响
铲板类型        抛物线型
圆弧型        I 类渐开线型        II 类渐开线型
切削阻力（ ）
28.5        28        25.4
通过数据分析，并考虑到清除积雪的实际工况，最后确定推雪铲的铲板选用II类渐开线型铲板最为合适。渐开线（如图3-4a）上的每一点都绕等螺距螺旋线（如图3-4b）的z轴作同样的螺旋运动（一方面绕z轴作相同角速度的圆周运动，另一方面沿z轴作相同速度的匀速直线运动）时，就形成渐开线等螺距螺旋面。渐开线等螺距螺旋面的数学模型为
                                  （3-1）
式中 常数，表示曲面上不同的螺旋线，它们具有相同的导程h，但有不同的螺旋角
常数，表示不同位置的渐开线
为基圆半径

a) 渐开线                   b) 等螺距螺旋线
图3-4渐开线等螺距螺旋面的形成原理
3.3 本章小节
本设计使用的底盘车辆型号为EQ1101GLJ。相关试验结论表明，采用II类渐开线型铲板，铲刃切削角 ；推雪铲在工作时与前进方向夹角为 ，铲板宽度3100 mm，所用改装车最大宽度为2470mm，有效除雪宽度大于车宽630mm，符合设计及道路通行要求。

第4章 除雪车弹性避让装置
4.1 除雪机械设置弹性避让装置的必要性
进行除雪机械的开发研讨时，必须对影响除雪机械使用的外部因素予以高度重视。目前全国公路及城市道路普遍较差，突出表现在路面平整度低，局部损毁（如裂缝、变形、错台、脱皮、沉陷）比较严重，除雪作业时路面障碍物（如凸台、窑井盖、道钉、分界线、反光块、坑槽等）较多，因此除雪机械应设置弹性避让装置。
弹性避让装置就是使除雪铲不需中断行驶就能顺利翻越路面障碍物，避免损坏铲口、路面及路面设施，确保除雪作业持续平稳进行而采用的弹簧及相关功能件的机构总称。
4.2四杆机构的设计思想
目前国内外除雪机械广泛应用的弹性避让装置为双摇杆机构，其优势是避让效果明显、越障高度较大、环境适应性强，可以在硬质雪区作业。
图4-1为双摇杆机构发挥弹性避让功能时除雪铲的动态模拟图。在该模拟图中， 和 分别为上、下连杆， 为前托架， 为除雪铲， 和 为拉伸弹簧与前托架的连接点，E为铲着地点（即铲刃与障碍物的接触点）。如遇障碍物，则 点围绕 点转至 ， 点移动至 ， 曲线即为铲运动轨迹， 即为自动越障高度值。从图中可以看出，弹性避让动作时， 点后移并上升，结合 点运动，除雪铲发挥了较好的自动翻越物体的功能。

图4-1 双摇杆避让动态模拟图
为实现优良的弹性避让性能，进行四杆机构设计时应考虑：
（1）为顺利避障，双摇杆机构应首先保证铲刃的上抬运动，铲刃的避让轨迹为上凸曲线时最佳。除雪作业时 点应适当高于 点。从杆件的受力角度看，它是自动越障的关键，从机构角度看， 点处于绕 点摆动的上行后移工作区，有利于铲刀的抬升与前倾。除雪作业时 点应适当低于 点。当 点处于绕 点摆动时，可以充分利用上行前移工作区。
（2）应适当加大 、 间距，有利于提高自动越障高度。
（3）拉伸弹簧的整体刚度应适中，过大对越障不利，过小则会导致除净率降低。
（4）推雪铲翻摆时的极限位置应予限制，防止产生“死点”，使推雪铲不能及时回落。
（5）根据我国道路状况，自动越障高度H 一般控制在 60mm 左右。
（6）要保证铲刃对地面有足够的线压力，用于剥离地面上积雪；过大的弹簧拉力对越障不利，过小的弹簧拉力则会导致除雪效果降低。
（7）要使机车动力合理有效的传递到推雪铲铲刃。
4.3  本章小节
弹性避让功能作为除雪机械性能指标的一个方面，其重要性是显而易见的，本设计确定了避障功能的前雪铲避障机构的铰点位置，以及弹簧挂钩位置。所设计的避障机构使得 点的避障轨迹为上凸的避障曲线，结果甚为理想。

第5章 除雪车作业的计算
5.1 计算内容及已知相关参数
除雪车雪铲的作业对象是清除路面浮雪，安装于东风轻型洒水车前部，雪铲除雪作业计算包括除雪阻力计算、切线牵引力计算及除雪功率计算三部分，目的是分析除雪铲是否与所选底盘相匹配。所用改装车相关参数如表 5-1。
表 5-1 动力车相关参数
性能参数        车型号        EQ1101GLJ
        最高车速（km/h）        85
重量参数        载重量（kg）        3000
        整备质量（kg）        5770
发动机        额定功率（kw）        196
        最大纽距（N.m）        1070
外形尺寸        L×B×H（mm）        5015×2470×2510

除雪断面积
积雪密度
行进速度 ～
行进角
水平转角
空气阻力系数
刃口与路面摩擦系数
滚动阻力系数
轮胎与路面附着系数
铲体质量
除雪车功率
道路坡度
抗断应力
5.2除雪铲的力学模型及计算
犁式除雪铲在进行除雪作业时所受到的总阻力称为除雪阻力。除雪阻力包括作业时除雪犁所受到的雪阻力与车辆行走阻力两部分。除雪车工作时升降油缸处于浮动状态，前雪铲依靠自重贴于地面，利用除雪车前进的动力将浮雪剥离路面，利用车辆速度和铲板空间形状使被除积雪作螺旋外抛运动，抛向右侧。因此雪铲本身质量、铲体与路面的摩擦系数、铲刃与路面的夹角、铲刃形状、铲体水平摆角、除雪作业宽度、除雪作业速度、浮雪密度、浮雪厚度等因素与雪阻力计算关系密切。同时，浮雪的平均抗剪应力τ 亦对雪阻力计算产生一定影响。通常情况下，由于浮雪的平均抗剪应力相对较小，在计算雪阻力时一般对其忽略不计。
5.2.1建立坐标系
为方便计算分析，建立如图 5-1 所示的雪铲受力直角坐标系：定义除雪车前进方向为 X 轴正向、车体左向为 Y 轴正向、垂直向上方向方向为 Z 轴正向，雪铲铲体与地面间夹角为切削角δ、铲体长度方向与车辆行进方向所夹锐角为行进角 。

图 5-1 前雪铲受力坐标系
按图5-1 坐标系把雪铲受到的雪阻力 可由下式求得：
                                           （5-1）
式中          —铲刃与路面的滑动摩擦阻力；
              —分离积雪的切削阻力；
—将积雪沿铲板面抛出时雪对铲板的作用力；
—也可按图5-1所示的坐标进行分解。
                          （5-2）
式中         —前进方向分力；
—侧向分力；
—垂直分力。
按上述坐标对 、 、 进行分解，则有  
                                                     （5-3）
                                           （5-4）
                                               （5-5）
式中         、 、 —前进方向分力；
、 —侧向分力；
  — 垂直分力。
于是可以分别计算铲体在三个坐标方向上所受阻力的代数和。
除雪作业速度直接影响除雪作业效率。正常除雪作业速度范围为  。研究结果表明，在 速域内，除雪作业速度对雪阻力的影响呈分散的两区域性— 速域与 速域，不同速域对雪阻力的影响系数不同。根据速域影响系数，建立如下雪阻力各向分力计算分析数学模型：
除雪车作业速度为 10～20km/h 时
             （5-6）
除雪车作业速度为 20～70km/h 时
             （5-7）
式中：      —铲刃与积雪路面的摩擦系数；
—前雪铲质量， ；
—浮雪层与前雪铲接触面积在除雪车前进方向上的投影；
  —除雪车作业速度， ；
  —雪密度， ；
  —前雪铲刃口形状系数， ；
  —重力加速度， 。
雪铲铲刃在除雪作业时，在地面与铲刃之间有残余积雪。参考雪的物理机械性质，钢质材料与压实雪的摩擦系数为 0.09～0.14，钢质材料与沥青混凝土的摩擦系数为 0.25～0.5。因为除雪作业路面情况比较复杂，在除雪作业过程中，各种摩擦情况都会随机出现，没有规律性。考虑到积雪的润滑作用， 取值范围一般为 0.10～0.45。这里为保证除雪作业总能正常进行，在计算中摩擦系数 取为最大值 0.45。雪铲的行进角取值为 60°。雪密度变化范围很大，参照积雪密度选取为 。
雪铲在前进方向上的投影宽度为  ，最大除雪深度 ，因此，雪铲雪阻力计算公式中 。根据雪铲总体结构及材料特性，计算得到前雪铲质量为 。
根据公式（5-6）、（5-7）及上述计算参数分析，得到如下计算结果：
除雪车作业速度为 ～   时，雪阻力的各向分力为

除雪车作业速度为  时，雪阻力的各向分力为

5.2.2行驶阻力计算
车辆行驶阻力经验计算公式为：

                      （5-8）
式中：    —空气阻力， ；
          —滚动阻力， ；
          —上坡阻力， ；
—加速阻力， 。
—空气阻力系数，平头型取值0.00275；
A—犁板式除雪车正面投影面积， ；
—犁板式除雪车与空气的相对速度， ；
—滚动阻力系数，雪与轮胎间， ；
除雪车动机车为东风平头洒水车，装配上前雪铲后，除雪车质量为 ；正面投影面积为 。因此，根据公式（5-8）计算得到除雪车作业速度为 时，行驶阻力为：

设计提出的额定工况（以 的除雪速度，清除厚 、密度为 的浮雪）下：     

5.2.3除雪阻力计算
除雪阻力 为雪阻力在 方向上的分力 与行驶阻力 的代数和。根据上述计算结果，可以得到不同作业速度条件下的除雪阻力。
除雪车作业速度为 10～20km/h 时，最大除雪阻力（除雪宽度 ，深度 时）为：
   
除雪车作业速度为 时，最大除雪阻力（除雪宽度 ，深度  时）为：

设计提出的额定工况（以  的除雪速度，清除厚 、密度为 的浮雪）下：

5.3 切线牵引力计算
切线牵引力是指在牵引力元件的作用下，地面产生的作用于行走机构上、平行于地面并沿着行驶方向的总推力。冰雪路面所能提供的最大附着力可由下式求得：
                                        （5-9）
式中 附着系数，压实雪与防滑轮胎附着系数，一般为0.35。 ， 。
因此，作用于行走机构的最大切线牵引力为
   
经计算得最大切线牵引力  19791.1
为使犁板式除雪车能正常作业，其最大切线牵引力必须大于或等于外部阻力之和，即
                           
对比除雪车作业时的最大除雪阻力可知： ＜ ，不满足要求。因此应考虑适当降低原设计提出的除雪速度要求。为了使除雪车在额定工况工作时更为可靠，最大切线牵引力应留有一定的余量，所以设计车速应降低为 。当   时， ； ， ，                          此时 ，   满足设计要求，除雪车能正常作业。
5.4除雪功率的计算
除雪功率 由下式求得：
                                                （5-10）
式中       —除雪功率， ；
—行进方向的除雪阻力， ；
—行进速度， ；
—传动效率，机械传动取 。
由公式（5-10）计算得178kg。除雪车发动机额定功率为 196kW。可以发现发动机功率能够满足假设的额定工况除雪作业要求。
5.5本章小节
本章分析结果表明，除雪车雪铲结构设计基本能满足设计要求，保障除雪车正常作业。除雪车雪铲正常工作时，除雪作业时的牵引力与选用底盘类型匹配，能满足设计要求。但是，对于额定工况为：清除0.5m厚、密度为 的浮雪，额定除雪速度40km/h时，最大切线牵引力小于外部阻力之和；因此调整除雪速度为35km/h时，发动机功率就可以保证除雪作业需求。

第6章 除雪装置的液压系统
6.1液压系统的构成
除雪车液压系统结构，液压系统工作装置由高压齿轮泵，五联手动换向阀，限压阀，升降油缸，摆动油缸，粗滤器和细滤器等液压元件组成。
油泵: 单独供油          1 个
油缸: 前铲提升油缸　    2 个
前铲摆动油缸　          1 个
五联手动换向阀          2 个
6.1.1独立摆动油缸的设计
本设计采用了单独摆动油缸的思想，使整个装置简单化，但并未降低其使用性。解决了制造繁琐、维修麻烦等问题，降低了除雪装置的故障率。
摆动油缸安装于后托架上偏左位置，连接前托架。当雪铲前进方向和车辆行驶方向一致时，柱塞伸出一部分。当雪铲向左摆动时，柱塞收回；当雪铲向右摆动时，柱塞伸出，伸出长度大于雪铲和车辆行驶方向一致时柱塞伸出的长度。
6.2液压系统的原理
除雪装置液压系统有单独的一个油泵和油箱。只需在车上接一电线，起动电机从而驱动油泵。除雪装置控制阀安装在车座椅左侧,该阀为滑阀式手动换向阀,系统工作压力为14MPa,过载压力为18MPa。
当电机驱动液压泵工作时，油箱中的液压油经粗滤器被吸入，此时把五联手动换向阀的手柄前推（换向阀处于左位），则液压油由出口流入升降油缸的无杆腔，给活塞一个向上的推力，迫使除雪装置上移，即推雪铲从地面抬起一定距离，然后将除雪车驶向作业现场。当把五联手动换向阀的手柄后推（换向阀处于右位），则液压油由出口流入升降油缸的有杆腔，迫使除雪装置下移，进行除雪作业。

结  论
本文通过对东风轻型洒水车改装后的除雪车前铲进行了分析、改进、通过研究，得出如下结论：
（1）雪铲结构改进。通过分析，采用 II 类渐开线型铲板。铲刃切削角 ；铲板宽度为 L = 3100mm；推雪铲在工作时与前进方向夹角为 ，除雪宽度为L在行进方向上的有效投影 ，本设计中除雪宽度 。所用改装车最大宽度为 2470mm，有效除雪宽度大于车宽 630mm，符合设计要求。
（2）避障四杆机构仿真分析
（3）独立摆动油缸设计
（4）除雪车作业计算。对改进后的雪铲进行除雪阻力计算、切线牵引力计算及除雪功率计算等。分析结果表明，除雪车雪铲结构设计基本满足规定要求，除雪车雪铲正常工作时，除雪作业时的牵引力与选用底盘类型匹配，能满足设计需求；但是，当额定工况为：清除 厚、密度为 的浮雪，额定除雪速度40km/h时，发动机功率不能满足作业需求；调整除雪速度为35km/h时，发动机功率可保证除雪作业需求。

参考文献
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致  谢
本文是在导师郭新华老师的悉心指导下完成的，并且一直得到了系里所有老师的耐心指导和无私帮助，老师们的严谨治学态度和永不停息的探索精神以及执着的敬业精神时刻鞭策着我；导师所具有的丰富理论知识、实践经验以及对问题的独到见解更是帮助我得以顺利毕业设计，并将一直影响今后的学习和工作。在此，对导师和系里所有老师致以最衷心的感谢。
最后，感谢所有关心、支持和帮助过我的师长和领导、老师、同学、朋友们！

附录一
除雪机弹性避让装置
在我国东北、西北和华北的大部分地区，冬季持续时间长，年降雪量相对较大，道路除雪、除冰及防滑成为当地路政管理部门冬季的重要工作，并对除雪机械提出了广泛的市场需求，从而为除雪机械的开发研制提供了良好的市场机遇。本文介绍除雪机械中的一个重要部件—— 弹性避让装置。
目前除雪机械常用的弹性避让装置有双摇杆机构和摆动导杆机构两种形式，其中双摇杆机构的应用较广泛。
  
双摇杆机构弹性避让装置主要由托架、上连杆、拉伸弹簧、除雪铲、下连杆、刀片、滑橇、缓冲橡胶块等零部件组成，其中托架、上连杆、下连杆、除雪铲组成双摇杆机构。该装置可围绕连接架的垂直轴线向左或向偏转，围绕连接架的水平轴线横向(随动)侧倾。图1为除雪装置清铲作业时的状态，图2则为机构自动越障时的工作情形。
除雪作业前，通过液压系统确保提升油缸处于浮动位置，同时使除雪铲的刀片与地面基本接触(离地间隙保持在0～2nun之间)。由于铲刀重力和拉伸弹簧力的作用，刀片与地面密切贴合(此时滑橇与地面保持一定的间距)。随着配属机动车辆的行进，道路积雪沿铲刀孤面滑移并被清排到铲刀偏转的一侧。速度越高，清排效果越明显，具有很高的作业效率(见图1)。
如果作业期间遇到路面障碍物(如凸台、窨井盖、道钉、分界线反光块等)，行进阻力所形成的水平分力迫使连接架(平行四杆机构)前方下移，使滑橇触地对除雪铲起承载作用。同时，行进阻力所形成的垂直向上分力促使除雪铲克服拉伸弹簧力的作用，通过上下连杆的转动使铲刀前倾并上抬越过路面障碍。整个避让过程勿需停车(见图2)。
一旦除雪装置越过障碍物，由于行进了阻力消失，铲刀便在重力和拉伸弹簧作用下迅速复位，重新与路面贴合，机构回复除雪工作状态。越障避让时，缓冲椽胶块发挥作用，提高了该机构的弹性避让性能。该橡胶块具有较高的强度和良好的韧性。
如果除雪装置在硬质雪区作业，需轻微加载。此时液压操纵f爵处于中位，提升油缸长度不变，滑橇离地，越障时不再发挥承载作用。
铲刀刀片选用优质耐磨材料，有的在刃口处镶嵌合金刀块，以提高刀片使用寿命。随着刀片(或刀块)的磨损，应适时调整滑橇的位置，保证自动越障高度参量。
为保证越障后状态回复，并防止系统受损，除雪铲相对于托架的极限位置通过相应限位块加以约束。
为了提高作业除净率，利于弹性避让功能的充分发挥，郑州郑工机械集团开发的ZLX30E除雪机采用几个相对独立的刀板组成铲刀，形成并联组合式弹性避让系统。工作时只有遇到障碍物的刀板作避让动作，其余刀板依然保持清推作业状态，充分优化了系统的工作性能。

附录二
Flexibility to avoid snow machine equipment
China's northeast, northwest and northern most of the winter continued for a long time and in relatively large amount of snowfall, snow roads, de-icing and anti-skid road into the local management of the important work of the winter, snow and a wide range of machinery Market demand for snow machines developed to provide a good market opportunity. This article describes the snow machines is an important component --flexible avoidance device.
At present, snow machines used are equipped with a flexible avoid double rocker mechanism and the swing-bar introduction in two forms, of which two-rocker mechanism of the wider application.
  
Flexibility to avoid double-rocker mechanism has been provided primarily by the bracket, the connecting rod, spring tension, shovel snow, under the connecting rod, blade, skid, buffer, and other pieces of rubber parts and components, which brackets, the connecting rod on the next Link, shovel snow composition of the two-rocker mechanism. The device can connect around the plane's vertical axis tilt to the left or around the frame to connect the level of horizontal axis (follow-up) roll. Figure 1 to shovel snow clearance equipment operations of the state, to adopt voluntary plans for 2 more impaired when the work situation.
Snow removal operations, through the hydraulic system upgrade to ensure that the fuel tank floating in a position, at the same time so that the snow shovel blade of the basic contact with the ground (ground clearance kept between 0 ~ 2nun). Blade due to gravity and tensile strength of the spring, with a blade affixed to the ground close together (this time with the skid on the ground to maintain a certain distance). With the motor vehicle assigned to the road, the road along the snow shovel blade surface solitary slip and Qing deflection into the side of the Blade. The higher the speed, money row, the more obvious effects, high operating efficiency (see Figure 1).
If during the operation encountered obstacles on the road (such as Boss, Yin Jinggai, spike, the reflective boundary block, etc.), road resistance formed by linking the level of play forced the plane (parallel four-bar) down the front, so that the skid Touch to shovel snow from carrying role. At the same time, road resistance formed by the vertical pitch in to help up to shovel snow to overcome the tensile strength of the spring, connecting rod up and down through the rotation so that the shovel blade forward and Shangtai obstacles to cross the road. Needless to avoid the entire process of parking (see Figure 2).
Once the snow to cross the barrier device, due to the resistance march away, spade in the knives will be the role of gravity and tension springs quickly reset, and re-fitting the road, the snow back to the work of state institutions. Avoid the more impaired, the China Rubber buffer block to take effect in enhancing the flexibility of the agency avoid performance. The pieces of rubber with high strength and good toughness.
If the snow removal equipment in the hard snow zone operations, to be a small load. At this point in a Grand f hydraulic control in place to enhance the same length of the tank, skid off, the more impaired when they no longer play a role in carrying.
Blade blade wear high-quality selection of materials, in some Department inlaid alloy edge knife block, in order to improve the service life of blades. With the blade (or knife block) of wear and tear, should be adjusted in a timely manner skid position, the more automatic barrier to ensure a high degree of parameters.
In order to ensure the more impaired after the return to the state and to prevent damage to the system, as opposed to shovel snow bracket of the position limit passed limit the corresponding block of control.
In order to improve the operating rate in addition to the net, in favor of flexibility and give full play to avoid function, Zhengzhou Mechanical Engineering Group, Cheng ZLX30E development of the use of snow machines in several relatively independent board composed of a knife blade shovel to form a parallel flexible modular system of avoidance. Only when they encounter obstacles on the work of the knife for avoidance action panels, the rest of the board remained a knife-money push operations, fully optimized system performance.

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文章写得不错，有价值。