脈沖式融雪劑撒布機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要：非均勻撒布工藝研究對道路除雪具有重要的指導(dǎo)意義，基于非均勻撒布工藝進(jìn)行了脈沖式融雪劑撒布機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。首先分析工藝確定撒布機(jī)構(gòu)具有直線撒布和斜線撒布功能，然后進(jìn)行方案對比，分別采用多螺旋結(jié)構(gòu)和四連桿機(jī)構(gòu)，并對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，最后對樣機(jī)進(jìn)行測試，驗(yàn)證了撒布機(jī)構(gòu)的可靠性。

關(guān)鍵詞：非均勻撒布；融雪劑；撒布機(jī)構(gòu)；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.192

1 引言

道路除雪是冬季道路養(yǎng)護(hù)作業(yè)的重要工作，目前主要工藝是采用推雪鏟進(jìn)行初步除雪，然后拋撒融雪劑進(jìn)一步將落雪消除干凈。初步除雪之后道路面往往還殘留有部分落雪，此部分落雪如果不進(jìn)一步消除干凈，結(jié)冰之后會對道路通行產(chǎn)生極大的安全隱患。當(dāng)前融雪劑拋撒方式主要為人工拋撒和機(jī)械拋撒，采用的方式也是均勻拋撒思路，將融雪劑均勻的撒布在落雪表面，降低落雪融化溫度，達(dá)到除雪目的[1]。

融雪劑拋撒有助于道路疏通，但其腐蝕特性也對路面及周邊環(huán)境造成了危害[2]。當(dāng)前采用均勻拋撒方式進(jìn)行融雪劑撒布，融雪劑的用量非常大，因此需要探索新的撒布方式以降低融雪劑的使用量，減少其對環(huán)境的危害。文獻(xiàn)[3]首先論證了非均勻撒布方式相對于均勻撒布方式的優(yōu)點(diǎn)，加大局部區(qū)域融雪劑撒布濃度形成快速的融雪線，并以雪融水帶動周邊區(qū)域的落雪融化，達(dá)到快速除雪的目的；通過試驗(yàn)對均勻撒布、點(diǎn)撒布、線撒布和混合線性撒布的融雪效果以及融雪劑使用量進(jìn)行了對比，得出混合線性撒布效果最優(yōu)。當(dāng)前的撒布裝置主要為均勻撒布機(jī)械，因此急需根據(jù)非均勻撒布工藝要求設(shè)計(jì)非均勻撒布機(jī)構(gòu)。本文依托于山西省交通廳重點(diǎn)科研攻關(guān)項(xiàng)目“脈沖式融雪劑撒布車研發(fā)”（編號：2014-1-10），進(jìn)行了脈沖式融雪劑撒布機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。首先根據(jù)非均勻撒布工藝要求進(jìn)行了撒布機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)，然后根據(jù)方案利用ADAMS進(jìn)行了撒布機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后對樣機(jī)進(jìn)行測試驗(yàn)證了方案的可靠性。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 撒布工藝分析

通過對非均勻撒布工藝進(jìn)行對比，采用混合線性撒布方式，效果如圖1所示?；旌暇€性撒布方式包括直線撒布和斜線撒布，因此非均勻撒布機(jī)構(gòu)需要包括直線撒布和斜線撒布兩部分。

2.2 直線撒布方案

直線撒布需要通過輸送設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)前的輸送設(shè)備包括螺旋式、皮帶式和刮板式[4]。脈沖式融雪劑撒布機(jī)構(gòu)需要精確控制融雪劑撒布密度，并且撒布密度需要隨著車速變化而改變。螺旋傳輸方式可以通過改變螺旋參數(shù)和轉(zhuǎn)動速度方式來控制融雪劑的輸送量，因此經(jīng)過對比選用螺旋方式來進(jìn)行融雪劑輸送。采用混合線性撒布方式，需要將融雪劑撒布成平行的多段線，撒布方式包括單螺旋撒布和多螺旋撒布。

單螺旋撒布方式在螺旋底部設(shè)置多個落料口，通過調(diào)節(jié)落料口的大小和螺旋的轉(zhuǎn)速來控制撒布密度。采用此方式可實(shí)現(xiàn)直線撒布，但由于撒布密度與落料口大小有關(guān)，在改變?nèi)霾济芏葧r需要調(diào)節(jié)落料口大小，在實(shí)際生產(chǎn)時需要增加落料口調(diào)節(jié)裝置，增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜度。

多螺旋撒布方式如圖2所示，包括垂直螺旋和水平螺旋，垂直螺旋有一個進(jìn)料口，多個出料口，水平螺旋有一個進(jìn)料口和一個出料口，其中水平方向螺旋的出料口進(jìn)行融雪劑撒布。由于水平撒布螺旋為一進(jìn)一出，只要通過控制水平螺旋的轉(zhuǎn)速即可以控制融雪劑的撒布密度，控制系統(tǒng)邏輯簡便。

通過對比單螺旋和多螺旋撒布方式的優(yōu)缺點(diǎn)，采用多螺旋方式進(jìn)行融雪劑直線撒布。

2.3 斜線撒布方案

混合線性撒布工藝中斜線的撒布要求落料口在撒布過程中沿水平螺旋平行方向做往復(fù)運(yùn)動，可以通過直線導(dǎo)軌、四連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)[5]。

直線導(dǎo)軌撒布結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括料口、柔性軟管、導(dǎo)軌、滑塊、落料口，工作時融雪劑從料口進(jìn)入，經(jīng)過柔性軟管到達(dá)落料口，落料口隨著滑塊在導(dǎo)軌上做直線往復(fù)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)融雪劑的斜線撒布。直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)需要增加限位開關(guān)、滑塊移動裝置等，安裝、控制較為復(fù)雜，并且融雪劑通過柔性軟管到達(dá)出料口，在使用過程中易出現(xiàn)打結(jié)。

四連桿撒布機(jī)構(gòu)如圖4所示，包括曲柄滑塊和平行四邊形兩部分。曲柄滑塊由圓盤O、滑塊D、搖桿L1組成，滑塊D固定在圓盤O上，搖桿L1上開槽，且繞B點(diǎn)轉(zhuǎn)動，圓盤O繞點(diǎn)O轉(zhuǎn)動，帶動滑塊D在搖桿槽內(nèi)運(yùn)動，驅(qū)動搖桿L1轉(zhuǎn)動，做擺動運(yùn)動。平行四邊形由桿L1、L2、L3、L4組成，在搖桿L1擺動時，通過點(diǎn)F帶動L2、L3擺動，L2、L3的點(diǎn)A、C處連接斜線撒布落料口，從而帶動落料口做往復(fù)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)斜線撒布。

通過對比，直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)在安裝和控制方面均比四連桿機(jī)構(gòu)復(fù)雜，因此本文采用四連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)混合線性的斜線撒布。

3 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

脈沖式融雪劑撒布車撒布參數(shù)如表1所示，根據(jù)參數(shù)進(jìn)行撒布機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1 直線撒布機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）融雪劑撒布量。融雪劑撒布量決定了撒布螺旋的尺寸及轉(zhuǎn)速，根據(jù)公式（1），可得最大融雪劑撒布量為2240kg/h。

（1）

（2）垂直螺旋計(jì)算。撒布機(jī)構(gòu)包含兩個垂直螺旋，將融雪劑輸送到水平螺旋，垂直螺旋的輸送量根據(jù)公式（2）可得，為1456kg/h，其中1.3為設(shè)計(jì)系數(shù)。

（2）

螺旋選擇參數(shù)包括葉片直徑、軸直徑、螺距等，綜合考慮螺旋安裝條件，具體參數(shù)如表2所示。

螺旋轉(zhuǎn)速根據(jù)公式（3）確定，代入?yún)?shù)，可得垂直螺旋轉(zhuǎn)速為189r/min，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速和減速機(jī)減速比，確定減速機(jī)減速比為7，轉(zhuǎn)速為200r/min.

（3）

（3）水平螺旋計(jì)算。水平螺旋按照設(shè)計(jì)線型進(jìn)行融雪劑撒布，包含8個落料口，其中水平螺旋6個，斜線撒布機(jī)構(gòu)2個，根據(jù)公式（4）可得水平螺旋的輸送量為364kg/h。

（4）

根據(jù)公式（3）可得水平螺旋轉(zhuǎn)速為47r/min，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速和減速機(jī)減速比，確定減速機(jī)減速比為29，轉(zhuǎn)速為52r/min.

3.2 斜線撒布機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

斜線撒布機(jī)構(gòu)為四連桿機(jī)構(gòu)，主要性能參數(shù)為平行四邊形擺動角α和行程速比β。斜線撒布機(jī)構(gòu)極限位置示意如圖5所示。

圖中，點(diǎn)A，B，C，D，E，F(xiàn)，G為四連桿機(jī)構(gòu)初始點(diǎn)，點(diǎn)D，E，F(xiàn)，G為四連桿機(jī)構(gòu)的極限點(diǎn)，r為滑塊的運(yùn)動半徑（即OD長度），可知擺動角α為

（5）

行程速比可按公式（6）求得

（6）

斜線撒布機(jī)構(gòu)擺動角度和行程速比與OD和OB的長度有關(guān)，根據(jù)公式（5）和公式（6）可知擺動角α越大，則行程速比β越大，從而導(dǎo)致擺動機(jī)構(gòu)急回加?。涣硗鉃榱吮ＷC斜線撒布融雪劑能將線性融雪劑連通，又要求擺動角α盡可能大。

根據(jù)實(shí)際安裝情況，OB長度為90mm，在OB固定時，隨著OD增大，α和β都在增大，需要選擇OD長度剛好滿足撒布要求。在擺動角度α大于80度時便可滿足撒布要求，因此本文選取滑塊半徑OD為60mm，OB為90mm。求得結(jié)果后，利用ADAMS進(jìn)行仿真，可知機(jī)構(gòu)擺動角α為（-41.5°～41.5°），能夠滿足斜線撒布機(jī)構(gòu)要求。

根據(jù)實(shí)際撒布速度要求，撒布機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動速度應(yīng)大于50r/min，因此選取減速比為29的減速機(jī)，實(shí)際轉(zhuǎn)速為52r/min。

4 樣機(jī)測試

脈沖式融雪劑撒布機(jī)構(gòu)如圖7所示，由3臺電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，垂直螺旋和水平螺旋單獨(dú)驅(qū)動，通過變頻控制水平螺旋來調(diào)整融雪劑撒布密度。斜線撒布機(jī)構(gòu)落料口位于垂直螺旋下端，由垂直螺旋輸送融雪劑，斜線擺動機(jī)構(gòu)帶動落料口轉(zhuǎn)動，形成斜線。

脈沖式融雪劑撒布機(jī)構(gòu)撒布線性如圖8所示，實(shí)際為雙曲線撒布，能夠?qū)崿F(xiàn)混合線性的撒布。通過連續(xù)測試，撒布機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足使用要求。

5 結(jié)論

根據(jù)“非均勻撒布”工藝進(jìn)行了脈沖式融雪劑撒布機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先根據(jù)實(shí)際工藝要求進(jìn)行了直線撒布和斜線撒布的方案設(shè)計(jì)，通過對比采用多螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行融雪劑直線撒布，采用四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行融雪劑斜線撒布。經(jīng)過仿真和樣機(jī)測試，撒布機(jī)構(gòu)能夠滿足“非均勻撒布”工藝要求，運(yùn)行穩(wěn)定。

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基金項(xiàng)目：山西省交通廳科研攻關(guān)項(xiàng)目2014-1-10

作者簡介：劉文輝（1987-），男，山西呂梁人，碩士，助理工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)電一體化控制。