基于有限元的人力除雪裝置設(shè)計分析

柳晉晉 符寶鼎 孫國良 邢振偉

摘 要：針對雪后路面壓實(shí)積雪難以清除這一重要問題，設(shè)計分析并制造一款新型人力除雪裝置。這一除雪裝置掛載與人力車上，通過電機(jī)驅(qū)動，由轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)控制除雪刀旋轉(zhuǎn)沖擊除雪，同時由收集裝置上的滾刷轉(zhuǎn)動，將破碎的冰塊兒帶入收集裝置。經(jīng)有限元分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置簡單方便，強(qiáng)度可靠。

關(guān)鍵詞：除雪裝置；轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)；有限元分析

我國的北方許多地區(qū)，每年都存在較長的降雪期。下雪時的道路積雪對于人們的生活和生產(chǎn)造成了很大的影響。人們總是習(xí)慣于降雪后清除積雪，但是積雪經(jīng)過行人的踩踏及車輛的碾壓會在道路表面形成硬實(shí)的冰雪混合物。人力除雪非常的費(fèi)力耗時，在這個情況下要求制造符合我國實(shí)際的機(jī)械除雪車[1]。

清除壓實(shí)雪機(jī)械設(shè)計投入成本高，除雪效果不夠理想。而目前廣泛使用的融雪劑除雪法，能夠高效快速的清除壓實(shí)雪，可它對于環(huán)境和公路設(shè)施有很大的破壞，對水源植被的影響也很大。雖然環(huán)境友好型除雪劑已經(jīng)問世，但是對于環(huán)境和植被的影響不能完全消除。因此研究一種廉價、環(huán)保、高效、操作簡單的除雪裝置有重大的意義[2]。

1 工作原理和方案設(shè)計

1.1 機(jī)車工作原理

人力除雪車總布局圖如圖1所示。，用腳踩下操作桿調(diào)節(jié)千斤頂10，支撐桿12向下轉(zhuǎn)動，同時拉壓桿18帶動滑塊21在擺桿19上的滑槽中滑動，使得擺桿19向下轉(zhuǎn)動，當(dāng)除雪刀到達(dá)合適位置時，收集裝置上的滾輪22與地面接觸。啟動電動機(jī)3，動力通過帶傳動傳遞到鏈輪軸11上，再經(jīng)鏈傳動傳遞到除雪裝置，使得除雪裝置上的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動的過程中，除雪裝置上的除雪刀發(fā)生周期性收縮即上升時縮回下降時伸出，到達(dá)最低點(diǎn)時沖擊路面上的冰雪，在人腳蹬除雪車前進(jìn)的過程中，收集裝置上的滾輪22帶動滾刷13轉(zhuǎn)動，使破碎的冰雪進(jìn)入收集器，達(dá)到除雪的效果。

1.2 方案設(shè)計

1.2.1 除雪裝置的設(shè)計

除雪裝置的三維模型如圖2所示，它由除雪刀轉(zhuǎn)盤、導(dǎo)桿、方管支座、直線軸承、雙頭螺桿、聯(lián)軸器、和主軸等組成。其中沖壓機(jī)構(gòu)是人力除雪車的重要組成機(jī)構(gòu)之一，它由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成，聯(lián)軸器6作為曲柄，雙頭螺桿5作為連桿，導(dǎo)桿2相當(dāng)于滑塊。在除雪車前進(jìn)的過程中，當(dāng)動力通過鏈傳動傳給鏈輪，鏈輪帶動轉(zhuǎn)盤7轉(zhuǎn)動時，聯(lián)軸器6帶動主軸轉(zhuǎn)動，進(jìn)而使導(dǎo)桿2在直線軸承中移動，除雪刀1隨導(dǎo)桿2一起伸出。當(dāng)?shù)截Q直位置的最低點(diǎn)，利用主軸偏心，完成一次沖擊動作。由于轉(zhuǎn)盤7的慣性，加之額外的力的作用，給除雪車提供了足夠的動力，達(dá)到了除雪目的。為保證強(qiáng)度，雙頭螺桿和導(dǎo)桿均選用45號鋼。

1.2.2 收集裝置的設(shè)計

收集裝置由滾刷、滾輪、滾軸、收集器、支架等組成。在除雪車前進(jìn)的過程中，滾輪1帶動滾刷3轉(zhuǎn)動，使破碎的冰雪進(jìn)入收集器5。滾刷毛具有一定的傾斜角度是為了減少刷毛的磨損，同時能夠使破碎的冰雪進(jìn)入收集器。收集器5的結(jié)構(gòu)設(shè)計成折線形，以保證已進(jìn)入的冰雪不從收集器中脫落。收集裝置如圖3所示。

1.2.3 除雪刀的設(shè)計

由于除雪刀在使用中應(yīng)滿足一定的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和韌性，因此本車刀選用的材料是經(jīng)過氮化和表面淬火處理的ZGMn13Cr2高錳鋼，氮化和淬火處理后的鋼表面硬度得到大幅提高，而ZGMn13Cr2高錳鋼本身具有耐沖擊，耐磨等特點(diǎn)，也具有一定的塑性、韌性，是適合除雪的。

在實(shí)驗(yàn)過程中我們發(fā)現(xiàn)刀具的切入角度會很大程度的影響除雪效果，所以在實(shí)驗(yàn)中試階段我們改進(jìn)了刀具的切入角度以及刃的形式，并不是單一的刃，而是復(fù)雜的多角度的。當(dāng)所要破碎的冰層較厚時，可采用點(diǎn)接觸式除雪刀，以達(dá)到更好的除雪效果。

2 典型零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 轉(zhuǎn)盤設(shè)計

轉(zhuǎn)盤設(shè)計圖如圖4所示，為了給除雪車提供更好的動力，本機(jī)采用大圓盤帶動曲柄滑塊

機(jī)構(gòu)運(yùn)動，利用圓盤的慣性可以先使機(jī)器轉(zhuǎn)動起來然后再除雪，會更加容易。轉(zhuǎn)盤上對稱的八個孔能夠減輕轉(zhuǎn)盤的重量，同時可以提供動平衡。

2.2 導(dǎo)桿的連接設(shè)計

導(dǎo)桿的連接質(zhì)量直接影響除雪的效果，所以本設(shè)計采用了兩個端點(diǎn)軸承配合的方式作為導(dǎo)桿的連接。導(dǎo)桿連接設(shè)計圖和實(shí)物圖如圖5所示。

3 主要零件的有限元分析

通過多次試驗(yàn)測試分析以及計算分析得知除雪刀需要承受很大力的作用力且工作狀況最為惡劣，是設(shè)備最主要的受力零件，其剛度和變形對使用過程影響較大。因此對除雪刀進(jìn)行有限元應(yīng)力分析。其分析過程如下[3]：

由以上測試數(shù)據(jù)可知此除雪刀的最大變形量和最大應(yīng)力均滿足許用值，在允許變形范圍內(nèi)，故此除雪刀符合要求。

4 結(jié)論

該人力除雪裝置經(jīng)過對人工模擬的冰凍路面與實(shí)際降雪后的冰雪路面的實(shí)地清除測試，最厚可以破除1.5cm左右的冰凍路面，冰雪清除率可以達(dá)到85%以上?？梢杂行У谋Ｕ辖笛┖蟮缆方煌ǖ陌踩?。

本裝置操作簡單靈活機(jī)動，實(shí)用性較強(qiáng)且造價成本相對低廉。不會占用過多的道路面積，保證及時清理積雪的同時又不會影響車輛行人通行。在正常工作時間內(nèi)，可以代替20個左右環(huán)衛(wèi)工人的勞動量，能夠填補(bǔ)大型機(jī)械作業(yè)的盲區(qū)，及時有效的清理冰雪。平均除雪花費(fèi)也減少80%以上，但是仍然存在一些結(jié)構(gòu)不足，還需要開發(fā)新的機(jī)構(gòu)來簡化其結(jié)構(gòu)，同時還要提高裝置的通用性，提高其穩(wěn)定性及適應(yīng)性。以面對復(fù)雜情況下除雪任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：第一作者：柳晉晉，遼寧工業(yè)大學(xué)。