除雪鏟分段式避障結(jié)構(gòu)設(shè)計與鏟刃分析*

屈文濤，呂 曌，王澤威，薛亞剛，李志棟

(1.西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065； 2.陜西汽車控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200；3.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200)

0 引 言

我國的北方許多地區(qū)，每年都存在較長的降雪期，積雪與結(jié)冰現(xiàn)象容易誘發(fā)交通事故，影響正常交通[1]。大多情況下要求使用符合我國實(shí)際的機(jī)械除雪車進(jìn)行道路清雪任務(wù)，卻忽略了專用除雪機(jī)械在冬季的閑置時間較長，而清洗車作為城市道路環(huán)衛(wèi)主要車輛，需求大且使用頻次高，清洗/除雪一體化車在除雪作業(yè)時，裝載除雪裝置，在非除雪作業(yè)時，裝載清洗裝置即可進(jìn)行清洗作業(yè)[2]。郭春鳳[3]等針對除雪鏟提出的三種避障方式雖然都能夠迅速達(dá)到躲避障礙物的目的，但其設(shè)計的結(jié)構(gòu)避障時需要整個除雪鏟板面運(yùn)動，增大了避障時的阻力，且增大了經(jīng)過障礙物時遺留的積雪面積，增加二次清理過程，降低了除雪效率。

筆者基于清洗/除雪一體化車除雪鏟避障模塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計了一種高效輕便的除雪鏟分段式避障模塊結(jié)構(gòu)，并以除雪鏟鏟刃作為研究對象，通過Pro/E軟件進(jìn)行除雪鏟鏟刃參數(shù)化建模，采用ANSYS有限元分析除雪鏟鏟刃在工作過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，為除雪鏟避障模塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。該除雪鏟避障模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計可以有效清除障礙物旁側(cè)的積雪，減少遺雪量，提高除雪效率。

1 除雪鏟分段式避障結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 除雪裝置結(jié)構(gòu)組成及工作原理

除雪裝置主要由連接機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、除雪鏟鏟板和避障模塊組成，如圖1所示。連接機(jī)構(gòu)是將除雪鏟固定在高壓清洗車上的橋梁結(jié)構(gòu)，主要包含與高壓清洗車前部連接的后托架、鏟板與前部連接的后托架和上連桿。液壓系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用于連接機(jī)構(gòu)中間控制鏟板升降和偏轉(zhuǎn)完成集雪與拋雪任務(wù)，有效避免由于鏟雪量過大引起的除雪鏟阻力增大的問題，其中兩個擺動油缸各安裝于前托架和前部連接架間的兩邊，通過控制左右擺動油缸一伸一縮來實(shí)現(xiàn)鏟板的左右偏擺；升降油缸連接前部連接架與上連桿，通過推動上連桿的旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)鏟板的提升與下降。除雪鏟鏟板采用一邊高一邊低的設(shè)計，能夠保證除雪鏟在0°使用時，也可達(dá)到通過板面弧度將積雪拋出的效果。

圖1 除雪裝置結(jié)構(gòu)組成1.避障模塊 2.除雪鏟板 3.前托架 4.擺動油缸 5.前部連接架 6.后托架 7.避升降油缸 8.上連桿

1.2 分段式避障結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

1.2.1 分段式避障模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

除雪鏟分段式避障模塊主要由除雪鏟鏟刃、固定滑槽、限位塊、移動滑塊、避障彈簧和鉚釘組成，如圖2所示。分段式避障模塊位于圖1所示除雪鏟板前端，其中，避障彈簧一端與除雪鏟板相連，另一端與滑動塊通過鉚釘與除雪鏟鏟刃相連，滑動塊放置于左右兩側(cè)的固定滑槽內(nèi)，在避障彈簧的作用下帶動除雪鏟鏟刃伸縮，以實(shí)現(xiàn)避障功能；限位塊位于除雪鏟板最下端并與其通過鉚釘固定用以限制避障彈簧在越過障礙物時過度伸長。當(dāng)遇到障礙物時，與障礙物相對應(yīng)的避障模塊啟動避障功能，翻越障礙物，無障礙物處除雪鏟鏟刃仍與地面接觸，參與除雪工作，從而達(dá)到無障礙物處積雪仍能被清理的目的，減少遺雪量，提高工作效率。

圖2 分段式避障模塊結(jié)構(gòu)1.除雪鏟鏟刃 2.固定滑槽 3.限位塊 4.移動滑塊 5.錨固孔 6.避障彈簧 7.鉚釘

1.2.2 分段式避障模塊避障原理

當(dāng)除雪鏟進(jìn)行除雪作業(yè)過程中，第二段避障模塊遇到障礙物時，第二段除雪鏟鏟刃發(fā)生如圖3所示的避障過程。

圖3 避障過程示意圖

如圖3(a)所示第二段除雪鏟鏟刃受到來自障礙物向后的阻力F1，在力的作用下，避障彈簧受到向后的F彈，使避障彈簧收縮帶動移動滑塊沿固定滑槽向上移動，此時，與移動滑塊連接的第二段除雪鏟鏟刃在力的作用下沿除雪鏟板平面向上移動，使第二段除雪鏟鏟刃抬離地面翻越障礙物，無障礙物處除雪鏟鏟刃繼續(xù)除雪作業(yè)，如圖3(d)所示，保證障礙物旁的積雪也能被清除，降低遺雪量。在如圖3(b)所示的翻越障礙物過程中，避障彈簧受壓收縮產(chǎn)生的反作用力F彈′促使第二段除雪鏟鏟刃接觸障礙物而行，并帶動第二段除雪鏟鏟刃翻越障礙物。在如圖3(c)所示越過障礙物之后，失去障礙物的阻力F1，此時，第二段除雪鏟鏟刃在避障彈簧的彈力F彈′的作用下，避障彈簧伸長，推動移動滑塊沿固定滑槽向下移動，此時，與移動滑塊連接的第二段除雪鏟鏟刃在力的作用下沿除雪鏟板平面向下移動，直至移動滑塊移動到限位塊處，第二段除雪鏟鏟刃接觸地面越過障礙物，即完成一次翻越任務(wù)。

2 除雪阻力計算

障礙物以單個橡膠減速帶為例，橡膠減速帶標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長度為380 mm，寬度為500 mm，高度為50 mm，取避障高度為130 mm[3]，查常用材料摩擦系數(shù)表可知，除雪鏟鏟刃與橡膠減速帶間的摩擦系數(shù)為0.49，冰雪密度為350～400 kg/m3時，除雪鏟鏟刃與冰雪間的摩擦系數(shù)為0.05[4]。除雪鏟質(zhì)量為860 kg，除雪寬度為2 800 mm，積雪厚度為100 mm，切削角為θ=30°，清洗/除雪一體化車的行駛速度為30 km/h[5]。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，車輛行駛時，除雪鏟鏟刃受到的阻力為：

F=μN(yùn)/cosθ

(1)

式中：F為阻力，N；μ為摩擦系數(shù)；N為除雪鏟鏟刃受到的正壓力，N；θ為切削角。

在除雪作業(yè)時，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，則有：

(2)

式中：m為除雪鏟的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；ρ為冰雪密度，kg/m3；A為有效除雪面積，m3。

根據(jù)除雪阻力計算除雪鏟鏟刃的應(yīng)力為：

(3)

式中：σ為除雪鏟鏟刃的許用應(yīng)力，Pa；A′為除雪鏟鏟刃的有效面積，m3。根據(jù)式(1)～(3)可得除雪鏟鏟刃的許用應(yīng)力σ=3.81×106Pa。

3 除雪鏟的有限元分析

3.1 除雪鏟鏟刃模型構(gòu)建

根據(jù)除雪鏟鏟刃尺寸，單個除雪鏟鏟刃長度為610 mm，寬度為336 mm，厚度為120 mm，在Pro/E中構(gòu)建除雪鏟鏟刃三維模型并將簡化后的三維模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行有限元計算分析。根據(jù)設(shè)計要求對導(dǎo)入ANSYS結(jié)構(gòu)分析中除雪鏟鏟刃模型的材料屬性進(jìn)行設(shè)置，除雪鏟鏟刃使用材料選用高碳鋼，材料的密度為7 810 kg/m3，泊松比為0.28，彈性模量為2.0×1011N/m2，許用應(yīng)力為3.55×108Pa。

圖4 除雪鏟鏟刃簡化模型

3.2 靜力學(xué)分析

采用六面體網(wǎng)格對除雪鏟鏟刃模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終劃分生成1556個單元格，3140個節(jié)點(diǎn)，根據(jù)式(2)，分析時對除雪鏟單個除雪鏟鏟刃加載積雪載荷Fx′=5 350 N，F(xiàn)y′=1 780 N，F(xiàn)z′=980 N，并選擇限位塊作為除雪鏟鏟刃的軸向約束。對除雪鏟鏟刃進(jìn)行有限元計算分析，得到如圖5所示的應(yīng)力云圖和如圖6所示的總變形云圖[6]。

圖5 應(yīng)力云圖 圖6 總變形云圖

從圖5的分析結(jié)果中可以看出，在設(shè)有限位塊處下端的應(yīng)力最大，主要是由于在限位塊下端未設(shè)有肋板支撐，而限位塊可以加厚上半部分除雪鏟鏟刃的厚度，因此在除雪鏟鏟刃由薄變厚的交界處應(yīng)力最大，且最大應(yīng)力為3.82×105Pa，在其理論計算的許用應(yīng)力范圍內(nèi)。從圖6的總變形分析結(jié)果中可以看出，除雪鏟鏟刃底部接觸地面處變形最大，遠(yuǎn)離地面的部分變形越小，雪鏟底部未設(shè)置肋板缺少約束導(dǎo)致其變形最大，清洗/除雪一體化車行駛時，除雪鏟鏟刃與地面滑動摩擦對除雪鏟鏟刃的磨損較大，故而導(dǎo)致與接觸地面的除雪鏟鏟刃部分變形最大。

4 結(jié) 語

此次設(shè)計的除雪鏟分段式避障模塊結(jié)構(gòu)，降低了經(jīng)過障礙物時遺留的積雪面積，縮減二次清理過程，提高了除雪效率。通過理論計算除雪鏟鏟刃的許用應(yīng)力，并應(yīng)用有限元分析除雪鏟鏟刃應(yīng)力應(yīng)變情況，結(jié)果顯示，最大應(yīng)力為3.82×105Pa，在除雪鏟鏟刃的理論許用應(yīng)力范圍內(nèi)，最大應(yīng)變在除雪鏟鏟刃底端與地面接觸處，在優(yōu)化設(shè)計時需要考慮底端加厚的問題和薄厚交界處的過渡，以此來提高薄弱部分的強(qiáng)度，為除雪裝置的設(shè)計提供理論參考。