小型清雪機的優(yōu)化設計趙強

1、題目：小型清雪車的優(yōu)化設計課程：機械優(yōu)化設計專業(yè)：機械設計制造及其自動化班級：機制106班姓 名：趙強學號：103731627指導教師 張學軍2013 年 12 月 15號中文摘要本文在分析了目前國內(nèi)外的主要除雪方法的基礎上，提出一種適合中國國情的小型機械旋轉式清雪車的設計方案，并對其進行了理論分析和實用結構設計分 析，同時用Solid Edge軟件繪制了三維實體造型效果圖和二維工程圖，為國內(nèi) 生產(chǎn)該種清雪車提供了完整技術資料。本文首先對道路上的壓實積雪的物理機械性能進行分析研究， 并查閱參考了 目前的國內(nèi)外有關該設備的大量資料， 在已有成果的基礎上，進行設計計算和機 構創(chuàng)新，這些資料為本文設

2、計計算提供了重要的理論依據(jù)。 在分析大型旋轉式除 雪機結構和設計理論的基礎上，針對國內(nèi)單位清雪分塊承擔的特點， 本文對小型 螺旋旋轉式清雪車進行了深入分析，并進行了完善，設計了此種清雪設備。通過對已有小型清雪設備的分析研究， 表明現(xiàn)有設備能實現(xiàn)基本的集雪、 運 雪和拋雪功能。但尚存在操作不方便，清雪效率不高等缺點。 根據(jù)已有的理論研 究基礎，針對目前已有機械的不足，本文設計了帶有拋雪葉輪、 加有內(nèi)置蝸桿傳 動和螺旋狀集雪攪龍裝置的清雪車，確定了其主要參數(shù)，傳動方案和結構形式 設計時充分考慮了各種因素，對其中的關鍵部件一拋雪輪進行了有限元分析， 并 應用人機工程學原理，可對扶手高度進行調(diào)節(jié)，使操

3、作更加舒適方便。 提出了一 整套實用結構，使得該機型大小適中，操作方便，外表美觀。本文在設計和繪圖中，采用先進的工程軟件 Solid Edge進行三維實體造型 設計、二維工程圖的繪制和有限元分析，為國內(nèi)生產(chǎn)該種清雪車提供了一整套技 術資料。關鍵詞：小型清雪車三維造型及工程圖有限元分析人機工程第一章緒論1.1選題的意義中國有句古話叫做“瑞雪兆豐年”，冬季一場大雪能帶來明年的好收成。但 是積雪給城市交通帶來巨大的麻煩， 尤其是在我國的東北，內(nèi)蒙古和新疆一帶冬 季道路積雪給車輛和行人帶來極大不便， 甚至造成車禍，嚴重地影響了人們正常 的生產(chǎn)和生活秩序，這已成為北方各個城市急需解決的問題。目前我國清雪

4、方法比較原始，主要是依靠人力，用鐵鍬和掃把清理積雪，這種方式不但浪費了較大的人力和物力，而且清雪的效率低，往往不能及時清除積 雪，而積雪被車輛壓實后更加難以清除。因此，尋找一種既有較高效率，成本又 比較低的清雪方法就成為當務之急。目前，各國普遍采用的除雪方法是機械除雪法和融雪法兩種基本方法。機械除雪法是通過機械對冰雪的直接作用而解除冰雪危害的一種方法。積雪按狀態(tài)可分成三種類型：(1)松散雪，即降雪不久且未經(jīng)人員和車輛碾壓的雪，質地松散；，體積大，流動性好；(2)壓實雪，即降雪后經(jīng)人踩和車壓而形成的冰雪混合物，有不同程度的硬層，不易清除；(3)冰層，是積雪因陽光暴曬或車輛碾壓融化成水后又凍結成冰

5、，冰層中除水分外還有大量塵土和泥沙，質地堅硬，和地面粘接牢固3所以除雪機械包括除雪機和除冰機兩種。 根據(jù)工作原理的不同，除雪機可分 為推移式、拋雪式和吹雪式三種。推移式除雪機是將推雪鏟刀，除雪犁等裝置安裝在推土機或其它車輛上，將雪推走，開出通道，然后用卡車將積雪運走。這種 方法只能將積雪推到路邊，不具備集雪能力，且只適用于新鮮雪或破碎后的壓實 雪，效率較低，容易劃傷地面。拋雪式除雪機配有拋雪泵，將收集到的積雪拋到 路邊或送入運輸車輛。其中以螺旋式最為常見。吹雪式除雪機一般配備航空發(fā)動 機，產(chǎn)生強大的高壓空氣流由噴口吹除地面積雪。吹雪式除雪機運行速度較高， 有很高的生產(chǎn)率，但它只適用于新鮮雪，只

6、能在機場、橋梁和高速路上應用，成 本很高，不適合開發(fā)小型產(chǎn)品4 0由以上兩種主要除雪方法的對比與分析， 我們得出結論，除雪應以機械除雪 為主。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢利用機械清雪是把人從繁重的掃雪工作中解放出來的一種最好的途徑，并大大提高了清雪效率和速度。因此，科學工作者一直在探索如何研制出安全、可靠 和實用的清雪機械。在國外，最初的清雪機械是采用推土機或裝載機， 利用其推土板和裝載斗將 積雪集中在一起，這后來發(fā)展成犁式除雪機。早在1943年日本就開始把V型犁 裝在載重卡車上用于除雪，經(jīng)過多年的發(fā)展，國外犁式除雪機已具有較高的技術 水平。犁式除雪機出現(xiàn)以后，又出現(xiàn)了將用合成材料制成的指向圓周不

7、同方向排列的棒裝在滾筒上作為清雪專用器械， 但只對沒凍的積雪效果好，直到后來出現(xiàn)了連續(xù)快速的大型旋轉式清雪機后， 清理積雪的工作才變得簡單。旋轉式除雪機 一般具有切削、集中、推移和拋投的功能，具有結構復雜、功能多的特點。俄羅 斯和日本是生產(chǎn)旋轉式除雪機的主要國家，技術成熟。其產(chǎn)品性能居世界領先水平。除雪機在國外已經(jīng)發(fā)展了幾十年，特別是在瑞典、芬蘭等北歐國家已經(jīng)相當成熟。根據(jù)我國國情，國內(nèi)應加強雪的力學性質研究，建立道路氣象系統(tǒng)，除雪 機械應向小型化、高速度的方向發(fā)展，向多功能、機電液一體化的方向發(fā)展，同 時注意提高安全性和舒適性50簡言之，與其它類型的除雪機械相比，拋雪式除雪機一般具有對積雪的

8、切削、 集中、推移和拋投功能，其應用較廣，是一種現(xiàn)代化、高效率的除雪機械。國內(nèi) 有關這方面的研究很少，據(jù)了解目前國內(nèi)沒有廠家在生產(chǎn)小型拋投式清雪機。所以對這種小型的清雪機的研究、設計和開發(fā)必然有很大的現(xiàn)實意義。本文主要任務根據(jù)目前已有的小型清雪設備設計一種新型適用于學校、社區(qū)、工廠的小型清雪裝置，能實現(xiàn)集雪、運雪拋雪功能。要進行合理的方案論證和結構設計，對 主要零件進行設計，并進行校核。對整機應用 Solid Edge軟件進行三維建模和 二維工程的繪制。設計完成應包含以下工作：(1)根據(jù)國內(nèi)外資料進行方案設計，進行比較優(yōu)化，從中選出最優(yōu)方案。(2)具體進行各個工作部分的設計，確定基本尺寸，安裝

9、方式，應用 Solid Edge建模。(3)應用人機工程學原理進行優(yōu)化設計，對主要部件進行有限元分析第二章 小型清雪車的總體方案研究比較總體方案的幾種組合及比較方案一：利用吹風的方式，從鼓風機里吹出的高速氣流將積雪吹到路邊，吹雪式清雪車運行速度較高，有很高的生產(chǎn)率， 但它只適用于新鮮雪，對于壓實的 積雪或冰層無能為力，只能在機場、橋梁和高速路上應用，成本很高，不適合開 發(fā)小型產(chǎn)品。方案二：利用一個置于清雪車前部的鏟子，隨著清雪車的不斷前進， 將積雪 推至路的一邊。推移式清雪車只能將積雪推到路邊，不具備集雪能力， 且只適用 于新鮮雪或破碎后的壓實雪，效率較低，容易劃傷地面。方案三：利用機械傳動的

10、方式，由集雪器先將積雪攪碎，并輸送至一個高速旋轉的葉輪，將其拋到路邊。螺旋轉子式清雪車適用范圍廣，無論是松散雪、壓 實雪消雪效果和效率要比前兩方案好，而且這種方案設計，設計出的產(chǎn)品體積小、 成本低、操作方便靈活，適用于道路窄的地方。因此選用第三種方案。小型清雪車工作原理簡述基本結構目前小型機械式清雪車主要由原動機、傳動裝置、集雪裝置、拋雪裝置、行走系統(tǒng)和操作系統(tǒng)組成。原動機可以采用電機或發(fā)動機，目前大多采用汽油機或 柴油機；集雪裝置用來收集積雪，主要采用推雪鏟或螺旋狀攪龍；拋雪裝置是將收集的積雪拋到路的一側或收集裝置中。主要的方式有拋雪葉輪和鼓風機兩種； 行走裝置是來實現(xiàn)機器的前進，有手推式和

11、自走式兩種；操作裝置主要控制設備 的運轉和行進方向。工作原理工作時由原動機提供動力，經(jīng)由蝸輪蝸桿傳動或帶傳動將動力傳遞到工作部 分和行走系統(tǒng)。積雪由集雪裝置收集到一個腔體內(nèi)，再由拋雪裝置清除出機體， 拋雪葉輪利用高速旋轉時的離心力將積雪拋出；鼓風機利用氣流將積雪吹出。這樣在人力推動（手推式）或原動機帶動（自走式）下，清雪車不斷前進，就能實現(xiàn)連 續(xù)的消除積雪。小型機械式清雪車結構示意圖如下：ft圖2-1小型旋轉式清雪車結構示意圖具體方案的確定原動機的選擇動力采用微型發(fā)動機，本課題的設計需求大約是每小時掃雪量為1000 m2,以積雪平均密度為250 kg/m3,積雪厚度以30cm計算，那么每小時掃

12、雪量為： 3341.0 x10 itfX0.3mX250 kg/m =7.5 X10 kg在拋雪輪的作用下，設計最大拋雪高度為4m ,那么排雪消耗的功率為：4mgh /t = 7.5X10 kg X10N/kg X4m +3600s=833w集雪攪龍在積雪的作用下阻力矩 m=20Nm,那么集雪攪龍消耗的功率為：20Nm X2X3.14 X10r/s=1256w,其中 10r/s 是攪龍轉速。估計整機重量為200kg ,與路面的摩擦系數(shù)取0.2,前進速度約為1m/s,那么前進消耗的功率為：200 kg X10N/kg X0.2 X1m/s=400w整機消耗的功率為：833w+1256w+400w

13、=2.49Kw在這一設計要求下，對動力源選型，考慮到清雪車在工作時可能遇到踏實的積雪，故選用功率稍大的發(fā)動機，以滿足不同工作狀況下需要。選用無錫凱馬動力有限公司生產(chǎn)的KM170F汽油機，詳細參數(shù)如下：型號KM170F型式單缸立式四沖程風冷直噴式柴油機缸徑*行程mm70 X55活塞排量cc211發(fā)動機轉速r/min3600功率Kw3.6起動方式手拉起動/電起動油箱容量L2.5凈重kg27外形尺寸mm332 X384 X416表2-1 KM170F 汽油機參數(shù)2.3.2傳動方式的選擇首先由一個帶傳動將動力由汽油機傳出，向前通過一個蝸輪蝸桿傳到工作裝置，向后通過一個蝸輪蝸桿傳到行走系統(tǒng)。結構簡圖如下

14、：圖2-2小型清雪車結構簡圖1.攪龍 2.清雪鏟3.拋雪筒 4.傳動系統(tǒng)5.發(fā)動機6.操作裝置7.車輪 8.車架9.拋雪輪2.3.3集雪裝置設計本設計采用帶狀螺旋集雪輪，這樣的設計能對集雪有很好的破碎作用，同時 又不容易發(fā)生堵塞?；窘Y構如下:圖2-3帶狀螺旋集雪輪簡圖以上形式的集雪裝置把切雪、集雪、運雪三大功能于一身，具有很好的效果其中左邊攪龍左旋，右邊攪龍右旋，這樣積雪所受的力指向兩個攪龍的中間部位， 使積雪較容易的進入后面比清雪鏟要窄的拋雪室內(nèi)第三章小型清雪車的設計計算及校核3.1帶傳動計算發(fā)動機輸出功率 P=3.6Kw,i=1.8.確定計算功率Pca由于載荷變動微小，因此取 Ka=1.

15、0WJ Pca= KaP=1.0 X3.6Kw=3.6Kw式中Pca計算功率，單位為 Kw;K A工作情況系數(shù)；P傳遞的額定功率。.選擇帶型由Pca=3.6Kw,小帶輪轉速n1=3600r/min,選擇A型帶。.確定帶輪的基準直徑ddi和dd2)初選小帶輪的基準直徑ddi =80mm ,則大帶輪的基準直徑dd2=i dd1 =1.8 X80=144mm查表取dd2=140mm)驗算帶速V= dd1nl=3.14 X80mm X3600r/min=15.072m/s35m/s,4,確定中心距a和帶的基準長度Ld根據(jù) o.7( dd1 + dd2) ao 2( dd + dd2)得初步確定a=30

16、0mm,2(dd1 dd2) (dd2 dd2)24ao公式(3-1 )Ld Ld 2a= a0 +=275.8mmL 2 a0 d 基準長度 =948.4mm取 Ld =900mm實際中心田.驗算主動輪上的包角1(dd2 dd1)。 a1 =180-57.5=167.49X20包角合適。.確定帶的數(shù)zP caP0 ) KKTZ=(3-2 )取 P0=1.64;P0=0.5; K =0.98; Kl =0.87,則 z=1.82取z=2式中K考慮包角不同時的影響系數(shù)；Kl 考慮帶的長度不同時的影響系數(shù)；P。一一單根A帶的基本額定功率；P。計入傳動比的影響時，單根 A型帶額定功率的增量.確定帶的

17、預緊力FoPea 2.52Fo 500a( 1) qv2zv K公式公式(3-3 )帶入數(shù)據(jù)計算得Fo=115.33N.計算帶傳動作用在軸上的力FpFp=2z F0cos /2 =2z F0 cos( /2 1/2)=2 X2X115.33N Xsin(167.49 /2)=458.59N式中z帶的根數(shù)；Fo 單根帶是預緊力；1 主帶輪上的包角。3.2蝸桿傳動計算本設計中工作部分和行走部分都用到蝸桿傳動，現(xiàn)以工作部分為例，展示蝸桿傳動的計算過程計算參數(shù)：分配的輸入功率 P=1.6Kw , 壽命Lh=10000小時，傳動比i12=8 ,輸入轉速n1=2000r/min 。.根據(jù)GB/T10085

18、-1988 的推薦，采用阿基米德蝸桿（ZA）。.選擇材料考慮到蝸桿傳遞的功率不大，速度中等，故蝸桿采用45鋼；但希望效率高些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為 4555HRC。蝸輪用鑄錫 磷青銅ZCuSn10P1 ,金屬模鑄造。為了降低成本，僅齒圈用青銅制造，而輪芯 用 HT200 。.按齒面接觸疲勞強度進行設計根據(jù)閉式蝸桿傳動的設計準則，先按齒面接觸疲勞強度進行設計，再校核齒根彎曲疲勞強度。傳動中心距KT2（ZeZ ）2公式（3-4 ）1）確定作用在蝸輪上的轉矩T2按Zi=6 ,估取效率 =0.9,則T29.55 106 P2/6 P 9.55 10n1 /I129.55 1061

19、.6Kw 0.92000r/mIn/8=34380Nmm2）確定載荷系數(shù)K因工作載荷穩(wěn)定，故取載荷分布不均勻系數(shù)K =1,選取使用系數(shù)Ka=1.15,由于轉速不高，沖擊不大，可動載荷系數(shù)Kv=1.05 ;則K= K KA Kv=1 X1.15 X1.05=1.213）確定彈性影響系數(shù)Ze因為選擇鑄錫磷青銅蝸輪和鋼蝸桿相配，故 Ze=160M P1/2a。4）確定接觸系數(shù)Z先假設蝸桿分度圓直徑d1和傳動中心距a的比值d1/a=0.35 ,取Z =2.9。5）確定許用接觸應力H根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1 ,金屬模鑄造。蝸桿螺旋齒面硬度大于45HBC ,查得蝸輪的基本許用應力h =

20、268M Pa。2000760jn2Lh60 1 10000 2.4 10應力循環(huán)次數(shù)壽命系數(shù)K HN1072.4 1070.8963則h = KHNh =0.8963 X268M Pa =240 M Pa。6)計算中心距 3160 2.9 2a . 1.21 34380 () mm 53.77mm240取中心距a=63mm ,因i=8,取模數(shù)m=2 ,蝸桿分度圓直徑d =22.4mm ,這時d1 /a=0.355 ,查得接觸系數(shù)Z =2.8 Z ,因此以上結果可用。4.蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)和尺寸計算1)蝸桿軸向齒距 pa= m=3.14 X2=6.28mm ;直徑系數(shù)q=10 ;齒根圓直徑

21、df產(chǎn) d1 2(h am c) =22.4-2(1 X2+0.25 X2)=17.4mm ;分度圓導程角=28。1043 ；1 一 m 3.14mm2 蝸桿軸向齒厚Sa =2)蝸輪蝸輪齒數(shù)z2=51 ;變位系數(shù)x2 =+0.400 ;i 亙 51 8.5乙 6驗算傳動比這時傳動比誤差為 TOC o 1-5 h z 8.5 8 6.258是允許的。蝸輪分度圓直徑d2=m z2=2 X51=102mm ;蝸輪喉圓直徑 da2 = CI2+2 ha2=102+2 X2 x(1+0.400)=107.6mm;蝸輪齒根圓直徑 df2= d2-2 hf2=102-2 X2 (1-0.400+0.25 )

22、 =98.6mm ;.“ 1rg2a da2 63107.6 9.2mm2蝸輪咽喉母圓半徑5.校核齒根彎曲疲勞強度1.53KT2d1d2mYFa2公式（3-5 ）Zv2Z23 cos51(cos28.18 )374.465當量齒數(shù)根據(jù) X2=+0.400 , Zv2 =74.465 ,查得齒形系數(shù) YFa2=2.12螺旋角系數(shù) Y 1 1 28里 0.7987140140許用彎曲應力 f f Kfn查得ZCuSn10P1制造的蝸輪的基本許用彎曲應力f =56MPa9 6106壽命系數(shù)Kfn12屋方7 0702F =56 X0.702=39.340MPa1.53 1.21 3438022.4 1

23、02 22.12 0.798723.584MPa彎曲強度是滿足的。6.精度等級公差和表面粗糙度的確定考慮到所設計的蝸桿是動力傳動，從GB/T10089 1988圓柱蝸桿、蝸輪精度等級中選擇7級精度，表面粗糙度取1.6。3.3軸承壽命計算和潤滑方式的選擇壽命計算輸入功率P=3.6Kw ,帶傳動效率=0.97,傳動比i=1.8由于軸1上的一對深溝球軸承轉速最高，故要對其進行壽命計算，設計壽命Lh 10000h。所受的徑向力Fr為帶輪作用在軸上的力Fp=458.59N 。T 9.55 106 P 9.55 106 3.6 0.97 16674.3N n36001.8圓周力Ft2T 2 16674.3

24、231.59Nd2144圖3-1圖3-21 .求兩軸承受到的徑向載荷 匕1和F,2將軸系部件受到的空間力系分解為鉛垂面（圖 3-1 ）和水平面（圖3-2）兩 個平面力系，帶輪安裝于兩軸承的中心位置。其中Fr 458.59Fr1v= Fr2v = = =229.3N22F1H=Fr2H=卜”=115.8N 22則Fr1= 一 F2r1v F2r1H 256.88NFr2= .F2r2V F2r2H 256.8N軸向上沒有受力，所以Fa1 Fa2 0.求軸承的當量動載荷P,和P2因為Fa1 0 eiFa2- 0Lh 10000h故滿足要求3.3.2潤滑方式的選擇在本設計所應用的軸承中，蝸桿傳動箱體

25、內(nèi)的圓錐滾子軸承30203和圓錐滾子軸承30206采用油潤滑。對于其它軸承由于轉速不高，故采用脂潤滑。其 中傳動軸一軸1 （見小型清雪車裝配圖）上的兩個深溝球軸承 60206的轉速最 高，因此只計算此對軸承的dn值。一般用滾動軸承的dn值（d為滾動軸承的內(nèi)徑，單位為 mm ； n為軸承轉速，單位為r/min ）來選擇軸承的潤滑方式。查得深溝球軸承60206的內(nèi)徑d=30mm ,軸1的轉速n=2000r/min,適用于深溝球軸承脂潤滑的dn值界限是 16 104。對于此對軸承 dn=30mm X2000r/min=6104 16 104。故可以采用脂潤滑。3.4軸的校核由于工作裝置中蝸桿軸（見小

26、型清雪車裝配圖）直徑最小，而且跨度最大, 因此要進行必要的校核計算。由發(fā)動機傳向工作部分的功率 P=3Kw,效率=0.8 ,轉速n=2000r/min1 .求蝸桿軸上的功率P2和轉距T2P2=P =3Kw X0.8=2.4Kw6 P62.4T29.55 10 9.55 1011460Nmmn20002.求作用在蝸桿上的力已知蝸桿的分度圓直徑d=22.4mm而Ft2T2 _ 11460d1 一 22.4511.6NFrtan nFt cos511.6tan 20cos 3.18186.5NFaFt tan511.6 tan 3.1828.4 N圓周力Ft、徑向力Fr和軸向力Fa的方向如下圖所示:

27、Fe圖3-3蝸桿受力示意圖其中 L1=50mm ,L2=465mm 。3,初步確定軸的最小直徑軸的材料是45鋼，調(diào)質處理。取Ao=112 ,于是得dmin Ao 戶 112 J24 11.9mm n. 2000軸上直徑最小的地方是左端安裝軸承處，其直徑為17mm。4 .求軸上載荷從軸的結構圖上可以看出蝸桿部分中間位置是最危險的截面，計算其M、M h和M v列于下表。載荷水平向H垂直面V支反力FFnhi=462NFnh2=50NFnvi=169NFnv2 =18N彎矩MM h =23100NmmM V1=8450NmmMv2 =8132Nmm總彎矩M 1= V231002 84502 =24597NmmM 2= ,231002 81322 =24490扭矩TT2=11460N表3-15,按彎扭合成應力校核軸的強度取=0.6,軸上的計算應力ca