畢設(shè)屋頂除雪機(jī)的設(shè)計(jì)

1、屋頂除雪機(jī)的設(shè)計(jì)劉曉亮河北科技師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)0903班指導(dǎo)教師：于晶晶摘要：本文簡要介紹了國內(nèi)外陸地掃雪設(shè)備的市場、分類及發(fā)展情況，在此基礎(chǔ)上提出設(shè)計(jì)屋頂除雪設(shè)備的構(gòu)想，希望通過借鑒傳統(tǒng)掃雪設(shè)備的設(shè)計(jì)理念，來設(shè)計(jì)出一種集前部旋轉(zhuǎn)掃雪，中間螺旋運(yùn)輸雪，后部通過收集箱收集雪的簡便、輕巧的小型屋頂除雪機(jī)，并通過相關(guān)理論分析和計(jì)算，為除雪機(jī)主要參數(shù)的確定提供依據(jù)，最后對齒輪部分進(jìn)行了優(yōu)化，找出了最優(yōu)的齒輪參數(shù)，為進(jìn)一步減輕設(shè)備重量和成本提供了參考。關(guān)鍵字：旋轉(zhuǎn)掃雪；屋頂除雪機(jī)；優(yōu)化1 緒論11論文的研究背景與意義如今的房屋建筑多為鋼筋混凝土澆筑、金屬桁架結(jié)構(gòu)，降雪后如

2、果積雪不及時(shí)清掃，積雪晝?nèi)谝箖?，?huì)加重?zé)崦浝淇s作用從而產(chǎn)生破壞應(yīng)力，使鋼筋疲勞致使強(qiáng)度降低。如果積雪過厚，建筑很可能由于鋼筋強(qiáng)度不足而發(fā)生倒塌事故。因此房屋建筑的除雪工作就顯得特別重要。當(dāng)然最傳統(tǒng)的、最常規(guī)的方法是人工除雪，但人工除雪效率低、勞動(dòng)量大不適合如今房屋眾多的城鎮(zhèn)，設(shè)計(jì)一款屋頂除雪機(jī)迫在眉睫。本設(shè)計(jì)主要針對以下情景：溫度，雪的厚度，新下的雪，密度約為，屋頂必須為平頂，人力推動(dòng)，低壓直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)掃雪，電瓶供電，掃雪人行走速度左右。12屋頂除雪機(jī)的特點(diǎn)（1）除雪原理簡單、工作可靠。（2）重量輕、便于拆卸和搬運(yùn)、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小。（3）集掃雪、收集雪于一體。（4）除雪機(jī)整體尺寸小、使得每次

3、收集雪的重量有限制，增加了傾倒的次數(shù)。（5）每次使用完之后，必須把機(jī)器中殘留的雪清理干凈，減輕雪對金屬的腐蝕，防止生銹，維護(hù)起來不太方便。13國內(nèi)外關(guān)于該論題的研究現(xiàn)狀1.3.1有關(guān)除雪機(jī)國內(nèi)外研究概況機(jī)械法是通過機(jī)械作用直接作用解除冰雪危害。雖然除凈率較低，但是對環(huán)境和植被無任何影響。能實(shí)現(xiàn)冰雪的異地轉(zhuǎn)移。應(yīng)用范圍比較廣。因此，個(gè)人認(rèn)為：機(jī)械除雪法是未來除雪的發(fā)展趨勢，適用于各個(gè)領(lǐng)域、不同規(guī)格的除雪機(jī)器會(huì)不斷涌現(xiàn)出來，不斷豐富除雪機(jī)械這個(gè)大家族。我國對除雪機(jī)械的開發(fā)、生產(chǎn)都比較晚，因此還處于起步階段。目前，我國的城市道路、公路和房屋建筑冬季除雪大部分仍沿用傳統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)方式，即單純?nèi)斯ぷ鳂I(yè)或人工

4、作業(yè)和小型的除雪機(jī)械相結(jié)合的方式。高速公路和一級公路開始使用大型專用除雪機(jī)械，進(jìn)行冬季養(yǎng)護(hù)。但是，除雪機(jī)械在數(shù)量和品種規(guī)格上還很少，除雪設(shè)備大部分依賴進(jìn)口1。機(jī)械化程度和總體水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家。只是最近幾年國內(nèi)的廠家才參照國外的先進(jìn)技術(shù)研制了適合我國國情的除雪機(jī)械，因此我國的除雪機(jī)械水平有待提高，種類有待豐富，市場有待開發(fā)。1.3.2國內(nèi)外除雪機(jī)械主要種類除雪機(jī)械的種類繁多，按其結(jié)構(gòu)可分為以下幾種2：(1)犁式除雪車。將犁刀裝在載貨汽車(或清掃車、裝載機(jī)、平地機(jī)、推土機(jī)等)上改裝而成的。除雪時(shí)，犁刀車輛的行駛方向成一定的角度鏟推、堆積或擲拋雪，主要用于清除0203mm厚的松軟積雪。(2)轉(zhuǎn)

5、子式除雪車。是將除雪裝置裝在車輛前端的專用汽車。它主要用于清除較厚的積雪。其除雪裝置包括切雪、集雪和拋雪等。(3)刷式除雪車。是一種清除較薄積雪的專用汽車，不適應(yīng)較厚雪層的清掃。它利用旋轉(zhuǎn)將積雪掃到路邊，亦稱掃雪汽車。(4)氣流式除雪車。氣流式除雪車是用高壓氣流清除道路和機(jī)場的雪，具有生產(chǎn)效率高、拋雪距離遠(yuǎn)、工作裝置可靠的特點(diǎn)。但是噪聲大、能耗高，除雪厚度較薄(不大于02m)。14屋頂除雪機(jī)的發(fā)展趨勢縱觀各種除雪機(jī)的發(fā)展情況，可以預(yù)見未來屋頂除雪機(jī)的發(fā)展方向主要有以下幾個(gè)方面：（1）、高速度、長使用壽命。高速度即意味著高生產(chǎn)率，材料強(qiáng)度是限制屋頂除雪機(jī)使用壽命的主要原因，因此在嚴(yán)格限制設(shè)備重量

6、的同時(shí)，必須使用那些有足夠強(qiáng)度、剛度、耐腐蝕性的材料。（2）、低電能消耗。使用體積小大容量的電瓶和重量輕大功率低能耗的電機(jī)，減少更換供電設(shè)備的次數(shù)，提高設(shè)備的連續(xù)工作能力。（3）、智能化發(fā)展。未來設(shè)備不需要人力作為前進(jìn)動(dòng)力，人們可以根據(jù)掃雪距離、厚度等因素進(jìn)行設(shè)置，使其前進(jìn)速度，電機(jī)輸出功率最優(yōu)匹配。（4）、可折疊性。屋頂除雪決定了設(shè)備尺寸不能太大，因此可折疊性、模塊組合性可大大減小搬運(yùn)時(shí)的體積，到屋頂后打開或方便地組裝保證有一定的除雪寬度。（5）、仿生原理的應(yīng)用。利用仿生學(xué)原理，用模仿動(dòng)物行走的仿生機(jī)構(gòu)取代常規(guī)的輪子或履帶，可大大減輕設(shè)備的重量，提高靈活程度和智能程度。15本設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)

7、容本文針對平屋頂，剛下的雪，厚度不超過10cm的情形研究除雪機(jī)械。方法是進(jìn)行理論分析和計(jì)算，并進(jìn)行三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真。具體研究內(nèi)容如下：(1) 旋轉(zhuǎn)式除雪板的設(shè)計(jì)主要闡述如何利用行星輪機(jī)構(gòu)、平行四邊形機(jī)構(gòu)的組合來實(shí)現(xiàn)掃雪板的平動(dòng)并且能夠承受雪的阻力把雪推進(jìn)螺旋運(yùn)輸機(jī)構(gòu)。并對齒輪、軸、雪板、V帶等零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇。 (2)螺旋運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 根據(jù)雪和金屬之間的摩擦系數(shù)和旋轉(zhuǎn)除雪板的轉(zhuǎn)速等參數(shù)對螺旋運(yùn)輸軸的內(nèi)徑d，外徑D，螺距S進(jìn)行確定，并對軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行校核。(3)帶有運(yùn)輸帶收集箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要計(jì)算了驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸帶直流電機(jī)所需的功率，和收集箱的傾倒機(jī)構(gòu)。2 旋轉(zhuǎn)式除雪板的設(shè)計(jì)21旋轉(zhuǎn)式除雪板機(jī)

8、構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖旋轉(zhuǎn)式除雪板共由四個(gè)板組成，分別在每個(gè)行星輪的分支上，為了簡化，現(xiàn)只畫其中的一個(gè)。 圖1旋轉(zhuǎn)式除雪板的運(yùn)動(dòng)簡圖1、 與支撐軸固連的中心輪 2、行星輪 3、平行四邊形機(jī)構(gòu)的連桿 4、粗實(shí)線表示的系桿 5、中間傳動(dòng)齒輪 6、與除雪板固連的齒輪2.1.1掃雪板的工作原理簡述初步假設(shè)機(jī)構(gòu)中齒輪1、2的分度圓直徑相同，齒輪5的分度圓直徑和齒輪6的分度圓直徑之比為1:2。BDCE為平行四邊形機(jī)構(gòu)，BC為主動(dòng)曲柄。系桿為動(dòng)力輸入裝置，當(dāng)其以的轉(zhuǎn)速順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)驅(qū)動(dòng)行星輪2以的轉(zhuǎn)速順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)平行四邊形機(jī)構(gòu)的特性，此時(shí)齒輪5也會(huì)以的轉(zhuǎn)速順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪6會(huì)以的轉(zhuǎn)速繞F點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)尺寸關(guān)

9、系得到，轉(zhuǎn)向相反，這樣掃雪板會(huì)始終垂直于地面做平動(dòng)，可以把雪掃進(jìn)螺旋運(yùn)輸裝置。2.1.2機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算3 活動(dòng)構(gòu)件的總數(shù) 低副總數(shù) 高副總數(shù)局部自由度虛約束代入數(shù)據(jù)得F=1，因此只需一個(gè)原動(dòng)件，選系桿4作為原動(dòng)件。2.1.3系桿4輸入轉(zhuǎn)速的確定掃雪數(shù)學(xué)模型如圖4： 圖2確定最佳前進(jìn)距離的函數(shù)模型其中雪的厚度為10cm，圓（實(shí)線圓和虛線圓）的半徑都是20cm，第一個(gè)雪板掃雪（帶點(diǎn)的陰影部分）的距離為17.32cm，設(shè)掃完后機(jī)器向前運(yùn)動(dòng)X0（X00 17.32）,此時(shí)雪板掃過的區(qū)域?yàn)樾本€陰影部分，實(shí)線圓的方程，虛線圓的方程為，則斜線陰影部分面積為:,現(xiàn)在求S(x0)的最大值。令=，得最大值點(diǎn)x0

10、=17.32，即雪板每掃完一次雪，機(jī)器應(yīng)向前移動(dòng)17.32cm。假設(shè)人行走的速度為v=1.5m/s,掃雪機(jī)構(gòu)共有四個(gè)掃雪板，則掃雪機(jī)構(gòu)每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)掃雪距離l=417.32=69.28cm,即l=69.28cm/r。因此掃雪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速n1=v/l=150/69.28=2.2r/s,取1=2.5r/s=150r/min。22受力分析及主要零件的設(shè)計(jì)2.2.1單個(gè)掃雪板所受阻力的計(jì)算掃雪板掃雪時(shí)可簡化為如下模型5： 圖3掃雪板受力示意圖受力分析等效模型： 圖4掃雪板受阻力分析F為掃雪板對雪（三角陰影部分）的推力，F(xiàn)f為金屬對雪的摩擦阻力，G為雪所受到的重力，F(xiàn)n為金屬對雪的支反力。假設(shè)雪的厚度為10cm

11、，掃雪板的掃雪長度為70cm，掃雪的截面積為122.87，掃雪體積為V=86009，新下的雪的密度的密度=0.15g/,則掃雪的質(zhì)量為m=V=1.3kg，G=mg=130N。根據(jù)受力平衡X=0 Fncos20+ Ffcos70- F=0Y=0 Fnsin20- G - Ffcos20=0Ff=Fn 為在-16- -30下，雪的密度為0.10g/時(shí)的摩擦系數(shù)=0.14解得F=66.57N Ff=18.7614N Fn=134.01N 根據(jù)作用力與反作用力的關(guān)系，雪板所受阻力F=66.57N,方向相反。2.2.2掃雪板上齒輪受力分析及設(shè)計(jì)（1）齒輪受力分析5 圖5掃雪板齒輪受力分析得齒輪所受到的轉(zhuǎn)

12、矩 （2）掃雪板兩嚙合齒輪設(shè)計(jì)6大小齒輪嚙合時(shí)輪齒所受的切向力是一對作用力與反作用力，大小相等方向相反初步設(shè)計(jì)d2/d1=2，則小齒輪所受到的轉(zhuǎn)矩T1=T2/2=3.3285 N.m。因此設(shè)計(jì)要求就是，輸入軸齒輪所受的扭矩為T1=3.3285 N.m，z2/z1=2,工作壽命要求達(dá)到72000h，原動(dòng)件采用直流電動(dòng)機(jī)，工作載荷穩(wěn)定，要求在滿足要求的前提下，使兩齒輪的總重量最輕。設(shè)計(jì)步驟：選用直齒圓柱齒輪，由于該齒輪傳動(dòng)用于一般機(jī)械傳動(dòng)，故選7級精度；選小齒輪材料為40Cr，調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度為HB235-HB275。大齒輪材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度為HB217-HB255;采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方

13、法來確定小齒輪的齒數(shù)z1、模數(shù)m、齒寬系數(shù) d；（1）確定設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)7設(shè)計(jì)變量x=x1 x2 x3=m z1 d。設(shè)小齒輪的分度圓直徑為d1，大齒輪的分度圓直徑為d2，小齒輪的寬度為b，要求大小齒輪的總重量最小，即在材料密度一定的條件下使兩齒輪的體積和最小，為了計(jì)算方便先假設(shè)兩齒輪寬度相同，因此可以建立目標(biāo)函數(shù)：min ，其中d2=2d1，d1=mz1，d=b/d1，可把上式改寫為：min 。（2）確定約束條件模數(shù)限制2x110；齒數(shù)限制20x230；齒寬系數(shù)限制0.8x31.4；接觸疲勞強(qiáng)度：即 -0，接觸疲勞強(qiáng)度；K為載荷系數(shù)，, 為工作情況系數(shù)，原動(dòng)機(jī)輕微振動(dòng)，取1.25；為動(dòng)載

14、荷系數(shù)，由上述選擇系桿4轉(zhuǎn)速=150r/min,可知行星輪2的轉(zhuǎn)速=300r/min，齒輪5和行星輪2用平行四邊形機(jī)構(gòu)相連，因此=300r/min，取d1=0.04m，故v1=100.02=0.63m/s，查圖8-18，取1.07；為載荷沿齒寬方向分配不均勻系數(shù)，查表8-64取1.12；為嚙合齒對間載荷分配系數(shù)查表8-63取1.1；因此=1.251.071.121.1=1.6478；T1為小齒輪所受的轉(zhuǎn)矩，T1=3.3285N.m；由表8-65查得材料的彈性系數(shù)=189.8；當(dāng)為標(biāo)準(zhǔn)直齒輪=20時(shí)，區(qū)域系數(shù)=2.5；由圖8-22按齒面硬度和熱處理方法查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限大齒輪的接觸疲勞

15、強(qiáng)度極限；應(yīng)力循環(huán)次數(shù):,則 =，=，計(jì)算許用應(yīng)力:=,=,將較小的許用接觸應(yīng)力帶入公式，則。彎曲疲勞強(qiáng)度極限：，其中為彎曲疲勞強(qiáng)度， 齒形系數(shù)分別為，應(yīng)力校正系數(shù)分別為：。載荷系數(shù)K=1.6478。T1=3328.5 N.mm。安全系數(shù)S1=1.4，由圖8-22查得，大小齒輪的安全系數(shù)S都取1.4，大小齒輪的需用彎曲應(yīng)力：代入公式： 。（3）用fmincon函數(shù)7優(yōu)化后得x=x1 x2 x3=2 40 0.8,變量都取下限，說明還有一定的富余量，整理得：小齒輪m1=2,z1=20,d=0.8,b1=32mm,圓整到整數(shù)取b1=30mm；大齒輪m2=2,z2=40,b2=30-5=25mm,大

16、小齒輪的齒頂圓直徑都小于160mm，因此都做成實(shí)體式。2.2.3行星輪系中心輪受力分析5如圖6：對齒輪1進(jìn)行受力分析：。其中=,DE取25mm,代入上式的=。 圖6中心齒輪受力分析對行星輪5進(jìn)行受力分析：。其中BC=DE=25mm，則T5=Ft5r5= F15BC=133.1425=3328.5N.mm，初步選擇中心輪和太陽輪的齒數(shù)相同，因此中心輪所受轉(zhuǎn)矩T4= Ft5 r4=3328.5N.mm，由于掃雪機(jī)構(gòu)中有4個(gè)掃雪板，即有4個(gè)行星輪，則中心輪4所受的最大轉(zhuǎn)矩T4=3328.54=13314N.mm。2.2.4中心輪設(shè)計(jì)6設(shè)計(jì)步驟：選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)；由于該齒輪傳動(dòng)用于一般的機(jī)械傳動(dòng)，

17、故選用7級精度；按表8-67選擇中心輪材料為40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度為HB235-HB275，行星輪材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度HB217-HB255。擬采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法確定中心輪的齒數(shù)、模數(shù)、齒寬系數(shù)。（1）設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)。設(shè)計(jì)變量x=x1 x2 x3=m z d,其中m為中心輪的模數(shù)，z為中心輪的齒數(shù)，d為中心輪的齒寬系數(shù)，要求在滿足使用要求的前提下是行星輪機(jī)構(gòu)的重量最輕，即在密度一定的條件下使得體積最小。目標(biāo)函數(shù)d1=d2=mz，b=dd1，因此上式可以改寫為。（2）約束條件模數(shù)限制2x110；齒數(shù)限制35x250；齒寬系數(shù)限制0.8x31.4；接觸疲勞強(qiáng)度，ZHZE-0，接觸

18、疲勞強(qiáng)度；由表8-65查得材料的彈性系數(shù)=189.8；當(dāng)為標(biāo)準(zhǔn)直齒輪=20時(shí)，區(qū)域系數(shù)=2.5；K為載荷系數(shù)，, 為工作情況系數(shù)，原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)工作都平穩(wěn)，；為動(dòng)載荷系數(shù)， ,為小齒輪轉(zhuǎn)速，為系桿的轉(zhuǎn)速，為小齒輪節(jié)圓直徑，其中將上述數(shù)據(jù)代入公式，解得；為載荷沿齒寬方向分配不均勻系數(shù)，查表8-64取1.2658；為嚙合齒對間載荷分配系數(shù)查表8-63取1.1；因此 =11.061.26581.1=1.476；由圖8-22按齒面硬度和熱處理方法查得中心輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限，每個(gè)行星齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，中心齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；，兩齒輪的許用接觸應(yīng)力分別為：將較小的許用接觸應(yīng)力帶入公式得。彎曲疲勞強(qiáng)度:

19、，F(xiàn)為彎曲疲勞強(qiáng)度，其中；荷系數(shù)K=1.476；T4=13314N.mm；由圖8-22查得兩齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限，大小齒輪的安全系數(shù)S都取1.4，,兩齒輪的許用彎曲應(yīng)力則約束條件為： （3）用fmincon函數(shù)6計(jì)算后得x1 x2 x3=2 30 0.8,即中心輪的模數(shù)，齒數(shù)，行星輪的模數(shù)，齒數(shù)，為了便于連桿的裝配和有足夠的接觸寬度，兩個(gè)齒輪寬度,中心輪、行星輪的齒頂圓直徑都小于160mm，因此都選用實(shí)體式結(jié)構(gòu)。2.2.5掃雪機(jī)構(gòu)V帶的設(shè)計(jì)6（1）功率的計(jì)算 圖7掃雪板齒輪受力分析如圖為掃雪板軸齒輪的受力分析，由前面計(jì)算可知Ft1R=6657N.mm，其中R=40mm，故Ft1=163.93

20、N，標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的壓力角為20，因此Fr1= Ft1tan20=163.93tan20=59.67N。X=0 Fx + F+ Ft1=0Y=0 -Fy-Fr1=0解得Fx=-230.5N Fy=-59.67N 負(fù)號說明實(shí)際方向和圖示方向相反。 圖8中心齒輪受力分析對齒輪5進(jìn)行受力分析，由前述計(jì)算可知，即,由前述計(jì)算T4= Ft5 r4=3328.5N.mm，r4=30mm，得Ft5=Ft5=110.95N，F(xiàn)r5=Ft5tan（20）=40.38N。 173.52N。正號說明實(shí)際受力方向和圖示方向相同。對4、5齒輪的嚙合點(diǎn)取矩， ,解得，符號為正說明實(shí)際方向和圖示方向相同。 圖9系桿受力分

21、析,解得。根據(jù)。（2）低壓直流電動(dòng)機(jī)的選擇系桿的工作轉(zhuǎn)速為150r/min,按推薦的合理的傳動(dòng)比的范圍，取帶的傳動(dòng)比為i=2-4，為了減輕零件重量和尺寸，取帶的傳動(dòng)比i=2。故電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為300r/min。由上述計(jì)算掃雪時(shí)所需功率為0.62kW，螺旋運(yùn)輸雪時(shí)總功率0.88Kw,電動(dòng)機(jī)的額定功率必須大于0.62+0.88=1.5kW。根據(jù)上述數(shù)據(jù)選擇電動(dòng)機(jī)型號為DC48-4.5:串勵(lì)(勵(lì)磁方式),48(額定電壓),4.5KW(額定功率),93A(額定電流),1450RPM(額定轉(zhuǎn)速)7。但電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為1450 r/min，為了降低轉(zhuǎn)速，提高扭矩選擇型號為歐陸590C直流調(diào)速器，其調(diào)速比為

22、100:1，即調(diào)節(jié)范圍為14.50 r/min-1450 r/min，對直流調(diào)速器進(jìn)行合理的設(shè)置，使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為300 r/min。（3）V帶的設(shè)計(jì)步驟6考慮皮帶的傳動(dòng)效率，則皮帶計(jì)算功率為。根據(jù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速，查圖8-4確定為SPZ型。計(jì)算帶輪的計(jì)算直徑由表8-5，取主動(dòng)輪計(jì)算直徑為為90mm，即，從動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑為，（為彈性滑動(dòng)率），查表8-18，取從動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑為180mm。則從動(dòng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速為。驗(yàn)算帶速為： 確定帶的長度和中心距根據(jù)，即，初定中心距為540mm，根據(jù)表8-11選節(jié)線長度為。則實(shí)際中心距為。驗(yàn)算主動(dòng)輪上的包角，主動(dòng)輪上的包角合適計(jì)算帶的根數(shù)單根窄V帶的基本額定功率；單根窄V帶的

23、額定功率的增量；窄V帶的帶長修正系數(shù)；普通V帶小帶輪的包角系數(shù)帶入得。 計(jì)算帶的初拉力=308.84N。計(jì)算軸承上的壓力。帶輪結(jié)構(gòu)小帶輪采用實(shí)心式，大帶輪采用孔板式。23主要零部件的校核計(jì)算2.3.1支撐軸的設(shè)計(jì)與校核8（1）支撐軸材料的選擇與許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的計(jì)算選擇材料為普通的碳素結(jié)構(gòu)鋼Q255，在鋼材直徑16mm時(shí)，取安全系數(shù)則取。（2）軸的扭矩圖 圖10中心軸的扭矩圖。解得，取軸的最小直徑為15mm。校核軸的剛度，碳鋼的，代入上式得因此剛度足夠。2.3.2支撐軸軸承的選擇6由于支撐軸只受徑向力，因此選用深溝球軸承。軸頸直徑為15mm，為了減小軸承徑向尺寸，選擇特輕直徑系列的深溝球軸承61

24、002，和大帶輪接觸的推力軸承型號為51202。2.3.3除雪板軸的設(shè)計(jì)與校核8（1）受力圖、扭矩圖、彎矩圖,如圖11。（2）軸徑計(jì)算C處截面的等效彎矩，B處截面的等效彎矩因此C截面為危險(xiǎn)截面。軸的材料選擇2AlSi9Mg，,安全系數(shù)根據(jù)第三強(qiáng)度理論最大彎曲應(yīng)力：圖11掃雪板軸的扭矩、彎矩圖2.3.4除雪機(jī)構(gòu)外軸的設(shè)計(jì)（1）除雪機(jī)構(gòu)外軸受力分析、扭矩圖、彎矩圖，如圖12。（2）材料選擇與校核選擇普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q255,其許用應(yīng)力=102Mpa。如圖12，很明顯B截面為危險(xiǎn)截面，根據(jù)第三強(qiáng)度理論，帶入數(shù)據(jù)強(qiáng)度足夠。 圖12外軸的扭矩、彎矩圖2.3.5外軸與大帶輪連接螺栓的校核（1）受扭矩T作用螺

25、栓組連接的受力分析9如圖13，用受剪螺栓組連接時(shí)，忽略連接中預(yù)緊力和摩擦力，根據(jù)帶輪的靜力平衡條件得：（2）螺栓的選擇和校核螺栓選擇規(guī)格M10，材料為鋼，力學(xué)等級為8.8級，強(qiáng)度條件：，螺栓剪切強(qiáng)度足夠。 圖13螺栓組受力圖2.3.6圓頭平鍵的校核9軸的直徑為15mm，選擇鍵的型號為，該連接為靜聯(lián)接，強(qiáng)度條件代入數(shù)據(jù)。3螺旋運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)31螺旋運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖 圖14螺旋運(yùn)輸機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖1、2為螺旋運(yùn)輸軸 3、4為皮帶輪、5、6為直齒圓錐齒輪3.1.1機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算1 3 5、6組成的螺旋運(yùn)輸機(jī)構(gòu)中：活動(dòng)構(gòu)件的總數(shù) 低副總數(shù) 高副總數(shù)局部自由度虛約束代入數(shù)據(jù)得F=1，因此只需一個(gè)原動(dòng)件，

26、擇錐齒輪6作為動(dòng)力輸入構(gòu)件。3.1.2錐齒輪轉(zhuǎn)速的確定根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況選擇螺旋運(yùn)輸軸外徑D=30cm，參考文獻(xiàn)10可知軸徑d=（0.2-0.35）D，螺距S=（0.8-1）D，因此取d=0.2D=6cm,由于雪和金屬的摩擦系數(shù)較小，S可取大一些以提高運(yùn)輸效率，S=D=30cm。由上一步計(jì)算雪板轉(zhuǎn)速為n=2.5r/s,而掃雪的橫截面積（圖2中點(diǎn)的陰影部分）A=122.87，初步設(shè)計(jì)掃雪長度為L=70cm，因此掃雪速度為v1=nAL=2.5122.87704=86009/s，每個(gè)螺旋運(yùn)輸軸的運(yùn)送速度v2必須大于v1/2=43004.5/s。螺旋運(yùn)輸軸的每個(gè)螺距空間可簡化成空心圓柱模型如圖： 圖15

27、空心圓柱模型則雪的體積V=20357.52,因此要求運(yùn)輸軸的轉(zhuǎn)速n2必須大于v2/V=2.11r/s,取n2=2.5r/s，即n2=150r/min.為了節(jié)省空間兩個(gè)皮帶輪、兩個(gè)錐齒輪之間的傳動(dòng)比都是1，因此錐齒輪6的輸入轉(zhuǎn)速必須大于=150r/min，但是為了減小帶輪直徑，取=450r/min。3.1.3螺旋運(yùn)輸軸軸承的選擇由于螺旋運(yùn)輸軸同時(shí)受到徑向力和軸向力作用，內(nèi)徑d=60mm，為了減小徑向尺寸，選擇型號為70012C的角接觸球軸承。32螺旋運(yùn)輸機(jī)構(gòu)V帶的設(shè)計(jì)3.2.1設(shè)計(jì)要求電動(dòng)機(jī)的功率為4.5Kw,需要傳遞的功率為0.88Kw,其輸出轉(zhuǎn)速為300r/min,輸入軸的轉(zhuǎn)速為450r/m

28、in,工作時(shí)有輕微的振動(dòng)。3.2.2設(shè)計(jì)步驟（1）確定計(jì)算功率。由于載荷平穩(wěn)趨工作情況系數(shù)，。（2）選擇V帶的型號根據(jù)，查圖8-4確定為SPZ型。（3）確定帶輪的計(jì)算直徑由上述計(jì)算可知主動(dòng)輪的基準(zhǔn)直徑，從動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑為，（為彈性滑動(dòng)率），查表8-18，取從動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑為63mm。則從動(dòng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速為。驗(yàn)算小帶輪帶速為：所以帶速合理。（4）確定帶的長度和中心距根據(jù)，即，初定中心距為255mm，根據(jù)表8-11選節(jié)線長度為。則實(shí)際中心距為。（5）驗(yàn)算主動(dòng)輪上的包角，主動(dòng)輪上的包角合適（6）計(jì)算帶的根數(shù)單根窄V帶的基本額定功率；單根窄V帶的額定功率的增量；窄V帶的帶長修正系數(shù)；普通V帶小帶輪的包角系數(shù)帶

29、入上式得z=2.7，取z=3。（7）計(jì)算帶的初拉力=501.73N。（8）計(jì)算軸承上的壓力。（9）帶輪結(jié)構(gòu)大小帶輪都采用實(shí)體式。33螺旋運(yùn)輸軸的設(shè)計(jì)校核3.3.1螺旋運(yùn)輸軸扭矩的計(jì)算和材料的選擇螺旋運(yùn)輸機(jī)構(gòu)運(yùn)送雪時(shí)可簡化為如下模型： 圖16運(yùn)送雪時(shí)的受力模型物塊在水平驅(qū)動(dòng)力F的作用下沿斜面向上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)輸軸充滿雪時(shí)總重量主動(dòng)力矩，為中徑處的螺旋升角，為斜面的摩擦角，可求得：，兩個(gè)螺旋運(yùn)輸軸所需的總扭矩為。初步選用鎂鋁合金軸，2AlMg5Si。3.3.2許用應(yīng)力的計(jì)算和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的校核的拉伸強(qiáng)度極限，安全系數(shù)因此扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度足夠。3.3.3方頭平鍵的校核軸的直徑為60mm，選擇鍵的型號為，該連接為靜聯(lián)接

30、，強(qiáng)度條件代入數(shù)據(jù)鍵的強(qiáng)度足夠。4收集雪裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算4.1運(yùn)輸帶的工作原理簡述示意圖： 圖17運(yùn)輸帶工作示意圖雪經(jīng)過螺旋運(yùn)輸軸，堆放到運(yùn)輸帶上A處，如果堆放過高會(huì)堵塞出料口，因此需要運(yùn)輸帶及時(shí)運(yùn)走，通過在主動(dòng)輥處安裝直流電機(jī)，并控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，使雪均勻分布在運(yùn)輸帶上，合理地利用有限的空間。4.2直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇對于L80m的帶式輸送機(jī)，主動(dòng)輥軸功率可根據(jù)以下公式進(jìn)行簡易計(jì)算：輸送帶及支撐輥轉(zhuǎn)動(dòng)部分運(yùn)轉(zhuǎn)功率，KW；：物料水平提升功率，KW;：物料垂直提升功率，由于本機(jī)構(gòu)只是水平運(yùn)輸不涉及垂直提升，因此該項(xiàng)為零。各符號意義及數(shù)值如下：v: 輸送帶速度,取0.3m/s；Q: 運(yùn)輸量，取46.44

31、t/h；Ln:運(yùn)輸帶水平投影長度，取0.6m；H: 輸送帶受料點(diǎn)與卸料點(diǎn)間的高差,運(yùn)輸帶水平布置，高度差H=0；k1:空載運(yùn)行功率系數(shù)，根據(jù)支撐輥?zhàn)枇ο禂?shù)，查表?。簁1=0.0103；k2：物料水平運(yùn)行系數(shù)，根據(jù)支撐輥?zhàn)枇ο禂?shù)，查表取；k3：附加功率系數(shù)，根據(jù)輸送機(jī)水平投影長度Ln和輸送機(jī)傾角，取k3=3.472；k4：卸料車功率系數(shù)，無卸料車時(shí)k4=1；P： 犁式卸料器及導(dǎo)料槽長度超過3m部分的附加功率，P=0；將上述數(shù)值帶入公式的解得，K為功率備用系數(shù)取1，光面?zhèn)鲃?dòng)滾筒效率=0.88。5部分零部件的有限元分析5.1內(nèi)支撐軸的分析分析結(jié)果，等效應(yīng)力圖11：圖18內(nèi)支撐軸等效應(yīng)力等值圖從等值圖

32、中可以看出在軸肩和軸段拐角部分應(yīng)力最大，。鍵槽部分的應(yīng)力雖然大于許用應(yīng)力，但小于破壞應(yīng)力，因此需要采取減小應(yīng)力集中的措施，以減小鍵槽部分的應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高軸的使用壽命。5.2大帶輪和右空心軸受剪連接螺栓的分析分析結(jié)果，等效應(yīng)力圖：如圖19受剪螺栓的在被連接的兩構(gòu)件的接觸面的橫截面上容易發(fā)生應(yīng)力集中和剪切破斷，通過等值圖可以看出最大應(yīng)力為3.32MPa，這與計(jì)算結(jié)果3.9MPa，接近，與理論分析的薄弱截面位置比較符合。圖19受剪螺栓等效應(yīng)力等值圖6屋頂除雪機(jī)的總體尺寸和重量除雪機(jī)的總體尺寸見圖2012。除雪機(jī)分三部分：旋轉(zhuǎn)式掃雪機(jī)構(gòu)，螺旋運(yùn)輸機(jī)構(gòu)，收集箱。旋轉(zhuǎn)式掃雪機(jī)構(gòu)總重量大約為40kg，掃

33、雪機(jī)構(gòu)和支架方便拆卸可分開搬運(yùn)；螺旋運(yùn)輸機(jī)構(gòu)和車架、電機(jī)總重量大約為55kg，電機(jī)，運(yùn)輸筒的上半部分可拆卸，使用時(shí)可以分別搬運(yùn)；收集箱為鋁合金材料，重量大約15kg，可方便折疊拆卸。除雪機(jī)的總重量大約為110kg，分三大部分，每一大部分又分若干小部分，之間可以方便拆卸、連接，從而最大限度的減小重量以減小搬運(yùn)困難?？傮w尺寸較小，采用人工推動(dòng)電動(dòng)掃雪的形式，電機(jī)轉(zhuǎn)速可根據(jù)人行走速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，既可以避免由于人行走過快導(dǎo)致積雪堵塞的現(xiàn)象，又可以避免因?yàn)閽哐┌蹇辙D(zhuǎn)而造成的效率降低。電瓶放置在收集箱的后側(cè)，也可以單獨(dú)進(jìn)行搬運(yùn)，以減輕重量和方便進(jìn)行充電。 圖20屋頂除雪機(jī)總體尺寸單位（mm）7屋頂除雪機(jī)改進(jìn)

34、與維護(hù)7.1屋頂除雪機(jī)的改進(jìn)（1）減輕重量。除雪機(jī)的重量大約為110kg，這對于搬運(yùn)、除雪是非常不方便的，應(yīng)該在保持其強(qiáng)度足夠的同時(shí)減輕其重量。例如在用matlab優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)中心齒輪和行星齒輪的寬度度有非常大的富余量（優(yōu)化后寬度大約為10mm，本設(shè)計(jì)中實(shí)際取得是60mm），這樣會(huì)使齒輪的重量增加5倍，造成不必要的浪費(fèi)，因此應(yīng)綜合考慮齒輪尺寸和實(shí)際應(yīng)用情況，精簡尺寸，減輕重量。（2）改人力推動(dòng)為電動(dòng)。為了減輕勞動(dòng)量，提高勞動(dòng)效率，可將電機(jī)改裝成能夠同時(shí)為掃雪和除雪機(jī)前進(jìn)提供動(dòng)力，掃雪、螺旋運(yùn)輸雪所需的總功率為1.5kW，電機(jī)的額定功率為4.5kW，還有很大的富余量可利用剩余的功率為除雪機(jī)前進(jìn)提供

35、動(dòng)力。（3）在掃雪板上增加毛刷。由于掃雪板和收集鏟斗之間有一些空隙，會(huì)漏掉一部分雪，可在掃雪板的底部和側(cè)邊增加毛刷，這樣在將雪掃干凈的同時(shí)又可以防止掃雪板和房頂、金屬收集鏟斗的摩擦，保護(hù)掃雪板。（4）利用仿生學(xué)原理13。傳統(tǒng)的掃雪設(shè)備或是輪式或是履帶式，這樣會(huì)增加設(shè)備的重量對屋頂除雪設(shè)備來說很不方便。利用仿生學(xué)原理，用模仿動(dòng)物行走的仿生機(jī)構(gòu)取代常規(guī)的輪子或履帶，可大大減輕設(shè)備的重量，提高靈活程度和智能程度，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的工作環(huán)境。7.2屋頂除雪機(jī)的維護(hù)屋頂除雪機(jī)的工作條件是溫度低、濕度大、有一定的摩擦并且需要經(jīng)常拆卸裝配，因此在這樣工作條件下的除雪機(jī)的合理操作與保養(yǎng)就具有更大的意義,除雪機(jī)

36、的維護(hù)和保養(yǎng)主要要求如下: （1）電動(dòng)機(jī)（鏟雪電機(jī)和運(yùn)輸帶電機(jī)）在無負(fù)荷的條件下啟動(dòng),起動(dòng)后空轉(zhuǎn)一段時(shí)間方能工作。如因特殊情況發(fā)生緊急停車后，應(yīng)手動(dòng)排除螺旋運(yùn)輸軸中的雪然后重新啟動(dòng)。（2）除雪機(jī)往前運(yùn)動(dòng)除雪時(shí),應(yīng)逐步增加除雪機(jī)前進(jìn)速度至額定速度，前進(jìn)速度應(yīng)均勻并且和旋轉(zhuǎn)雪鏟的轉(zhuǎn)速匹配,否則容易造成積雪堵塞,驅(qū)動(dòng)裝置的過載,使整臺機(jī)器過早損壞。 （3）為了保證電動(dòng)機(jī)無負(fù)載起動(dòng)的要求,除雪機(jī)在停車前應(yīng)停止前進(jìn),等螺旋運(yùn)輸軸中的雪全輸盡后方可停止運(yùn)轉(zhuǎn)。 （4）要注意積雪的覆蓋物,保證沒有堅(jiān)硬、大塊、團(tuán)絮狀的覆蓋物，避免螺旋卡死或使掃雪板變形。（5）在使用中要經(jīng)常檢查除雪機(jī)各部位的工作狀態(tài),注意各緊固

37、機(jī)件是否松動(dòng), 如果發(fā)現(xiàn)機(jī)件松動(dòng),則應(yīng)立即擰緊螺釘,使之重新緊固。 8齒輪優(yōu)化matlab程序及結(jié)果8.1行星齒輪機(jī)構(gòu)（1）程序nonl2.mfunction c ceq=nonl2(x)c(1)=.1/sqrt(x(1)3*x(2)3*x(3)-534;c(2)=(38876.88*(12.5186/(x(2)-3.01794)+2.063)*(1.97-22.704/(x(2)+34.6)/(x(1)3*x(2)2*x(3)-241;gear1.mx0=2.5;50;0.9;lb=2;17;0.1;ub=10;55;1.4;A=0,-0.414,0;b=2;Aeq=;beq=;x,fval

38、=fmincon(gun,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,nonl2)ceq=;（2）結(jié)果x = 2.7374 26.3219 0.1649fval =2.4224e+0058.2掃雪板齒輪機(jī)構(gòu)（1）程序nonl.mfunction c,ceq=nonl(x);c(1)=54309.1/sqrt(x(1)3*x(2)3*x(3)-566.5;c(2)=10969.4*(2.063+12.5186/(x(2)-3.01794)*(1.97-22.704/(x(2)+34.6)/(x(1)3*x(2)2*x(3)-267;c(3)=10969.4*(2.063+12.5186/(2*x(

39、2)-3.01794)*(1.97-22.704/(2*x(2)+34.6)/(x(1)3*x(2)2*x(3)-243.7;gear2.mx0=2.5;26;0.8;lb=2;1;0.1;ub=10;30;1.4;x,fval=fmincon(fun,x0,lb,ub,nonl)ceq=;（2）結(jié)果x = 2.0000 22.5641 0.1000fval =1.5995e+003致謝：首先要感謝學(xué)校和機(jī)電工程學(xué)院，為我們能夠較好的進(jìn)行設(shè)計(jì)提供了很多的幫助。其次要感謝我的指導(dǎo)老師-于晶晶老師，她給予了我充分的指導(dǎo)，并且還培養(yǎng)我了獨(dú)立思考問題的能力。參考文獻(xiàn)1王振.國內(nèi)除雪除冰機(jī)械現(xiàn)狀芻議J.工程機(jī)械,2003,34（4）:55-57.2崔憲江.除雪機(jī)械M.北京：人民交通出版社,1988.3孫恒 陳作模 葛文杰.機(jī)械原理（第七版）M.高等教育出版