一种小型路面除冰雪机械装置设计_王铁庆.pdf

1342023 年 5 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备一种小型路面除冰雪机械装置设计王铁庆，戴天乐（西北农林科技大学机电学院，陕西 杨凌 712100）摘要：【目的】道路除雪装置多为大型除雪机械，而适用于居民小区、校园等道路除冰雪作业的机械装置较少。【方法】研究团队设计了一款集破冰机构、清扫机构、集雪铲和自行式行走底盘于一体的小型路面除冰雪机械装置，该装置整机外廓尺寸较小，经济性好，采用电力驱动，可自行驱动行走，操纵简单、轻便，并用三维设计软件对破冰滚筒刀具进行了运动仿真分析，将参考点设置在破冰刀刃的末端，参考坐标系设置为离该刀具最近零件的坐标系，使小链轮以180 r/min的转速匀速运转，带动破冰滚筒旋转，可以得到刀具末端运动的位置曲线。【结果】刀具末端距离周边零件的最小距离为17.82 mm，不会发生干涉碰撞；底盘高低可以调节，执行机构独立控制，破冰滚筒和清扫滚筒可以无级调速，适应性较好。【结论】破冰滚筒刀具能分别满足运动不干涉和强度的要求，可以通过破冰、清扫和集雪推送的联合作用，完成小区路面压实冰雪的清除作业。关键词：除冰雪机械；道路积雪；小区路面；设计中图分类号：U418.3+26 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.10.040小区道路人工除雪效率较低、劳动强度较大1，而采用融雪剂除雪对道路、车辆等有一定的腐蚀危害，对环境不够友好2-4。孙潘罡等5设计了一种以常规装载机作为配套动力的新型除冰机构；李艳龙等6设计了一种针对小区、校园等小范围使用的多转子离心式抛雪机，主要用于清除道路积雪，不太适用于除冰作业；冯宁等7研制了一种小型冰雪路面除冰机，通过凿、铲结合的方式清除路面结冰，由液压马达驱动，不能独立行走，需要与挖掘机、装载机、铲车等工程机械连接使用；孙海朋8研制了一款柴油机驱动的小型除冰机械，并进行了三维建模和整机的虚拟装配设计；李晓建等9设计了一种由汽油机驱动的小型清雪除冰机，可针对较狭窄的街道进行清雪除冰作业；牟艳秋等10设计了一种柴油机驱动的小型破冰除雪机，在冬季柴油机易出现启动困难的现象，存在工作噪声较大、废气排放污染空气等缺点。目前，适用于居民小区、校园等区域较狭窄道路的小型除冰雪机械装置不多，尤其是体积较小、造价较低、噪声小和无排放的环境友好型的除冰雪机械很少。基于此，研究团队设计了一种适用于小区的小型路面除冰雪机械装置，该装置具有破冰除雪功能，可自行驱动行走，操纵简单、轻便，体积较小，通过性好，对交通影响小，纯电力驱动，噪声小，无废气排放，环境友好。1 总体设计方案与工作原理小型路面除冰雪机械装置原理图如图1所示，该装置采用电池组作为动力源，两台调速电动机分别通过链传动带动破冰滚筒和清扫滚筒旋转工作，装置后方的集雪铲（装有加热元件）将已铲除的冰雪推向一侧。装有轮毂电机的驱动轮牵引机器行走，装置后端为万向轮，通过操纵扶手可实现装置的转向控制等操控。扶手上有控制按钮和调速旋钮，用来控制破冰滚筒、清扫滚筒和集雪铲加热元件工作以及车辆的行驶。1.驱动轮；2.机架；3.破冰滚筒；4.大链轮；5.电动机；6.小链轮；7.电池组；8.清扫滚筒；9.扶手；10.万向轮；11.集雪铲。图1小型路面除冰雪机械装置原理图2 破冰滚筒设计破冰滚筒采用钢制滚筒外壁装配特殊刀具的结构，工作时，滚筒上的刀具以一定的角度与冰雪层发生碰撞并使冰雪层破碎，破冰滚筒结构图如图 2 所示。根据总体设计的要求，破冰滚筒的宽度设计为840 mm、直径设计为400 mm。滚筒基体侧面用圆形钢板焊接封闭，侧板上加工有螺纹孔和连接法兰，用作者简介：王铁庆（1980），男，河北文安人，博士研究生，讲师，研究方向为机械设计及理论。2023 年 5 月下135Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备来固定特殊设计的支撑轴。刀具在滚筒上采用斜刃安装，参考以往的研究11，采用安装角为40。1.滚筒基体；2.刀具；3.侧板；4.连接法兰；5.支撑轴。图2破冰滚筒结构图3 清扫滚筒设计清扫滚筒的作用是把前面破冰滚筒卷起的破碎冰雪通过刷毛拨向后方，并清洁地面上的残留冰雪，清扫滚筒结构图如图3所示。为了增强清扫力度，采用钢丝尼龙混合刷毛，尼龙刷毛富有弹性，能在清扫作业时对地面提供较强的弹性压力，钢丝刷毛能够提供刮削力，清除地面上附着较牢固的残余冰雪。为了将已破碎的冰雪向中间聚拢，方便集雪铲进行收集，刷毛在清扫滚筒上呈螺旋状、左右两侧对称布置。1.滚筒基体；2.刷毛。图3清扫滚筒结构图4 集雪铲设计集雪铲用于收集并推送破碎后的冰雪，将其推移到机器一侧的路旁或绿化带中，集雪铲及其布置结构如图4所示。共设计有三个集雪铲：正后方的大集雪铲最宽，背面布置有电阻加热元件，能使集雪铲保持一定的加热温度，防止冰雪冻结在表面上；另外两个小集雪铲布置在机架中部两侧，起辅助作用，可将飞溅出的破碎冰雪向中间聚拢。1.大集雪铲；2.机架；3.小集雪铲。图4集雪铲及其布置结构5 底盘设计底盘主要实现支撑、装配固定其他各零部件以及行走控制等功能。其主要由主机架、前轮架、升降千斤顶、前后车轮、操控扶手等组成，底盘结构图如图 5 所示。为了控制破冰滚筒刀具切入冰雪层的深度，以获取较好的除冰雪效果，可通过升降千斤顶的升降来控制底盘主机架前部的高低，操控扶手上的横梁上设置有控制按钮装置，用于控制机器的工作和行驶。1.前轮；2.前轮架；3.升降千斤顶；4.主机架；5.操控扶手；6.后轮。图5底盘结构图6 防护外壳设计为了保护机器操作者的安全、防止清除冰雪过程中的冰雪飞溅、阻止异物卷入和满足电气系统防水的需要，为该机械装置设计了防护外壳，防护外壳结构图如图6所示。7 整机装配设计在完成以上各部件设计的基础上，小型路面除冰雪机械装置的整机装配设计（未安装防护外壳）如图7所示。1362023 年 5 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备图6防护外壳结构图图7整机装配结构图8 运动干涉检查经过分析，该机械装置中容易发生干涉碰撞并产生危险的部位是破冰滚筒刀具与周边最近零件之间，因此有必要进行运动干涉检查。用三维设计软件对破冰滚筒刀具进行了运动仿真分析，将参考点设置在破冰刀刃的末端，参考坐标系设置为离该刀具最近零件的坐标系，使小链轮以180 r/min的转速匀速运转，带动破冰滚筒旋转，可以得到刀具末端的运动位置曲线。刀具末端运动位置曲线图如图8所示，经检查，刀具末端距离周边零件的最小距离约为17.82 mm，不会发生干涉碰撞。9 破冰滚筒支撑轴Simulate分析该装置中的破冰滚筒在工作过程中的载荷较大，并通过其支撑轴传递给机架，因此将该装置支撑轴作为关键部件，进行了Simulate有限元分析。支撑轴材料设置为45号钢，支撑轴应力和位移云图如图9所示，局部产生的最大弯曲应力约为34.5 MPa，小于材料的许用弯曲应力250 MPa，其强度满足要求。图8刀具末端运动位置曲线图图9支撑轴的应力和位移云图10 结语综上所述，研究团队在对现有路面除冰雪机械进行研究的基础上，设计了一款适用于小区路面环境的除冰雪机械装置，通过破冰、清扫和集雪推送的联合作用，可完成小区路面压实冰雪的清除作业。底盘高低可以调节，执行机构可独立控制，破冰滚筒和清扫滚筒可以无级调速，适应性较好。整机外廓尺寸较小，经济性好，有利于减少机器工作时对交通的影响。此外，该装置采用纯电力驱动，噪声小，无废气排放，绿色环保，符合可持续发展的理念。参考文献：1 王晓丽.除雪抗凝冰技术发展现状及趋势 J.交通世界，2022(17)：65-67+70.2 郑召启.基于射流 振动复合结构的薄冰雪层除冰性能研究D.徐州：中国矿业大学，2020.3 田晋跃.国外道路除雪机械技术发展概况 J.专用汽车，2001(4)：43-44.（下转第175页）2023 年 5 月下175Agricultural Mechanization Synthetic Study农机化综合研究内化”改为在实体课堂上进行，利用师生之间和生生之间的面对面互动交流完成这一过程，充分发挥线下课堂的优点，优化教学效果。2.3 利用线上线下混合教学模式改进教学质量“农业机器运用管理学”是农业工程与信息技术专业硕士的核心课程，对培养学生综合运用农机专业知识、强化学生职业素质具有重要作用。随着新工科建设思想的提出，对高校课程教学提出了新的要求，淘汰“水课”、打造“金课”已成为高校课程改革的方向，而后者与前者相比，是教学质量相对高的课，更具高阶性、创新性与挑战性10。教学改革一方面要优化教学内容，另一方面应最大可能地激发学生的学习热情，才能起到好的教学效果。而线上线下混合教学模式正是充分发挥了线下实体课堂与线上虚拟课堂的优点。学生利用线上慕课资源自学课程基础知识点，同时教师线上答疑进一步完成基础知识点的教学。如农机作业系统的概念、农业机器运用原理、拖拉机动力性能及机组动力性能等基础内容可以制作慕课，学生自行线上观看教学视频并完成相关课程任务。而机械化作业工艺方案、具体作业中拖拉机的配备及速挡的选择，则可以根据实际案例在线下课堂教学中进行案例分析、小组讨论等。由“农业机器运用管理学”课程目标构建线上平台及教学资源，完善线上课程试验库，对学生在线学习过程中出现的个别问题可以线上解决，对于共性问题，可以通过线下课堂统一答疑。这样在学生线上学习的过程中，更容易发现学生反馈的学习难点，及时掌握学生学习情况，对线下课堂教学备课具有指导意义11。每学期结束后，根据线上课程平台记录的学生学习过程的数据以及学生在教学平台对相关课程的评价与反馈，进行综合分析和教学反思，实现对课程教学质量的持续改进。3 结语“农业机器运用管理学”是农业工程与信息技术专业硕士的一门专业课程，课程内容较多，实践性强，对专业基础知识要求较高，该专业硕士生源专业背景不同，为了达到更好的教学效果，运用慕课、翻转课堂及线上线下混合教学模式，可以将教学从传统的以教师为中心的课堂教学转变为以学生为中心的课前、课中、课后三阶段教学，使获取知识和技能的过程从时间和空间上得以延伸，提高了学生学习积极性和教学效果。参考文献：1 王显仁，师清翔，姬江涛，等.农业机械化管理 教学内容与方法探讨J.农业机械，2009(14)：84-86.2 刘占良，刘淑霞，高波，等.农机运用管理学课程教学体系研究J.河北农业大学学报（农林教育版），2001(3)：20-21.3 林健.面向未来的中国新工科建设 J.清华大学教育研究，2017，38(2)：26-35.4 刘富东.应用型大学翻转课堂有效教学实证研究J.辽宁科技学院学报，2022，24(2)：76-79.5 蔡琳.慕课背景下计算机类课程教学改革分析J.亚太教育，2022(3)：151-153.6 王海青.“以学生为中心”的教学理念在翻转课堂教学模式中的实施J.教育教学论坛，2019(30)：193-195.7 王文彦，孟凤英.基于思政课慕课的翻转课堂教学有效性探究J.教育教学论坛，2022(25)：136-139.8 刘伟.创新创业视角下“管理学”课程翻转课堂教学改革策略J.西部素质教育，2022，8(12)：121-123.9 陈卫.翻转课堂教学评价指标体系的构建J.阜阳职业技术学院学报，2022，33(2)：41-43.10 吴岩.建设中国“金课”J.中国大学教学，2018(12)：4-9.11 郑华林，李炳林，李本杰，等.线上线下混合“金课”教学模式研究与实践：以机械制造基础课程为例J.高教学刊，2022，8(21)：25-28.4 吴书琴，邵东伟，姜东华，等.城市道路除雪现状及未来发展方向J.佳木斯大学学报（自然科学版），2006(4)：556-558.5 孙潘罡，陈松，迟树廷.北方高寒地区高速公路和城市道路除冰雪机械的研究J.中国新技术新产品，2022(5)：108-111.6 李艳龙，徐朝阳，李文龙，等.多转子离心抛雪机的机械结构设计J.吉林化工学院学报，2020，37(1)：38-41.7 冯宁，孟愿，王克鹏，等.一种冰雪路面除冰机结构研究J.农机使用与维修，2020(1)：23-24.8 孙海朋.小型除冰机的结构设计及整机虚拟装配研究J.时代农机，2017，44(6)：72-73.9 李晓建，李彩霞，袁磊，等.小型清雪除冰机的研究设计J.机械研究与应用，2015，28(2)：107-108.10 牟艳秋，巴吾东.一种小型破冰除雪机的设计J.机械工程与自动化，2009(4)：103-105.11 李文峰.多功能清雪车碾压磙工作机理及参数优化研究D.长春：吉林大学，2009.（上接第136页）