小型手推式道路除冰机的设计

小型手推式道路除冰机的设计摘 要在冬天，路面经常被冰雪覆盖，路面积冰给人民的生活和生产带来了极大困扰。国内许多机械企业相继研发了除冰设备，但这些设备大部分是为了满足高速公路、机场等国家大型路政设施的清除冰雪工作，其工作效率高、外形大、价格高，但是并不能适用于一些小型街道和小区庭院。而现今在我国，能够清除这些小型环境下路面积冰的机械设备的研发课题几乎是空白。因此，研制具有小巧轻便、操作简单、适用于这种小型环境下使用的清除路面积冰的设备具有广阔的发展前景。本文介绍了现今国内外清除路面冰层的技术和机械设备，分析了国内除冰设备的缺陷和不足之处。针对此问题，结合小型街道和小区庭院等类似环境下的路面特点，提出了设计小型轻便、操作简单的除冰机的目标，并确定了总体设计方案，选用机械振动的方法清除路面积冰，振动的产生采用偏心块式振动机构。通过宏观的机械结构分析，完成了动力的选择，振动滚筒、机架、铲刀、带传动和轴系零部件的设计，最后完成了除冰机整机的设计，并利用AutoCad软件绘制出了零件图和装配图。结尾对设计进行总结，提出设计中存在的问题和不足，以及可改进之处。关键词： 路面冰层；除冰机；机械振动；偏心块 Design of small hand-push road de-icing machineAbstractIn winter, the road is often covered with snow and ice, the road surface ice has brought great trouble to peoples life and production. Many domestic machinery enterprises have been developed de-icing equipments, but most of these devices are to complete the ice and snow removal work of the freeway, airport and other large state road infrastructure, they have high efficiency, large shape and high price, but does not apply to some small streets and residential courtyards. Nowadays in our country, research and design topics of machine to removing road surface ice in these small environment is almost blank. Therefore, the design of de-icing equipments which is small, lightweight, simple, and apply to small environment has wide development prospect.The article introduces the current technology and machinery equipment of clearing road surface ice in country and overseas, analyzed the domestic de-icing equipment defects and inadequacies. Aiming at this problem, combined with the pavement characteristics of small street and residential courtyard and other similar environments, presents the design of small and lightweight, simple operation de-icing machine, and to determine the overall design scheme, chooses the method of mechanical vibration for the removal of road surface ice, the vibration is produced by the eccentric block vibration mechanism. Through macroscopic analysis of the mechanical structure, completed the power selection, and the design of vibrating roller, frame, blade, belt transmission and shaft parts, finally accomplished the deicing machine design, and draw the parts and assembly drawings by using AutoCAD software. At the end of the article were summarized of the design, proposed the existing problems and shortcomings, as well as improvements.Key words: road surface ice; de-icing machine; mechanical vibration; eccentric block目 录摘要Abstract1 绪论 11.1选题背景11.2除冰机相关技术及国内外研究现状11.2.1振动滚筒部件 11.2.2振动滚筒部件 11.2.3振动滚筒部件 21.3本设计的目的、意义和主要内容 32 结构设计 42.1支撑部分 42.2动力部分 42.3传动部分 42.4执行部分 42.4.1振动滚筒部件 42.4.2铲刀部件 43 零部件设计与校核63.1振动滚筒部件 63.1.1滚筒及凸台 63.1.2偏心端盖 63.1.3滚筒动臂 93.2机架部件 93.2.1动机架 93.2.2定机架 93.3动力选择 103.4铲刀部件 123.4.1铲刀轴 123.4.2铲刀座 123.4.3铲刀片 123.5带传动及其零部件 133.5.1带传动设计 133.5.2带轮设计 173.6轴系零部件 173.6.1传动轴设计及初选轴系标准件 173.6.2轴的强度校核 183.6.3轴承寿命计算 253.6.4键连接的强度校核 264 总结29参考文献致谢小型手推式道路除冰机的设计1 绪论1.1 选题背景我国幅员辽阔，气候类型复杂多变。到了冬季，70%以上的国土都会有不同程度的降雪，特别是东北、西北大部分地区，一年中冬季就有35个月之长，个别地区甚至会更长。到了冬季，相伴而来的便是低温和降雪，尤其是在大雪和雨夹雪的恶劣天气下，路面将会被大面积的积雪覆盖。路面上的积雪如果不能及时清除，经过行人的踩踏和车辆的碾压以及昼夜温度变化引起的融化再凝固过程，极易形成路面积冰。在这种路面上，不仅行人容易摔倒受伤，而且车辆行驶、制动困难，容易引发交通事故。例如2008年1月，我国南方许多省份发生了50年一遇的冰雪灾害，许多公路上冻结了一层几厘米至十数厘米厚的密实冰层，造成大面积、长时间的断水断电，公路交通中断、铁路停运、机场关闭，大量返乡人口长时间滞留，严重影响了人们的日常生活和工农业生产，给国家造成了巨大损失。1对于路面积冰这种问题，国内许多机械企业相继研发了除冰设备，但这些设备大部分是为了满足高速公路、机场等国家大型路政设施的清除冰雪工作，其工作效率高、外形大、价格高，但是并不能适用于一些小型街道和小区庭院。而现今在我国，能够清除这些小型环境下路面积冰的民用设备的研发课题几乎是空白。因此，针对小区街道等环境下路面的特点，研制具有小巧轻便、操作简单、适用于用于这种小型环境下使用的清除路面积冰的设备具有广阔的发展前景。1.2 除冰相关技术及国内外研究现状从世界范围来看，现今正在使用的清除道路积冰的方法主要有：化学清除法、人工清除法和机械清除法等。1.2.1 化学清除法 化学清除法是通过在路面上撒化学融雪剂来降低冰雪融点，使冰雪融化进而清除路面冰雪的方法（如图1-1）。该方法是国际上较常用的一种路面除冰雪的手段。使用最多的融雪剂是工业食盐氯化钠。2 但融雪剂会污染水源，对道路两旁的绿化带、农田带来很大危害，且会腐蚀道路桥梁等路政设施。所以，化学清除法在应用上还是受到了一定限制。1.2.2 人工清除法人工清除法主要是通过人利用简单的劳动工具（如：铁锹等）来完成清除道路冰雪的方法（如图1-2）。人工清除法是较早期的清除方法，通过人工清除路面上的冰雪非常彻底。但是，这种作业方法要花费的时间较长，劳动强度非常大，工作效率很低，并且需要相关部门动用大量的人力资源与物质资源。目前，人工除冰法仅适用于清除小范围和难点路段上的冰雪。 图1-1 化学清除法 图1-2 人工清除法1.2.3 机械清除法机械清除法是通过机械直接作用于路面冰雪，虽然除净率低，但是对环境及植被无污染，应用范围比较广。现有除冰设备大部分是利用机械清除法。（1） 国外道路除冰机械的现状35 国外使用除冰车已有数十年的历史，这些年的成功经验是值得我们学习与借鉴的。特别在一些发达国家，除冰雪设备早已进入自动化、专业化时代。 （a）除雪卡车 （b）除雪装载机 （c）除雪平地机 （d）防冻剂撒布车图1-3 日本道路清除冰雪机械机械清除法目前是国外主要使用的清除方法，清除冰雪机械主要使用行走主机的地盘进行扩展，主要利用的是非公路汽车、工程机械和农业机械等车辆的地盘。以非公路汽车的地盘作为扩展的初学机械，国外主要生产厂家有德国的DAIMLER-BENZ（奔驰）公司和VOLKSWAGEN（大众）公司、瑞士的MARCEL BOSCHUNG（波士雄）公司、英国的SCHMIDT（斯密德）公司等，具有代表的机型有Unimog、Multicar、Pony和SK150等。使用农用和工程车辆作为主机扩展的冰雪清除机械的主要生产厂家有瑞士STEYR（斯太尔）公司和美国S&S公司与美国BOBCAT（山猫）公司。该类机械设备多选用中小型内燃机，功率一般在20120kW。日本冰雪清除机械的技术处于世界领先地位，专门生产清雪车的厂家就有23家之多。产品有除雪卡车、除雪装载机、除雪平地机、防冻剂撒布车等等，如图1-3。（2）国内道路除冰机械的现状67我国通过近几年的技术引进，在除冰机械方面取得了迅速发展。现有的除冰机械按其工作原理可分为以下几种类型：振动式：主机液压系统驱动振动马达，带动偏心块的旋转，在离心力的作用下，使得振动轮沿圆周径向运动。对路面冰层来说，既有上、下方向的振动作用力，又有水平方向的揉搓作用力，使得振动轮表面的凸块切入并挤压冰层，致使冰层断裂破碎与地面剥离，达到除冰的目的。例如徐工集团徐州装载机厂生产的公路养护用滚轮式振动除冰设备。静碾压裂式：通过悬挂于装载机前端滚压轮上的组合刀片将冰层压碎。主要产品有：哈尔滨清朗除雪保洁设备厂生产的“雪狼一号”、吉林工业大学等单位联合开发的CB型碾压式处冰雪装置。柔性链条打击式：采用特制链条，前端安装吊环，在主机的驱动下，链条作高速旋转，对路面进行柔性抽打，从而获得破冰效果。铲剁式：由多刀刃组成的工作铲在曲轴的带动下上下运动，对路面冰层进行剁击，该机构采用柔性连接，实现了对路面高低不平的自动补偿。如辽宁省农业机械化研究所开发的CBX-1800型除冰雪机。我国的除冰雪机械虽然有了很大的发展，但总体水平与发达国家相比还有一定差距，外形大、功能单一、品种类型不全、可靠性低、寿命短是国内除冰机械存在的主要问题。1.3 本设计的目的、意义和主要内容纵观除雪破冰机械的发展现状，国内现有设备绝大部分价格都比较高，且功能单一，重量和外形都很大，这些设备大部分是为了满足高速公路、机场等国家大型路政设施的清除冰雪工作，而能够清除街道、小区、庭院等较小范围内路面积冰的民用除冰机械的研发课题几乎是空白。因此，针对小区街道等环境下路面的特点，研制具有小巧轻便、操作简单、适用于用于民用小范围环境下使用的清除路面积冰的设备具有广阔的发展前景。而本设计正是为了解决这样一个问题。本设计总体方案：破冰采用振动滚筒来实现，采用偏心块式振动机构，然后使用铲刀铲除。拟定最大除冰宽度为500mm，最大除冰厚度为40mm，并假设为平整路面。除冰机的行进由人力推动。破冰除冰装置可以升降以使机器在不工作时移动灵活。本设计将完成以下四方面的内容：（1）支撑部分，即支撑机架的设计；（2）动力部分，汽油内燃机的选用；（3）传动部分，带传动的设计，轴系零部件的设计校核；（4）执行部分，包括振动滚筒部件和铲刀部件的设计。2 结构设计本设计将要完成除冰机的整机设计工作，并利用AutoCAD软件完成零件图和整机装配图的绘制。机器整体结构如图2-1：图2-1 整机结构图设计工作主要包括四个部分：支撑部分、动力部分、传动部分和执行部分，下面将对分析各个部分的主要功用，并且进行初步的结构设计。2.1 支撑部分支撑机架是除冰机的基础部件，承受机器工作过程中主要的动静载荷和冲击振动，支持其他零部件并保证其相对位置。在除冰机的设计中，其执行部分主要有滚筒部件和铲刀部件，机架的作用是支撑并固定以上两部件，使其能够正常工作。因为滚筒部件和铲刀部件以及汽油机安装在机架上，为了实现机器执行部分的上下移动，并考虑到非工作状态时机器移动的灵活性，在除冰机的机架设计中，将机架部件分为两大部分，即定机架和动机架。机器的动力和执行部分均安装在动机架上，而供机器移动前行的脚轮安装在定机架上，两机架间用连杆和滑道连接支撑，也凭借连杆实现动机架的升降，亦即执行机构的升降。2.2动力部分因为除冰机是移动机械，考虑到室外能量供应的条件限制，将把动力选择为汽油内燃机，具体计算过程见零件设计有关内容。2.3传动部分根据除冰机的机架结构，滚筒轴、中间轴和铲刀轴的空间分布情况，将传动均选为V带传动。具体设计过程见零件设计有关内容。82.4执行部分2.4.1振动滚筒部件振动滚筒部件为清除路面冰层的主要部件，也为本设计中的重要部分。滚筒部件主要包括振动滚筒、偏心端盖、滚筒轴和滚筒动臂。910滚筒部件的工作原理是：汽油机通过带传动将运动和动力先后传递到滚筒轴、偏心端盖和滚筒，通过偏心端盖的旋转产生振动离心力，离心力通过螺栓传递到滚筒上，这样实现对路面冰层的冲击碾压，使冰块从路面上剥离。滚筒动臂连接机架和滚筒，和机架配合实现振动的止动功能以免损伤路面。滚筒部件的详细设计计算见零件设计中有关内容。2.4.2 铲刀部件铲刀部件的设计在除冰机的设计中是一个特殊部分。经过设计计算，理想状态下，振动滚筒可将最大厚度为40mm的路面积冰层完全振碎并使其剥离地面，但实际状况并不如此，因此另设计此铲刀部件。在实际条件下，铲刀部件的功用应该是铲除滚筒没有从路面上剥离的冰块，但局限于毕业设计的时间和条件并考虑到毕业设计的性质，只得将设计条件取为“在理想状况下”，意即除冰滚筒可以完全将冰层振碎并从路面剥离，而铲刀作为除冰执行机构的额外补充部件。在这种理想条件下，铲刀的主要功能为铲除振动滚筒从路面上振碎剥离的冰块，这种功能类似于排冰铲，将碎冰排到一侧。所以本设计中此铲刀部件不承受载荷，而且铲刀部件的传动只传递运动，并不传递扭矩。由于此部件的特殊性，故在进行零件设计时将只进行外形尺寸的设计，尺寸稍取盈余以满足实际需求，并不对零件进行强度校核。兹着重说明。3 零部件设计与校核3.1 振动滚筒部件3.1.1 滚筒及凸台 滚筒的功能是将路面上的冰层刮去。为了防止滚筒上的凸台除冰时损伤路面，将除冰滚筒装在除冰机的动臂上，并在机架上设计有止动结构，这样从结构上保证除冰滚筒仅仅是被除冰机的动臂托着贴近实际路面，并不直接压在路面上。由于除冰滚筒要安在除冰机的动臂上，按照此处的安装空间，将除冰滚筒的外形尺寸定为：宽度mm，直径mm。设计除冰机的目的，不仅是将路面上的积冰压碎，而是将其破碎并从路面上剥离。因此，仅是一个圆滚筒是不可能实现的。为了提高除冰滚筒对路面冰层的破碎和剥离能力，在滚筒圆周方向交错安装除冰凸台。根据文献1和文献11，设计出凸台形状，如图3-1a所示。考虑到凸台的工作环境以及凸台应有良好的耐冲击性、耐磨性和韧性等要求，材料选为中碳钢整体铸造而成。为了提高除冰效果，将凸台排与排沿滚筒圆周交错布置，沿圆周分布24行。滚筒的整体外形如图3-1b。 （a）凸台断面图 （b）滚筒外形图图3-1 除冰滚筒3.1.2 偏心端盖的设计偏心块是实现滚筒振动的最主要部件，振动除冰机清除路面积冰就是依靠偏心块的旋转运动所产生的离心力协同滚筒上面的刀具共同作用于路面冰层实现的，考虑到本设计要求零件尺寸较小，故而把偏心块整合到滚筒端盖上，本节进行偏心端盖的设计计算。图3-2所示为三种常见偏心块的结构图。半圆偏心块的面积和偏心距的计算，依据文献1213，偏心块的截面面积的计算 （a）多半圆偏心块 （b）少半圆偏心块 （c）整半圆偏心块图3-2 偏心块的结构形式式为：(3.1)偏心距的计算式为：(3.2)式中： 偏心块大圆弧长，； 偏心块小圆弧长，； 大圆弧半中心角，； 小圆弧半中心角，。偏心块截面面积的计算式(3.1)中，第二项及、计算式中的正负号，正号用于多半圆偏心块（见图3-2a）计算，负号用于少半圆偏心块（见图3-2b）计算。当时，则为整半圆偏心块（见图3-2c），此时，。考虑到a、b、c三种方案的振动效果、强度和制造工艺以及与端盖的融合，最后决定偏心块结构的最终方案为图3-2c的形式。将，代入式(3.1)和(3.2)，得：(3.3) (3.4) 偏心块的质量和激振力（离心力）为：(3.5)(3.6) 式中： 偏心块的材料密度，kg/m3； 偏心块的厚度，m； 偏心块的静偏心距，N/m； 偏心块的角速度，rad/s。 而滚筒的起振力为：(3.7)式中： 滚筒和端盖的重力，N，其中是 滚筒和偏心端盖的总质量，经Pro/ENGINEER软件计算得出。 克服减震器所需要的力。依据实验数据，并考虑到滚筒自身重量和滚筒内部尺寸，必须使偏心块的激振力满足滚筒所需要的起振力N。经过对偏心块各部分结构尺寸的调整，并根据花键的规格，初步确定偏心块的结构尺寸为：mm，mm，mm，厚度mm，材料为铸钢45调制处理。把偏心块与端盖融合，共同设计出偏心端盖，如图3-3，图中凸起部分即偏心块，符合以上尺寸。将以上各参数带入式(3.3)式(3.6)中，经过计算可得偏心块的面积mm2，偏心距mm，质量kg，离心力N。在除冰机工作过程中，当偏心块的转速达到额定转速600r/min时，两个偏心块对滚筒共同作用的离心力N，其值大于滚筒的起振力，故满足起振需求。图3.1-3 偏心端盖3.1.3 滚筒动臂滚筒动臂把滚筒和机架连接到一起，支撑紧固滚筒轴以满足滚筒的工作要求，承受滚筒的振动力，并和机架配合实现滚筒振动的止动以免振动力损伤路面。考虑带传动的中心距和安装要求，经过几何计算，设计滚筒动臂如图3-4。图3-4 滚筒动臂（分开） 3.2 机架部件机架是除冰机的基础部件，承受机器工作过程中主要的动静载荷和冲击振动，支持其他零部件并保证其相对位置。在除冰机的设计中，其执行部分主要有滚筒部件和铲刀部件，机架的作用是支撑并固定以上两部件，使其能够正常工作。14因为滚筒部件和铲刀部件以及汽油机安装在机架上，为了实现机器执行部分的上下移动，并考虑到非工作状态时机器移动的灵活性，在除冰机的机架设计中，将机架部件分为两大部分，即定机架和动机架。机器的动力和执行部分均安装在动机架上，而供机器移动前行的脚轮安装在定机架上，两机架间用连杆和滑道连接支撑以实现动机架的升降，亦即执行机构的升降。3.2.1 动机架动机架的功用是支撑机器的动力部分、传动部分和执行部分，实现机器主要零部件的定位和固定，其材料选用HT200。考虑到汽油机的安装、滚筒部件、铲刀部件的尺寸，以及与定机架之间的连接固定等方面，综合设计出动机架的结构，如图3-5。需要说明的是，为了保证除冰滚筒不致破坏路面，经过详细几何计算，在动机架上设计出滚筒动臂的止动滑道，详见设计图纸。3.2.2 定机架定机架的功用是支撑除定机架外的整个机器重量，并在其上安装脚轮以实现机器的移动前行。定机架采用HT200整体铸造而成，机架滑道焊接在机架上，脚轮座使用螺栓固定在定机架上。两机架用连杆连接，在机器工作时，用螺柱加蝶形螺母并环形紧固件把动机架定位紧固在定机架上。图3-6所示为机架滑道焊接在定机架上的部件图，后方滑道上的螺栓孔用于连接机架推杆。另外，定机架的设计中还要进行支撑脚轮的选择： 通过几何计算，选定前轮为车轮直径50mm，额定载荷为D级的定向平板型工业脚轮GB/T 14688-1993 DP13D-5025，后轮为车轮直径50mm，额定载荷为D级的万向平板型工业脚轮GB/T 14688-1993 WP13D-5025。图3-5 动机架图3-6 定机架3.3 动力选择根据文献1有关实验内容知，当刀具宽度为107mm，振动频率为10Hz，破碎厚度为40mm的冰层所需要的平均振动破冰力为680N。根据以上数据进行凸台刀具除冰的受力分析：当除冰滚筒的凸台刀具单列接触冰层时，所需的除冰力最小，如图3-7a所示；当除冰滚筒的凸台刀具双列接触冰层时，所需的除冰力最大，如图3-7b所示。这两种情况需要分开讨论计算：（1） 单列刀具接触冰层时 刀具与冰层的接触长度为250mm，根据文献1的实验数据，在理想情况下，此时需要的破冰力为：N（2） 双列刀具接触冰层时刀具与冰层的接触长度为500mm，此时需要的破冰力为： (a)单列刀具接触冰层 (b)双列刀具接触冰层图3-7 凸台刀具接触冰层示意图N双列刀具接触冰层时所需的破冰力较大，如果满足这种情况将会需要很大动力但双列刀具接触冰层的概率很低，大部分情况下滚筒与冰层是单列刀具接触，故而仅需满足单列刀具接触冰层的情况即可。在这种情况下，所需破冰力N。又由3.6.2轴的强度校核中有关计算可知偏心块的离心力与滚筒、端盖的重力之和N，因为刀具切线与水平面间夹角。将在水平方向分解分解：N则需要由动力机提供的力：N根据功率计算公式把各数据代入计算：kW 通过在宗申集团网站和华盛中天集团网站上查询通用汽油机的参数，把动力确定为160F水平轴汽油机。其主要参数见图3-8。 图3-8 160F汽油机主要参数3.4 铲刀部件前已在2.4.2中对此部件的特殊性进行了叙述，在此处进行零件设计时只进行外形尺寸的设计，尺寸稍取盈余以满足实际需求，将不对零件进行强度校核。此处再次说明，下文不再重复。3.4.1 铲刀轴本设计中将铲刀轴设计成方轴，以连接铲刀座、铲刀片并传递旋转运动。铲刀轴外形如图3-9所示。图3-9 铲刀轴3.4.2 铲刀座铲刀座连接紧固铲刀轴和铲刀片，传递旋转运动。在铲刀座上开出燕尾槽用来实现铲刀片的定位，用螺栓紧固。铲刀座材料选为工程塑料聚甲醛POM，其外形如图3-10所示。图3-10 铲刀座3.4.3 铲刀片铲刀片材料选为工程塑料聚甲醛POM，外形如图3-11所示。图3-11 铲刀片3.5 带传动及其零部件设计根据除冰机的机架结构，滚筒轴、中间轴和铲刀轴的空间分布情况，传递功率较大而零件尺寸有一定限制的实际条件，将传动均选为V带传动，V带定为窄V带。3.5.1带传动设计3.5.1.1 轴与轴之间带传动设计 已知：轴输出功率kW，转速r/min，轴转速r/min。15 （1）确定计算功率和V带截型 1）由于汽油机为单缸，所以为重载启动，除冰机载荷变动较大，查表选定工况系数，故： kW 2）V带截型。根据和小带轮的转速r/min查图选择SPZ型。 （2）确定带轮直径和 1）选小带轮直径。查表选为mm。 2）验算带速。m/s(3.8)因为5m/s<<30m/s,故带速合适。 3）确定从动轮直径。 mm(3.9)查表取标准值mm。 4）计算实际传动比。=250/80=3.125(3.10) （3） 确定中心距及V带基准长度 1）初定中心距。由式：0.7() 2()(3.11)得，231660，取=300mm。 2）计算V带基准长度。 (3.12) = =1142.2mm查表取标准值mm 3）计算实际中心距。 (3.13) =300+(1120-1142.2)/2 =290mm计算得中心距的变化范围为286300mm。 （4）验算包角 (3.14) （5）确定V带根数z 1）单根V带的额定功率。 由mm和r/min，查表得=3.06kW。 2）查表得各功率增量 额定功率增量kW； 包角修正系数0.91； 带长修正系数0.93。 3）确定V带根数z (3.15) 取z=2根。 （6） 计算单根V带的初拉力 由表查得SPZ型带的单位长度质量kg/m，所以 (3.16) N应使带的实际初拉力 （7） 计算压轴力 压轴力的最小值为N(3.17)3.5.1.2 轴与轴之间带传动设计 已知：轴输出功率kW，转速r/min，轴转速r/min。 （1）确定计算功率和V带截型 1）由于汽油机为单缸，所以为重载启动，除冰机载荷变动较大，查表选定工况系数，故： kW 2）V带截型。根据和小带轮的转速r/min查图选择SPZ型。 （2）确定带轮直径和 1）选小带轮直径。查表选为mm。 2）验算带速。将各参数代入式(3.8)得m/s，因为5m/s<<30m/s,故带速合适。 3）确定从动轮直径。由式(3.9)得mm，恰为标准值。 4）计算实际传动比。由式(3.10)得。 （3） 确定中心距及V带基准长度 1）初定中心距。由式(3.11)得：189 540取=400mm。 2）计算V带基准长度。由式(3.12)得mm，查表取标准值mm。 3）计算实际中心距。由式(3.13)得mm，并由计算得中心距的变化范围为408428mm。 （4）验算包角 由式(3.14)得，包角满足要求。 （5）确定V带根数z 1）单根V带的额定功率。 由mm和r/min，查表得=1.90kW。 2）查表得各功率增量。 额定功率增量kW； 包角修正系数0.98； 带长修正系数0.93。 3）确定V带根数z。由式(3.15)得，取 根。 （6） 计算单根V带的初拉力 由前述已知kg/m，所以由式(3.16)得N，应使带的实际初拉力。 （7） 计算压轴力压轴力的最小值由式(3.17)得N。3.5.1.3 轴与轴之间带传动设计 由2.4.2铲刀部件结构设计中有关说明，此传动在理想条件下只传递运动，不传递动力，故仅对带传动作部分计算。 已知：轴转速r/min，轴转速r/min。 （1）确定V带截型。查图选择SPZ型。 （2）确定带轮直径 因为mm，且经过验算，带速满足要求，以此确定从动轮直径，由式(3.9)得mm，恰好为标准值。 （3） 确定中心距及V带基准长度 1）初定中心距。由式(3.11)：知168480，结合几何计算，取=330mm。 2）计算V带基准长度。由式(3.12)得，查表取标准值mm。 3）计算实际中心距。由式(3.13)得，计算得中心距的变化范围为305320mm。（4）验算包角。由式(3.14)得，满足设计要求。 （5）确定V带根数z。确定根数根。3.5.2带轮设计通过查表计算，将带轮定为实心式，带轮定为四孔板式，带轮定为实心式，带轮定为腹板式，带轮定为腹板式。3.6 轴系零部件3.6.1 传动轴设计及初选轴系标准件 （1）计算各轴的传递功率1617查表得V带传动效率：0.950.96；滚动轴承传动效率2：0.980.99。轴（中间轴）：kW 轴（滚筒轴）：kW （2）传动轴直径估算轴的材料均采用45钢调质处理，由初估轴颈公式： (3.18)其中，根据轴的材料查表取，为各轴的输入功率，为各轴的相应计算转速。轴上有一键槽时，值相应增大5%；花键轴可将估算值的值减少7%作为花键轴小径。 由已知数据，代入式(3.18)可得：轴：mm由于所求应该为受扭部分的最细处，即装带轮处的轴径，该处各有一个键槽，故轴径应该增大10%。即mm，参考滚动轴承和密封毡圈的规格标准，把最小轴颈取为mm，选用深沟球轴承6206，圆头平键规格6mm6mm28mm和6mm6mm18mm，毡圈内径选为25。18轴：mm考虑到此轴需要承受振动力，且有花键联接，故将轴颈增大，参考花键和滚动轴承的规格标准，将最小轴颈即联接V带轮处轴颈定为mm，选用圆柱滚子轴承NUP207E，圆头平键规格8mm7mm28mm，花键选为中系列836mm42mm7mm，毡圈内径选为30。（3）传动轴结构设计。详见图纸。3.6.2 轴的强度校核 （1）轴的校核 汽油机输出轴（轴）与轴之间带轮传动对轴的压轴力和滚筒轴（轴）与轴之间带轮传动对轴的压轴力在侧面上的分布如图3-12：图3-12 轴带轮传动压轴力分布 1）扭矩及压轴力的计算 传递的扭矩 Nmm 压轴力N，将其正交分解得： N N 压轴力N，将其正交分解得： N N 2）计算其上支反力作出空间受力简图，如图3-13a。轴所受的载荷是从轴上零件传来的，计算时，将轴上的分布载荷简化为集中力，作用点取为载荷分布段的中点。水平面内：且，即： 解得N，N，方向如图3-13a；垂直面内：且，即： 解得N，N，方向如图3-13a。3）作出弯矩图根据空间受力简图，分别按垂直面和水平面计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别作出垂直面上的弯矩图（图3-13b）和水平面上的弯矩图（图3-13c）；然后按式(3.19)计算总弯矩并作出合成弯矩图（图3-13d）。(3.19)4）作出扭矩图上文已计算出扭矩：NmmNm扭矩图如图3-13e所示。5）校核轴的强度根据当量弯矩公式：(3.20)图3-13 轴的载荷分析图因为轴单向回转，扭转切应力为脉动循环变应力，取。由计算作出当量弯矩图（如图3-13f）。 由当量弯矩图可以看出，最大危险处为B点处，其当量弯矩： 121NmB点处联接滚动轴承，其抗弯截面系数：(3.21) 弯曲应力：MPa前已选定轴的材料为45号钢，调制处理，查表得，因此，故轴的强度足够。 （2）轴的校核在除冰机工作过程中，滚筒部件旋转施加在轴的力是循环变化的，滚筒旋转对轴的作用力是由两部分组成的。其一是偏心端盖旋转时产生的离心力，另一个为滚筒及偏心端盖的重力，因为滚筒和端盖质量较大，且除冰机工作很大程度上依靠滚筒及端盖的重力，所以校核轴的强度时，此二者的重力要计算在内。偏心端盖在旋转过程中施加在轴上的力如图3-14所示。当偏心端盖旋转到轴的正下方，即在图中P点时，轴受到的力最大，为滚筒和端盖的重力和两个偏心端盖旋转产生的离心力之和。所以校核轴强度时要使其满足图3-14所示情况下的受力情况。图3-14 轴的受力图 1）扭矩及力的计算 传递的扭矩： Nmm压轴力计算：由3.5.1带传动设计可知，N，由图3-12将其正交分解得： N N 滚筒和偏心端盖重力计算： 由Pro/ENGINEER软件计算知，滚筒质量kg，偏心端盖质量kg，则轴上每个花键出所受的重力为：N偏心端盖旋转产生的离心力：由3.1.2偏心端盖的设计计算得离心力N。 2）计算其上支反力 作出空间受力简图，如图3-15a。垂直面内：且，即： 解得N，N，方向如图3-15a；水平面内：且，即： 解得N，N，方向如图3-15a。 3）作出弯矩图根据空间受力简图，分别按垂直面和水平面计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别作出垂直面上的弯矩图（图3-15b）和水平面上的弯矩图（图3-15c）；然后按式(3.19)计算总弯矩并作出合成弯矩图（图3-15d）。 4）作出扭矩图上文已计算出扭矩：NmmNm扭矩从V带轮传递到轴上，再通过两个花键联接传递到端盖和滚筒上，此处作近似计算，扭矩通过一个花键后减半，在传递到第二个花键。由此作出扭矩图如图3-15e所示。5）校核轴的强度根据式(3.20)，因为轴单向回转，扭转切应力为脉动循环变应力，取。由计算作出当量弯矩图（如图3-15f）。由当量弯矩图可以看出，最大危险处为B点处和C点处。对于B点截面：B点处联接滚动轴承，为整圆截面，其抗弯截面系数根据式(3.21)计算。而当量弯矩根据式(3.20)： Nm 弯曲应力：MPa轴的材料为45号钢，调制处理，查表得，因此，故轴在B点处的强度足够。对于C点截面：C点处为花键联接，花键规格为，取花键的平均直径代入式(3.21)计算其抗弯截面系数。(3.22)式中：花键小径 花键大径当量弯矩根据式(3.20)：Nm 则弯曲应力：MPa轴的材料为45号钢调制处理，因此，故轴在C点处的强度足够。经过计算校核，轴上危险截面B处和C处强度均满足要求，则其他截面无需校核，可知轴强度满足设计需求。图3-15 轴的载荷分析图3.6.3 轴承寿命计算 查表知，除冰机属于间断使用的设备，且中断使用不致引起严重后果，此种设备的轴承推荐使用寿命为30008000h。故轴承寿命校核需满足该数据。轴承寿命校核根据公式：(3.23)式中：轴承基本额定寿命，h； 温度系数； 轴承的基本额定动载荷，N； 轴承当量动载荷，N； 指数，对于球轴承，对于滚子轴承，。（1） 轴轴承校核 轴转速r/min，轴承选用深沟球轴承6206，对其进行校核：轴承的受力由图3-13a知N，N，N，N。则B点处轴承径向载荷：N C点处轴承径向载荷：N因为轴承不承受轴向载荷，则轴承当量动载荷的计算根据公式：(3.24)式中：载荷系数； 径向动荷载 因为,故按B点处轴承计算轴承寿命，虽然除冰机会有一定冲击力，但轴上的轴承并不承受冲击力，故查表取，则根据式(3.24)：N 由于工作温度低于120，查表得；差表得深沟球轴承6206的径向额定动荷载C=19500N。由以上数据代入式(3.23)可求得： hh所以轴上轴承6206寿命满足使用要求。（2）轴轴承校核轴转速r/min，轴承选用圆柱滚子轴承NUP207E，对其进行校核：轴承的受力由3-15a知N，N，N，N。则B点处轴承径向载荷：N E点处轴承径向载荷：N 因为，故按B点处轴承计算轴承寿命。轴上的轴承承受除冰冲击力，查表取，则根据式(3.24)：N 由于工作温度低于120，查表得；差表得圆柱滚子轴承NUP207E的径向额定动荷载N。由以上数据代入式(3.23)可求得： hh所以轴上轴承NUP207E寿命满足使用要求。3.6.4键连接的强度校核轴上的花键规格选为中系列836mm42mm7mm，工作长度为50mm；平键均选为圆头普通平键（A型键），如表3-1：（1）平键连接强度计算假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键连接的强度条件为：(3.25)式中：传递的转矩，Nmm； 键与轮毂键槽的接触高度，此处为键的高度，mm； 键的工作长度，mm，圆头平键，为键的公称长度，mm；为键的 宽度，mm； 轴的直径，mm； 键、轴、毂三者中最弱材料的许用挤压应力，MPa。表3-1 平键的选择键的位置型号尺寸b(mm)h(mm)L(mm)V带轮6636V带轮6618V带轮6628V带轮8728V带轮6618 1）V带轮处平键6636： 传递的转矩Nmm，又有mm，mm，mm，因为V带轮材料为铸铁，查表得MPa，代入式(3.25)有：由此可知此处键连接强度符合要求。2）V带轮处平键6618：此键传递的转矩由3.6.2轴的强度校核中有关计算知Nmm，又有mm，mm，mm，因为V带轮材料为铸钢，查表得MPa，代入式(3.25)有：由此可知此处键连接强度符合要求。3）V带轮处平键8728：此键传递的转矩同V带轮处平键传递的转矩，Nmm，又有mm，mm，mm，因为V带轮材料为铸铁，查表得MPa，代入式(3.25)有：由此可知此处键连接强度符合要求。4）V带轮处平键8728：此键传递的转矩由3.6.2轴的校核中有关计算知Nmm，又有mm，mm，mm，因为V带轮材料为铸钢，且此处有冲击，查表得MPa，代入式(3.25)有：可知此处键连接强度符合要求。（2）花键连接强度计算花键连接的强度条件为：(3.26)式中：载荷分配不均系数，与齿数多少有关，一般取； 花键的齿数； 齿的工作长度，mm； 花键齿侧面的工作高度，矩形花键，此处为外花键的大径， 为内花键的小径，为倒角尺寸，单位均为mm； 花键的平均直径，矩形花键，mm； 花键连接的许用挤压应力，MPa。花键传递的转矩同V带轮处平键传递的转矩，Nmm；又有，mm，mm，mm，并取；花键材料为钢，且经表面热处理，但因为设备受冲击力，故使用情况选为“不良”，查表得MPa，代入式(3.26)有：由此可知花键连接强度符合要求。以上内容完成了振动滚筒部件、机架部件、铲刀部件、带传动及其零部件的设计，轴系零部件的设计和校核以及动力机的选择。同时已借助AutoCAD软件完成了零件图和装配图的绘制，各零件的结构和尺寸详见图纸。19204 总结本文对小型手推式道路除冰机进行了设计和校核，所做设计工作及相关结论如下：（1） 完成了除冰执行部分的设计。执行部分为本设计中的主要部分，包括振动滚筒部件和铲刀部件。在设计偏心块振动机构时，将偏心块和滚筒端盖整合到一起，直接进行了偏心端盖的设计，节省了空间和工作量，减小了机器尺寸。铲刀部件为执行机构的额外补充部件，本设计中将整体的铲刀分开，分别设计出铲刀轴、铲刀座和铲刀片，并将后两者的材料选为工程塑料，改善了结构特性，减小了整机质量。（2） 完成了支撑部分的设计。将机架分为动机架和定机架，定机架负责支撑和移动，动机架负责连接和紧固其他部件。动机架可以上下升降以使机器在非工作状态下移动灵活。（3） 完成了动力的计算选择。分别说明并计算了滚筒凸台刀具接触冰层的两种情况，结合振动离心力计算出所需扭矩和功率，考虑到铲刀部件，对此功率