小型路面扫雪机的结构设计论文-学位论文.doc

济南大学泉城学院毕业设计1 前言1.1 选题的意义中国有句古话叫做“瑞雪兆丰年，冬季一场大雪能带来明年的好收成.但是积雪给城市交通带来巨大的麻烦，尤其是我国的北方地区。我国北方气候寒冷、冬季时间较长，降雪量较大，常会引起塞车、交通事故、行人摔伤等一系列问题，我们的环卫工作人员在大雪后忙于清除主干道等主要路面的积雪，而对于一些非大型机械车辆行驶的路面很难及时的清理，对过往的路人很不方便。尤其是在一些校园，厂矿企业或居民小区内的小型路面积雪得不到相关部门的及时清除，来往的路人很不方便，甚至出现意外事故，给人们的户外生活带来不便。目前我国对于较窄路面的清雪方式仍然是依靠人力，用铁锹和扫帚等工具将积雪清理， 清雪效率较低，所以，我们准备设计这种针对小型路面除雪的小型机械，提高积雪的清扫效率，为过往的行人带来方便，同时减少了不必要的事故发生，能在大雪后为紧张的环卫部门减轻了一定的压力。1.2 国内外研究现状 扫除冰雪机械在国外已有几十年的历史，其技术先进，现在已经有成型产品在广泛应用。现在，清雪机械的发展迅速，已经在市场上流通的清雪机主要有铲刮式除雪机系列，抛扬式除雪机系列，刷扫式扫雪机系列，击振式破冰除雪机系列等，但仍以大型车辆带动清雪装置实现清理积雪的任务。虽然它们整机性能稳定，但是造价都很高，并且不适合学校、单位等住宅小区内路面的清雪工作。现在市场上的扫雪机按工作方法来分主要有两种类型：第一种为抛雪式扫雪机。它利用高速旋转的叶片将雪旋进扫雪机，再沿导管抛运到车上的储雪箱中。这冲机器最突出的特点是：宽幅、高效、采用大功率主机，在北欧国家使用较广。第二种是先将积雪收集，再利用输送带向后传送、装车。这种机器在俄罗斯较常见。目前国内有几家单位正在进行扫除冰雪机械和扫雪机的研发，产品已进入市场。1.3本文主要任务 根据目前已有的清雪设备设计出一种适用于学校、社区、工厂的小型清雪装置，能实现集雪、运雪抛雪功能.要进行合理的方案论证和结构设计，并对主要零件进行设计计算校核。(1)根据国内外资料进行方案设计，进行比较优化，从中选出最优方案。(2)具体进行各个工作部分的设计，确定其基本尺寸，安装方式。 2扫雪机设计方案分析比较2.1总体方案的几种组合及比较 方案一:利用吹风的方式，从鼓风机里吹出的高速气流将积雪吹到路边，吹雪式清雪车运行速度较高，有很高的生产率，但它只适用于新鲜雪，对于压实的积雪或冰层无能为力，只能在机场、桥梁和高速路上应用，成本很高，不适合开发小型产品。 方案二:利用一个置于清雪车前部的铲子，随着清雪车的不断前进，将积雪推至路的一边。推移式清雪车只能将积雪推到路边，不具备集雪能力，且只适用于新鲜雪或破碎后的压实雪，效率较低，容易划伤地面。 方案三:利用机械传动的方式，由集雪器先将积雪搅碎，并输送至一个高速旋转的叶轮，将其抛到路边。螺旋转子式清雪车适用范围广，无论是松散雪、压实雪清雪效果和效率要比前两方案好，而且这种方案设计，设计出的产品体积小、成本低，适用于道路窄的地方。因此选用第三种方案。2.2小型清雪车工作原理简述2.2.1基本结构 目前小型机械式清雪车主要由原动机、传动装置、集雪装置、抛雪装置、行走系统和操作系统组成。原动机可以采用电机或发动机，目前大多采用汽油机或柴油机；集雪装置用来收集积雪，主要采用推雪铲或螺旋状搅龙；抛雪装置是将收集的积雪抛到路的一侧或收集装置中。主要的方式有抛雪叶轮和鼓风机两种。行走装置是来实现机器的前进，有手推式和自走式两种;操作装置主要控制设备的运转。2.2.2工作原理 工作时原动机提供动力，经带传动到行走系统和工作部分。积雪由集雪装置收集到一个腔体内，再由抛雪装置清除出机体内，抛雪叶轮利用高速旋转时的离心力将积雪抛出。这样在原动机的带动下，清雪车不断的前行，能实现连续的清除积雪。小型机械清雪机的结构示意图如下：积雪集雪装置抛雪装置动力机传动装置行 走 装 置 图2.1扫雪机的结构示意图2.3 原动机的选择和具体的实施方式2.3.1原动机的选择 由于本清雪机主要用于室外的小型路面，所以动力机体积不能太大且不适用电动机，我们选用的是微型汽油机。本课题的设计需求大约是每小时扫雪量为1000 ,以积雪密度250kg/m,积雪厚度以20cm计算，每小时的扫雪量为： 在抛雪叶轮的作用下，抛雪扬程为3m,那么雪排出的初速度为4m/s,7.5×10kg×10N/kg×4m/s÷3600=833w集雪搅龙在积雪的作用下阻力为20N,那么集雪搅龙消耗的功率为: 其中lOr/s是搅龙转速。估计整机重量为200kg，与路面的摩擦系数取0.2，前进速度约为lm/s,那么前进 消耗的功率为:200×10×0.2=400w 整机消耗的功率为:834w+1320w+400w=2554w根据以上数据分析以及考虑到功率的磨损等消耗，选用了凯马KM170F柴油机 型号KM 170F型式单缸 立式 风冷 四冲程柴油机排量（ml）211发动机转速（r/min）3600/3000燃油推荐0号或10号柴油机油容量（l）2.5启动方式反冲手拉启动重量（kg）26外形尺寸（mm）332×348×416机油型号SAE10W30(CC级以上) 表2.1 KM 170F 柴油机参数 2.3.2传动方式的选择首先是由一个传动带将柴油机的动力传给一动力轴， 经过一个锥齿轮和带传动分别将动力传给抛雪叶轮和搅雪轮。结构简图如下： 图 2.2 小型清雪机得传动原理图1.搅雪轮 2.聚雪斗 3.抛雪筒 4.抛雪轮 5.动力机 6.带传动7.减速器 8.链传动 9.变速器 10.锥齿轮 11.行走轮2.3.3集雪装置的设计 本设计采用的是带状螺旋集雪轮，这样的设计能对积雪有很好的破碎作用，不至于发生堵塞的情况。基本机构如下：以上形式的集雪装置将切雪，碎雪，集雪，运雪几大功能于一身，具有很好的效果。左右两边的绞龙旋向正好相反，将两边的雪集中到中央，传递到抛雪轮下，在抛雪轮的高速旋转下将雪抛出。3小型清雪机的设计计算和校核3.1带传动计算 （1）确定工作的功率由于清雪机的整体载荷变化不大，所以我们取系数 K=1.0 则 P =KP=1.0×3.6KW=3.6KW公式中：p为计算功率，单位为 kw k为工作情况系数 p为传动的额定功率（2）选择带型由于p=3.6kw ,小带轮转速为3600r/min,选择A型带。（3） 确定带轮的基准直径 d,d1）初选小带轮的基准直径。经过查表选取小带轮的基准直径为 d=80mm,2）确定大带轮的基准直径 d=80×1.8=144mm 查表选择大带轮的基准直径为140mm（4）验算带速 V=3.14dn=3.14×0.08×60r/s=15m/s35m/s （5）确定中心距a和带的基准长度 L根据公式 0.7（dd）a2（dd）得154mma440mm 初步确定中心距300mm,基准长度L=949.3mm取基准长度为 L=900mm实际中心距则为 a=a=276mm（6）验算主动轮上的包角=180××57.3=167.5120 所选择的包角符合标准。 （7） 计算带的根数z 计算带的根数的公式为 Z= 由d=90mm,转速n=3600r/min 查表得p=1.64kw。 根据n=3600r/min i=1.8 和A型带 查表的=0.5kw 查表的 k=0.98, k=0.87. 于是 p=(1.64+0.5)×0.98×0.87=1.824 Z=1.972取 z=2 备注： k 考虑包角不同时的影响系数 K 考虑带的长度不同的时候的影响系数 P 单根A带的基本额定功率 计入传动比的影响时，单根A型带额定功率的增量（8）确定单根v带的初拉力的最小值f 经查表的单根A型带的单位长度质量为0.1kg/m,所以 （f）=500+qv=500×0.1×15 =122.3N 应使带的实际初拉力F(F)（9）计算压轴力 F 压轴力的最小值为 （ F）=2z（f）sin=2×2×122.3×sin=486.3N公式中 z 带的根数 F单根带的预紧力 主带轮上的包角3.2链传动的计算扫雪机上由减速器到变速器之间的传动方式选用的是链传动的方式，故要对其进行设计计算（1）选择链条齿数 确定链条传动速比 i=1.4 查表的小链轮的齿数为z=25 则 大链轮的齿数 z=25×1.4=35120 符合要求（2） 确定计算功率 因为链传动工作平稳，查表选择传动系数为 k=1.1 ,计算功率为 P=kp=1.1×0.4kw=0.44kw（3） 初定中心距a,取定链节数l 初定中心距a=(3050)p 取a=40p L=() =() =110.1 L取偶数 110 节 （4） 确定链节距 首先确定系数 K,K,K 查表得小链轮的齿轮系数为k=1.34 由图查得k=1.09 选单排链，得k=1.0 所需传递的额定功率为 P=280w选择滚子链型号为12A， 节距p=19.06mm（5） 确定链长和中心距 链长L=lp/1000=2.09m 中心距 a= (l) =(110)+mm =602.25mm a550mm 符合设计要求。 中心距的调整量应该大于2p 2p=2×19.06=38.12mm 实际安装中心距为 a=a=602.2538.12=564.13mm（6） 求作用在轴上的力 链速 V=1.02m/s 工作拉力f=1000p/v=1000×0.4/1.02=392.16N链传动的工作平稳，取压轴力系数为K=1.2则轴上的压力为 F=FK=392.16×1.2=470.6N（7） 选择润滑的方式 根据链速为1.02m/s,链节距19.06mm 选择油浴和飞溅润滑方式。 设计结果：链条型号 12A-1-110GB1243 ，链轮齿数z=25,z=35 ;中心距a=563.13mm 压轴力F=470.6N。3.3变速器的齿轮计算3.3.1选定齿轮类型，精度等级，材料和齿数（1）根据传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动（2）扫雪机的运动速度不高，故选用7级精度（GB 10095-98）。（3）材料选择。选择小齿轮材料为40cr(调质)，硬度为280HBS,大齿轮材料为45（调质）硬度为240HBS,两者材料硬度相差40HB.(4)选取小齿轮的齿数z=25,大齿轮齿数为z=2×25=503.3.2按照齿面接触强度计算由设计计算公式进行试算d2.32(1)确定公式内的各个计算数值。1)试选载荷系数k=1.32)计算小齿轮的传动转矩T=9.5×10Nmm3)选取齿宽系数4) 由表查得材料的弹性影响系数。5) 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限。6) 计算应力循环次数 =60×40×1×（2×8×300×15） =1.73×107) 取接触疲劳寿命系数。8）计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1%，安全系数S=1，得(2) 计算1)试计算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值。2)计算圆周速度v。3) 计算齿宽b。4) 计算齿宽与齿高之比。模数齿高h=2.25=2.106mm5) 计算载荷系数。根据v=0.103m/s,7级精度，由表查得动载系数；因为是直齿轮传动，；由表查得使用系数；由表用插值法查得7级精度、小齿轮相对支承非对称布置时，。由查图得；所以载荷系数6) 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，得 7) 计算模数m。 3.3.3 按齿根弯曲强度设计已知弯曲强度的设计公式为（1）确定公式内的各计算数值1） 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲疲劳强度极限；2） 取弯曲疲劳寿命系数；3） 计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得4）计算载荷系数K。5） 查取齿形系数。由表查得 。6) 查取应力校正系数。由表查得 。7） 计算大小齿轮的并加以比较。大齿轮的数值偏大。（2） 设计计算将数值代入公式 ，得对比计算结果，根据齿面接触疲劳强度计算的模数m大于根据齿根弯曲疲劳强度计算的模数，因为齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿径直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度计算所得的模数1.79。并就近圆整为标准值m=2,按接触强度算得的分度圆直径d=26.7mm算出小齿轮的齿数 Z= =25大齿轮的齿数 z=3×25=75这样设计的齿轮传动，既满足了吃面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到了结构紧凑，避免浪费。 3.3.4 几何尺寸计算 (1）计算分度圆直径d=zm=2×25=50mmd=zm=75×2=150mm(2) 计算中心距a=62.5mm(3)计算齿轮的宽度b=d=1×50=mm 3.4 轴的结构设计计算和校核3.4.1 轴的结构设计(1)求输出轴上的功率，转速和转矩输入功率为3.0kw ,取带传动的传动效率=0.97，则 又因为 于是得到(2) 求作用在皮带轮上的力因为已知皮带轮的分度圆直径为 140mm.所以圆周力(3) 初步确定轴的最小直径选取轴的材料为45钢，调质处理。取=112，于是得考虑到安装皮带轮的内径，故取输出轴最小直径为25mm，即=25mm。(4) 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 01段要安装一皮带轮，根据皮带轮的直径取其长度为40mm,03段安装深沟球轴承，取其长度为17mm,06段安装的是锥齿轮，取其长度为70mm,轴端安装的是皮带轮，根据其厚度，取轴端段长度为35mm。其余长度则根据分配需要来确定(5) 初步选择滚动轴承。因轴承只需要承受径向力的作用，也承受到轴向力的作用，故选用深沟球轴承6007，和圆锥滚子轴承30207。 3.4.2 轴的校核因此轴的转速较高所以要对该轴进行校核，以保证扫雪机整体质量 发动机传到轴上的功率为p为3kw,转速为2000r/min(1) 求轴上的功率p和转矩T P=P=3 ×0.8=2.4(kw) T=9.55×10=9.55×10×=11460(N)(2) 求作用在轴端的力已得轴端的分度圆直径为d=20mmf=1146NF=f=1146×=417.75NF=ftan=1146×tan3.18=63.67N圆周力F,径向力F和轴向力F的方向如下图 L =50 L=750（3）求轴上的载荷又因为 从轴所在的位置来看，轴端位子是最危险的截面，计算其M, M,M，列于下表。载荷水平面H垂直面V支反力F=1074N F=72NF=391N F=26N弯矩MM=46340N.mmM=19582N.mm总弯矩M=50307N.mm扭距TT=11470N（4） 按弯矩合成应力校核轴的强度 取=0.6，轴上的应力计算 =1.4Mpa 轴的材料为45号钢，调质处理，查的=60 Mpa,因此，故安全3.5 轴上锥齿轮的设计计算3.5.1按齿面接触疲劳强度进行计算设计计算公式是：()321215.01)(92.2uKTZdRRHEtffs-=（1）确定公式内的各计算数值1) 初选载荷系数：K=2.02）小齿轮传递转矩： T1=9550×833/2000=3977.6 (N·MM)3）选取齿宽系数：R=1/34)查得材料的弹性影响系数：ZE=189.8MPa5)查得齿轮的接触疲劳强度极限：Hlim1=Hlim2=550MPa.6)应力循环次数：N1=60n1jLh=60×2000×1×(8×365×10)=3.5×109N2=N1/2=1.75×1097)查得接触疲劳寿命系数：KHN1=0.90，KHN2=0.958)计算接触疲劳许用应力,取失效概率1，安全系数S=1。H1=H2=（2）计算1)计算小齿轮最小分度圆直径= =73.54(mm)2)计算圆周速度m3)计算载荷系数1×1.15×1×(1.5×1.25)=2.1564)按实际载荷系数校正所得的分度圆直径5)计算模数3.5.2按齿根弯曲强度设计设计公式：（1）确定公式内的各计算数值1)查得弯曲疲劳极限2)弯曲疲劳寿命系数3)计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.44)载荷系数K5)齿形系数、应力校正系数，6)计算大小齿轮的并加以比较（2）计算1.89mm对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲疲劳强度算得的模数1.89并就近圆整为标准值m=2，按接触强度算得的分度圆直径d1=73.54mm，算出小齿轮齿数为使做成独立的齿轮，便于加工，取小齿轮齿数40，大齿轮齿数2×40=80既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。3.5.3几何尺寸计算 （1）计算分度圆直径（2）计算锥距（3）计算齿轮宽度等各个数据参数BR/3=24.03(mm)取B=24mm分锥角齿顶高齿根高齿顶圆直径齿根圆直径齿根角顶锥角=26.565+1.39=27.955=63.4350+1.390=64.5250根锥角=26.5651.39=25.175=63.4351.39=62.0453.6 减速器的选择由原动机传出的转速较高，而扫雪机的行走速度需要接近人正常行走速度，所以需要一减速器来减小其转速，考虑到扫雪机的容积量的大小，需要一小型的减速器，综合市场出售的减速器来看，选取了泰州红旗减速器有限公司生产的AQH25型减速器，此减速器可用于正反两向运转，减速器的最高转速不大于2000r/min，而且减速器可在零下40摄氏度的低温下工作，减速器有九种传动比，和三种低速轴轴端形式（可根据工作需要来选取），同时此减速器外形尺寸为440×230×325mm,符合安装要求。 4 结 论 由于是第一次完整的设计一个产品，难免会有许多不足之处，比如扫雪机得方向没法自动控制，仍需要人力来完成，同时没有将动力机和减速器集合到箱体内，影响了整车的美观，这仍然需要在以后的设计工作中积累经验完善自己的不足。但是通过此次独立的完成自己的毕业设计，学到了很多东西，积累了一定的工作经验，并把这几年学到的专业知识又重新拾起，受益匪浅。 参 考 文 献1吴书琴，李乔非，刘春山，城市道路散雪除雪机J.工程机械，2007,38：14-17.2李盛林, 张宏文，公路快速清雪装置的设计J.筑路机械和施工机械化，2002,19(96):3-4 .3凌波，朱志坚，多功能道路清雪机的液机联合传动J.液压与气动，2003(10)：43-44.4 朱志坚,凌波，多功能道路跺冰清雪机液压系统抗冲击措施J.液压与气2001(10):33-35.5 吴书琴，李乔非，刘学斌，刘春山，钢丝排刷式扫雪机的研制J.机械工程师，2010(3)：43-44.6 李乔非,吴书琴，推扫一体式散雪除雪机制J.工程机械，2010,41：4-7.7 郭维外，小型扫雪机J.国外工程机械额集粹，1994(1)：48.8 朱彩霞，夏智武，QX700庭院式清雪机的研制J.新疆农机化，2002(5)：31-32.9 杜明清，小型螺杆式清雪车研究D.南京理工大学，200410 耿志凌，鲍侠，吉尔133除雪车增加救援装置的研究J .黑龙江交通科技，2006,(7): 6111 王承惠，经济实用的永江牌清雪除冰车J.商用汽车，2001,(12): 28-2912 荆宝德，赵刚，马文星，殷涌光，多功能路面清雪车电液比例阀系统的模糊-PID控制J.建筑机械，2005,(11): 94-9713翁杰，多功能的AN除雪车J.商用汽车，2001,(12): 3414Kuroiwa. etal，Overload prevention device for a snow removing machineD. 200615Albert Rath ,SNOWPLOW:CANADA,71366 P/OL.1979-7 26