晋中高速公路除雪车推雪铲宽度优化

魏晖昕

(山西交控集团 晋中高速公路分公司，山西 阳泉 030600)

0 引言

晋中高速公路阳左路段(以下简称为阳左高速)是阳泉至左权的主要交通枢纽。山西左权、昔阳、和顺过去由于交通不便，通行受阻，多年来发展缓慢。自阳左高速公路建成以来，成为当地经济发展的重要通道。在过去的“十三五”时期，当地依靠新建成的阳左高速公路，不断转型发展，终于实现脱贫。在“十四五”时期，阳左高速公路不仅可助力当地乡村振兴，同时也是当地农产品运输的生命线。和顺、左权地区冬季降雪频繁且降雪量大，一旦降雪高速公路封闭。当地人民的正常生产、生活将受到严重的制约和影响。

现在阳左高速公路采取的应急除雪方法为融雪剂融雪配合推雪铲推雪。推雪铲推雪[1]是使用推雪铲将高速公路路面积雪推移的方法。推雪铲[2]由于其除雪性能好、效率高、耐腐蚀性，因此被广泛应用于高速公路除雪作业。

结合推雪铲的工作环境和制造的经济性等因素，软而韧的材料[3]被选定为推雪铲切削刃制造加工的材料，其余部件会使用一些类似于Q235具有良好焊接性的钢。

国内为了更好的优化推雪铲[4]，对推雪铲的宽度、切削角、铲板空间形状、行进角等进行试验力学分析，获得了推雪铲的最佳推雪参数。采用灰色系统理论，分析研究参数，获得了较优的结构参数组合。

国外常用的除雪机械设备有两种，分别是：犁式和旋切式除雪机[5-8]。具有代表性的推雪铲有以下3种：分段式、折叠式、整体式[9]。

推雪铲被广泛使用后，被专家学者不断优化，提升其除雪性能。然而公路管理单位不可能频繁更换除雪设备，但可以通过优化现有除雪设备来提升除雪效率。文中在观察山西晋中阳左片区公路除雪流程，发现了当前使用的推雪铲推雪宽度和高速公路路面宽度不匹配。

经过研究分析，发现推雪宽度与路面宽度不是整倍关系，推雪宽度与路面宽度不匹配，推雪宽度大于路面宽度，存在资源浪费。结合现有除雪机推雪量及路面宽度，进一步计算分析，提出将推雪铲由3.3 m加宽为4.5 m的解决方案，以此重新配置了高速公路推雪作业工序。通过计算加宽推雪铲后除雪车推力和除雪阻力、除雪车额定功率和除雪作业消耗功率，分析除雪车纵向稳定性，验证了加宽推雪铲方案的可行性。最后选用可拆卸螺栓固接方式加宽推雪铲。利用优化后的除雪车推雪铲冬季作业，不仅提升了除雪效率，而且还实现了降本节能。

1 研究目标和内容

1.1 除雪预案简介及存在问题

根据和顺路产维护站养护除雪实施办法，为保证所管高速路段在雪停后及早解除封闭，恢复通行。具体除雪流程：1号除雪车、2号除雪车、3号除雪车、4号除雪车分别从左权北收费站出发以30 km/h去往和顺方向，推第1道、第2道、第3道、第4道，清除和顺方向和左权方向公路路面积雪。

1.2 存在问题及原因分析

根据以上介绍可知，使用4台除雪设备才可完成1个方向的公路除雪作业任务。高速公路1个方向由3个车道组成，总宽度10 m。目前，养护单位库存使用的推雪铲宽度为3.3 m，推雪宽度[10]为2.9 m。

当下使用现有除雪设备作业中存在问题和具体原因分析表达如图1所示。

图1 现有除雪设备问题原因分析Fig.1 Cause analysis on problems of existing snow removal equipment

1.3 现有除雪设备简介

1.3.1 现有推雪铲简介

和顺路产维护站现使用的推雪铲，由中美工程师联合设计、生产，产品不仅外形大气，而且铲刃还可以自动壁障。和顺路产维护站现有推雪铲参数如表1所示。

表1 现有库存推雪铲简介Tab.1 Introduction of existing stock snow shovels

1.3.2 现有除雪车简介

和顺路产维护站现使用的除雪车为全轮驱动，该车在除雪作业时可前置推雪铲，后置撒布机。实现机械除雪、融雪剂除雪同步进行。和顺路产维护站现有除雪车具体参数如表2所示。

表2 当前除雪车简介Tab.2 Introduction to current snow plow

1.4 研究内容及目标

由于现有推雪铲推雪宽度与高速公路宽度不是整数倍关系导致现行除雪作业中存在机械、人工浪费。为解决此问题，需优化设计现有推雪铲宽度，使其与高速公路路面宽度相匹配。可从以下几点着手研究：(1)选定推雪铲需优化的宽度；(2)通过理论计算分析验证选定推雪铲宽度的可行性；(3)利用优化后的推雪铲实际除雪验证真实可行性。

2 推雪铲宽度优化方案

2.1 设计解决方案

现有推雪铲推雪宽度与高速公路路面宽度不是整数倍关系，需重新设计推雪铲，选定推雪铲宽度。利用小组成员头脑风暴法，得到如表3所统计的解决方案。

表3 提出的方案Tab.3 Proposed schemes

2.2 方案选定

如果采用方案1，增大推雪铲行进角，推雪铲最大行进角为90°，此时3个推雪铲总推雪宽度为9.9 m，路面宽度为10 m，3个推雪铲推雪总宽度小于路面宽度。如果使用4个推雪铲则是现行除雪方案，存在资源浪费。因此方案1被排除。

如果采用方案2，虽然前期优化设计，将存在费用开支。但日后除雪作业中可有效降低经济损耗，提升除雪效率。根据上述分析，将选取方案2对推雪铲设计加宽。

2.3 选定推雪铲宽度

优化加宽推雪铲宽度的计算、分析、选取如图2所示。通过图中的初步计算分析，确定推雪铲宽度为4.5 m。

图2 选定推雪铲宽度Fig.2 Selecting width of snow shovel

3 理论分析与加宽方式选取

3.1 加宽推雪铲材料选取

通过阅读现有推雪铲使用说明，得知推雪铲切削刃所使用的材料[11]为钢板65 Mn，推雪铲其他部件所使用的材料是Q235优质碳素钢。

推雪铲除雪作业中由于切削刃直接和公路路面积雪接触，因此需选用强度高，耐磨性好的材料，而钢板65 Mn正好符合此要求。Q235优质碳素钢[12]切削性能好，焊接性能佳。

因此在加宽推雪铲时，切削刃材料仍然选用钢板65 Mn，其他部件仍然使用Q235优质碳素钢。

3.2 比切力计算

当选定推雪铲宽度后,应按比切力[13-15]加以检验：

(1)

式中，Fe为一除雪车额定除雪作业工况下的驱动力；qx为推雪铲宽度。

当推雪铲切削刃水平比切力在20～100 N/cm时，除雪车即可正常除雪作业。根据以上方案，选定的推雪铲宽度为450 cm。

而除雪车额定牵引力Fe为：

(2)

式中，P1为除雪车额定功率；v为除雪车行驶速度。

现有除雪车的额定功率是198 kW，除雪作业时行使速度为30 km/h，即8.3 m/s。计算可得Fe约为23 855.42 N。继而求得B约为53.01 N/cm，在20～100 N/cm之间，可满足工作要求。

3.3 除雪设备受力分析与计算

3.3.1 除雪设备阻力分析与计算

当除雪车推雪铲除雪作业时，受到的各部分阻力如图3所示。

图3 除雪车推雪铲所受阻力分析Fig.3 Analysis on resistance of shovel of snow plow

推雪铲推雪作业时所受的阻力Fp由3部分组成，如图4所示。

图4 推雪铲除雪作业所受阻力分析Fig.4 Analysis on resistance of shoveling operation

根据上图分析可知推雪铲推雪作业时所受的阻力Fp计算公式为：

Fp=Ff+Fc+Fa。

(3)

为方便理解、计算，建立如图5所示的推雪铲受力直角坐标系[16]。定义X轴方向为前进方向(正方向)，铲体左侧方向为Y轴正方向，Z轴为垂直向上方向。

图5 推雪铲受力直角坐标系Fig.5 Cartesian coordinate system of forces on snow shovel

根据上图可将推雪铲推雪作业时所受的阻力Fp分解为如图6所示的3个方向分力。

图6 推雪铲受力分解Fig.6 Decomposition of forces on snow shovel

当推雪铲除雪作业时，除雪速度不同推雪铲所受阻力也不同。根据和顺路产维护站应急除雪管理办法可知，目前规定的除雪速度为30 km/h，因此可得到如下所示的推雪铲推雪作业时所受阻力的计算公式[16]。

推雪铲前进方向上的阻力为:

Fpx=g·μf·Wp+Sρν2×(1+0.18sin2θ-0.45cos2θ)，

(4)

侧向阻力的计算方法为：

Fpy=0.72S·ρ·ν2·sinθ·cosθ，

(5)

垂直阻力的计算方法为:

Fpz=g·Wp，

(6)

式中，μf为推雪铲切削刃与路面积雪的摩擦系数，钢与压实积雪的摩擦系数为0.1；g为重力加速度，取值9.8；Wp为推雪铲体质量；S为除雪断面积，为除雪宽度与除雪深度的乘积，除雪宽为推雪铲宽度，除雪深度取值0.17 m；θ为推雪铲的行进角；ν为推雪铲的除雪作业速度，取值8.3 m/s；ρ为积雪密度，此处的轻度压实积雪取值为300 kg/m3。

根据车辆行驶阻力计算公式[16]，可得除雪车行驶阻力计算公式为：

Fm=g(μaAν2+μrM1)，

(7)

式中μa为空气阻力系数,平头型车辆μa=0.002 75；ν为除雪作业速度,取值30 km/h；A为除雪车车体的正面投影面积，现使用的除雪车正面投影面积取值3.47 m2；μr为滚动-阻力系数，积雪路面与防滑轮胎间μr=0.018 9+0.000 60ν；M1为除雪车质量。

当除雪车作业时，在水平方向整体除雪设备所受的阻力Fx由除雪车所受的行驶阻力Fm和推雪铲所受的除雪作业方向的阻力[17-19]Fpx，计算公式如下：

Fx=Fpx+Fm=g·μf·Wp+Sρν2×

(1+0.18sin2θ-0.45cos2θ)+g(μaAν2+μrM)。

(8)

由公路养护单位的除雪预案可知30 km/h为规定的除雪速度，实际除雪速度亦如此。所以此处计算采用30 km/h，通过计算可得水平方向整体除雪设备所受的阻力Fx为19 486.44 N。

3.3.2 除雪车附着力分析与计算

为了保证推雪铲可以正常除雪作业，除雪车的推力必须大于除雪设备在前进方向所受的阻力。

现有除雪车为全轮驱动。除雪车的驱动力Fkmax等于除雪车轮胎与积雪路面之间所产生的附着力Fμ。积雪路面产生的最大附着力[20]计算公式为:

Fμ=μ(gM2-Fpz)，

(9)

式中，μ为附着系数,当安装低压胎及装防滑链情况时,积雪路面与防滑轮胎的附着系数一般取值为0.25～0.45；M2为除雪车整车装置质量，这里考虑除雪车质量、推雪铲质量及配置质量等，取值为10 177.5 kg。通过计算可得出除雪车的附着力为93 578 N。对比除雪设备行进方向所受的阻力Fx和除雪车推力，93 578 N>19 486.44 N。

3.4 纵向侧向稳定性分析

在除雪车带动推雪铲除雪作业时，除了除雪阻力外，还会有纵向力影响到除雪车的整体稳定性。因此除雪车轮胎附着力Fμ不仅要为整体除雪设备输出前进动力，同时需防止除雪车发生整体纵向滑移。

当除雪车带动推雪铲清除积雪时，根据车辆的行驶特性,除雪车可能以前轮为支点发生车尾摆动导致纵向滑移。若对其纵向摆动进行简化处理,即假定除雪车前轮承担1/3的纵向抵抗力、后轮承担2/3的纵向抵抗力，以此分配方式分析、计算,同时假定侧摆支撑点为前轮[21]。当除雪车作业速度为30 km/h时，有如下判别模型:

3.456hρv2sinθcosθ≤2.4μg[(M2+ΔM2)-Wp]，

(10)

式中，h为积雪的厚度，本研究中取值0.17 m。

由上述计算得到，当除雪车带到推雪铲清除积雪时，除雪车轮胎的最大附着力为93 578 N。和顺路产维护站规定的除雪作业速度为30 km/h，除雪车受到的纵向分力为4 929 N，满足纵向稳定要求。

3.5 除雪作业功率计算

当除雪车带动推雪铲推雪时，除雪车所需要的功率[22]P2的计算公式如下：

(11)

式中，P2为除雪车所需功率；Fpx为前进方向所受的除雪阻力；v为除雪作业速度；η为传动效率，当机械传动时，η=0.85。

根据上述计算公式计算得到P2=190.275 kW。198 kW是目前养护单位现库存使用的除雪车的发动机额定功率，对比可得198 kW>190.275 kW。

综上可知，除雪车按照规定的除雪速度，可以完成0.17 m厚，密度300 kg/m3的积雪清除任务。

3.6 推雪铲加宽方式选取

和顺路产维护站现有推雪铲为加强版，在选取加宽方法时，可选销孔链接的方式加宽推雪铲。

首先在推雪铲铲背键上钻取销孔，如图7所示。然后使用可拆卸螺栓固接方式将推雪铲原件和加宽件有效链接。

图7 推雪铲设计加宽左视图Fig.7 Left view of design of widened snow shovel

3.7 实施加宽除雪检验

采取以上方式对现有推雪铲进行加宽处理。为检测其加宽后的实际除雪效果，使用现有除雪车带其除雪作业。首先除雪车可以带动加宽后的推雪铲实现除雪作业。其次取推雪铲经过路段公路路面水平两点，经测量其宽度为3.98 m。由此经过实际除雪验证了方案的可行性。

使用加宽后的推雪铲除雪作业，相比过去需使用4台除雪车变为现有使用3台除雪车就可完成高速公路除雪任务。实现了降本增效。

4 结论

结合阳左高速公路实际路面宽度，将推雪铲由原先的3.3 m加宽为4.5 m，增加了推雪铲推雪宽度，优化了推雪铲推雪宽度与高速公路路面宽度的匹配程度;经过方案选定和分析计算，成功改进了与现有除雪车配套的加宽型推雪铲；经过实际除雪作业，验证了加宽型推雪铲可降本增效的优点；为了进一步提升加宽推雪铲的灵活性，今后应着手继续研究可实现推雪铲自动调节宽度的调节机构。