北方高寒地区高速公路和城市道路除冰雪机械的研究

孙潘罡 陈 松 迟树廷

（1.青岛工贸职业学校，山东 青岛 266041；2.黑河市农机研究所，黑龙江 黑河 164300）

1 研究背景

我国北方高寒地区常年低温，冬季漫长。高速公路和中小城市（包括乡镇）的除冰雪问题没有完全解决。一是在严寒条件下，有些公路路段坡度大，机械除冰很难解决积雪不及时清除、反复形成冻融冰层的问题。二是机械故障率高。除冰雪工作部件作业时与地面硬接触，对路面损伤严重，并且故障不断，不能正常作业。三是除冰雪设备的研发资金投入不足。四是环境污染。有些道路在机械清除冰雪质量不达标的情况下，还要辅助撒盐和溶雪剂，导致环境污染。

从2010年以来，国内部分大城市批量引进了国外大型除冰除雪机械。这些机械效率高、作业质量好，但是价格高，维修保养困难。如加拿大RPM公司生产的P-500-R、TM-350、A90、LM-220、T220-B除冰除雪机，德国奔驰公司生产的SCHMID等型号专用除冰车，价格一般在300万～500万人民币。瑞典VOLVO公司的220/60除冰机在国内应用较多。而且这些价格昂贵的机械主要还是用于机场和大城市的专用场地，中小城市街道和高速公路作业迫切需要效率高、成本低、自动化控制能力强的新型除冰雪机械。

2 研发要点

研究新型除冰雪机械，主要攻关目标是除冰。而除冰主要是解决高速公路和中小城市街道的结冰问题，尤其是高寒地区封冻时间长，雪量大。黑龙江北部和内蒙古东部有长达130天～160天的结冰期。高速公路收费站及服务区距离远，遇到大雪结冰，堵车关闭高速是经常的事。而且有些地段坡度大，急转弯，有长达几千米甚至十几千米的坡度路段。在高速公路上除冰，要求作业时不能长时间占用车道，空驶速度及作业速度要快，清理过的冰雪必须及时推送到路下，防止出现作业占道和冰雪清后占道。

根据这些特点，对高速公路和中小城市除冰雪机械的基本技术要求如下。一是速度快。不仅要求作业速度快，而且空驶速度快，即作业速度要求2m/s以上，空驶速度8m/s以上。二是不能长时间占用行车道。作业幅宽要求2.2m以上。三是有较强的爬坡作业能力。四是适应凹凸结冰地面，特别适应弯道偏斜结冰路面。五是有自动化控制功能，完成驾驶员一键控制操作。

3 新机型总体配置与关键部件结构设计

3.1 选择配套动力

根据本机设计要求，一是动力要在110kW～147kW。根据目前我国动力机械现状，有2种动力机型可优先选择，分别是四轮驱动大功率拖拉机和大功率装载机。拖拉机动力输出要靠动力输出轴输出，液压泵功率小，不便于与自动化控制。大功率装载机，没有动力输出装置，液压泵输出功率大，便于自动化控制。二是要有较强的爬坡能力和较快的运输空载速度。选择ZL70型装载机是因为该机型有四轮驱动坡度作业爬升驱动力大、液压系统流量大、压力高的特点，可将装载机翻斗液压油缸油路连接到除冰雪机械的油路。该机型液压系统压力为15MPa，排量152mL/r，流量335 L/min，可以满足作业要求。三是能够一机多用，提高机械综合使用效能，改装方便，冬季改装成清冰雪状态，其他季节可以恢复装载作业状态。在我国北方地区，ZL70装载机应用广泛，保有量大，便于配套。且三点悬挂互换简单，很容易改变机型。液压马达驱动传动简单，便于自动化控制。

3.2 装载机除冰台平衡问题

大支臂两侧装有平衡弹簧组，用于平衡除冰台质量，减少除冰台对地面的压力强度。拉力行程150mm，最大拉力3000N。

3.3 装载机作业电磁阀控制

内装有4联电磁比例换向阀。装有PLC程序控制雪台工况的组合。装有其他辅助控制的AD转换及先导液控电磁转换机构。输入端包括霍尔转数传感器、油缸拉力传感器、除冰辊平衡臂扭矩传感器、手动输入传感器等。输出端包括除冰辊升降油缸、除冰台升降油缸、除冰辊马达、扫雪除冰辊马达。

3.4 机架结构

由高强度矩形管焊接组成，后端通过三点悬挂链接装载机，机架前端连接除冰辊、扫雪除冰辊。上部连接除冰辊轮。除冰辊、扫雪除冰辊、平衡臂、后端连接装载机支臂。下部连接支撑浮动轮。

3.5 除冰辊组合

除冰辊装置是该机核心部件，如图1所示，技术要求双侧液压马达驱动，除要求是机器前进速度的3～4倍。前进速度设置在2.2m/s～2.8m/s。V=3V～4V，即4V×2.8m/s=11.2m/s。除冰辊直径设计受结构尺寸限制，质量不能过大；又涉及离心力，也不能过小。参照扫路机参数，该机取筒直径D为420mm，齿高H为120mm，筒外缘D为660mm，作业幅宽2200mm。

因此

式中：V为冰辊线速度；r为除冰辊半径；n为除冰辊转数。

图1 除冰部件组合

根据除冰辊转数，设计要求324r/min，需要减速传动。液压马达驱动部分又是除冰辊的支撑装置，需要考虑结构强度及传动的合理性。根据国内液压马达产品种类，可选用L型液压马达。纵向为马达配置位置，横向为减速位置，横向外缘配置球型支撑链接支臂，解决了横向仿形的问题。霍尔传感器动盘安装在除冰辊支撑盘上，霍尔传感器触头通过支架连接在支撑臂上。除冰辊横向稳定器通过拉杆链接在球铰链。传感器的作用是检测除冰辊的转速，当除冰部件的阻力较小时，接触地面瞬时增加阻力可降低转数，PLC控制液压提升油缸，提升除冰辊高度。

3.6 扫冰（雪）除雪辊

该装置倾斜机架30°。除冰辊有效长2320mm，直径80mm，转数430r/min，由液压油缸高度支撑控制，后部铰链机架，液压马达驱动。由驾驶员控制该扫雪辊的高低，将除冰辊粉碎的残冰及积雪清扫到右侧路边。由于扫雪辊线速度高（设计为 18m/s）、离心力大，可将碎冰吹到隔离带外侧不占道。该扫雪毛刷及液压马达与现有的道路清扫机部件通用。

3.7 平衡臂组合

该装置是除冰辊重要的支撑和控制部件，与野轿车前桥平衡臂类似。当路面出现倾斜，一侧高一侧低时，平衡臂就会出现一侧拉伸一侧压缩的情况。平衡臂两侧装有拉力传感器。中部装有扭矩传感器，拉力与扭矩传感器模拟信号通过AD转换变数字信号。PLC将数据处理通过微动开关控制液动电磁伺服阀，由液压电磁换向阀控制左右油缸高度，使除冰辊可以自动控制高度。

3.8 仿形轮组合

2组仿形轮分别支撑于两侧机架下面，如图2所示。作业时除冰机架由该仿形轮支撑，机架高低由驾驶员通过液压系统控制。该机以液压输出功率大的装载机为配套动力，配有平衡除冰台的辅助弹簧，配有可纵向、横向仿形并液控电磁控制的除冰装置，配有扭矩、拉力、霍尔转数传感器为组合的多性能传感部件及相配套的AD转换器，以及PLC程控搭配成机电一体化自动控制的除冰机械系统。

图2 仿形轮组合

4 关键部件受力分析

4.1 分析手段和目的

应用SOLIDWORKS simulstion软件对设计进行有限元分析。求证应力应变关系，优化部件整体设计。该组件是传感器部件核心组件，左右2个拉力传感器，中间1个扭力传感器。如图3所示，传感器是贴片式黏结在拉力工件上，拉件物理变化转变电信号输入至AD转换器。传导信号又是平衡左右除冰辊受力的部件，该分析主要研究和判定结构在一定载荷下，局部是否存在应力集中状态，及其对结构的影响。

4.2 材料赋予以及对结构的简化处理

材料整体均为普Q235，弹性模量为210000MPa，泊松比为0.29。

4.3 主要部件分析

本机主要部件分析如下：1）下悬挂座分析。该部件下部销连接除冰辊，上部螺栓连接吊杆。该部件拉伸与压缩的变量，改变传感器桥式电阻变化，经AD转换输入PLC控制除冰油缸升降。该部件结构强度不能过高，不能过低。受拉伸的长度变化、轻度变化与传感器贴片相匹配。2）吊杆强度分析。吊杆用D28mm材质Q235无缝钢管制作。呈“S” 形，在加载1500N时出现如下变形：无论是拉伸和压缩，均出现塑性变形，安全系数为1.2。该设计需要进一步优化。3）平衡轴受力分析。平衡轴是指两侧平衡臂，由D33mm的Q235无缝钢管焊接组成，施加外部载荷1500N后，平衡轴与平衡臂承受的主要是扭矩，应力集中在轴与臂焊合口上，不能满足设计，需要重新优化设计。

图3 平衡臂组合

5 功率计算

本机功耗主要分为3个部分，如公式（2）所示。

式中：P为本机总消耗功率；P为装载机行走功率；P为装载机清扫功率；P为除冰功率。

5.1 行走功率P行计算

分析2种工况。一是空驶45km/h，最大爬坡40度时所需功率。二是在除冰作业时，不低于作业速度2m/s（7.2km/h）时所需功率。

式中：f′— 滚动摩擦系数；W—装载机质量17100N，除冰除雪机质量1100N。总计18200N。G—重力加速度，9.8N/kg；Z—支撑轮数量4个。

代入数值可得：F= f′·W·G/Z =0.02×18200×9.8÷4=891.8N

考虑爬坡按40°计算，结果如下。

a/c=sin40°=1÷0.64=1.56×891.8=1387N

考虑恶劣天气风阻力：

式中：A—装载机迎风面积，ZL70型装载机为9m²左右；C—风阻系数，与前进速度平方成正比，该机为0.3。

作用力F=F+F=1387+341=1728N；

功率P = F·R·ω；

装载机轮直径D—1650mm，半径R—825mm；角速度ω—弧度/min。

n=N/πD=45000/3.14×2×825×60=529m/min（空驶时）；n=N/πD=45000/3.14×2×825×60=83m/min（除冰作业时）；P=F=1728×529/9549=95.7kW（空驶45km/h，爬40°坡时）。P=F=1728×83/9549=15kW（作业7.2km/h，爬40°坡时）。

据该分析：装载机行走功率对爬坡敏感性不大，但对提高速度敏感性强，当速度由7.2km/h提升到45km/h时，功率由15kW提升到95kW。

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5.2 清扫功率计算

清扫辊位于除冰辊后部，所清理的碎冰已经处于悬浮状态，密度很小便于输送。P=V·h·L·γ·g·A/cos30°/60；清扫辊长L—2320mm；转数n—429r/min；夹角α—30°；直径D-800mm；前进速度V—2m/s；冰层厚h—22mm；碎冰密度γ—0.68t/m；辊梳线速度v—12m/s。

输送量计算：

P =V·h·L·γ·g·A/cos30°×60

=2×0.02×2.3×0.68×1.154×9.8×60= 42kW

5.3 除冰功率计算

除冰部件是机械核心部件，如图4所示，由双侧减速液压马达直接驱动。

图4 除冰部件

除冰刀作业时接触冰面有前倾角α、后倾角B、除冰刀宽度b，刀刃作用力F，如图5所示。

图5 除冰刀作业示意图

式中：h—除冰刀除冰厚度10mm～25mm，该设计取20mm；D— 刀具宽度150mm，15组除冰辊，工作幅宽2200mm；δ—冰抗压强度0.5MPa/cm²～2MPa/cm²，该设计取1.5MPa/cm²；f—内摩擦系数，该设计取0.12；α—前倾角35°；B—后倾角10°。

F=0.22×2×1.50×0.12×10000=792/N

转矩公式：P=FV=f（2×r×π）n/1000/60= 792×2×3.14×330×320/1000/60=8753W≈8.7kW

因此总功率为

P=P+P+P=15+42+8.7=65.7kW

6 结语

用装载机作为除冰除雪机的配套动力，设计时采用SOLIDWORKS软件对总体机构进行配置。除冰机构采用先进的外球铰链内液压马达驱动，清冰雪装置采用常规辊刷装置。除冰装置可纵向和横向仿形，除冰辊采用霍尔传感器，两侧采用拉压力传感器，平衡臂采用NS扭矩传感器，控制器采用PLC控制系统，液压系统应用液控电磁换向阀。经过优化配置该方案可行。

经过试验分析，该设计总体配置均衡；采用的工作部件技术先进，结构合理；机电液自动控制除冰装置的位置，提高了除冰效率和作业质量，减少对路面的损伤；能够满足高速公路和中小城市街道快速除冰、坡度除冰、远距离除冰作业等要求。

经SOLIDWORKS有限元分析，发现的问题主要有：平衡臂设计结构强度不足，支臂根部存在应力集中，抗疲劳强度不足等问题，应继续优化设计方案，改进材料或改进结构。