小型除雪车的设计与仿真分析

周 超 ，李晶琪

（1.沈阳理工大学，辽宁 沈阳 110159；2.沈阳工学院，辽宁 抚顺 113122）

0 引言

近年来，数字化设计、有限元分析被广泛应用于机械设计中[1]，机械设计与制造在实际生产过程中也被不断改进和创新[2]。虚拟设计能够真实地模拟产品的设计过程，大大缩短产品研发周期[3]，可以有效处理好产品性能与制造成本的矛盾。在冬季清除寒冷地区道路和公共设施的冰雪一直是一个难题，当前我国的清雪方法比较原始，大多数积雪道路还是由人工除雪、除冰[4]。除雪方式主要有两种：融化方式和清除方式，或称物理方法和机械方法[5]。融化方式主要是对路面撒布氯化钙和氯化钠，但这种方式需要考虑对车辆轮胎的影响和撒布剂对撒布车辆车体的腐蚀作用[6]。中小城市的主要除雪方式是人工除雪和融雪剂除雪[7]，人工除雪将耗费不少人力物力，而融雪剂又会给环境带来很大的负面影响。

大型除雪机械在与人们日常生活联系密切的机关、单位、学校、居民小区等地使用起来有诸多不便，但是清除浮雪的小型除雪车在这些地方却能发挥重要作用。因此，本文以虚拟设计为基础，通过有限元与动力学分析方法设计小型除雪车，对其主要结构的相关参数进行分析，从而进一步解决除雪过程中遇到的问题[8]。

1 除雪车结构设计与运动分析

通过参考现有的室内除尘车与背带式除草机、推拉式除草机，小型除雪车的结构设计如图1所示。其主要由车体、电机、带传动模块、链传动模块、螺旋清雪装置、推雪装置六部分组成。工作时，由驱动装置提供动力，通过皮带传动将动力传送至工作部分和行走部分，积雪由螺旋装置破碎，并将压实的积雪、冰层旋起，在推进的过程中由推铲将处理过后的冰雪推移到合适的处理位置。在人力推动与驱动装置带动下，除雪车持续行进，实现连续清除积雪，基本上满足了小区内部或避光小路上的积雪处理工作要求。

图1 除雪车总体结构

由于除雪车行进过程中使用链轮作为传动装置，产生冲击振动是不可避免的，需要对其运动过程进行一定的模拟分析。将所设计的除雪车导入到ADAMS动力学分析软件中进行运动仿真，具体模型如图2所示。

图2 运动学分析模型

ADAMS中的模型仿真除了要包含零部件的结构，还需要考虑相对运动的零件之间的约束与运动副，主要包括固定连接、旋转连接等；还要为模型提供合适的驱动，主要为旋转驱动。具体的约束关系如表1所示。

表1 ADAMS中零部件约束关系

在ADAMS Machinery模块中为电机设置类型与型号，设置好电机位置、回转轴方向，同时确定电机的转子与定子关联部件，设定电机的保持力矩。在电机的带动下，对模型进行动力学仿真分析，经软件处理后可得到除雪车的运动学曲线，如图3所示。

图3 除雪车动力学分析

可以看出，在小型除雪车运动开始后，前0.5 s处于系统的加速阶段，上升时间为0.5 s，从速度曲线中可以看出，在0~1 s内出现了速度波动，产生了加速度折线，出现这一波动的原因是发动机启动阶段会产生一定的冲击，对集雪装置产生了力的作用，导致速度产生波动。由于集雪装置存在一定的屈服极限与强度极限，故速度在一瞬间又恢复到上升状态，与原来的上升趋势相同。

在0.5 s时，速度达到最大值，之后的速度调整时间约为1 s，这1 s内速度有一定的微小变化但是并不明显，由于控制系统调节作用的存在，速度的微小波动对于小型除雪车的运动只会产生细微的影响，属于不可控制因素，可以尽可能缩小但是不能完全消除，在实际工况中可以忽略不计。

在4.3 s时，速度出现轻微波动，产生这一情况的原因是该模型采用链轮传动，速度提高后，需要一段时间达到平稳的传动状态，且由于链轮的周期往复工作，也会不断产生冲击。在4.8 s后，又恢复平稳速度，随后除雪车速度达到稳定状态。

2 除雪车振动分析

模态分析是研究结构动力学特性的一种最基本的方法，在工程振动领域应用比较广泛，常用于分析机构的自振频率特性。在每一种模态下，结构都有其固定和特有的频率以及模态振型，可以用来评价现有结构动态特性，避免结构因设计不合理发生共振现象，还可以从中认识到结构对动力载荷的响应[9]。由经典力学得出物体动力学方程为：

其中，[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵，{x}为位移矢量，{F(t)}为力矢量，{x'}为速度矢量，{x''}为加速度矢量。

无阻尼模态分析是经典的特征值问题，动力学方程如下：

结构的自由振动为简谐振动，位移为正弦函数，即：

将式（3）代入式（2）：

式（4）为经典的特征值问题，此方程的特征值为ω2，自振频率为特征值ω2对应的特征向量{x}i为自振频率对应的振型[10]。

对模型进行网格划分，可以得到38 014个节点、123 198个单元。对模型赋予合适的载荷与约束，进行除雪车振动分析，可以得到除雪车空载状态下的频率响应以及振型图，前8阶固有频率与变形情况如表2所示，各阶固有频率下的变形云图如图4所示。

表2 除雪车的前8阶模态频率与变形情况

图4 前8阶模态下变形云图

由各阶模态变形图可以看出，除雪车整体自振频率处于35.975 Hz~168.300 Hz，在各阶自振频率下，螺旋装置均产生了较大的变形，最大变形量为8.310 5 mm。因此，为了保证除雪车工作的平稳运行，需要尽可能避免其运行频率处在固有频率范围内。

3 结束语

通过对小型除雪车进行分析研究，所设计的除雪车具有除雪、破冰、推雪的功能。由动力学分析确定了除雪车的工作状态，由振动分析确定了其固有频率。得出了设计时应避开其固有频率区间的结论，可以有效避免产生共振，造成机械结构的损坏。