小型除雪機設計,小型,設計 城市道路小型清雪機研究綜述 摘要：本文對城市道路冰雪清除設備進行研究。根據(jù)冰雪清除設備的特點，將其按照不同的劃分標準歸納分類，論述其各自的清除冰雪機理，總結各類設備的適用范圍及優(yōu)缺點。在此基礎上，分析和闡述了道路冰雪清除設備的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。 關鍵詞：道路；冰雪清除；設備；除雪車 City road snow clearing machine of small Abstract: a review of road snow removing technology and its development. According to the characteristics of snow and ice removing equipment, will be summarized and classified by different classification standards, discusses their respective snow removing mechanism, summarizes the various equipment the application range and advantages and disadvantages. On this foundation, analysed and expounded the road snow removing equipment current situation and development trend. Key words: road; ice and snow removal equipment; Snow removal vehicles; 近年來隨著國民經濟發(fā)展，我國基礎設施建設飛速發(fā)展，高速公路、城市架橋、飛機場等大量興建，汽車、火車等交通工具的數(shù)量也隨之增加，同時通行速度也需要不斷提高。我國北方地區(qū)冬季降雪、結冰是影響道路交通及行車安全的主要因素。2008年初，我國南方廣大地區(qū)遭受罕見降雪、凍雨、冰凍災害，高速公路、機場等路面積雪、結冰嚴重，嚴重影響交通。交通路面的積雪被稱為交通安全的“白色殺手” ，尤其在大雪和雨夾雪天氣條件下及雪后氣溫變化較大時，積雪不能得到及時清除使路面結冰，交通工具的安全受到極大威脅，造成出行不便。因此，如何快速高效清除道路的積雪、冰以及冰雪混合物，保障道路正常通行、提高行車通行安全，成為目前冬季道路養(yǎng)護的主要問題。傳統(tǒng)人工除雪法和污染較大的融雪劑除雪法，已經不能滿足需要，迫切需要性能良好、自動化程度較高的機械來替代。 1 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1.1國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 近幾十年來，國外除雪車發(fā)展非常迅速，種類越來越多，各生產廠商在采用新技術、新材料、新工藝的同時，不斷提高產品的作業(yè)性能和操作性能，以適應冬季除雪的更高要求，增強產品的競爭力[1-2]。 德國的轉子式和犁式清雪機的種類分別達十幾種，動力機有的采用工程車輛，有的采用載重汽車，有的是專門設計的動力機。德國還開發(fā)了一種多功能路面機械，既能清掃路面、清洗標牌護欄，又能清除路面浮雪。美國福特公司用其生產的載重汽車改裝了一種犁式清雪機。其他國家也相繼開發(fā)了一些種類的轉子式和犁式清雪機。犁式除雪機是國外使用較早的除雪機械，經過多年的發(fā)展，國外犁式除雪機已具有較高的技術水平。早在1943年，日本就開始把V形犁裝在載重卡車上用于道路清雪,日本自70年代以來，清雪機械數(shù)量迅速增加，并開發(fā)了藥劑撒布車。此外，旋轉式清雪車及清雪卡車、清雪平地機等開始向大型化發(fā)展?，F(xiàn)在，已能生產800PS~1000PS級的超大型旋轉式清雪機[20]。俄羅斯新產品KO-812-2型犁式除雪機基礎車采用MT3-80/82型拖拉機，其功能有除雪、清除垃圾和砂堆；既可以用于街道、人行道，也可用于公路和建筑工地的除雪，其工作裝置有推土板、犁刀和圓盤刷等[21]。美國BOBCAT(山貓)公司、S&S公司和瑞士STEYR等公司主要生產以工程、農業(yè)車輛為主機擴展的清雪機械，該機結構緊湊、機動靈活、越野性好，具有行走和作業(yè)兩個速度檔，此機構通過前置螺旋式清雪裝置或犁式清雪裝置完成清雪作業(yè)[22]。加拿大各大城市都設有專門的道路積雪清掃部門，配備有專門的鏟雪車和其它除雪設備，并在主要路段建設并完善了道路氣象系統(tǒng)，靈活使用各種除雪機械，及時、高效地鏟除路面積雪。加拿大R.P.M.公司生產的除雪車主要類型有:P-5000-R、TM-3500、A90等型號的轉子式除雪車；LM-220、T-220-B等型號的雙螺旋轉子式除雪車；JetAir III、AF1等型號的吹雪車等。文獻資料表明[3－5]，國外清雪車發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面： ①一車多用化。即在一種車輛上，安裝多種清雪及其它作業(yè)屬具，使其能夠完成多種作業(yè)功能。 ②研發(fā)能配置于普通底盤的高效的除雪屬具。研發(fā)配置于普通底盤的除雪屬具，提高機器的使用效率，拓寬機器的使用范圍。研制高效的清除堅硬冰雪裝置、拓寬作業(yè)裝置、滑雪裝置、高雪堤處理裝置、藥劑撒布裝置等多種作業(yè)裝置，并對已有除雪裝置的結構、鏟板形狀、除雪切入角、葉片形狀等進行優(yōu)化設計；使除雪屬具結構簡單、受力合理、操作方便，提高其使用壽命、濟性和安全性。 ③智能避讓機構。為保護路面和除雪工作裝置，提高除雪車的路面適應能力，避讓機構向高速度、智能化、機電液一體化的方向發(fā)展。 ④基礎信息系統(tǒng)研究。加強雪力學性質的分析研究，建立道路氣象系統(tǒng)，及時、準確地提供路面溫度、濕度、風向、風速、冰雪性質等方面信息；為靈活、高效地使用除雪車輛及提高除雪車設計水平提供基本依據(jù)。 1.2國內研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 我國的除雪機械研究起步較晚，始于上世紀80年代。研究單位集中在冬季較長的東北、西北和華北地區(qū)；除雪車的型號也很多，尤其是最近幾年，一些廠家參照國外先進技術，研制出適合我國除雪作業(yè)急需的犁板式和轉子式除雪車以及拖式撒鹽車等車型[6-11]。國內現(xiàn)有的清雪車主要有：吉林省公路機械廠與原吉林工業(yè)大學共同開發(fā)的CB1500壓實冰雪清除機；吉林交通科學研究所研制的CL-3.6和CL-3.5型系列除雪犁；吉林省盤石縣公路養(yǎng)路段研制的CL-2.4型公路除雪器；哈爾濱雪狼除雪機械設備有限公司生產的用于清除硬冰雪的CXL-2、CXL-3型除雪機；哈爾濱林業(yè)機械研究所研制的CBX-216綜合破冰除雪機；陜西高速公路管理局研制的FCX-1型除雪機；西安公路研究所研制的L9280型除雪車；重慶迪馬公司生產的DMT5160TYH多功能除雪車，配備有推雪鏟、滾刷、融雪劑散布機等裝置；北京永峰科技有限公司研制的雪豹YF系列的多功能噴氣式除雪車等。與世界先進國家除雪車發(fā)展相比，目前國內產品數(shù)量及性能差距較大，不能滿足道路除雪需求，其主要原因為： ①作業(yè)速度低。目前國外犁式除雪機最大除雪速度可達50km/h，旋切式除雪機最大速度達70km/h。吉林省交通科學研究所研制的CBX-1600型除雪機是國內技術水平較高的除雪機械，但其最大速度僅為2.15km/h。 ②整機利用率低、成本高。盡管中國的北方地區(qū)冬季降雪期可達3～4個月，可是資料表明冬季降雪次數(shù)并不太多，最多也只是十幾次而已。如果除雪功能單一，就大大提高了除雪作業(yè)的成本，增加了公路養(yǎng)護部門的負擔。 ③避讓功能不理想。在除雪過程中，常常因遇路障而使主機或者除雪裝置損壞。國內已有的犁式除雪機械，大部分回避路障的能力較差。 ④對路面保護能力差。當路面凹凸不平時，除雪機作業(yè)時會對路面造成損壞。雖然除雪機對路面的破壞程度目前還沒有一個衡量標準，但國內的除雪機械在路面的仿形能力、對路面保護等方面，與國外相比還存在一定的差距。 2 清雪設備的主要特點 2.1 清雪設備的功能特點 冰雪清除設備的功能有兩個方面，一是工作性質，二是工作范圍。按照冰雪的物理性質，可以把雪劃分為浮雪、中等密實程度的實雪、高密實程度的實雪和高硬度冰雪等四種。若設備只能清除某一種類的冰雪，則屬于功能單一性冰雪清除設備；若能清除所有種類冰雪，屬于多功能冰雪清除設備。在雪季以外，若能拆除冰雪清除作業(yè)屬具，設備主機在安裝必要的作業(yè)屬具以后還可以從事其它性質的工作，則冰雪清除設備屬于多功能設備[23]。 我國自行研制的DQX1型多功能道路清雪車就屬于工作性質與工作范圍交叉型的多功能道路清雪設備。在拆除清雪屬具后，載重汽車可以從事其它運輸工作見圖2-1。該設備能夠自動探測道路積雪厚度和道路上的障礙，實現(xiàn)作業(yè)屬具的自動調節(jié)，保證路面不受損傷[24]。 1.前鏟 2.中鏟 3.載重汽車 4.后滾 圖2-1 DQX1型多功能道路清雪車 2.2 冰雪清除設備的結構特點 冰雪清除設備的作業(yè)屬具類型直接關系到清除冰雪的種類、清除程度和作業(yè)效率，主要包括： ①刮板式。此種設備是利用主機前進的推力，把冰雪從路面上刮削下來。作業(yè)環(huán)境要求路面平整，積雪密實程度小，且積雪與路面的粘著性很低。優(yōu)點是作業(yè)效率高。 按照刮板能否將刮削下的冰雪拋出作業(yè)區(qū)域，將刮板分為外拋式和頂推式兩種。外拋式清雪設備可以將冰雪拋出作業(yè)區(qū)域之外一定距離，形成相對寬闊的車輛通路，要求主機行走速度較高。頂推式清雪設備只能將冰雪推出作業(yè)寬度之外，形成的車輛通道相對狹窄，對主機行走速度沒有要求。 ②碾壓式。利用主機前進的推動力，帶動碾壓滾前進。其作業(yè)機理是擠壓、切削和破碎，并利用碾壓滾自身重力破除路面上的冰雪。該種設備適用于中等密實度以上的路面冰雪清除。 滾齒焊接方式的優(yōu)點是加工方便，缺點是掉齒、壞齒后，在現(xiàn)場不能及時更換。螺栓連接滾齒的優(yōu)點是可隨時更換滾齒，缺點是加工不方便。 對于帶有振動系統(tǒng)的碾壓滾，通常不采用焊接方法連接滾齒。振動碾壓滾作業(yè)范圍比無振動系統(tǒng)碾壓滾的作業(yè)范圍要寬。調頻振動系統(tǒng)碾壓設備可以根據(jù)現(xiàn)場冰雪特性，適當調節(jié)振動頻率，提高冰雪清除程度。 ③刷式。刷式冰雪清除工具的工作原理是利用刷子把冰雪掃除到路面以外。按照刷子的硬度及其掃除冰雪的特點，分為軟刷和硬刷兩種。該種設備的作業(yè)效率相對較低，適用范圍狹窄。軟刷只能用于清除浮雪，硬刷只能用于清除高硬度的冰雪。硬刷式冰雪清除設備在作業(yè)時易對路面造成損傷。 ④剁鏟式。剁鏟式冰雪清除設備的作業(yè)屬具是模仿人工作業(yè)方式，利用機械方法清除冰雪。該種設備只適用于中等密實度的冰雪清除作業(yè)，且作業(yè)效率低，路面冰雪殘留明顯，不適合進行高速作業(yè)。若下剁力調節(jié)不合適，很容易損傷路面。因此，剁鏟式冰雪清除設備的應用范圍受到了限制。 ⑤螺旋絞龍式。該設備利用螺旋葉片的旋轉力，將浮雪絞入，并在旋轉螺旋葉片離心力作用下將浮雪拋出作業(yè)區(qū)域。該種設備作業(yè)效率高，外拋浮雪距離遠。但只適用于浮雪清除，且路面積雪殘留較多。 2.3冰雪清除設備的作業(yè)特點 冰雪清除設備的清除冰雪機理分為以下兩種：一種是利用純機械力，另一種是利用其它物理能量。利用純機械力清除冰雪的設備通常是指作業(yè)屬具直接與冰雪接觸，并利用作業(yè)屬具產生的純機械力清除冰雪。包括前面提到的刮板式、碾壓式、刷式、剁鏟式、螺旋絞龍式等冰雪清除設備。利用其它物理能量清除冰雪的冰雪清除設備包括以下幾種[25]： ??①壓風式。利用空氣壓縮機產生的壓風將路面浮雪吹出路面。該種設備的缺點是能量消耗大，作業(yè)條件要求高；即浮雪粘度小、不粘結、與路面無粘連、無車輛和行人的踐踏；優(yōu)點是作業(yè)效率高。因此，該種設備通常只適用于機場等特殊場合。 ??②熱能式。利用熱能將路面冰雪融化，使融化后的冰水流出路面或利用專門的收集裝置將融化的冰雪收集起來。通常情況下，要配備壓風機，及時將清除冰雪后的路面吹干，防止殘留冰水在路面形成非常薄的鏡面冰層。路面的鏡面冰層對交通工具的危害程度遠遠高于其它冰雪對交通工具的危害。該種設備適合于清除任何形式和任何厚度的冰雪。其顯著缺點是能量消耗很大，作業(yè)效率相對較低，只適用于極特殊場合。 ??③波能式。利用電磁波、聲波等形式的波能，將冰雪與路面分離，在其它工作裝置的輔助下，將冰雪清除路面。波能式冰雪清除設備適合于清除浮雪以外的冰雪。由于波的穿透能力受到物料性質的影響，且厚度越大，能量損失越大，所以其清除冰雪的厚度受到限制。目前，在我國只有新疆進行了聲波清除冰雪的理論研究，并研制出小型樣機。 3 除雪車分類 除雪車一般由除雪工作裝置和動力機底盤兩個部分組成。分類方法主要有兩種：一種是按工作裝置的特點分類；另一種是按工作裝置與動力機底盤結合的整機結構特點分類[18]。 3.1按工作裝置特點分類 除雪車按工作裝置分為：犁板式、旋切式及其它類型。 ①犁板式除雪車。 犁板式除雪車安裝有犁板式除雪裝置、犁板式清雪機械裝置，除具有避障機構外，犁板背面還設有蝶形雪鞋（也可稱為雪橇）或輪子，以起到仿形的作用。保持犁刃與路面的間隙，同時可以減少犁刃的磨損。犁體與車輛的掛接方式采用多點鉸接，這樣既可以自動適應路面的起伏，又可以起到支撐作用，使車輛僅承受來自犁板的單向推力。運輸狀態(tài)時，犁板可抬升一定高度。犁板式清雪裝置還具有價格低廉、性能可靠、適用范圍廣等特點，應用最為廣泛[19]。其最大特點是結構簡單、造價低、性能可靠，因此應用廣泛。作業(yè)時以直線運動為主，是除雪車中保有量最大的類型。按犁板體結構又分為單向犁式、V型犁式、刮雪板式、側翼板式及犁板式綜合除雪車[18]。圖3–1為單向犁式除雪車。一般都配置于除雪車前端，又稱前雪鏟或前鏟；主要用于清除新降積雪，除雪速度較高。通過對推雪犁板曲面的優(yōu)化設計，配合選擇合適的行進角，可以獲得很好的除雪、排雪性能。據(jù)統(tǒng)計，90%以上的犁板式除雪車都裝設有單向犁。圖3–2為V型犁式除雪車，其主要結構及工作原理與單向犁式除雪車基本類似。V型犁的結構左右對稱，在除雪作業(yè)中向兩邊同時排雪。V型犁受力對稱、推力大，但結構相對復雜，排雪性能不好且作業(yè)速度較單向犁低，所用機車牽引力大。 圖3–3為刮雪板式除雪車。安裝有刮雪板除雪裝置，作業(yè)對象是一定程度的壓實雪層。由于作業(yè)對象雪質較硬，所以刮雪裝置的設計較為堅固，結構尺寸也較小。為合理利用車輛自身重力，刮雪板一般都以固定角度安裝于所用底盤車中部靠近整車重心的位置，因此又稱中鏟。圖3–4為側翼板式除雪車。在除雪車的側面裝有側翼板，側翼板又稱側鏟；主要進行需要加大除雪寬度或階梯作業(yè)等某些特殊的除雪作業(yè)。犁板式綜合除雪車是為增加除雪作業(yè)種類，把單向犁或V型犁、刮雪板、側翼板按使用需求進行組合，安裝在同一輛行走車輛上。這種除雪車適應能力強，對行走車輛的功率要求較大。 ②旋切式除雪車 旋切式除雪車的除雪裝置結構比較復雜。裝有拋雪轉子的旋切式除雪車可將積雪拋出幾十米遠，適于厚積雪清除。旋切式除雪車分為壓磙式、轉子式、螺旋轉子式等類型[18]。壓磙式除雪車配備的壓磙除雪裝置適用于清除堅硬的冰雪。根據(jù)壓磙裝配磙刀的安裝角可將其分為斜刃壓磙見圖3–5和直刃壓磙見圖3–6。據(jù)相關資料，斜刃壓磙的切入角能有效地清除冰雪和保護路面。 單螺旋轉子式除雪車如圖3–7和轉子式除雪車如圖3–8，是兩種常見的配有拋雪轉子的旋切式除雪車。工作裝置由集雪裝置、拋雪轉子、拋雪筒及連接裝置組成。集雪裝置將雪從兩邊向中間運送至葉片呈輻射狀的拋雪轉子，在高速旋轉葉片離心力作用下，沿葉片表面運動至轉子殼體頂部開口處拋出，由拋雪筒導向合適區(qū)域。 ③其它類型的除雪車 其它類型的除雪車主要有鏟剁式、錘擊式、掃雪與吹雪式及運雪車、融雪劑灑布車等。在機場等一些場合還常常把各種形式的除雪裝置搭配成綜合式除雪車以獲得滿意的除雪效果。 3.2按整車特點分類 除雪車的除雪作業(yè)效果不僅取決于所裝配除雪裝置的結構，還取決于動力機的性能及其與工作裝置間相關參數(shù)的匹配是否協(xié)調。只有正確選擇動力機并合理匹配工作裝置的性能參數(shù)，才能使設備的技術經濟指標得到充分發(fā)揮，完善整機的性能。 除雪車整車的分類方法很多?？砂凑麢C適用范圍、在除雪作業(yè)中的功用、所用底盤形式及行走方式等不同分類方法進行分類。按整車適用范圍，即除雪車的使用場合，可把除雪車分為泛用型除雪車、人行道除雪車、鐵道除雪車和高速公路除雪車等。按除雪作業(yè)中整車的作用，可把除雪車分為推雪車、拋雪車、裝雪車、特種除雪車輛（包括融雪車、融雪劑灑布車、掃雪車、壓雪車、吹雪車、綜合式除雪車等）。 按除雪車所使用底盤的不同，可以把除雪車分為專用底盤除雪車和兼用底盤除雪車兩種。專用底盤除雪車只能進行除雪作業(yè)，而兼用底盤除雪車上的除雪工作屬具均可拆卸，在不需除雪時用于運輸?shù)绕渌鳂I(yè)。按除雪車行走裝置的不同，可分為輪胎式除雪車和履帶式除雪車。 4 現(xiàn)今冰雪清除設備研究的發(fā)展趨勢 ??縱觀目前道路冰雪清除設備的研究情況，道路冰雪清除設備的發(fā)展具有以下趨勢[26]： ??①高效化。高效化的發(fā)展趨勢包括兩個方面，一是作業(yè)效率高效化，二是冰雪清除程度的高效化。只有高的作業(yè)效率和高的清除效率，才能保證路面冰雪在最短的時間內得到及時和有效的清除，保障道路暢通和安全。 ??②低耗化。統(tǒng)計資料表明，冰雪清除設備在清除路面冰雪時的能量消耗成本占總成本的80%以上。降低能量消耗，是降低冰雪清除成本較直接和有效的方法。 ③智能化。由于路面形式的多樣性，尤其是城市道路路面的復雜性，要求冰雪清除設備能夠及時準確地識別路面情況并作出相應的判斷和動作，防止作業(yè)屬具損傷路面，保護冰雪清除設備并有效地清除路面冰雪。 ??④多功能化。工作性質的多功能性，可以實現(xiàn)一臺設備清除各類冰雪，降低設備的投入資金，減輕企業(yè)負擔；工作范圍的多功能性，可以在冰雪清除的非作業(yè)期間，拆除冰雪作業(yè)屬具，使主機從事其它作業(yè)，間接降低設備投入成本，提高企業(yè)經濟收益。 ⑤小型、高速化 。清雪機機身大小及除雪速度是影響交通的重要因素。機身過大，占道影響交通；速度過低，影響車流通暢。狹窄路面的除雪也要求機身體積不宜過大。因此，除雪設備將會向小型化、高速度的方向發(fā)展。 ? ⑥環(huán)?；?。冰雪清除設備的環(huán)境保護，包括設備主機對環(huán)境的影響和冰雪清除方法對環(huán)境的影響兩個方面。設備主機對環(huán)境的影響，通常包括噪聲和尾氣。因此，選取符合環(huán)保標準的主機是關鍵。 總結 城市冬季道路積雪給車輛和行人帶來極大不便，甚至造成車禍，嚴重影響 人們正常的生產和生活秩序，這已成為世界公認的城市危害?？梢钥闯鰢鴥鹊那逖C主要為大中型清雪機，用于城市主要街道的積雪清理；以及小型的手推式揚雪機，用于道路相對狹窄的地段等。而在城市道路快速清雪的小型清雪機方面的研究及設計較為缺乏。多數(shù)研究都應用于機場、高速公路、城市主道等較為寬闊的地區(qū)；小型揚雪機等小型機械的作業(yè)效率較高，但只適用于浮雪清除且路面積雪殘留較多。我們所在城市烏魯木齊，地處我國西北，冬季降水量少且主要為降雪。冬季積雪和積冰常常會造成交通阻塞。因此，降雪后迅速、有效地清除積雪，保證道路通暢極其重要。目前，市內主街清雪作業(yè)可由清雪機完成，而相對狹窄的街道的清雪工作主要是由人工完成。人工清雪不但浪費較大的人力和物力，且清雪的效率較低。積雪經常沒被清理干凈就被來往的車輛壓實，又增加了清除難度。過多的降雪常常得不到及時有效的清除，給城市交通和人民生活帶來了許多不便。因此，迫切需要一種效率較高、成本較低的小型清雪機械。因此，針對小型快速城市道路清雪機用于較狹窄街道快速清雪的研究設計有較為重要的意義。因而在老師的指導下，我們將設計一種效率較高、機動性較好、成本較低的小型城市道路清雪機，以實現(xiàn)城市中較為狹窄街道的積雪的快速清理。 參考文獻 [1]田晉躍.國外道路除雪機械技術發(fā)展概況[J].專用汽車，2001，（4）：43-44. 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