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摘 要：针对雪后路面压实积雪难以清除这一重要问题，设计分析并制造一款新型人力除雪装置。这一除雪装置挂载与人力车上，通过电机驱动，由转动导杆机构控制除雪刀旋转冲击除雪，同时由收集裝置上的滚刷转动，将破碎的冰块儿带入收集装置。经有限元分析和试验结果表明，该装置简单方便，强度可靠。
关键词：除雪装置；转动导杆机构；有限元分析
我国的北方许多地区，每年都存在较长的降雪期。下雪时的道路积雪对于人们的生活和生产造成了很大的影响。人们总是习惯于降雪后清除积雪，但是积雪经过行人的踩踏及车辆的碾压会在道路表面形成硬实的冰雪混合物。人力除雪非常的费力耗时，在这个情况下要求制造符合我国实际的机械除雪车[1]。
清除压实雪机械设计投入成本高，除雪效果不够理想。而目前广泛使用的融雪剂除雪法，能够高效快速的清除压实雪，可它对于环境和公路设施有很大的破坏，对水源植被的影响也很大。虽然环境友好型除雪剂已经问世，但是对于环境和植被的影响不能完全消除。因此研究一种廉价、环保、高效、操作简单的除雪装置有重大的意义[2]。
1 工作原理和方案设计
1.1 机车工作原理
人力除雪车总布局图如图1所示。，用脚踩下操作杆调节千斤顶10，支撑杆12向下转动，同时拉压杆18带动滑块21在摆杆19上的滑槽中滑动，使得摆杆19向下转动，当除雪刀到达合适位置时，收集装置上的滚轮22与地面接触。启动电动机3，动力通过带传动传递到链轮轴11上，再经链传动传递到除雪装置，使得除雪装置上的转盘转动，在转盘转动的过程中，除雪装置上的除雪刀发生周期性收缩即上升时缩回下降时伸出，到达最低点时冲击路面上的冰雪，在人脚蹬除雪车前进的过程中，收集装置上的滚轮22带动滚刷13转动，使破碎的冰雪进入收集器，达到除雪的效果。
1.2 方案设计
1.2.1 除雪装置的设计
除雪装置的三维模型如图2所示，它由除雪刀转盘、导杆、方管支座、直线轴承、双头螺杆、联轴器、和主轴等组成。其中冲压机构是人力除雪车的重要组成机构之一，它由曲柄滑块机构组成，联轴器6作为曲柄，双头螺杆5作为连杆，导杆2相当于滑块。在除雪车前进的过程中，当动力通过链传动传给链轮，链轮带动转盘7转动时，联轴器6带动主轴转动，进而使导杆2在直线轴承中移动，除雪刀1随导杆2一起伸出。当到竖直位置的最低点，利用主轴偏心，完成一次冲击动作。由于转盘7的惯性，加之额外的力的作用，给除雪车提供了足够的动力，达到了除雪目的。为保证强度，双头螺杆和导杆均选用45号钢。
1.2.2 收集装置的设计
收集装置由滚刷、滚轮、滚轴、收集器、支架等组成。在除雪车前进的过程中，滚轮1带动滚刷3转动，使破碎的冰雪进入收集器5。滚刷毛具有一定的倾斜角度是为了减少刷毛的磨损，同时能够使破碎的冰雪进入收集器。收集器5的结构设计成折线形，以保证已进入的冰雪不从收集器中脱落。收集装置如图3所示。
1.2.3 除雪刀的设计
由于除雪刀在使用中应满足一定的强度、硬度、耐磨性和韧性，因此本车刀选用的材料是经过氮化和表面淬火处理的ZGMn13Cr2高锰钢，氮化和淬火处理后的钢表面硬度得到大幅提高，而ZGMn13Cr2高锰钢本身具有耐冲击，耐磨等特点，也具有一定的塑性、韧性，是适合除雪的。
在实验过程中我们发现刀具的切入角度会很大程度的影响除雪效果，所以在实验中试阶段我们改进了刀具的切入角度以及刃的形式，并不是单一的刃，而是复杂的多角度的。当所要破碎的冰层较厚时，可采用点接触式除雪刀，以达到更好的除雪效果。
2 典型零部件结构设计
2.1 转盘设计
转盘设计图如图4所示，为了给除雪车提供更好的动力，本机采用大圆盘带动曲柄滑块
机构运动，利用圆盘的惯性可以先使机器转动起来然后再除雪，会更加容易。转盘上对称的八个孔能够减轻转盘的重量，同时可以提供动平衡。
2.2 导杆的连接设计
导杆的连接质量直接影响除雪的效果，所以本设计采用了两个端点轴承配合的方式作为导杆的连接。导杆连接设计图和实物图如图5所示。
3 主要零件的有限元分析
通过多次试验测试分析以及计算分析得知除雪刀需要承受很大力的作用力且工作状况最为恶劣，是设备最主要的受力零件，其刚度和变形对使用过程影响较大。因此对除雪刀进行有限元应力分析。其分析过程如下[3]：
由以上测试数据可知此除雪刀的最大变形量和最大应力均满足许用值，在允许变形范围内，故此除雪刀符合要求。
4 结论
该人力除雪装置经过对人工模拟的冰冻路面与实际降雪后的冰雪路面的实地清除测试，最厚可以破除1.5cm左右的冰冻路面，冰雪清除率可以达到85%以上。可以有效的保障降雪后道路交通的安全。
本装置操作简单灵活机动，实用性较强且造价成本相对低廉。不会占用过多的道路面积，保证及时清理积雪的同时又不会影响车辆行人通行。在正常工作时间内，可以代替20个左右环卫工人的劳动量，能够填补大型机械作业的盲区，及时有效的清理冰雪。平均除雪花费也减少80%以上，但是仍然存在一些结构不足，还需要开发新的机构来简化其结构，同时还要提高装置的通用性，提高其稳定性及适应性。以面对复杂情况下除雪任务。
参考文献：
[1]胡海英.国内除雪机械现状及发展趋势[J].工程机械与维修，2011（08）.
[2]祁玉龙，孟庆勇，王文艺.除雪除冰设备的现状和发展趋势[J].铁道建筑技术，2012（10）：88-90.
[3]纪冷桐，赵军，张哑.有限元技术基础[M].北京：化学工业出版社，2007.4.
[4]陆季挺，靳长征.高速公路快速除雪作业[J].筑路机械与施工机械化，1999，（2）：43-45.
[5]徐东明，刘莉莉.除雪车功能装置[J].专用汽车，2001，（3）：29-42.
[6]张长荣.振动压裂式破冰雪机的研制[J].筑路机械与施工机械化，1999，（6）：16-17.
[7]穆存远，孙立新，等.城市道路积雪物理机械性能测试研究[J].机械设计与制造，2001（3）：73-74.
作者简介：第一作者：柳晋晋，辽宁工业大学。
关键词：除雪装置；转动导杆机构；有限元分析
我国的北方许多地区，每年都存在较长的降雪期。下雪时的道路积雪对于人们的生活和生产造成了很大的影响。人们总是习惯于降雪后清除积雪，但是积雪经过行人的踩踏及车辆的碾压会在道路表面形成硬实的冰雪混合物。人力除雪非常的费力耗时，在这个情况下要求制造符合我国实际的机械除雪车[1]。
清除压实雪机械设计投入成本高，除雪效果不够理想。而目前广泛使用的融雪剂除雪法，能够高效快速的清除压实雪，可它对于环境和公路设施有很大的破坏，对水源植被的影响也很大。虽然环境友好型除雪剂已经问世，但是对于环境和植被的影响不能完全消除。因此研究一种廉价、环保、高效、操作简单的除雪装置有重大的意义[2]。
1 工作原理和方案设计
1.1 机车工作原理
人力除雪车总布局图如图1所示。，用脚踩下操作杆调节千斤顶10，支撑杆12向下转动，同时拉压杆18带动滑块21在摆杆19上的滑槽中滑动，使得摆杆19向下转动，当除雪刀到达合适位置时，收集装置上的滚轮22与地面接触。启动电动机3，动力通过带传动传递到链轮轴11上，再经链传动传递到除雪装置，使得除雪装置上的转盘转动，在转盘转动的过程中，除雪装置上的除雪刀发生周期性收缩即上升时缩回下降时伸出，到达最低点时冲击路面上的冰雪，在人脚蹬除雪车前进的过程中，收集装置上的滚轮22带动滚刷13转动，使破碎的冰雪进入收集器，达到除雪的效果。
1.2 方案设计
1.2.1 除雪装置的设计
除雪装置的三维模型如图2所示，它由除雪刀转盘、导杆、方管支座、直线轴承、双头螺杆、联轴器、和主轴等组成。其中冲压机构是人力除雪车的重要组成机构之一，它由曲柄滑块机构组成，联轴器6作为曲柄，双头螺杆5作为连杆，导杆2相当于滑块。在除雪车前进的过程中，当动力通过链传动传给链轮，链轮带动转盘7转动时，联轴器6带动主轴转动，进而使导杆2在直线轴承中移动，除雪刀1随导杆2一起伸出。当到竖直位置的最低点，利用主轴偏心，完成一次冲击动作。由于转盘7的惯性，加之额外的力的作用，给除雪车提供了足够的动力，达到了除雪目的。为保证强度，双头螺杆和导杆均选用45号钢。
1.2.2 收集装置的设计
收集装置由滚刷、滚轮、滚轴、收集器、支架等组成。在除雪车前进的过程中，滚轮1带动滚刷3转动，使破碎的冰雪进入收集器5。滚刷毛具有一定的倾斜角度是为了减少刷毛的磨损，同时能够使破碎的冰雪进入收集器。收集器5的结构设计成折线形，以保证已进入的冰雪不从收集器中脱落。收集装置如图3所示。
1.2.3 除雪刀的设计
由于除雪刀在使用中应满足一定的强度、硬度、耐磨性和韧性，因此本车刀选用的材料是经过氮化和表面淬火处理的ZGMn13Cr2高锰钢，氮化和淬火处理后的钢表面硬度得到大幅提高，而ZGMn13Cr2高锰钢本身具有耐冲击，耐磨等特点，也具有一定的塑性、韧性，是适合除雪的。
在实验过程中我们发现刀具的切入角度会很大程度的影响除雪效果，所以在实验中试阶段我们改进了刀具的切入角度以及刃的形式，并不是单一的刃，而是复杂的多角度的。当所要破碎的冰层较厚时，可采用点接触式除雪刀，以达到更好的除雪效果。
2 典型零部件结构设计
2.1 转盘设计
转盘设计图如图4所示，为了给除雪车提供更好的动力，本机采用大圆盘带动曲柄滑块
机构运动，利用圆盘的惯性可以先使机器转动起来然后再除雪，会更加容易。转盘上对称的八个孔能够减轻转盘的重量，同时可以提供动平衡。
2.2 导杆的连接设计
导杆的连接质量直接影响除雪的效果，所以本设计采用了两个端点轴承配合的方式作为导杆的连接。导杆连接设计图和实物图如图5所示。
3 主要零件的有限元分析
通过多次试验测试分析以及计算分析得知除雪刀需要承受很大力的作用力且工作状况最为恶劣，是设备最主要的受力零件，其刚度和变形对使用过程影响较大。因此对除雪刀进行有限元应力分析。其分析过程如下[3]：
由以上测试数据可知此除雪刀的最大变形量和最大应力均满足许用值，在允许变形范围内，故此除雪刀符合要求。
4 结论
该人力除雪装置经过对人工模拟的冰冻路面与实际降雪后的冰雪路面的实地清除测试，最厚可以破除1.5cm左右的冰冻路面，冰雪清除率可以达到85%以上。可以有效的保障降雪后道路交通的安全。
本装置操作简单灵活机动，实用性较强且造价成本相对低廉。不会占用过多的道路面积，保证及时清理积雪的同时又不会影响车辆行人通行。在正常工作时间内，可以代替20个左右环卫工人的劳动量，能够填补大型机械作业的盲区，及时有效的清理冰雪。平均除雪花费也减少80%以上，但是仍然存在一些结构不足，还需要开发新的机构来简化其结构，同时还要提高装置的通用性，提高其稳定性及适应性。以面对复杂情况下除雪任务。
参考文献：
[1]胡海英.国内除雪机械现状及发展趋势[J].工程机械与维修，2011（08）.
[2]祁玉龙，孟庆勇，王文艺.除雪除冰设备的现状和发展趋势[J].铁道建筑技术，2012（10）：88-90.
[3]纪冷桐，赵军，张哑.有限元技术基础[M].北京：化学工业出版社，2007.4.
[4]陆季挺，靳长征.高速公路快速除雪作业[J].筑路机械与施工机械化，1999，（2）：43-45.
[5]徐东明，刘莉莉.除雪车功能装置[J].专用汽车，2001，（3）：29-42.
[6]张长荣.振动压裂式破冰雪机的研制[J].筑路机械与施工机械化，1999，（6）：16-17.
[7]穆存远，孙立新，等.城市道路积雪物理机械性能测试研究[J].机械设计与制造，2001（3）：73-74.
作者简介：第一作者：柳晋晋，辽宁工业大学。