闫元锋① YAN Yuan-feng；杨仲磊② YANG Zhong-lei；金超然① JIN Chao-ran
（①河南兴泰科技实业有限公司，郑州 450001；②郑州机械研究所，郑州 450001）
（①Henan Xingtai science and Technology Industrial Co.，Ltd.，Zhengzhou 450001，China；
②Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering，Zhengzhou 450001，China）
摘要： 冬季我国北方地区，机场和道路积雪给人们日常生活和交通运输带来极大困难，及时清除这些积雪是季节性道路养护作业的一项重要工作。结合实际情况，本团队开发设计出安装在专用工程设备上的雪铲，利用有限元分析等工具，详细分析研究该设备。
Abstract: In the winter of north China, airport and road snow cause great difficulties to people´s daily life. To clear the snow timely is an important part of seasonal road maintenance work. Combined with the actual situation, the snow shovel installed on the special engineering equipment is designed. Using the finite element analysis and other tools, the equipment is analyzed and researched in detail.
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关键词 ： 雪铲；有限元分析；专业工程设备；机场除雪
Key words: snow shovel；finite element analysis；professional engineering equipment；airport snow removal
中图分类号：TH13 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）34-0076-02
作者简介：闫元锋（1980-），男，河南许昌人，助理工程师，主要研究方向为主食机械（馒头和面条机械）、工程机械。
0 引言
随着我国经济的快速发展，道路和机场建设大幅增多和改善，我国北方的广大地区，每年冬季都会造成大雪封路，机场跑道被埋等现象，严重威胁着交通安全，并且随着“实时清雪、机械除雪为主、化学融雪为辅”等观念和技术的推广，发展快速、高效、环保的除雪设备已成为各除雪设备厂的研究方向之一。本文是本研究团队设计的4200mm雪铲清扫机场积雪的详细研究和分析。
雪铲的设计参数：最大推雪宽度：4200mm；最大推雪厚度：300mm；雪铲左右可调角度：±30°；
雪铲正常作业速度：30km/h；
雪地环境：机场自然降落的雪层；雪铲的结构如图1所示。
1 雪铲铲体弧度参数的设计计算
1.1 设计原则 雪铲铲体弧度的设计原则是：正常作业时，雪铲上要尽量少粘雪；雪团向上抛起的高度不影响驾驶员的视线；雪团侧向抛出的距离较远，有利于除雪效果。
1.2 计算公式 本设计中雪团以雪铲前进的速度抛向雪铲，其能量转化成势能和侧向抛雪做功。雪团相对于雪铲的运动，根据运动学和动力学的相关理论，得到高度h位置处雪团沿雪铲弧度切线方向的速度为
1.3 计算结果分析
1.3.1 按照1.2的计算公式，计算了雪团抛离地面高度随雪铲弧度半径R和铲雪车作业速度V的变化关系，我们分别做了三种弧度半径（0.9m、1.0m、1.1m）和三种作业速度（20km/h、30km/h、40km/h）情况下的计算分析得到：同样的作业速度，雪团抛离地面的高度随雪铲弧度半径的增加而增加。这表明：为了避免使雪团抛离地面的高度太高而影响驾驶员的视线，应尽量减小雪铲弧度半径。
1.3.2 按照1.2的计算公式，取1kg的雪团在雪铲表面运动，分析计算消耗的能量与雪铲弧度半径R（分别取0.9m、1.0m、1.1m）和铲雪车作业速度V（分别取20km/h、30km/h、40km/h）三者之间的关系。分析结果得：铲雪车作业速度不变时，雪铲弧度半径越大，雪团运动消耗的能量越小。表明：雪铲弧度半径越小，雪团就越容易粘附在雪铲表面，影响铲雪效果，所以雪铲弧度半径不宜太小。
1.3.3 雪铲弧度半径R=1m时，计算雪团侧向抛出距离与铲雪车作业速度（分别取20km/h、30km/h、35km/h、40km/h）、抛出点离地面高度（分别取0.6m、0.8m、1.0m、1.2m）。从计算的数据分析得到：当铲雪作业速度为30km/h时，雪团从侧向抛出的距离在4-6m之间；雪团侧向抛出的距离随铲雪作业速度的增加而增加。
1.4 结论 根据雪铲的工况条件，按照1.1节给出的设计原则，雪铲弧度半径R=1m是比较合适的，这样既可以有效避免或减少雪铲的粘雪现象，又可以不把雪抛出很高的高度而影响作业环境。
2 雪铲的结构强度分析
雪铲最薄弱的部分是聚四氟乙烯铲刀。铲刀的两面用钢板夹持，背面的钢板完全覆盖了铲刀，对铲刀起加强和保护作用；正面的钢板则主要起压紧作用。因而校核分析铲刀的强度就是对聚四氟乙烯铲刀的强度计算分析。
为提高计算精度，采用了有限元六面体单元进行分析。考虑如下四种情况。
①外力均布在雪铲刀面上，通过有限元分析得铲刀受到的最大应力为0.123MPa。
②外力集中分布在雪铲中心刀刃100mm的长度上，分析得铲刀受力变形其最大应力为1.96MPa。
③外力集中分布在雪铲中心刀刃200mm的长度上，分析得铲刀受力变形的最大应力为1.21MPa。
④外力集中分布在雪铲左侧刀刃100mm的长度上，分析得铲刀受力变形的最大应力3.94Mpa。
⑤结论：雪铲正常工作时承受的应力为0.123-3.94MPa，此值远小于聚四氟乙烯的强度极限10Mpa。故认为：雪铲设计是合理的，且有很大的安全裕度。
3 避让机构计算分析
3.1 弹簧刚度计算
弹簧刚度的计算公式为K=Gd4/8D3n （9）
其中：K—弹簧刚度；
G—弹簧的剪切弹性模量；
D—弹簧中径；
d—簧丝直径；
n—有效圈数。
3.4 结论
计算结果表明：当某一块推雪板遇到障碍物时，若障碍物的阻力达到或超过1887牛顿时，避障机构动作，推雪板自动打开，从而起到保护推雪板的作用。
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