晉中高速公路除雪車推雪鏟寬度優(yōu)化

魏暉昕

(山西交控集團(tuán) 晉中高速公路分公司，山西 陽泉 030600)

0 引言

晉中高速公路陽左路段(以下簡(jiǎn)稱為陽左高速)是陽泉至左權(quán)的主要交通樞紐。山西左權(quán)、昔陽、和順過去由于交通不便，通行受阻，多年來發(fā)展緩慢。自陽左高速公路建成以來，成為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要通道。在過去的“十三五”時(shí)期，當(dāng)?shù)匾揽啃陆ǔ傻年栕蟾咚俟罚粩噢D(zhuǎn)型發(fā)展，終于實(shí)現(xiàn)脫貧。在“十四五”時(shí)期，陽左高速公路不僅可助力當(dāng)?shù)剜l(xiāng)村振興，同時(shí)也是當(dāng)?shù)剞r(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)纳€。和順、左權(quán)地區(qū)冬季降雪頻繁且降雪量大，一旦降雪高速公路封閉。當(dāng)?shù)厝嗣竦恼Ｉa(chǎn)、生活將受到嚴(yán)重的制約和影響。

現(xiàn)在陽左高速公路采取的應(yīng)急除雪方法為融雪劑融雪配合推雪鏟推雪。推雪鏟推雪[1]是使用推雪鏟將高速公路路面積雪推移的方法。推雪鏟[2]由于其除雪性能好、效率高、耐腐蝕性，因此被廣泛應(yīng)用于高速公路除雪作業(yè)。

結(jié)合推雪鏟的工作環(huán)境和制造的經(jīng)濟(jì)性等因素，軟而韌的材料[3]被選定為推雪鏟切削刃制造加工的材料，其余部件會(huì)使用一些類似于Q235具有良好焊接性的鋼。

國(guó)內(nèi)為了更好的優(yōu)化推雪鏟[4]，對(duì)推雪鏟的寬度、切削角、鏟板空間形狀、行進(jìn)角等進(jìn)行試驗(yàn)力學(xué)分析，獲得了推雪鏟的最佳推雪參數(shù)。采用灰色系統(tǒng)理論，分析研究參數(shù)，獲得了較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。

國(guó)外常用的除雪機(jī)械設(shè)備有兩種，分別是：犁式和旋切式除雪機(jī)[5-8]。具有代表性的推雪鏟有以下3種：分段式、折疊式、整體式[9]。

推雪鏟被廣泛使用后，被專家學(xué)者不斷優(yōu)化，提升其除雪性能。然而公路管理單位不可能頻繁更換除雪設(shè)備，但可以通過優(yōu)化現(xiàn)有除雪設(shè)備來提升除雪效率。文中在觀察山西晉中陽左片區(qū)公路除雪流程，發(fā)現(xiàn)了當(dāng)前使用的推雪鏟推雪寬度和高速公路路面寬度不匹配。

經(jīng)過研究分析，發(fā)現(xiàn)推雪寬度與路面寬度不是整倍關(guān)系，推雪寬度與路面寬度不匹配，推雪寬度大于路面寬度，存在資源浪費(fèi)。結(jié)合現(xiàn)有除雪機(jī)推雪量及路面寬度，進(jìn)一步計(jì)算分析，提出將推雪鏟由3.3 m加寬為4.5 m的解決方案，以此重新配置了高速公路推雪作業(yè)工序。通過計(jì)算加寬推雪鏟后除雪車推力和除雪阻力、除雪車額定功率和除雪作業(yè)消耗功率，分析除雪車縱向穩(wěn)定性，驗(yàn)證了加寬推雪鏟方案的可行性。最后選用可拆卸螺栓固接方式加寬推雪鏟。利用優(yōu)化后的除雪車推雪鏟冬季作業(yè)，不僅提升了除雪效率，而且還實(shí)現(xiàn)了降本節(jié)能。

1 研究目標(biāo)和內(nèi)容

1.1 除雪預(yù)案簡(jiǎn)介及存在問題

根據(jù)和順路產(chǎn)維護(hù)站養(yǎng)護(hù)除雪實(shí)施辦法，為保證所管高速路段在雪停后及早解除封閉，恢復(fù)通行。具體除雪流程：1號(hào)除雪車、2號(hào)除雪車、3號(hào)除雪車、4號(hào)除雪車分別從左權(quán)北收費(fèi)站出發(fā)以30 km/h去往和順方向，推第1道、第2道、第3道、第4道，清除和順方向和左權(quán)方向公路路面積雪。

1.2 存在問題及原因分析

根據(jù)以上介紹可知，使用4臺(tái)除雪設(shè)備才可完成1個(gè)方向的公路除雪作業(yè)任務(wù)。高速公路1個(gè)方向由3個(gè)車道組成，總寬度10 m。目前，養(yǎng)護(hù)單位庫(kù)存使用的推雪鏟寬度為3.3 m，推雪寬度[10]為2.9 m。

當(dāng)下使用現(xiàn)有除雪設(shè)備作業(yè)中存在問題和具體原因分析表達(dá)如圖1所示。

圖1 現(xiàn)有除雪設(shè)備問題原因分析Fig.1 Cause analysis on problems of existing snow removal equipment

1.3 現(xiàn)有除雪設(shè)備簡(jiǎn)介

1.3.1 現(xiàn)有推雪鏟簡(jiǎn)介

和順路產(chǎn)維護(hù)站現(xiàn)使用的推雪鏟，由中美工程師聯(lián)合設(shè)計(jì)、生產(chǎn)，產(chǎn)品不僅外形大氣，而且鏟刃還可以自動(dòng)壁障。和順路產(chǎn)維護(hù)站現(xiàn)有推雪鏟參數(shù)如表1所示。

表1 現(xiàn)有庫(kù)存推雪鏟簡(jiǎn)介Tab.1 Introduction of existing stock snow shovels

1.3.2 現(xiàn)有除雪車簡(jiǎn)介

和順路產(chǎn)維護(hù)站現(xiàn)使用的除雪車為全輪驅(qū)動(dòng)，該車在除雪作業(yè)時(shí)可前置推雪鏟，后置撒布機(jī)。實(shí)現(xiàn)機(jī)械除雪、融雪劑除雪同步進(jìn)行。和順路產(chǎn)維護(hù)站現(xiàn)有除雪車具體參數(shù)如表2所示。

表2 當(dāng)前除雪車簡(jiǎn)介Tab.2 Introduction to current snow plow

1.4 研究?jī)?nèi)容及目標(biāo)

由于現(xiàn)有推雪鏟推雪寬度與高速公路寬度不是整數(shù)倍關(guān)系導(dǎo)致現(xiàn)行除雪作業(yè)中存在機(jī)械、人工浪費(fèi)。為解決此問題，需優(yōu)化設(shè)計(jì)現(xiàn)有推雪鏟寬度，使其與高速公路路面寬度相匹配。可從以下幾點(diǎn)著手研究：(1)選定推雪鏟需優(yōu)化的寬度；(2)通過理論計(jì)算分析驗(yàn)證選定推雪鏟寬度的可行性；(3)利用優(yōu)化后的推雪鏟實(shí)際除雪驗(yàn)證真實(shí)可行性。

2 推雪鏟寬度優(yōu)化方案

2.1 設(shè)計(jì)解決方案

現(xiàn)有推雪鏟推雪寬度與高速公路路面寬度不是整數(shù)倍關(guān)系，需重新設(shè)計(jì)推雪鏟，選定推雪鏟寬度。利用小組成員頭腦風(fēng)暴法，得到如表3所統(tǒng)計(jì)的解決方案。

表3 提出的方案Tab.3 Proposed schemes

2.2 方案選定

如果采用方案1，增大推雪鏟行進(jìn)角，推雪鏟最大行進(jìn)角為90°，此時(shí)3個(gè)推雪鏟總推雪寬度為9.9 m，路面寬度為10 m，3個(gè)推雪鏟推雪總寬度小于路面寬度。如果使用4個(gè)推雪鏟則是現(xiàn)行除雪方案，存在資源浪費(fèi)。因此方案1被排除。

如果采用方案2，雖然前期優(yōu)化設(shè)計(jì)，將存在費(fèi)用開支。但日后除雪作業(yè)中可有效降低經(jīng)濟(jì)損耗，提升除雪效率。根據(jù)上述分析，將選取方案2對(duì)推雪鏟設(shè)計(jì)加寬。

2.3 選定推雪鏟寬度

優(yōu)化加寬推雪鏟寬度的計(jì)算、分析、選取如圖2所示。通過圖中的初步計(jì)算分析，確定推雪鏟寬度為4.5 m。

圖2 選定推雪鏟寬度Fig.2 Selecting width of snow shovel

3 理論分析與加寬方式選取

3.1 加寬推雪鏟材料選取

通過閱讀現(xiàn)有推雪鏟使用說明，得知推雪鏟切削刃所使用的材料[11]為鋼板65 Mn，推雪鏟其他部件所使用的材料是Q235優(yōu)質(zhì)碳素鋼。

推雪鏟除雪作業(yè)中由于切削刃直接和公路路面積雪接觸，因此需選用強(qiáng)度高，耐磨性好的材料，而鋼板65 Mn正好符合此要求。Q235優(yōu)質(zhì)碳素鋼[12]切削性能好，焊接性能佳。

因此在加寬推雪鏟時(shí)，切削刃材料仍然選用鋼板65 Mn，其他部件仍然使用Q235優(yōu)質(zhì)碳素鋼。

3.2 比切力計(jì)算

當(dāng)選定推雪鏟寬度后,應(yīng)按比切力[13-15]加以檢驗(yàn)：

(1)

式中，F(xiàn)e為一除雪車額定除雪作業(yè)工況下的驅(qū)動(dòng)力；qx為推雪鏟寬度。

當(dāng)推雪鏟切削刃水平比切力在20～100 N/cm時(shí)，除雪車即可正常除雪作業(yè)。根據(jù)以上方案，選定的推雪鏟寬度為450 cm。

而除雪車額定牽引力Fe為：

(2)

式中，P1為除雪車額定功率；v為除雪車行駛速度。

現(xiàn)有除雪車的額定功率是198 kW，除雪作業(yè)時(shí)行使速度為30 km/h，即8.3 m/s。計(jì)算可得Fe約為23 855.42 N。繼而求得B約為53.01 N/cm，在20～100 N/cm之間，可滿足工作要求。

3.3 除雪設(shè)備受力分析與計(jì)算

3.3.1 除雪設(shè)備阻力分析與計(jì)算

當(dāng)除雪車推雪鏟除雪作業(yè)時(shí)，受到的各部分阻力如圖3所示。

圖3 除雪車推雪鏟所受阻力分析Fig.3 Analysis on resistance of shovel of snow plow

推雪鏟推雪作業(yè)時(shí)所受的阻力Fp由3部分組成，如圖4所示。

圖4 推雪鏟除雪作業(yè)所受阻力分析Fig.4 Analysis on resistance of shoveling operation

根據(jù)上圖分析可知推雪鏟推雪作業(yè)時(shí)所受的阻力Fp計(jì)算公式為：

Fp=Ff+Fc+Fa。

(3)

為方便理解、計(jì)算，建立如圖5所示的推雪鏟受力直角坐標(biāo)系[16]。定義X軸方向?yàn)榍斑M(jìn)方向(正方向)，鏟體左側(cè)方向?yàn)閅軸正方向，Z軸為垂直向上方向。

圖5 推雪鏟受力直角坐標(biāo)系Fig.5 Cartesian coordinate system of forces on snow shovel

根據(jù)上圖可將推雪鏟推雪作業(yè)時(shí)所受的阻力Fp分解為如圖6所示的3個(gè)方向分力。

圖6 推雪鏟受力分解Fig.6 Decomposition of forces on snow shovel

當(dāng)推雪鏟除雪作業(yè)時(shí)，除雪速度不同推雪鏟所受阻力也不同。根據(jù)和順路產(chǎn)維護(hù)站應(yīng)急除雪管理辦法可知，目前規(guī)定的除雪速度為30 km/h，因此可得到如下所示的推雪鏟推雪作業(yè)時(shí)所受阻力的計(jì)算公式[16]。

推雪鏟前進(jìn)方向上的阻力為:

Fpx=g·μf·Wp+Sρν2×(1+0.18sin2θ-0.45cos2θ)，

(4)

側(cè)向阻力的計(jì)算方法為：

Fpy=0.72S·ρ·ν2·sinθ·cosθ，

(5)

垂直阻力的計(jì)算方法為:

Fpz=g·Wp，

(6)

式中，μf為推雪鏟切削刃與路面積雪的摩擦系數(shù)，鋼與壓實(shí)積雪的摩擦系數(shù)為0.1；g為重力加速度，取值9.8；Wp為推雪鏟體質(zhì)量；S為除雪斷面積，為除雪寬度與除雪深度的乘積，除雪寬為推雪鏟寬度，除雪深度取值0.17 m；θ為推雪鏟的行進(jìn)角；ν為推雪鏟的除雪作業(yè)速度，取值8.3 m/s；ρ為積雪密度，此處的輕度壓實(shí)積雪取值為300 kg/m3。

根據(jù)車輛行駛阻力計(jì)算公式[16]，可得除雪車行駛阻力計(jì)算公式為：

Fm=g(μaAν2+μrM1)，

(7)

式中μa為空氣阻力系數(shù),平頭型車輛μa=0.002 75；ν為除雪作業(yè)速度,取值30 km/h；A為除雪車車體的正面投影面積，現(xiàn)使用的除雪車正面投影面積取值3.47 m2；μr為滾動(dòng)-阻力系數(shù)，積雪路面與防滑輪胎間μr=0.018 9+0.000 60ν；M1為除雪車質(zhì)量。

當(dāng)除雪車作業(yè)時(shí)，在水平方向整體除雪設(shè)備所受的阻力Fx由除雪車所受的行駛阻力Fm和推雪鏟所受的除雪作業(yè)方向的阻力[17-19]Fpx，計(jì)算公式如下：

Fx=Fpx+Fm=g·μf·Wp+Sρν2×

(1+0.18sin2θ-0.45cos2θ)+g(μaAν2+μrM)。

(8)

由公路養(yǎng)護(hù)單位的除雪預(yù)案可知30 km/h為規(guī)定的除雪速度，實(shí)際除雪速度亦如此。所以此處計(jì)算采用30 km/h，通過計(jì)算可得水平方向整體除雪設(shè)備所受的阻力Fx為19 486.44 N。

3.3.2 除雪車附著力分析與計(jì)算

為了保證推雪鏟可以正常除雪作業(yè)，除雪車的推力必須大于除雪設(shè)備在前進(jìn)方向所受的阻力。

現(xiàn)有除雪車為全輪驅(qū)動(dòng)。除雪車的驅(qū)動(dòng)力Fkmax等于除雪車輪胎與積雪路面之間所產(chǎn)生的附著力Fμ。積雪路面產(chǎn)生的最大附著力[20]計(jì)算公式為:

Fμ=μ(gM2-Fpz)，

(9)

式中，μ為附著系數(shù),當(dāng)安裝低壓胎及裝防滑鏈情況時(shí),積雪路面與防滑輪胎的附著系數(shù)一般取值為0.25～0.45；M2為除雪車整車裝置質(zhì)量，這里考慮除雪車質(zhì)量、推雪鏟質(zhì)量及配置質(zhì)量等，取值為10 177.5 kg。通過計(jì)算可得出除雪車的附著力為93 578 N。對(duì)比除雪設(shè)備行進(jìn)方向所受的阻力Fx和除雪車推力，93 578 N>19 486.44 N。

3.4 縱向側(cè)向穩(wěn)定性分析

在除雪車帶動(dòng)推雪鏟除雪作業(yè)時(shí)，除了除雪阻力外，還會(huì)有縱向力影響到除雪車的整體穩(wěn)定性。因此除雪車輪胎附著力Fμ不僅要為整體除雪設(shè)備輸出前進(jìn)動(dòng)力，同時(shí)需防止除雪車發(fā)生整體縱向滑移。

當(dāng)除雪車帶動(dòng)推雪鏟清除積雪時(shí)，根據(jù)車輛的行駛特性,除雪車可能以前輪為支點(diǎn)發(fā)生車尾擺動(dòng)導(dǎo)致縱向滑移。若對(duì)其縱向擺動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,即假定除雪車前輪承擔(dān)1/3的縱向抵抗力、后輪承擔(dān)2/3的縱向抵抗力，以此分配方式分析、計(jì)算,同時(shí)假定側(cè)擺支撐點(diǎn)為前輪[21]。當(dāng)除雪車作業(yè)速度為30 km/h時(shí)，有如下判別模型:

3.456hρv2sinθcosθ≤2.4μg[(M2+ΔM2)-Wp]，

(10)

式中，h為積雪的厚度，本研究中取值0.17 m。

由上述計(jì)算得到，當(dāng)除雪車帶到推雪鏟清除積雪時(shí)，除雪車輪胎的最大附著力為93 578 N。和順路產(chǎn)維護(hù)站規(guī)定的除雪作業(yè)速度為30 km/h，除雪車受到的縱向分力為4 929 N，滿足縱向穩(wěn)定要求。

3.5 除雪作業(yè)功率計(jì)算

當(dāng)除雪車帶動(dòng)推雪鏟推雪時(shí)，除雪車所需要的功率[22]P2的計(jì)算公式如下：

(11)

式中，P2為除雪車所需功率；Fpx為前進(jìn)方向所受的除雪阻力；v為除雪作業(yè)速度；η為傳動(dòng)效率，當(dāng)機(jī)械傳動(dòng)時(shí)，η=0.85。

根據(jù)上述計(jì)算公式計(jì)算得到P2=190.275 kW。198 kW是目前養(yǎng)護(hù)單位現(xiàn)庫(kù)存使用的除雪車的發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率，對(duì)比可得198 kW>190.275 kW。

綜上可知，除雪車按照規(guī)定的除雪速度，可以完成0.17 m厚，密度300 kg/m3的積雪清除任務(wù)。

3.6 推雪鏟加寬方式選取

和順路產(chǎn)維護(hù)站現(xiàn)有推雪鏟為加強(qiáng)版，在選取加寬方法時(shí)，可選銷孔鏈接的方式加寬推雪鏟。

首先在推雪鏟鏟背鍵上鉆取銷孔，如圖7所示。然后使用可拆卸螺栓固接方式將推雪鏟原件和加寬件有效鏈接。

圖7 推雪鏟設(shè)計(jì)加寬左視圖Fig.7 Left view of design of widened snow shovel

3.7 實(shí)施加寬除雪檢驗(yàn)

采取以上方式對(duì)現(xiàn)有推雪鏟進(jìn)行加寬處理。為檢測(cè)其加寬后的實(shí)際除雪效果，使用現(xiàn)有除雪車帶其除雪作業(yè)。首先除雪車可以帶動(dòng)加寬后的推雪鏟實(shí)現(xiàn)除雪作業(yè)。其次取推雪鏟經(jīng)過路段公路路面水平兩點(diǎn)，經(jīng)測(cè)量其寬度為3.98 m。由此經(jīng)過實(shí)際除雪驗(yàn)證了方案的可行性。

使用加寬后的推雪鏟除雪作業(yè)，相比過去需使用4臺(tái)除雪車變?yōu)楝F(xiàn)有使用3臺(tái)除雪車就可完成高速公路除雪任務(wù)。實(shí)現(xiàn)了降本增效。

4 結(jié)論

結(jié)合陽左高速公路實(shí)際路面寬度，將推雪鏟由原先的3.3 m加寬為4.5 m，增加了推雪鏟推雪寬度，優(yōu)化了推雪鏟推雪寬度與高速公路路面寬度的匹配程度;經(jīng)過方案選定和分析計(jì)算，成功改進(jìn)了與現(xiàn)有除雪車配套的加寬型推雪鏟；經(jīng)過實(shí)際除雪作業(yè)，驗(yàn)證了加寬型推雪鏟可降本增效的優(yōu)點(diǎn)；為了進(jìn)一步提升加寬推雪鏟的靈活性，今后應(yīng)著手繼續(xù)研究可實(shí)現(xiàn)推雪鏟自動(dòng)調(diào)節(jié)寬度的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。