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在我國(guó)北方地區(qū)，冬季持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，年降雪量相對(duì)較大，積雪嚴(yán)重影響了交通運(yùn)輸?shù)臅惩ㄅc安全，及時(shí)清除道路積雪，是冬季道路養(yǎng)護(hù)作業(yè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。文中設(shè)計(jì)的清雪鏟可對(duì)壓實(shí)的冰雪沖擊破碎并予以清除，一次性破冰除雪，高效節(jié)能，避免污染，無需人工二次除雪，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，清雪鏟可自動(dòng)越障，越障過程無需停車。為了提高振動(dòng)清雪鏟的性能和產(chǎn)品質(zhì)量，有必要對(duì)清雪鏟的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，使清除冰雪效果更佳，產(chǎn)品可靠性更高。文中對(duì)振動(dòng)清雪鏟的靜動(dòng)態(tài)強(qiáng)度有限元分析進(jìn)行研究。
振動(dòng)清雪鏟能夠清除浮雪和-20℃時(shí)厚度30mm的壓實(shí)冰雪，清雪效率(露出路面)95%以上。清雪鏟寬度3.2m；大端高度1.1m，小端高度0.84m；清雪鏟總質(zhì)量1.9t；振動(dòng)清雪鏟的側(cè)傾角為20°，振動(dòng)清雪鏟如圖1所示。
利用偏心輪機(jī)構(gòu)，馬達(dá)帶動(dòng)振動(dòng)鏟振動(dòng)，振動(dòng)鏟把壓實(shí)的冰雪振碎并同時(shí)清除。主鏟板與車輛前進(jìn)方向有20°側(cè)傾角，主鏟板可以把振碎的冰雪拋揚(yáng)至路邊。當(dāng)遇到障礙物時(shí)，越障機(jī)構(gòu)會(huì)自動(dòng)越過障礙物。
鏟刃的振動(dòng)是由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，馬達(dá)通過皮帶帶動(dòng)皮帶輪旋轉(zhuǎn)，從而使同軸上的偏心輪旋轉(zhuǎn)，最終鏟刃按照正弦規(guī)律實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)(即鏟刃的振動(dòng))。而在有限元分析過程中，激振力的施加位置是保證計(jì)算準(zhǔn)確的關(guān)鍵。通過對(duì)清雪鏟的運(yùn)動(dòng)分析，激振力的施加位置如圖4所示。
文中利用ANSYS軟件對(duì)清雪鏟結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度分析，并采用了ANSYS中的3種單元shell63，beam188和solid185。shell63為板殼單元，既具有彎曲能力又具有膜力，可以承受平面內(nèi)載荷和法向載荷。beam188適應(yīng)于從細(xì)長(zhǎng)到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)，單元基于鐵木辛哥梁結(jié)構(gòu)理論，并考慮了剪切變形的影響。solid185單元用于構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)，單元具有超彈性、應(yīng)力鋼化、蠕變、大變形和大應(yīng)變能力。
當(dāng)行車速度為3km/h時(shí)，在鏟刃上施加雪阻力，振動(dòng)清雪鏟在靜載荷作用下有限元計(jì)算的應(yīng)力云圖如圖5。
從圖5可以看出，在3km/h時(shí)，清雪鏟在靜載荷作用下，主鏟板與軸承座支撐筋接觸處、振動(dòng)臂和襯板接觸處、支撐梁與前懸掛接觸處應(yīng)力較大。其中最大應(yīng)力產(chǎn)生在主鏟主板與軸承座支撐筋接觸處，最大應(yīng)力值為2.02e8 Pa。
將諧響應(yīng)分析法應(yīng)用于清雪鏟結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力分析。首先用有限元方法對(duì)清雪鏟進(jìn)行模型簡(jiǎn)化并計(jì)算出清雪鏟的動(dòng)頻，然后應(yīng)用模態(tài)疊加諧響應(yīng)分析計(jì)算出雪鏟位移的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，進(jìn)而對(duì)位移動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行擴(kuò)展分析求得雪鏟的動(dòng)應(yīng)力。
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