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来源：职称驿站所属分类：车辆论文 发布时间：2011-05-30浏览：70次
摘要：季冻区城市每逢冬季降雪天气，冰雪路面如果不能得到及时清除都会带来部分经济损失，长此以往，必然给国民效益带来一定的经济负担。但就目前国内清除冰雪技术来看，都存在较为明显的技术缺陷。故针对季冻区城市非机动车道冰雪处理需要进行一次新的技术革新，以简单实用经济的手法进行冰雪清除处理，带来广泛的社会效益。
关键词：清除冰雪，特殊轮套，作用荷载
我国的东北、西北、华北地区地处北温带，均属季冻区城市。以东北地区为例，冬季气候寒冷，最低温度可达到-30°C，且年平均降雪时间长达4个月，由于气温低而造成的地面积雪和结冰现象会导致汽车打滑、制动距离显著延长，甚至刹车失灵、方向失控，造成严重的交通事故。为了保证冬季行车安全，提高运力，增加运输效益，研究与应用科学有效的路面除冰雪技术，具有显著的社会效益和经济效益。因此我们希望通过研究简单有效的季冻区城市非机动车道路冰雪防治处理方法，从而为东北季冻区由于冰雪不能及时清理而导致的交通问题提供可行的解决办法。
从目前已有的各类清除冰雪技术来看，融雪剂最为常见且融冰雪效果也比较好，但盐类融雪剂中的氯离子与钢筋发生反应，加速钢筋锈蚀，降低道路结构的耐久性，尤其在桥面使用时，对桥梁结构造成破坏；人工清除法对冰雪清除较彻底，但效率低，作业时影响车辆通行和行车安全；热力融冰雪方法是利用地热、燃气、电或太阳能等产生的热量使冰雪融化，融冰雪速度快，安全环保，但其能耗大，费用高，工艺复杂，对路面材料、结构和施工都有特殊要求，其后期的维修养护更需要开挖路面，适用范围相对较窄；自应力破冰技术是通过在路面铺装材料内添加一定量的弹性颗粒材料，改变路面与轮胎的接触状态和路面的变形特性，利用弹性材料局部变形能力较强的特性，通过路面在外荷载作用下产生的自应力，使路面冰雪破碎融化，从而有效抑制路面积雪和结冰，但该方法只适合于长期结冰的低速道路，如果车道要求行车速度较快时将失去作用。且由于在镶嵌橡胶块的过程中会破坏路面原有的状态，橡胶块周围会出现薄弱面，在行车荷载的作用下，橡胶颗粒极易从路面表面脱落，造成路面平整度下降，甚至松散和出现坑槽。由此可见，运用一种简单易行的方法清除冰雪迫在眉睫。
我们欲在现有条件下设计一种轮套安装在除雪车外轮胎上，利用轮套的特殊结构和除雪车的自身配重共同作用使冰面破碎，从而更好地达到清除冰雪的目的。以下将分别从轮套特殊结构和作用荷载两个方面阐述除冰原理，功效及适用条件。
1、特定除雪车之轮套特殊结构
在除雪车适用范围、除雪车特质轮套装载方式、轮套的材料性质以及轮套的适用车辆研究上我们经过考证取得一定成果。具体情况如下：
1）、除雪车的适用范围
题目中提到的“非机动车道”并不是狭义地严格限制到没有任何机动车行驶的道路，而是那些不是专门为机动车设计的车道，在通常情况下有少量机动车行驶，主要以人群所施加的均布荷载为主，在一些特定环境中则容易导致事故危险的发生。鉴于以上各个约束条件，我们主要把非机动车道的范围限定为校园里的非主干道、医院以及居民小区的非主干道、企事业单位的非主干道路。以上所述道路都基本符合我们定义的“非机动车道”，一般情况下，降雪后1—2d内，道路中线附近道路带的雪（约占路宽的1/3—2/3）就可以在人荷载的作用下固结为板状，基本符合实验要求。
2）、除雪车特制轮套装载方式
对于轮套的设计，我们综合考虑了轮套的形状、轮套的装载方式、轮套与轮胎的切合方式、轮套外围轮齿形状及间距等方面。具体情况如下：
①轮套的形状
关于轮套形状的设计，我们将轮套的主体设计为具有一定韧性的圆弧状刚性板，圆弧半径等于轮胎外径，使之能与轮胎切合，此外在弧形板侧面加以弯折使其成为一弧状弯槽，防止其他物质填充其中损坏轮胎；同时也可防止轮胎与轮套发生脱离而造成意外事故，但需要槽内侧与轮胎外侧完全切合，同时，轮套内侧设计带有一定规律的突起嵌入轮胎橡胶，使轮套与轮胎所产生的摩擦力与咬合力进一步使二者紧密固接，防止其出现相对运动；另外，我们计划在轮套外侧设计按一定密度均匀分布的轮齿，在轮齿外侧设计两排弧形轨道，直径与轮齿平齐，既能促进配合内侧轮齿对冰雪的清除，又能保证除雪车在驱动过程中平稳行驶，减少因轮齿带来的颠簸，减缓轮齿危险点的应力集中。设计图样如图所示。
②轮套的装载方式
由于轮套为凹槽，且具备很大刚性，无法将轮套制成一个整体圆环，那样无法实现轮套与轮胎的装配。为便于装配，我们将轮套设计为两个半圆状（如上图所示），在两个半圆轮套的结合处设置伸出带有螺纹孔的柄，通过螺栓将两个轮套紧固为一个圆环，一方面便于装载，另一方面确保轮套的整体性与连续性。
③轮套与轮胎的切合方式
由于车辆种类及型号的不同轮胎直径不尽相同，而我们则需要刚性轮套与内部轮胎完全切合，因此在设计轮套时，我们应将轮套直径设计尽可能符合大多数车辆，但同时应留有一定空隙，利用轮胎橡胶的高弹特性与钢制轮套的韧度通过禁锢螺栓合拢缝隙，使轮套对轮胎具备一定大小的预加围力，从而使轮套与轮胎达到牢固切合的效果。
④轮齿形状及间距
首先通过定性分析可知轮齿形状适宜以角形为主，但远端应以弧状代替尖角减缓应力集中，延长其使用寿命。轮齿间距不宜过大，否则将与地面产生巨大的摩阻力，只能通过轮套与轮胎切合处的咬拌力来将其克服，而这种咬拌力由传动轴的转矩单独提供。如果地面摩阻力过大，轮套内侧的突起有可能因摩阻力和驱动力的共同作用因剪力过大而损坏，同样轮胎橡胶也会因为轮套内部突起施加的反作用力而受到损坏，而安置在轮毂内部的传动轴轴承也极易因负载过大而损坏，导致设备无法长期作业。
3）轮套的材料性质
通过前面分析可知，轮套材料需具备很大的刚度和韧度，既能防止因塑性过大而产生的轮齿变形，又能减缓除雪车接触障碍物时的脆裂破坏，但具体特殊刚性材料（碳元素的比例，及利用锰钢等其他合金）的选择需要考虑具体实验及时市场需求等方面。
4）轮套的适用车辆
由于除雪车的适用环境主要以校园、医院、社区、企事业单位等场所，因此除雪车的选择应以上述单位现有车辆为主，以达到单位车辆的高效利用效果。当冰雪附着在路面上时，可以将设计轮套直接套在单位现有车辆上进行清除冰雪工作，降低使用成本且不影响单位的日常出车情况，故我们将适用车辆锁定到具有不规则轮胎外形、轮胎与汽车底盘间距较大的轿货等汽车。此外，如各企事业单位都专用除雪车，则可直接把轮套直接套在除雪车上，以使效果达到最佳。
附：由于轮齿长度，间距及轮套整体质量我们无法完全用理论方法加以确定，因此我们通过实地考察配合理论计算得出相应半理论半经验结果如下：
轮套体积及质量计算
一、毛体积及毛质量计算
1.主体部分（与轮胎等宽主体部分（含母体与轮齿附加体）、护栏部分）
2.侧面轮包部分体积
3.螺孔伸出柄部分
设与轮胎等宽主体部分厚3厘米，轮齿高5厘米，护栏部分与轮包厚2厘米，则主体部分体积V1质量M1
设轮包部分长5厘米，则侧面轮包部分体积V2质量M2
设伸出柄伸出长度为3厘米，厚2厘米，由上述知，其高为8厘米，则螺孔伸出柄部分体积V3质量M3
故，毛体积
毛质量
M=M1+M2+M3=177.17kg
二、车工削去部分体积及质量计算
设轮齿为正四棱锥，底面边长3厘米，高5厘米，则单个棱锥体积
轮齿道宽20厘米，布置5道轮齿，宽15厘米，6道缝隙总宽5厘米。半圆状轮齿道长
L
垂直环向布置20道轮齿，长20×3=60cm；21道缝隙，总长43.67cm
故共有轮齿5×20=100个
轮齿体积
轮齿部分附加体体积
故，车工削去部分体积
削去部分质量
三、净体积及净质量计算（不计螺孔部分削去体积及质量）
净体积
净质量
校核：
在允许误差范围内，故取
净质量
下图为相应轮套各处分解示意图
2、作用荷载产生效果
通过除雪车自身配重即外加荷载同样可促进冰面破碎。针对由特殊车辆产生的荷载大小影响因素，荷载的大小受车辆的轴重，轮胎刚度和车速影响，对于不同的冰面厚度可以通过改变车辆的这些因素我们分别采取相应研究。目前国内在这方面的研究已经有了一定进展，有许多可参考的意见与方案。如齐晓杰，郝晨声，毕凤阳，王革新等（2002）通过对我国现有冰雪清除机械的研究，探讨了经济、适用、多功能城市道路清除冰雪机械的研制与发展方向；董忠红,闫卫红,吕彭民,徐全亮等（2009）为研究重型运输车辆对路面作用的动荷载,建立车辆动力学模型,模型中将簧上质量处理为空载簧上质量与装载质量,将轮胎刚度表示为轴重和胎压的函数。研究了轴重和胎压对车辆动荷载的影响。但由于材料非线性和冰与路面结构复杂的耦合关系，在建立冰-路面体系力学模型时，存在一定困难。季冻区城市非机动车道冰雪处理技术迄今没有系统的阐述，研究轮胎的刚度和路面接触形态和车速对车的荷载影响时，力学分析比较复杂，因此开展关于此方向的研究具有理论和应用价值。
冰雪附着在路面上时，利用特殊车辆碾压路面。在载荷的作用下，冰面与路面会造成不同程度的凹陷，冰面破碎并与原路面剥离，此时冰雪容易清扫，于是可以达到清除冰雪的目的。具体实施步骤如下：
1）调查资料
经过调查和参考相关资料确定东北地区路面冰的弹性模量和弯拉强度；或者进行相关的力学试验进行测试。
2）理论计算
将冰和路面看成2层弹性层状体系结构，针对不同的路面结构，计算冰面破坏时的所需的荷载值。现对弹性层状体系理论进行简单介绍：
弹性层状体系是由若干个弹性层组成，上面各层具有一定厚度，最下一层为弹性半空间简体，如图1所示。
由弹性力学得知，对于以圆柱坐标表示的轴对称课题，其平衡方程（不计体积力）为：
从（7）式可解得应力函数，代入（6）式中即得各应力分量，当冰面层底拉应力大于其抗拉强度时，冰面破碎，此时的荷载便能达到破冰的要求。按式（8）（9）计算此时体系的垂直位移，在不对路面结构造成损伤的情况下加大荷载值，增大体系的垂直位移，使得冰与路面剥离。
3）特殊车辆荷载
采用弹性层状体系理论计算出了冰面破坏时的荷载范围，而此应力可以由之前所设定的除雪车产生。轮胎刚度和车速对车的荷载起着重要作用，通过查找相关资料确定车辆荷载与轮胎刚度和车速之间的关系，计算出清除冰雪时，除雪车合理的轮胎刚度和行车速度。
通过上述论述，我们最终可以针对季冻区城市冰雪路面情况基本确定轮套外部结构以及除雪车相应外加荷载，在特定机械除雪车作用下，使路面冰雪得到充分的清除，降低事故频率，提高经济效益，为季冻区城市的环境建设添砖加瓦。相信在不久的将来，这种简单易行的方法一定会得到批量大规模的市场应用。
《论季冻区城市非机动车道冰雪处理新技术》
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文章名称： 论季冻区城市非机动车道冰雪处理新技术
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