车辆工程毕业设计105多功能清雪车总体布置论文(4)

在特定温度下系统的平衡依赖于冻结时间。在系统未进入热量平衡之前，冻结时间与压实冰雪的强度呈线性增长关系，冻结时间越长，压实冰雪的强度就越大。当系统进入热量平衡后，强度趋于平衡不再发生变化。

由此可见，路面压实冰雪的形成过程是系统散失热量，水分凝固结冰的过程。冻结时间与压实冰雪的强度有直接的关系。

（4）路面表面特性与杂质 ① 路面表面特性

压实冰雪性能受到路面表面特性的影响，主要包括路面的粗糙度和表面湿润性等表面特性与导热性、热膨胀性等材料热特性。

我国等级路面分为沥青类路面和水泥混凝土类路面两种。北方地区路面以沥青类路面为主。较小的空隙率使沥青混凝土路面具有透水性小、水稳定性好、耐久性高、有较大的抗自然因素的能力，使用年限可达15～20年以上。沥青混凝土路面表面粗糙度大、抗水性好、比热小、热膨胀系数小，压实冰雪与沥青路面的冻结十分坚固。

② 路面杂质

在各种公路的路面上，不可避免的存在各种杂质，比如粉尘、泥沙、碎石颗粒物等。这些杂质的存在对路面压实冰雪的性能也有重要影响。

当路面与压实冰雪之间存在杂质时，杂质起到了凝结粘合的作用，水的结合冻不均匀，增大粘结层强度。一般情况下，粘结层的强度高于压实冰雪的强度不同的路面的表面特征及路面杂质的存在情况各不相同，所以路面压实冰雪的性能是随着路面杂质不断变化的。

2.2 路面压实冰雪力学性质

2.2.1 抗压强度

压实冰雪的抗压强度是清雪车设计的重要参数之一，指压实冰雪抵抗其他物体进入的能力，用物体进入冰雪时单位面积上所受到的阻力表示。压实冰雪的抗压强度因环境不同而不同，强度值随密度的增加而增大，随温度的降低而增大，统计数值如表2.2所示。

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表2.2 压实冰雪的抗压强度

冰雪类型 压雪 冰雪 冰层 冰雪的密度 -1～-20时抗压强度的 (kg/m3) 450～750 750～900 900左右 范围（MPa） 0.2～1.67 0.9～2.94 1.0～4.0 2.2.2 抗切强度

抗切强度

σq定义为切割每单位横截面积压实冰雪所需的力，包括压实冰

雪各种形式的变化强度。目前，抗切强度的计算大多利用经验公式

σq=Fq/bh （2-1） 式中

σq —— 抗切强度，Pa；

—— 作用在刀刃上的切削阻力，N；

Fq b —— 切削刃宽度，m； h —— 切削层厚度，m。 利用抗切强度

σq可以很简便地进行压实冰雪清除装置阻力计算和

表2.3 压实冰雪的抗切强度

清雪车的牵引特性分析，压实冰雪的抗切强度如表2.3所示

冰雪厚度 （kg/m3） 抗切强度 （103Pa） 300～400 450～750 750～900 5.0～12.0 10.0～25.0 20.0～35.0 8.0～25.0 15.0～40.0 30.0～80.0 5.0～35.0 30.0～80.0 70.0～130.0 0～-1 -2～-10 -10以下 温度（℃） 13

2.2.3 相关系数

压实冰雪清除装置设计、清雪车的工作阻力计算和牵引性能分析涉及到冰雪的摩擦系数、冰雪路面的附着系数、冰雪路面的行驶阻力系数的选取。

冰雪的摩擦系数包括外摩擦系数和内摩擦系数，外摩擦系数是指冰雪与其他物体之间的摩擦系数，内摩擦系数是指冰雪内部之间的摩擦系数。本文的外冰雪摩擦系数具体指冰雪和钢铁之间的摩擦系数，取值表2.4。冰雪内摩擦系数取值如表2.5所示。内外摩擦系数都与温度和冰雪的密度有关。

表2.4 冰雪和钢铁的摩擦系数

摩擦系数 冰雪密度 （kg/m3） 450～550 550～650 650～750 750以上 0.056 0.05 0.04 0.03 0.04 0.03 0.02 0.015 0.05 0.04 0.03 0.02 0～-1 -2～-15 -16～-30 温度（℃）

表2.5 冰雪的内摩擦系数

摩擦系数 冰雪密度 （kg/m3） 450～750 750～900 900 0.40 0.42 0.45 0.44 0.47 0.50 0.50 0.53 0.59 0～-1 -2～-10 -10以下 温度（℃） 路面压实冰雪的存在很大程度上降低了路面原来的使用性能，具体路况下轮胎的附着系数和行驶阻力系数取值分别如表2.6、表2.7所示。

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表2.6 冰雪路面的附着系数

压实冰雪状态 密实冻结 密实冻结 密实解冻 密实解冻 压实冻结 压实解冻 轮胎类型 低压胎 高压胎 低压胎 高压胎 高压胎 高压胎 附着系数 0.20～0.35 0.20～0.25 0.10～0.20 0.10～0.20 0.209 0.176

表2.7 冰雪路面的行驶阻力系数

冰雪状态 冰雪密度 （kg/m） 松软 松软潮湿 轻度压实 碾压 冰雪 150～250 150～250 250～350 450～750 750～900 3 行驶阻力系数 轮胎 0.2～0.25 0.3 0.15～0.2 0.08～0.1 0.06～0.08 履带 0.2 0.2 0.1 0.05 0.07～0.1 2.3 压实冰雪破坏准则

由材料力学可知，当材料处于简单受力情况时，材料的危险点处于简单应力状态，破坏可以由简单试验来确定。但是，压实冰雪在外载荷的作用下常常处于复杂的应力状态，压实冰雪的强度及其在载荷作用下的性状和冰的应力状态有很大关系。目前，材料力学中的多种破坏理论都可以用来解释压实冰雪在复杂应力状态下的破坏。

（1）最大拉应力准则

该理论认为最大拉应力是引起压实冰雪断裂的主要因素。当最大拉应力达到与压实冰雪有关的材料性质的某一极限值时，压实冰雪就发生断裂破坏。最大拉应力理论的破坏准则为

σ1=σb

将极限应力

σb除以安全系数n，可以得到许用应力[σ]，则最大拉应力

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理论的强度条件

σ1≤[σ]

最大拉应力准则只适用于单向应力状态及某些应力状态中的受拉的情况。对于复杂的应力状态，该准则有不足之处。

（2）最大正应变准则

该理论认为材料的破坏取决于最大正应变，只要材料内任一方向的正应变达到单向压缩或单向拉伸中的破坏数值，材料就发生破坏，破坏准则为

σb ε1= （2-4）

E1ε=ε=[σ1-μ (σ2+σ3)] ，代入式（2-4）得 由广义胡克定律 max1E σ1-μ (σ2+σ3)=σb （2-5） 将极限应力σb除以安全系数n，可以得到许用应力[σ],则最大正应变理论的强度条件为

σ3)≤[σ] （2-6） σ1-μ(σ2+

（3）莫尔强度理论及莫尔—库仑准则

莫尔强度理论是莫尔在1900年提出的，是目前工程中应用最多的强度理论之一。该理论认为材料内有一点的破坏与中间主应力无关，主要决定于主应力σ1和

σ3。在τ-σ平面上，可以绘制一系列的极限应力圆，每一个极

限应力圆都反映一种达到破坏极限的应力状态。这一系列极限应力圆的包络线称为莫尔包络线，如图2-2所示。包络线代表材料的破坏条件或强度条件。

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