西安交通工程学院
摘要:本文系统地给出一种用于无损于路桥面的破冰刀和滚筒系统的设计方案,冰刀和滚筒尺寸可利用接触理论估计,该设计思想可以用于破碎路桥面不同尺寸冰厚而无损于路面，也可以用于破除压实雪层，且比传统的除压实雪层机范围更广。
关键词：路桥面, 破冰机械
一、路桥防冻与破冻机械的进展
路桥面防冻与破冻是一个古老而难解的问题,在严寒而漫长的冬季或冬春交际的日子, 冰冻长期困扰着路面交通,特别是我国北方主干路段,严重影响着交通要道的畅通，造成了大量的车，桥毁坏和人员伤亡事故，近年来,我国南方也有因路桥面冰冻而导致交通瘫痪和人员伤亡的报道,路桥面冰冻已极大地妨碍了经济的发展。
由于桥面的上下层都面对大气层,其上和下层都会与空气温度一致,因此,在冬天桥面结冰早于路面,桥面冰冻也比路面冰冻的后果更为严重。
因此，有效的破除路桥冰冻方法是一直是人们的梦想，目前，路桥防冻与破冰主要集中于化学法和物理法。化学法主要用是盐或其它防冻试剂，共同的问题是易造成路桥面腐蚀损坏，尤其是钢桥面更易遭到腐蚀损坏；物理法主要是用加热，撒沙粒或直接的机械法除冰，加热法代价大,效率低且不易实现，撒沙粒对压实雪有效，对冰层效果较差，机械法是目前广泛应用的一种被动除冰方法，目前国内外的破冰机械主要针对压实雪层[1][2][3][4],而不是对路桥面的冰层或其它范围的厚冰层, 如果用于结冰路桥面,易造成路桥面的破坏,或因路桥面水泥破坏而使钢筋暴露, 进一步造成钢筋生锈腐蚀。因此，有必要研究针对以冰为主或纯冰路桥面进行破冰的机械系统，达到不损坏路桥面的效果。
二 、冰和钢的性能
（1）冰的力学性能
文献[6][7[8]]对冰在不同的温度下的强度问题作了大量的试验研究，结果表明冰的抗压强度在-5 到-40℃之间随温度的降低而升高，在加载速率从0.1到0.8 KN/s，冰的抗压强度大致在3到6MPa之间变化, 在-5 到-30℃之间, 冰的抗压强度变化较小,大致在3到4MPa之间变化。J.J. Petrovic [11] 给出在?10°C 到?20°C时，冰的抗压强度大致在5到25MPa之间变化，弹性模量在E =9.7-11.2GPa 之间, A.T. Bekker 等[12] 给出在?10°C 到?20°C时，冰的抗压强度大致在1.4到2.9MPa之间变化，可见，冰的抗压强度在一个小范围内变化。河冰的弹性模量在0.528 - 0.739GPa 之间[7]，文献[6]也证实冰的弹性模量在E =0.5-0.75GPa 之间。
（2）钢的力学性能[4]
为便于制造，我们考虑用普通钢材，45号钢材的力学性能已非常清楚, 弹性模量 E=200GPa, 屈服强度极限为360 Mpa。
三 、冰刀外形尺寸的设计
为压破冰层,需要适当的冰刀形状,目前，多数设备使用等宽度矩形体，楔型体或锥形体[9] [12]，矩形体刀需很窄，楔型体或锥形体头部过尖，这两种设计的弊端是易造成路桥面的损伤或破冰效果较差，为此，我们用圆头楔体代替以上设计，根据不同的冰厚范围设计不同的圆头楔体冰刀。
(1)基本假设
冰刀以正压为主，忽略其剪切力，局部冰面为平面，冰刀与冰接触局部尺寸相对冰尺寸较小，冰为脆性材料，当接触部位应力达到屈服应力即破坏。
（2）冰刀尺寸设计
假设冰刀接触局部的半径为R,施加在冰刀上的正向为F, 冰刀与冰面的接触域的半径为a, 最大接触变形深度为d, 如图1 所示，按照赫兹理论[9],
(1)
由于冰刀尺寸设计主要集中在对接触部位圆弧半径R的选择, 当破冰厚度设计为d*时，d*小于冰刀压入冰层的深度d，d*=ηd，η是效率系数，由试验确定。当破冰厚度一定时, 半径R和力F应满足（2）式。R不能太小，否则，已钝化并易弯曲破坏。
四、冰刀间隔设计
由于空间装配困难，加上冰刀设计过密集会造成碎冰夹入不同行冰刀的缝隙中，进而影响破冰效率，如冰刀行距设计过大，又会出现破冰域小，不能达到整个面的破冰效果，因此，必须有合理的刀距。最小刀距应大于两倍接触面半径2α。在实际中，由于冰刀与冰层的接触面依然很小，最小刀距可加大到，2.5-6α
图2 冰刀设计 图3 滚筒设计
五、滚筒设计
滚筒设计为的直径为D，宽度为b1,厚度为t1, 的圆形滚筒，中间由辐条支持 (图3)，厚度t 的设计应满足滚筒基本的刚度和强度需求，保证滚筒的变形量满足最小要求，直径D 应设计在合理范围，以保易维护，易换冰刀的需要，还要考虑到来自机车的推力在垂直于地面的分力作用，当推力杆低/仰头时，此力在实际中会增加/减小冰刀的载荷，因此，尽可能减小该力的效应，这样，滚筒直径D 设计不宜过小，应与机车轮大小想适应，在1m 到 1.5m 较妥当。如图3
设每个冰刀的质量为m, 冰刀数量为n , 辐条总质量为u，则
图4 冰刀的排放
六、冰刷设计
冰刷设计的目的是及时刷掉挤满冰刀间隙的破冰,可用毛刷加在滚筒上部即可，如图5所示。
七、破冰机械模型设计
破冰机械可设计为拖拉机通过连杆推动滚筒转动，通过冰刀与地面接触而破冰的作用，如图 5所示。在实际中，如冰刀间距太大，可设计成双滚筒结构，这样，后一个滚筒可以实现二次补充破冰，实现完全破冰的效果。
图 5 破冰机械系统
八. 结论:
1．冰刀设计是一种通用方案，可用于不同厚度的冰层，也可也通过一次破碎一定厚度冰层，分批破碎厚度冰层。
2．该设计比传统的除压实雪层用途更广泛。
参考文献：
[1] 唐胜洋,一种小型机动除冰装置的设计,毕业论文,沈阳农大, 2013
[2] Wilfrid A. Nixon，Improved Cutting Edges for Ice Removal，National Research Council，Washington, DC 1993
[3] Herby Lissade, Using Mechanical Ice Breakers to Improve Snow and Ice Removal Operations，Division of Maintenance, Caltrans，2016
[4] 唐文初，旋转机械式路面破冰雪装置,机械设计,1996(9)，28-30
[5] 曹海波，陈团结，陆晶晶，水泥混凝土桥面自破冰铺装温度场分析，筑路机械与施工机械化， 2011
[6] 郭颖奎, 孟闻远, 冰的力学性能试验研究, 华北水利水电大学学报,2015, Vol 36, No.3, P40-43
[10] 筑路机械与施工机械化
[7] 于天来,袁正国,黄美兰, 河冰力学性能试验研究, 辽宁工程技术大学学报, Vol 28, NO.6 , 2008, P937-940
[8] 孙伟国.关于冰的抗压强度标准值的讨论, 低温建筑技术，2009,31,（5）；p19—20.
[9] K. L. Johnson, Contact Mechanics, Cambridge Press,1985
[10] P. Tryde, Physics and mechanics of ice, Naturwissenschaften, Nov.1980,Volume 67,Issue11,pp 556–559
[11] J.J.Petrovic, Review Mechanical properties of ice and snow, Journal of Materials Science, January 2003,Vol 38,Issue 1,pp 1–6
[12] Physical and Mechanical Properties of Modeling Ice for Investigation of Abrasion Process on Ice-
[12] A.T. Bekker, S.G. Gomolskiy, O.A. Sabodash, R.G. Kovalenko, T.E. Uvarova, E.E.Pomnikov, Physical and Mechanical Properties of Modeling Ice for Investigation of Abrasion Process on Ice-Resistant Offshore Platforms, Proceedings of the Twentieth (2010) International Offshore and Polar Engineering Conference Beijing, China, June 2025, 2010
论文作者:慕随阳,贺程峰,梁伟伟,朱,涛,汪,孟,王,
论文发表刊物:《防护工程》2017年第27期
论文发表时间:2018/1/31
标签：冰刀论文; 桥面论文; 破冰论文; 滚筒论文; 冰层论文; 抗压强度论文; 机械论文; 《防护工程》2017年第27期论文;