我国北方冬季大部分地区一直被清雪问题所困扰，这些地区降雪周期长、雪量大、范围广。未能及时清除的道路积雪经过车辆和行人的反复碾压、气温变化的反复融冻，形成了表明结冰、内部含杂的板状、冰膜状坚实冰雪。坚实冰雪覆盖的路面给车辆和行人带来不便的同时也增加了发生交通事故的几率。根据有关方面对全球各大中城市调查结果，城市路面积雪结冰造成的交通事故占冬季交通事故总量的20%以上，己成为世界公认的“白色”城市危害。因此，研发新型、快速、环保、高效的道路坚实冰雪清除设备至关重要。分析了坚实冰雪的类型转换过程及形成形式，阐述了冰雪密度、抗压强度、抗剪切强度、摩擦因数等物理特性参数，利用体视显微镜观测了自然冻结冰雪和碾压冰雪的表面结构。在对冰雪颗粒微观描述的基础上，基于Bazant思想构建了冰雪微观结构模型，将冰雪微观结构变形机理与宏观连续行为联系在一起，建立了坚实冰雪本构模型。利用冰雪单向压缩破坏试验和三轴加载破坏试验，分析了处于道路边缘无侧压的冰雪及处于道路中间有围压冰雪的受力状态及破坏特性。试验结果证明了所建立坚实冰雪本构模型的合理性及适用性。该本构模型较好的描述了坚实冰雪应力-应变关系的宏观性质，适用于应变率大于0.5×10-5/s的滑雪、碾压冰雪等密度较大的坚实冰雪，为坚实冰雪清除理论提供了理论参考。利用高速摄像仪对坚实冰雪切削破坏过程观察分析发现，坚实冰雪的破坏形式主要为脆性断裂，破坏的原因为刀刃切入和冰雪撕裂综合作用的结果。基于冰雪本构模型及切屑剥落过程，建立了刀具切入冰雪出现破坏裂纹临界状态的物理模型，对除雪刀具进行了力学特性分析，给出了坚实冰雪切削破坏的数学模型，建立了新的冰雪破坏准则。该准则考虑了冰雪本构特性，认为冰雪在最薄弱部位发生局部破坏，生长为较大裂纹，进而产生断裂破碎。新破坏准则的建立为坚实冰雪的高质高效清除提供了理论依据。搭建了测量冰雪切削阻力的试验台，进行了坚实冰雪切削破坏试验，试验证明了所建立破坏准则的合理性。以切削阻力最小为目标，安装角、刀具前角、切削深度为影响因素，实施了三因素五水平旋转正交除雪参数分析试验，试验证明了切削阻力数学模型的正确性，同时进一步证明了所建立破坏准则的可用性。针对不同状态、不同密度的坚实冰雪，研发了凹盘式及立铣式除雪关键部件，两种部件均创新的采用了分体组合独立随动仿形机构，仿形越障效果优良，除净率高。凹盘式除雪关键部件为除雪凹盘被动切削冰雪，针对低密度板状碾压冰雪，能耗低、效率高，可一次性完成压溃、切碎、掀动、刮除和推送五项作业。立铣式除雪关键部件为除雪刀主动切削冰雪，针对冰膜状、冻结状的高密度冰雪具有极强的破碎能力，同时兼有铣削、破碎、仿形、越障等功能。设计了四组单体组合凹盘式除雪试验机，以行进速度、入雪深度、凹盘刃口角度、凹盘与行进方向的夹角为影响因素，除雪阻力、除净率、清除雪块体积为目标函数，进行了四因素五水平二次回归旋转正交试验，确定了除雪作业最优参数组合。理论与试验综合分析确定了凹盘式除雪关键部件主要参数：凹盘与行进方向夹角为13°，凹盘盘片直径为400mm，凹盘盘片厚度为3.5mm，凹盘刃口角度为20°，凹盘曲率半径为650mm。对立铣式破冰除雪关键部件进行了运动分析及动力学仿真，仿真运动轨迹曲线与除雪机实际运动轨迹曲线一致，验证了理论及仿真分析的正确性。设计了立铣式破冰除雪试验机，以刀具安装角、行进速度、主轴转速为影响因素，除净率、清除雪块体积为目标函数，进行了三因素五水平二次回归旋转正交试验，确定了立铣式试验机除雪作业最优参数组合。在三种路况条件下实施了凹盘式及立铣式两种样机除雪工作性能和作业质量的综合试验。试验结果表明，凹盘式及立铣式除雪样机均运转良好，除雪作业效率高，除净率均高于90%，参数设定及各项指标均能达到除雪作业要求。凹盘式除雪关键部件适用于密度小于550kg/m3，厚度范围为10~80mm的板状碾压冰雪。立铣式除雪关键部件适用于密度为300~750kg/m3，厚度小于50mm的板状、冰膜状冰雪，尤其适用于密度大于550kg/m3的冰膜状冻结冰雪。两种样机的除雪试验为坚实冰雪清除技术研究及除雪机具开发提供了理论依据。