屋顶自动除雪装置的设计

代 恒

（武汉晴川学院，湖北 武汉 430000）

我国北方的冬天，屋顶上会堆积大量积雪，如果不及时清理，当积雪结冰后重量会大大增加，就会导致一些结构较差的屋顶不堪重负被压塌，威胁生命、财产安全。

目前用于屋顶除雪的方式有人工除雪、加热除雪、化学除雪和机械除雪等[1-3]。人工除雪是靠人用耙子往下刮雪，这种方式只适用于较矮的屋顶，除雪效率低，对于较高的房屋人们会选择爬上屋顶进行除雪，当雪结冰后除雪难度大、屋顶湿滑，具有一定的危险性。加热除雪是在屋顶上加上一层发热装置，下雪后就开启加热让积雪融化。这种除雪方式会产生较高的能耗，使用起来不经济。化学除雪是在屋顶上撒盐或融雪剂，但融雪剂具有一定腐蚀性，长期使用会对屋顶材料造成损坏。机械除雪是通过机械作用直接解除冰雪危害，除雪效果好、效率高。目前市场上的除雪机大多是用于路面除雪的，应用于屋顶的较少。针对屋顶的除雪需求，提出一种固定在屋顶上的自动除雪装置。

1.屋顶除雪装置的设计

1.1 设计思路

本文屋顶除雪装置设计灵感来源于一种手动除雪工具，该装置由三部分组成，如图1所示，在推杆的作用下，金属框做切雪动作，金属框下面连着一块光滑的塑料布，推杆推动金属框切雪使得雪块松动并沿着光滑的塑料布滑落，除雪效果较好，但这种手动除雪工具只适用于人能够得着的较低的屋顶。

图1 手动除雪工具

1.2 屋顶除雪装置机械结构设计

为解决上述问题，本文设计了一种安装于屋顶上的自动除雪装置，本设计主要针对以下的情景：温度在-20℃～-5℃之间，雪的厚度h≥5 cm，屋顶必须为倾斜式屋顶。实物模型如图2所示，两侧滑块同时移动带动钢丝做往复运动，钢丝牵引塑料布做切雪运动，使得雪块松动并沿塑料布滑落。

图2 屋顶除雪装置实物模型

该模型大部分零件来自于“探索者”模块化套件，“探索者”零件系统由一组经过高度综合与抽象的几何元素构成，可根据需要构建“点、线、面、体”，从而设计丰富多彩的机械结构。零件的材质是铝镁合金，是一种广泛应用于航空器制造的材料。特点是重量轻、硬度高、延展性好、可用于制作承力结构。

该除雪装置结构如图3所示，撑布收布装置对称设于卷布支撑杆两端，撑布收布装置由第一箱体、转动连接在第一箱体内部的动力线轮、与动力线轮连接的减速电机、固连于第一箱体下部的导轨、与导轨滑动连接的滑块、固连于导轨另一端的第二箱体、转动连接在第二箱体内部的变向轮组成，卷布支撑杆、动力线轮、减速电机通过阶梯轴实现传动连接；在动力线轮上设有2个绕线匝道，卷布支撑杆上卷绕着卷布，卷布伸出端通过钢丝与滑块固连；动力线轮和变向轮通过线绳连接，牵引线绳在动力线轮的2个绕线匝道上按转动方向相反的方式进行绕线，牵引线绳的相对下股与滑块固连。绕线机构主要由主动轴、压线轮轴及变向轮轴组成，主动轴上有动力线轮，在电机的驱动下实现转动，动力线轮上的两个绕线匝道一端放线一端收线，组成一个循环系统，压线轮可以稳定线绳的输出方向，通过线绳与变向轮连接，压线轮和变向轮通过内部的直线轴承调整在轴上的位置，使系统的传动更加的稳定可靠。

图3 屋顶除雪装置整体结构

本设计在具体实施时，将屋顶自动除雪装置放置在屋顶待作业位置固定，通过圆周舵机4正反转，带动动力线轮3正反转，进而带动滑块6沿导轨5往复运动，同时滑块6与卷布支撑杆1同时作用实现卷布的撑布和收布动作，将屋顶的积雪从底部与屋面切割分离，积雪在卷布和自身重力的作用下从屋顶滑落，实现屋顶积雪的清除。

该除雪装置的动力来源于主轴，在做主轴设计时应注意以下几个问题：①轴的加工不可过于复杂，轴上零部件要方便拆装；②轴及轴上零件要有准确的定位；③要改善轴上的受力情况[4]。根据以上要求，设计出的轴结构如图4所示，轴上零件相对固定。动力线轮转动时，要使卷布均匀卷绕，就要让滑块移动速度和卷布支撑杆卷布速度保持一致，在设计时应注意动力线轮的线盘直径与支撑件的外径要相等，卷布支撑杆可均匀撑布及收布。

图4 主轴结构图

1.3 传感器的应用

屋顶除雪装置未来的发展趋势就是实现智能化，该装置可根据雪的厚度自行开启进行扫雪，根据切雪钢丝的阻力调节滑块运动速度，使电机输出功率达到最优化，而这些离不开传感器的检测。我们的装置主要针对北方的严寒天气，所以一些对温湿度有要求的传感器不能应用于此，为了使控制尽可能简单，当滑块从第一箱体运动到第二箱体时，需反馈信号到控制系统，使电机反转，滑块反向滑动，这里选择红外线传感器作为触发装置。通过压力传感器感知下雪的厚度，当雪达到一定重量，传感器将信息反馈给控制器进而驱动滑块进行除雪。

2.除雪装置的日常维护与保养

2.1 设备的防冻方案

由于屋顶除雪装置长期放置在屋顶上，工作于温度低、湿度大的环境中，特别是当积雪结冰可能会使传动部分冻住影响机器的正常工作。在温度升高时，积雪融化成水，如果封装不严，水会由箱体的缝隙进入箱体内部，进入轴承盖与轴的外部箱体连接部分，当温度再次下降时，融化的水会再次凝结成冰使传动轴冻住，机器运转有可能会烧坏电机以至损坏设备，因此设备的防冻是一个非常重要的问题。为了放置设备冻住，我们在箱体内安装发热装置，当传动轴冻住电机发生堵转的情况下，启动加热，由于整个箱体都是金属结构传热性能好，通过此方法可以使设备解冻。

2.2 设备的保养

屋顶除雪装置的工作环境较为恶劣，长期固定在屋顶上，需要定期保养确保其在下雪后能正常工作，除雪装置的维护与保养要求如下：夏天天气炎热，屋顶温度较高，除雪装置长时间在太阳下暴晒会加快内部结构的老化，建议在雪季之前将除雪装置安装于屋顶，雪季过了就将其拆卸放置，由于采用模块化设计，安装拆卸较为便利；长期使用会使塑料布破损、牵引绳索松动进而影响除雪效果，应根据使用要求定期更换塑料布及进行绳索紧固；定期检查除雪装置各部分的工作状况，检查零件是否松动，并对连接螺栓施加一定的预紧力。

3.结论

本设计提供的屋顶除雪装置，不仅能减少了人们通过手持器具进行除雪的体力消耗，而且能够更加省时省心。采用组合设计不但可以使拆卸组装自由便利，还能自动分析预测扫雪时间，更容易控制扫雪作业精度，大大提高工作效率。该屋顶自动除雪装置具有如下特点：一是除雪效率高。在积雪堆积一定量后启动除雪装置，可实现一次性大面积除雪，相比人工除雪省时又省力。低能耗。通过2个减速电机驱动带动动力线轮正反转，从而带动滑块做往复运动，滑块运动一个周期就可以进行一次有效除雪，相比在屋顶上安装电热设备来融雪，产生能耗较少。二是智能化。在除雪装置上安装压力传感器，通过传感器感知雪的重量超过设定值后，机器开启进行自动除雪，避免因积雪结冰给除雪带来困难。模块组合，便于拆装。由于该除雪装置是用于整片屋顶的除雪，所以结构不宜过大，整体结构采用模块化组合设计，给搬运和拆装带来便利。