多功能除雪装置的机械结构设计*

2021-08-19申家明高本瀚张引博刘晓阳

科技创新与生产力 2021年7期

申家明，高本瀚，张引博，康健，何隆，刘晓阳

（河北科技大学机械工程学院，河北石家庄 050018）

如今的房屋建筑多为钢筋混凝土浇筑，降雪后如果不及时清扫积雪，积雪昼融夜冻，会加重热胀冷缩作用，导致屋顶发生裂纹漏水或者使钢筋疲劳致使强度降低。如果积雪过厚，建筑很可能由于钢筋强度不足而发生倒塌，因此房屋建筑的除雪工作显得特别重要。目前，国内尤其是农村采用的除雪方式仍然是人工除雪，不仅效率低、劳动量大，还存在一定安全隐患，因此设计一款高性能屋顶除雪机械迫在眉睫。

目前，国内的屋顶除雪方法包括化学除雪法和机械除雪法等[1]。其中，化学除雪法一般采用盐或冰雪融作为融雪剂，两种融雪剂都会对屋顶造成一定腐蚀，并且冰雪融成本较高[2]；机械除雪法包括整体输送式除雪[1]、刮板输送式除雪[3]等方法，但现有的机械除雪法投入成本较高、适用范围窄、实用性不高。国外大多采用大型除雪设备进行屋顶除雪作业，包括滚刷式除雪机、犁式除雪机等[4]，设备体积庞大、制造成本高，需要操纵者有较高的操作技术。综上所述，屋顶除雪装置在数量和品种规格上还很少，满足不了国内的需求，因此，研究屋顶除雪装置有着重要的实用价值和广泛的应用前景。

1 总体方案设计

多功能除雪装置主要由除雪系统、进给系统、升降总成、云台系统和行走系统5个部分组成，整体结构见图1。在进行除雪作业时，该装置利用涵道风机产生负压搭配喇叭状的吸雪口把雪吸入集雪箱，完成对屋顶积雪收集和运输的一体化作业。此外，各系统协调配合，使装置拥有升降、俯仰、伸缩和转位功能，大大提高了除雪装置的清理范围和灵活度，也能帮助设备适应平屋顶、坡屋顶、曲面屋顶等各类形状的屋顶。该装置能够实现多方位行走和高处高效除雪两个基本功能，同时能够灵活应对多种雪况和多种房型。

图1 多功能除雪装置整体结构图

2 各系统结构设计

2.1 除雪系统的设计

除雪系统由除雪头、除雪管道、除雪风机、集雪箱、吸水泵、吸水管等组成，见第100页图2。除雪作业时，除雪头搭在屋顶上与积雪接触，靠除雪风机产生的负压将积雪吸进除雪管道，并沿着管道进入集雪箱，实现对屋顶积雪收集和运输作业的一体化。针对不同厚度和不同状况的积雪，将除雪系统设计为3种工作模式。

图2 除雪系统组成图

模式1：负压吸雪，主要应对厚度在0～60 mm且较为松散的薄积雪。此模式下除雪风机启动，电机以500 r/s的速度旋转，将风机内部空气以高速气流排出，产生瞬时真空，和外界大气压形成最大为19.5 kPa的压差，在此压差的作用下，积雪从除雪系统头部被吸入到集雪箱，待除雪作业完成后，将集雪箱搬运到合适地点进行处理。

模式2：碎雪+负压吸雪，主要应对厚度在60～150 mm的较厚积雪或被压实较硬的积雪。此模式下在除雪风机工作的同时，位于除雪系统头部前端的由电机驱动的曲柄摇杆机构将带动高速旋转的毛刷辊往复击打积雪，将较硬较厚的积雪破碎松散开，化大为小，便于负压吸雪工作的进行，随之重复模式1的工作。

模式3：融雪（冰）+吸水，主要应对已经冻结成冰或进行模式2之后仍无法除尽的顽固积雪层。此模式下位于除雪系统头部内部的单排电热管开始通电工作，升温到200℃左右，除雪风机反转进行吹风工作，以暖风将顽固积雪融成水，同时位于除雪系统头部后部的曲柄滑块机构带动吸水管下降至管头与屋顶间隙为5～8 mm处，吸水泵开启，融水将在吸水泵的作用下经吸水管引流收集至集雪箱，避免二次结冰。

2.1.1 除雪头的结构设计

除雪头摇杆前端装有一个直径65 mm、长335 mm的毛刷辊，在电机带动下能以最高60 r/s的速度旋转以破碎较厚积雪，在除雪头上部设置有与通风管相连的接口，除雪头的外观模型见图3。除雪头罩体两侧安装有曲柄摇杆机构，在电机的驱动下带动毛刷辊上下运动。除雪头罩体下部安装有2个支撑轮，支撑轮为牛眼轮，沿毛刷辊的长度方向分布以便提供稳定的双点支撑。

图3 除雪头外观模型图

图4为除雪头内部结构。除雪头罩体内部安装一个喇叭状的吸雪头用于吸雪并在热融模式下做出风口，其底部安装有一排电热管，用于融化屋顶积雪。除雪头罩体内部安装曲柄滑块机构，在电机的驱动下带动吸水管上下运动。

2.1.2 大容量集雪箱的设计

在机构中加入集雪装置，经过除雪头收集的积雪通过通风管收集到集雪箱中，经过热融的冰雪融水通过吸水管收集到集雪箱中。

集雪箱设计为80 L超大容量立方体形状，由不锈钢制作而成，可以容纳厚度为30 mm、面积为40 m2的屋顶积雪。箱身接有吸水管且在上端安装有电机，集雪箱与电机罩相互连接，工作中能防止集雪箱受温度改变变形而造成与电机的密封失效，提高吸雪效率。集雪箱模型见图5。

图5 集雪箱模型图

2.2 进给系统的设计

该系统包含滑杆式伸缩结构和正置式RSSR俯仰结构，控制除雪头的进给运动，可调节除雪头与屋顶的角度，以适应不同角度的屋顶，并可补偿由于地面不平或屋顶有曲率变化导致除雪头无法与屋顶保持原有的角度及距离，实现除雪头按照设定的除雪位置进行作业。

2.2.1 伸缩结构的设计

采用滑杆式结构，4个直线轴承两两安装在固定板上，形成简支梁结构，以便提高支承强度，两根光轴穿过其中。利用摩擦传动，由一个电机作为动力带动摩擦轮转动，摩擦轮驱动与光轴固联的摩擦条来传递转矩，其中摩擦条和摩擦轮接触的一面粗糙，相反面较光滑，由牛眼轮顶住，保证与摩擦轮紧密接触，避免打滑，稳定实现除雪系统头部的进给运动，其结构见第101页图6-a。采用摩擦传动在过载情况会发生打滑，如果出现除雪头顶到障碍物而无法前进的情况，摩擦传动可以起到一定的过载保护作用。伸缩结构的保护装置是限位保护装置，见图6-b。限位保护装置由一个安装在滑杆下方的行程开关和一个用于行程开关自动复位的弹簧组成，当伸缩杆到达极限位置时，行程开关被触发，传递信号给控制系统，控制步进电机立刻停转，弹簧可以在行程开关触发一次后自动使行程开关复位，以保证下次使用。

图6 伸缩结构设计图

2.2.2 正置式RSSR俯仰结构

俯仰结构由RSSR结构[5-6]、俯仰调节结构、舵机等组成，见图7。正置式RSSR俯仰结构控制进给系统的俯仰角度。

图7 正置式RSSR俯仰结构

2.3 升降总成的设计

本除雪装置的升降总成采用二级升降，第一级升降为电动螺旋升降平台，第二级为导轨式升降结构，通过两级升降以适应不同高度的房屋。一级升降平台主要由撑板、升降丝杆、蜗杆传动等结构组成。工作时，电机驱动蜗杆旋转，蜗杆驱动蜗轮减速旋转，蜗轮内腔的螺纹驱动丝杆上下移动从而实现升降运动，同时蜗杆传动的减速作用可以放大推力。二级升降结构由框架、双滑块机构和推杆电机等组成，工作时由电推杆驱动滑块沿导轨上下滑动，实现升降功能，其结构设计见图8。

图8 升降总成结构图

2.4 云台系统的设计

云台系统主要包含驱动电机、云台转位机构和回转餐盘，布置在一、二两级升降机构之间，联接上下的两级升降机构。驱动电机通过平面四杆机构带动上方机构做定轴转动，实现除雪平台的转位，配合进给系统完成除雪作业的扇形进给，以扩大运动范围，其结构见图1。其中，云台转位机构工作时能控制云台系统在0～140°内旋转，以保证除雪车可以清理足够大范围内的积雪。