平式屋顶除雪装置设计

赵纪卓 薛焱丰 万宏强 李仁学 王祎乔

(西安工业大学机电工程学院，陕西 西安 710021)

近年来，北方冬天会存在长降雪现象[1]，积雪的大量堆加会对房屋建筑造成损坏，甚至威胁居民安全，因此积雪的清理工作显得尤为重要。目前积雪清理主要分为人工清扫和机械清扫[2]，人工除雪功效低，耗时长[3]，无法应对持久长降雪，而且对工人的安全性无法得到保证，存在安全隐患[4]。机器除雪效率高，省时省力，可应对长降雪持续工作，除雪机械向着小型化、多功能化、智能化方向发展。但市面上产品数量与性能差距较大，其效果远远不能满足当前市场的需求。本文设计的平顶屋除雪装置旨在解决北方长降雪人工难以清理问题，使用一种离心抛扬[4-6]式除雪装置，通过集雪装置收集并通过刮雪板旋转送入抛雪转子室，利用抛雪转子的离心力经扬雪筒抛出屋顶，抛雪作业由集雪装置和抛雪装置配合完成，通过换向器和槽轮机构实现整个装置的间歇前进和后退。

1 总体设计

该除雪装置是一款既能集雪又能抛雪的间歇移动除雪装置，其整体结构简图如图1 所示，由传动装置、集雪装置、抛雪装置和车体移动装置组成。当小车以间歇运动向前推进时，积雪不断从前方的起雪铲进入集雪装置，集雪装置由刮雪板、推雪板和挡板组成，由于刮雪板的高速旋转，使积雪通过刮雪板横向位移并迅速集中于中部抛雪装置的抛雪转子室入口处，在转子叶片高速旋转同时积雪在叶片上获得切线方向上的离心力，从而使雪被不断沿着扬雪筒抛到指定位置。该除雪装置可高效除去屋顶积雪，结构简单且灵巧度高。

图1 整体结构简图

2 各装置设计

2.1 传动系统设计

除雪装置由车体和安装在其上的电机、换向器、传动装置、集雪装置以及抛雪装置组成，抛雪装置利用锥齿轮改变传动方向完成转动的抛雪转子来实现抛雪功能，首先需要将屋顶上的积雪由集雪装置进行收拢，并由抛雪装置将其抛出，选用电机作为动力源，经传动装置为其他各装置提供所需动力。

2.2 移动装置设计

电机轴通过联轴器与换向器的输入轴进行连接，外槽轮间歇机构的拨盘与换向器的输出轴连接，外槽轮间歇机构的槽轮安装在车体移动轴上，电机启动时带动车体移动轴，实现整个装置前进和后退。

2.2.1 换向器设计

换向器工作原理：换向器的设计中将惰轮和轴进行组合形成惰轮轴，其中输出轴上有一个齿轮与之相配合，该轴在设计为花键轴，通过滑动连接，在装置工作过程中，通过人为拨动换向杆拨叉，该花键轴上的齿轮就会进行左右移动，从而与输出轴上的齿轮进行啮合，使整个装置向前移动；当换向杆拨动齿轮的时候，是花键轴上的齿轮与惰轮相啮合，此外惰轮在换向器的一端与换向器输出轴上的一个齿轮处于啮合状态。换向器的输入轴花键轴上的齿轮会和惰轮啮合，而惰轮又会与换向器的输出轴上的齿轮啮合，从而使整个装置向后倒退。输出轴上的齿轮一共有三种状态，即啮合状态、脱离状态和二次啮合状态，在这三种状态中其输入轴上的齿轮均为人为拨动。其三维结构如图2(a)、图2(b)(去掉箱体)所示。

图2 换向器三维装配图

2.2.2 车架设计

车架固定连接集雪装置、抛雪装置、电机、换向机构以及扶把，起为整个装置提供支撑和连接的作用。车架最前端安装集雪装置，而在车架的中间部位则是固定的电机机座和辅助器件鼓风机，后部是安装车体移动电机、换向器以及槽轮间歇机构和车体移动传动部分。考虑到整体安装的便捷性和实用性，整体车架的设计应避免划伤屋顶表面、具有轻便的结构，其三维模型如图3 所示。

图3 车架三维模型

2.3 抛雪装置设计

抛雪装置的作用是将转子室内的积雪推送至扬雪桶抛出，其工作原理是通过带传动将电机轴与锥齿轮轴相连，由锥齿轮来改变传动方向，从而带动抛雪转子转动，来实现抛雪功能。抛雪装置与集雪装置的外壳通过卡扣固定和内六角螺钉进行连接。工作时，积雪随着装置向前移动和集雪装置中的刮雪板自身旋转和左右两侧的高速气流吹动使积雪向中央聚拢，到达抛雪转子室当中，由于抛雪转子高速旋转会产生内外压差、同时高速的旋转的转子也会给雪一个离心力，以及车体的继续前进多重作用从而使进入转子室的积雪，沿转子径向叶片的顶端移动，并被推送到转子室圆弧壁表面，随转子叶片作的旋转运动使积雪沿着扬雪筒被抛出。

2.4 集雪装置设计

集雪装置配置位于整个除雪装置的前方，左右对称，其作用是将屋顶表面上的积雪通过刮雪板并配合鼓风机向中间收拢，收拢积雪会从集雪装置中部经刮雪板抛到后面的抛雪转子室。集雪装置由底部起雪铲、刮雪板、轴承结构、挡板及内部的弧形推雪板组成，刮雪板是与挡板相对应的椭圆形，安装在挡板中形成半封闭，由电机经带传动带动刮雪板使其高速旋转。刮雪板则是通过普通平键来和轴进行配合，同时增加一个紧定螺钉保证其准确定位，整个集雪装置外壳由内六角螺钉与抛雪装置进行固定，其三维模型如图4 所示。

图4 集雪装置三维模型

当整个除雪装置在工作当中，其集雪装置中的刮雪板在旋转中会因为雪自身的粘性，而致使雪会黏在刮雪板的两个叶片之间，随着工作时间的增长，两个叶片之间的积雪会累积的越来越多，从而使刮雪板的集雪效率大大降低，所以在该处增加一个风机，通过风机提供的高压气流经橡胶软管送出到达集雪装置相对应的进风口处，该机械装置外壳处有预先设定好的进风口，其内部对应的正好是叶片的轴向方向。利用气流在叶片间不断地吹过，可以减少叶片间黏住的雪，保证在长时间的使用过程中，刮雪板保持高的工作效率。同时风机提供的高压气流也会使进入集雪装置中的积雪沿着推雪板更高效地进入到抛雪转子室中，提高整个除雪装置的除雪效率。

在工作时，除雪装置移动的过程中会使楼顶表面的积雪，沿着起雪铲进入到集雪装置中，在刮雪板在转动的同时，对于起雪铲向上移动的积雪进行传送，使积雪被传送到后方与之相连的抛雪转子室，同时在积雪装置外壳的两侧，有着与之对应的处进气孔，通过风机经橡胶管将高速气流从进气孔通入，从而能很好的控制积雪进入到后方的抛雪转子室。

3 结论

本文设计了一个用于平式屋顶的除雪装置，该装置通过前置的集雪装置中的刮雪板和对应的圆弧斜面在整个装置自动向前移动的过程中来收集雪；以抛雪装置的叶片高速转动来实现抛雪；通过电机控制换向器、间歇机构和带传动来实现整个装置的自动向前移动；利用SW 软件进行三维建模，对模型进行草图模拟设计以及零件的装配，通过三维装配草图来确保该设计中各结构系统的合理性，满足设计要求。