智能屋顶自动除雪小车的设计

2022-12-08徐晓烽于新悦覃勇强周韦星宇

装备制造技术 2022年9期

覃博，徐晓烽，于新悦，覃勇强，王阳，周韦星宇

（广西大学机械工程学院，广西南宁 530004）

0 引言

在中国北方，当遇到暴雪天气的时候，居民的屋顶上极易堆积起大量的积雪。大量的积雪堆积在屋顶，如果不及时清理，有些结构强度较差的房子可能会由于屋顶承重过大而导致房屋被压塌，造成财产损失甚至出现生命危险。其次，北方冬季气候寒冷，屋顶积雪如果没有及时清理，在融化成水以后将会顺着房檐留下，融化后的雪极易凝固成为冰尖悬挂在房顶上，掉落时可能会对人产生伤害，极其危险。然而，目前针对北方居民屋顶积雪的清除，大多数仍是人工用耙子清理的方式。由于大量雪堆积在屋顶上，人工清除操作不便，且效率较低，操作的危险系数较高。目前家居常用且有效的除雪方法是采用热水融雪管除雪，但是这种方法投资和运行费均比较高[1]。

机械除雪装置虽然效率高、成本低，但主要是用于机场以及主要道路的积雪清除。与此同时，目前国内外的机械除雪装置采用的主要结构是使用螺旋叶片进行除雪，这种机构容易出现除不尽以及破坏工作表面等问题，所以并不适用于屋顶积雪的清除工作。发达国家的除雪机械技术起步较早，经过几十年的发展已实现全方面、多功能除雪。中国除雪机械设备的研制起步较晚，近年通过引进并参考国外先进技术研制了各种除雪设备，但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[2]。

1 总体设计

1.1 机构设计思路和方法

本装置设计的原理具体如下：首先通过电机和锥齿轮配合提供动力，小车可以实现自由的移动以及转向，在小车移动的过程中通过超声波传感器和红外线传感器来实现避障的功能，同时在单片机的辅助下达到自动循迹避障的目的；其次，小车通过升降来适应不同的高度，从而确定工作高度，然后来到坡顶，进行除雪操作。小车来到工作平台后，通过链条传动带动刮雪板运行来清除积雪。并且在小车上面安装有红外传感器，可以检测雪的厚度后反馈到控制中心，从而调整链轮的转速，最大限度节约资源。操作者还可以根据蓝牙模式来操作除雪小车的模式，实现居家舒适自动除雪的目的。

1.2 基于智能屋顶自动除雪小车的设计与制造

智能屋顶除雪装置的机械结构部分，包括行走机构、剪叉升降机构、多角度旋转机构、往复推送机构以及除雪机构。行走机构用于控制装置整体从上一工作点向下一工作点的移动；剪叉升降机构用于将除雪机构升高至与屋顶表面平齐；多角度旋转机构可以根据屋顶的斜度调整往复推送机构的角度，从而实现对不同斜度的房顶进行除雪；除雪机构主要用于刮净屋顶上面的积雪，装置具体结构及连接关系如下：

1.2 .1行走机构

行走机构如图1所示，包括底座1、万向轮2、单向轮3、第一电机4、第一锥齿轮5、第二锥齿轮6、传动轴7以及第一轴承座8，所述万向轮3安装在底座1下方一侧，用于改变装置的移动方向，第一轴承座8安装在底座1下方另一侧，传动轴7与第一轴承座8通过孔轴配合连接，传动轴7两端安装有两个单向轮3，传动轴7中部通过键和键槽连接第二锥齿轮6，第一锥齿轮5与第二锥齿轮6垂直啮合安装，第一电机4通过孔轴配合与第一锥齿轮5连接，同时还通过螺栓固接在底座1下方。

图1 行走机构示意图

1.2.2 剪叉升降机构

剪叉升降机构如图2所示：包括第二电机9、第二电机固定板10、第一螺杆11、第二轴承座12、螺母力臂轴13、螺母力臂轴承14、滑动轴承15、升降剪叉16、连接轴销17以及支撑平台18，所述第二电机9用螺栓与所述底座1通过第二电机固定板10连接，为装置的升降提供动力，第二轴承座12也通过螺栓固接在所述底座1上方，第一螺杆11一端与第二轴承座12通过孔轴配合连接，另一端与第二电机9连接，且第二电机9、第二轴承座12、第一螺杆11的中心线共线，螺母力臂轴13与第一螺杆11通过螺纹旋合连接，螺母力臂轴13两端分别安装有螺母力臂轴承14，升降剪叉16底部与所述底座1通过连接轴销17和滑动轴承15连接，升降剪叉16底部内侧有滑槽，螺母力臂轴承14与滑槽通过线面接触形成高副，升降剪叉16上方与支撑平台18也通过滑动轴承15和连接轴销17连接。

图2 行走机构示意图

1.2.3 多角度旋转机构

多角度旋转机构包括支撑角钢19、支撑座20、转动螺栓21、紧固螺母22以及连接板23，如图3所示。图3的支撑角钢19与所述支撑平台18通过螺栓固接，支撑座20焊接在支撑角钢19上方中部位置，转动螺栓21与支撑座20通过孔轴配合连接，紧固螺母22与转动螺栓21通过螺纹旋合连接，连接板23焊接在转动螺栓21中部。

图3 多角度旋转机构示意图

1.2.4 往复推送机构

往复推送机构如图4所示：包括第三电机24、第三电机固定板25、第二螺杆26、螺纹推力座27、推送剪叉28、定位滑槽29以及连接螺栓30，所述第三电机24用螺栓通过第三电机固定板25与定位滑槽29连接，定位滑槽29与所述连接板23通过螺栓固接在一起，螺纹推力座27与推送剪叉28通过螺栓连接后安装在定位滑槽29内，同时推送剪叉28还与定位滑槽29通过螺栓固接。

图4 往复推送机构

1.2.5除雪机构

除雪机构如图5所示：包括第四电机31、第四电机固定板32、链轮33、链条34、刮雪板35、定位架36、连接角钢37以及滚轮38，第四电机31用螺栓与定位架36通过第四电机固定板32连接，链轮33与第四电机31通过孔轴配合连接，刮雪板35通过螺栓固接在链条34上，连接角钢37通过螺栓固接在定位架36前端，用于将除雪机构与所述推送剪叉28通过所述连接螺栓30连接在一起，定位架36左右两侧安装有滚轮38，用于实现除雪机构的移动。

1.3 工作原理

装置整体工作原理：当使用者通过蓝牙连接上除雪装置后并选择智能模式后，第一电机4启动，通过锥齿轮的啮合传动使得装置向着预先设定的工作点移动，当到达工作位置后，第一电机4暂停运行。第二电机9启动，带动第一螺杆11转动，由于第一螺杆11两端分别连接有第二电机9和第二轴承座12限制了第一螺杆11的自由度，所以第一螺杆11只能绕其轴线方向转动，在第一螺杆11转动的过程中，与之通过螺纹旋合连接的螺母力臂轴13将沿第一螺杆11轴线方向移动，使螺母力臂轴13两端的螺母力臂轴承14对升降剪叉16内侧的滑槽施加接触力，从而使得升降剪叉16同时产生移动和转动，进而就能通过剪叉的伸长和收缩实现升降平台18的升高和降低。当升降剪叉16将除雪机构升高至与屋顶平齐的高度后，控制中心将发送指令使第三电机24转动，与升降剪叉16工作原理类似，在第三电机24转动的过程中，与第二螺杆26通过螺纹旋合连接的螺纹推力座27将沿着第二螺杆26轴线方向在定位滑槽29内移动，从而使得推送剪叉28伸长和收缩，达到将除雪机构推出和收回的目的。在第三电机24转动的过程中，第四电机31也同时接到指令开始启动，带动链轮33转动，通过链轮33链条34传动带动刮雪板35在屋顶开始除雪工作。在除雪过程中，安装在除雪机构上面的红外传感器将实时监测屋顶积雪的厚度，然后通过反馈控制将厚度信息反馈到控制中心，控制中心收到信息后将针对积雪的厚度重新发送指令到第四电机31，调整电机转速，提高除雪效率。若屋顶具有一定的坡度，在升降剪叉16将除雪机构升高至与屋顶平齐的高度后，旋松紧固螺母22，然后通过转动螺栓21调整连接板23的角度，使除雪机构底部与屋顶平行后，拧紧紧固螺母22，将除雪机构固定便可以进行后续工作。

2 理论设计计算

本装置主要包括行走机构、剪叉升降机构、多角度旋转机构、往复推送机构以及除雪机构。模型整体长300 mm，宽150 mm，装置运行后距地面最大高度为1000 mm。

2.1 剪叉升降机构

剪叉升降机构由转速为1250 r/min的第二电机提供动力，动力通过第一传动轴传输。

2.2 机构整体数据

剪叉升降机构由两组升降剪叉通过连接轴销进行连接，每一组升降剪叉又由六根单独的剪叉两两交错连接而成。每一根单独的剪叉长300 mm，宽20 mm。装置未运行时，整体装置距地面最大距离600 mm，运行后升高400 mm，整体装置距离地面1000 mm。

2.3 升降剪叉强度校核

查阅资料后可得螺杆推力F和最大载重力G的关系式：

剪叉杆长度L=300 mm，螺杆距剪叉杆距离a、螺杆距两剪叉交叉孔距离b，剪叉杆起始角α=10.14°，剪叉杆采用矩形钢管，材料为Q235，升降剪叉受力如图5所示。

图5 升降剪叉受力分析图

最底层剪叉杆受力最大，对最底层剪叉杆的强度进行校核即可完成对剪叉升降机构的强度校核。计算拉压应力时，首先需将最底层AD杆的力转化成与杆垂直和水平方向的力，则转化成如图6所示。将AD杆铰接点A点、V点、D点的力转化成与杆水平和垂直方向的力。

图6 危险构件受力分析图

假设剪叉上端承受重力G=200 N，在查阅相关资料可利用底端剪叉AD受力和G的关系求出：

AV段轴向力为F=627.5 N

VD段轴向力为F=697.5 N

由计算结果可以得知剪叉杆AD的轴力图，如图7所示。

图7 剪叉杆轴力图

轴力图可以得知，最大拉应力出现在VD，铰接孔处横截面面积为：A=201 mm2

则最大拉应力为:σb=

由零件材料为Q235，抗拉应力为[σ0]=375 MPa，安全系数取n=2，则：σb＜[σ0]

计算结果表明，受力最大的剪叉杆AD满足抗拉条件，故所有的剪叉杆都满足抗拉强度设计要求。

3.2 应力分析

将装置的三维模型导入三维建模软件UG中进行有限元仿真分析，得出部分危险构件的应力图如图8～图10所示。

图9 刮雪板应力分析图

图10 推送剪叉应力分析图

3 动力仿真及应力分析

3.1 动力仿真分析

通过将装置的三维模型导入Adams虚拟样机中进行仿真分析，添加了所需的约束与力后，在Adams虚拟样机中设置除雪机构的动力电机转速为120 r/min，力contact的刚度设置为100000，力指数1.6，阻尼80，穿刺深度0.1 mm，固定的结构件与大地相连，设置仿真时间为10 s，仿真步数为500步，解算结束后在后处理模块中导出相应的速度和位移变化图像进行分析可以得出结论：装置运行效果符合预期使用要求、机械振动较小，可以实现对屋顶积雪的自动清除。同时，对实物样机的工作状况做了运行试验，结果表明，该装置各运动及支撑部件在实际工作中可以满足使用要求，装置构件均能满足除雪的强度和刚度要求，能够有效清除屋顶积雪。