可自動控制化雪裝置的外觀和結(jié)構(gòu)設(shè)計

王東琦　劉園

摘要：利用計算機輔助建模工具，對化雪裝置進(jìn)行數(shù)字化3D建模，根據(jù)模型的尺寸和使用功能，對其外觀和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和分析。其活動部件采用齒輪機構(gòu)連接，在結(jié)構(gòu)上可使裝置進(jìn)行多角度翻轉(zhuǎn)，保證裝置的可靠性和實用性。整個裝置以電動機為動力源進(jìn)行傳動，以溫度傳感器和雪量檢測器為核心，基于電子控制系統(tǒng)，將溫度變化轉(zhuǎn)換為電子信號，通過電子控制系統(tǒng)控制電機運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)化雪裝置自動控制。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計；曲面造型；計算機輔助工業(yè)設(shè)計；結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2017）07-0112-02

引言

目前道路化雪方法為移除法和消融法，移除法是利用人工和機械設(shè)備對路面積雪進(jìn)行清除，該方法效率低費用高，影響交通。消融法是指用融雪劑對路面積雪進(jìn)行融化，主要缺點是造成路面腐蝕。近幾年國內(nèi)最新的研究技術(shù)有鋼纖維石墨導(dǎo)電混凝土在路面的應(yīng)用和路面微波除冰技術(shù)，這些新技術(shù)正處于技術(shù)研發(fā)和材料研究階段，暫時不能大規(guī)模推廣。根據(jù)目前研究成果，擬設(shè)計一項可安裝在路燈上的裝置，與路燈電網(wǎng)連接，輔助使用風(fēng)能和太陽能發(fā)電，通過溫度傳感器和雪量檢測器實時監(jiān)測環(huán)境溫度和降雪量，在溫度和降雪量達(dá)到一定數(shù)值時自動開啟，對路等周圍積雪進(jìn)行加熱消融，達(dá)到除雪的目的。本文研究重點是解決該裝置的外觀及結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其滿足相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，從而實現(xiàn)裝置的自動化控制。

一、技術(shù)背景

1952年，Chapman發(fā)表了“融雪系統(tǒng)設(shè)計”一文，可以看作是道路除雪化冰技術(shù)研究工作的開端。1970年，Schnurr等人對融雪管道的布置問題進(jìn)行了研究，初步得到了融雪溫度與埋管管徑、深度、間距以及長度等因素之間的關(guān)系，具有一定的實際應(yīng)用價值。1995年，美國的Aklahoma大學(xué)以Spilter教授為主的研究小組在地源熱泵技術(shù)基礎(chǔ)上開展了卓有成效的道橋融雪理論與實驗工作。總體來講，歐美國家對于路面除雪除冰的研究和技術(shù)發(fā)展較為迅速，而我國尚處于起步階段。

2016年，莫斯科鋼鐵與合金學(xué)院的科學(xué)家研發(fā)了一款混合發(fā)電裝置，能將太陽能和風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，可廣泛應(yīng)用于各種氣候條件。據(jù)稱，該發(fā)電裝置的多項參數(shù)優(yōu)于國際同類產(chǎn)品，風(fēng)力發(fā)電加太陽能發(fā)電使得其發(fā)電效率超過現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電裝置15%～20%。此外，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，發(fā)生故障時很容易修理。

二、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

關(guān)于道路除雪除冰技術(shù)，日本、美國和一些歐洲國家是從預(yù)防的角度出發(fā)，鋪裝防凍路面，或?qū)椥韵鹉z顆粒等以填料的形式摻進(jìn)瀝青混合料中，利用不均勻變形使橡膠顆粒周圍形成應(yīng)力集中，從而達(dá)到除冰雪的目的。前幾年較為流行的方法是在路面下鋪設(shè)發(fā)熱電纜，這種方法需要破除和重建路面，成本較高，能源消耗較高，材料正處于研究階段，尚未大規(guī)模使用。

國內(nèi)最為常見的除雪除冰方法是利用除雪車輛和環(huán)衛(wèi)工人進(jìn)行人工機械方式除雪，勞動量大，效率低。近年來微波加熱除冰技術(shù)興起，研制裝載微波加熱技術(shù)的除雪車，利用微波能透過冰層加熱路面，達(dá)到消除積雪的目的，目前正處于研究和實驗階段。

總體上國內(nèi)外的除雪除冰技術(shù)重點研究兩方面，一方面是改造路面，利用路面達(dá)到除雪融雪的效果，另一方面是研制新型的除雪車，使用新技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械車輛除雪方式。

三、設(shè)計思路及原理

根據(jù)目前道路除雪除冰技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，借鑒現(xiàn)有的道路除雪方式方法，提出一種新型的除雪除冰方式。擬設(shè)計一款可安裝在街道路燈燈柱上的外部裝置，該裝置設(shè)有可翻轉(zhuǎn)式發(fā)熱葉片，可向外界散射熱輻射。該裝置使用風(fēng)能和太陽能混合發(fā)電系統(tǒng)供電，由溫度傳感器和雪量監(jiān)測裝置對環(huán)境變化進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳遞給電子控制系統(tǒng)，通過電子控制系統(tǒng)對信號進(jìn)行處理，控制機械裝置運轉(zhuǎn)，從而控制發(fā)熱葉片的開啟和閉合，對路面積雪進(jìn)行加熱融化，實現(xiàn)裝置的自動化控制。

設(shè)計原理（如圖1）

該裝置的風(fēng)能太陽能發(fā)電系統(tǒng)擬采用莫斯科鋼鐵與合金學(xué)院設(shè)計研發(fā)的混合發(fā)電裝置，來提高整個發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和電能轉(zhuǎn)換率，發(fā)熱裝置采用碳纖維層壓復(fù)合導(dǎo)電發(fā)熱板，在發(fā)電功率允許的范圍內(nèi)保證裝置能夠有效地對周圍積雪進(jìn)行加熱和融化。

四、設(shè)計部分

（一）外觀設(shè)計：整體采用柱形外觀，根據(jù)路燈的尺寸設(shè)計一系列不同規(guī)格，配色方式多樣，可以根據(jù)不同城市街道路燈特點進(jìn)行個性化定制。安裝方法采用包裹式安裝方法，將裝置牢固的安裝在路燈燈柱上，每個裝置帶有可翻轉(zhuǎn)式加熱葉片，通過電子控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動開啟和閉合（如圖2、3）。

（二）傳動結(jié)構(gòu)分析設(shè)計：

1.方案1：液壓傳動機構(gòu)

使用一套液壓系統(tǒng)，通過液壓油泵向整個系統(tǒng)提供動力，帶動執(zhí)行元件實現(xiàn)機械運動。

2.方案2：連桿傳動機構(gòu)

使用連桿機構(gòu)，利用杠桿原理，將裝置的發(fā)熱葉片作為連桿的一部分，通過凸輪傳遞動力，控制發(fā)熱葉片開啟和閉合。

3.方案3：齒輪傳動機構(gòu)

將發(fā)熱葉片末端裝配齒輪，配合軸承等，使用電動機作為動力源，利用齒輪傳遞動力實現(xiàn)葉片的開合（如下表）。

（三）尺寸和結(jié)構(gòu)分析設(shè)計：根據(jù)統(tǒng)計和數(shù)據(jù)分析，一般路燈燈柱直徑在100mm到170mm之間，擬設(shè)計該裝置的外觀尺寸為直徑在200ram左右，內(nèi)部直徑根據(jù)不同規(guī)格的路燈進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，可調(diào)整范圍在105mm到180mm之間，確保能夠順利安裝在大多數(shù)的城市路燈燈柱上。裝置的高度在700mm到800mm之間，翻轉(zhuǎn)式加熱葉片長度在600mm到00mm之間，翻轉(zhuǎn)角度控制在0°到110°的范圍內(nèi)。

根據(jù)外觀尺寸，內(nèi)部空間尺寸不大，故可以排除使用方案2的連桿傳動機構(gòu)，由于該裝置主要用于冬季處理積雪和加速融雪，室外溫度在零度以下，而液壓系統(tǒng)液壓油的正常工作范圍一般在30℃到80℃之間，溫度過低會導(dǎo)致液壓油黏度大，流動性差，阻力大，工作效率低，嚴(yán)重時會損壞液壓馬達(dá)。所以不采用方案1的液壓傳動系統(tǒng)。根據(jù)實際使用環(huán)境和該裝置的結(jié)構(gòu)特點，故選用結(jié)構(gòu)簡單，可以在惡劣環(huán)境中工作的齒輪傳動結(jié)構(gòu)，保證該裝置能裝配齒輪結(jié)構(gòu)以及在低溫下正常工作。

（四）結(jié)構(gòu)設(shè)計：根據(jù)上述分析，該裝置最終選用齒輪傳動機構(gòu)。由于裝置的內(nèi)部空間較小，故選用圓錐齒輪，使電動機的軸線和發(fā)熱板外殼的旋轉(zhuǎn)軸線互相垂直，只用兩個齒輪達(dá)到控制發(fā)熱葉片的開合，使齒輪機構(gòu)簡單，便于生產(chǎn)制造和后續(xù)的維修護(hù)理。對于該齒輪機構(gòu)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上主要考慮兩個軸的裝配關(guān)系和相對位置，應(yīng)在裝置內(nèi)部留有相應(yīng)的尺寸空間和裝配位置，確保電動機的軸線與發(fā)熱葉片的旋轉(zhuǎn)軸線能夠在同一個平面上垂直相交，對于此裝置而言，該平面應(yīng)與水平面相互垂直。在齒輪的選擇上，選擇—對直齒圓錐齒輪，改變電動機的扭矩方向，將電機的垂直方向上旋轉(zhuǎn)的扭矩轉(zhuǎn)換成水平方向旋轉(zhuǎn)的扭矩，從而實現(xiàn)發(fā)熱葉片在水平方向上的開啟和閉合。

1.裝置結(jié)構(gòu)（如圖4）所示

注：（1）主體外殼（2）發(fā)熱葉片外殼（3）嵌入式發(fā)熱片（4）活動結(jié)構(gòu)（齒輪機構(gòu)）

2.齒輪連接部分結(jié)構(gòu)（如圖5）所示

注：（1）加熱葉片轉(zhuǎn)軸（2）圓錐齒輪（3）圓錐齒輪（4）電動機

3.直齒圓錐齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計（如圖6）所示（圖為Proe計算機輔助建模零件圖）

注：關(guān)于直齒圓錐齒輪的數(shù)據(jù)計算可根據(jù)《國家標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行計算。

結(jié)論

本論文分析研究了在道路化雪相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的一些歷史背景和技術(shù)發(fā)展，通過對各種除雪方法的分析和比較，提出了一種新型的路燈外置式化雪除雪裝置，并對此裝置的原理進(jìn)行了簡要闡述，其中運用到了一些現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)和材料，在研究過程中對于齒輪的設(shè)計計算、發(fā)電機功率轉(zhuǎn)換和發(fā)熱板的發(fā)熱功率等方面的計算數(shù)據(jù)并未做充分解釋，由于學(xué)科領(lǐng)域不同，故未做深入研究。

論文重點在理論上對該裝置的外觀設(shè)計和分析，得到了相應(yīng)的外觀尺寸，從而確定了本裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)一步進(jìn)行分析和設(shè)計，綜合分析比較不同結(jié)構(gòu)的使用特點以及各自的優(yōu)點和缺點，得到了較為適合的結(jié)構(gòu)以及機械傳動裝置，確保了本裝置能夠達(dá)到預(yù)期的效果。通過計算機輔助設(shè)計的手段，解決了該裝置的結(jié)構(gòu)問題，使該裝置能夠制作生產(chǎn)出實物模型，為本項研究從理論分析向?qū)嶋H操作實驗做好了準(zhǔn)備，可以進(jìn)一步進(jìn)行對該模型的檢測、試用和反饋等工作，通過實物模型進(jìn)一步完善該裝置的各方面設(shè)計，對于后續(xù)的深入研究和設(shè)計具有一定的借鑒意義。