基于振動力學(xué)與智能物聯(lián)的柔性除雪薄膜設(shè)計

李志龍 陳嘉欣 趙一帆 粟小艷 朱宇

摘 要：北方寒冷地區(qū)，冬季降雪會造成屋頂被積雪覆蓋，而且積雪難以清除?；诖?，本文提出設(shè)計一種基于振動力學(xué)與智能物聯(lián)的柔性除雪薄膜。其間從除雪機(jī)理、結(jié)構(gòu)功能的實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行系統(tǒng)分析，并將其與傳統(tǒng)常規(guī)的除雪方法和除雪設(shè)備進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，相對于常規(guī)的除雪設(shè)備，該設(shè)計具有功耗低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高、使用及維護(hù)成本低、實(shí)用性高等優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：除雪薄膜;振動力學(xué);智能物聯(lián);除雪設(shè)備

中圖分類號：U418文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）35-0049-04

Abstract： In cold northern areas， snowfall in winter will cause the roof to be covered with snow， and the snow is difficult to remove. Based on this， this paper proposed to design a flexible snow removal film based on vibration mechanics and intelligent IoT. In the meantime， systematic analysis was carried out from the aspects of snow removal mechanism， structural function realization， etc.， and it was compared with traditional conventional snow removal methods and snow removal equipment. The results show that compared with conventional snow removal equipment， this design has the advantages of low power consumption， high structural stability， low use and maintenance costs， and high practicability.

Keywords： snow removal film;vibration mechanics;intelligent IoT;snow removal equipment

近年來，溫室氣體大量排放，導(dǎo)致全球變暖，自然災(zāi)害頻發(fā)，在冬季，與降雪有關(guān)的城市次生災(zāi)害事件逐漸顯露，降雪造成的損失日漸突出，嚴(yán)重影響城市經(jīng)濟(jì)生活的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。與降雪相伴而生的另一個問題是除雪，每年人們會花費(fèi)大量精力進(jìn)行除雪。目前，屋頂除雪仍面臨著除雪方法原始，除雪設(shè)備體積大、能耗高、可靠性低等問題[1]。針對這些問題，本文提出了一種基于振動力學(xué)與智能物聯(lián)相結(jié)合的柔性除雪薄膜裝置，這種設(shè)計可在保證除雪效率的同時，極大地降低工作能耗，減小整體體積，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

1 除雪機(jī)理對比

1.1 傳統(tǒng)除雪方案及優(yōu)缺點(diǎn)

根據(jù)不完全市場調(diào)查數(shù)據(jù)及實(shí)際調(diào)查走訪得知，當(dāng)前市面上的屋頂除雪方案主要有以下幾類：電動機(jī)械型、抽吸與吹氣型、利用重力型、化學(xué)雜質(zhì)型等。除雪器大致有以下幾種：傳送帶除雪器、熱水或暖氣管道導(dǎo)熱或電加熱膜蒸發(fā)除雪器、拱形或尖頂屋頂自動滑落除雪器、類似汽車雨刮的除雪器、化學(xué)融雪鹽融雪器[2]。接下來詳細(xì)分析其中幾類常見的屋頂除雪器。

1.1.1 電動機(jī)械類。北京農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所、京鵬環(huán)球溫室工程技術(shù)有限公司曾針對北方地區(qū)冬季溫室屋頂積雪，設(shè)計并研制了一款整體傳輸式溫室屋頂除雪裝置。其利用電機(jī)與傳動裝置協(xié)同刮雪器、幕布進(jìn)行機(jī)械式除雪[3]，外形與結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

這種屋頂除雪器具有高效及時、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。但其缺點(diǎn)也較為顯著，該種除雪器體積和重量大，運(yùn)行功率與前期架設(shè)成本高，應(yīng)用領(lǐng)域窄。

1.1.2 融雪解決方案。人們可以采用太陽能熱水器融雪法和暖氣融雪法除雪，熱水陣列管道和暖氣陣列管道分別如圖3、圖4所示[4-5]。太陽能熱水器融雪法是在屋頂鋪設(shè)細(xì)小的陣列管道，利用太陽能熱水器輔助提供熱源，使雪塊分解融化流落至地面。暖氣融雪法同太陽能熱水器融雪法類似，鋪設(shè)類似于地暖形式的矩陣暖氣管道系統(tǒng)，接通城市供暖系統(tǒng)，利用暖氣提供熱源，融化積雪，達(dá)到除雪效果。

太陽能熱水器融雪法具有突出的優(yōu)點(diǎn)，冬季陽光充足地區(qū)前期一次鋪設(shè)熱水管道，后期幾乎可以做到零費(fèi)用運(yùn)行。該種方法在暴風(fēng)雪和夜晚降雪天氣可以很好地提供除雪服務(wù)。但是，夜晚出現(xiàn)暴雪天氣或數(shù)日連續(xù)降雪時，太陽能無法提供熱水源，必須采用電熱水器供熱，將消耗大量能源。暖氣融雪法同樣存在缺陷，為了達(dá)到較好的導(dǎo)熱效果，其需要使用銅管或金屬片進(jìn)行導(dǎo)熱，前期需要花費(fèi)較大投入鋪設(shè)管道，后期運(yùn)行期間需要使用大量暖氣，運(yùn)行費(fèi)用較大。

1.2 振動式除雪裝置原理及結(jié)構(gòu)

由于雪具有較強(qiáng)的黏附性，且室內(nèi)溫度較室外高，因此雪花最初落至屋頂時會先融化為液態(tài)水，填充于粗糙材料表面的坑洼縫隙，然后迅速同隨后飄落的雪花結(jié)合凝固成冰，以至于由大量雪花堆疊而成的雪塊與屋頂外表面相互粘黏，使其具有較大的阻力，難以根據(jù)自身重力隨屋頂斜面滑落。

1.2.1 除雪原理。根據(jù)上述技術(shù)難點(diǎn)，本文提出以下屋頂除雪原理：對雪與除雪裝置的接觸面進(jìn)行加熱，使接觸面形成液體潤滑膜，降低阻力系數(shù)[μ]，即降低雪的黏附性，減小整體摩擦阻力[μF];通過振動馬達(dá)對雪塊施加一組垂直于除雪裝置的X軸和Y軸的高頻交變作用力，在交變力的作用下，雪塊所受阻力大小以及方向時刻變化，雪塊將始終處于受力不平衡狀態(tài)，但雪塊重力G在Y軸的分力Gy未發(fā)生改變，即雪塊將在重力Gy的作用下順屋頂斜面滑落，從而起到除雪效果，雪塊受力示意圖如圖5所示。

1.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計。振動式除雪裝置采用模塊化夾層式結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括振動模塊層、加熱模塊層、導(dǎo)熱層、壓力傳感器模塊層、溫度傳感器模塊層、連接各種元件與不同模塊的柔性電路層、起到控制作用的外部微處理器與物聯(lián)通信模塊、用于支撐裝置結(jié)構(gòu)的中層框架材料。本設(shè)計選用扁平式偏心轉(zhuǎn)子馬達(dá)為除雪提供動力輸出。

該除雪裝置各模塊的相同元件采用矩陣式排列，不同模塊層通過柔性電路連接，除導(dǎo)熱層，其他各層不同模塊均鑲嵌于框架材料（具體材料為環(huán)氧樹脂，通過澆筑方法填充于不同模塊層和元件的空隙中，待環(huán)氧樹脂凝固后起到框架支撐作用）中。整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2 柔性除雪薄膜設(shè)計

2.1 工作過程

首先，柔性除雪薄膜由控制程序進(jìn)行自我診斷，然后其上搭載的傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)信息傳至控制模塊，經(jīng)由控制模塊判斷，為振動模塊和輔助加熱模塊下達(dá)工作指令，輔助加熱模塊加熱融化接觸面積雪，振動模塊振動除雪。柔性除雪薄膜裝置的工作流程如圖7所示。

2.2 各模塊工作原理

2.2.1 自我診斷程序。通過控制各個模塊的啟動并結(jié)合多個傳感器，對各模塊進(jìn)行診斷，同時校準(zhǔn)傳感器與判斷程序。

2.2.2 判斷程序。主要通過溫度傳感器檢測環(huán)境溫度、判斷是否降雪，壓力傳感器檢測積雪厚度。由多個交叉判斷程序判定是否啟動除雪功能。

2.2.3 輔助加熱模塊。其包括加熱薄膜及導(dǎo)熱層，加熱薄膜將短時持續(xù)加熱使接觸面雪塊融化，并在雪塊與薄膜的接觸界面形成一層低摩擦系數(shù)的液體薄膜，降低雪塊下落時的摩擦力。

2.2.4 振動除雪模塊。其包括多個振動馬達(dá)，振動馬達(dá)在短時間內(nèi)提供橫向與軸向的高頻往復(fù)振動力，振動力破壞屋頂雪塊原本的受力平衡狀態(tài)，屋頂斜面使雪塊在自身重力的作用下逐漸從屋頂滑落。

2.2.5 溫度傳感器。溫度傳感器采用DS18B20數(shù)字測溫芯片，并使用單總線多節(jié)點(diǎn)分路，同時測量溫度數(shù)據(jù)，對多個節(jié)點(diǎn)所測溫度取均值，得出當(dāng)前環(huán)境溫度。

2.2.6 壓力模塊。壓力傳感器使用壓敏電阻式應(yīng)變片，應(yīng)變片將采用多節(jié)點(diǎn)全橋接方式與除雪薄膜材料緊密貼合。當(dāng)除雪裝置上方覆蓋積雪時，雪塊壓迫薄膜材料，使材料自身產(chǎn)生微小形變。應(yīng)變片測力模塊將實(shí)時感知和檢測薄膜材料的微小形變并由其形變程度計算出當(dāng)前積雪厚度。

2.2.7 復(fù)檢測。當(dāng)柔性除雪薄膜完成一次除雪工作后，將回到初始低功耗工作狀態(tài)進(jìn)行自我診斷，且始終檢測環(huán)境變化。

2.3 動作關(guān)系

2.3.1 自我診斷程序中各傳感器與模塊之間的動作關(guān)系。首先，逐一啟動壓力傳感器，診斷各壓力傳感器故障情況，并獲取第1壓力狀態(tài)（用于判斷是否存在積雪重物的零點(diǎn)壓力）。然后，短暫逐一啟動全部振動馬達(dá)，診斷各振動馬達(dá)的故障情況，且壓力傳感器同時獲取振動馬達(dá)工作過程以及停止振動后的壓力動態(tài)變化，并對比第1壓力狀態(tài)，校準(zhǔn)積雪厚度初態(tài)值。隨后，逐一啟動溫度傳感器，獲取第1環(huán)境溫度（用于判斷環(huán)境溫度是否滿足結(jié)冰條件的零點(diǎn)溫度），然后逐一短暫啟動輔助加熱模塊，溫度傳感器獲取溫度的動態(tài)變化，待溫度趨于定值，再與第1環(huán)境溫度進(jìn)行比對，校準(zhǔn)溫度初值。

2.3.2 除雪工作模式下輔助加熱模塊與振動模塊的動作關(guān)系。先啟動輔助加熱模塊，然后啟動振動模塊，加熱模塊和振動模塊交替間斷啟動，直至完成除雪工作。加熱模塊快速升溫至預(yù)設(shè)定值，隨后間斷加熱使溫度維持在預(yù)值。矩陣排列的振動馬達(dá)逐列間斷高頻振動，以接近雪塊材料的共振頻率。

3 運(yùn)用成效

柔性除雪薄膜可以解決機(jī)械類除雪裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差、能耗高、適用場景應(yīng)用領(lǐng)域狹窄的問題;同時解決熱能類除雪方案中出現(xiàn)的除雪功能響應(yīng)不及時、除雪能量輸出大小無法調(diào)節(jié)、除雪效果較慢、后期維護(hù)成本較大等問題。這為各種斜面類除雪除塵需求提供一種新的解決思路，在部分領(lǐng)域（如溫室大棚、機(jī)翼除冰除雪、光伏發(fā)電板除沙除塵）將帶來一定的經(jīng)濟(jì)價值.

4 應(yīng)用前景

本產(chǎn)品可適用于東北高緯度地區(qū)冬季大量積雪以及中部地區(qū)冬季屋頂凍雨結(jié)冰的場景，而且同樣適用于常見的平板或弧形瓦片屋頂、公寓住宅屋頂、工廠板房的塑料鐵皮材質(zhì)屋頂?shù)?。對于新建住宅廠房，可將除雪裝置嵌入原有的屋頂材料中;對于已建成的房屋，可將外部形狀較好的除雪裝置貼合安裝于屋頂上。此外，柔性除雪薄膜還可應(yīng)用于溫室大棚除雪、光伏太陽能板除塵除雪、民航客機(jī)機(jī)翼除雪除冰等領(lǐng)域，在各種使用場景下都具有較高的潛在價值。

5 結(jié)語

為了快速清理冬季屋頂積雪，本文設(shè)計了一種基于振動力學(xué)與數(shù)字化智能控制的柔性除雪薄膜。其間從結(jié)構(gòu)、電機(jī)振動頻率、功率選配等方面進(jìn)行分析，并結(jié)合常規(guī)除雪裝置對比優(yōu)缺點(diǎn);然后用CATIA軟件進(jìn)行三維建模（見圖8），并且完成實(shí)體模型（見圖9）的搭建，使人直觀地感受柔性除雪薄膜的特點(diǎn)。分析結(jié)果表明，柔性除雪薄膜能夠克服傳統(tǒng)除雪裝置的大部分缺點(diǎn)，在工作能耗、安全性、操作智能化和產(chǎn)品實(shí)用性等方面有著較大的性能提升。

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