多轉(zhuǎn)子離心拋雪機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李艷龍，徐朝陽(yáng)，李文龍，王玉博，楊 虎,陳 雪

(北華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

在我國(guó)東北方地區(qū)，每年都有大量降雪[1]，給人們的正常出行帶來很多不便，目前除雪大多以人力為主，近年來，隨著機(jī)械化的興起，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)很多除雪機(jī)械[2]，使用較多的是用于公路、街道、廣場(chǎng)等大型場(chǎng)所的重型除雪機(jī)[3]，該類機(jī)器效率高，操作方便，但也存在體積大，不能針對(duì)小范圍區(qū)域作業(yè)等缺點(diǎn)，我國(guó)人口居住密集，道路較窄，除雪多以城鎮(zhèn)為主，為此小型拋雪機(jī)將會(huì)受到家庭用戶的青睞.

現(xiàn)今市場(chǎng)上出現(xiàn)了很多小型除雪機(jī)[4]，其大多數(shù)體積小巧，功能強(qiáng)勁，此類拋雪機(jī)一般用于小區(qū)、公園等小范圍區(qū)域，其工作時(shí)只需清理出一條道路即可.而現(xiàn)有的除雪機(jī)也存在很多弊端，除雪機(jī)只設(shè)有一個(gè)離心轉(zhuǎn)子和鏟雪槳配合使用，在清雪時(shí)容易留下盲區(qū)，拋雪過程無法進(jìn)行定點(diǎn)拋射，在工作區(qū)域時(shí)常會(huì)有堅(jiān)硬物體(如石頭，磚塊)極易對(duì)鏟雪槳造成破壞.針對(duì)以上缺陷，本文設(shè)計(jì)一種智能化的拋雪機(jī)，使用效率高，可以解決目前除雪機(jī)的技術(shù)弊端.

1 多轉(zhuǎn)子離心拋雪機(jī)方案設(shè)計(jì)

多轉(zhuǎn)子離心拋雪機(jī)由汽油機(jī)提供動(dòng)力，汽油機(jī)連接驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行前進(jìn)，并由使用者把持扶手進(jìn)行操控，機(jī)器正常工作時(shí)，由位于機(jī)器前方的鏟雪槳將雪聚集卷入離心風(fēng)機(jī)處，并通過離心轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓強(qiáng)差將雪進(jìn)一步拋出，拋雪管位于機(jī)器后方采用可彎曲設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)的定點(diǎn)拋射.由于拋雪機(jī)工作區(qū)域時(shí)常伴隨障礙物出現(xiàn)，為延長(zhǎng)鏟雪槳壽命，鏟雪槳可以進(jìn)行高度調(diào)節(jié)，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，鏟雪槳會(huì)在控制系統(tǒng)作用下進(jìn)行高度調(diào)節(jié)，鏟雪槳軸通過在轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡內(nèi)旋轉(zhuǎn)以達(dá)到高度調(diào)節(jié)目的，此外拋雪機(jī)整體外部均設(shè)有外殼進(jìn)行保護(hù).

2 集雪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

集雪系統(tǒng)由鏟雪槳、離心轉(zhuǎn)子、槳片保護(hù)殼構(gòu)成，主要包括鏟雪槳“集”雪和離心轉(zhuǎn)子“吸”雪兩個(gè)過程，拋雪機(jī)采用三組鏟雪槳和離心轉(zhuǎn)子配合(如圖1所示)，由汽油機(jī)帶動(dòng)鏟雪槳軸旋轉(zhuǎn)，拋雪機(jī)在除雪時(shí)，由鏟雪槳[5]把雪打散處理，打散后的碎雪通過三組對(duì)稱安裝的鏟雪槳片集中于離心風(fēng)機(jī)處，由于拋雪機(jī)不斷前進(jìn)，積雪逐漸增多，在離心風(fēng)機(jī)的作用下，散雪會(huì)陸續(xù)進(jìn)入離心管道處等待拋雪系統(tǒng)處理.

圖1 三組鏟雪槳、離心風(fēng)機(jī)示意圖

2.1 多組鏟雪槳設(shè)計(jì)

拋雪機(jī)設(shè)有三組鏟雪槳，每組均采用對(duì)稱設(shè)計(jì)，通過汽油機(jī)帶動(dòng)鏟雪槳軸使鏟雪槳高速旋轉(zhuǎn)，鏟雪槳采用螺旋狀設(shè)計(jì)(如圖1所示)，能夠高效的將雪向?qū)ΨQ軸處聚集并進(jìn)行“卷起”，以便于離心風(fēng)機(jī)的“吸入”.

2.2 多轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子是指離心風(fēng)機(jī)的離心轉(zhuǎn)子[6]，當(dāng)鏟雪槳將雪卷起后，雪會(huì)隨著鏟雪槳旋轉(zhuǎn)而進(jìn)入離心風(fēng)機(jī)處，通過離心轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生壓強(qiáng)差，將雪進(jìn)一步“吸入處理”，拋雪機(jī)設(shè)有三組離心轉(zhuǎn)子，與鏟雪槳對(duì)稱軸在位置上一一對(duì)應(yīng)，更好的將雪由“卷起”到“吸入”，減少盲區(qū)，提高效率.

離心轉(zhuǎn)子采用三葉片式設(shè)計(jì)(如圖2所示)，葉片呈曲面狀，更大程度的產(chǎn)生風(fēng)力，葉片由電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，拋雪機(jī)葉片直徑120 mm，葉片厚度為45 mm.

圖2 離心轉(zhuǎn)子示意圖

離心風(fēng)機(jī)葉片是拋雪機(jī)的吸雪工具，不同規(guī)格的葉片拋雪能力不同，需求的功率也不相同，按公式(1)計(jì)算的拋雪功率所得值與實(shí)際結(jié)果較為接近，原文獻(xiàn)中介紹的公式已經(jīng)經(jīng)過實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，機(jī)械效率等問題已經(jīng)考慮在內(nèi).

計(jì)算公式如下：

(1)

V2=d2n2/60

(2)

式中：ΡB為葉片消耗功率(kw)；μf為雪與鋼板的動(dòng)摩擦系數(shù)；K2為葉片形狀系數(shù)；ρ為雪密度；Qb為葉片體積，d2為拋雪管長(zhǎng)度；ε為積雪密度變化系數(shù)；V2為葉片線速度(m/s)；n2為葉片轉(zhuǎn)速(r/min).

3 拋雪系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本拋雪機(jī)工作環(huán)境大多為小范圍場(chǎng)所，能夠清理出一條道路供人行走即可，拋雪機(jī)在拋雪時(shí)一般將雪拋到路邊綠化帶為宜，在公路上時(shí)使用效果是比較理想的，但是在家里庭院、小區(qū)等場(chǎng)合使用時(shí)，由于房屋密集，地勢(shì)復(fù)雜，拋雪地點(diǎn)需要謹(jǐn)慎選擇，為此拋雪機(jī)拋雪筒上部分采用波紋管式設(shè)計(jì)，可以隨意調(diào)節(jié)拋雪的高度和角度，方便操作者根據(jù)綠化帶的位置來調(diào)節(jié)拋雪筒的高度和角度，從而調(diào)節(jié)拋雪的位置，達(dá)到落點(diǎn)可控效果.

(a) 結(jié)構(gòu)圖

(b) 外形圖圖3 拋雪管示意圖

拋雪管分為上、下兩部分(如圖3(a)所示)，下部分設(shè)有三個(gè)支管，每根支管均設(shè)有離心風(fēng)機(jī)，支管后部匯聚成一根總管道，拋雪管上部分采用塑膠材質(zhì)波紋管(如圖3(b)所示)，強(qiáng)度較大，能夠承受離心轉(zhuǎn)子產(chǎn)生壓強(qiáng)差帶來的沖擊[7]，拋雪管彎曲變形可以很快復(fù)原，使用壽命強(qiáng)，效果好.為減小雪在其中運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力，拋雪筒的直筒部分與集雪器的上擋板制成一個(gè)零件，連接處以圓角光滑過渡，且材料選用高光潔度、高韌性的玻璃鋼.拋雪筒處于集雪器中部，方向應(yīng)與擋板的半封閉圓筒相切，這個(gè)方向雪可以得到充分的初速度后從此拋出.拋雪筒軸線應(yīng)處于集雪螺旋軸螺旋面中部，這樣雪在離開集雪器進(jìn)入拋雪筒時(shí)可少受阻力，為提高拋雪距離，拋雪筒出口處有橢圓狀的光滑開口以保證雪在離開拋雪筒轉(zhuǎn)彎時(shí)少受阻力.

拋雪距離公式如下：

(3)

V2=πd2n2/60，

(4)

式中：L為拋雪距離(m)；V2葉片線速度(m/s)；g為重力加速度(m/ s2)；φ為拋雪角度；π為圓周率；d2為拋雪管長(zhǎng)度；n2為葉片轉(zhuǎn)速(r/min).

當(dāng)φ=45°時(shí)，L取值最大.說明相同的初速度只有在45°斜上拋時(shí)拋的距離最遠(yuǎn)，故揚(yáng)雪角取45°最合理.

4 智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

拋雪機(jī)工作地面大多數(shù)凹凸不平，地面時(shí)常會(huì)有磚頭、瓦片等障礙物體[8]，拋雪機(jī)在工作時(shí)螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)，極易碰到障礙物，對(duì)槳片造成損壞減少壽命，為此本拋雪機(jī)設(shè)有保護(hù)程序，由超聲波傳感器、步進(jìn)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)軌道、鏟雪槳軸、單片機(jī)程序構(gòu)成.在螺旋槳軸處設(shè)有超聲波傳感器[9]，機(jī)器未投入使用以前，通過根據(jù)超聲波避障模塊[10]的深入學(xué)習(xí)，了解到工作環(huán)境中的障礙物特性(以石頭、水泥為主)，把這些特征輸送給傳感器以進(jìn)行后續(xù)的識(shí)別.在螺旋槳保護(hù)殼兩側(cè)設(shè)有旋轉(zhuǎn)軌道，旋轉(zhuǎn)軌道處連有步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)傳感器識(shí)別到地面有障礙物時(shí)會(huì)給單片機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)[11]，控制系統(tǒng)帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)開始工作，使旋轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)軌跡內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以進(jìn)行高度調(diào)節(jié)，達(dá)到保護(hù)槳片的目的.

鏟雪槳軸在旋轉(zhuǎn)軌道內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)鏟雪槳到地面高度的調(diào)節(jié)(如圖4所示).

當(dāng)鏟雪槳越過障礙物時(shí)，傳感器會(huì)將信號(hào)再次發(fā)給控制程序，步進(jìn)電機(jī)通過反向轉(zhuǎn)動(dòng)，將鏟雪槳回到原始高度，并通過傳感器將鏟雪槳離地面高度調(diào)節(jié)為最佳高度，鏟雪漿完成高度調(diào)節(jié).

5 多轉(zhuǎn)子離心拋雪機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多轉(zhuǎn)子離心拋雪機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要包括集雪系統(tǒng)、拋雪系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)四部分，拋雪機(jī)在工作時(shí)由汽油機(jī)提供能力，采用后輪制動(dòng)方式，鏟雪槳多組設(shè)計(jì)，減少盲區(qū)提高效率，拋雪管采用可彎曲設(shè)計(jì)，能夠?qū)佈┑攸c(diǎn)進(jìn)行小范圍內(nèi)的定點(diǎn)拋射，拋雪機(jī)內(nèi)部設(shè)有鏟雪槳保護(hù)智能控制程序，能夠?qū)崟r(shí)保護(hù)槳片不受障礙物破壞，拋雪機(jī)底盤處設(shè)有減震片，外表美觀協(xié)調(diào)，使用便捷高效.

6 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一款適用于小區(qū)、公園等小范圍區(qū)域的小型家用拋雪機(jī)，體積小巧，使用靈活，與現(xiàn)有的除雪機(jī)器相比，主要優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)采用多組鏟雪槳片與離心扇葉配合使用，將碎雪集中到吸雪孔，保證了集雪水平，減少盲區(qū)，提高效率.

(2)出雪口處采用塑膠波紋管，能夠改變拋雪軌跡，達(dá)到小范圍落點(diǎn)可控目的.

(3)設(shè)有鏟雪槳保護(hù)控制程序，漿片能夠自動(dòng)避開障礙物，極大程度上減少損耗，增加機(jī)器壽命.