多功能除雪裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

申家明，高本瀚，張引博，康 健，何 隆，劉曉陽(yáng)

（河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050018）

如今的房屋建筑多為鋼筋混凝土澆筑，降雪后如果不及時(shí)清掃積雪，積雪晝?nèi)谝箖?，?huì)加重?zé)崦浝淇s作用，導(dǎo)致屋頂發(fā)生裂紋漏水或者使鋼筋疲勞致使強(qiáng)度降低。如果積雪過(guò)厚，建筑很可能由于鋼筋強(qiáng)度不足而發(fā)生倒塌，因此房屋建筑的除雪工作顯得特別重要。目前，國(guó)內(nèi)尤其是農(nóng)村采用的除雪方式仍然是人工除雪，不僅效率低、勞動(dòng)量大，還存在一定安全隱患，因此設(shè)計(jì)一款高性能屋頂除雪機(jī)械迫在眉睫。

目前，國(guó)內(nèi)的屋頂除雪方法包括化學(xué)除雪法和機(jī)械除雪法等[1]。其中，化學(xué)除雪法一般采用鹽或冰雪融作為融雪劑，兩種融雪劑都會(huì)對(duì)屋頂造成一定腐蝕，并且冰雪融成本較高[2]；機(jī)械除雪法包括整體輸送式除雪[1]、刮板輸送式除雪[3]等方法，但現(xiàn)有的機(jī)械除雪法投入成本較高、適用范圍窄、實(shí)用性不高。國(guó)外大多采用大型除雪設(shè)備進(jìn)行屋頂除雪作業(yè)，包括滾刷式除雪機(jī)、犁式除雪機(jī)等[4]，設(shè)備體積龐大、制造成本高，需要操縱者有較高的操作技術(shù)。綜上所述，屋頂除雪裝置在數(shù)量和品種規(guī)格上還很少，滿足不了國(guó)內(nèi)的需求，因此，研究屋頂除雪裝置有著重要的實(shí)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。

1 總體方案設(shè)計(jì)

多功能除雪裝置主要由除雪系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、升降總成、云臺(tái)系統(tǒng)和行走系統(tǒng)5個(gè)部分組成，整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。在進(jìn)行除雪作業(yè)時(shí)，該裝置利用涵道風(fēng)機(jī)產(chǎn)生負(fù)壓搭配喇叭狀的吸雪口把雪吸入集雪箱，完成對(duì)屋頂積雪收集和運(yùn)輸?shù)囊惑w化作業(yè)。此外，各系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，使裝置擁有升降、俯仰、伸縮和轉(zhuǎn)位功能，大大提高了除雪裝置的清理范圍和靈活度，也能幫助設(shè)備適應(yīng)平屋頂、坡屋頂、曲面屋頂?shù)雀黝愋螤畹奈蓓?。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)多方位行走和高處高效除雪兩個(gè)基本功能，同時(shí)能夠靈活應(yīng)對(duì)多種雪況和多種房型。

圖1 多功能除雪裝置整體結(jié)構(gòu)圖

2 各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 除雪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

除雪系統(tǒng)由除雪頭、除雪管道、除雪風(fēng)機(jī)、集雪箱、吸水泵、吸水管等組成，見(jiàn)第100頁(yè)圖2。除雪作業(yè)時(shí)，除雪頭搭在屋頂上與積雪接觸，靠除雪風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓將積雪吸進(jìn)除雪管道，并沿著管道進(jìn)入集雪箱，實(shí)現(xiàn)對(duì)屋頂積雪收集和運(yùn)輸作業(yè)的一體化。針對(duì)不同厚度和不同狀況的積雪，將除雪系統(tǒng)設(shè)計(jì)為3種工作模式。

圖2 除雪系統(tǒng)組成圖

模式1：負(fù)壓吸雪，主要應(yīng)對(duì)厚度在0～60 mm且較為松散的薄積雪。此模式下除雪風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，電機(jī)以500 r/s的速度旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)機(jī)內(nèi)部空氣以高速氣流排出，產(chǎn)生瞬時(shí)真空，和外界大氣壓形成最大為19.5 kPa的壓差，在此壓差的作用下，積雪從除雪系統(tǒng)頭部被吸入到集雪箱，待除雪作業(yè)完成后，將集雪箱搬運(yùn)到合適地點(diǎn)進(jìn)行處理。

模式2：碎雪+負(fù)壓吸雪，主要應(yīng)對(duì)厚度在60～150 mm的較厚積雪或被壓實(shí)較硬的積雪。此模式下在除雪風(fēng)機(jī)工作的同時(shí)，位于除雪系統(tǒng)頭部前端的由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)將帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)的毛刷輥往復(fù)擊打積雪，將較硬較厚的積雪破碎松散開，化大為小，便于負(fù)壓吸雪工作的進(jìn)行，隨之重復(fù)模式1的工作。

模式3：融雪（冰）+吸水，主要應(yīng)對(duì)已經(jīng)凍結(jié)成冰或進(jìn)行模式2之后仍無(wú)法除盡的頑固積雪層。此模式下位于除雪系統(tǒng)頭部?jī)?nèi)部的單排電熱管開始通電工作，升溫到200℃左右，除雪風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)進(jìn)行吹風(fēng)工作，以暖風(fēng)將頑固積雪融成水，同時(shí)位于除雪系統(tǒng)頭部后部的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)吸水管下降至管頭與屋頂間隙為5～8 mm處，吸水泵開啟，融水將在吸水泵的作用下經(jīng)吸水管引流收集至集雪箱，避免二次結(jié)冰。

2.1.1 除雪頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

除雪頭搖桿前端裝有一個(gè)直徑65 mm、長(zhǎng)335 mm的毛刷輥，在電機(jī)帶動(dòng)下能以最高60 r/s的速度旋轉(zhuǎn)以破碎較厚積雪，在除雪頭上部設(shè)置有與通風(fēng)管相連的接口，除雪頭的外觀模型見(jiàn)圖3。除雪頭罩體兩側(cè)安裝有曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)毛刷輥上下運(yùn)動(dòng)。除雪頭罩體下部安裝有2個(gè)支撐輪，支撐輪為牛眼輪，沿毛刷輥的長(zhǎng)度方向分布以便提供穩(wěn)定的雙點(diǎn)支撐。

圖3 除雪頭外觀模型圖

圖4為除雪頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)。除雪頭罩體內(nèi)部安裝一個(gè)喇叭狀的吸雪頭用于吸雪并在熱融模式下做出風(fēng)口，其底部安裝有一排電熱管，用于融化屋頂積雪。除雪頭罩體內(nèi)部安裝曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)吸水管上下運(yùn)動(dòng)。

2.1.2 大容量集雪箱的設(shè)計(jì)

在機(jī)構(gòu)中加入集雪裝置，經(jīng)過(guò)除雪頭收集的積雪通過(guò)通風(fēng)管收集到集雪箱中，經(jīng)過(guò)熱融的冰雪融水通過(guò)吸水管收集到集雪箱中。

集雪箱設(shè)計(jì)為80 L超大容量立方體形狀，由不銹鋼制作而成，可以容納厚度為30 mm、面積為40 m2的屋頂積雪。箱身接有吸水管且在上端安裝有電機(jī)，集雪箱與電機(jī)罩相互連接，工作中能防止集雪箱受溫度改變變形而造成與電機(jī)的密封失效，提高吸雪效率。集雪箱模型見(jiàn)圖5。

圖5 集雪箱模型圖

2.2 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包含滑桿式伸縮結(jié)構(gòu)和正置式RSSR俯仰結(jié)構(gòu)，控制除雪頭的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，可調(diào)節(jié)除雪頭與屋頂?shù)慕嵌龋赃m應(yīng)不同角度的屋頂，并可補(bǔ)償由于地面不平或屋頂有曲率變化導(dǎo)致除雪頭無(wú)法與屋頂保持原有的角度及距離，實(shí)現(xiàn)除雪頭按照設(shè)定的除雪位置進(jìn)行作業(yè)。

2.2.1 伸縮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

采用滑桿式結(jié)構(gòu)，4個(gè)直線軸承兩兩安裝在固定板上，形成簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，以便提高支承強(qiáng)度，兩根光軸穿過(guò)其中。利用摩擦傳動(dòng)，由一個(gè)電機(jī)作為動(dòng)力帶動(dòng)摩擦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，摩擦輪驅(qū)動(dòng)與光軸固聯(lián)的摩擦條來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩，其中摩擦條和摩擦輪接觸的一面粗糙，相反面較光滑，由牛眼輪頂住，保證與摩擦輪緊密接觸，避免打滑，穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)除雪系統(tǒng)頭部的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)第101頁(yè)圖6-a。采用摩擦傳動(dòng)在過(guò)載情況會(huì)發(fā)生打滑，如果出現(xiàn)除雪頭頂?shù)秸系K物而無(wú)法前進(jìn)的情況，摩擦傳動(dòng)可以起到一定的過(guò)載保護(hù)作用。伸縮結(jié)構(gòu)的保護(hù)裝置是限位保護(hù)裝置，見(jiàn)圖6-b。限位保護(hù)裝置由一個(gè)安裝在滑桿下方的行程開關(guān)和一個(gè)用于行程開關(guān)自動(dòng)復(fù)位的彈簧組成，當(dāng)伸縮桿到達(dá)極限位置時(shí)，行程開關(guān)被觸發(fā)，傳遞信號(hào)給控制系統(tǒng)，控制步進(jìn)電機(jī)立刻停轉(zhuǎn)，彈簧可以在行程開關(guān)觸發(fā)一次后自動(dòng)使行程開關(guān)復(fù)位，以保證下次使用。

圖6 伸縮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.2.2 正置式RSSR俯仰結(jié)構(gòu)

俯仰結(jié)構(gòu)由RSSR結(jié)構(gòu)[5-6]、俯仰調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、舵機(jī)等組成，見(jiàn)圖7。正置式RSSR俯仰結(jié)構(gòu)控制進(jìn)給系統(tǒng)的俯仰角度。

圖7 正置式RSSR俯仰結(jié)構(gòu)

2.3 升降總成的設(shè)計(jì)

本除雪裝置的升降總成采用二級(jí)升降，第一級(jí)升降為電動(dòng)螺旋升降平臺(tái)，第二級(jí)為導(dǎo)軌式升降結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩級(jí)升降以適應(yīng)不同高度的房屋。一級(jí)升降平臺(tái)主要由撐板、升降絲桿、蝸桿傳動(dòng)等結(jié)構(gòu)組成。工作時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)，蝸桿驅(qū)動(dòng)蝸輪減速旋轉(zhuǎn)，蝸輪內(nèi)腔的螺紋驅(qū)動(dòng)絲桿上下移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)，同時(shí)蝸桿傳動(dòng)的減速作用可以放大推力。二級(jí)升降結(jié)構(gòu)由框架、雙滑塊機(jī)構(gòu)和推桿電機(jī)等組成，工作時(shí)由電推桿驅(qū)動(dòng)滑塊沿導(dǎo)軌上下滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)升降功能，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖8。

圖8 升降總成結(jié)構(gòu)圖

2.4 云臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

云臺(tái)系統(tǒng)主要包含驅(qū)動(dòng)電機(jī)、云臺(tái)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)餐盤，布置在一、二兩級(jí)升降機(jī)構(gòu)之間，聯(lián)接上下的兩級(jí)升降機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)平面四桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)上方機(jī)構(gòu)做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)除雪平臺(tái)的轉(zhuǎn)位，配合進(jìn)給系統(tǒng)完成除雪作業(yè)的扇形進(jìn)給，以擴(kuò)大運(yùn)動(dòng)范圍，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。其中，云臺(tái)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)工作時(shí)能控制云臺(tái)系統(tǒng)在0～140°內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以保證除雪車可以清理足夠大范圍內(nèi)的積雪。

2.5 行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

行走系統(tǒng)由底盤框架、4個(gè)麥克納姆輪輪組及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)、縱臂式懸架組成，其中輪組布置方案為米字正交式布局，輪組由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，見(jiàn)圖1。該系統(tǒng)用以承載車身，實(shí)現(xiàn)整車在地面全方位移動(dòng)，輪組采用縱臂式懸掛，可以有效減小裝置車體寬度。

3 結(jié)論

與傳統(tǒng)的除雪方法相比，本裝置提供了一種新型的、多功能屋頂除雪方法，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下。

1）采用多自由度、可伸縮的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型、不同高度和寬度屋頂?shù)姆e雪清理。

2）針對(duì)不同類型的積雪，采用多功能除雪方式，除雪效果好。

3）采用可移動(dòng)平臺(tái)，提高裝置工作的靈活性；采用自動(dòng)收集裝置，方便積雪搬運(yùn)。

目前，我國(guó)屋頂除雪設(shè)備的研發(fā)還比較匱乏，該除雪裝置有重要的實(shí)用價(jià)值，可對(duì)我國(guó)除雪設(shè)備種類進(jìn)行補(bǔ)充。