智能屋頂除雪機(jī)的設(shè)計研究

馬 杰

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

在我國北方地區(qū)，每年都有3～5 個月的雪季，東北地區(qū)降雪更大、時間更長。現(xiàn)今的住房建筑等多為鋼筋混凝土澆筑或是金屬桁架結(jié)構(gòu)，但是北方農(nóng)村一些磚瓦土房，下雪后如果落雪不能及時得到清除，由于農(nóng)村自建房屋承重較差，有可能直接將房屋壓塌；對于鋼筋混凝土澆筑、金屬桁架結(jié)構(gòu)的房屋，則會因熱脹冷縮作用從而對房屋產(chǎn)生破壞，使鋼筋疲勞從而降低強(qiáng)度，若是積雪堆積過多，房屋建筑很可能承受不住積雪重量而導(dǎo)致倒塌事故。綜上，房屋建筑的除雪工作就顯得尤其重要。

我國對除雪機(jī)械的開發(fā)、生產(chǎn)都比較晚，因此還處于起步階段。目前，我國的城市道路、公路和房屋建筑冬季除雪大部分仍沿用傳統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)方式，常見的如人工撒鹽方式或人工和小型除雪設(shè)備相結(jié)合的形式進(jìn)行積雪清除。高速公路和一級公路已經(jīng)開始使用大型專用除雪機(jī)械，在冬季對公路進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。但是，除雪設(shè)備在數(shù)量和品種、規(guī)格上還很少，并且除雪裝置大部分依賴進(jìn)口。機(jī)械化、智能化等總體水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家。且目前學(xué)者關(guān)于道路除雪機(jī)的研究較多，對于屋頂除雪機(jī)的研究較少。龔可祎，謝靜楊等設(shè)計了一種基于inventor 和慧魚創(chuàng)意組件實現(xiàn)三維設(shè)計和模型搭建的雙向絞龍屋頂冰雪清除機(jī)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。何龍，潘江如等人設(shè)計了一種全自動除雪機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)全自動路線規(guī)劃和導(dǎo)航除雪,但不適用于屋頂積雪清除。

目前在國內(nèi)，針對屋頂積雪的清除通過人工手動直接除雪的方式為主，這種除雪方式耗時耗力并且危險系數(shù)又高，特別是冬季夜晚突發(fā)暴雪的情況下，很容易對建筑物造成破壞，因此設(shè)計一款屋頂智能除雪機(jī)迫在眉睫。

1 除雪機(jī)整體原理

機(jī)械法是通過機(jī)械裝置在運動的過程中直接作用，清除落雪消除積雪可能帶來的危害。雖然這種積雪方式對積雪的清除效率較低，但是對環(huán)境和植被無任何其他附加影響，直接將落雪轉(zhuǎn)移或是運送到需要的地方，進(jìn)行回收利用，應(yīng)用范圍比較廣。因此，本文認(rèn)為：機(jī)械除雪法是未來除雪的發(fā)展趨勢，適用于各個領(lǐng)域、不同規(guī)格的除雪機(jī)器會不斷涌現(xiàn)出來，不斷豐富除雪機(jī)械這個大家族。

基于以上背景分析，本文設(shè)計一種智能屋頂自動除雪機(jī)，采用機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行積雪清除，同時加入智能控制，無需人為控制啟停，設(shè)備直接自行檢測觸發(fā)，解放人力的同時提高工作效率。整個裝置由程序控制，在屋頂角落處設(shè)置一傳感器進(jìn)行積雪重量檢測，當(dāng)傳感器檢測到積雪達(dá)到一定重量時，智能控制電機(jī)啟停，程序觸發(fā)電機(jī)開始運行，帶動裝置對屋頂面上的積雪進(jìn)行清除，當(dāng)積雪減少時，電機(jī)自動斷開停止工作。這樣可成功解放人力，采用機(jī)械化設(shè)備進(jìn)行除雪，并且即使晚上突發(fā)強(qiáng)降雪，也不必?fù)?dān)心屋頂積雪過多，對房屋造成破壞。

2 除雪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

此屋頂自動除雪裝置機(jī)械部分由兩大部分組成，除雪機(jī)構(gòu)及積雪輸送機(jī)構(gòu)。

（1）除雪機(jī)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。通過X 向、Y 向和Z 向電機(jī)配合驅(qū)動，帶動除雪板將積雪清除。整個裝置通過三個電機(jī)驅(qū)動，中間通過光桿連接，傳動單元采用帶傳送、輔助以導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)。

（2）積雪傳送裝置的設(shè)計。在屋頂外沿設(shè)置積雪傳送裝置，通過輸送帶機(jī)構(gòu)，將從屋頂清除的積雪運走。

設(shè)備整體安裝圖如（圖1）。

圖1 裝配示意圖

2.1 除雪結(jié)構(gòu)設(shè)計

本次除雪模塊，通過X 向、Y 向和Z 向電機(jī)配合驅(qū)動，整體采用皮帶傳動配合導(dǎo)軌傳動，除雪機(jī)構(gòu)采用刮刀模塊進(jìn)行積雪刮除。在刮板除雪過程中，考慮到受力及積雪量問題，一個房屋平面分成4 列，一列一列清除。

X 向電機(jī)通過驅(qū)動光桿軸，帶動兩端帶輪運轉(zhuǎn)，從而帶動刮刀系統(tǒng)沿X 向移動，進(jìn)行房屋積雪的清除。本部分運動清雪主要是將房面積雪從最里面逐步推至房沿外。Y 向電機(jī)主要與X 向配合移動，在Y 向移動，一列一列移動，保證房屋整個平面的積雪清除。Z 向電機(jī)的設(shè)計，一方面是根據(jù)積雪厚度及當(dāng)?shù)亟笛┖窟M(jìn)行刮刀高度的調(diào)整，一方面是方便刮刀退回時的抬起。

整體結(jié)構(gòu)原理如（圖2）。Y 向整體結(jié)構(gòu)通過支撐板架接于X 向滑塊之上；Z 向升降機(jī)構(gòu)整體放置于Y 向?qū)к壣?；刮雪刀連接在Z 向裝置上。2 號電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動光桿軸轉(zhuǎn)動，進(jìn)而通過帶輪帶動導(dǎo)軌滑塊在X 向的移動；進(jìn)而帶動Y 向除雪機(jī)構(gòu)沿X 向移動，進(jìn)行積雪的清除。3 號電機(jī)通過皮帶輪帶動Z 向裝置整體沿Y 向移動，配合X 向的除雪。1 號電機(jī)則控制Z 向裝置的升降。整個裝置的運動過程先沿X 向刮雪，后原路返回；在沿Y 向移動一個刮刀寬度的距離，再沿X 向移動除雪，直到完成整個屋頂平面積雪的清除。

圖2 除雪結(jié)構(gòu)原理圖

2.2 積雪傳送裝置設(shè)計

由于用于屋頂除雪，需要將從屋面推下的積雪送走。因此本裝置設(shè)置有積雪傳送機(jī)構(gòu)。刮刀清除的屋頂積雪推至傳送帶上，通過傳送帶將積雪運送到固定位置。除此之外，加入了輸雪機(jī)構(gòu)X 向的移動，保證在有落雪的時候傳送帶再從房檐出來進(jìn)行積雪輸送工作，當(dāng)晴天、下雨天等，傳送帶收在屋檐下，從而有效地提高其使用壽命。

其結(jié)構(gòu)原理圖如（圖3），整個裝置置于屋檐下方。整體由電機(jī)驅(qū)動，通過帶傳動帶動運轉(zhuǎn)。四號電機(jī)通過同步輪及皮帶帶動光桿軸的轉(zhuǎn)動；在皮帶輪和同步輪的作用下，帶動傳送帶沿X 向移動。從而保證在下雪天的時候再將傳送帶移動出來工作。5 號電機(jī)通過聯(lián)軸器，帶動齒輪軸轉(zhuǎn)動，從而帶動傳送帶沿Y 向移動，進(jìn)行積雪的轉(zhuǎn)移。

圖3 積雪傳送裝置原理圖

3 控制部分設(shè)計

設(shè)計過程中采用重量傳感器進(jìn)行積雪量檢測，由一個51 單片機(jī)進(jìn)行控制，利用51 單片機(jī)實現(xiàn)電機(jī)的精確定位。通過一個單片機(jī)，控制不同電機(jī)的順序啟動，從而實現(xiàn)屋頂除雪機(jī)整體的控制，進(jìn)而實現(xiàn)除雪和送雪運動。

將編制好的程序下載到控制板上，沒有降雪時整個裝置處于斷開狀態(tài)。一旦傳感器檢測到積雪到達(dá)初始設(shè)定量時，觸發(fā)單片機(jī)程序，啟動電機(jī)開始運行進(jìn)行除雪、送雪工作。當(dāng)檢測到積雪量減少時，程序斷開，電機(jī)停止工作。整個控制流程框圖如（圖4）。

圖4 控制流程圖

4 小結(jié)

此款智能屋頂除雪機(jī)，采用了積雪檢測模塊，有效實現(xiàn)無人值守的自動化除雪；輸雪模塊可前后移動，便于延長傳送帶的使用壽命；采用單片機(jī)自動控制，構(gòu)造簡單，成本較低。同時采用同步帶傳動，適用于大尺寸傳動，是一種簡單、實用的除雪裝置，解放了人力，實現(xiàn)自動除雪。