新型彩鋼瓦屋頂除雪機設計

牛虎利 鄭帥杰 趙自更 張嘉鈺

摘 要：為了解決由積雪引起的彩鋼瓦屋頂坍塌現(xiàn)象，設計一種新型彩鋼瓦屋頂除雪機。提出了推移式除雪和隔熱保溫的總體設計方案，制定了除雪和隔熱保溫工藝路線，對除雪機進行了結構設計、樣機測試和控制設計等。使用UG軟件對除雪機進行三維建模;采用ANSYS Workbench對零件進行有限元分析，檢驗設計的合理性;采用西門子S-200 SMART PLC作為核心控制器，完成控制原理圖設計，及驅動裝置、人機交互設備和各類傳感器選型。結果表明，所設計的除雪機可以實現(xiàn)彩鋼瓦屋頂?shù)淖詣映?，與人工相比效率高、安全性高、操作方便，并無除雪不均的問題出現(xiàn)。除雪機的設計改變了傳統(tǒng)人工除雪方式，其結構可靠、容易操作、效率較高，可為其他斜屋頂?shù)淖詣映┨峁┮环N新的解決方案。

關鍵詞：機械設計其他學科;彩鋼瓦;積雪;除雪機;UG ;ANSYS Workbench

中圖分類號：TH12?? 文獻標識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx03006

Design of a new type of snow remover for the color steel tile roof

NIU Huli，ZHENG Shuaijie，ZHAO Zigeng，ZHANG Jiayu

（College of Mechanical Engineering，Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang，Hebei 050018，China）

Abstract：In order to solve the collapse of color steel tile roof caused by snow accumulation，a new type of color steel tile roof snow remover was designed.The overall design scheme for sliding snow removal and thermal insulation was put forward，the snow removal and thermal insulation process route was formulated，and the structure design，prototype test and control design of the snow remover were carried out.UG software was used to carry out three-dimensional modeling of the snow remover.ANSYS Workbench was used to perform finite element analysis on the parts to check the rationality of the design.Siemens S-200 SMART PLC was used as the core controller to complete the design of the control schematic diagram，and the selection of driving devices，human-computer interaction equipment and various sensors.The results show that the designed snow remover can realize automatic snow removal of the color steel tile roof，which is more efficient，safer and easier to operate than manual operation，and there is no uneven snow removal problem.The design of the snow remover has changed the traditional manual snow removal method，and its structure is reliable，easy to operate，and highly efficient.It can provide a new solution for the automatic snow removal of other inclined roofs.

Keywords：

mechanical design of other disciplines;color steel tile;snow accumulation;snow remover;UG;ANSYS Workbench

暴雪作為冬春季最重要氣象災害之一[1]，對建筑結構產(chǎn)生巨大影響，積雪重量過大，極容易造成房屋倒塌的事故發(fā)生。同時冰雪融化時，在房檐結成冰錐，危及行人安全。屋頂除雪使用撒鹽、融雪劑等[2-4]方法，效果均不明顯。目前常用的有效措施是使用鏟子除雪，但鏟子尖銳部分具有損壞屋面的保護膜，從而降低屋面使用壽命。對于斜屋頂（斜頂棚）的除雪工作而言，人工攀爬除雪，不但費時費力，還具有極大的危險性。如圖1所示。

趙麗麗[5]研制了推掃一體式散雪除雪機，具有結構簡單、操作方便、成本低廉的優(yōu)勢，滿足不同地區(qū)的除雪需要。孫玉鳳等[6]在分析國內(nèi)外除雪機原理的基礎上，提出了一種拋揚式除雪機動力系統(tǒng)設計方案，集成了切削、集中、推移和拋投等多種功能。郝志勇等[7]為解決屋面積雪壓塌溫室問題，設計了一種新型溫室除雪機，該設備驅動簡單、除雪效率高、便于安裝。在此基礎上，本文借鑒類似除雪設備的結構和除雪方式，設計了一種新型彩鋼瓦屋頂除雪機，解決了斜屋頂除雪作業(yè)中存在的費時費力、安全隱患等問題，可為彩鋼瓦屋頂提供一種高效、低成本的除雪設備[8]。

1 彩鋼瓦屋頂除雪機方案設計

1.1 工作原理

新型彩鋼瓦屋頂除雪機采用推移式除雪，除凈率較高[9-10]。在工作中，通過電機正反轉帶動繩索實現(xiàn)除雪機構升降，清理屋頂積雪。保溫隔熱性能對室內(nèi)居住起至關重要的作用[11]，因此除雪設備還增添了保溫功能。在無雪天氣，利用保溫機構將保溫層覆蓋屋頂，起到冬暖夏涼效果。由于除雪機在彩鋼瓦屋頂上作業(yè)，對其有明確要求，具體設計要求如下：1）能在彩鋼瓦屋頂上正常行走;2）能將屋頂積雪清理干凈;3）可自動化式完成除雪作業(yè)。

1.2 設計要求

能夠穩(wěn)定地完成不同時間段除雪工作，實現(xiàn)接收降雪信號的精準控制;保證除雪率高、移動方便、穩(wěn)定性好;同時增加保溫裝置，保證冬暖夏涼的效果。具體參數(shù)要求如表1所示。

1.3 工藝方法和結構組成

全天隨時工作，無雪天氣，啟動電機驅動繩索使保溫層鋪展開來;降雪天氣，設備接收到指令收起保溫層，根據(jù)積雪達到20 cm厚度啟動電機驅動繩索進行除雪，具體組成部分如圖2所示。

2 理論計算和控制系統(tǒng)設計

2.1 結構設計

如圖3所示，按照民房尺寸設計，除雪機采用拼接式安裝。除雪機由除雪機構、滑輪組機構、保溫機構、驅動機構組成。其中驅動機構由固設于屋體墻壁上的電機組成，滑輪組機構由安裝于彩鋼瓦屋頂?shù)幕啞⒌?牽引繩以及第2牽引繩組成。通過電機的正轉，電機的輸出軸卷繞牽引第1牽引繩[12]，帶動除雪機構和保溫機構在彩鋼瓦屋頂向上滑動;通過電機的反轉，電機的輸出軸卷繞牽引第2牽引繩，帶動除雪機構和保溫機構在彩鋼瓦屋頂向下滑動。

如圖4所示，除雪機構由雪鏟、鋁型材支架、導軌、滑塊、回轉軸承組成。鏟雪部分采用拼接型犁式雪鏟[13]，每個雪鏟依據(jù)角件安裝于鋁型材支架上，可調(diào)整雪鏟在鋁型材支架上的位置;導軌依據(jù)彩鋼瓦屋頂?shù)膬A斜角度傾斜安裝于屋頂上;滑塊滑動設置于所述導軌上;回轉軸承增加了除雪機構自由度，解決除雪過程卡頓問題，設置于所述滑塊上，并與鋁型材支架連接。

如圖5所示，保溫機構采用卷筒式保溫層[14]。保溫機構由保溫層、特制軸承座、小鋼管組成。保溫棉卷的一端與輥子相連，保溫棉卷的另一端與鋁型材支架的一端相連。保溫棉卷繞過小鋼管保持屋面貼合。在除雪機構位于彩鋼瓦屋頂?shù)南卵貢r，依靠重物的重力將保溫棉卷牽引平鋪于斜屋頂?shù)纳喜俊?/p>

2.2 運動分析

雪鏟接觸面與彩鋼瓦屋面緊密相連，利用電機提供動力推動雪鏟將浮雪從彩鋼瓦屋面清除。因此，對彩鋼瓦屋面除雪機的摩擦系數(shù)、浮雪密度、浮雪厚度、作業(yè)速度等因素進行分析與計算。

1）下行階段

要滿足的條件：鋼絲繩拉力F1與屋頂所受壓力G要大于下行階段摩擦力f與保溫裝置拉力F2，圖6為下行階段受力示意圖。

分析執(zhí)行機構能實現(xiàn)下行運動，滿足以下關系：

F1+Gcos θ>F2+f，

其中：

G=g（M1+M2），f=μGsin θ，F(xiàn)2=gM3，

式中：g為重力加速度（m/s2）;M1為執(zhí)行機構質(zhì)量（kg）;M2為積雪質(zhì)量（kg）;μ為摩擦系數(shù);θ為屋頂夾角（°）;M3為保溫機構重物質(zhì)量（kg）。

轉矩T1計算：

T1=F1D2，

式中D為轉軸直徑（m）。

2）上行階段

要滿足的條件：鋼絲繩拉力F1與保溫裝置拉力F2要大于上行階段摩擦力f與屋頂所受壓力G，圖7為下行階段受力示意圖。

分析執(zhí)行機構能實現(xiàn)下行運動，滿足以下關系：

F1+F2>Gcos θ+f，

其中：

G=gM1，f=μGsin θ，F(xiàn)2=gM3，

式中：g為重力加速度（m/s2）;M1為執(zhí)行機構質(zhì)量（kg）;μ為摩擦系數(shù);θ為屋頂夾角（°）;M3為保溫機構重物質(zhì)量（kg）。

轉矩T2計算：

T2=F1D2，

式中D為轉軸直徑（m）。

根據(jù)以上分析與實際條件相結合，確定各式中變量為g=9.8 m/s2，μ=1.4，θ=60°，M1=15 kg，M2=6 kg，M3=5 kg，D=0.03 m。

根據(jù)以上參數(shù)和給出的公式，分別計算出下行階段和上行階段轉矩：T1=2.94 N/m，T2=3.05 N/m。

2.3 雪鏟支撐架選型與校核

考慮到雪鏟等零件需要支撐結構，綜合因素選用鋁型材作為支架。通過鋁型材手冊選用GB4040型號鋁型材。目前，對仿真模型進行靜態(tài)有限元分析的軟件中ANSYS具有較高的穩(wěn)定性與準確性[15]，利用ANSYS Workbench對鋁型材支架進行校核分析，網(wǎng)格劃分，雪鏟支撐架整體變形、應力圖如圖8和圖9所示。

由圖8可知，鋁型材支架最大變形發(fā)生在中間位置，最大變形量為0.019 619 mm，遠小于允許最大變形量1 mm，滿足設計要求。

由圖9可知，鋁型材支架最大應力發(fā)生在兩端，最大應力為2.361 1 MPa，遠小于許用應力180 MPa，滿足設計要求。

2.4 控制系統(tǒng)設計

屋頂自動除雪機控制系統(tǒng)由可編程邏輯控制器（PLC）、人機交互界面（HMI）、電機驅動器、電機、各類傳感器等部分組成?？刂葡到y(tǒng)結構如圖10所示，利用計算機編寫好程序后下載至PLC，PLC給步進電機驅動器脈沖信號控制電機正反轉，完成除雪動作。PLC通過讀取行程開關信號對雪鏟的運動位置進行保護，當雪鏟超出行程時，PLC獲取超程信號，發(fā)出停止電機信號。同時PLC將電機運動信息反饋至人機交互界面，通過人機界面上顯示雪鏟的位置及當前除雪工作的任務進度。

2.4.1 控制系統(tǒng)硬件選型及接線原理

根據(jù)除雪機工作原理、控制系統(tǒng)方案及所要實現(xiàn)的動作和必要信息的讀寫，并考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)處理能力及程序編寫的難易程度，采用PLC作為核心控制，并進行其余控制系統(tǒng)硬件選型，如表2所示。

其電氣接線原理如圖11所示，主要是以PLC 的接線為主，根據(jù)本系統(tǒng)需要控制一個步進電機及需要的輸入輸出點數(shù)，采用一個PLC進行控制。控制回路采用24 V電源供電，其中信號輸入端I0.1，I0.2接口處的S1，S2為除雪電機正負限位開關，I0.3，I0.4接口處的S3，S4為除雪電機行程開關，I0.5處的EBO1為急停按鈕;信號輸出端Q0.0，Q0.2，Q0.4接口處的101，102，103為步進電機驅動器輸入端口，Q0.6接口處為系統(tǒng)警報指示燈。

2.4.2 控制系統(tǒng)方案設計

自動除雪機通過PLC讀取工作人員所輸入人機交互界面的數(shù)據(jù)進行除雪運動，數(shù)據(jù)包括掃雪運動間隔，任務開始時間及任務結束時間。利用限位開關實現(xiàn)電機正反轉自動切換，利用行程開關保證除雪機安全工作。控制系統(tǒng)工作流程如圖12所示。

如上述控制流程圖，屋頂除雪機上電啟動后，系統(tǒng)首先進行參數(shù)初始化，并執(zhí)行回零動作，其次進行工作參數(shù)設置，共包括兩種工作模式：一是設置除雪時間間隔t及除雪次數(shù)X，即為執(zhí)行除雪次數(shù)遞減程序，當PLC判斷除雪次數(shù)X<0時，當前任務停止;二是設置除雪時間間隔t、任務開始時間T1及任務開始時間T2，即執(zhí)行時間進程除雪程序，當PLC判斷當前時間T>T2時，當前任務停止。在整個工作過程中若除雪裝置觸碰兩端行程開關，則停止運行，并啟動報警指示燈。

3 實驗效果驗證

民房（彩鋼瓦房屋）結構大，實驗結果不易記錄。本樣機實驗采用小型彩鋼瓦房屋進行除雪機平臺搭建，如圖13所示。

同時也進行了除雪模擬實驗，如圖14和圖15所示。除雪實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

通過表3實驗數(shù)據(jù)可知，一次除雪過程所用時間平均約為25.548 s，下行階段用時平均約為10.218 s，上行階段用時平均約為15.33 s，除雪前積雪標準質(zhì)量為15 kg，除雪后回收除掉的積雪和小部分融水質(zhì)量平均為14.14 kg，除雪率約為94.27%。實驗測試數(shù)據(jù)非常好，本除雪機設計可行。

在彩鋼瓦屋頂除雪時，人工由于操作困難，一次工作時長約為1 h，通常上午和下午各1次除雪;而除雪機一次工作時長約為25.548 s，可以進行24 h作業(yè)，綜合對比除雪機的效率高、操作方便、安全性高。

4 結 語

本文對積雪引起彩鋼瓦房屋坍塌現(xiàn)狀，設計了一種新型彩鋼瓦屋頂除雪機，該除雪機面對暴雪天氣可以及時自動清理屋頂?shù)姆e雪，從而避免了積雪對房屋的破環(huán)，解決了傳統(tǒng)人工除雪的危險度高、效率低以及夜間除雪局限性等問題，同時該除雪機增加了保溫功能，保證了室內(nèi)保溫隔熱的功能。

1）完成了新型彩鋼瓦屋頂除雪機的整體設計。通過技術需求制定了該除雪機的工藝方法，制定了除雪機構、滑輪組機構、保溫機構、驅動機構，同時繪制了整體除雪機的結構模型和控制系統(tǒng)。對該除雪機的機械結構和關鍵零部件進行了理論設計計算以及有限元分析。新型彩鋼瓦屋頂除雪機的研究設計推動了除雪行業(yè)的技術創(chuàng)新，解決了傳統(tǒng)人工操作方式，實現(xiàn)了彩鋼瓦屋頂自動除雪。

2）增添了保溫功能，在無降雪天氣，將保溫層鋪展到屋面，可以很好地實現(xiàn)室內(nèi)保溫隔熱的功能。

3）通過樣機實驗得出除雪率達到94.27%，實驗結果驗證了該結構的可行性且達到了實際使用效果。為除雪行業(yè)的發(fā)展提供了一個新的方向，具有良好的應用價值意義。

但是本文中研究的除雪機還有不足，仍要繼續(xù)優(yōu)化改進：

1）新型彩鋼瓦屋頂除雪機實現(xiàn)了整體結構設計，同時對關鍵零部件進行檢測以滿足使用要求，但是還要對文中未檢測的機構進行理論和實驗驗證;

2）設計了控制系統(tǒng)，通過手動操作觸摸屏來除雪，還需要添加降雪檢測模塊，來完成自動檢測降雪并除雪;

3）在進行樣機實驗過程中，除雪功能達到了使用要求，還需要為暴露在外界的機械結構增添保護殼，以延長使用壽命。

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