小型化道路積雪清掃壓塊裝置研制

羅春陽，唐 爽，王開寶，王明旭，賈誠心，曾永陽，陸 月，王立才，郭慶東

(1.北華大學(xué)機械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021；2.兵器工業(yè)集團(tuán)524廠，吉林 吉林 132021)

我國北方地區(qū)冬季降雪時間長、雪量大、范圍廣，每年降雪長達(dá)3～5個月，道路積雪給居民生活帶來極大不便.國外多雪國家已有針對道路積雪清理設(shè)備開發(fā)與研究的公司，例如德國的SCHMIDT、丹麥的Epoke、美國的Henderson、瑞士的BOSCHUNG等，這些公司研發(fā)的除雪設(shè)備主要以雪鏟式、犁式、旋切式或吹雪式除雪機為主[1].我國除雪設(shè)備的研發(fā)起步較晚，在借鑒國外先進(jìn)除雪設(shè)備的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國自然狀況，研發(fā)出了一系列大型除雪設(shè)備，如吉林省北歐重型機械股份有限公司生產(chǎn)的CZ-2420-2E型除冰雪機、哈爾濱雪狼除雪機械設(shè)備有限公司開發(fā)的雪狼1號除雪機等[2].上述除雪設(shè)備清雪效率高、作業(yè)面積大，但通常以卡車或者工程車輛作為主機，設(shè)備龐大、操控不靈活.城市居民小區(qū)和校園道路狹窄、障礙物多，無法使用大型除雪設(shè)備進(jìn)行清雪作業(yè)[3-4].現(xiàn)有的小型化道路清雪裝置多以人工手推式作業(yè)為主，在寒冷的室外，工作環(huán)境惡劣；清雪裝置功能集中在清雪，未考慮積雪轉(zhuǎn)運需求，松散的雪堆需占據(jù)大量的地面空間，不便于存放及轉(zhuǎn)運.本文基于小區(qū)、校園等狹小環(huán)境道路積雪清理及轉(zhuǎn)運需求，在研究雪的物理性質(zhì)的基礎(chǔ)上[5-7]，采用模塊化設(shè)計理念，設(shè)計了一款集清雪、送雪、壓雪、碼雪功能于一體的小型化道路積雪清掃壓實裝置，實現(xiàn)了除雪機械的智能化，并兼顧了積雪的轉(zhuǎn)運需求，該裝置可為冬季路面積雪的高效轉(zhuǎn)運和就地處理提供新的解決途徑.

1 裝置功能及性能要求

針對小型化道路積雪清掃壓塊裝置的應(yīng)用場合、市場需求、清除裝置類型和處理方式等，確定裝置的設(shè)計要求[8-10]：

1)使用場合.適用于中、小型道路，即寬度較窄且大型除雪工程機械不能工作的道路，如校園、居民區(qū)、醫(yī)院和公園內(nèi)道路等.

2)道路清雪裝置類型.類似拋雪式除雪機，該裝置使用清雪滾刷清理道路積雪，需配裝有拋雪泵、清雪鏟和螺旋扇葉，能夠?qū)⒙访娓⊙┘刑幚?

3)積雪處理方法.將路面松散的浮雪收集后壓實成具有一定密實度的雪磚，并成堆整齊碼放，以便后期轉(zhuǎn)運和清理.

4)整機要求.裝置具有多功能、低成本、高效率、小型化和低功率等特點.

小型化道路積雪清掃壓塊裝置性能指標(biāo)要求見表1.

表1 小型化道路積雪清掃壓塊裝置性能指標(biāo)

2 機械系統(tǒng)設(shè)計方案

本文設(shè)計的小型化道路積雪清掃壓塊裝置集道路清雪、積雪壓實、碼垛功能于一體，主要由行走功能單元、清雪功能單元、積雪壓實功能單元、雪磚碼放單元組成，見圖1.

圖1 小型化道路積雪清掃壓塊裝置組成

行走功能單元是裝置實現(xiàn)運動的基礎(chǔ)，主要由履帶輪、機體和控制部分組成.行走電機輸出軸與底盤驅(qū)動輪固定連接，通過輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動履帶底盤行走.采用履帶底盤的優(yōu)勢是承載能力強、牽引力大、運行平穩(wěn)、靈活性高.

清雪功能單元是裝置的重要組成部分，主要實現(xiàn)集雪和拋雪兩大功能.裝置機械結(jié)構(gòu)為市場上常見的絞籠式清雪機樣式，通過懸掛支耳與整機底盤連接，利用皮帶驅(qū)動拋雪葉片工作，實現(xiàn)集雪和拋雪操作[11-12].

積雪壓實功能單元是小型智能化清雪壓塊機器人的關(guān)鍵組成部分，能夠?qū)崿F(xiàn)將松散的雪壓縮成具有一定密實度的雪磚.裝置分為落料系統(tǒng)(上部)和壓實系統(tǒng)(下部)兩大部分，分別見圖2、圖3.

雪磚碼放單元實現(xiàn)將壓制完成的雪磚堆疊存放于雪磚托板之上，在絲杠與升降絲杠電機帶動下將雪磚放置于指定區(qū)域，以便于后期集中轉(zhuǎn)運，見圖4.

小型化道路積雪清掃壓塊裝置通過前端的清雪鏟收集雪，螺旋扇葉在電機帶動下將雪送至料斗，在料斗中將雪二次打碎，均勻地進(jìn)入積雪壓實單元的雪倉中，便于雪磚壓實.同時，由曲柄帶動的壓雪板在電機帶動下對松散的雪進(jìn)行反復(fù)壓實，直至達(dá)到密實度檢測板設(shè)定的密實度.曲柄會保持在最大長度位置，雪倉在左、右滑移絲杠帶動下向前端運動一個預(yù)定距離，使壓實完成的雪磚落在碼放單元的升降托盤上，隨后在升降絲杠的帶動下向下運動一個單位，以便壓實下一個雪磚，直至可碼放雪磚達(dá)到最大數(shù)量，最后將雪磚整齊疊放于指定區(qū)域.整個工作過程都由控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)各部分完成，工作流程見圖5.

3 機械系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)

3.1 積雪壓實功能單元

積雪壓實單元主要分為兩部分：落料裝置和壓實雪磚裝置，見圖6.落料裝置主要由料斗、攪拌軸、支撐架及攪拌電機組成；壓實雪磚裝置主要包括曲柄滑塊機構(gòu)、壓雪板、脫模電機、雪倉、絲桿和密實度檢測板.積雪壓實功能單元安裝在一個支撐框架平臺上，與行走功能單元相連.

圖6 積雪壓實功能單元三維結(jié)構(gòu)

雪磚壓實的過程實際上是一組連貫的往復(fù)運動.曲柄搖桿機構(gòu)工作穩(wěn)定、制造方便、工作空間較小、結(jié)構(gòu)緊湊.曲柄搖桿壓制執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)見圖7.兩塊曲柄由曲柄軸連接，搖桿的末端設(shè)有與壓雪板連接的結(jié)構(gòu).曲柄1與壓實電機相連，通過電機帶動曲柄轉(zhuǎn)動，曲柄再帶動搖桿，將動力傳遞給壓雪板，使其在雪槽內(nèi)做往復(fù)運動.

圖7 曲柄搖桿壓制執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)

壓雪板設(shè)計成抽屜形，使壓雪板在雪槽內(nèi)運動更加穩(wěn)定，上方的擋板還能防止雪下漏在擋板后方.當(dāng)壓雪板處于初始位置時，雪由料斗落入雪槽中；當(dāng)壓雪板推雪動作完成后，壓雪板上方的擋板會將雪槽上的進(jìn)雪口堵住，防止雪下漏，使雪始終落于壓雪板前方，擠壓成雪磚.雪倉及壓雪板工作狀態(tài)見圖8.

圖8 雪倉及壓雪板工作狀態(tài)

密實度檢測板后方設(shè)有壓力傳感器，固定在堵雪板上，能夠?qū)崟r檢測壓力，當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)定值后，該裝置能夠?qū)⑿盘柗答伣o擠雪電機.密實度檢測板安裝位置見圖9.

圖9 密實度檢測板安裝位置

在雪倉底部設(shè)有一對滑軌，將雪倉重量轉(zhuǎn)移到滑塊上，避免雪倉與支撐平臺直接摩擦，使雪磚更容易脫模.

3.2 雪磚碼放單元

雪磚碼放單元主要實現(xiàn)將壓實完成的雪磚放置在雪磚托板上，再通過絲杠的傳動將其放置于地面上，實現(xiàn)雪磚碼放.雪磚碼放單元主要包括雪磚托盤、升降絲杠和控制電機、升降光杠、升降絲杠同步帶，見圖10.

升降同步皮帶的主要作用是將動力分配給左、右兩邊的絲杠，使其同步工作，包括帶輪、皮帶、張緊輪支座等，可以通過調(diào)節(jié)張緊輪支座控制皮帶的張緊程度，使其兩端的絲杠處于同步工作狀態(tài)，避免由于皮帶與帶輪型號不匹配導(dǎo)致的問題.升降絲杠同步帶傳動見圖11.

4 壓實機構(gòu)力學(xué)分析

4.1 密實度最小成磚壓力

壓強與施加力F的關(guān)系：

F=p×S，

式中：p為抗壓強度；S為雪磚壓縮面面積.

壓縮機構(gòu)本質(zhì)是曲柄滑塊機構(gòu)，電機給曲柄提供轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，帶動滑塊運動，實現(xiàn)壓縮.為了測量獲得額定壓縮力時需要的電機轉(zhuǎn)矩，可預(yù)先設(shè)定滑塊獲得的壓力，從而得出電機轉(zhuǎn)矩.

將壓縮機構(gòu)簡化成如圖12 a的曲柄滑塊機構(gòu)，其中，AB為曲柄，BC為連桿，設(shè)定變量θ、α、β(0≤θ≤π).力學(xué)分析如圖12 b，F(xiàn)B對A點的力矩與電機轉(zhuǎn)矩相等，F(xiàn)Cx是FC的水平方向分力.

圖12 雪磚壓實機構(gòu)受力分析

基于力學(xué)平衡關(guān)系及幾何位置關(guān)系可知：

Me=AB×sinα×FB，

整理后可得

α=π-θ+β.

其中：Me為動力源提供的驅(qū)動力矩，N·m.

(1)

(2)

式(1)是Me關(guān)于唯一變量θ的關(guān)系式，式(2)是式(1)的逆關(guān)系.利用MATLAB軟件，對式(2)進(jìn)行運算繪圖，可以得到圖13.由于θ趨于0或π時，Me趨于無窮大，因此，舍去兩端，便于圖像觀察.

圖13 雪磚壓制力MATLAB數(shù)據(jù)曲線

當(dāng)曲柄滑塊機構(gòu)施加在雪磚上的正壓力滿足FCx≥36 kN(由雪磚抗壓強度與雪磚壓縮面面積乘積所得)時，可實現(xiàn)松散雪的壓實成型.由圖13可知：當(dāng)曲柄AB與機架的夾角θ≥2.818 rad時，可獲得最低密實度的雪磚.曲柄繼續(xù)轉(zhuǎn)動，雪磚密實度將進(jìn)一步提高.通過堵雪板上安裝的壓力傳感器，可實現(xiàn)指定密實度雪磚的壓制.

4.2 基于Adams的雪磚壓制機構(gòu)運動學(xué)仿真分析

利用Adams軟件，根據(jù)雪磚壓制機構(gòu)的基本原理構(gòu)建剛體模型，見圖14，約束關(guān)系見表2.

圖14Adams簡化模型Fig.14Adams simplified model表2 約束關(guān)系Tab.2 Constraint relationships約束名稱構(gòu)件1構(gòu)件2約束副放置位置Joint1曲柄機架旋轉(zhuǎn)接觸點Joint2曲柄連桿旋轉(zhuǎn)接觸點Joint3連桿沖頭旋轉(zhuǎn)接觸點Joint4滑槽機架鎖定接觸點Joint5沖頭滑槽移動接觸點

驅(qū)動加載.在曲柄軸線的旋轉(zhuǎn)副上加載旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，根據(jù)工作要求設(shè)定轉(zhuǎn)速為30 r/min.沖頭參數(shù)(位移、速度、加速度)曲線見圖15.

圖15 沖頭運動參數(shù)

結(jié)合沖頭行程軌跡，得出有效沖壓過程，見圖16.由圖16可見：運動的起始點位置并不是沖程的起點.針對圖像進(jìn)行組合分析，見圖17，其中，綠色框線標(biāo)注范圍為沖頭工作的半周期.由圖17可得沖程加速度為147.6 mm/s2，結(jié)合軟件測算可知，沖頭在工作過程中的沖壓力為42.7～53.2 kN，達(dá)到了雪磚壓制力FCx≥36 kN的要求，可以保證雪磚壓制成型.

5 小結(jié)與討論

本文基于小區(qū)、校園等狹小環(huán)境道路積雪清理及轉(zhuǎn)運需求，在分析雪物理性質(zhì)的基礎(chǔ)上，采用模塊化設(shè)計理念，研制了一款集清雪、送雪、壓雪、碼雪功能于一體的小型化道路積雪清掃壓實裝置.該裝置可自動實現(xiàn)雪的清理和壓塊碼垛整理，可為冬季路面積雪的高效轉(zhuǎn)運和就地處理提供新的解決途徑.本文詳細(xì)論述了小型化道路積雪清掃壓塊裝置的設(shè)計方案，并針對積雪壓實、雪磚碼放單元等進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計.在此基礎(chǔ)上，運用多體動力學(xué)分析軟件仿真分析了雪磚壓制機構(gòu)的工作可行性，驗證了裝置工作和結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性.本文設(shè)計的裝置可為小區(qū)、校園等狹小環(huán)境積雪的高效轉(zhuǎn)運和就地處理提供新的解決途徑.由于受試驗條件限制，僅對裝置進(jìn)行了理論研究、仿真分析及優(yōu)化設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上完成了物理樣機的研制，但暫未開展除雪效率、壓實及碼垛性能測試，還有待于在真實除雪狀態(tài)下進(jìn)一步開展試驗驗證.