智能屋頂自動除雪小車的設(shè)計(jì)

覃 博，徐曉烽，于新悅，覃勇強(qiáng)，王 陽，周韋星宇

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

在中國北方，當(dāng)遇到暴雪天氣的時(shí)候，居民的屋頂上極易堆積起大量的積雪。大量的積雪堆積在屋頂，如果不及時(shí)清理，有些結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較差的房子可能會由于屋頂承重過大而導(dǎo)致房屋被壓塌，造成財(cái)產(chǎn)損失甚至出現(xiàn)生命危險(xiǎn)。其次，北方冬季氣候寒冷，屋頂積雪如果沒有及時(shí)清理，在融化成水以后將會順著房檐留下，融化后的雪極易凝固成為冰尖懸掛在房頂上，掉落時(shí)可能會對人產(chǎn)生傷害，極其危險(xiǎn)。然而，目前針對北方居民屋頂積雪的清除，大多數(shù)仍是人工用耙子清理的方式。由于大量雪堆積在屋頂上，人工清除操作不便，且效率較低，操作的危險(xiǎn)系數(shù)較高。目前家居常用且有效的除雪方法是采用熱水融雪管除雪，但是這種方法投資和運(yùn)行費(fèi)均比較高[1]。

機(jī)械除雪裝置雖然效率高、成本低，但主要是用于機(jī)場以及主要道路的積雪清除。與此同時(shí)，目前國內(nèi)外的機(jī)械除雪裝置采用的主要結(jié)構(gòu)是使用螺旋葉片進(jìn)行除雪，這種機(jī)構(gòu)容易出現(xiàn)除不盡以及破壞工作表面等問題，所以并不適用于屋頂積雪的清除工作。發(fā)達(dá)國家的除雪機(jī)械技術(shù)起步較早，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已實(shí)現(xiàn)全方面、多功能除雪。中國除雪機(jī)械設(shè)備的研制起步較晚，近年通過引進(jìn)并參考國外先進(jìn)技術(shù)研制了各種除雪設(shè)備，但產(chǎn)品數(shù)量與性能差距較大，其效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前市場的需求[2]。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路和方法

本裝置設(shè)計(jì)的原理具體如下：首先通過電機(jī)和錐齒輪配合提供動力，小車可以實(shí)現(xiàn)自由的移動以及轉(zhuǎn)向，在小車移動的過程中通過超聲波傳感器和紅外線傳感器來實(shí)現(xiàn)避障的功能，同時(shí)在單片機(jī)的輔助下達(dá)到自動循跡避障的目的；其次，小車通過升降來適應(yīng)不同的高度，從而確定工作高度，然后來到坡頂，進(jìn)行除雪操作。小車來到工作平臺后，通過鏈條傳動帶動刮雪板運(yùn)行來清除積雪。并且在小車上面安裝有紅外傳感器，可以檢測雪的厚度后反饋到控制中心，從而調(diào)整鏈輪的轉(zhuǎn)速，最大限度節(jié)約資源。操作者還可以根據(jù)藍(lán)牙模式來操作除雪小車的模式，實(shí)現(xiàn)居家舒適自動除雪的目的。

1.2 基于智能屋頂自動除雪小車的設(shè)計(jì)與制造

智能屋頂除雪裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，包括行走機(jī)構(gòu)、剪叉升降機(jī)構(gòu)、多角度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、往復(fù)推送機(jī)構(gòu)以及除雪機(jī)構(gòu)。行走機(jī)構(gòu)用于控制裝置整體從上一工作點(diǎn)向下一工作點(diǎn)的移動；剪叉升降機(jī)構(gòu)用于將除雪機(jī)構(gòu)升高至與屋頂表面平齊；多角度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以根據(jù)屋頂?shù)男倍日{(diào)整往復(fù)推送機(jī)構(gòu)的角度，從而實(shí)現(xiàn)對不同斜度的房頂進(jìn)行除雪；除雪機(jī)構(gòu)主要用于刮凈屋頂上面的積雪，裝置具體結(jié)構(gòu)及連接關(guān)系如下：

1.2 .1行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)如圖1所示，包括底座1、萬向輪2、單向輪3、第一電機(jī)4、第一錐齒輪5、第二錐齒輪6、傳動軸7以及第一軸承座8，所述萬向輪3安裝在底座1下方一側(cè)，用于改變裝置的移動方向，第一軸承座8安裝在底座1下方另一側(cè)，傳動軸7與第一軸承座8通過孔軸配合連接，傳動軸7兩端安裝有兩個(gè)單向輪3，傳動軸7中部通過鍵和鍵槽連接第二錐齒輪6，第一錐齒輪5與第二錐齒輪6垂直嚙合安裝，第一電機(jī)4通過孔軸配合與第一錐齒輪5連接，同時(shí)還通過螺栓固接在底座1下方。

圖1 行走機(jī)構(gòu)示意圖

1.2.2 剪叉升降機(jī)構(gòu)

剪叉升降機(jī)構(gòu)如圖2所示：包括第二電機(jī)9、第二電機(jī)固定板10、第一螺桿11、第二軸承座12、螺母力臂軸13、螺母力臂軸承14、滑動軸承15、升降剪叉16、連接軸銷17以及支撐平臺18，所述第二電機(jī)9用螺栓與所述底座1通過第二電機(jī)固定板10連接，為裝置的升降提供動力，第二軸承座12也通過螺栓固接在所述底座1上方，第一螺桿11一端與第二軸承座12通過孔軸配合連接，另一端與第二電機(jī)9連接，且第二電機(jī)9、第二軸承座12、第一螺桿11的中心線共線，螺母力臂軸13與第一螺桿11通過螺紋旋合連接，螺母力臂軸13兩端分別安裝有螺母力臂軸承14，升降剪叉16底部與所述底座1通過連接軸銷17和滑動軸承15連接，升降剪叉16底部內(nèi)側(cè)有滑槽，螺母力臂軸承14與滑槽通過線面接觸形成高副，升降剪叉16上方與支撐平臺18也通過滑動軸承15和連接軸銷17連接。

圖2 行走機(jī)構(gòu)示意圖

1.2.3 多角度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

多角度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括支撐角鋼19、支撐座20、轉(zhuǎn)動螺栓21、緊固螺母22以及連接板23，如圖3所示。圖3的支撐角鋼19與所述支撐平臺18通過螺栓固接，支撐座20焊接在支撐角鋼19上方中部位置，轉(zhuǎn)動螺栓21與支撐座20通過孔軸配合連接，緊固螺母22與轉(zhuǎn)動螺栓21通過螺紋旋合連接，連接板23焊接在轉(zhuǎn)動螺栓21中部。

圖3 多角度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖

1.2.4 往復(fù)推送機(jī)構(gòu)

往復(fù)推送機(jī)構(gòu)如圖4所示：包括第三電機(jī)24、第三電機(jī)固定板25、第二螺桿26、螺紋推力座27、推送剪叉28、定位滑槽29以及連接螺栓30，所述第三電機(jī)24用螺栓通過第三電機(jī)固定板25與定位滑槽29連接，定位滑槽29與所述連接板23通過螺栓固接在一起，螺紋推力座27與推送剪叉28通過螺栓連接后安裝在定位滑槽29內(nèi)，同時(shí)推送剪叉28還與定位滑槽29通過螺栓固接。

圖4 往復(fù)推送機(jī)構(gòu)

1.2.5除雪機(jī)構(gòu)

除雪機(jī)構(gòu)如圖5所示：包括第四電機(jī)31、第四電機(jī)固定板32、鏈輪33、鏈條34、刮雪板35、定位架36、連接角鋼37以及滾輪38，第四電機(jī)31用螺栓與定位架36通過第四電機(jī)固定板32連接，鏈輪33與第四電機(jī)31通過孔軸配合連接，刮雪板35通過螺栓固接在鏈條34上，連接角鋼37通過螺栓固接在定位架36前端，用于將除雪機(jī)構(gòu)與所述推送剪叉28通過所述連接螺栓30連接在一起，定位架36左右兩側(cè)安裝有滾輪38，用于實(shí)現(xiàn)除雪機(jī)構(gòu)的移動。

1.3 工作原理

裝置整體工作原理：當(dāng)使用者通過藍(lán)牙連接上除雪裝置后并選擇智能模式后，第一電機(jī)4啟動，通過錐齒輪的嚙合傳動使得裝置向著預(yù)先設(shè)定的工作點(diǎn)移動，當(dāng)?shù)竭_(dá)工作位置后，第一電機(jī)4暫停運(yùn)行。第二電機(jī)9啟動，帶動第一螺桿11轉(zhuǎn)動，由于第一螺桿11兩端分別連接有第二電機(jī)9和第二軸承座12限制了第一螺桿11的自由度，所以第一螺桿11只能繞其軸線方向轉(zhuǎn)動，在第一螺桿11轉(zhuǎn)動的過程中，與之通過螺紋旋合連接的螺母力臂軸13將沿第一螺桿11軸線方向移動，使螺母力臂軸13兩端的螺母力臂軸承14對升降剪叉16內(nèi)側(cè)的滑槽施加接觸力，從而使得升降剪叉16同時(shí)產(chǎn)生移動和轉(zhuǎn)動，進(jìn)而就能通過剪叉的伸長和收縮實(shí)現(xiàn)升降平臺18的升高和降低。當(dāng)升降剪叉16將除雪機(jī)構(gòu)升高至與屋頂平齊的高度后，控制中心將發(fā)送指令使第三電機(jī)24轉(zhuǎn)動，與升降剪叉16工作原理類似，在第三電機(jī)24轉(zhuǎn)動的過程中，與第二螺桿26通過螺紋旋合連接的螺紋推力座27將沿著第二螺桿26軸線方向在定位滑槽29內(nèi)移動，從而使得推送剪叉28伸長和收縮，達(dá)到將除雪機(jī)構(gòu)推出和收回的目的。在第三電機(jī)24轉(zhuǎn)動的過程中，第四電機(jī)31也同時(shí)接到指令開始啟動，帶動鏈輪33轉(zhuǎn)動，通過鏈輪33鏈條34傳動帶動刮雪板35在屋頂開始除雪工作。在除雪過程中，安裝在除雪機(jī)構(gòu)上面的紅外傳感器將實(shí)時(shí)監(jiān)測屋頂積雪的厚度，然后通過反饋控制將厚度信息反饋到控制中心，控制中心收到信息后將針對積雪的厚度重新發(fā)送指令到第四電機(jī)31，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，提高除雪效率。若屋頂具有一定的坡度，在升降剪叉16將除雪機(jī)構(gòu)升高至與屋頂平齊的高度后，旋松緊固螺母22，然后通過轉(zhuǎn)動螺栓21調(diào)整連接板23的角度，使除雪機(jī)構(gòu)底部與屋頂平行后，擰緊緊固螺母22，將除雪機(jī)構(gòu)固定便可以進(jìn)行后續(xù)工作。

2 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

本裝置主要包括行走機(jī)構(gòu)、剪叉升降機(jī)構(gòu)、多角度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、往復(fù)推送機(jī)構(gòu)以及除雪機(jī)構(gòu)。模型整體長300 mm，寬150 mm，裝置運(yùn)行后距地面最大高度為1000 mm。

2.1 剪叉升降機(jī)構(gòu)

剪叉升降機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)速為1250 r/min的第二電機(jī)提供動力，動力通過第一傳動軸傳輸。

2.2 機(jī)構(gòu)整體數(shù)據(jù)

剪叉升降機(jī)構(gòu)由兩組升降剪叉通過連接軸銷進(jìn)行連接，每一組升降剪叉又由六根單獨(dú)的剪叉兩兩交錯連接而成。每一根單獨(dú)的剪叉長300 mm，寬20 mm。裝置未運(yùn)行時(shí)，整體裝置距地面最大距離600 mm，運(yùn)行后升高400 mm，整體裝置距離地面1000 mm。

2.3 升降剪叉強(qiáng)度校核

查閱資料后可得螺桿推力F和最大載重力G的關(guān)系式：

剪叉桿長度L=300 mm，螺桿距剪叉桿距離a、螺桿距兩剪叉交叉孔距離b，剪叉桿起始角α=10.14°，剪叉桿采用矩形鋼管，材料為Q235，升降剪叉受力如圖5所示。

圖5 升降剪叉受力分析圖

最底層剪叉桿受力最大，對最底層剪叉桿的強(qiáng)度進(jìn)行校核即可完成對剪叉升降機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度校核。計(jì)算拉壓應(yīng)力時(shí)，首先需將最底層AD桿的力轉(zhuǎn)化成與桿垂直和水平方向的力，則轉(zhuǎn)化成如圖6所示。將AD桿鉸接點(diǎn)A點(diǎn)、V點(diǎn)、D點(diǎn)的力轉(zhuǎn)化成與桿水平和垂直方向的力。

圖6 危險(xiǎn)構(gòu)件受力分析圖

假設(shè)剪叉上端承受重力G=200 N，在查閱相關(guān)資料可利用底端剪叉AD受力和G的關(guān)系求出：

AV段軸向力為F=627.5 N

VD段軸向力為F=697.5 N

由計(jì)算結(jié)果可以得知剪叉桿AD的軸力圖，如圖7所示。

圖7 剪叉桿軸力圖

軸力圖可以得知，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在VD，鉸接孔處橫截面面積為：A=201 mm2

則最大拉應(yīng)力為:σb=

由零件材料為Q235，抗拉應(yīng)力為[σ0]=375 MPa，安全系數(shù)取n=2，則：σb＜[σ0]

計(jì)算結(jié)果表明，受力最大的剪叉桿AD滿足抗拉條件，故所有的剪叉桿都滿足抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3.2 應(yīng)力分析

將裝置的三維模型導(dǎo)入三維建模軟件UG中進(jìn)行有限元仿真分析，得出部分危險(xiǎn)構(gòu)件的應(yīng)力圖如圖8～圖10所示。

圖9 刮雪板應(yīng)力分析圖

圖10 推送剪叉應(yīng)力分析圖

3 動力仿真及應(yīng)力分析

3.1 動力仿真分析

通過將裝置的三維模型導(dǎo)入Adams虛擬樣機(jī)中進(jìn)行仿真分析，添加了所需的約束與力后，在Adams虛擬樣機(jī)中設(shè)置除雪機(jī)構(gòu)的動力電機(jī)轉(zhuǎn)速為120 r/min，力contact的剛度設(shè)置為100000，力指數(shù)1.6，阻尼80，穿刺深度0.1 mm，固定的結(jié)構(gòu)件與大地相連，設(shè)置仿真時(shí)間為10 s，仿真步數(shù)為500步，解算結(jié)束后在后處理模塊中導(dǎo)出相應(yīng)的速度和位移變化圖像進(jìn)行分析可以得出結(jié)論：裝置運(yùn)行效果符合預(yù)期使用要求、機(jī)械振動較小，可以實(shí)現(xiàn)對屋頂積雪的自動清除。同時(shí)，對實(shí)物樣機(jī)的工作狀況做了運(yùn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，該裝置各運(yùn)動及支撐部件在實(shí)際工作中可以滿足使用要求，裝置構(gòu)件均能滿足除雪的強(qiáng)度和剛度要求，能夠有效清除屋頂積雪。

4 應(yīng)用情況

在試用過程中，能夠較好的進(jìn)行除雪工作，如圖11所示。除雪機(jī)構(gòu)上面安裝有紅外傳感器，可以檢測雪的厚度后反饋到控制中心，從而調(diào)整鏈輪的轉(zhuǎn)速，最大限度地節(jié)約資源，與此同時(shí)，為了方便操作者居家使用本裝置，在裝置上加裝了藍(lán)牙收發(fā)模塊，使得操作者能夠更加簡便地操控裝置。

圖11 裝置工作示意圖

5 結(jié)語

本裝置能夠方便、高效、快捷、可靠的進(jìn)行屋頂除雪，并且成功解決了裝置的投放以及回收問題。