龔可祎，謝 靜，楊婉振，王盛熹，吳何畏

（湖北文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053）

引言

我國(guó)北方地區(qū)幅員遼闊，冬季降雪持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，屋頂冰雪的積累易對(duì)房屋造成安全事故，但由于國(guó)內(nèi)冰雪清除機(jī)械的開(kāi)發(fā)較晚，產(chǎn)品類(lèi)型和功能尚不完備，只能用于除雪或者除冰專(zhuān)用，而屋頂冰雪清除機(jī)械市面上種類(lèi)較少。國(guó)外的屋頂冰雪清除機(jī)械雖然種類(lèi)齊全，但設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價(jià)昂貴，不適于大范圍推廣應(yīng)用?；诖吮疚幕诨埕~(yú)創(chuàng)意組件設(shè)計(jì)了一種雙絞龍式屋頂冰雪清除裝置，該裝置可工作于不同結(jié)構(gòu)屋頂，實(shí)現(xiàn)破冰和除雪作業(yè)，同時(shí)具有自動(dòng)化程度低等特點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)方案

雙向絞龍屋頂冰雪清除機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示，主要由刮雪鏟、雙向絞龍除雪機(jī)構(gòu)、雙軌行進(jìn)機(jī)構(gòu)、ROBOPRO控制系統(tǒng)、積雪探測(cè)系統(tǒng)等組成。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

工作原理：雙向絞龍冰雪清除機(jī)構(gòu)位于房頂?shù)膬蓚?cè)，通過(guò)鉸鏈與雙軌行進(jìn)機(jī)構(gòu)相連，絞龍?jiān)O(shè)置在背負(fù)式機(jī)架下方，絞龍邊緣設(shè)有破冰錐[1-2]；雙軌行進(jìn)機(jī)構(gòu)固定在機(jī)架下方，通過(guò)絲杠螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)冰雪清除機(jī)行進(jìn)。絞龍固定在刮雪鏟的內(nèi)部，設(shè)在房頂?shù)膬蓚?cè)，每側(cè)有兩根絞龍，采用齒輪鏈條傳動(dòng)，外設(shè)有保護(hù)套，在齒輪傳動(dòng)下使得兩根絞龍轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。刮雪鏟邊緣仿錘狀，對(duì)積雪進(jìn)行輔助性清除。

2 雙向絞龍除雪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

雙向絞龍除雪機(jī)構(gòu)設(shè)在房頂?shù)膬蓚?cè)，每側(cè)有兩根絞龍，采用齒輪鏈條傳動(dòng)，外設(shè)有保護(hù)套；在齒輪的帶動(dòng)下使得兩根絞龍轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反[3-4]。絞龍實(shí)現(xiàn)屋頂積雪切削、集中和拋投功能，絞龍邊緣設(shè)有破冰錐，破冰錐將因溫度過(guò)低時(shí)而結(jié)冰的積雪打碎，提高了絞龍的工作效率。如圖2所示。

圖2 雙向絞龍除雪機(jī)構(gòu)圖

對(duì)于絞龍底部少量未清除的積雪，通過(guò)刮雪鏟將雪鏟起，達(dá)到高度后絞龍將雪從屋頂送下；刮雪鏟采用invertor軟件進(jìn)行建模。刮雪鏟圖如3所示。

圖3 刮雪鏟設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

該模塊依靠傳動(dòng)裝置提供前進(jìn)動(dòng)力使得積雪在重力和屋面斜度的作用下沿鏟體滑落。刮雪鏟之間通過(guò)鉸鏈連接，在重力的作用下刮雪鏟自然下垂，且預(yù)設(shè)有扭簧接位，在遇到障礙物時(shí)刮雪鏟的邊緣會(huì)自動(dòng)彈起，增加了裝置的適應(yīng)性。

3 背負(fù)式機(jī)架的設(shè)計(jì)

背負(fù)式機(jī)架主要起支撐作用，有四根軸通過(guò)鉸鏈與中心軸相連，四根軸平放在屋頂四周。絞龍?jiān)诠ぷ鲿r(shí)由背負(fù)式機(jī)架完成對(duì)于冰雪去除機(jī)的穩(wěn)定支撐；通過(guò)鉸鏈連接，使得冰雪去除機(jī)可適用于不同坡度的屋頂作業(yè)。同時(shí)背負(fù)式設(shè)計(jì)，使得冰雪清除機(jī)安裝和拆卸更為方便，裝置直接放置與房屋上，即可開(kāi)始工作，且無(wú)需對(duì)房屋進(jìn)行大規(guī)模的改造。在軸上有鉸鏈與軸連接，在遇到障礙物時(shí)可自動(dòng)越過(guò)避障。如圖4所示。

圖4 背負(fù)式機(jī)架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

4 雙軌行進(jìn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

雙軌行進(jìn)機(jī)構(gòu)的作用是連接屋頂兩側(cè)的裝置并通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺旋傳動(dòng)進(jìn)而讓除雪機(jī)在屋頂行進(jìn)。

慧魚(yú)步進(jìn)電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)使絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)除雪機(jī)移動(dòng)；齒輪傳動(dòng)，絲杠傳動(dòng)保證了兩側(cè)裝置的速度同步；同時(shí)絲杠傳動(dòng)避免了因積雪的影響而造成除雪機(jī)移動(dòng)出錯(cuò)；雙軌行進(jìn)機(jī)構(gòu)底座鏈接于限位導(dǎo)軌，起到受力支撐作用，讓絲杠不受力，提高了絲杠的使用壽命，同時(shí)也可使用戶(hù)自行調(diào)節(jié)絞龍與屋面的距離；限位導(dǎo)軌避免屋頂兩側(cè)裝置在行進(jìn)過(guò)程中的速度不均衡，提高了裝置在行進(jìn)過(guò)程中的穩(wěn)定性；機(jī)構(gòu)頂部外加雨棚，保護(hù)裝置不受雨雪等天氣影響。如圖5所示。

圖5 雙軌行進(jìn)機(jī)構(gòu)圖

5 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)是基于慧魚(yú)ROBO TXT為主控制器的雙向絞龍屋頂冰雪清除機(jī)控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由ROBO TXT為主控制器，Mini swith微動(dòng)開(kāi)關(guān)，Encoder moto步進(jìn)電機(jī)等和雙向絞龍屋頂冰雪清除機(jī)組成[5-6]。

控制方案的設(shè)計(jì)需要了解除雪的過(guò)程，如圖6所示。當(dāng)用戶(hù)啟動(dòng)裝置后，除雪機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，積雪探測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始檢測(cè)積雪厚度，當(dāng)積雪厚度達(dá)到預(yù)定值后，雙向絞龍除雪裝置將屋面積雪切削、集中和拋投。絲杠開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)除雪機(jī)開(kāi)始在屋頂行進(jìn)，當(dāng)雙軌行進(jìn)機(jī)構(gòu)的傳感器接觸到屋脊兩邊擋板后，控制器接收到信號(hào)，ROBOPRO控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，進(jìn)而絲杠反轉(zhuǎn)，除雪機(jī)開(kāi)始反向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)積雪厚度降到預(yù)定值以下后，裝置自動(dòng)歸位處于待機(jī)狀態(tài)[7]。

圖6 除雪機(jī)工作流程圖

從除雪機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程可以看出，在控制系統(tǒng)中，檢測(cè)環(huán)節(jié)尤為重要。若檢測(cè)環(huán)節(jié)平出現(xiàn)問(wèn)臺(tái)題，就會(huì)在積雪厚度不夠的情況下啟動(dòng)，浪費(fèi)電能。

同時(shí)在運(yùn)行過(guò)程中需要設(shè)計(jì)保護(hù)程序，當(dāng)除雪機(jī)在冰雪清除機(jī)因障礙物的存在而無(wú)法行進(jìn)或者電機(jī)停止工作，系統(tǒng)自動(dòng)切斷工作電源，發(fā)出警報(bào)，并將信息傳遞到用戶(hù)顯示屏，如圖7所示。

圖7 主程序圖

6 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)屋頂冰雪的有效清除。相較于現(xiàn)有的屋頂除雪裝置，改裝置具有自動(dòng)化程度低，可工作于不同結(jié)構(gòu)的屋頂，實(shí)現(xiàn)破冰和除雪的同時(shí)作業(yè)，具有較好的市場(chǎng)前景。同時(shí)在設(shè)計(jì)中綜合運(yùn)用電子控制技術(shù)，以達(dá)到預(yù)期的工作效果，可直接用于機(jī)械課程創(chuàng)新教學(xué)。