覃 博，徐曉烽，于新悅，覃勇強，王 陽，周韋星宇

（廣西大學機械工程學院，廣西 南寧 530004）

0 引言

在中國北方，當遇到暴雪天氣的時候，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，如果不及時清理，有些結構強度較差的房子可能會由于屋頂承重過大而導致房屋被壓塌，造成財產(chǎn)損失甚至出現(xiàn)生命危險。其次，北方冬季氣候寒冷，屋頂積雪如果沒有及時清理，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，掉落時可能會對人產(chǎn)生傷害，極其危險。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行費均比較高[1]。

機械除雪裝置雖然效率高、成本低，但主要是用于機場以及主要道路的積雪清除。與此同時，目前國內外的機械除雪裝置采用的主要結構是使用螺旋葉片進行除雪，這種機構容易出現(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)達國家的除雪機械技術起步較早，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已實現(xiàn)全方面、多功能除雪。中國除雪機械設備的研制起步較晚，近年通過引進并參考國外先進技術研制了各種除雪設備，但產(chǎn)品數(shù)量與性能差距較大，其效果遠遠不能滿足當前市場的需求[2]。

1 總體設計

1.1 機構設計思路和方法

本裝置設計的原理具體如下：首先通過電機和錐齒輪配合提供動力，小車可以實現(xiàn)自由的移動以及轉向，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現(xiàn)避障的功能，同時在單片機的輔助下達到自動循跡避障的目的；其次，小車通過升降來適應不同的高度，從而確定工作高度，然后來到坡頂，進行除雪操作。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，從而調整鏈輪的轉速，最大限度節(jié)約資源。操作者還可以根據(jù)藍牙模式來操作除雪小車的模式，實現(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計與制造

智能屋頂除雪裝置的機械結構部分，包括行走機構、剪叉升降機構、多角度旋轉機構、往復推送機構以及除雪機構。行走機構用于控制裝置整體從上一工作點向下一工作點的移動；剪叉升降機構用于將除雪機構升高至與屋頂表面平齊；多角度旋轉機構可以根據(jù)屋頂?shù)男倍日{整往復推送機構的角度，從而實現(xiàn)對不同斜度的房頂進行除雪；除雪機構主要用于刮凈屋頂上面的積雪，裝置具體結構及連接關系如下：

1.2 .1行走機構

行走機構如圖1所示，包括底座1、萬向輪2、單向輪3、第一電機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，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，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4通過孔軸配合與第一錐齒輪5連接，同時還通過螺栓固接在底座1下方。

圖1 行走機構示意圖

1.2.2 剪叉升降機構

剪叉升降機構如圖2所示：包括第二電機9、第二電機固定板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9用螺栓與所述底座1通過第二電機固定板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9連接，且第二電機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底部內側有滑槽，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 行走機構示意圖

1.2.3 多角度旋轉機構

多角度旋轉機構包括支撐角鋼19、支撐座20、轉動螺栓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，轉動螺栓21與支撐座20通過孔軸配合連接，緊固螺母22與轉動螺栓21通過螺紋旋合連接，連接板23焊接在轉動螺栓21中部。

圖3 多角度旋轉機構示意圖

1.2.4 往復推送機構

往復推送機構如圖4所示：包括第三電機24、第三電機固定板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24用螺栓通過第三電機固定板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，同時推送剪叉28還與定位滑槽29通過螺栓固接。

圖4 往復推送機構

1.2.5除雪機構

除雪機構如圖5所示：包括第四電機31、第四電機固定板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31用螺栓與定位架36通過第四電機固定板32連接，鏈輪33與第四電機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，用于將除雪機構與所述推送剪叉28通過所述連接螺栓30連接在一起，定位架36左右兩側安裝有滾輪38，用于實現(xiàn)除雪機構的移動。

1.3 工作原理

裝置整體工作原理：當使用者通過藍牙連接上除雪裝置后并選擇智能模式后，第一電機4啟動，通過錐齒輪的嚙合傳動使得裝置向著預先設定的工作點移動，當?shù)竭_工作位置后，第一電機4暫停運行。第二電機9啟動，帶動第一螺桿11轉動，由于第一螺桿11兩端分別連接有第二電機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動，在第一螺桿11轉動的過程中，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內側的滑槽施加接觸力，從而使得升降剪叉16同時產(chǎn)生移動和轉動，進而就能通過剪叉的伸長和收縮實現(xiàn)升降平臺18的升高和降低。當升降剪叉16將除雪機構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24轉動，與升降剪叉16工作原理類似，在第三電機24轉動的過程中，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內移動，從而使得推送剪叉28伸長和收縮，達到將除雪機構推出和收回的目的。在第三電機24轉動的過程中，第四電機31也同時接到指令開始啟動，帶動鏈輪33轉動，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，安裝在除雪機構上面的紅外傳感器將實時監(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31，調整電機轉速，提高除雪效率。若屋頂具有一定的坡度，在升降剪叉16將除雪機構升高至與屋頂平齊的高度后，旋松緊固螺母22，然后通過轉動螺栓21調整連接板23的角度，使除雪機構底部與屋頂平行后，擰緊緊固螺母22，將除雪機構固定便可以進行后續(xù)工作。

2 理論設計計算

本裝置主要包括行走機構、剪叉升降機構、多角度旋轉機構、往復推送機構以及除雪機構。模型整體長300 mm，寬150 mm，裝置運行后距地面最大高度為1000 mm。

2.1 剪叉升降機構

剪叉升降機構由轉速為1250 r/min的第二電機提供動力，動力通過第一傳動軸傳輸。

2.2 機構整體數(shù)據(jù)

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

2.3 升降剪叉強度校核

查閱資料后可得螺桿推力F和最大載重力G的關系式：

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度進行校核即可完成對剪叉升降機構的強度校核。計算拉壓應力時，首先需將最底層AD桿的力轉化成與桿垂直和水平方向的力，則轉化成如圖6所示。將AD桿鉸接點A點、V點、D點的力轉化成與桿水平和垂直方向的力。

圖6 危險構件受力分析圖

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

AV段軸向力為F=627.5 N

VD段軸向力為F=697.5 N

由計算結果可以得知剪叉桿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，最大拉應力出現(xiàn)在VD，鉸接孔處橫截面面積為：A=201 mm2

則最大拉應力為:σb=

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

計算結果表明，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度設計要求。

3.2 應力分析

將裝置的三維模型導入三維建模軟件UG中進行有限元仿真分析，得出部分危險構件的應力圖如圖8～圖10所示。

圖9 刮雪板應力分析圖

圖10 推送剪叉應力分析圖

3 動力仿真及應力分析

3.1 動力仿真分析

通過將裝置的三維模型導入Adams虛擬樣機中進行仿真分析，添加了所需的約束與力后，在Adams虛擬樣機中設置除雪機構的動力電機轉速為120 r/min，力contact的剛度設置為100000，力指數(shù)1.6，阻尼80，穿刺深度0.1 mm，固定的結構件與大地相連，設置仿真時間為10 s，仿真步數(shù)為500步，解算結束后在后處理模塊中導出相應的速度和位移變化圖像進行分析可以得出結論：裝置運行效果符合預期使用要求、機械振動較小，可以實現(xiàn)對屋頂積雪的自動清除。同時，對實物樣機的工作狀況做了運行試驗，結果表明，該裝置各運動及支撐部件在實際工作中可以滿足使用要求，裝置構件均能滿足除雪的強度和剛度要求，能夠有效清除屋頂積雪。

4 應用情況

在試用過程中，能夠較好的進行除雪工作，如圖11所示。除雪機構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，從而調整鏈輪的轉速，最大限度地節(jié)約資源，與此同時，為了方便操作者居家使用本裝置，在裝置上加裝了藍牙收發(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 結語

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