可自動控制化雪裝置的外觀和結構設計

王東琦　劉園

摘要：利用計算機輔助建模工具，對化雪裝置進行數字化3D建模，根據模型的尺寸和使用功能，對其外觀和結構進行設計和分析。其活動部件采用齒輪機構連接，在結構上可使裝置進行多角度翻轉，保證裝置的可靠性和實用性。整個裝置以電動機為動力源進行傳動，以溫度傳感器和雪量檢測器為核心，基于電子控制系統，將溫度變化轉換為電子信號，通過電子控制系統控制電機運轉，從而實現化雪裝置自動控制。

關鍵詞：工業設計；曲面造型；計算機輔助工業設計；結構設計

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2017）07-0112-02

引言

目前道路化雪方法為移除法和消融法，移除法是利用人工和機械設備對路面積雪進行清除，該方法效率低費用高，影響交通。消融法是指用融雪劑對路面積雪進行融化，主要缺點是造成路面腐蝕。近幾年國內最新的研究技術有鋼纖維石墨導電混凝土在路面的應用和路面微波除冰技術，這些新技術正處于技術研發和材料研究階段，暫時不能大規模推廣。根據目前研究成果，擬設計一項可安裝在路燈上的裝置，與路燈電網連接，輔助使用風能和太陽能發電，通過溫度傳感器和雪量檢測器實時監測環境溫度和降雪量，在溫度和降雪量達到一定數值時自動開啟，對路等周圍積雪進行加熱消融，達到除雪的目的。本文研究重點是解決該裝置的外觀及結構設計，使其滿足相應的結構設計要求，從而實現裝置的自動化控制。

一、技術背景

1952年，Chapman發表了“融雪系統設計”一文，可以看作是道路除雪化冰技術研究工作的開端。1970年，Schnurr等人對融雪管道的布置問題進行了研究，初步得到了融雪溫度與埋管管徑、深度、間距以及長度等因素之間的關系，具有一定的實際應用價值。1995年，美國的Aklahoma大學以Spilter教授為主的研究小組在地源熱泵技術基礎上開展了卓有成效的道橋融雪理論與實驗工作?？傮w來講，歐美國家對于路面除雪除冰的研究和技術發展較為迅速，而我國尚處于起步階段。

2016年，莫斯科鋼鐵與合金學院的科學家研發了一款混合發電裝置，能將太陽能和風能轉化為電能，可廣泛應用于各種氣候條件。據稱，該發電裝置的多項參數優于國際同類產品，風力發電加太陽能發電使得其發電效率超過現有風力發電裝置15%～20%。此外，由于內部結構簡單，發生故障時很容易修理。

二、國內外發展現狀

關于道路除雪除冰技術，日本、美國和一些歐洲國家是從預防的角度出發，鋪裝防凍路面，或將彈性橡膠顆粒等以填料的形式摻進瀝青混合料中，利用不均勻變形使橡膠顆粒周圍形成應力集中，從而達到除冰雪的目的。前幾年較為流行的方法是在路面下鋪設發熱電纜，這種方法需要破除和重建路面，成本較高，能源消耗較高，材料正處于研究階段，尚未大規模使用。

國內最為常見的除雪除冰方法是利用除雪車輛和環衛工人進行人工機械方式除雪，勞動量大，效率低。近年來微波加熱除冰技術興起，研制裝載微波加熱技術的除雪車，利用微波能透過冰層加熱路面，達到消除積雪的目的，目前正處于研究和實驗階段。

總體上國內外的除雪除冰技術重點研究兩方面，一方面是改造路面，利用路面達到除雪融雪的效果，另一方面是研制新型的除雪車，使用新技術代替傳統的機械車輛除雪方式。

三、設計思路及原理

根據目前道路除雪除冰技術的發展現狀，借鑒現有的道路除雪方式方法，提出一種新型的除雪除冰方式。擬設計一款可安裝在街道路燈燈柱上的外部裝置，該裝置設有可翻轉式發熱葉片，可向外界散射熱輻射。該裝置使用風能和太陽能混合發電系統供電，由溫度傳感器和雪量監測裝置對環境變化進行數據處理并轉換為數字信號傳遞給電子控制系統，通過電子控制系統對信號進行處理，控制機械裝置運轉，從而控制發熱葉片的開啟和閉合，對路面積雪進行加熱融化，實現裝置的自動化控制。

設計原理（如圖1）

該裝置的風能太陽能發電系統擬采用莫斯科鋼鐵與合金學院設計研發的混合發電裝置，來提高整個發電系統的發電效率和電能轉換率，發熱裝置采用碳纖維層壓復合導電發熱板，在發電功率允許的范圍內保證裝置能夠有效地對周圍積雪進行加熱和融化。

四、設計部分

（一）外觀設計：整體采用柱形外觀，根據路燈的尺寸設計一系列不同規格，配色方式多樣，可以根據不同城市街道路燈特點進行個性化定制。安裝方法采用包裹式安裝方法，將裝置牢固的安裝在路燈燈柱上，每個裝置帶有可翻轉式加熱葉片，通過電子控制系統實現自動開啟和閉合（如圖2、3）。

（二）傳動結構分析設計：

1.方案1：液壓傳動機構

使用一套液壓系統，通過液壓油泵向整個系統提供動力，帶動執行元件實現機械運動。

2.方案2：連桿傳動機構

使用連桿機構，利用杠桿原理，將裝置的發熱葉片作為連桿的一部分，通過凸輪傳遞動力，控制發熱葉片開啟和閉合。

3.方案3：齒輪傳動機構

將發熱葉片末端裝配齒輪，配合軸承等，使用電動機作為動力源，利用齒輪傳遞動力實現葉片的開合（如下表）。

（三）尺寸和結構分析設計：根據統計和數據分析，一般路燈燈柱直徑在100mm到170mm之間，擬設計該裝置的外觀尺寸為直徑在200ram左右，內部直徑根據不同規格的路燈進行相應的調節，可調整范圍在105mm到180mm之間，確保能夠順利安裝在大多數的城市路燈燈柱上。裝置的高度在700mm到800mm之間，翻轉式加熱葉片長度在600mm到00mm之間，翻轉角度控制在0°到110°的范圍內。

根據外觀尺寸，內部空間尺寸不大，故可以排除使用方案2的連桿傳動機構，由于該裝置主要用于冬季處理積雪和加速融雪，室外溫度在零度以下，而液壓系統液壓油的正常工作范圍一般在30℃到80℃之間，溫度過低會導致液壓油黏度大，流動性差，阻力大，工作效率低，嚴重時會損壞液壓馬達。所以不采用方案1的液壓傳動系統。根據實際使用環境和該裝置的結構特點，故選用結構簡單，可以在惡劣環境中工作的齒輪傳動結構，保證該裝置能裝配齒輪結構以及在低溫下正常工作。

（四）結構設計：根據上述分析，該裝置最終選用齒輪傳動機構。由于裝置的內部空間較小，故選用圓錐齒輪，使電動機的軸線和發熱板外殼的旋轉軸線互相垂直，只用兩個齒輪達到控制發熱葉片的開合，使齒輪機構簡單，便于生產制造和后續的維修護理。對于該齒輪機構，在結構設計上主要考慮兩個軸的裝配關系和相對位置，應在裝置內部留有相應的尺寸空間和裝配位置，確保電動機的軸線與發熱葉片的旋轉軸線能夠在同一個平面上垂直相交，對于此裝置而言，該平面應與水平面相互垂直。在齒輪的選擇上，選擇—對直齒圓錐齒輪，改變電動機的扭矩方向，將電機的垂直方向上旋轉的扭矩轉換成水平方向旋轉的扭矩，從而實現發熱葉片在水平方向上的開啟和閉合。

1.裝置結構（如圖4）所示

注：（1）主體外殼（2）發熱葉片外殼（3）嵌入式發熱片（4）活動結構（齒輪機構）

2.齒輪連接部分結構（如圖5）所示

注：（1）加熱葉片轉軸（2）圓錐齒輪（3）圓錐齒輪（4）電動機

3.直齒圓錐齒輪結構設計（如圖6）所示（圖為Proe計算機輔助建模零件圖）

注：關于直齒圓錐齒輪的數據計算可根據《國家標準》進行計算。

結論

本論文分析研究了在道路化雪相關領域內的一些歷史背景和技術發展，通過對各種除雪方法的分析和比較，提出了一種新型的路燈外置式化雪除雪裝置，并對此裝置的原理進行了簡要闡述，其中運用到了一些現有的科學技術和材料，在研究過程中對于齒輪的設計計算、發電機功率轉換和發熱板的發熱功率等方面的計算數據并未做充分解釋，由于學科領域不同，故未做深入研究。

論文重點在理論上對該裝置的外觀設計和分析，得到了相應的外觀尺寸，從而確定了本裝置的內部結構尺寸，進一步進行分析和設計，綜合分析比較不同結構的使用特點以及各自的優點和缺點，得到了較為適合的結構以及機械傳動裝置，確保了本裝置能夠達到預期的效果。通過計算機輔助設計的手段，解決了該裝置的結構問題，使該裝置能夠制作生產出實物模型，為本項研究從理論分析向實際操作實驗做好了準備，可以進一步進行對該模型的檢測、試用和反饋等工作，通過實物模型進一步完善該裝置的各方面設計，對于后續的深入研究和設計具有一定的借鑒意義。