南方行道樹除雪設備的設計與研究

摘 要：基于對南方冬季普遍存在的行道樹積雪問題進行深入的研究思考，考察了現實當中積雪對于行道樹的壓垮情況。根據收集的信息和模型進行了行道樹除雪設備的原理性設計，并且制作出初步的設計模型，用于清理我國南方的行道樹積雪清理。

關鍵詞：行道樹；積雪清理；自動化；使用說明

在現代都市中，行道樹作為道路兩邊的綠化已經越來越普遍，在我國南方載種的行道樹基本上以香樟等常綠喬木為主。這類樹木具有樹冠大、樹莖高大等特點。在近幾年湖州冬季屢屢受到極寒天氣的影響，行道樹經常會出現被積雪壓塌的情況，造成了不小的損失，而此款設備就能解決這個問題，它能夠有效的進行行道樹的積雪清理，防止過度積雪對行道樹產生傷害，從而避免了人們因上述原因而造成的一些損失。

同時，它也避免了一些不必要的困難，可以將設備固定安裝在皮卡等移動設備的后面，可以隨著車輛的移動而且移動，有效避免了移動產生的困難，可以非常方便的處理積雪，同時它也可以適應不同高度不同需求的樹木，減少了人工操作產生的困難和不便。

1 功能簡介

除雪設備通過固定在移動車輛上，通過傳感器來確定樹木樹冠的高度，通過內部電路系統來調節輸出電路上的電機旋轉角度。通過三組電機和電位器的協作來帶動內部的機械結構，將掃雪的圓盤送到樹冠高度，再驅動掃雪圓盤將樹冠上的積雪掃落下來。實現行道樹積雪處理的自動化處理，有效解決了人工處理積雪危險性大，效率低下的問題。即解決了行道樹積雪這一現實生活中的實際問題。

2 “智能窗”的主要結構

3 “智能窗”的物理原理

3.1 行道樹樹冠高度調節系統

利用了三自由度的機械臂系統來調節清掃轉盤的高度。即利用用大扭力減速電動機帶動曲桿結構，同時帶動結構上的電位器同步旋轉，以確定旋轉的角度，以反饋控制機械臂的高度。電路部分利用電位器的反饋和對于樹冠高度判斷進行運動，當電機打開時減速電機運動控制機械臂的運動，自動將清掃的盤子上升到樹冠高度，感應器感應到樹冠時反饋給控制電路，控制電路防止電路再次返回。

3.2 震動除雪掃雪結構

利用擺輪組、圓柱直線導軌、減速電機等組合成一個圓盤掃雪除雪裝置，利用轉動的圓盤和圓盤上的掃雪刷子可以將樹冠上的積雪清理下來，而內置的擺輪則可以很好的給與刷子一個周期性的震動，可以有效防止刷子和樹枝糾纏以及雪的積累。同時，電路部分利用電位器來感應減速電機的狀態，當感應到有樹枝糾纏時便會停止電動機，利用加大震動其內部機械結構的運動，完成解開樹枝糾纏的作用。

4 “智能除雪設備”模型的制作方法

（1）利用三維軟件設計繪圖，確定尺寸和內部結構。

（2）①自動控制系統：在依據實際的需求，設計出基本的電路控制。依靠于數字電路設計基本電路，利用arduino作為控制器，逐步搭建控制器系統、上位機程序、驅動部分模塊以及傳感器反饋。最后連接12v電源以及降壓模塊，調試程序功能。

②機械部分制作：按照強度結構將 零件分為三組：第一組強度結構比較小用3d打印去制作，另外一部分結構強度比較大用鋁合金加工制作。第三部分易損耗用高碳高進行cnc加工防止磨損。組裝調試。

（3）連接電路。

5 使用說明

（1）安裝好后，設備處于待機狀態；

（2）使用時，按下使用開關，控制電路件開始發出指令，電機啟動；

（3）傳感器測量樹冠高度，電位器返回數據，電機根據實際情況來控制電機轉動；

（4）有高度偏差時，允許人工參與校準，調節電機高度，高度合適時，電子控制元件開始發出指令，電刷開始運動，開始自動除雪；

（5）無需除雪時，機械臂均可折疊收納。

6 相關拓展

隨著我國經濟的快速發展，道路交通也越來越成為經濟發展的基礎，行道樹無論作為綠化裝飾還是平時隔離消聲的作用都日漸增強。保持道路空氣新鮮，擁有健康的道路駕駛環境也越來越成為現代人的共識。然而在現在的生活中，極端天氣的幾率不斷增加，行道樹被積雪壓垮的新聞屢見不鮮。為道路交通部門的運作增加了負擔和道路安全增加了不確定因數。

本文介紹的除雪設備可以利用一般的卡車承載，利用汽車自身電能為此款除雪設備提供能源，有效提高了道路維護的效率。減少了安全隱患和維護成本。

此款智能窗主要是針對城市道路交通開發的一種功能專一的產品，其具有非常強大的需求。在現在的城市中對于此問題的處理仍出于空白階段，依靠人工除雪效率低、成本高。供需處理不平衡，仍需要進行大量的處理才能完成。而此設備可有效的完成處理積雪，為道路安全提供了保障。

參考文獻：

[1]黃華梁，彭文生.機械設計基礎.高等教育出版社，2001.

[2]楊芳春.電機傳動.高等教育出版社，1995.

作者簡介：傅子耀（2005-），男，浙江湖州人，浙江省杭州市杭州二中白馬湖學校初一學生。

指導老師：呼格吉樂（1980-），男，蒙古族，內蒙古通遼人，高級實驗師，工程碩士學位，湖州師范學院省級物理實驗教學示范中心，從事物理實驗教學與物理教學儀器開發；王一超（1996-），男，漢族，浙江紹興人，湖州師范學院物理系大三學生。