一種多功能自動(dòng)掃雪車設(shè)計(jì)

童垚 張艷麗 尹禮鑫 韓宗文

（西安文理學(xué)院 機(jī)械與材料工程學(xué)院，陜西 西安710065）

隨著城市化的日益發(fā)展，由于積雪自身帶有潛在安全隱患，使得一系列不必要的事故風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生概率大大增加，例如，交通堵塞或者交通事故，要求對(duì)道路上的積雪進(jìn)行實(shí)時(shí)清理，刻不容緩?，F(xiàn)有的大型機(jī)械除雪設(shè)備可以對(duì)公路等較寬廣的地域進(jìn)行除雪作業(yè)，可以降低事故發(fā)生率，而對(duì)于像校園、人行道、居民小區(qū)里的狹窄路況等束手無策。人工除雪可以有效解決此類問題，但是這種方式卻比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，清雪效率也不高，路面積雪也清除的不是很干凈，因此，設(shè)計(jì)一種高效、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能實(shí)現(xiàn)多功能自主掃雪的小型掃雪設(shè)備用來解決此類問題是很有必要的。

圖1 自動(dòng)掃雪車總體機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

1 自動(dòng)掃雪車總體設(shè)計(jì)思路

自動(dòng)掃雪車在總體設(shè)計(jì)上大體上可分為兩個(gè)部分，即機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和控制部分。機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要分為集雪裝置、行走裝置、傳送裝置以及壓縮裝置。通過一定的連接裝置將這幾部分裝置有序連接起來，組建成自動(dòng)掃雪車整體機(jī)械結(jié)構(gòu)框架。而控制部分則主要是以當(dāng)下廣泛使用的高性能微處理器STM32 芯片為載體設(shè)計(jì)出一套具備遠(yuǎn)程遙控且具有一定智能的完整的電控掃雪清潔系統(tǒng)。利用STM32 單片機(jī)對(duì)小型全自動(dòng)掃雪車進(jìn)行直線行走、轉(zhuǎn)向、后退等動(dòng)作的設(shè)計(jì)，以及對(duì)整體避障模塊、無線遙感模塊的設(shè)計(jì)，使得操作者可以更容易的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控操作室外掃雪車進(jìn)行除雪作業(yè)。通過智能傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)掃雪車在戶外復(fù)雜工作環(huán)境下的自主避障，同時(shí)利用無線遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)可在室內(nèi)對(duì)戶外工作掃雪車的控制，并且通過設(shè)計(jì)的掃雪機(jī)總控器，實(shí)現(xiàn)對(duì)清雪模式和驅(qū)動(dòng)模式的集成。

2 自動(dòng)掃雪車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)掃雪車在總體設(shè)計(jì)思路上將掃雪車功能模塊化，從而在總體機(jī)械結(jié)構(gòu)上裝置模塊化，各裝置之間選擇合適的連接方式進(jìn)行連接（如焊接、萬向節(jié)連接等等），最終組裝成自動(dòng)掃雪車，其總體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該自動(dòng)掃雪車致力于在行走裝置驅(qū)動(dòng)下使得小車在行進(jìn)過程中將積雪從集雪裝置入雪口，利用螺旋旋切刀具將積雪打碎并依靠螺旋葉片使其集中于集雪鏟的中心位置，通過離心風(fēng)機(jī)將積雪送至傳送裝置，傳送裝置通過傳送管道將積雪送入壓縮裝置，然后利用壓縮裝置將積雪壓至固定形狀排至路邊。

圖2 集雪裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 集雪裝置：積雪在小車行進(jìn)的過程中進(jìn)入集雪鏟，在由螺旋軸、螺旋軸軸承、右旋葉片、左旋葉片共同組成的螺旋刀具作用下左邊的積雪被旋切碎并向右送至集雪鏟的中心位置，右邊的積雪同理也被送至集雪鏟的中心位置，這時(shí)堆積在中心位置的積雪在離心風(fēng)機(jī)的作用下被抽出送至傳送裝置，如圖2 所示。

2.2 行走裝置：電機(jī)啟動(dòng)后，電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)小齒輪，小齒輪和大齒輪嚙合在一定的傳動(dòng)比下帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)使得與之配合的驅(qū)動(dòng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而小車實(shí)現(xiàn)行進(jìn)。通過控制系統(tǒng)控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)制造轉(zhuǎn)速差可實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向，如圖3 所示。

圖3 行走裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 傳送裝置：經(jīng)由離心風(fēng)機(jī)排出的積雪被送入傳送管道，直流減速電機(jī)正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)傳送螺旋軸旋轉(zhuǎn)，傳送螺旋葉片也隨之旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)積雪傳送至左邊一側(cè)管道，然后通過傳送裝置與壓縮裝置之間的輸送管道進(jìn)入壓縮裝置?？刂齐姍C(jī)反轉(zhuǎn)，則積雪通過右邊一側(cè)管道進(jìn)入壓縮裝置，如圖4 所示。

圖4 傳送裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 壓縮裝置：積雪從傳送裝置進(jìn)入壓縮箱集滿后，壓縮驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)壓縮傳動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪和壓縮傳動(dòng)大齒輪嚙合在一定的傳動(dòng)比下減速帶動(dòng)大齒輪，而大齒輪和齒條嚙合使得齒條在水平面內(nèi)左右移動(dòng)推動(dòng)壓縮板對(duì)積雪進(jìn)行壓縮，如圖5 所示。

3 自動(dòng)掃雪車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于上述小型電動(dòng)旋切式掃雪車，設(shè)計(jì)其自動(dòng)控制控制系統(tǒng)。該掃雪車主要采用四輪行走裝置，雙后輪驅(qū)動(dòng)的車體結(jié)構(gòu)，加上外置的集雪器，傳動(dòng)風(fēng)機(jī)，雙壓雪箱，采用48V/20Ah 鋰電池模塊。

圖5 壓縮裝置結(jié)構(gòu)示意圖

控制系統(tǒng)部分主要有四個(gè)模塊：（1）行走裝置模塊。行走系統(tǒng)采用四輪差動(dòng)轉(zhuǎn)向式機(jī)構(gòu)，以雙前輪為隨動(dòng)轉(zhuǎn)向輪，雙后輪為驅(qū)動(dòng)輪，兩驅(qū)動(dòng)輪分別由采用驅(qū)動(dòng)器的步進(jìn)電機(jī)，控制信號(hào)包括電機(jī)使能、步進(jìn)脈沖和運(yùn)動(dòng)方向均為5V 信號(hào)。通過控制電機(jī)的的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)掃雪車的基本行走功能。（2）集雪裝置模塊。集雪裝置電機(jī)采用兩相四線式步進(jìn)電機(jī)，通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)絞龍機(jī)構(gòu)，同時(shí)利用風(fēng)機(jī)的吸力以及掃雪車前進(jìn)產(chǎn)生的推力，將積雪送入傳送管道內(nèi)。（3）傳送裝置模塊。傳送裝置的螺旋輸雪刀具將風(fēng)機(jī)吸入的積雪通過輸雪管送往兩壓縮箱，控制螺旋刀具的電機(jī)選取12V 直流減速電機(jī)，電機(jī)正轉(zhuǎn)將雪輸送給左側(cè)壓縮箱，電機(jī)反轉(zhuǎn)輸送雪至右側(cè)壓縮箱[5-6]。（4）壓縮裝置模塊。當(dāng)壓縮箱中集滿雪時(shí)，位于箱口的位置傳感器將信號(hào)傳送給控制器，此時(shí)發(fā)送命令給控制壓縮桿的大功率24V 直流電機(jī)，電機(jī)正轉(zhuǎn)利用齒輪齒條傳動(dòng)裝置壓縮左側(cè)箱體內(nèi)的積雪，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一位置式，箱體側(cè)面箱板在電動(dòng)推桿作用下打開，壓縮桿將壓縮完成的雪塊推出箱體，壓縮桿停止工作。當(dāng)右側(cè)箱體集滿雪后，直流電機(jī)反轉(zhuǎn)壓縮右側(cè)箱體內(nèi)的積雪，原理同左側(cè)壓縮箱相同，從而實(shí)現(xiàn)不同步連續(xù)作業(yè)，提高工作效率。

4 結(jié)論

本文以解決現(xiàn)有大型機(jī)械除雪設(shè)備對(duì)于像校園、人行道、居民小區(qū)里的狹窄路況等無法處理的問題，設(shè)計(jì)了一種具有智能操控、集收集處理等多功能于一體的自動(dòng)除雪設(shè)備，包括四個(gè)主要模塊，分別進(jìn)行了機(jī)械和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。