屋頂自動除雪裝置的設計

代 恒

（武漢晴川學院，湖北 武漢 430000）

我國北方的冬天，屋頂上會堆積大量積雪，如果不及時清理，當積雪結冰后重量會大大增加，就會導致一些結構較差的屋頂不堪重負被壓塌，威脅生命、財產安全。

目前用于屋頂除雪的方式有人工除雪、加熱除雪、化學除雪和機械除雪等[1-3]。人工除雪是靠人用耙子往下刮雪，這種方式只適用于較矮的屋頂，除雪效率低，對于較高的房屋人們會選擇爬上屋頂進行除雪，當雪結冰后除雪難度大、屋頂濕滑，具有一定的危險性。加熱除雪是在屋頂上加上一層發熱裝置，下雪后就開啟加熱讓積雪融化。這種除雪方式會產生較高的能耗，使用起來不經濟?；瘜W除雪是在屋頂上撒鹽或融雪劑，但融雪劑具有一定腐蝕性，長期使用會對屋頂材料造成損壞。機械除雪是通過機械作用直接解除冰雪危害，除雪效果好、效率高。目前市場上的除雪機大多是用于路面除雪的，應用于屋頂的較少。針對屋頂的除雪需求，提出一種固定在屋頂上的自動除雪裝置。

1.屋頂除雪裝置的設計

1.1 設計思路

本文屋頂除雪裝置設計靈感來源于一種手動除雪工具，該裝置由三部分組成，如圖1所示，在推桿的作用下，金屬框做切雪動作，金屬框下面連著一塊光滑的塑料布，推桿推動金屬框切雪使得雪塊松動并沿著光滑的塑料布滑落，除雪效果較好，但這種手動除雪工具只適用于人能夠得著的較低的屋頂。

圖1 手動除雪工具

1.2 屋頂除雪裝置機械結構設計

為解決上述問題，本文設計了一種安裝于屋頂上的自動除雪裝置，本設計主要針對以下的情景：溫度在-20℃～-5℃之間，雪的厚度h≥5 cm，屋頂必須為傾斜式屋頂。實物模型如圖2所示，兩側滑塊同時移動帶動鋼絲做往復運動，鋼絲牽引塑料布做切雪運動，使得雪塊松動并沿塑料布滑落。

圖2 屋頂除雪裝置實物模型

該模型大部分零件來自于“探索者”模塊化套件，“探索者”零件系統由一組經過高度綜合與抽象的幾何元素構成，可根據需要構建“點、線、面、體”，從而設計豐富多彩的機械結構。零件的材質是鋁鎂合金，是一種廣泛應用于航空器制造的材料。特點是重量輕、硬度高、延展性好、可用于制作承力結構。

該除雪裝置結構如圖3所示，撐布收布裝置對稱設于卷布支撐桿兩端，撐布收布裝置由第一箱體、轉動連接在第一箱體內部的動力線輪、與動力線輪連接的減速電機、固連于第一箱體下部的導軌、與導軌滑動連接的滑塊、固連于導軌另一端的第二箱體、轉動連接在第二箱體內部的變向輪組成，卷布支撐桿、動力線輪、減速電機通過階梯軸實現傳動連接；在動力線輪上設有2個繞線匝道，卷布支撐桿上卷繞著卷布，卷布伸出端通過鋼絲與滑塊固連；動力線輪和變向輪通過線繩連接，牽引線繩在動力線輪的2個繞線匝道上按轉動方向相反的方式進行繞線，牽引線繩的相對下股與滑塊固連。繞線機構主要由主動軸、壓線輪軸及變向輪軸組成，主動軸上有動力線輪，在電機的驅動下實現轉動，動力線輪上的兩個繞線匝道一端放線一端收線，組成一個循環系統，壓線輪可以穩定線繩的輸出方向，通過線繩與變向輪連接，壓線輪和變向輪通過內部的直線軸承調整在軸上的位置，使系統的傳動更加的穩定可靠。

圖3 屋頂除雪裝置整體結構

本設計在具體實施時，將屋頂自動除雪裝置放置在屋頂待作業位置固定，通過圓周舵機4正反轉，帶動動力線輪3正反轉，進而帶動滑塊6沿導軌5往復運動，同時滑塊6與卷布支撐桿1同時作用實現卷布的撐布和收布動作，將屋頂的積雪從底部與屋面切割分離，積雪在卷布和自身重力的作用下從屋頂滑落，實現屋頂積雪的清除。

該除雪裝置的動力來源于主軸，在做主軸設計時應注意以下幾個問題：①軸的加工不可過于復雜，軸上零部件要方便拆裝；②軸及軸上零件要有準確的定位；③要改善軸上的受力情況[4]。根據以上要求，設計出的軸結構如圖4所示，軸上零件相對固定。動力線輪轉動時，要使卷布均勻卷繞，就要讓滑塊移動速度和卷布支撐桿卷布速度保持一致，在設計時應注意動力線輪的線盤直徑與支撐件的外徑要相等，卷布支撐桿可均勻撐布及收布。

圖4 主軸結構圖

1.3 傳感器的應用

屋頂除雪裝置未來的發展趨勢就是實現智能化，該裝置可根據雪的厚度自行開啟進行掃雪，根據切雪鋼絲的阻力調節滑塊運動速度，使電機輸出功率達到最優化，而這些離不開傳感器的檢測。我們的裝置主要針對北方的嚴寒天氣，所以一些對溫濕度有要求的傳感器不能應用于此，為了使控制盡可能簡單，當滑塊從第一箱體運動到第二箱體時，需反饋信號到控制系統，使電機反轉，滑塊反向滑動，這里選擇紅外線傳感器作為觸發裝置。通過壓力傳感器感知下雪的厚度，當雪達到一定重量，傳感器將信息反饋給控制器進而驅動滑塊進行除雪。

2.除雪裝置的日常維護與保養

2.1 設備的防凍方案

由于屋頂除雪裝置長期放置在屋頂上，工作于溫度低、濕度大的環境中，特別是當積雪結冰可能會使傳動部分凍住影響機器的正常工作。在溫度升高時，積雪融化成水，如果封裝不嚴，水會由箱體的縫隙進入箱體內部，進入軸承蓋與軸的外部箱體連接部分，當溫度再次下降時，融化的水會再次凝結成冰使傳動軸凍住，機器運轉有可能會燒壞電機以至損壞設備，因此設備的防凍是一個非常重要的問題。為了放置設備凍住，我們在箱體內安裝發熱裝置，當傳動軸凍住電機發生堵轉的情況下，啟動加熱，由于整個箱體都是金屬結構傳熱性能好，通過此方法可以使設備解凍。

2.2 設備的保養

屋頂除雪裝置的工作環境較為惡劣，長期固定在屋頂上，需要定期保養確保其在下雪后能正常工作，除雪裝置的維護與保養要求如下：夏天天氣炎熱，屋頂溫度較高，除雪裝置長時間在太陽下暴曬會加快內部結構的老化，建議在雪季之前將除雪裝置安裝于屋頂，雪季過了就將其拆卸放置，由于采用模塊化設計，安裝拆卸較為便利；長期使用會使塑料布破損、牽引繩索松動進而影響除雪效果，應根據使用要求定期更換塑料布及進行繩索緊固；定期檢查除雪裝置各部分的工作狀況，檢查零件是否松動，并對連接螺栓施加一定的預緊力。

3.結論

本設計提供的屋頂除雪裝置，不僅能減少了人們通過手持器具進行除雪的體力消耗，而且能夠更加省時省心。采用組合設計不但可以使拆卸組裝自由便利，還能自動分析預測掃雪時間，更容易控制掃雪作業精度，大大提高工作效率。該屋頂自動除雪裝置具有如下特點：一是除雪效率高。在積雪堆積一定量后啟動除雪裝置，可實現一次性大面積除雪，相比人工除雪省時又省力。低能耗。通過2個減速電機驅動帶動動力線輪正反轉，從而帶動滑塊做往復運動，滑塊運動一個周期就可以進行一次有效除雪，相比在屋頂上安裝電熱設備來融雪，產生能耗較少。二是智能化。在除雪裝置上安裝壓力傳感器，通過傳感器感知雪的重量超過設定值后，機器開啟進行自動除雪，避免因積雪結冰給除雪帶來困難。模塊組合，便于拆裝。由于該除雪裝置是用于整片屋頂的除雪，所以結構不宜過大，整體結構采用模塊化組合設計，給搬運和拆裝帶來便利。