多功能除雪裝置的機械結構設計*

申家明，高本瀚，張引博，康 健，何 隆，劉曉陽

（河北科技大學機械工程學院，河北 石家莊 050018）

如今的房屋建筑多為鋼筋混凝土澆筑，降雪后如果不及時清掃積雪，積雪晝融夜凍，會加重熱脹冷縮作用，導致屋頂發生裂紋漏水或者使鋼筋疲勞致使強度降低。如果積雪過厚，建筑很可能由于鋼筋強度不足而發生倒塌，因此房屋建筑的除雪工作顯得特別重要。目前，國內尤其是農村采用的除雪方式仍然是人工除雪，不僅效率低、勞動量大，還存在一定安全隱患，因此設計一款高性能屋頂除雪機械迫在眉睫。

目前，國內的屋頂除雪方法包括化學除雪法和機械除雪法等[1]。其中，化學除雪法一般采用鹽或冰雪融作為融雪劑，兩種融雪劑都會對屋頂造成一定腐蝕，并且冰雪融成本較高[2]；機械除雪法包括整體輸送式除雪[1]、刮板輸送式除雪[3]等方法，但現有的機械除雪法投入成本較高、適用范圍窄、實用性不高。國外大多采用大型除雪設備進行屋頂除雪作業，包括滾刷式除雪機、犁式除雪機等[4]，設備體積龐大、制造成本高，需要操縱者有較高的操作技術。綜上所述，屋頂除雪裝置在數量和品種規格上還很少，滿足不了國內的需求，因此，研究屋頂除雪裝置有著重要的實用價值和廣泛的應用前景。

1 總體方案設計

多功能除雪裝置主要由除雪系統、進給系統、升降總成、云臺系統和行走系統5個部分組成，整體結構見圖1。在進行除雪作業時，該裝置利用涵道風機產生負壓搭配喇叭狀的吸雪口把雪吸入集雪箱，完成對屋頂積雪收集和運輸的一體化作業。此外，各系統協調配合，使裝置擁有升降、俯仰、伸縮和轉位功能，大大提高了除雪裝置的清理范圍和靈活度，也能幫助設備適應平屋頂、坡屋頂、曲面屋頂等各類形狀的屋頂。該裝置能夠實現多方位行走和高處高效除雪兩個基本功能，同時能夠靈活應對多種雪況和多種房型。

圖1 多功能除雪裝置整體結構圖

2 各系統結構設計

2.1 除雪系統的設計

除雪系統由除雪頭、除雪管道、除雪風機、集雪箱、吸水泵、吸水管等組成，見第100頁圖2。除雪作業時，除雪頭搭在屋頂上與積雪接觸，靠除雪風機產生的負壓將積雪吸進除雪管道，并沿著管道進入集雪箱，實現對屋頂積雪收集和運輸作業的一體化。針對不同厚度和不同狀況的積雪，將除雪系統設計為3種工作模式。

圖2 除雪系統組成圖

模式1：負壓吸雪，主要應對厚度在0～60 mm且較為松散的薄積雪。此模式下除雪風機啟動，電機以500 r/s的速度旋轉，將風機內部空氣以高速氣流排出，產生瞬時真空，和外界大氣壓形成最大為19.5 kPa的壓差，在此壓差的作用下，積雪從除雪系統頭部被吸入到集雪箱，待除雪作業完成后，將集雪箱搬運到合適地點進行處理。

模式2：碎雪+負壓吸雪，主要應對厚度在60～150 mm的較厚積雪或被壓實較硬的積雪。此模式下在除雪風機工作的同時，位于除雪系統頭部前端的由電機驅動的曲柄搖桿機構將帶動高速旋轉的毛刷輥往復擊打積雪，將較硬較厚的積雪破碎松散開，化大為小，便于負壓吸雪工作的進行，隨之重復模式1的工作。

模式3：融雪（冰）+吸水，主要應對已經凍結成冰或進行模式2之后仍無法除盡的頑固積雪層。此模式下位于除雪系統頭部內部的單排電熱管開始通電工作，升溫到200℃左右，除雪風機反轉進行吹風工作，以暖風將頑固積雪融成水，同時位于除雪系統頭部后部的曲柄滑塊機構帶動吸水管下降至管頭與屋頂間隙為5～8 mm處，吸水泵開啟，融水將在吸水泵的作用下經吸水管引流收集至集雪箱，避免二次結冰。

2.1.1 除雪頭的結構設計

除雪頭搖桿前端裝有一個直徑65 mm、長335 mm的毛刷輥，在電機帶動下能以最高60 r/s的速度旋轉以破碎較厚積雪，在除雪頭上部設置有與通風管相連的接口，除雪頭的外觀模型見圖3。除雪頭罩體兩側安裝有曲柄搖桿機構，在電機的驅動下帶動毛刷輥上下運動。除雪頭罩體下部安裝有2個支撐輪，支撐輪為牛眼輪，沿毛刷輥的長度方向分布以便提供穩定的雙點支撐。

圖3 除雪頭外觀模型圖

圖4為除雪頭內部結構。除雪頭罩體內部安裝一個喇叭狀的吸雪頭用于吸雪并在熱融模式下做出風口，其底部安裝有一排電熱管，用于融化屋頂積雪。除雪頭罩體內部安裝曲柄滑塊機構，在電機的驅動下帶動吸水管上下運動。

2.1.2 大容量集雪箱的設計

在機構中加入集雪裝置，經過除雪頭收集的積雪通過通風管收集到集雪箱中，經過熱融的冰雪融水通過吸水管收集到集雪箱中。

集雪箱設計為80 L超大容量立方體形狀，由不銹鋼制作而成，可以容納厚度為30 mm、面積為40 m2的屋頂積雪。箱身接有吸水管且在上端安裝有電機，集雪箱與電機罩相互連接，工作中能防止集雪箱受溫度改變變形而造成與電機的密封失效，提高吸雪效率。集雪箱模型見圖5。

圖5 集雪箱模型圖

2.2 進給系統的設計

該系統包含滑桿式伸縮結構和正置式RSSR俯仰結構，控制除雪頭的進給運動，可調節除雪頭與屋頂的角度，以適應不同角度的屋頂，并可補償由于地面不平或屋頂有曲率變化導致除雪頭無法與屋頂保持原有的角度及距離，實現除雪頭按照設定的除雪位置進行作業。

2.2.1 伸縮結構的設計

采用滑桿式結構，4個直線軸承兩兩安裝在固定板上，形成簡支梁結構，以便提高支承強度，兩根光軸穿過其中。利用摩擦傳動，由一個電機作為動力帶動摩擦輪轉動，摩擦輪驅動與光軸固聯的摩擦條來傳遞轉矩，其中摩擦條和摩擦輪接觸的一面粗糙，相反面較光滑，由牛眼輪頂住，保證與摩擦輪緊密接觸，避免打滑，穩定實現除雪系統頭部的進給運動，其結構見第101頁圖6-a。采用摩擦傳動在過載情況會發生打滑，如果出現除雪頭頂到障礙物而無法前進的情況，摩擦傳動可以起到一定的過載保護作用。伸縮結構的保護裝置是限位保護裝置，見圖6-b。限位保護裝置由一個安裝在滑桿下方的行程開關和一個用于行程開關自動復位的彈簧組成，當伸縮桿到達極限位置時，行程開關被觸發，傳遞信號給控制系統，控制步進電機立刻停轉，彈簧可以在行程開關觸發一次后自動使行程開關復位，以保證下次使用。

圖6 伸縮結構設計圖

2.2.2 正置式RSSR俯仰結構

俯仰結構由RSSR結構[5-6]、俯仰調節結構、舵機等組成，見圖7。正置式RSSR俯仰結構控制進給系統的俯仰角度。

圖7 正置式RSSR俯仰結構

2.3 升降總成的設計

本除雪裝置的升降總成采用二級升降，第一級升降為電動螺旋升降平臺，第二級為導軌式升降結構，通過兩級升降以適應不同高度的房屋。一級升降平臺主要由撐板、升降絲桿、蝸桿傳動等結構組成。工作時，電機驅動蝸桿旋轉，蝸桿驅動蝸輪減速旋轉，蝸輪內腔的螺紋驅動絲桿上下移動從而實現升降運動，同時蝸桿傳動的減速作用可以放大推力。二級升降結構由框架、雙滑塊機構和推桿電機等組成，工作時由電推桿驅動滑塊沿導軌上下滑動，實現升降功能，其結構設計見圖8。

圖8 升降總成結構圖

2.4 云臺系統的設計

云臺系統主要包含驅動電機、云臺轉位機構和回轉餐盤，布置在一、二兩級升降機構之間，聯接上下的兩級升降機構。驅動電機通過平面四桿機構帶動上方機構做定軸轉動，實現除雪平臺的轉位，配合進給系統完成除雪作業的扇形進給，以擴大運動范圍，其結構見圖1。其中，云臺轉位機構工作時能控制云臺系統在0～140°內旋轉，以保證除雪車可以清理足夠大范圍內的積雪。

2.5 行走系統的設計

行走系統由底盤框架、4個麥克納姆輪輪組及其驅動電機、縱臂式懸架組成，其中輪組布置方案為米字正交式布局，輪組由電機直接驅動，見圖1。該系統用以承載車身，實現整車在地面全方位移動，輪組采用縱臂式懸掛，可以有效減小裝置車體寬度。

3 結論

與傳統的除雪方法相比，本裝置提供了一種新型的、多功能屋頂除雪方法，主要創新點如下。

1）采用多自由度、可伸縮的機械結構，實現對不同類型、不同高度和寬度屋頂的積雪清理。

2）針對不同類型的積雪，采用多功能除雪方式，除雪效果好。

3）采用可移動平臺，提高裝置工作的靈活性；采用自動收集裝置，方便積雪搬運。

目前，我國屋頂除雪設備的研發還比較匱乏，該除雪裝置有重要的實用價值，可對我國除雪設備種類進行補充。