平式屋頂除雪裝置設計

趙紀卓 薛焱豐 萬宏強 李仁學 王祎喬

(西安工業大學機電工程學院，陜西 西安 710021)

近年來，北方冬天會存在長降雪現象[1]，積雪的大量堆加會對房屋建筑造成損壞，甚至威脅居民安全，因此積雪的清理工作顯得尤為重要。目前積雪清理主要分為人工清掃和機械清掃[2]，人工除雪功效低，耗時長[3]，無法應對持久長降雪，而且對工人的安全性無法得到保證，存在安全隱患[4]。機器除雪效率高，省時省力，可應對長降雪持續工作，除雪機械向著小型化、多功能化、智能化方向發展。但市面上產品數量與性能差距較大，其效果遠遠不能滿足當前市場的需求。本文設計的平頂屋除雪裝置旨在解決北方長降雪人工難以清理問題，使用一種離心拋揚[4-6]式除雪裝置，通過集雪裝置收集并通過刮雪板旋轉送入拋雪轉子室，利用拋雪轉子的離心力經揚雪筒拋出屋頂，拋雪作業由集雪裝置和拋雪裝置配合完成，通過換向器和槽輪機構實現整個裝置的間歇前進和后退。

1 總體設計

該除雪裝置是一款既能集雪又能拋雪的間歇移動除雪裝置，其整體結構簡圖如圖1 所示，由傳動裝置、集雪裝置、拋雪裝置和車體移動裝置組成。當小車以間歇運動向前推進時，積雪不斷從前方的起雪鏟進入集雪裝置，集雪裝置由刮雪板、推雪板和擋板組成，由于刮雪板的高速旋轉，使積雪通過刮雪板橫向位移并迅速集中于中部拋雪裝置的拋雪轉子室入口處，在轉子葉片高速旋轉同時積雪在葉片上獲得切線方向上的離心力，從而使雪被不斷沿著揚雪筒拋到指定位置。該除雪裝置可高效除去屋頂積雪，結構簡單且靈巧度高。

圖1 整體結構簡圖

2 各裝置設計

2.1 傳動系統設計

除雪裝置由車體和安裝在其上的電機、換向器、傳動裝置、集雪裝置以及拋雪裝置組成，拋雪裝置利用錐齒輪改變傳動方向完成轉動的拋雪轉子來實現拋雪功能，首先需要將屋頂上的積雪由集雪裝置進行收攏，并由拋雪裝置將其拋出，選用電機作為動力源，經傳動裝置為其他各裝置提供所需動力。

2.2 移動裝置設計

電機軸通過聯軸器與換向器的輸入軸進行連接，外槽輪間歇機構的撥盤與換向器的輸出軸連接，外槽輪間歇機構的槽輪安裝在車體移動軸上，電機啟動時帶動車體移動軸，實現整個裝置前進和后退。

2.2.1 換向器設計

換向器工作原理：換向器的設計中將惰輪和軸進行組合形成惰輪軸，其中輸出軸上有一個齒輪與之相配合，該軸在設計為花鍵軸，通過滑動連接，在裝置工作過程中，通過人為撥動換向桿撥叉，該花鍵軸上的齒輪就會進行左右移動，從而與輸出軸上的齒輪進行嚙合，使整個裝置向前移動；當換向桿撥動齒輪的時候，是花鍵軸上的齒輪與惰輪相嚙合，此外惰輪在換向器的一端與換向器輸出軸上的一個齒輪處于嚙合狀態。換向器的輸入軸花鍵軸上的齒輪會和惰輪嚙合，而惰輪又會與換向器的輸出軸上的齒輪嚙合，從而使整個裝置向后倒退。輸出軸上的齒輪一共有三種狀態，即嚙合狀態、脫離狀態和二次嚙合狀態，在這三種狀態中其輸入軸上的齒輪均為人為撥動。其三維結構如圖2(a)、圖2(b)(去掉箱體)所示。

圖2 換向器三維裝配圖

2.2.2 車架設計

車架固定連接集雪裝置、拋雪裝置、電機、換向機構以及扶把，起為整個裝置提供支撐和連接的作用。車架最前端安裝集雪裝置，而在車架的中間部位則是固定的電機機座和輔助器件鼓風機，后部是安裝車體移動電機、換向器以及槽輪間歇機構和車體移動傳動部分。考慮到整體安裝的便捷性和實用性，整體車架的設計應避免劃傷屋頂表面、具有輕便的結構，其三維模型如圖3 所示。

圖3 車架三維模型

2.3 拋雪裝置設計

拋雪裝置的作用是將轉子室內的積雪推送至揚雪桶拋出，其工作原理是通過帶傳動將電機軸與錐齒輪軸相連，由錐齒輪來改變傳動方向，從而帶動拋雪轉子轉動，來實現拋雪功能。拋雪裝置與集雪裝置的外殼通過卡扣固定和內六角螺釘進行連接。工作時，積雪隨著裝置向前移動和集雪裝置中的刮雪板自身旋轉和左右兩側的高速氣流吹動使積雪向中央聚攏，到達拋雪轉子室當中，由于拋雪轉子高速旋轉會產生內外壓差、同時高速的旋轉的轉子也會給雪一個離心力，以及車體的繼續前進多重作用從而使進入轉子室的積雪，沿轉子徑向葉片的頂端移動，并被推送到轉子室圓弧壁表面，隨轉子葉片作的旋轉運動使積雪沿著揚雪筒被拋出。

2.4 集雪裝置設計

集雪裝置配置位于整個除雪裝置的前方，左右對稱，其作用是將屋頂表面上的積雪通過刮雪板并配合鼓風機向中間收攏，收攏積雪會從集雪裝置中部經刮雪板拋到后面的拋雪轉子室。集雪裝置由底部起雪鏟、刮雪板、軸承結構、擋板及內部的弧形推雪板組成，刮雪板是與擋板相對應的橢圓形，安裝在擋板中形成半封閉，由電機經帶傳動帶動刮雪板使其高速旋轉。刮雪板則是通過普通平鍵來和軸進行配合，同時增加一個緊定螺釘保證其準確定位，整個集雪裝置外殼由內六角螺釘與拋雪裝置進行固定，其三維模型如圖4 所示。

圖4 集雪裝置三維模型

當整個除雪裝置在工作當中，其集雪裝置中的刮雪板在旋轉中會因為雪自身的粘性，而致使雪會黏在刮雪板的兩個葉片之間，隨著工作時間的增長，兩個葉片之間的積雪會累積的越來越多，從而使刮雪板的集雪效率大大降低，所以在該處增加一個風機，通過風機提供的高壓氣流經橡膠軟管送出到達集雪裝置相對應的進風口處，該機械裝置外殼處有預先設定好的進風口，其內部對應的正好是葉片的軸向方向。利用氣流在葉片間不斷地吹過，可以減少葉片間黏住的雪，保證在長時間的使用過程中，刮雪板保持高的工作效率。同時風機提供的高壓氣流也會使進入集雪裝置中的積雪沿著推雪板更高效地進入到拋雪轉子室中，提高整個除雪裝置的除雪效率。

在工作時，除雪裝置移動的過程中會使樓頂表面的積雪，沿著起雪鏟進入到集雪裝置中，在刮雪板在轉動的同時，對于起雪鏟向上移動的積雪進行傳送，使積雪被傳送到后方與之相連的拋雪轉子室，同時在積雪裝置外殼的兩側，有著與之對應的處進氣孔，通過風機經橡膠管將高速氣流從進氣孔通入，從而能很好的控制積雪進入到后方的拋雪轉子室。

3 結論

本文設計了一個用于平式屋頂的除雪裝置，該裝置通過前置的集雪裝置中的刮雪板和對應的圓弧斜面在整個裝置自動向前移動的過程中來收集雪；以拋雪裝置的葉片高速轉動來實現拋雪；通過電機控制換向器、間歇機構和帶傳動來實現整個裝置的自動向前移動；利用SW 軟件進行三維建模，對模型進行草圖模擬設計以及零件的裝配，通過三維裝配草圖來確保該設計中各結構系統的合理性，滿足設計要求。