一種新型除雪除冰車的設(shè)計(jì)*

王 亮，雷亞江，林小軍，牛玉艷，賈海深

(1.蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州電源車輛研究所有限公司，甘肅 蘭州 730050)

我國(guó)疆域遼闊，公路運(yùn)輸是不可或缺的交通運(yùn)輸方式。冬季我國(guó)北方地區(qū)降雪較多，易產(chǎn)生大面積的積雪，持續(xù)的低溫氣候使得道路積雪結(jié)冰，極易發(fā)生交通事故或交通擁堵，導(dǎo)致人們出行不便。我國(guó)也一直致力于探索高效、環(huán)保的除雪融冰措施。目前，我國(guó)采取的除雪措施主要有人工除雪、機(jī)械除雪、融雪劑除雪、電熱法除雪等方法[1]。人工除冰雪是最原始的除冰雪方式，可以徹底干凈地清除冰雪，但其勞動(dòng)強(qiáng)度大且效率低下，尤其是大量人員在道路上作業(yè)，影響交通通行及工作人員人身安全。融雪劑除雪主要是通過(guò)向路面上的積雪噴撒融雪劑，降低雪的熔點(diǎn)，使其易于融化來(lái)達(dá)到除雪的目的。在除雪作業(yè)中使用融雪劑可以在一定程度上有效清除冰雪，但費(fèi)用大，長(zhǎng)期大量使用不但會(huì)腐蝕車輛底盤，縮短公路、橋梁壽命，而且還會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成污染，因此，就未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)看，融雪劑的使用將會(huì)受到越來(lái)越嚴(yán)格的限制，使用量及使用范圍將非常有限[2-3]。熱力除雪包括地?zé)峁芊ā⒓t外加熱法、導(dǎo)電混凝土法[4]等。地?zé)峁芊ㄊ抢玫責(zé)崛谘┑姆椒ǎ訜峁艿澜ㄔO(shè)安裝過(guò)程復(fù)雜，很難進(jìn)行推廣使用。紅外加熱法在實(shí)際使用過(guò)程中被逐漸驗(yàn)證不適合應(yīng)用于道路除冰除雪，主要原因是地面升溫緩慢，效率低下。導(dǎo)電混凝土法的工作原理是通過(guò)在普通混凝土中添加合適的導(dǎo)電材料，使混凝土具有良好的導(dǎo)電性，利用電熱效應(yīng)使路面溫度升高，達(dá)到除冰雪的效果，此種方法混凝土制作工藝復(fù)雜，價(jià)格貴，難以推廣使用[5]。不同的除雪除冰方法各有利弊，因此設(shè)計(jì)一種除雪除冰效率高、對(duì)道路損傷小、使用方便、操作簡(jiǎn)單的除雪除冰設(shè)備就很有必要了。

1 新型除雪除冰車的整體結(jié)構(gòu)

新型除雪除冰車主要有載具(二類汽車底盤)、發(fā)電機(jī)組、液壓系統(tǒng)、液壓缸、平動(dòng)機(jī)構(gòu)、風(fēng)筒組件、方艙、電氣控制等幾部分組成[6]。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。載具的作用是作為移動(dòng)平臺(tái)，可以運(yùn)載整個(gè)設(shè)備行駛在各個(gè)道路中，提高設(shè)備的靈活性。方艙是容納發(fā)電機(jī)組、液壓組件、平移機(jī)構(gòu)、風(fēng)筒等部件，在平時(shí)不使用設(shè)備時(shí)，起到防風(fēng)防雨防塵的作用。發(fā)電機(jī)組是給整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行提供電力，是整個(gè)設(shè)備的能源中心。液壓系統(tǒng)是給平移機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)施加載荷。平動(dòng)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)筒從方艙中伸出和回收。風(fēng)筒組件是把高速高溫氣體吹向地面實(shí)現(xiàn)除雪除冰。

圖1 除雪除冰車結(jié)構(gòu)圖

2 除雪除冰車的工作原理

除雪除冰車的工作原理如下：發(fā)電機(jī)機(jī)組是由柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)組成，柴油機(jī)起動(dòng)后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出交流電，給整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行提供電力，油箱給柴油機(jī)供油。控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)啟停、各個(gè)部件的工作。當(dāng)需要除雪除冰時(shí)，液壓控制系統(tǒng)給液壓缸發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，活塞桿伸出，推動(dòng)風(fēng)筒組件伸出車廂。然后，電氣控制系統(tǒng)給風(fēng)筒組件發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，風(fēng)筒組件啟動(dòng)，吹出高速高溫氣體，融化道路冰雪，實(shí)現(xiàn)除雪除冰。整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 除雪除冰機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

運(yùn)用機(jī)械原理知識(shí)，計(jì)算整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的自由度：

n=8，PL=11，

F=3n-2PL-PH=3×8-2×11=2

整個(gè)機(jī)構(gòu)的自由度是2，需要2個(gè)原動(dòng)件驅(qū)動(dòng)，整個(gè)機(jī)構(gòu)才能有確定運(yùn)動(dòng)，而在整個(gè)機(jī)構(gòu)中，只有液壓缸一個(gè)原動(dòng)件，機(jī)構(gòu)沒有確定運(yùn)動(dòng)，因此需要對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)施加額外的控制才能有確定的運(yùn)動(dòng)[7]。

3 主要部件的工作原理

3.1 平動(dòng)機(jī)構(gòu)(變胞機(jī)構(gòu))的工作原理

平動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成如圖3所示，主要有液壓缸、電磁鐵1、電磁鐵2、掛架、連桿1、V形連桿、銜鐵、水平槽鋼等部分組成。平動(dòng)機(jī)構(gòu)工作過(guò)程分為2個(gè)：一是機(jī)構(gòu)的伸出動(dòng)作，二是機(jī)構(gòu)的回收動(dòng)作。機(jī)構(gòu)的伸出動(dòng)作原理如下：水平槽鋼與通電電磁鐵1相互吸引，使得整個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)靜止不動(dòng)，變?yōu)闄C(jī)架的一部分，液壓系統(tǒng)通過(guò)控制液壓泵給液壓缸輸入液壓油，活塞伸出，帶動(dòng)V形連桿，連桿1運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)掛架相對(duì)于水平槽鋼移動(dòng)，使風(fēng)筒組件伸出車廂外。當(dāng)掛架運(yùn)動(dòng)到一定位置時(shí)，掛架上的電磁鐵2與水平槽鋼上的銜鐵接觸，兩者在電磁力的作用下互相吸引，掛架和整個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)變?yōu)橐粋€(gè)整體，同時(shí)在電氣控制系統(tǒng)互鎖電路的作用下[8]，電磁鐵1斷電，與水平槽鋼分離。活塞桿繼續(xù)伸出，整個(gè)平行四邊機(jī)構(gòu)及風(fēng)筒組件伸出車廂，結(jié)構(gòu)變成如圖4所示。

圖3 平動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

圖4 風(fēng)筒伸出車廂圖

在電磁鐵1和電磁鐵2分別作用時(shí)，整個(gè)平動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成會(huì)發(fā)生變化，包括自由度數(shù)目和組成機(jī)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)目，是一種變胞機(jī)構(gòu)[9]。變胞機(jī)構(gòu)是指機(jī)構(gòu)若在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中其自由度、活動(dòng)構(gòu)件數(shù)或機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)能發(fā)生變化，意指具有類似生物學(xué)的胚胎演變或細(xì)胞重構(gòu)的特性，可實(shí)現(xiàn)不同工作狀態(tài)對(duì)機(jī)構(gòu)構(gòu)型的不同要求，具有高度的結(jié)構(gòu)折疊和自重構(gòu)特點(diǎn)。在電磁鐵1作用時(shí)，水平槽鋼與電磁鐵相互吸引成為一體，這時(shí)平行四邊形機(jī)構(gòu)的3個(gè)桿固定，變?yōu)闄C(jī)架的一部分，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖5所示。

計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度，機(jī)構(gòu)自由度F=1，機(jī)構(gòu)有確定的運(yùn)動(dòng)：

n=5，PL=7，

F=3n-2PL-PH=3×5-2×7=1

當(dāng)電磁鐵2工作時(shí)，掛機(jī)架和水平槽鋼固定連接，電磁鐵1斷電，整個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖變?yōu)槿鐖D6所示，計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度，機(jī)構(gòu)自由度F=1，機(jī)構(gòu)有確定的運(yùn)動(dòng)：

n=7，PL=10，

F=3n-2PL-PH=3×7-2×10=1

圖6 電磁鐵2工作時(shí)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

當(dāng)電磁鐵1和電磁跌2分別工作時(shí)，機(jī)構(gòu)的組成會(huì)發(fā)生變化，構(gòu)件數(shù)也會(huì)不同。如果不采用變胞機(jī)構(gòu)，就要添加一個(gè)液壓缸來(lái)推動(dòng)掛架的移動(dòng)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)和制造成本的增加，整體重量的增加，液壓控制系統(tǒng)也會(huì)變復(fù)雜。

3.2 風(fēng)筒組件的工作原理

風(fēng)筒是整個(gè)除雪除冰車的關(guān)鍵，結(jié)構(gòu)組成主要有3部分：風(fēng)扇、殼體和PTC發(fā)熱組件(見圖7)。工作時(shí)，風(fēng)扇先啟動(dòng)，發(fā)熱組件后啟動(dòng)，發(fā)熱組件產(chǎn)生的高溫?zé)崃拷?jīng)由風(fēng)扇吹出的高速氣流帶出，吹向地面，融化地面的冰雪[10]，實(shí)現(xiàn)除雪除冰功能。

圖7 風(fēng)筒結(jié)構(gòu)組成

4 結(jié)語(yǔ)

新型除雪除冰車的設(shè)計(jì)結(jié)合了電氣、液壓和機(jī)械等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)。以移動(dòng)電源車為載具，通過(guò)吹風(fēng)機(jī)似的風(fēng)筒組件實(shí)現(xiàn)快速除雪除冰。設(shè)計(jì)中應(yīng)用SolidWorks軟件的三維設(shè)計(jì)功能，對(duì)整個(gè)設(shè)備的空間部件進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。整個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，構(gòu)件組成變化的機(jī)構(gòu)自由度與原動(dòng)件數(shù)量相等，機(jī)構(gòu)能夠正確運(yùn)動(dòng)。新型除雪除冰的設(shè)計(jì)可以為特種設(shè)備開發(fā)企業(yè)提供技術(shù)的參考，為開發(fā)新的設(shè)備提供思路。