雙絞龍式屋頂冰雪清除裝置的設(shè)計

謝 靜，龔可祎，吳何畏

（湖北文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053）

引言

我國冬季來臨時，大部分地區(qū)會有3～5個月的降雪期，降雪后若不及時清理積雪，積雪會使屋頂?shù)呢?fù)重加大，甚至可能導(dǎo)致安全事故。同時，積雪會發(fā)生“夜凍晝化”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象所產(chǎn)生的破壞應(yīng)力會使墻體鋼筋疲勞強度降低，從而影響房屋的使用壽命。現(xiàn)階段我國屋頂除冰雪最普遍的方式就是人工除冰雪，即單純?nèi)斯ぷ鳂I(yè)或人工借助小型的除冰雪工具進(jìn)行清除冰雪，這些方式效率低下，且存在一定的危險性，同時也無法及時清除積雪[1-2]。在機(jī)械除冰雪領(lǐng)域，由于國內(nèi)冰雪清除機(jī)械研發(fā)起步較晚，目前多用于道路清除冰雪，產(chǎn)品類型和功能單一，只能專用于除冰或除雪，而屋頂冰雪清除機(jī)械才剛起步，技術(shù)尚不成熟。雖然國外屋頂除冰雪機(jī)械種類齊全，但大部分是大型除冰雪機(jī)械。采用在工程車輛上安裝除冰雪設(shè)施，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴，不能被廣泛應(yīng)用[3-4]。本文設(shè)計了一款能夠?qū)崿F(xiàn)在暴雪天氣下，自動清除屋頂冰雪的裝置，該裝置具有適用于現(xiàn)有房屋結(jié)構(gòu)，破冰除雪一體化作業(yè)，自動化程度較高，冰雪清除效率高等特點。

1 設(shè)計方案

雙絞龍式屋頂冰雪清除裝置總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由雙絞龍冰雪清除機(jī)構(gòu)、履帶式行走機(jī)構(gòu)、背負(fù)式機(jī)架、仿形刮雪鏟、傳動行程限位裝置和STM32F103RCT6單片機(jī)控制系統(tǒng)等組成。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

雙絞龍式屋頂冰雪清除裝置工作原理。背負(fù)式機(jī)架采用鉸鏈連接，使得冰雪清除裝置可改變工作角度，使其可安裝于不同的屋頂；絞龍由電機(jī)驅(qū)動，在皮帶和皮帶輪的傳動下同步旋轉(zhuǎn)。同時絞龍葉片邊緣設(shè)置有可拆卸的破冰刀；履帶式行走機(jī)構(gòu)位于機(jī)架的下方，帶動冰雪清除裝置移動；在運行過程中，雙絞龍和刮雪鏟組合，可實現(xiàn)破冰除雪一體化作業(yè)；當(dāng)傳動行程限位裝置接觸到屋脊兩邊擋板后，控制系統(tǒng)控制履帶式行走機(jī)構(gòu)反向運動，冰雪清除裝置反向工作，實現(xiàn)往返除雪[5-6]。

2 雙絞龍冰雪清除機(jī)構(gòu)

絞龍固定在屋頂?shù)膬蛇叄捎闷Ш推л唫鲃印＝g龍的刃口曲線采用阿基米德螺旋曲線，并在葉片上設(shè)置了可拆卸的螺旋排列的破冰刀，旋轉(zhuǎn)的螺旋裝置兼有清除和推送功能。該滑切入雪的工作方式，工作平穩(wěn)，可減少功率消耗，降低清除冰雪阻力，減少振動，如下頁圖2所示。

圖2 雙絞龍式冰雪清除機(jī)構(gòu)圖

3 刮雪鏟的設(shè)計

仿形刮雪鏟依靠裝置前進(jìn)的動力將絞龍與屋頂之間積雪鏟起，刮雪鏟鏟體呈仿錘狀，與擋雪板之間通過鉸鏈連接，刮雪鏟在重力的作用下自然下垂，且預(yù)設(shè)有扭簧接頭，在遇到障礙物時刮雪鏟的邊緣會自動彈起，增加了裝置的適應(yīng)性。積雪由于受自身重力的影響，具有沿著鏟體向下滑移的趨勢。同時鏟體的設(shè)計應(yīng)盡可能使積雪遠(yuǎn)離房屋堆置。

鏟面形狀為漸開線型，漸開線的參數(shù)方程為：

式中：r為基圓半徑，mm；α∈[0，2π]。

經(jīng)計算，當(dāng)刮雪鏟的上曲面的切線方向與豎直方向的夾角呈75°時，可有效控制清除冰雪過程冰雪顆粒飛濺的范圍。如圖3所示。

圖3 刮雪鏟設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

4 履帶式行進(jìn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計

該機(jī)構(gòu)通過電機(jī)驅(qū)動，在屋頂表面行進(jìn)。采用該機(jī)構(gòu)不需要對屋頂進(jìn)行大幅度的改造，即可完成對冰雪清除裝置的支撐；且可有效降低對屋面造成損害[7]。當(dāng)行程限位裝置接觸到屋脊兩邊擋板后，自動換向，實現(xiàn)往返除雪。如圖4所示。

圖4 履帶式行走機(jī)構(gòu)

5 控制系統(tǒng)

該設(shè)計是基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由STM32F103RCT6單片機(jī)系統(tǒng)、雙絞龍式屋頂冰雪清除裝置機(jī)械裝置、積雪厚度感應(yīng)系統(tǒng)、顯示屏等組成。在雨雪天時，系統(tǒng)通電，當(dāng)積雪厚度達(dá)到預(yù)定值時，積雪感應(yīng)系統(tǒng)檢測到信號，傳遞給單片機(jī)，裝置啟動，刮雪鏟將雪鏟起，絞龍將雪從屋頂送下；冰雪清除裝置沿屋面移動，當(dāng)傳動行程限位裝置接觸到屋脊兩邊擋板后，系統(tǒng)控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，冰雪清除裝置開始反向運動，從而達(dá)到往返運動除雪的目的；當(dāng)積雪厚度降到預(yù)定值以下時，裝置自動返回，處于待機(jī)狀態(tài)。按下停止運行按鈕即可停止裝置，見圖5。

圖5 冰雪清除機(jī)工作流程圖

為了保證除雪安全，裝置整體運行平穩(wěn)可靠，系統(tǒng)軟件須設(shè)計保護(hù)，以保證程序的可靠性，確保軟件錯誤率最小，且當(dāng)程序出錯時，仍能保證系統(tǒng)正常運行和安全退出。本文在控制系統(tǒng)程序可靠性方面主要考慮以下幾點：

1）當(dāng)冰雪清除裝置因障礙物阻擋無法移動或電機(jī)停止轉(zhuǎn)動時，系統(tǒng)自動切斷工作電源，發(fā)出警報，并將提示信息發(fā)送到用戶的顯示屏。

2）為了防止各種干擾造成的程序紊亂現(xiàn)象，在程序區(qū)的跳轉(zhuǎn)指令和返回指令之后，對于未使用的ROM區(qū)域設(shè)置軟件陷阱，當(dāng)程序進(jìn)入軟件陷阱后迫使它返回初始狀態(tài)，讓系統(tǒng)盡快恢復(fù)運行。

3）確保系統(tǒng)有足夠的時間冗余。通電后，系統(tǒng)會先延時一段時間，然后初始化單片機(jī)，確保系統(tǒng)最終復(fù)位到位。

6 結(jié)論

本文設(shè)計了主要由雙絞龍冰雪清除機(jī)構(gòu)、履帶式行走機(jī)構(gòu)、背負(fù)式機(jī)架、仿形刮雪鏟、傳動行程限位裝置和STM32F103RCT6單片機(jī)控制系統(tǒng)等組成的雙絞龍式屋頂冰雪清除裝置，采用STM32F103RCT6單片機(jī)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對該裝置的整體控制。同時運用電子信息控制系統(tǒng)技術(shù)，以達(dá)到預(yù)期效果。

與現(xiàn)有的除冰雪方法相比，該裝置能自動清除屋頂表面的冰雪，自動化程度較高，可安裝于不同結(jié)構(gòu)的屋頂，且模塊化設(shè)計使該裝置具有便于拆卸與安裝、制造和運行成本低、適應(yīng)性廣等特點，適用于受暴雪干擾、屋頂積雪嚴(yán)重的地區(qū)，能有效解決城市建筑和住宅屋頂冰雪清除困難、工作條件受限等問題，對促進(jìn)我國屋頂除冰雪機(jī)械的發(fā)展具有良好的應(yīng)用前景。