智能屋頂除雪機的設計研究

馬 杰

（陜西工業職業技術學院 機械工程學院，陜西 咸陽 712000）

在我國北方地區，每年都有3～5 個月的雪季，東北地區降雪更大、時間更長?，F今的住房建筑等多為鋼筋混凝土澆筑或是金屬桁架結構，但是北方農村一些磚瓦土房，下雪后如果落雪不能及時得到清除，由于農村自建房屋承重較差，有可能直接將房屋壓塌；對于鋼筋混凝土澆筑、金屬桁架結構的房屋，則會因熱脹冷縮作用從而對房屋產生破壞，使鋼筋疲勞從而降低強度，若是積雪堆積過多，房屋建筑很可能承受不住積雪重量而導致倒塌事故。綜上，房屋建筑的除雪工作就顯得尤其重要。

我國對除雪機械的開發、生產都比較晚，因此還處于起步階段。目前，我國的城市道路、公路和房屋建筑冬季除雪大部分仍沿用傳統的養護方式，常見的如人工撒鹽方式或人工和小型除雪設備相結合的形式進行積雪清除。高速公路和一級公路已經開始使用大型專用除雪機械，在冬季對公路進行養護。但是，除雪設備在數量和品種、規格上還很少，并且除雪裝置大部分依賴進口。機械化、智能化等總體水平遠遠落后于發達國家。且目前學者關于道路除雪機的研究較多，對于屋頂除雪機的研究較少。龔可祎，謝靜楊等設計了一種基于inventor 和慧魚創意組件實現三維設計和模型搭建的雙向絞龍屋頂冰雪清除機，但其結構復雜，成本較高。何龍，潘江如等人設計了一種全自動除雪機器人能夠實現全自動路線規劃和導航除雪,但不適用于屋頂積雪清除。

目前在國內，針對屋頂積雪的清除通過人工手動直接除雪的方式為主，這種除雪方式耗時耗力并且危險系數又高，特別是冬季夜晚突發暴雪的情況下，很容易對建筑物造成破壞，因此設計一款屋頂智能除雪機迫在眉睫。

1 除雪機整體原理

機械法是通過機械裝置在運動的過程中直接作用，清除落雪消除積雪可能帶來的危害。雖然這種積雪方式對積雪的清除效率較低，但是對環境和植被無任何其他附加影響，直接將落雪轉移或是運送到需要的地方，進行回收利用，應用范圍比較廣。因此，本文認為：機械除雪法是未來除雪的發展趨勢，適用于各個領域、不同規格的除雪機器會不斷涌現出來，不斷豐富除雪機械這個大家族。

基于以上背景分析，本文設計一種智能屋頂自動除雪機，采用機械結構進行積雪清除，同時加入智能控制，無需人為控制啟停，設備直接自行檢測觸發，解放人力的同時提高工作效率。整個裝置由程序控制，在屋頂角落處設置一傳感器進行積雪重量檢測，當傳感器檢測到積雪達到一定重量時，智能控制電機啟停，程序觸發電機開始運行，帶動裝置對屋頂面上的積雪進行清除，當積雪減少時，電機自動斷開停止工作。這樣可成功解放人力，采用機械化設備進行除雪，并且即使晚上突發強降雪，也不必擔心屋頂積雪過多，對房屋造成破壞。

2 除雪機結構設計

此屋頂自動除雪裝置機械部分由兩大部分組成，除雪機構及積雪輸送機構。

（1）除雪機整體結構的設計。通過X 向、Y 向和Z 向電機配合驅動，帶動除雪板將積雪清除。整個裝置通過三個電機驅動，中間通過光桿連接，傳動單元采用帶傳送、輔助以導軌滑塊機構。

（2）積雪傳送裝置的設計。在屋頂外沿設置積雪傳送裝置，通過輸送帶機構，將從屋頂清除的積雪運走。

設備整體安裝圖如（圖1）。

圖1 裝配示意圖

2.1 除雪結構設計

本次除雪模塊，通過X 向、Y 向和Z 向電機配合驅動，整體采用皮帶傳動配合導軌傳動，除雪機構采用刮刀模塊進行積雪刮除。在刮板除雪過程中，考慮到受力及積雪量問題，一個房屋平面分成4 列，一列一列清除。

X 向電機通過驅動光桿軸，帶動兩端帶輪運轉，從而帶動刮刀系統沿X 向移動，進行房屋積雪的清除。本部分運動清雪主要是將房面積雪從最里面逐步推至房沿外。Y 向電機主要與X 向配合移動，在Y 向移動，一列一列移動，保證房屋整個平面的積雪清除。Z 向電機的設計，一方面是根據積雪厚度及當地降雪含水量進行刮刀高度的調整，一方面是方便刮刀退回時的抬起。

整體結構原理如（圖2）。Y 向整體結構通過支撐板架接于X 向滑塊之上；Z 向升降機構整體放置于Y 向導軌上；刮雪刀連接在Z 向裝置上。2 號電機通過聯軸器帶動光桿軸轉動，進而通過帶輪帶動導軌滑塊在X 向的移動；進而帶動Y 向除雪機構沿X 向移動，進行積雪的清除。3 號電機通過皮帶輪帶動Z 向裝置整體沿Y 向移動，配合X 向的除雪。1 號電機則控制Z 向裝置的升降。整個裝置的運動過程先沿X 向刮雪，后原路返回；在沿Y 向移動一個刮刀寬度的距離，再沿X 向移動除雪，直到完成整個屋頂平面積雪的清除。

圖2 除雪結構原理圖

2.2 積雪傳送裝置設計

由于用于屋頂除雪，需要將從屋面推下的積雪送走。因此本裝置設置有積雪傳送機構。刮刀清除的屋頂積雪推至傳送帶上，通過傳送帶將積雪運送到固定位置。除此之外，加入了輸雪機構X 向的移動，保證在有落雪的時候傳送帶再從房檐出來進行積雪輸送工作，當晴天、下雨天等，傳送帶收在屋檐下，從而有效地提高其使用壽命。

其結構原理圖如（圖3），整個裝置置于屋檐下方。整體由電機驅動，通過帶傳動帶動運轉。四號電機通過同步輪及皮帶帶動光桿軸的轉動；在皮帶輪和同步輪的作用下，帶動傳送帶沿X 向移動。從而保證在下雪天的時候再將傳送帶移動出來工作。5 號電機通過聯軸器，帶動齒輪軸轉動，從而帶動傳送帶沿Y 向移動，進行積雪的轉移。

圖3 積雪傳送裝置原理圖

3 控制部分設計

設計過程中采用重量傳感器進行積雪量檢測，由一個51 單片機進行控制，利用51 單片機實現電機的精確定位。通過一個單片機，控制不同電機的順序啟動，從而實現屋頂除雪機整體的控制，進而實現除雪和送雪運動。

將編制好的程序下載到控制板上，沒有降雪時整個裝置處于斷開狀態。一旦傳感器檢測到積雪到達初始設定量時，觸發單片機程序，啟動電機開始運行進行除雪、送雪工作。當檢測到積雪量減少時，程序斷開，電機停止工作。整個控制流程框圖如（圖4）。

圖4 控制流程圖

4 小結

此款智能屋頂除雪機，采用了積雪檢測模塊，有效實現無人值守的自動化除雪；輸雪模塊可前后移動，便于延長傳送帶的使用壽命；采用單片機自動控制，構造簡單，成本較低。同時采用同步帶傳動，適用于大尺寸傳動，是一種簡單、實用的除雪裝置，解放了人力，實現自動除雪。