除屋檐冰棱機(jī)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

摘 要：【目的】我國北方嚴(yán)寒地區(qū)屋檐下易形成冰棱，自然墜落的冰棱嚴(yán)重威脅行人安全，有必要設(shè)計(jì)一種除屋檐冰棱機(jī)來去除屋檐的冰棱，以提高行人在冬季出行的安全性，并期望能為面臨類似氣候問題的地區(qū)提供有效的安全防護(hù)方案。【方法】首先，設(shè)計(jì)一種除屋檐冰棱機(jī)，包括直線往復(fù)夾緊的除冰機(jī)構(gòu)、絲杠升降機(jī)構(gòu)、錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和激光測距控制系統(tǒng)。其次，以機(jī)構(gòu)的體積小、效率高和滑動(dòng)率小為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)主傳動(dòng)的錐齒輪機(jī)構(gòu)。最后，利用有限元分析主運(yùn)動(dòng)錐齒輪的強(qiáng)度。【結(jié)果】在滿足邊界條件、齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度條件下，該除屋檐冰棱機(jī)的尺寸緊湊、傳動(dòng)提高、傳動(dòng)效率和壽命增加，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果明顯。【結(jié)論】該設(shè)計(jì)大大提升了工作效率、節(jié)省人力，有效地解決了冬季冰棱問題。同時(shí)其結(jié)構(gòu)簡單、自動(dòng)化程度高、清潔環(huán)保，符合現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的工藝要求。

關(guān)鍵詞：升降機(jī)構(gòu)；除冰機(jī)構(gòu)；錐齒輪機(jī)構(gòu)；激光測距；ANSYS

中圖分類號：TH117.3 " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " 文章編號：1003-5168（2024）12-0050-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.12.010

Design and Optimization of Eaves Ice Edge Removal Machine

ZHU Xiaokang NIU Tianliang MENG Xiangcheng ZHANG Weile CHEN Yuxiang

CHEN Yuqing CHEN Zihao KONG Junchao

（College of Mechanical Engineering， Chaohu University， Hefei 238000，China）

Abstract： [Purposes] Ice edges are easily formed under the eaves in the cold regions of northern China， and naturally falling ice edges pose a serious threat to pedestrian safety. It is necessary to design a machine to remove the ice edges from the eaves， in order to improve pedestrian safety in winter and provide effective safety protection solutions for areas facing similar climate problems. [Methods] Firstly， a drive mechanism composed of a linear reciprocating deicing mechanism， a screw lifting mechanism， a bevel gear drive mechanism and a laser distance measuring control system is designed. Secondly， taking the small size， high efficiency and small slip rate of the mechanism as the objective function， the bevel gear mechanism of the main drive is optimized and designed. [Findings] The optimized design results are obvious when boundary conditions， tooth contact fatigue strength and bending fatigue strength are satisfied. These include compact dimensions， increased transmission efficiency and longer life. [Conclusions] It can also solve the problem of ice edges effectively in winter， meanwhile， improve the operation efficiency and save manpower greatly. Furthermore， the structure is simple， highly automated， clean and environmentally friendly， and conforms to the process requirements of modern mechanical design.

Keywords： lifting mechanism; deicing mechanism; "bevel gear mechanism; laser ranging; "ANSYS

0 引言

在我國北方嚴(yán)寒地區(qū)，冬季積雪融化時(shí)屋檐下時(shí)常出現(xiàn)冰棱，若放任這些冰棱不管，在冰棱的自然脫落過程中會(huì)對路過屋檐下的人們造成人身安全，嚴(yán)重者甚至?xí)猩{［1］。目前，我國還沒有采取相關(guān)的措施來處理屋檐冰棱自然脫落的問題，一般使用竹竿將屋檐冰棱擊落［2］。竹竿和消防除冰費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低下，破碎的冰棱也會(huì)對清除冰棱工作人員的人身安全構(gòu)成威脅。因此采用合適的機(jī)械設(shè)備幫助除冰十分有必要。朱自成等［3］設(shè)計(jì)的路面復(fù)合除冰機(jī)包含鏟冰碎塊機(jī)構(gòu)、熱力水射流融冰系統(tǒng)和熱水霧及化學(xué)緩凝系統(tǒng)等，并優(yōu)化了噴嘴孔徑、射流壓力和噴嘴角度等使除冰效果更佳。魏書寧等［4］設(shè)計(jì)了高壓輸電除冰機(jī)器人的碾切式、沖擊式和銑削式等三種除冰機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離、長時(shí)間、快速且無損傷的高效除冰，進(jìn)一步分析理論功率、切削力和實(shí)際試驗(yàn)數(shù)值基本一致，說明設(shè)計(jì)合理高效。目前，國內(nèi)除冰機(jī)主要是用于輸電線除冰、道路除冰等［5］。機(jī)械式輸電線除冰技術(shù)除冰效率高、操作簡單，因此受到廣泛關(guān)注［6］。道路除冰技術(shù)的種類比較多，但和機(jī)械式輸電線除冰技術(shù)一樣都不適用于除去冰棱作業(yè)［7］。當(dāng)前的除冰機(jī)種類過于單一，無法適用于各種不同的地形，因此有必要設(shè)計(jì)一種除屋檐冰棱機(jī)。本研究設(shè)計(jì)一種由除冰機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和激光測距控制部分組成的屋檐除冰棱機(jī)，并基于有限元模塊分析錐齒輪的應(yīng)力，以優(yōu)化設(shè)計(jì)主傳動(dòng)的錐齒輪機(jī)構(gòu)。

1 工作原理

屋檐除冰機(jī)包括控制升降的絲杠機(jī)構(gòu)和主運(yùn)動(dòng)的不完全齒輪除冰機(jī)構(gòu)兩部分。除屋檐冰棱機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作原理如下：電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺紋螺桿17使小錐齒輪16轉(zhuǎn)動(dòng)，小錐齒輪與大錐齒輪15嚙合帶動(dòng)傳動(dòng)絲杠3旋轉(zhuǎn)，螺旋導(dǎo)桿帶動(dòng)推力板4實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)；當(dāng)升降機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)到所需高度后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)不完全齒輪9轉(zhuǎn)動(dòng)，與齒條框6相嚙合，使齒條沿滑軌8往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；推桿13左端與齒條相連，右端與除冰夾子12連接；推桿向右運(yùn)動(dòng)夾子松開，推桿向左運(yùn)動(dòng)夾子夾緊，實(shí)現(xiàn)夾冰運(yùn)動(dòng)，落下的冰棱由擋冰板14推送到抽屜5儲(chǔ)存。

2 除屋檐冰棱機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 螺旋傳動(dòng)升降機(jī)構(gòu)

除屋檐冰棱機(jī)的升降機(jī)構(gòu)如圖2所示。手動(dòng)驅(qū)動(dòng)螺旋導(dǎo)桿轉(zhuǎn)動(dòng)，將固連在導(dǎo)桿的小錐齒輪與大錐齒輪嚙合，帶動(dòng)的機(jī)架的絲杠上下運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)的升降運(yùn)動(dòng)。

2.2 除冰機(jī)構(gòu)

除冰機(jī)構(gòu)左右往復(fù)移動(dòng)的機(jī)構(gòu)如圖3所示，由電動(dòng)機(jī)、齒條組、不完全齒輪、滑軌、推桿、夾子、擋冰板、抽屜、連桿等組成。電機(jī)帶動(dòng)不完全齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，不完全齒輪與上齒條相嚙合帶動(dòng)齒條在滑軌向右移動(dòng)，上齒條帶動(dòng)推桿向右移動(dòng)而連桿支撐夾子打開。不完全齒輪與下齒條嚙合，則帶動(dòng)齒條組在滑軌向左移動(dòng)，齒條帶動(dòng)推桿向左移動(dòng)而連桿支撐閉合。一閉一合就能夠?qū)⑽蓍苌系谋鈯A斷，而斷裂的冰棱被擋冰板阻擋而滑進(jìn)抽屜，降低安全隱患的發(fā)生率。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4所示。通過激光測距模塊，測得機(jī)器頂部與屋檐的距離，并通過iic傳輸?shù)?/p>

stm32f104開發(fā)板，開發(fā)板控制驅(qū)動(dòng)板使步進(jìn)電機(jī)上升到離屋檐合適的位置。通過激光測距模塊引腳定義，步進(jìn)電機(jī)引腳定義，控制參數(shù)。設(shè)置步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈的步數(shù)、步進(jìn)電機(jī)的微步數(shù)、距離閾值。初始化函數(shù)，初始化GPIO引腳，激光測距模塊引腳配置為輸入模式，步進(jìn)電機(jī)引腳配置為輸出模式，延時(shí)函數(shù)，控制步進(jìn)電機(jī)速度，控制步進(jìn)電機(jī)向前轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)微步。初始化系統(tǒng)后，控制步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)到目標(biāo)距離，讀取激光測距模塊的測量值，判斷距離是否達(dá)到目標(biāo)距離。然后步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，控制步進(jìn)電機(jī)向前轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)微步，程序結(jié)束。

3 主動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)變量

設(shè)計(jì)變量通常為大端模數(shù)m 、小齒輪齒數(shù)z1，齒寬系數(shù)ФR，所以設(shè)計(jì)變量為x=［m， z1， ФR］T ，通常模數(shù)m=［1.5，1.75，2，2.25，…，36，45］，小齒輪齒數(shù)z1=10～40，齒寬系數(shù)ФR=0.25～0.6。

3.2 主動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)

3.2.1 錐齒輪的體積。在滿足錐齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的情況下，錐齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的體積最小，結(jié)構(gòu)緊湊，可降低成本、節(jié)約材料。將錐齒輪的體積等效成頂圓與底圓之間的梯形臺(tái)體的體積，得到錐臺(tái)計(jì)算公式，見式（1）［9］。

[V=V1+V2=π3bcosδ1[（mz12）2+mz12（R-bR×mz12）+（R-bR×mz12）2]+π3bcosδ2[（mz22）2+mz22（R-bR×mz22）+（R-bR×mz22）2]] " "（1）

式中：齒寬b=ФR·R；錐齒輪副的錐距[R=mz12u2+1]；齒數(shù)比為[u=z2z1]；小錐齒輪的錐形角[δ1=arctansinθu+sinθ]；θ為錐齒輪的軸交角；大錐齒輪的錐形角δ2=90°-δ1。

3.2.2 錐齒輪的重合度和穩(wěn)定性系數(shù)。齒輪嚙合的重合度是兩個(gè)齒輪嚙合的平均齒數(shù)，用于衡量齒輪嚙合的傳動(dòng)效率和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性［10］，重合度和穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算見式（2）、式（3）。

[εα=z1（tanαa1-tanα）+z2（tanαa2-tanα）2π] "（2）

[ξ=1εα] "（3）

式中：[z]1和[z]2分別為小、大錐齒輪齒數(shù)；αa1和αa2分別為小、大錐齒輪的齒頂圓壓力角；α'為嚙合角；ξ為穩(wěn)定性系數(shù)，為重合度系數(shù)的倒數(shù)。

3.2.3 錐齒輪的滑動(dòng)率。齒輪嚙合的滑動(dòng)率影響齒輪傳動(dòng)的性能和壽命，過大的滑動(dòng)率會(huì)引起齒輪傳動(dòng)磨損、能量損失和噪聲增加。因此，在設(shè)計(jì)和制造齒輪傳動(dòng)時(shí)，需要盡量減小滑動(dòng)率，以提高傳動(dòng)效率和壽命，選擇傳動(dòng)齒輪之間最大滑動(dòng)率之差的絕對值最小作為目標(biāo)函數(shù)［11］，具體計(jì)算見式（4）至式（6）。

[η=η1max-η2max] " （4）

[η1max=tanαa2-tanα'1+z1z2tanα'-tanαa2i+1i] " "（5）

[η2max=tanαa1-tanα'1+z2z1tanα'-tanαa1i+1] "（6）

式中：η為齒輪嚙合的滑動(dòng)率，η1max、η2max分別為小、大錐齒輪的最大滑動(dòng)率，i為錐齒輪嚙合的傳動(dòng)比。

3.2.4 目標(biāo)函數(shù)F（V，ξ，η）。錐齒輪的體積V、穩(wěn)定性系數(shù)ξ和滑動(dòng)率η三者構(gòu)成的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)F（V，ξ，η）見式（7）。

[FV，ξ，η=x1×V+x2×ξ+x3×η] （7）

式中：x1為體積的權(quán)重系數(shù)；x2為穩(wěn)定性系數(shù)的權(quán)重系數(shù)；x3為滑動(dòng)率的權(quán)重系數(shù)；權(quán)重系數(shù)x1、x2、x3應(yīng)滿足x1+x2+x3=1。

3.3 約束條件

3.3.1 齒面接觸疲勞強(qiáng)度。計(jì)算見式（8）。

[σH=4KHT1φR1-φR2d13uZEZεZH≤σH] "（8）

式中：KH為接觸載荷系數(shù)；T1為小錐齒輪的轉(zhuǎn)矩；d1為小錐齒的分度圓直徑；u為齒數(shù)比；ZE、Zε、ZH分別為彈性影響系數(shù)、重合度系數(shù)和區(qū)域系數(shù)；［σH］為許用接觸應(yīng)力。

3.3.2 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。計(jì)算見式（9）。

[σF=KFT1YsaYFaφR1-φR2m3Z1u2+1≤σF] " " （9）

式中：KF為彎曲載荷系數(shù)；Ysa和YFa分別為應(yīng)力修正系數(shù)和齒形系數(shù)；［σF］為許用彎曲應(yīng)力。

4 主動(dòng)傳動(dòng)錐齒輪的優(yōu)化分析

在主動(dòng)傳動(dòng)的閉式錐齒輪機(jī)構(gòu)中，軸交角為90°，主動(dòng)小齒輪的轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，傳遞功率為0.5 kW，傳動(dòng)比為3。大齒輪為45鋼（調(diào)質(zhì)），小齒輪為40Cr（調(diào)質(zhì)），壽命為12 a。

4.1 體積特性分析

在滿足約束的條件下，不同齒數(shù)和模數(shù)的主動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)體積變化曲面如圖5所示，體積為0.072 1～0.218 33 dm3。閉式軟齒面錐齒輪的典型失效為齒面點(diǎn)蝕，不易出現(xiàn)輪齒折斷，因此主要保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度［12］。其計(jì)算準(zhǔn)則對應(yīng)參數(shù)為小錐齒輪的分度圓直徑，模數(shù)和齒數(shù)增多則分度圓直徑增大，不易出現(xiàn)齒面點(diǎn)蝕破壞。但齒寬也隨之增大，齒寬方向載荷分布不均勻，也會(huì)發(fā)生失效。滿足約束條件且只考慮體積因素的最小體積為0.137 0 dm3。

4.2 重合度特性分析

不同齒數(shù)和模數(shù)的主動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)重合度和穩(wěn)定性系數(shù)變化曲面如圖6所示。由圖6可知，齒數(shù)越大則重合度越大而穩(wěn)定性系數(shù)越小，模數(shù)對其無影響，穩(wěn)定性系數(shù)為0.545 5～0.625 0。在滿足約束條件且只考慮穩(wěn)定性系數(shù)因素的最小穩(wěn)定性系數(shù)為0.545 5。

4.3 滑動(dòng)率特性分析

不同齒數(shù)和模數(shù)的主動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)滑動(dòng)率變化曲面如圖7所示。由圖7可知，齒數(shù)越大則滑動(dòng)率越小，模數(shù)對其無影響，滑動(dòng)率系數(shù)為0～0.858 2。在滿足約束條件且只考慮滑動(dòng)率系數(shù)因素的最小滑動(dòng)率為0。

4.4 主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化分析

綜合考慮體積、穩(wěn)定性系數(shù)和滑動(dòng)率影響的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)特性如圖8所示。當(dāng)模數(shù)增大時(shí)，重合度系數(shù)保持不變，而體積和滑動(dòng)率為影響優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的主要因素。齒數(shù)增大時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)和滑動(dòng)率減小而體積增大，此時(shí)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)增幅較小，體積因素為主要因素。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)的比較見表1。

表 1 中任意參數(shù) x 優(yōu)化幅度為 w，令設(shè)計(jì)見式（10）。

[w=|x傳統(tǒng)-x優(yōu)化x傳統(tǒng)|×100%] "（10）

通過表1中的數(shù)據(jù)對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的對比可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的尺寸及其他特征參數(shù)得到了優(yōu)化，各個(gè)方面都有了顯著提升。由表1可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)的模數(shù)為1.5 "mm，體積為0.137 0 dm3，穩(wěn)定性系數(shù)為0.545 5，滑動(dòng)率為0，目標(biāo)函數(shù)為0.426 6。相對應(yīng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模數(shù)為 3 mm，體積為 0.214 7 dm3，穩(wěn)定性系數(shù)為0.580 7，滑動(dòng)率為0.668 5，目標(biāo)函數(shù)為0.778 7。對比優(yōu)化設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)后體積減小36.19%，結(jié)構(gòu)明顯緊湊；重合度提高5.52%；傳動(dòng)穩(wěn)定性提高6.06%；滑動(dòng)率提高100%，傳動(dòng)效率和壽命增加，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果明顯。

4.5 錐齒輪有限元分析

主傳動(dòng)錐齒輪是影響機(jī)器性能的主要機(jī)構(gòu)，因此有必要分析其強(qiáng)度是否滿足要求。利用SolidWorks構(gòu)建主動(dòng)錐齒輪模型，并將模型導(dǎo)入ANSYS軟件［13］，所選材料為碳鋼。如圖9（a）所示，采用Tetrahedrons法劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為84 879，單元數(shù)為49 475，網(wǎng)格質(zhì)量為0.68，網(wǎng)格質(zhì)量良好。在給定工況下，應(yīng)力主要分布在錐齒輪嚙合處，如圖9（b）所示，最大等效應(yīng)力為23.476 MPa，即最大等效應(yīng)力小于許用應(yīng)力值，表明設(shè)計(jì)模型滿足強(qiáng)度要求。

5 結(jié)論

①本研究設(shè)計(jì)了一種體積小、傳動(dòng)平穩(wěn)、效率高且結(jié)構(gòu)簡單的除屋檐冰棱機(jī)，包括升降機(jī)構(gòu)，除冰部分、傳動(dòng)部分和控制部分。除冰部分由不完全齒輪和除冰夾組成，升降部分采用絲杠升降機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)部分為錐齒輪傳動(dòng)，控制部分通過激光測距模塊測得機(jī)器頂部與屋檐的距離。

②本研究以體積、穩(wěn)定性系數(shù)和滑動(dòng)率小為工作要求，采用小錐齒輪齒數(shù)和模數(shù)為自變量，在滿足邊界條件、錐齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，建立主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

③對比優(yōu)化設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)果，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)先選擇齒數(shù)，因此齒數(shù)較小，而優(yōu)化設(shè)計(jì)后體積減小36.19%，尺寸明顯緊湊；重合度提高5.52%，傳動(dòng)穩(wěn)定提高6.06%；滑動(dòng)率提高100%，傳動(dòng)效率和壽命增加，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果明顯。同時(shí)，利用ANSYS分析主運(yùn)動(dòng)齒輪的強(qiáng)度也滿足要求。

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