摘要：過街天橋是幫助行人安全通過馬路的公共設施，但由于北方冬天經(jīng)常降雪，天橋不能及時被清掃，會給行人造成危險?，F(xiàn)有的過街天橋除冰雪方式有限，不能很好地解決快速除冰雪的問題：天橋除冰雪工具簡陋，在除冰雪的同時，對天橋的損傷也很大：采用融雪劑會造成環(huán)境污染，電暖過街天橋又存在造價和維護成本過高等問題。通過對國內(nèi)外除雪現(xiàn)狀以及冰雪性質(zhì)進行研究后，我們迫切需要一種能夠快速除雪，并目不會對環(huán)境產(chǎn)生污染的除雪裝置。本設計就是基于此要求而構思完成的。

關鍵詞：天橋 除雪 快速 綠色

一、引言

東北地區(qū)降雪之后，過街天橋不能被及時清掃，行人走過會壓實積雪，當中午溫度升高，少量積雪融化，晚上溫度降低又凍結成冰，這樣使行人上下臺階很不安全，經(jīng)常摔倒甚至受傷，因此很多行人只好選擇繞道而行，天橋成了望而卻步的“擺設”。如何有效的清除臺階上的冰雪，是個值得研究的設計課題。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國除雪技術已經(jīng)有了很大的進步，人工除雪、除雪劑、各種除雪設備在除雪作業(yè)中都有不同程度的應用。但是我們需要一種簡單而有效的綠色除雪方式，摒棄融雪劑的高污染和靳容解的高耗能。

東北地區(qū)過街天橋快速除冰裝置，其設計思路來源于百葉窗的結構，采取機械連接的方式，把很多具有一定強度和韌性的鋼板連接在一起，鋪設在過街天橋的階梯面上，通過設置在天橋底下的杠桿，來實現(xiàn)扳動整個連接著的鋼板，并伴隨這輕微的變形，使附著在上面的冰雪迅速脫落。該設計結合工程力學，機械原理，材料學，物理學方面的知識，有效地彌補了現(xiàn)有的天橋除冰方法的不足，節(jié)省人力物力，操作簡單易用，做到了高效低耗。

該設計課題不僅具有研究價值，而且具有很強的實用價值?！皷|北地區(qū)過街天橋快速除冰除雪裝置設計”，對于北方地區(qū)解決冬季過街天橋積雪的問題來說，很有探索性和示范性的意義。

二、我國東北地區(qū)除雪現(xiàn)狀

我國東北大部分地區(qū)，每年都有將近半年的降雪期，道路積雪給人們的日常生活和航空運輸帶來了許多不便。在寒冷的冬季，冰雪使路面附著系數(shù)大大降低，使汽車打滑、制動距離明顯延長，甚至剎車失靈、方向失控，從而造成嚴重的交通事故。因此，為了保障道路暢通和行人安全，一般要求小雪12小時內(nèi)，中雪24小時內(nèi)，大雪36小時內(nèi)道路具備開放交通條件。如何快速的清除道路冰雪成了急需解決的難題，加大道路冰雪清除技術研究己成為當今社會發(fā)展的當務之急。

1、人工清雪法

冬季降雪，初時為浮雪，經(jīng)行人踩踏、車輛碾壓變成堅硬的冰雪路面。按有關規(guī)定，雪停后就要走向街頭除雪，一個中等級城市，每年要動用幾十萬了人次進行除雪勞動，主要使用鐵鍬、鎬頭和一些較簡單的手工除雪工具，政府組織，分片包干，機關、學校、工廠、商店等均需抽調(diào)人員參加勞動。人工除雪作業(yè)時間長，勞動強度大，工作效率低，耗費人力物力。目前東北地區(qū)大多數(shù)城市都不同程度的使用這種原始落后的除雪方式。這種方法在天橋除雪時，清除較徹底，但存在工作效率低下，且容易產(chǎn)生損毀臺階的基面等問題，如圖2-1所示。

2、機械除雪法

在我國，傳統(tǒng)的除雪理念是雪停后才開始除雪，在降雪過程中由于行人的通過性踩踏，積雪已被壓實形成冰雪路面，除雪工作實際上是除壓實雪。在這種理念影響下除雪機械的設計主要是針對除壓實雪。對清除冰雪機械性能要求一般為除雪能力（最大清除冰雪寬度和深度）、清除冰雪效率（除冰雪速度或單位時間除冰雪體積）、除凈率、適應性（自然積雪、壓實積雪、融凍冰雪及厚度大小等）及路面保護性等。國內(nèi)從20世紀80年代開始研制與開發(fā)除雪機械，先后有十幾種型號的除雪機被研制生產(chǎn)出來，目前廣泛采用的是犁式除雪機、旋切式除雪機和除雪平地機。但這些機械的研制，都是為了應對路面積雪，天橋階梯的除雪，成了研發(fā)的“真空區(qū)”。

3、融雪劑除雪

融雪劑除雪也是目前廣泛使用的一種除雪方式。融雪劑為鈉基，除雪機理是降低冰點，加速積雪的融化，從而使得冰雪的清除比較容易起來。融雪劑存在很大弊端，比如對道路兩旁的綠化帶、農(nóng)田帶來很大危害；腐蝕道路、橋梁等路政設施；污染地下水資源；使用融雪劑的費用并不低等因素。氯鹽類融雪劑的鹽類物質(zhì)與瀝青相互作用，大大減小瀝青材料與石料的粘合能力，造成瀝青表面脫落，在行車荷載的作用下大面積路面破損，其破壞速度遠快于普通凍融循環(huán)引起的破壞及其他種類的破壞，從而嚴重影響這些路面的使用壽命。

4、熱力融雪

熱融解法是一種利用火焰、電加熱等除雪技術將雪加熱融解的方法。其中地熱融雪法除雪的代表是青島天橋電梯。把過街天橋設計成電梯的形式，并且可以加熱融雪。下雪時，為了防止電梯結冰打滑，電梯可自動加熱，以融化梯子上的冰。這樣雖然解決了融雪化冰的難題，但需要安排專門的人員維護、保養(yǎng)、清潔和管理，運行費用巨大，維護費用和人工費用也是一筆不小的開銷。據(jù)了解青島這座天橋高約5.5米，混凝土橋面寬約6米，跨度約35.5米。電梯的梯部寬度為80厘米。整座天橋投資700余萬元，其中每部電梯40萬元左右。高昂的費用和消耗讓它無法在東北地區(qū)普及推廣。

目前國內(nèi)很多地方仍處于降雪后，甚至降雪經(jīng)碾壓成冰后才開始想辦法掃雪除冰階段。這種除雪方式造成了除雪除冰成本高，無法徹底清除，安全隱患大、環(huán)境危害和社會經(jīng)濟損失等問題。從目前國內(nèi)情況來看，天橋除雪還無法達到應用“實時除雪”的條件，因為每當下完雪，清潔工人需要第一時間清潔公路等主要交通線路。

通過上述介紹，我們了解目前還沒有專門的天橋除雪設備，一般的機械除雪裝置體積都比較大，且只適用于平地使用，不適合天橋的工作環(huán)境；熱力除雪裝置無論是安裝費用還是維護費用都比較高。因此一種綠色，易操作，省時省力，費用低的天橋除冰雪裝置，一直為人們所期待。

三、產(chǎn)品設計分析與定位

1.產(chǎn)品設計構想

（1）成本低：所有材料均采用價格比較低廉的工程材料，且設備只需一次性資金投入。產(chǎn)品結構簡單，故很少產(chǎn)生機械故障，維修費用也隨之降低。

（2）快速除雪：只需要簡單操作，即可完成對壓實雪或冰的清理工作

（3）維護方便：由于天橋除雪裝置的工作環(huán)境非常惡劣，難免會出現(xiàn)部分設備受損情況，該裝置利用簡單的機械原理，當設備損害時很容易維修。

（4）綠色環(huán)保：由于是利用簡單的機械結構，整個過程不會像利用融雪劑對臺階形成的侵蝕，也不會像手工除雪工具那樣，對天橋造成損壞。

2.產(chǎn)品設計原理

天橋除冰裝置，其原理是利用鋪設在天橋階梯上的鋼板，在受到杠桿力的作用下，聯(lián)動拉起，并伴隨輕微的形變，對積雪的擠壓使得冰雪脫離鋼板。為了方便使用者操作，各個板之間采取一定的連接方式，只需要一個動作，就可以使所有板塊一起運動。根據(jù)細節(jié)的具體考慮，核對草圖效果的最終方案，我們采用了比較省力的扳手形式。

利用齒輪與齒條的傳動，手動搖桿帶動齒條，齒條帶動齒輪，而齒輪與凸輪橫軸連接，使凸輪轉動，凸輪轉動的同時會使鋼板產(chǎn)生彎曲，再利用鋼板的凹槽與這種應力結合，使冰塊脫落或產(chǎn)生裂紋，幾次轉動后即能達成所要效果，如圖3-1所示。

鋼板紋理對除冰裝置的工作情況起著至關重要的作用，一是要求槽內(nèi)的積雪只需較小的擠壓力就可以擠出，二是要起到防滑作用，同時，槽的深度也不易過深，以防卡住女士高跟鞋鞋底，最終采用了六邊形雙層2mm深的圖案，其內(nèi)表面呈斜坡狀，有利于冰雪的脫離。

齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動之一，形式很多，應用廣泛，傳遞率可達到數(shù)十萬千瓦，圓周速度可達200m/s。齒輪傳動主要有以下特點：效率高；結構緊湊；工作可靠；傳動比穩(wěn)定。齒輪傳動圖，如圖3-2所示。

我們最終的設計采用了凸輪機構，從動件運動規(guī)律在帶滾子的對心直動從動件盤形凸輪機構。優(yōu)點為：只需設計適當?shù)耐馆嗇喞憧墒箯膭蛹玫剿璧倪\動規(guī)律，并且結構簡單、緊湊、設計方便。

3.產(chǎn)品材料選擇

由于這款天橋除冰雪裝置，材料最重要的是鋪設臺階上的鋼板，所以這里只對鋼板進行材料選擇分析。韌性是表征材料斷裂抗力的一種力學參量。通常用沖擊韌性aK、斷裂韌度和脆性轉折溫度等表示。由于天橋除雪設備的工作條件惡劣，所以選用的鋼材必須具有一定的耐腐蝕性，通過以上分析，在這里臺階上的鋼板采用目前廣泛應用的40CrNiMo鋼，40CrNiMo力學性能：抗拉強度σb（MPa）≥980（100），伸長率σ5（%）≥12，斷面收縮率ψ（%）≥55，沖擊功Akv（J）≥78，沖擊韌性值σkv（J/cm2）≥98（10）。40CrNiMo鋼中合金元素的配合有效地提高鋼的韌性，鋼中鎳和鉻組合可有效提高淬透性并能很好改善回火馬氏體的韌性。鉬除有效提高淬透性外，還可以改善回火馬氏體的韌性。

一般來說，鋼的強度越高，斷裂韌性就越低，也即鋼鐵韌性降低，為了使得鋼板能夠產(chǎn)生扭轉且能變回原形，同時也為了在能夠達到相同的工作效果下，盡量降低產(chǎn)品的成本，所以鋼板的厚度定為4mm。

4.人機工程的應用

除雪裝置在使用過程中一般都是手動，所以操作起來就應當相對符合人機工程學的理論，這樣才能讓使用者更方便有效的運用。人機工程學在這款天橋除冰裝置中的應用主要是人上肢運動什么時候最省力，還有就是手把的外形與與人手握住時候的舒適度等問題，如圖3-4所示。

6.設計優(yōu)點

（1）干凈安全。天橋每一層樓梯的寬度并不大，人們在使用傳統(tǒng)的銳器時，很有可能站不穩(wěn)，從而產(chǎn)生危險。但我們的機構只需在橋底操作板手，危險性很小。

（2）保護作用。臺階表面附著鋼板，不但完成了除冰，還保護了臺階，完全沒有砸鑿臺階帶來破壞的擔憂。

（3）省時省力。只要扳動板手就可以除掉所有冰，方便操作。

（4）環(huán)保綠色。傳統(tǒng)的除雪劑主要成分為工業(yè)用鹽，會污染環(huán)境破壞橋梁等。該除雪機構只是簡單的機械裝置，不會造成環(huán)境污染。

7.設計前瞻性

這款過街天橋除冰雪裝置有很大的發(fā)展空間，也同樣對未來的除冰方式是一個啟示。市面上對于過街天橋使用的除冰設備極其稀少，所以它有一定的市場前景和應用價值。

該設備的原理并不復雜，利用扭轉讓鋼板產(chǎn)生微小形變，使冰層和鋼板之間產(chǎn)生縫隙，從而分離鋼板和冰層，便于冰雪的清理。他的出現(xiàn)給北方城市的清潔工帶來了很大的便利，清潔人員不必再使用傳統(tǒng)工具吃力的敲擊來使冰層與地面分離、破碎，他們只需簡單拉動T操縱桿就能完成這一切。

8.結論

東北過街天橋快速除冰裝置設計的創(chuàng)新點在于有效地解決了現(xiàn)有的天橋除冰除雪方法的不足，既節(jié)省了人力物力，又節(jié)省了大量的除雪費用，做到了高效低耗。而且能夠實現(xiàn)快速除冰除雪，操作簡單易用，這些都是以往天橋除雪設備中所不具有的。該裝置的設計研究不僅具有學術價值，而且具有很強的實用價值和良好的應用前景。對于北方地區(qū)解決冬季過街天橋積雪積冰的問題來說，很有探索性和示范性的意義。

本論文為東北林業(yè)大學2013年度大學生創(chuàng)新項目“北方過街天橋臺階快速除冰除雪裝置設計”成果