代 恒

（武漢晴川學(xué)院，湖北 武漢 430000）

我國北方的冬天，屋頂上會(huì)堆積大量積雪，如果不及時(shí)清理，當(dāng)積雪結(jié)冰后重量會(huì)大大增加，就會(huì)導(dǎo)致一些結(jié)構(gòu)較差的屋頂不堪重負(fù)被壓塌，威脅生命、財(cái)產(chǎn)安全。

目前用于屋頂除雪的方式有人工除雪、加熱除雪、化學(xué)除雪和機(jī)械除雪等[1-3]。人工除雪是靠人用耙子往下刮雪，這種方式只適用于較矮的屋頂，除雪效率低，對(duì)于較高的房屋人們會(huì)選擇爬上屋頂進(jìn)行除雪，當(dāng)雪結(jié)冰后除雪難度大、屋頂濕滑，具有一定的危險(xiǎn)性。加熱除雪是在屋頂上加上一層發(fā)熱裝置，下雪后就開啟加熱讓積雪融化。這種除雪方式會(huì)產(chǎn)生較高的能耗，使用起來不經(jīng)濟(jì)。化學(xué)除雪是在屋頂上撒鹽或融雪劑，但融雪劑具有一定腐蝕性，長期使用會(huì)對(duì)屋頂材料造成損壞。機(jī)械除雪是通過機(jī)械作用直接解除冰雪危害，除雪效果好、效率高。目前市場上的除雪機(jī)大多是用于路面除雪的，應(yīng)用于屋頂?shù)妮^少。針對(duì)屋頂?shù)某┬枨螅岢鲆环N固定在屋頂上的自動(dòng)除雪裝置。

1.屋頂除雪裝置的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

本文屋頂除雪裝置設(shè)計(jì)靈感來源于一種手動(dòng)除雪工具，該裝置由三部分組成，如圖1所示，在推桿的作用下，金屬框做切雪動(dòng)作，金屬框下面連著一塊光滑的塑料布，推桿推動(dòng)金屬框切雪使得雪塊松動(dòng)并沿著光滑的塑料布滑落，除雪效果較好，但這種手動(dòng)除雪工具只適用于人能夠得著的較低的屋頂。

圖1 手動(dòng)除雪工具

1.2 屋頂除雪裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種安裝于屋頂上的自動(dòng)除雪裝置，本設(shè)計(jì)主要針對(duì)以下的情景：溫度在-20℃～-5℃之間，雪的厚度h≥5 cm，屋頂必須為傾斜式屋頂。實(shí)物模型如圖2所示，兩側(cè)滑塊同時(shí)移動(dòng)帶動(dòng)鋼絲做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，鋼絲牽引塑料布做切雪運(yùn)動(dòng)，使得雪塊松動(dòng)并沿塑料布滑落。

圖2 屋頂除雪裝置實(shí)物模型

該模型大部分零件來自于“探索者”模塊化套件，“探索者”零件系統(tǒng)由一組經(jīng)過高度綜合與抽象的幾何元素構(gòu)成，可根據(jù)需要構(gòu)建“點(diǎn)、線、面、體”，從而設(shè)計(jì)豐富多彩的機(jī)械結(jié)構(gòu)。零件的材質(zhì)是鋁鎂合金，是一種廣泛應(yīng)用于航空器制造的材料。特點(diǎn)是重量輕、硬度高、延展性好、可用于制作承力結(jié)構(gòu)。

該除雪裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，撐布收布裝置對(duì)稱設(shè)于卷布支撐桿兩端，撐布收布裝置由第一箱體、轉(zhuǎn)動(dòng)連接在第一箱體內(nèi)部的動(dòng)力線輪、與動(dòng)力線輪連接的減速電機(jī)、固連于第一箱體下部的導(dǎo)軌、與導(dǎo)軌滑動(dòng)連接的滑塊、固連于導(dǎo)軌另一端的第二箱體、轉(zhuǎn)動(dòng)連接在第二箱體內(nèi)部的變向輪組成，卷布支撐桿、動(dòng)力線輪、減速電機(jī)通過階梯軸實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)連接；在動(dòng)力線輪上設(shè)有2個(gè)繞線匝道，卷布支撐桿上卷繞著卷布，卷布伸出端通過鋼絲與滑塊固連；動(dòng)力線輪和變向輪通過線繩連接，牽引線繩在動(dòng)力線輪的2個(gè)繞線匝道上按轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的方式進(jìn)行繞線，牽引線繩的相對(duì)下股與滑塊固連。繞線機(jī)構(gòu)主要由主動(dòng)軸、壓線輪軸及變向輪軸組成，主動(dòng)軸上有動(dòng)力線輪，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力線輪上的兩個(gè)繞線匝道一端放線一端收線，組成一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，壓線輪可以穩(wěn)定線繩的輸出方向，通過線繩與變向輪連接，壓線輪和變向輪通過內(nèi)部的直線軸承調(diào)整在軸上的位置，使系統(tǒng)的傳動(dòng)更加的穩(wěn)定可靠。

圖3 屋頂除雪裝置整體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)在具體實(shí)施時(shí)，將屋頂自動(dòng)除雪裝置放置在屋頂待作業(yè)位置固定，通過圓周舵機(jī)4正反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)動(dòng)力線輪3正反轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)滑塊6沿導(dǎo)軌5往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)滑塊6與卷布支撐桿1同時(shí)作用實(shí)現(xiàn)卷布的撐布和收布動(dòng)作，將屋頂?shù)姆e雪從底部與屋面切割分離，積雪在卷布和自身重力的作用下從屋頂滑落，實(shí)現(xiàn)屋頂積雪的清除。

該除雪裝置的動(dòng)力來源于主軸，在做主軸設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：①軸的加工不可過于復(fù)雜，軸上零部件要方便拆裝；②軸及軸上零件要有準(zhǔn)確的定位；③要改善軸上的受力情況[4]。根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)出的軸結(jié)構(gòu)如圖4所示，軸上零件相對(duì)固定。動(dòng)力線輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，要使卷布均勻卷繞，就要讓滑塊移動(dòng)速度和卷布支撐桿卷布速度保持一致，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意動(dòng)力線輪的線盤直徑與支撐件的外徑要相等，卷布支撐桿可均勻撐布及收布。

圖4 主軸結(jié)構(gòu)圖

1.3 傳感器的應(yīng)用

屋頂除雪裝置未來的發(fā)展趨勢(shì)就是實(shí)現(xiàn)智能化，該裝置可根據(jù)雪的厚度自行開啟進(jìn)行掃雪，根據(jù)切雪鋼絲的阻力調(diào)節(jié)滑塊運(yùn)動(dòng)速度，使電機(jī)輸出功率達(dá)到最優(yōu)化，而這些離不開傳感器的檢測(cè)。我們的裝置主要針對(duì)北方的嚴(yán)寒天氣，所以一些對(duì)溫濕度有要求的傳感器不能應(yīng)用于此，為了使控制盡可能簡單，當(dāng)滑塊從第一箱體運(yùn)動(dòng)到第二箱體時(shí)，需反饋信號(hào)到控制系統(tǒng)，使電機(jī)反轉(zhuǎn)，滑塊反向滑動(dòng)，這里選擇紅外線傳感器作為觸發(fā)裝置。通過壓力傳感器感知下雪的厚度，當(dāng)雪達(dá)到一定重量，傳感器將信息反饋給控制器進(jìn)而驅(qū)動(dòng)滑塊進(jìn)行除雪。

2.除雪裝置的日常維護(hù)與保養(yǎng)

2.1 設(shè)備的防凍方案

由于屋頂除雪裝置長期放置在屋頂上，工作于溫度低、濕度大的環(huán)境中，特別是當(dāng)積雪結(jié)冰可能會(huì)使傳動(dòng)部分凍住影響機(jī)器的正常工作。在溫度升高時(shí)，積雪融化成水，如果封裝不嚴(yán)，水會(huì)由箱體的縫隙進(jìn)入箱體內(nèi)部，進(jìn)入軸承蓋與軸的外部箱體連接部分，當(dāng)溫度再次下降時(shí)，融化的水會(huì)再次凝結(jié)成冰使傳動(dòng)軸凍住，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)有可能會(huì)燒壞電機(jī)以至損壞設(shè)備，因此設(shè)備的防凍是一個(gè)非常重要的問題。為了放置設(shè)備凍住，我們?cè)谙潴w內(nèi)安裝發(fā)熱裝置，當(dāng)傳動(dòng)軸凍住電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)的情況下，啟動(dòng)加熱，由于整個(gè)箱體都是金屬結(jié)構(gòu)傳熱性能好，通過此方法可以使設(shè)備解凍。

2.2 設(shè)備的保養(yǎng)

屋頂除雪裝置的工作環(huán)境較為惡劣，長期固定在屋頂上，需要定期保養(yǎng)確保其在下雪后能正常工作，除雪裝置的維護(hù)與保養(yǎng)要求如下：夏天天氣炎熱，屋頂溫度較高，除雪裝置長時(shí)間在太陽下暴曬會(huì)加快內(nèi)部結(jié)構(gòu)的老化，建議在雪季之前將除雪裝置安裝于屋頂，雪季過了就將其拆卸放置，由于采用模塊化設(shè)計(jì)，安裝拆卸較為便利；長期使用會(huì)使塑料布破損、牽引繩索松動(dòng)進(jìn)而影響除雪效果，應(yīng)根據(jù)使用要求定期更換塑料布及進(jìn)行繩索緊固；定期檢查除雪裝置各部分的工作狀況，檢查零件是否松動(dòng)，并對(duì)連接螺栓施加一定的預(yù)緊力。

3.結(jié)論

本設(shè)計(jì)提供的屋頂除雪裝置，不僅能減少了人們通過手持器具進(jìn)行除雪的體力消耗，而且能夠更加省時(shí)省心。采用組合設(shè)計(jì)不但可以使拆卸組裝自由便利，還能自動(dòng)分析預(yù)測(cè)掃雪時(shí)間，更容易控制掃雪作業(yè)精度，大大提高工作效率。該屋頂自動(dòng)除雪裝置具有如下特點(diǎn)：一是除雪效率高。在積雪堆積一定量后啟動(dòng)除雪裝置，可實(shí)現(xiàn)一次性大面積除雪，相比人工除雪省時(shí)又省力。低能耗。通過2個(gè)減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)動(dòng)力線輪正反轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)滑塊做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，滑塊運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期就可以進(jìn)行一次有效除雪，相比在屋頂上安裝電熱設(shè)備來融雪，產(chǎn)生能耗較少。二是智能化。在除雪裝置上安裝壓力傳感器，通過傳感器感知雪的重量超過設(shè)定值后，機(jī)器開啟進(jìn)行自動(dòng)除雪，避免因積雪結(jié)冰給除雪帶來困難。模塊組合，便于拆裝。由于該除雪裝置是用于整片屋頂?shù)某?，所以結(jié)構(gòu)不宜過大，整體結(jié)構(gòu)采用模塊化組合設(shè)計(jì)，給搬運(yùn)和拆裝帶來便利。