趙紀(jì)卓 薛焱豐 萬宏強(qiáng) 李仁學(xué) 王祎喬

(西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

近年來，北方冬天會存在長降雪現(xiàn)象[1]，積雪的大量堆加會對房屋建筑造成損壞，甚至威脅居民安全，因此積雪的清理工作顯得尤為重要。目前積雪清理主要分為人工清掃和機(jī)械清掃[2]，人工除雪功效低，耗時(shí)長[3]，無法應(yīng)對持久長降雪，而且對工人的安全性無法得到保證，存在安全隱患[4]。機(jī)器除雪效率高，省時(shí)省力，可應(yīng)對長降雪持續(xù)工作，除雪機(jī)械向著小型化、多功能化、智能化方向發(fā)展。但市面上產(chǎn)品數(shù)量與性能差距較大，其效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前市場的需求。本文設(shè)計(jì)的平頂屋除雪裝置旨在解決北方長降雪人工難以清理問題，使用一種離心拋揚(yáng)[4-6]式除雪裝置，通過集雪裝置收集并通過刮雪板旋轉(zhuǎn)送入拋雪轉(zhuǎn)子室，利用拋雪轉(zhuǎn)子的離心力經(jīng)揚(yáng)雪筒拋出屋頂，拋雪作業(yè)由集雪裝置和拋雪裝置配合完成，通過換向器和槽輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整個裝置的間歇前進(jìn)和后退。

1 總體設(shè)計(jì)

該除雪裝置是一款既能集雪又能拋雪的間歇移動除雪裝置，其整體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示，由傳動裝置、集雪裝置、拋雪裝置和車體移動裝置組成。當(dāng)小車以間歇運(yùn)動向前推進(jìn)時(shí)，積雪不斷從前方的起雪鏟進(jìn)入集雪裝置，集雪裝置由刮雪板、推雪板和擋板組成，由于刮雪板的高速旋轉(zhuǎn)，使積雪通過刮雪板橫向位移并迅速集中于中部拋雪裝置的拋雪轉(zhuǎn)子室入口處，在轉(zhuǎn)子葉片高速旋轉(zhuǎn)同時(shí)積雪在葉片上獲得切線方向上的離心力，從而使雪被不斷沿著揚(yáng)雪筒拋到指定位置。該除雪裝置可高效除去屋頂積雪，結(jié)構(gòu)簡單且靈巧度高。

圖1 整體結(jié)構(gòu)簡圖

2 各裝置設(shè)計(jì)

2.1 傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

除雪裝置由車體和安裝在其上的電機(jī)、換向器、傳動裝置、集雪裝置以及拋雪裝置組成，拋雪裝置利用錐齒輪改變傳動方向完成轉(zhuǎn)動的拋雪轉(zhuǎn)子來實(shí)現(xiàn)拋雪功能，首先需要將屋頂上的積雪由集雪裝置進(jìn)行收攏，并由拋雪裝置將其拋出，選用電機(jī)作為動力源，經(jīng)傳動裝置為其他各裝置提供所需動力。

2.2 移動裝置設(shè)計(jì)

電機(jī)軸通過聯(lián)軸器與換向器的輸入軸進(jìn)行連接，外槽輪間歇機(jī)構(gòu)的撥盤與換向器的輸出軸連接，外槽輪間歇機(jī)構(gòu)的槽輪安裝在車體移動軸上，電機(jī)啟動時(shí)帶動車體移動軸，實(shí)現(xiàn)整個裝置前進(jìn)和后退。

2.2.1 換向器設(shè)計(jì)

換向器工作原理：換向器的設(shè)計(jì)中將惰輪和軸進(jìn)行組合形成惰輪軸，其中輸出軸上有一個齒輪與之相配合，該軸在設(shè)計(jì)為花鍵軸，通過滑動連接，在裝置工作過程中，通過人為撥動換向桿撥叉，該花鍵軸上的齒輪就會進(jìn)行左右移動，從而與輸出軸上的齒輪進(jìn)行嚙合，使整個裝置向前移動；當(dāng)換向桿撥動齒輪的時(shí)候，是花鍵軸上的齒輪與惰輪相嚙合，此外惰輪在換向器的一端與換向器輸出軸上的一個齒輪處于嚙合狀態(tài)。換向器的輸入軸花鍵軸上的齒輪會和惰輪嚙合，而惰輪又會與換向器的輸出軸上的齒輪嚙合，從而使整個裝置向后倒退。輸出軸上的齒輪一共有三種狀態(tài)，即嚙合狀態(tài)、脫離狀態(tài)和二次嚙合狀態(tài)，在這三種狀態(tài)中其輸入軸上的齒輪均為人為撥動。其三維結(jié)構(gòu)如圖2(a)、圖2(b)(去掉箱體)所示。

圖2 換向器三維裝配圖

2.2.2 車架設(shè)計(jì)

車架固定連接集雪裝置、拋雪裝置、電機(jī)、換向機(jī)構(gòu)以及扶把，起為整個裝置提供支撐和連接的作用。車架最前端安裝集雪裝置，而在車架的中間部位則是固定的電機(jī)機(jī)座和輔助器件鼓風(fēng)機(jī)，后部是安裝車體移動電機(jī)、換向器以及槽輪間歇機(jī)構(gòu)和車體移動傳動部分?？紤]到整體安裝的便捷性和實(shí)用性，整體車架的設(shè)計(jì)應(yīng)避免劃傷屋頂表面、具有輕便的結(jié)構(gòu)，其三維模型如圖3 所示。

圖3 車架三維模型

2.3 拋雪裝置設(shè)計(jì)

拋雪裝置的作用是將轉(zhuǎn)子室內(nèi)的積雪推送至揚(yáng)雪桶拋出，其工作原理是通過帶傳動將電機(jī)軸與錐齒輪軸相連，由錐齒輪來改變傳動方向，從而帶動拋雪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，來實(shí)現(xiàn)拋雪功能。拋雪裝置與集雪裝置的外殼通過卡扣固定和內(nèi)六角螺釘進(jìn)行連接。工作時(shí)，積雪隨著裝置向前移動和集雪裝置中的刮雪板自身旋轉(zhuǎn)和左右兩側(cè)的高速氣流吹動使積雪向中央聚攏，到達(dá)拋雪轉(zhuǎn)子室當(dāng)中，由于拋雪轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生內(nèi)外壓差、同時(shí)高速的旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子也會給雪一個離心力，以及車體的繼續(xù)前進(jìn)多重作用從而使進(jìn)入轉(zhuǎn)子室的積雪，沿轉(zhuǎn)子徑向葉片的頂端移動，并被推送到轉(zhuǎn)子室圓弧壁表面，隨轉(zhuǎn)子葉片作的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動使積雪沿著揚(yáng)雪筒被拋出。

2.4 集雪裝置設(shè)計(jì)

集雪裝置配置位于整個除雪裝置的前方，左右對稱，其作用是將屋頂表面上的積雪通過刮雪板并配合鼓風(fēng)機(jī)向中間收攏，收攏積雪會從集雪裝置中部經(jīng)刮雪板拋到后面的拋雪轉(zhuǎn)子室。集雪裝置由底部起雪鏟、刮雪板、軸承結(jié)構(gòu)、擋板及內(nèi)部的弧形推雪板組成，刮雪板是與擋板相對應(yīng)的橢圓形，安裝在擋板中形成半封閉，由電機(jī)經(jīng)帶傳動帶動刮雪板使其高速旋轉(zhuǎn)。刮雪板則是通過普通平鍵來和軸進(jìn)行配合，同時(shí)增加一個緊定螺釘保證其準(zhǔn)確定位，整個集雪裝置外殼由內(nèi)六角螺釘與拋雪裝置進(jìn)行固定，其三維模型如圖4 所示。

圖4 集雪裝置三維模型

當(dāng)整個除雪裝置在工作當(dāng)中，其集雪裝置中的刮雪板在旋轉(zhuǎn)中會因?yàn)檠┳陨淼恼承裕率寡ぴ诠窝┌宓膬蓚€葉片之間，隨著工作時(shí)間的增長，兩個葉片之間的積雪會累積的越來越多，從而使刮雪板的集雪效率大大降低，所以在該處增加一個風(fēng)機(jī)，通過風(fēng)機(jī)提供的高壓氣流經(jīng)橡膠軟管送出到達(dá)集雪裝置相對應(yīng)的進(jìn)風(fēng)口處，該機(jī)械裝置外殼處有預(yù)先設(shè)定好的進(jìn)風(fēng)口，其內(nèi)部對應(yīng)的正好是葉片的軸向方向。利用氣流在葉片間不斷地吹過，可以減少葉片間黏住的雪，保證在長時(shí)間的使用過程中，刮雪板保持高的工作效率。同時(shí)風(fēng)機(jī)提供的高壓氣流也會使進(jìn)入集雪裝置中的積雪沿著推雪板更高效地進(jìn)入到拋雪轉(zhuǎn)子室中，提高整個除雪裝置的除雪效率。

在工作時(shí)，除雪裝置移動的過程中會使樓頂表面的積雪，沿著起雪鏟進(jìn)入到集雪裝置中，在刮雪板在轉(zhuǎn)動的同時(shí)，對于起雪鏟向上移動的積雪進(jìn)行傳送，使積雪被傳送到后方與之相連的拋雪轉(zhuǎn)子室，同時(shí)在積雪裝置外殼的兩側(cè)，有著與之對應(yīng)的處進(jìn)氣孔，通過風(fēng)機(jī)經(jīng)橡膠管將高速氣流從進(jìn)氣孔通入，從而能很好的控制積雪進(jìn)入到后方的拋雪轉(zhuǎn)子室。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個用于平式屋頂?shù)某┭b置，該裝置通過前置的集雪裝置中的刮雪板和對應(yīng)的圓弧斜面在整個裝置自動向前移動的過程中來收集雪；以拋雪裝置的葉片高速轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)拋雪；通過電機(jī)控制換向器、間歇機(jī)構(gòu)和帶傳動來實(shí)現(xiàn)整個裝置的自動向前移動；利用SW 軟件進(jìn)行三維建模，對模型進(jìn)行草圖模擬設(shè)計(jì)以及零件的裝配，通過三維裝配草圖來確保該設(shè)計(jì)中各結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的合理性，滿足設(shè)計(jì)要求。