馬 杰

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

在我國(guó)北方地區(qū)，每年都有3～5 個(gè)月的雪季，東北地區(qū)降雪更大、時(shí)間更長(zhǎng)?，F(xiàn)今的住房建筑等多為鋼筋混凝土澆筑或是金屬桁架結(jié)構(gòu)，但是北方農(nóng)村一些磚瓦土房，下雪后如果落雪不能及時(shí)得到清除，由于農(nóng)村自建房屋承重較差，有可能直接將房屋壓塌；對(duì)于鋼筋混凝土澆筑、金屬桁架結(jié)構(gòu)的房屋，則會(huì)因熱脹冷縮作用從而對(duì)房屋產(chǎn)生破壞，使鋼筋疲勞從而降低強(qiáng)度，若是積雪堆積過(guò)多，房屋建筑很可能承受不住積雪重量而導(dǎo)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(guó)對(duì)除雪機(jī)械的開發(fā)、生產(chǎn)都比較晚，因此還處于起步階段。目前，我國(guó)的城市道路、公路和房屋建筑冬季除雪大部分仍沿用傳統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)方式，常見的如人工撒鹽方式或人工和小型除雪設(shè)備相結(jié)合的形式進(jìn)行積雪清除。高速公路和一級(jí)公路已經(jīng)開始使用大型專用除雪機(jī)械，在冬季對(duì)公路進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。但是，除雪設(shè)備在數(shù)量和品種、規(guī)格上還很少，并且除雪裝置大部分依賴進(jìn)口。機(jī)械化、智能化等總體水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。且目前學(xué)者關(guān)于道路除雪機(jī)的研究較多，對(duì)于屋頂除雪機(jī)的研究較少。龔可祎，謝靜楊等設(shè)計(jì)了一種基于inventor 和慧魚創(chuàng)意組件實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)和模型搭建的雙向絞龍屋頂冰雪清除機(jī)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。何龍，潘江如等人設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)除雪機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)路線規(guī)劃和導(dǎo)航除雪,但不適用于屋頂積雪清除。

目前在國(guó)內(nèi)，針對(duì)屋頂積雪的清除通過(guò)人工手動(dòng)直接除雪的方式為主，這種除雪方式耗時(shí)耗力并且危險(xiǎn)系數(shù)又高，特別是冬季夜晚突發(fā)暴雪的情況下，很容易對(duì)建筑物造成破壞，因此設(shè)計(jì)一款屋頂智能除雪機(jī)迫在眉睫。

1 除雪機(jī)整體原理

機(jī)械法是通過(guò)機(jī)械裝置在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中直接作用，清除落雪消除積雪可能帶來(lái)的危害。雖然這種積雪方式對(duì)積雪的清除效率較低，但是對(duì)環(huán)境和植被無(wú)任何其他附加影響，直接將落雪轉(zhuǎn)移或是運(yùn)送到需要的地方，進(jìn)行回收利用，應(yīng)用范圍比較廣。因此，本文認(rèn)為：機(jī)械除雪法是未來(lái)除雪的發(fā)展趨勢(shì)，適用于各個(gè)領(lǐng)域、不同規(guī)格的除雪機(jī)器會(huì)不斷涌現(xiàn)出來(lái)，不斷豐富除雪機(jī)械這個(gè)大家族。

基于以上背景分析，本文設(shè)計(jì)一種智能屋頂自動(dòng)除雪機(jī)，采用機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行積雪清除，同時(shí)加入智能控制，無(wú)需人為控制啟停，設(shè)備直接自行檢測(cè)觸發(fā)，解放人力的同時(shí)提高工作效率。整個(gè)裝置由程序控制，在屋頂角落處設(shè)置一傳感器進(jìn)行積雪重量檢測(cè)，當(dāng)傳感器檢測(cè)到積雪達(dá)到一定重量時(shí)，智能控制電機(jī)啟停，程序觸發(fā)電機(jī)開始運(yùn)行，帶動(dòng)裝置對(duì)屋頂面上的積雪進(jìn)行清除，當(dāng)積雪減少時(shí)，電機(jī)自動(dòng)斷開停止工作。這樣可成功解放人力，采用機(jī)械化設(shè)備進(jìn)行除雪，并且即使晚上突發(fā)強(qiáng)降雪，也不必?fù)?dān)心屋頂積雪過(guò)多，對(duì)房屋造成破壞。

2 除雪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此屋頂自動(dòng)除雪裝置機(jī)械部分由兩大部分組成，除雪機(jī)構(gòu)及積雪輸送機(jī)構(gòu)。

（1）除雪機(jī)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。通過(guò)X 向、Y 向和Z 向電機(jī)配合驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)除雪板將積雪清除。整個(gè)裝置通過(guò)三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，中間通過(guò)光桿連接，傳動(dòng)單元采用帶傳送、輔助以導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)。

（2）積雪傳送裝置的設(shè)計(jì)。在屋頂外沿設(shè)置積雪傳送裝置，通過(guò)輸送帶機(jī)構(gòu)，將從屋頂清除的積雪運(yùn)走。

設(shè)備整體安裝圖如（圖1）。

圖1 裝配示意圖

2.1 除雪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次除雪模塊，通過(guò)X 向、Y 向和Z 向電機(jī)配合驅(qū)動(dòng)，整體采用皮帶傳動(dòng)配合導(dǎo)軌傳動(dòng)，除雪機(jī)構(gòu)采用刮刀模塊進(jìn)行積雪刮除。在刮板除雪過(guò)程中，考慮到受力及積雪量問(wèn)題，一個(gè)房屋平面分成4 列，一列一列清除。

X 向電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)光桿軸，帶動(dòng)兩端帶輪運(yùn)轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)刮刀系統(tǒng)沿X 向移動(dòng)，進(jìn)行房屋積雪的清除。本部分運(yùn)動(dòng)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(jī)主要與X 向配合移動(dòng)，在Y 向移動(dòng)，一列一列移動(dòng)，保證房屋整個(gè)平面的積雪清除。Z 向電機(jī)的設(shè)計(jì)，一方面是根據(jù)積雪厚度及當(dāng)?shù)亟笛┖窟M(jìn)行刮刀高度的調(diào)整，一方面是方便刮刀退回時(shí)的抬起。

整體結(jié)構(gòu)原理如（圖2）。Y 向整體結(jié)構(gòu)通過(guò)支撐板架接于X 向滑塊之上；Z 向升降機(jī)構(gòu)整體放置于Y 向?qū)к壣?；刮雪刀連接在Z 向裝置上。2 號(hào)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)光桿軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)帶輪帶動(dòng)導(dǎo)軌滑塊在X 向的移動(dòng)；進(jìn)而帶動(dòng)Y 向除雪機(jī)構(gòu)沿X 向移動(dòng)，進(jìn)行積雪的清除。3 號(hào)電機(jī)通過(guò)皮帶輪帶動(dòng)Z 向裝置整體沿Y 向移動(dòng)，配合X 向的除雪。1 號(hào)電機(jī)則控制Z 向裝置的升降。整個(gè)裝置的運(yùn)動(dòng)過(guò)程先沿X 向刮雪，后原路返回；在沿Y 向移動(dòng)一個(gè)刮刀寬度的距離，再沿X 向移動(dòng)除雪，直到完成整個(gè)屋頂平面積雪的清除。

圖2 除雪結(jié)構(gòu)原理圖

2.2 積雪傳送裝置設(shè)計(jì)

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(shè)置有積雪傳送機(jī)構(gòu)。刮刀清除的屋頂積雪推至傳送帶上，通過(guò)傳送帶將積雪運(yùn)送到固定位置。除此之外，加入了輸雪機(jī)構(gòu)X 向的移動(dòng)，保證在有落雪的時(shí)候傳送帶再?gòu)姆块艹鰜?lái)進(jìn)行積雪輸送工作，當(dāng)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(jié)構(gòu)原理圖如（圖3），整個(gè)裝置置于屋檐下方。整體由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)帶傳動(dòng)帶動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。四號(hào)電機(jī)通過(guò)同步輪及皮帶帶動(dòng)光桿軸的轉(zhuǎn)動(dòng)；在皮帶輪和同步輪的作用下，帶動(dòng)傳送帶沿X 向移動(dòng)。從而保證在下雪天的時(shí)候再將傳送帶移動(dòng)出來(lái)工作。5 號(hào)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器，帶動(dòng)齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)傳送帶沿Y 向移動(dòng)，進(jìn)行積雪的轉(zhuǎn)移。

圖3 積雪傳送裝置原理圖

3 控制部分設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)過(guò)程中采用重量傳感器進(jìn)行積雪量檢測(cè)，由一個(gè)51 單片機(jī)進(jìn)行控制，利用51 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確定位。通過(guò)一個(gè)單片機(jī)，控制不同電機(jī)的順序啟動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)屋頂除雪機(jī)整體的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)除雪和送雪運(yùn)動(dòng)。

將編制好的程序下載到控制板上，沒(méi)有降雪時(shí)整個(gè)裝置處于斷開狀態(tài)。一旦傳感器檢測(cè)到積雪到達(dá)初始設(shè)定量時(shí)，觸發(fā)單片機(jī)程序，啟動(dòng)電機(jī)開始運(yùn)行進(jìn)行除雪、送雪工作。當(dāng)檢測(cè)到積雪量減少時(shí)，程序斷開，電機(jī)停止工作。整個(gè)控制流程框圖如（圖4）。

圖4 控制流程圖

4 小結(jié)

此款智能屋頂除雪機(jī)，采用了積雪檢測(cè)模塊，有效實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的自動(dòng)化除雪；輸雪模塊可前后移動(dòng)，便于延長(zhǎng)傳送帶的使用壽命；采用單片機(jī)自動(dòng)控制，構(gòu)造簡(jiǎn)單，成本較低。同時(shí)采用同步帶傳動(dòng)，適用于大尺寸傳動(dòng)，是一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的除雪裝置，解放了人力，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)除雪。