牛虎利 鄭帥杰 趙自更 張嘉鈺

摘 要：為了解決由積雪引起的彩鋼瓦屋頂坍塌現(xiàn)象，設(shè)計一種新型彩鋼瓦屋頂除雪機(jī)。提出了推移式除雪和隔熱保溫的總體設(shè)計方案，制定了除雪和隔熱保溫工藝路線，對除雪機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計、樣機(jī)測試和控制設(shè)計等。使用UG軟件對除雪機(jī)進(jìn)行三維建模;采用ANSYS Workbench對零件進(jìn)行有限元分析，檢驗(yàn)設(shè)計的合理性;采用西門子S-200 SMART PLC作為核心控制器，完成控制原理圖設(shè)計，及驅(qū)動裝置、人機(jī)交互設(shè)備和各類傳感器選型。結(jié)果表明，所設(shè)計的除雪機(jī)可以實(shí)現(xiàn)彩鋼瓦屋頂?shù)淖詣映?，與人工相比效率高、安全性高、操作方便，并無除雪不均的問題出現(xiàn)。除雪機(jī)的設(shè)計改變了傳統(tǒng)人工除雪方式，其結(jié)構(gòu)可靠、容易操作、效率較高，可為其他斜屋頂?shù)淖詣映┨峁┮环N新的解決方案。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計其他學(xué)科;彩鋼瓦;積雪;除雪機(jī);UG ;ANSYS Workbench

中圖分類號：TH12?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx03006

Design of a new type of snow remover for the color steel tile roof

NIU Huli，ZHENG Shuaijie，ZHAO Zigeng，ZHANG Jiayu

（College of Mechanical Engineering，Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang，Hebei 050018，China）

Abstract：In order to solve the collapse of color steel tile roof caused by snow accumulation，a new type of color steel tile roof snow remover was designed.The overall design scheme for sliding snow removal and thermal insulation was put forward，the snow removal and thermal insulation process route was formulated，and the structure design，prototype test and control design of the snow remover were carried out.UG software was used to carry out three-dimensional modeling of the snow remover.ANSYS Workbench was used to perform finite element analysis on the parts to check the rationality of the design.Siemens S-200 SMART PLC was used as the core controller to complete the design of the control schematic diagram，and the selection of driving devices，human-computer interaction equipment and various sensors.The results show that the designed snow remover can realize automatic snow removal of the color steel tile roof，which is more efficient，safer and easier to operate than manual operation，and there is no uneven snow removal problem.The design of the snow remover has changed the traditional manual snow removal method，and its structure is reliable，easy to operate，and highly efficient.It can provide a new solution for the automatic snow removal of other inclined roofs.

Keywords：

mechanical design of other disciplines;color steel tile;snow accumulation;snow remover;UG;ANSYS Workbench

暴雪作為冬春季最重要?dú)庀鬄?zāi)害之一[1]，對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大影響，積雪重量過大，極容易造成房屋倒塌的事故發(fā)生。同時冰雪融化時，在房檐結(jié)成冰錐，危及行人安全。屋頂除雪使用撒鹽、融雪劑等[2-4]方法，效果均不明顯。目前常用的有效措施是使用鏟子除雪，但鏟子尖銳部分具有損壞屋面的保護(hù)膜，從而降低屋面使用壽命。對于斜屋頂（斜頂棚）的除雪工作而言，人工攀爬除雪，不但費(fèi)時費(fèi)力，還具有極大的危險性。如圖1所示。

趙麗麗[5]研制了推掃一體式散雪除雪機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本低廉的優(yōu)勢，滿足不同地區(qū)的除雪需要。孫玉鳳等[6]在分析國內(nèi)外除雪機(jī)原理的基礎(chǔ)上，提出了一種拋揚(yáng)式除雪機(jī)動力系統(tǒng)設(shè)計方案，集成了切削、集中、推移和拋投等多種功能。郝志勇等[7]為解決屋面積雪壓塌溫室問題，設(shè)計了一種新型溫室除雪機(jī)，該設(shè)備驅(qū)動簡單、除雪效率高、便于安裝。在此基礎(chǔ)上，本文借鑒類似除雪設(shè)備的結(jié)構(gòu)和除雪方式，設(shè)計了一種新型彩鋼瓦屋頂除雪機(jī)，解決了斜屋頂除雪作業(yè)中存在的費(fèi)時費(fèi)力、安全隱患等問題，可為彩鋼瓦屋頂提供一種高效、低成本的除雪設(shè)備[8]。

1 彩鋼瓦屋頂除雪機(jī)方案設(shè)計

1.1 工作原理

新型彩鋼瓦屋頂除雪機(jī)采用推移式除雪，除凈率較高[9-10]。在工作中，通過電機(jī)正反轉(zhuǎn)帶動繩索實(shí)現(xiàn)除雪機(jī)構(gòu)升降，清理屋頂積雪。保溫隔熱性能對室內(nèi)居住起至關(guān)重要的作用[11]，因此除雪設(shè)備還增添了保溫功能。在無雪天氣，利用保溫機(jī)構(gòu)將保溫層覆蓋屋頂，起到冬暖夏涼效果。由于除雪機(jī)在彩鋼瓦屋頂上作業(yè)，對其有明確要求，具體設(shè)計要求如下：1）能在彩鋼瓦屋頂上正常行走;2）能將屋頂積雪清理干凈;3）可自動化式完成除雪作業(yè)。

1.2 設(shè)計要求

能夠穩(wěn)定地完成不同時間段除雪工作，實(shí)現(xiàn)接收降雪信號的精準(zhǔn)控制;保證除雪率高、移動方便、穩(wěn)定性好;同時增加保溫裝置，保證冬暖夏涼的效果。具體參數(shù)要求如表1所示。

1.3 工藝方法和結(jié)構(gòu)組成

全天隨時工作，無雪天氣，啟動電機(jī)驅(qū)動繩索使保溫層鋪展開來;降雪天氣，設(shè)備接收到指令收起保溫層，根據(jù)積雪達(dá)到20 cm厚度啟動電機(jī)驅(qū)動繩索進(jìn)行除雪，具體組成部分如圖2所示。

2 理論計算和控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖3所示，按照民房尺寸設(shè)計，除雪機(jī)采用拼接式安裝。除雪機(jī)由除雪機(jī)構(gòu)、滑輪組機(jī)構(gòu)、保溫機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成。其中驅(qū)動機(jī)構(gòu)由固設(shè)于屋體墻壁上的電機(jī)組成，滑輪組機(jī)構(gòu)由安裝于彩鋼瓦屋頂?shù)幕啞⒌?牽引繩以及第2牽引繩組成。通過電機(jī)的正轉(zhuǎn)，電機(jī)的輸出軸卷繞牽引第1牽引繩[12]，帶動除雪機(jī)構(gòu)和保溫機(jī)構(gòu)在彩鋼瓦屋頂向上滑動;通過電機(jī)的反轉(zhuǎn)，電機(jī)的輸出軸卷繞牽引第2牽引繩，帶動除雪機(jī)構(gòu)和保溫機(jī)構(gòu)在彩鋼瓦屋頂向下滑動。

如圖4所示，除雪機(jī)構(gòu)由雪鏟、鋁型材支架、導(dǎo)軌、滑塊、回轉(zhuǎn)軸承組成。鏟雪部分采用拼接型犁式雪鏟[13]，每個雪鏟依據(jù)角件安裝于鋁型材支架上，可調(diào)整雪鏟在鋁型材支架上的位置;導(dǎo)軌依據(jù)彩鋼瓦屋頂?shù)膬A斜角度傾斜安裝于屋頂上;滑塊滑動設(shè)置于所述導(dǎo)軌上;回轉(zhuǎn)軸承增加了除雪機(jī)構(gòu)自由度，解決除雪過程卡頓問題，設(shè)置于所述滑塊上，并與鋁型材支架連接。

如圖5所示，保溫機(jī)構(gòu)采用卷筒式保溫層[14]。保溫機(jī)構(gòu)由保溫層、特制軸承座、小鋼管組成。保溫棉卷的一端與輥?zhàn)酉噙B，保溫棉卷的另一端與鋁型材支架的一端相連。保溫棉卷繞過小鋼管保持屋面貼合。在除雪機(jī)構(gòu)位于彩鋼瓦屋頂?shù)南卵貢r，依靠重物的重力將保溫棉卷牽引平鋪于斜屋頂?shù)纳喜俊?/p>

2.2 運(yùn)動分析

雪鏟接觸面與彩鋼瓦屋面緊密相連，利用電機(jī)提供動力推動雪鏟將浮雪從彩鋼瓦屋面清除。因此，對彩鋼瓦屋面除雪機(jī)的摩擦系數(shù)、浮雪密度、浮雪厚度、作業(yè)速度等因素進(jìn)行分析與計算。

1）下行階段

要滿足的條件：鋼絲繩拉力F1與屋頂所受壓力G要大于下行階段摩擦力f與保溫裝置拉力F2，圖6為下行階段受力示意圖。

分析執(zhí)行機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)下行運(yùn)動，滿足以下關(guān)系：

F1+Gcos θ>F2+f，

其中：

G=g（M1+M2），f=μGsin θ，F(xiàn)2=gM3，

式中：g為重力加速度（m/s2）;M1為執(zhí)行機(jī)構(gòu)質(zhì)量（kg）;M2為積雪質(zhì)量（kg）;μ為摩擦系數(shù);θ為屋頂夾角（°）;M3為保溫機(jī)構(gòu)重物質(zhì)量（kg）。

轉(zhuǎn)矩T1計算：

T1=F1D2，

式中D為轉(zhuǎn)軸直徑（m）。

2）上行階段

要滿足的條件：鋼絲繩拉力F1與保溫裝置拉力F2要大于上行階段摩擦力f與屋頂所受壓力G，圖7為下行階段受力示意圖。

分析執(zhí)行機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)下行運(yùn)動，滿足以下關(guān)系：

F1+F2>Gcos θ+f，

其中：

G=gM1，f=μGsin θ，F(xiàn)2=gM3，

式中：g為重力加速度（m/s2）;M1為執(zhí)行機(jī)構(gòu)質(zhì)量（kg）;μ為摩擦系數(shù);θ為屋頂夾角（°）;M3為保溫機(jī)構(gòu)重物質(zhì)量（kg）。

轉(zhuǎn)矩T2計算：

T2=F1D2，

式中D為轉(zhuǎn)軸直徑（m）。

根據(jù)以上分析與實(shí)際條件相結(jié)合，確定各式中變量為g=9.8 m/s2，μ=1.4，θ=60°，M1=15 kg，M2=6 kg，M3=5 kg，D=0.03 m。

根據(jù)以上參數(shù)和給出的公式，分別計算出下行階段和上行階段轉(zhuǎn)矩：T1=2.94 N/m，T2=3.05 N/m。

2.3 雪鏟支撐架選型與校核

考慮到雪鏟等零件需要支撐結(jié)構(gòu)，綜合因素選用鋁型材作為支架。通過鋁型材手冊選用GB4040型號鋁型材。目前，對仿真模型進(jìn)行靜態(tài)有限元分析的軟件中ANSYS具有較高的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性[15]，利用ANSYS Workbench對鋁型材支架進(jìn)行校核分析，網(wǎng)格劃分，雪鏟支撐架整體變形、應(yīng)力圖如圖8和圖9所示。

由圖8可知，鋁型材支架最大變形發(fā)生在中間位置，最大變形量為0.019 619 mm，遠(yuǎn)小于允許最大變形量1 mm，滿足設(shè)計要求。

由圖9可知，鋁型材支架最大應(yīng)力發(fā)生在兩端，最大應(yīng)力為2.361 1 MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力180 MPa，滿足設(shè)計要求。

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計

屋頂自動除雪機(jī)控制系統(tǒng)由可編程邏輯控制器（PLC）、人機(jī)交互界面（HMI）、電機(jī)驅(qū)動器、電機(jī)、各類傳感器等部分組成?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示，利用計算機(jī)編寫好程序后下載至PLC，PLC給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器脈沖信號控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，完成除雪動作。PLC通過讀取行程開關(guān)信號對雪鏟的運(yùn)動位置進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)雪鏟超出行程時，PLC獲取超程信號，發(fā)出停止電機(jī)信號。同時PLC將電機(jī)運(yùn)動信息反饋至人機(jī)交互界面，通過人機(jī)界面上顯示雪鏟的位置及當(dāng)前除雪工作的任務(wù)進(jìn)度。

2.4.1 控制系統(tǒng)硬件選型及接線原理

根據(jù)除雪機(jī)工作原理、控制系統(tǒng)方案及所要實(shí)現(xiàn)的動作和必要信息的讀寫，并考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)處理能力及程序編寫的難易程度，采用PLC作為核心控制，并進(jìn)行其余控制系統(tǒng)硬件選型，如表2所示。

其電氣接線原理如圖11所示，主要是以PLC 的接線為主，根據(jù)本系統(tǒng)需要控制一個步進(jìn)電機(jī)及需要的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，采用一個PLC進(jìn)行控制?？刂苹芈凡捎?4 V電源供電，其中信號輸入端I0.1，I0.2接口處的S1，S2為除雪電機(jī)正負(fù)限位開關(guān)，I0.3，I0.4接口處的S3，S4為除雪電機(jī)行程開關(guān)，I0.5處的EBO1為急停按鈕;信號輸出端Q0.0，Q0.2，Q0.4接口處的101，102，103為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器輸入端口，Q0.6接口處為系統(tǒng)警報指示燈。

2.4.2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計

自動除雪機(jī)通過PLC讀取工作人員所輸入人機(jī)交互界面的數(shù)據(jù)進(jìn)行除雪運(yùn)動，數(shù)據(jù)包括掃雪運(yùn)動間隔，任務(wù)開始時間及任務(wù)結(jié)束時間。利用限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)自動切換，利用行程開關(guān)保證除雪機(jī)安全工作?？刂葡到y(tǒng)工作流程如圖12所示。

如上述控制流程圖，屋頂除雪機(jī)上電啟動后，系統(tǒng)首先進(jìn)行參數(shù)初始化，并執(zhí)行回零動作，其次進(jìn)行工作參數(shù)設(shè)置，共包括兩種工作模式：一是設(shè)置除雪時間間隔t及除雪次數(shù)X，即為執(zhí)行除雪次數(shù)遞減程序，當(dāng)PLC判斷除雪次數(shù)X<0時，當(dāng)前任務(wù)停止;二是設(shè)置除雪時間間隔t、任務(wù)開始時間T1及任務(wù)開始時間T2，即執(zhí)行時間進(jìn)程除雪程序，當(dāng)PLC判斷當(dāng)前時間T>T2時，當(dāng)前任務(wù)停止。在整個工作過程中若除雪裝置觸碰兩端行程開關(guān)，則停止運(yùn)行，并啟動報警指示燈。

3 實(shí)驗(yàn)效果驗(yàn)證

民房（彩鋼瓦房屋）結(jié)構(gòu)大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不易記錄。本樣機(jī)實(shí)驗(yàn)采用小型彩鋼瓦房屋進(jìn)行除雪機(jī)平臺搭建，如圖13所示。

同時也進(jìn)行了除雪模擬實(shí)驗(yàn)，如圖14和圖15所示。除雪實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

通過表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，一次除雪過程所用時間平均約為25.548 s，下行階段用時平均約為10.218 s，上行階段用時平均約為15.33 s，除雪前積雪標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量為15 kg，除雪后回收除掉的積雪和小部分融水質(zhì)量平均為14.14 kg，除雪率約為94.27%。實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)非常好，本除雪機(jī)設(shè)計可行。

在彩鋼瓦屋頂除雪時，人工由于操作困難，一次工作時長約為1 h，通常上午和下午各1次除雪;而除雪機(jī)一次工作時長約為25.548 s，可以進(jìn)行24 h作業(yè)，綜合對比除雪機(jī)的效率高、操作方便、安全性高。

4 結(jié) 語

本文對積雪引起彩鋼瓦房屋坍塌現(xiàn)狀，設(shè)計了一種新型彩鋼瓦屋頂除雪機(jī)，該除雪機(jī)面對暴雪天氣可以及時自動清理屋頂?shù)姆e雪，從而避免了積雪對房屋的破環(huán)，解決了傳統(tǒng)人工除雪的危險度高、效率低以及夜間除雪局限性等問題，同時該除雪機(jī)增加了保溫功能，保證了室內(nèi)保溫隔熱的功能。

1）完成了新型彩鋼瓦屋頂除雪機(jī)的整體設(shè)計。通過技術(shù)需求制定了該除雪機(jī)的工藝方法，制定了除雪機(jī)構(gòu)、滑輪組機(jī)構(gòu)、保溫機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)，同時繪制了整體除雪機(jī)的結(jié)構(gòu)模型和控制系統(tǒng)。對該除雪機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵零部件進(jìn)行了理論設(shè)計計算以及有限元分析。新型彩鋼瓦屋頂除雪機(jī)的研究設(shè)計推動了除雪行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新，解決了傳統(tǒng)人工操作方式，實(shí)現(xiàn)了彩鋼瓦屋頂自動除雪。

2）增添了保溫功能，在無降雪天氣，將保溫層鋪展到屋面，可以很好地實(shí)現(xiàn)室內(nèi)保溫隔熱的功能。

3）通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)得出除雪率達(dá)到94.27%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的可行性且達(dá)到了實(shí)際使用效果。為除雪行業(yè)的發(fā)展提供了一個新的方向，具有良好的應(yīng)用價值意義。

但是本文中研究的除雪機(jī)還有不足，仍要繼續(xù)優(yōu)化改進(jìn)：

1）新型彩鋼瓦屋頂除雪機(jī)實(shí)現(xiàn)了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時對關(guān)鍵零部件進(jìn)行檢測以滿足使用要求，但是還要對文中未檢測的機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;

2）設(shè)計了控制系統(tǒng)，通過手動操作觸摸屏來除雪，還需要添加降雪檢測模塊，來完成自動檢測降雪并除雪;

3）在進(jìn)行樣機(jī)實(shí)驗(yàn)過程中，除雪功能達(dá)到了使用要求，還需要為暴露在外界的機(jī)械結(jié)構(gòu)增添保護(hù)殼，以延長使用壽命。

參考文獻(xiàn)/References：

[1] 陳鐵，陳愛玉，張樹民，等.南通地區(qū)強(qiáng)降雪和積雪深度預(yù)報研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2019，35（14）：109-114.

CHEN Tie，CHEN Aiyu，ZHANG Shumin，et al.Prediction of heavy snowfall and snow depth in Nantong[J].Chinese Agricultural Science Bulletin，2019，35（14）：109-114.

[2] 都一蕾，陳晴晴，阮舒婷，等.一種多功能除雪裝置[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50（24）：123.

[3] 譚憶秋，徐慧寧，張弛，等.除雪的老方法和新技術(shù)[J].中國公路，2018（3）：58-63.

[4] 張佳，張宇濤，肖萍，等.除雪機(jī)械現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機(jī)械工程師，2014（7）：31-32.

ZHANG Jia，ZHANG Yutao，XIAO Ping，et al.Status and development trend of snow remover equipment[J].Mechanical Engineer，2014（7）：31-32.

[5] 趙麗麗.推掃一體式散雪除雪機(jī)研制[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2015（14）：108.

[6] 孫玉鳳，介石磊.拋揚(yáng)式除雪機(jī)相關(guān)參數(shù)的設(shè)計[J].河南科技，2014（7）：146-147.

[7] 郝志勇，鄧作鵬，劉偉，等.新型溫室除雪機(jī)在農(nóng)業(yè)溫室中的應(yīng)用研究[J].黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012（1）：128-132.

HAO Zhiyong，DENG Zuopeng，LIU Wei，et al.Research on the application of new greenhouse snow blower in agricultural greenhouse[J].Heilongjiang Agricultural Sciences，2012（1）：128-132.

[8] 吳佳雋.掃雪機(jī)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（5）：224-226.

[9] 劉立斌，鄧金城，楊志，等.彩鋼廠房屋面光伏電站除雪機(jī)器人探討[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2018（32）：153-155.

[10]楊陽.除雪機(jī)組合除雪裝置的設(shè)計[D].大慶：東北石油大學(xué)，2012.

YANG Yang.The Design of the Combination Device of the Snow Blower[D].Daqing：Northeast Petroleum University，2012.

[11]董守凱，李嘉悅，喬美月.寒冷地區(qū)住宅建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)研究[J].綠色環(huán)保建材，2019（9）：43.

[12]李復(fù)懿，尹莉，鐘懿，等.纖維繩與鋼絲繩在起重機(jī)起升中的使用技術(shù)對比研究[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2018，31（10）：59-64.

LI Fuyi，YIN Li，ZHONG Yi，et al.Comparison of operation technology about fiber rope and wire rope for hoisting in the crane[J].Construction Machinery Technology & Management，2018，31（10）：59-64.

[13]崔鑫.犁式除雪機(jī)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2012.

CUI Xin.Research on Key Technologies for Snowplow Trucks Design[D].Zhengzhou：Zhengzhou University，2012.

[14]何高興.一種卷揚(yáng)裝置的卷筒軸設(shè)計改進(jìn)[J].機(jī)械工程師，2017（3）：113-114.

[15]陳紅霞，王超，郭陽陽，等.基于ANSYS/LS-DYNA的小型螺旋式除雪機(jī)拋雪葉片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].制造業(yè)自動化，2015，37（4）：98-101.

CHEN Hongxia，WANG Chao，GUO Yangyang，et al.Structure optimization of snow throwing blade of small spiral snowplow based on ANSYS/LS-DYNA[J].Manufacturing Automation，2015，37（4）：98-101.