王鐵慶 ，郭映江

（西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院，陜西 咸陽 712100）

0 引言

冬季降雪后，道路積雪經(jīng)過踩踏或車輛碾壓后形成冰雪層，會嚴(yán)重危害道路交通安全。對于居民小區(qū)、學(xué)校校園等環(huán)境內(nèi)部道路，如果采用人工清理路面冰雪，不但費工費力，效果還不好，而如果經(jīng)常使用除雪劑，則會給人和周圍環(huán)境帶來一定危害。此外，受多種因素的制約，該環(huán)境道路除冰雪也不太適合采用大型專用除雪車輛。

近年來，人們對小區(qū)環(huán)境道路除冰雪機(jī)械進(jìn)行了一些相關(guān)研究和設(shè)計。李艷龍等[1]設(shè)計了一種小型離心式拋雪機(jī)，具有除雪功能，但不適合除冰作業(yè)。馮寧等[2]研制了一種小型冰雪路面除冰機(jī)，可用于清除路面結(jié)冰，但是不能獨立行走，需要與通用的工程機(jī)械連接使用。牟艷秋等[3]設(shè)計了一種柴油機(jī)驅(qū)動的小型破冰除雪機(jī)，以柴油機(jī)作為動力源，存在噪聲較大、有廢氣排放等缺點。李曉建等[4]設(shè)計了一種清雪除冰機(jī)，采用汽油發(fā)動機(jī)作為動力源，適用于市政環(huán)衛(wèi)道路、高速公路、機(jī)場等場所的積雪清掃工作。馬東輝等[5]設(shè)計了一種安裝在三輪車上可拆卸的掃雪裝置，使三輪車同時具備了掃雪和裝載的功能，當(dāng)不需要除雪時，掃雪裝置可懸掛在車架上或者拆下。孫海朋[6]為解決城市內(nèi)部的小巷小道、住宅小區(qū)等場所的除冰問題，設(shè)計了一種小型除冰機(jī)，采用柴油機(jī)作為動力機(jī)，噪聲較大且有廢氣排放。呂書棟等[7]設(shè)計了一種路面除冰裝置，先通過除冰碾壓輥和碎冰清掃板對路面冰層進(jìn)行破碎，再噴灑除冰劑以防止二次結(jié)冰。劉倍貝[8]設(shè)計了一種路面仿人工除冰車，能模仿人工手持鑿鏟，靠臂力提鏟再加速向下鑿冰的動作替代人力清除結(jié)冰層或硬雪層。郎超男等[9]進(jìn)行了健身車與洗衣機(jī)的組合設(shè)計，利用人健身時產(chǎn)生的運轉(zhuǎn)動能為洗衣機(jī)提供能量。吳昌松等[10]設(shè)計了一款手腳并用的多搖桿驅(qū)動機(jī)構(gòu)的健身洗衣機(jī)，通過腳踏和手搖帶動滾筒轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)洗衣功能。

基于功能組合創(chuàng)新的原理，針對學(xué)校校園、居民小區(qū)等環(huán)境道路冬季除冰雪的問題，同時考慮人們冬季健身的需求，研究小組設(shè)計了一種健身式路面除冰雪機(jī)械裝置，將除冰雪工作與冬季健身運動結(jié)合起來，具有噪聲小、無廢氣排放等特點。

1 總體設(shè)計方案與工作原理

健身式路面除冰雪機(jī)械裝置原理圖如圖1所示，其主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)和底盤行駛機(jī)構(gòu)組成。其中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括熱鼓風(fēng)機(jī)4、振動碾壓輥5、鑿冰輪7、集雪鏟8和激振器12；傳動機(jī)構(gòu)主要是鏈傳動Ⅰ和Ⅱ；底盤行駛機(jī)構(gòu)主要包括前叉1、前輪2、后輪6、機(jī)架9和電瓶11等。

圖1 健身式路面除冰雪機(jī)械裝置原理圖

該機(jī)械裝置對路面冰雪的清除工作由以下4種工藝完成：首先，用熱鼓風(fēng)機(jī)4對冰雪路面進(jìn)行加熱預(yù)處理，以減小壓實冰雪的密度和強(qiáng)度；其次，振動碾壓輥5在激振器12的作用下對冰雪進(jìn)行預(yù)破碎，使冰雪層的聯(lián)接強(qiáng)度進(jìn)一步降低甚至松散；再次，利用鑿冰輪7對冰雪層進(jìn)行鑿削，以使冰雪層與路面徹底分離；最后，利用集雪鏟8收集路面殘碎冰雪并歸集到路邊。

電瓶11為熱鼓風(fēng)機(jī)4和激振器12提供能量。機(jī)架和車輪、前叉等結(jié)構(gòu)類似于腳踏式三輪車，工作時操作者坐在座椅上面騎乘，一部分腳踏能量通過鏈傳動Ⅰ驅(qū)動后輪前進(jìn)，另一部分能量通過鏈傳動Ⅱ驅(qū)動鑿冰輪7旋轉(zhuǎn)工作，這樣就將除冰雪工作與腳踏車健身運動結(jié)合了起來。

2 熱鼓風(fēng)機(jī)和電瓶的選配

熱鼓風(fēng)機(jī)選擇某直流鼓風(fēng)機(jī)，額定功率500 W，加熱空氣溫度范圍60 ℃~600 ℃，出風(fēng)量300 L/min~600 L/min。熱風(fēng)機(jī)出風(fēng)后，經(jīng)過離地間隔約10 mm的鼓風(fēng)筒擴(kuò)散，作用于路面冰雪層。直流電瓶用于給熱鼓風(fēng)機(jī)及激振器提供電能，電瓶容量60 Ah。

3 振動碾壓輥機(jī)構(gòu)設(shè)計

振動碾壓輥機(jī)構(gòu)主要由彈簧1、門型支架2、碾壓輥3和激振器4組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了增強(qiáng)沖擊效果，碾壓輥的外形仿照羊角碾的結(jié)構(gòu)，做成外凸塊狀，材料選擇耐磨性較強(qiáng)的球墨鑄鐵QT400。碾壓輥總長Ln=760 mm，外徑Dn=170 mm，內(nèi)徑dn=140 mm。激振器的最大激振力200 N，最大振幅±10 mm，激振頻率50 Hz，安裝在門型支架上部。碾壓輥安裝在門型支架下端，依靠彈簧復(fù)位。工作時，激振器帶動門型支架及碾壓輥高頻低幅振動，對地面冰雪進(jìn)行預(yù)破碎。

圖2 振動碾壓輥機(jī)構(gòu)

4 鑿冰輪設(shè)計

鑿冰輪采用與參考文獻(xiàn)[2]中類似的結(jié)構(gòu)，單個鑿冰輪由可換錘頭、錘柄、中心架和彈簧組成，再整排安裝在軸上，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。除冰雪裝置前進(jìn)時，鑿冰輪不停地旋轉(zhuǎn)，對地面冰雪層產(chǎn)生鑿削作用，彈簧在作業(yè)過程中起到緩沖作用。根據(jù)可換錘頭的工作狀況，其材料選用硬度較大、耐磨性強(qiáng)的工具鋼材料W18Cr4V。

圖3 鑿冰輪整排安裝結(jié)構(gòu)

5 機(jī)架與前叉設(shè)計

機(jī)架與前叉是健身式路面除冰雪機(jī)械裝置的重要結(jié)構(gòu)部件，起支撐各執(zhí)行部件、傳動部件和其他輔助部件的作用。由于健身式路面除冰雪機(jī)械裝置由人力腳踏驅(qū)動，而鋁合金材料有密度小、耐腐蝕性高等優(yōu)點，所以機(jī)架和前叉結(jié)構(gòu)選擇了6063鋁合金型材制造。設(shè)計的機(jī)架結(jié)構(gòu)和前叉結(jié)構(gòu)分別如圖4和圖5所示。

圖4 機(jī)架結(jié)構(gòu)

圖5 前叉結(jié)構(gòu)

6 車輪設(shè)計

健身式路面除冰雪機(jī)械裝置行駛在壓實冰雪路面上，對防滑的要求高，為此，將兩個驅(qū)動后輪設(shè)計為剛性防滑輪，采用對稱斜橫向紋理，同時適當(dāng)加寬輪面，以增大接地面積，提高防滑能力。為保證轉(zhuǎn)向的靈活性，前輪采用常規(guī)的自行車車輪。前輪和后輪結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 前輪和后輪結(jié)構(gòu)

7 整機(jī)裝配設(shè)計

在前面設(shè)計的各組成部件的基礎(chǔ)上，對除冰雪機(jī)械裝置進(jìn)行整機(jī)裝配設(shè)計，無機(jī)殼整機(jī)裝配圖如圖7所示。為了增強(qiáng)安全防護(hù)性并滿足外形美觀的需要，進(jìn)一步設(shè)計加裝了健身式路面除冰雪機(jī)械裝置的機(jī)殼，如圖8所示。另外，為了更加節(jié)能環(huán)保，在外殼頂部加裝了太陽能板，在陽光下可將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，并存儲于該機(jī)械裝置的電瓶中。

圖7 整機(jī)裝配圖（無機(jī)殼）

圖8 加裝機(jī)殼和太陽能板后的整機(jī)外觀圖

8 機(jī)架和前叉靜力學(xué)有限元分析

機(jī)架作為整機(jī)安裝和支撐的載體，所受載荷較大，且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，因此應(yīng)用SoldWorks Simulation軟件對其進(jìn)行了靜應(yīng)力有限元分析。在僅考慮整機(jī)靜載重量的情況下，靜應(yīng)力分析結(jié)果的應(yīng)力云圖如圖9所示。結(jié)果顯示，在靜載下，機(jī)架的最大彎曲應(yīng)力為3.35 MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用彎曲應(yīng)力220 MPa，滿足強(qiáng)度要求。另外，前叉部件所受載荷也較大，對其也進(jìn)行了靜應(yīng)力分析，其應(yīng)力云圖如圖10所示。分析結(jié)果顯示，前叉部件最大彎曲應(yīng)力為115 MPa，小于材料的許用彎曲應(yīng)力220 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

圖9 機(jī)架靜應(yīng)力云圖

圖10 前叉靜應(yīng)力云圖

9 結(jié)論

基于冬季健身運動和小區(qū)路面除冰雪工作相結(jié)合的原理，研究小組設(shè)計了一種健身式路面除冰雪機(jī)械裝置，適合學(xué)校校園、居民小區(qū)等場所的內(nèi)部道路使用，在健身運動的同時，利用機(jī)械化優(yōu)勢解決路面除冰雪難題。在動力方面，該裝置可使用健身運動能量和太陽能，噪聲小，無廢氣排放，環(huán)保性能良好。

該機(jī)械裝置還有助于培養(yǎng)人們的健身意識和參加公益活動的意識。將腳踏健身運動結(jié)合到路面除冰雪工作中，人們在鍛煉身體的同時進(jìn)行公益除冰雪工作，增強(qiáng)了除冰雪工作的娛樂性和公益性。此外，做進(jìn)一步研究設(shè)想，后續(xù)可進(jìn)行該機(jī)械裝置的輕量化和騎行舒適性等方面的優(yōu)化設(shè)計。