摘 要：【目的】我國北方嚴寒地區(qū)屋檐下易形成冰棱，自然墜落的冰棱嚴重威脅行人安全，有必要設(shè)計一種除屋檐冰棱機來去除屋檐的冰棱，以提高行人在冬季出行的安全性，并期望能為面臨類似氣候問題的地區(qū)提供有效的安全防護方案?！痉椒ā渴紫龋O(shè)計一種除屋檐冰棱機，包括直線往復(fù)夾緊的除冰機構(gòu)、絲杠升降機構(gòu)、錐齒輪傳動機構(gòu)和激光測距控制系統(tǒng)。其次，以機構(gòu)的體積小、效率高和滑動率小為目標函數(shù)，優(yōu)化設(shè)計主傳動的錐齒輪機構(gòu)。最后，利用有限元分析主運動錐齒輪的強度?！窘Y(jié)果】在滿足邊界條件、齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲疲勞強度條件下，該除屋檐冰棱機的尺寸緊湊、傳動提高、傳動效率和壽命增加，優(yōu)化設(shè)計結(jié)果明顯?！窘Y(jié)論】該設(shè)計大大提升了工作效率、節(jié)省人力，有效地解決了冬季冰棱問題。同時其結(jié)構(gòu)簡單、自動化程度高、清潔環(huán)保，符合現(xiàn)代機械設(shè)計的工藝要求。

關(guān)鍵詞：升降機構(gòu)；除冰機構(gòu)；錐齒輪機構(gòu)；激光測距；ANSYS

中圖分類號：TH117.3 " "文獻標志碼：A " " 文章編號：1003-5168（2024）12-0050-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.12.010

Design and Optimization of Eaves Ice Edge Removal Machine

ZHU Xiaokang NIU Tianliang MENG Xiangcheng ZHANG Weile CHEN Yuxiang

CHEN Yuqing CHEN Zihao KONG Junchao

（College of Mechanical Engineering， Chaohu University， Hefei 238000，China）

Abstract： [Purposes] Ice edges are easily formed under the eaves in the cold regions of northern China， and naturally falling ice edges pose a serious threat to pedestrian safety. It is necessary to design a machine to remove the ice edges from the eaves， in order to improve pedestrian safety in winter and provide effective safety protection solutions for areas facing similar climate problems. [Methods] Firstly， a drive mechanism composed of a linear reciprocating deicing mechanism， a screw lifting mechanism， a bevel gear drive mechanism and a laser distance measuring control system is designed. Secondly， taking the small size， high efficiency and small slip rate of the mechanism as the objective function， the bevel gear mechanism of the main drive is optimized and designed. [Findings] The optimized design results are obvious when boundary conditions， tooth contact fatigue strength and bending fatigue strength are satisfied. These include compact dimensions， increased transmission efficiency and longer life. [Conclusions] It can also solve the problem of ice edges effectively in winter， meanwhile， improve the operation efficiency and save manpower greatly. Furthermore， the structure is simple， highly automated， clean and environmentally friendly， and conforms to the process requirements of modern mechanical design.

Keywords： lifting mechanism; deicing mechanism; "bevel gear mechanism; laser ranging; "ANSYS

0 引言

在我國北方嚴寒地區(qū)，冬季積雪融化時屋檐下時常出現(xiàn)冰棱，若放任這些冰棱不管，在冰棱的自然脫落過程中會對路過屋檐下的人們造成人身安全，嚴重者甚至會有生命威脅［1］。目前，我國還沒有采取相關(guān)的措施來處理屋檐冰棱自然脫落的問題，一般使用竹竿將屋檐冰棱擊落［2］。竹竿和消防除冰費時費力、效率低下，破碎的冰棱也會對清除冰棱工作人員的人身安全構(gòu)成威脅。因此采用合適的機械設(shè)備幫助除冰十分有必要。朱自成等［3］設(shè)計的路面復(fù)合除冰機包含鏟冰碎塊機構(gòu)、熱力水射流融冰系統(tǒng)和熱水霧及化學(xué)緩凝系統(tǒng)等，并優(yōu)化了噴嘴孔徑、射流壓力和噴嘴角度等使除冰效果更佳。魏書寧等［4］設(shè)計了高壓輸電除冰機器人的碾切式、沖擊式和銑削式等三種除冰機構(gòu)，實現(xiàn)了遠距離、長時間、快速且無損傷的高效除冰，進一步分析理論功率、切削力和實際試驗數(shù)值基本一致，說明設(shè)計合理高效。目前，國內(nèi)除冰機主要是用于輸電線除冰、道路除冰等［5］。機械式輸電線除冰技術(shù)除冰效率高、操作簡單，因此受到廣泛關(guān)注［6］。道路除冰技術(shù)的種類比較多，但和機械式輸電線除冰技術(shù)一樣都不適用于除去冰棱作業(yè)［7］。當前的除冰機種類過于單一，無法適用于各種不同的地形，因此有必要設(shè)計一種除屋檐冰棱機。本研究設(shè)計一種由除冰機構(gòu)、傳動機構(gòu)和激光測距控制部分組成的屋檐除冰棱機，并基于有限元模塊分析錐齒輪的應(yīng)力，以優(yōu)化設(shè)計主傳動的錐齒輪機構(gòu)。

1 工作原理

屋檐除冰機包括控制升降的絲杠機構(gòu)和主運動的不完全齒輪除冰機構(gòu)兩部分。除屋檐冰棱機的結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作原理如下：電動機驅(qū)動螺紋螺桿17使小錐齒輪16轉(zhuǎn)動，小錐齒輪與大錐齒輪15嚙合帶動傳動絲杠3旋轉(zhuǎn)，螺旋導(dǎo)桿帶動推力板4實現(xiàn)升降運動；當升降機構(gòu)調(diào)節(jié)到所需高度后，電機驅(qū)動不完全齒輪9轉(zhuǎn)動，與齒條框6相嚙合，使齒條沿滑軌8往復(fù)直線運動；推桿13左端與齒條相連，右端與除冰夾子12連接；推桿向右運動夾子松開，推桿向左運動夾子夾緊，實現(xiàn)夾冰運動，落下的冰棱由擋冰板14推送到抽屜5儲存。

2 除屋檐冰棱機的設(shè)計

2.1 螺旋傳動升降機構(gòu)

除屋檐冰棱機的升降機構(gòu)如圖2所示。手動驅(qū)動螺旋導(dǎo)桿轉(zhuǎn)動，將固連在導(dǎo)桿的小錐齒輪與大錐齒輪嚙合，帶動的機架的絲杠上下運動，最終實現(xiàn)整個機構(gòu)的升降運動。

2.2 除冰機構(gòu)

除冰機構(gòu)左右往復(fù)移動的機構(gòu)如圖3所示，由電動機、齒條組、不完全齒輪、滑軌、推桿、夾子、擋冰板、抽屜、連桿等組成。電機帶動不完全齒輪轉(zhuǎn)動，不完全齒輪與上齒條相嚙合帶動齒條在滑軌向右移動，上齒條帶動推桿向右移動而連桿支撐夾子打開。不完全齒輪與下齒條嚙合，則帶動齒條組在滑軌向左移動，齒條帶動推桿向左移動而連桿支撐閉合。一閉一合就能夠?qū)⑽蓍苌系谋鈯A斷，而斷裂的冰棱被擋冰板阻擋而滑進抽屜，降低安全隱患的發(fā)生率。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)設(shè)計如圖4所示。通過激光測距模塊，測得機器頂部與屋檐的距離，并通過iic傳輸?shù)?/p>

stm32f104開發(fā)板，開發(fā)板控制驅(qū)動板使步進電機上升到離屋檐合適的位置。通過激光測距模塊引腳定義，步進電機引腳定義，控制參數(shù)。設(shè)置步進電機每轉(zhuǎn)一圈的步數(shù)、步進電機的微步數(shù)、距離閾值。初始化函數(shù)，初始化GPIO引腳，激光測距模塊引腳配置為輸入模式，步進電機引腳配置為輸出模式，延時函數(shù)，控制步進電機速度，控制步進電機向前轉(zhuǎn)動一個微步。初始化系統(tǒng)后，控制步進電機移動到目標距離，讀取激光測距模塊的測量值，判斷距離是否達到目標距離。然后步進電機停止運動，控制步進電機向前轉(zhuǎn)動一個微步，程序結(jié)束。

3 主動傳動機構(gòu)的設(shè)計

3.1 設(shè)計變量

設(shè)計變量通常為大端模數(shù)m 、小齒輪齒數(shù)z1，齒寬系數(shù)ФR，所以設(shè)計變量為x=［m， z1， ФR］T ，通常模數(shù)m=［1.5，1.75，2，2.25，…，36，45］，小齒輪齒數(shù)z1=10～40，齒寬系數(shù)ФR=0.25～0.6。

3.2 主動傳動機構(gòu)優(yōu)化的目標函數(shù)

3.2.1 錐齒輪的體積。在滿足錐齒傳動機構(gòu)的齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲疲勞強度的情況下，錐齒傳動機構(gòu)的體積最小，結(jié)構(gòu)緊湊，可降低成本、節(jié)約材料。將錐齒輪的體積等效成頂圓與底圓之間的梯形臺體的體積，得到錐臺計算公式，見式（1）［9］。

[V=V1+V2=π3bcosδ1[（mz12）2+mz12（R-bR×mz12）+（R-bR×mz12）2]+π3bcosδ2[（mz22）2+mz22（R-bR×mz22）+（R-bR×mz22）2]] " "（1）

式中：齒寬b=ФR·R；錐齒輪副的錐距[R=mz12u2+1]；齒數(shù)比為[u=z2z1]；小錐齒輪的錐形角[δ1=arctansinθu+sinθ]；θ為錐齒輪的軸交角；大錐齒輪的錐形角δ2=90°-δ1。

3.2.2 錐齒輪的重合度和穩(wěn)定性系數(shù)。齒輪嚙合的重合度是兩個齒輪嚙合的平均齒數(shù)，用于衡量齒輪嚙合的傳動效率和運動平穩(wěn)性［10］，重合度和穩(wěn)定性系數(shù)的計算見式（2）、式（3）。

[εα=z1（tanαa1-tanα）+z2（tanαa2-tanα）2π] "（2）

[ξ=1εα] "（3）

式中：[z]1和[z]2分別為小、大錐齒輪齒數(shù)；αa1和αa2分別為小、大錐齒輪的齒頂圓壓力角；α'為嚙合角；ξ為穩(wěn)定性系數(shù)，為重合度系數(shù)的倒數(shù)。

3.2.3 錐齒輪的滑動率。齒輪嚙合的滑動率影響齒輪傳動的性能和壽命，過大的滑動率會引起齒輪傳動磨損、能量損失和噪聲增加。因此，在設(shè)計和制造齒輪傳動時，需要盡量減小滑動率，以提高傳動效率和壽命，選擇傳動齒輪之間最大滑動率之差的絕對值最小作為目標函數(shù)［11］，具體計算見式（4）至式（6）。

[η=η1max-η2max] " （4）

[η1max=tanαa2-tanα'1+z1z2tanα'-tanαa2i+1i] " "（5）

[η2max=tanαa1-tanα'1+z2z1tanα'-tanαa1i+1] "（6）

式中：η為齒輪嚙合的滑動率，η1max、η2max分別為小、大錐齒輪的最大滑動率，i為錐齒輪嚙合的傳動比。

3.2.4 目標函數(shù)F（V，ξ，η）。錐齒輪的體積V、穩(wěn)定性系數(shù)ξ和滑動率η三者構(gòu)成的多目標優(yōu)化函數(shù)F（V，ξ，η）見式（7）。

[FV，ξ，η=x1×V+x2×ξ+x3×η] （7）

式中：x1為體積的權(quán)重系數(shù)；x2為穩(wěn)定性系數(shù)的權(quán)重系數(shù)；x3為滑動率的權(quán)重系數(shù)；權(quán)重系數(shù)x1、x2、x3應(yīng)滿足x1+x2+x3=1。

3.3 約束條件

3.3.1 齒面接觸疲勞強度。計算見式（8）。

[σH=4KHT1φR1-φR2d13uZEZεZH≤σH] "（8）

式中：KH為接觸載荷系數(shù)；T1為小錐齒輪的轉(zhuǎn)矩；d1為小錐齒的分度圓直徑；u為齒數(shù)比；ZE、Zε、ZH分別為彈性影響系數(shù)、重合度系數(shù)和區(qū)域系數(shù)；［σH］為許用接觸應(yīng)力。

3.3.2 齒根彎曲疲勞強度。計算見式（9）。

[σF=KFT1YsaYFaφR1-φR2m3Z1u2+1≤σF] " " （9）

式中：KF為彎曲載荷系數(shù)；Ysa和YFa分別為應(yīng)力修正系數(shù)和齒形系數(shù)；［σF］為許用彎曲應(yīng)力。

4 主動傳動錐齒輪的優(yōu)化分析

在主動傳動的閉式錐齒輪機構(gòu)中，軸交角為90°，主動小齒輪的轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，傳遞功率為0.5 kW，傳動比為3。大齒輪為45鋼（調(diào)質(zhì)），小齒輪為40Cr（調(diào)質(zhì)），壽命為12 a。

4.1 體積特性分析

在滿足約束的條件下，不同齒數(shù)和模數(shù)的主動傳動機構(gòu)體積變化曲面如圖5所示，體積為0.072 1～0.218 33 dm3。閉式軟齒面錐齒輪的典型失效為齒面點蝕，不易出現(xiàn)輪齒折斷，因此主要保證齒面接觸疲勞強度［12］。其計算準則對應(yīng)參數(shù)為小錐齒輪的分度圓直徑，模數(shù)和齒數(shù)增多則分度圓直徑增大，不易出現(xiàn)齒面點蝕破壞。但齒寬也隨之增大，齒寬方向載荷分布不均勻，也會發(fā)生失效。滿足約束條件且只考慮體積因素的最小體積為0.137 0 dm3。

4.2 重合度特性分析

不同齒數(shù)和模數(shù)的主動傳動機構(gòu)重合度和穩(wěn)定性系數(shù)變化曲面如圖6所示。由圖6可知，齒數(shù)越大則重合度越大而穩(wěn)定性系數(shù)越小，模數(shù)對其無影響，穩(wěn)定性系數(shù)為0.545 5～0.625 0。在滿足約束條件且只考慮穩(wěn)定性系數(shù)因素的最小穩(wěn)定性系數(shù)為0.545 5。

4.3 滑動率特性分析

不同齒數(shù)和模數(shù)的主動傳動機構(gòu)滑動率變化曲面如圖7所示。由圖7可知，齒數(shù)越大則滑動率越小，模數(shù)對其無影響，滑動率系數(shù)為0～0.858 2。在滿足約束條件且只考慮滑動率系數(shù)因素的最小滑動率為0。

4.4 主傳動機構(gòu)的優(yōu)化分析

綜合考慮體積、穩(wěn)定性系數(shù)和滑動率影響的優(yōu)化目標函數(shù)特性如圖8所示。當模數(shù)增大時，重合度系數(shù)保持不變，而體積和滑動率為影響優(yōu)化目標函數(shù)的主要因素。齒數(shù)增大時，穩(wěn)定性系數(shù)和滑動率減小而體積增大，此時優(yōu)化目標函數(shù)增幅較小，體積因素為主要因素。傳統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計的比較見表1。

表 1 中任意參數(shù) x 優(yōu)化幅度為 w，令設(shè)計見式（10）。

[w=|x傳統(tǒng)-x優(yōu)化x傳統(tǒng)|×100%] "（10）

通過表1中的數(shù)據(jù)對傳統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計的對比可知，優(yōu)化設(shè)計后的尺寸及其他特征參數(shù)得到了優(yōu)化，各個方面都有了顯著提升。由表1可知，優(yōu)化設(shè)計的模數(shù)為1.5 "mm，體積為0.137 0 dm3，穩(wěn)定性系數(shù)為0.545 5，滑動率為0，目標函數(shù)為0.426 6。相對應(yīng)的傳統(tǒng)設(shè)計模數(shù)為 3 mm，體積為 0.214 7 dm3，穩(wěn)定性系數(shù)為0.580 7，滑動率為0.668 5，目標函數(shù)為0.778 7。對比優(yōu)化設(shè)計和傳統(tǒng)設(shè)計的結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計后體積減小36.19%，結(jié)構(gòu)明顯緊湊；重合度提高5.52%；傳動穩(wěn)定性提高6.06%；滑動率提高100%，傳動效率和壽命增加，優(yōu)化設(shè)計結(jié)果明顯。

4.5 錐齒輪有限元分析

主傳動錐齒輪是影響機器性能的主要機構(gòu)，因此有必要分析其強度是否滿足要求。利用SolidWorks構(gòu)建主動錐齒輪模型，并將模型導(dǎo)入ANSYS軟件［13］，所選材料為碳鋼。如圖9（a）所示，采用Tetrahedrons法劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為84 879，單元數(shù)為49 475，網(wǎng)格質(zhì)量為0.68，網(wǎng)格質(zhì)量良好。在給定工況下，應(yīng)力主要分布在錐齒輪嚙合處，如圖9（b）所示，最大等效應(yīng)力為23.476 MPa，即最大等效應(yīng)力小于許用應(yīng)力值，表明設(shè)計模型滿足強度要求。

5 結(jié)論

①本研究設(shè)計了一種體積小、傳動平穩(wěn)、效率高且結(jié)構(gòu)簡單的除屋檐冰棱機，包括升降機構(gòu)，除冰部分、傳動部分和控制部分。除冰部分由不完全齒輪和除冰夾組成，升降部分采用絲杠升降機構(gòu)、傳動部分為錐齒輪傳動，控制部分通過激光測距模塊測得機器頂部與屋檐的距離。

②本研究以體積、穩(wěn)定性系數(shù)和滑動率小為工作要求，采用小錐齒輪齒數(shù)和模數(shù)為自變量，在滿足邊界條件、錐齒輪的齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲疲勞強度的基礎(chǔ)上，建立主傳動機構(gòu)的優(yōu)化目標函數(shù)。

③對比優(yōu)化設(shè)計和傳統(tǒng)設(shè)計的結(jié)果，傳統(tǒng)設(shè)計優(yōu)先選擇齒數(shù)，因此齒數(shù)較小，而優(yōu)化設(shè)計后體積減小36.19%，尺寸明顯緊湊；重合度提高5.52%，傳動穩(wěn)定提高6.06%；滑動率提高100%，傳動效率和壽命增加，優(yōu)化設(shè)計結(jié)果明顯。同時，利用ANSYS分析主運動齒輪的強度也滿足要求。

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